KR102473966B1 - 열교환기 및 그의 구성 부품의 부식방지 효율 향상을 위한 기능성 스테인리스 스틸 (sus 316) 표면개발 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열교환기 및 그의 구성 부품의 부식방지 효율 향상을 위한 기능성 스테인리스 스틸 (SUS 316) 표면개발에 관한 것으로, 본 발명에 따른 스테인리스 스틸 표면에 소수성 및 내식성(Corrosion Resistance) 산화막을 형성하는 방법은 종래의 균일한 다공성 산화막을 형성하기 위한 프리패터닝(Pre-patterning) 공정 없이도 균일한 다공성 산화막을 형성할 수 있어 소수성 및 내식성이 현저히 우수한 효과가 있으므로, 스테인리스 스틸을 포함하는 열교환기 또는 그의 부품에 응용할 수 있고, 나아가 스테인리스 스틸 표면처리 기술 개발을 위한 머신러닝(Machine Learning) 데이터베이스로도 유용할 수 있다.
Description
본 발명은 열교환기 및 그의 구성 부품의 부식방지 효율 향상을 위한 기능성 스테인리스 스틸 (SUS 316) 표면개발에 관한 것으로, 소수성 및 내식성 양극산화막을 형성하는 방법을 제공하고, 나아가 스테인리스 스틸 표면처리 기술 개발을 위한 머신러닝(Machine Learning) 데이터베이스로도 유용할 수 있다.
스테인리스 스틸은 크롬을 첨가하여 녹이 슬지 않는 금속 합금으로 가공성, 경제성 및 우수한 내식성 등의 특성을 가지므로 해양, 기계, 전자 부품, 배관, 발전, 원자력 등 여러 산업분야에서 활용되고 있다. 그러나 스테인리스 스틸은 이와 같은 장점에도 불구하고 가스 배관 및 해양산업 등 혹독한 환경과 같은 환경에서 내식성이 취약하다는 단점을 가지고 있다.
이런 단점을 해결하기 위해 내식성을 향상하기 위한 부식 방지 표면처리 기술 연구가 활발히 이루어지고 있다. 최근 젖음성 거동을 이용한 연구를 통해 초발수성 표면을 구현하는 연구가 주목받고 있다.
초발수성 표면은 발수성(Water-repellency), 자기세정(Self-cleaning), 발유성(Oil-repellency), 결빙방지(Anti-icing), 착상방지(Anti-frost)등 여러가지 특성을 활용할 수 있으며, 첨단 디스플레이, 광학필름, 반도체, 박막 코팅 등 다양한 산업에서 이용할 수 있다.
젖음성 거동은 소재의 표면에너지에 의해 결정되며, 표면 에너지를 감소시켜 표면 접촉각이 150° 이상이 되어 초발수성이 구현된다. 이와 같은 초발수성 표면은 연 꽃잎, 매미날개, 벼 잎 등 여러가지 자연 소재를 보고 개발되었으며, 마이크로 및 나노크기의 구조를 제작하여 표면에너지를 감소시켜 제작하는 등 다양한 방법들이 연구되고 있다.
하지만 금속에 마이크로 및 나노 크기의 구조물을 균일하게 구현할 수 있는 방법이 제한적이다. 다양한 표면처리법 중 양극산화 방법은 금속에 인위적으로 균일하고 두꺼운 산화 피막을 형성시킬 수 있다.
양극산화법으로 만들어진 산화피막은 장벽형 피막과 기공형 피막으로 나누어지며, 장벽형 피막은 기공과 같은 빈 공간 없이 산화막 내부가 치밀하게 형성된 피막을 말하며, 기공형 피막은 기공구조가 규칙적으로 배열되는 나노 구조를 가지는 다공성 피막과 기공과 기공사이에 빈공간이 존재하는 나노 튜브형 피막으로 나누어진다.
여기서, 상기 양극산화는 금속의 표면 처리방법 중 가장 널리 알려진 처리방법의 하나로서, 전해액에 침적된 금속 모재를 양극으로 하여 통전하는 경우, 양극에서 발생하는 산소에 의하여 모재의 표면이 산화되면서 산화피막을 형성하여 모재의 물성을 향상하는 처리방법이다.
즉, 상기 전해액 중의 산소이온이나 수산이온이 모재의 표면에 형성되어 있던 산화피막으로 침투하여 금속이온과 결합하여 산화층을 형성함으로써, 상기 모재와 상기 산화층의 계면 부근에 기공성의 산화피막과 수산화피막이 성장하여 상기 모재의 물성을 더욱 향상시키게 되는 것이다.
양극산화에 의해 금속 모재의 물성을 증대함에 있어서, 상기 양극산화의 가장 핵심적인 변수로는 양극산화처리 전압, 시간, 그리고 모재 금속의 순도와 같은 다양한 함수를 적절히 세팅하는 것이 무엇보다도 중요하다.
스테인리스 스틸에도 성분 함량에 따라 다양한 합금 종류가 있고, 성분 함량에 따라서 목적하는 양극산화처리의 조건은 달라질 수 있어, 처리대상 모재의 성분 함량은 매우 중요하다 할 수 있다.
한편, 열교환기는 온도와 습도가 각각 다른 두 유체 사이에서 열을 교환하는 장치로, 열교환소자의 적층구조로 이루어지며 온도와 습도가 다른 두 유체를 엇갈리게 통과시켜서 온도차에 의한 현열교환과 습기의 교환에 의한 잠열교환을 행하는 구조로 되어 있다. 이때 열교환은 열교환소자내의 전도 및 열교환소자에 인접한 유체 사이의 대류에 의해 이루어지며, 최근까지 우수한 열전도성으로 인해 구리를 열교환소자로 하는 구리 열교환기가 대부분의 열교환기 시장을 차지하였다. 그러나 경량, 수급의 용이함, 구리 열교환기에 상응하는 열교환 성능 등의 장점으로 인해 최근 자동차 및 가전제품(가정용 전자제품: 에어콘, 냉장고, 실외기, 제습기)시장을 바탕으로 알루미늄 또는 스테인리스 스틸 열교환기의 수요가 급증하고 있다.
열교환기가 냉각에 사용될 경우, 공기 중에 포함된 수분이 열 교환기의 표면에서 응축되어 작은 물방울을 형성하고, 이러한 물방울은 열 교환기의 공기 저항성을 증가시켜 대류에 의한 열전달계수를 낮추므로써 열교환 효율을 급격히 저하시킨다. 또한, 시간이 경과함에 따라 응축된 물방울은 열 교환기 내에서 부식을 유발하며 열교환기 표면에 금속산화물과 같은 미세한 백색 분말이 생성된다. 이에 내식성을 높이는 처리방법과 더불어 초소수성(초발수성)이 향상된 소재 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명자는 스테인리스 스틸 (SUS 316L)을 모재로 하여 양극산화처리 시간 및 전압을 최적화하여 나노구조의 산화막을 형성한 다음, 소수성 SAM(Self-assembled Monolayer) 코팅제로 코팅함에 따라서, 소수성 및 내식성(부식 억제율)이 현저히 향상됨을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 열교환기 또는 그의 부품용 SUS 316 또는 SUS 316L 스테인리스 스틸 표면에 소수성 및 내식성(Corrosion Resistance) 산화막을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조되는 소수성 및 내식성 양극산화막이 형성된 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법으로 제조되는 소수성 및 내식성 양극산화막이 형성된 열교환기의 부품을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 열교환기 또는 그의 부품용 SUS 316 또는 SUS 316L 스테인리스 스틸 표면을 세척하고 건조하는 단계(단계 1);
80-100 V 인가 전압에서 2.5-3.5 시간 동안 양극산화처리하여, 스테인리스 스틸 표면에 양극산화막을 형성하는 단계(단계 2);
상기 단계 2의 양극산화처리된 스테인리스 스틸을 0.05-1.0 M의 인산 용액에 침지하여 기공확장 처리하는 단계(단계 3);
플라즈마 처리하여 유기 잔여물을 제거하고 양극산화막 표면을 친수성으로 만드는 단계(단계 4); 및
SAM(Self-assembled Monolayer) 코팅 가능한 소수성 코팅제로 코팅하는 단계(단계 5);를 포함하는,
열교환기 또는 그의 부품용 SUS 316 또는 SUS 316L 스테인리스 스틸 표면에 소수성 및 내식성(Corrosion Resistance) 산화막을 형성하는 방법을 제공한다.
상기 단계 2의 양극산화처리에서 전해질(Electrolyte)은 0.05-0.15M의 NH4F, 0.05-0.15M의 물이 포함된 에틸렌글리콜을 사용할 수 있고, 바람직하게는 0.08-0.12M의 NH4F, 0.08-0.12M의 물이 포함된 에틸렌글리콜을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 0.09-0.11M의 NH4F, 0.09-0.11M의 물이 포함된 에틸렌글리콜을 사용할 수 있고, 본 발명에서는 일례로서 0.1M의 NH4F, 0.1M의 물이 포함된 에틸렌글리콜을 전해질로서 사용하였으나 이에 제한하지 않는다.
상기 단계 2는 세척된 스테인리스 스틸을 80-100 V에서 2.5-3.5시간 동안 양극산화처리할 수 있고, 바람직하게는 85-95 V에서 2.8-3.2시간, 더욱 바람직하게는 88-92 V에서 2.9-3.1시간 실시할 수 있다.
소수성 및 부식 억제율 90% 이상을 구현하기 위해서는, 88-92 V에서 2.9-3.1시간 양극산화처리하는 것이 바람직하고, 이 조건을 벗어날 경우 소수성 및 부식 억제율이 저하하는 문제점이 있을 수 있다.
상기 단계 3의 기공확장 처리는 0.05-1.0M의 인산용액에서 1-60분 동안 침지하여 실시할 수 있다.
상기 단계 5의 SAM 코팅 가능한 소수성 코팅제로는 표면에너지가 6mJ/m2 내지 20mJ/m2인 플루오르카본 체인 수가 1 내지 20개인 퍼플로로알킬실란, 탄소수가 1 내지 20개인 알킬실란 등을 사용할 수 있고, 일례로 1H,1H,2H,2H-퍼플로로데실트리클로로실란(FDTS), 트리클로로옥틸실란(OTS), 옥타데실트리클로로실란(ODTS) 등을 사용할 수 있다.
상기 열교환기는 증발기, 응축기, 방열기, 오일 쿨러, 연료 전지, 히터 코어, 폐열회수장치, 배관, 콘덴서 등에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조되는 소수성 및 내식성 양극산화막이 형성된 열교환기를 제공한다.
나아가, 본 발명은 상기 방법으로 제조되는 소수성 및 내식성 양극산화막이 형성된 열교환기의 부품을 제공한다.
본 발명에 따른 스테인리스 스틸 표면에 소수성 및 내식성(Corrosion Resistance) 산화막을 형성하는 방법은, 종래의 균일한 다공성 산화막을 형성하기 위한 프리패터닝(Pre-patterning) 공정 없이도 균일한 다공성 산화막을 형성할 수 있어 소수성 및 내식성이 현저히 우수한 효과가 있다.
도 1은 실시예 1-4의 단계 1 내지 단계 4까지만 실시한 후 얻은 샘플에 대한 EDS 측정 결과이다.
도 2는 실시예에서 단계 1 내지 4까지만 실시한 후 얻은 4개의 샘플 표면에 형성된 산화막의 표면 형상을 FE-SEM으로 관찰한 이미지이다.
도 3은 실시예에서 단계 1 내지 단계 4까지만 실시한 샘플(SAM 코팅 미실시)의 접촉각을 측정한 결과이다.
도 4는 실시예에서 단계 1 내지 단계 5까지 모두 실시한 샘플(SAM 코팅 실시)의 접촉각을 측정한 결과이다.
도 5는 실시예에서 단계 1 내지 단계 5까지 모두 실시한 샘플의 동전위분극 곡선을 나타낸 도면이다.
도 2는 실시예에서 단계 1 내지 4까지만 실시한 후 얻은 4개의 샘플 표면에 형성된 산화막의 표면 형상을 FE-SEM으로 관찰한 이미지이다.
도 3은 실시예에서 단계 1 내지 단계 4까지만 실시한 샘플(SAM 코팅 미실시)의 접촉각을 측정한 결과이다.
도 4는 실시예에서 단계 1 내지 단계 5까지 모두 실시한 샘플(SAM 코팅 실시)의 접촉각을 측정한 결과이다.
도 5는 실시예에서 단계 1 내지 단계 5까지 모두 실시한 샘플의 동전위분극 곡선을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1-1 내지 1-4> 스테인리스 스틸(SUS 316L)의 양극산화처리
단계 1: 스테인리스 스틸(SUS 316L) 기판의 준비
3cm × 3cm × 0.05cm 크기의 스테인리스 스틸(SUS 316L)을 사용하였다. 표면 이물질 제거 및 표면 클리닝을 위해 에탄올과 아세톤에 침지시켜 초음파 세척을 실시하였으며, 증류수를 이용하여 한번 더 세척한 후 건조하였다.
SUS 316L 등의 스테인리스 스틸의 성분을 하기에 나타내었다. 참조로, 금속의 종류, 그리고 합금의 종류에 따라서 초친수성 산화막을 형성하기 위한 최적의 양극산화 처리조건에는 상당한 차이가 있고, 본 발명에서는 SUS 316L에 초점을 맞추어 초친수성 산화막을 형성하기 위한 최적의 양극산화 처리조건을 찾아내었다.
단계 2: 양극산화 처리
양극산화 공정은 양극에 스테인리스 스틸, 음극에 백금(2.5cm × 4cm × 0.05cm)을 사용하였으며, 전극간 거리는 5cm 로 유지했다. 에틸렌글리콜 용액을 기반으로 0.1 M NH4F, 0.1 M H2O을 첨가한 전해질 용액에서 이중 자켓 비커와 수냉식 냉각기를 이용하여 0℃의 온도로 유지하였다. 인가전압을 30V(실시예 1-1), 50V(실시예 1-2), 70V(실시예 1-3), 90V(실시예 1-4)로 하여 3시간 동안 진행하였으며, 양극산화 후 시편을 증류수로 세척, 건조하였다.
단계 3: 기공확장 처리
상기 단계 2의 양극산화 처리로 제작된 나노 구조물의 기공 확장을 위해 0.1 M의 인산(Phosphoric Acid, Junsei)에 10분간 침지시켜 기공을 확장시키고, 시편을 증류수로 세척, 건조하였다.
단계 4: 플라즈마 처리
플라즈마 장치를 이용하여 표면에 15분 동안 산소 플라즈마로 유기 잔여물 제거하고 친수성으로 만든 후 공기 중에서 가열 교반기를 사용하여 150℃에서 10분 동안 건조하였다. 플라즈마 처리 조건은 200W, 50KHz, O2 50sccm, RIE 모드로 15분 동안 플라즈마 처리하였다.
단계 5: 자기조립 단분자막(Self-assembled Monolayer, SAM) 코팅
플라즈마 처리가 완료된 양극산화 샘플에 발수 특성을 부여하기 위해, 자기조립 단분자막(Self-assembled Monolayer, SAM) 코팅을 낮은 표면에너지를 가지는 물질인 FDTS(1H, 1H, 2H, 2H-Perfluorodecyltrichlorosilane) 용액을 사용하여 수행하였다.
<실험예 1> EDS(Energy dispersive spectroscopy)를 이용한 산화막 형성 평가
실시예 1-4(양극산화 90V, 3시간)에서 단계 1 내지 단계 4까지(SAM 코팅 미실시) 실시한 후 얻은 스테인리스 스틸(SUS 316L) 샘플에 대해서 EDS(모델명: X-MAX, 제조사: OXFORD) 측정을 하여, 산화막 형성 여부를 평가하였고, 그 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1은 실시예 1-4의 단계 1 내지 단계 4까지 실시한 후 얻은 샘플에 대한 EDS 측정 결과이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 양극산화 후에 산소와 철이 주성분으로 나타나 있으며, 그 외에 크롬, 망간, 니켈 등이 검출되었으며 탄소는 샘플을 스테이지에 고정하기 위한 카본테이프에 영향으로 노이즈에 해당한다. 이 결과를 통해 스테인리스 스틸 표면에 산화막이 형성된 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2> FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope)을 이용한 표면 형상 관찰
실시예에서 단계 1 내지 단계 4까지(SAM 코팅 미실시) 실시한 스테인리스 스틸(SUS 316L) 표면에 형성된 산화막의 표면 형상을 FE-SEM(모델명: MIRA 3 LMH In-Beam Detector, 제조사: TESCAN)을 이용하여 관찰하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
구체적으로, 샘플의 표면 형상을 관찰하기 위하여 샘플을 절단하여 카본 테이프로 스테이지에 고정하고, 양극산화로 만들어진 구조물은 비전도성인 산화물이므로 백금 코팅을 40초간 수행한 후 관찰하였다.
도 2는 실시예에서 단계 1 내지 4까지 실시한 후 얻은 4개의 샘플 표면에 형성된 산화막의 표면 형상을 FE-SEM으로 관찰한 이미지이다.
도 2에 나타난 바와 같이, (c), (d)의 표면과 달리 (a)와 (b)에서는 표면에서는 장벽형 산화피막이 형성되었기 때문에 표면에 기공을 형성하지 않는 것을 확인 할 수 있다. 그러나 (c)와 (d)의 경우엔 앞의 두 시편과 달리 다공성 구조가 형성된 것을 확인할 수 있다. 다공성 구조가 형성되는 이유로는 산성을 띄는 용액과 산화피막이 접촉하여 피막 표면에서 일어나는 부분적 용해로 인해 산화피막의 표면 거칠기가 증가하며 거칠어진 산화피막중 피막의 두께가 얇은 곳에서 전기장의 집중이 일어나게 된다. 전기장의 집중은 산화피막의 용해반응을 촉진시키게 되어 더 얇은 산화피막을 형성하게 되고 이러한 반응의 연속적 거동으로 인해 국부적 산화로 기공을 형성하게 된다
표 1에 도 2의 FE-SEM 이미지를 이용하여 양극산화 후 표면에 생성되어진 기공 직경(Pore Diameter, Dp), 기공사이의 간격(Interpore Distance, Dint), 고체분율(Solid Fraction)을 측정한 결과를 나타내었다. 기공의 직경과 기공간 거리는 평균값으로 나타낸 것이며, 고체분율은 하기 수학식 (1)에 의해 산출하였다.
[수학식 1]
f SL : 고체 분율(Solid Fraction)
a: 기공간의 거리
r: 기공의 반지름
| Dp(nm) | Dint(nm) | 고체분율 | |
| 30V | None | None | None |
| 50V | None | None | None |
| 70V | 68.62±8.07 | 89.78±8.30 | 0.4559 |
| 90V | 89.17±8.25 | 106.45±7.22 | 0.3466 |
표 1에 나타난 바와 같이, 장벽형 피막으로 이루어진 인가전압 30 V, 50 V시편의 산화피막에서는 기공이 발견되지 않아 DP, Dint, 고체분율값은 구할 수 없으며, 70 V와 90 V의 경우 다공성 기공이 생성됨에 따라 DP, Dint, 고체분율값을 구할 수 있었다. 70 V에서의 DP, Dint, 고체분율값은 각각 68.62±8.07 nm, 89.78±8.30 nm, 0.4559 이며, 90 V에서의 값은 89.17±8.25 nm, 106.45±7.22 nm, 0.3466 으로 산출되었다. 70V 및 90V 전압 조건에서 규칙적인 기공을 가지는 다공성 피막이 형성됨을 관찰하였다. 고체분율은 거칠기율을 의미한다.
<실험예 3> 접촉각 평가
실시예에서 단계 1 내지 단계 4까지만 실시한 샘플과 단계 1 내지 단계 5까지 모두 실시한 샘플의 표면 젖음성을 알아보기 위해 접촉각을 측정하였고, 그 결과를 도 3, 도 4 및 표 2에 나타내었다.
구체적으로, 측정 시에 기준 액체로 3.5㎕의 증류수를 사용하였다. 표면 위에 액적을 떨어뜨린 후 5초의 시간후에 접촉각을 측정하였고, 시편 당 10번 측정을 하였다.
도 3은 실시예에서 단계 1 내지 단계 4까지만 실시한 샘플(SAM 코팅 미실시)의 접촉각을 측정한 결과이다.
도 4는 실시예에서 단계 1 내지 단계 5까지 모두 실시한 샘플(SAM 코팅 실시)의 접촉각을 측정한 결과이다.
도 3 및 도 4의 결과를 하기 표 2에 정리하여 나타내었다.
| SAM 코팅전 (°) | SAM 코팅후 (°) | |
| 30V | 21.4±0.91 | 115.5±2.85 |
| 50V | 18.5±1.59 | 123.4±1.63 |
| 70V | 16.5±0.98 | 130.3±1.82 |
| 90V | 8.56±0.68 | 140.3±1.46 |
표 2에 나타난 바와 같이, SAM 코팅후 샘플에서 인가전압이 증가할수록 접촉각이 높아지는 것을 볼 수 있다. Cassie-Baxter 이론에 의하여 시편 표면의 다공성 산화막에서의 코팅으로 인해 공기가 기공 또는 고체 표면의 물방울을 밀어내는 형상이 되는 것이므로 다공성 산화피막을 형성하는 표면에 코팅한 시편에서 접촉각이 높게 나온 것으로 판단된다.
<실험예 4> 내식성(Corrosion Resistance) 평가
실시예에서 단계 1 내지 단계 5까지 모두 실시한 샘플의 내식성을 평가하였고, 그 결과를 도 5 및 표 3에 나타내었다.
구체적으로, 내식성은 전기화학적 방법인 동전위분극시험(Potentio-Dynamic Polarization Test, PDP)으로 상온의 3.5 wt% NaCl 용액에서 진행하였다. 분석 시험 진행 전 1시간 동안 상온에서 3.5 wt.% NaCl 용액에 샘플을 침지 시킨 후 측정하였다. 분극 시험은 3전극 시스템으로 작업전극으로는 샘플을 사용하였고 상대전극으로는 백금(Pt)을 사용하였으며 기준전극으로는 은/염화은(Ag/AgCl) 전극을 이용하였다. 측정 조건은 -500 mV 내지 +14000 mV(vs. Ag/AgCl) 범위를 1 mV/sec의 주사 속도로 전기화학적 특성 분석을 통해 내식성을 평가하였다.
도 5는 실시예에서 단계 1 내지 단계 5까지 모두 실시한 샘플의 동전위분극 곡선을 나타낸 도면이다.
도 5의 결과를 정리하여 하기 표 3에 나타내었다.
| Ecorr (mV) | Icorr (A/cm2) | IE (%) | |
| 무처리 SUS 316L | -404 | 2.36×10-7 | 0 |
| 30V | -232 | 1.67×10-7 | 29.23 |
| 50V | -192 | 2.96×10-8 | 87.46 |
| 70V | -144 | 2.49×10-8 | 89.44 |
| 90V | -38 | 9.02×10-9 | 96.18 |
Ecorr: 부식전위
Icorr: 질량의 손실을 나타내는 부식전류밀도
IE: 무처리 SUS 304 대비 실시예 처리 샘플의 부식 억제율(Inhibition Efficiency)
부식전위란 부식이 일어나는 속도를 보여주는 수치이며 값이 낮을수록 산화경향이 크기 때문에 부식이 빨리 발생하는 경향이 있다
부식전류밀도는 전류밀도 값이 커질수록 전류가 많이 흐르기 때문에 부식이 많이 발생하는 경향이 있다.
부식 억제율은 부식전류밀도값을 이용하여 수치화한 것으로, i는 양극산화처리 및 코팅된 시편의 전류밀도값이며 i0는 무처리 시편의 전류밀도값으로 하기 수학식 2에 의해 산출하였다.
[수학식 2]
i: 실시예에서 단계 1 내지 단계 5까지 모두 실시한 샘플의 부식전류밀도
i0: 무처리 SUS 316L의 부식전류밀도
IE: 무처리 SUS 316L 대비 실시예 처리 샘플의 부식 억제율
표 3에 나타난 바와 같이, 인가전압이 높아질수록 내식성이 우수해지는 경향을 확인할 수 있으며, 부식억제율 또한 30 V의 경우 29.23 %, 50 V는 87.46 %, 70 V는 89.44 %, 90 V에선 96.18 % 으로 인가전압이 증가함에 따라 상승하는 경향을 확인할 수 있다. 이는 부식성 물질(Cl-)과 접촉하는 물질의 계면 구조의 변화 및 발수처리된 다공성 산화피막의 젖음성과 관련이 있다. 부식성 물질과 접촉하는 물질의 계면구조 변화의 경우 낮은 표면에너지를 가지는 코팅 물질은 극성을 가지지 않기 때문에 물 분자가 표면에 부착되기 어려워지며, 그에 따라 물 분자 속의 부식성 이온들은 코팅된 금속에서 반응을 일으키기 어려워진다. 또한 다공성 산화피막의 발수처리시 Cassie-Baxter의 형상에 따라 구조물과 부식성 물질이 접촉하더라도 기공 내부에 채워진 공기로 인해 부식성 물질이 기공 내부로 침투하기 어려운 상황을 구현함으로써, 부식 방지 효율이 증가한 것으로 판단된다.
<실험예 5> 내식성을 위한 양극산화 최적 조건(시간 및 전압) 평가
상기 실험예 1 내지 4를 통해 양극산화 처리 조건으로 3시간 및 90V 처리할 경우 내식성이 가장 우수함을 확인하였다. 이에, 본 실험예 5에서는 양극산화 처리 조건 3시간 및 90V를 기준으로 하여 최적 조건을 알아보았고, 그 결과를 표 4 및 표 5에 나타내었다. 양극산화 처리 시간 및 전압을 달리한 것을 제외하고는 실시예와 동일하게 샘플(SAM 코팅 실시)을 제조하였다.
| 시간(h) | 전압(V) | IE(%) | |
| 실시예 2-1 | 2.8 | 90 | 82.23 |
| 실시예 2-2 | 2.9 | 95.87 | |
| 실시예 2-3 (= 실시예 1-4) |
3.0 | 96.18 | |
| 실시예 2-4 | 3.1 | 95.48 | |
| 실시예 2-5 | 3.2 | 85.47 |
| 시간(h) | 전압(V) | IE(%) | |
| 실시예 3-1 | 3.0 | 86 | 89.99 |
| 실시예 3-2 | 88 | 95.31 | |
| 실시예 3-3 (= 실시예 1-4) |
90 | 96.18 | |
| 실시예 3-4 | 92 | 95.74 | |
| 실시예 3-5 | 94 | 87.49 |
표 4 및 표 5에 나타난 바와 같이, 내식성 측면에서 양극산화 처리 시간 2.9-3.1 h 및 인가 전압 88-92 V에서 가장 우수한 결과를 확인할 수 있었다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (9)
- 열교환기 또는 그의 부품용 SUS 316 또는 SUS 316L 스테인리스 스틸 표면을 세척하고 건조하는 단계(단계 1);
88-92 V 인가 전압에서 2.9-3.1 시간 동안 양극산화처리하여, 스테인리스 스틸 표면에 양극산화막을 형성하는 단계(단계 2);
상기 단계 2의 양극산화처리된 스테인리스 스틸을 0.05-1.0 M의 인산 용액에 침지하여 기공확장 처리하는 단계(단계 3);
플라즈마 처리하여 유기 잔여물을 제거하고 양극산화막 표면을 친수성으로 만드는 단계(단계 4); 및
SAM(Self-assembled Monolayer) 코팅 가능한 소수성 코팅제로 코팅하는 단계(단계 5);를 포함하는,
열교환기 또는 그의 부품용 SUS 316 또는 SUS 316L 스테인리스 스틸 표면에 소수성 및 내식성(Corrosion Resistance) 산화막을 형성하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 2의 양극산화처리는 NH4F, 물 및 에틸렌글리콜의 혼합물을 전해질로 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 SAM 코팅 가능한 소수성 코팅제는 1H,1H,2H,2H-퍼플로로데실트리클로로실란(FDTS), 트리클로로옥틸실란(OTS) 및 옥타데실트리클로로실란(ODTS) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서,
스테인리스 스틸 표면에 부식 억제율 90% 이상의 양극산화막이 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 열교환기는 증발기, 응축기, 방열기, 오일 쿨러, 연료 전지, 히터 코어, 폐열회수장치, 배관 및 콘덴서로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 장치에 이용되는 열교환기인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항의 방법으로 제조되는 소수성 및 내식성 양극산화막이 형성된 열교환기.
- 제1항의 방법으로 제조되는 소수성 및 내식성 양극산화막이 형성된 열교환기의 부품.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210128865A KR102473966B1 (ko) | 2021-09-29 | 2021-09-29 | 열교환기 및 그의 구성 부품의 부식방지 효율 향상을 위한 기능성 스테인리스 스틸 (sus 316) 표면개발 |
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| KR102473966B1 true KR102473966B1 (ko) | 2022-12-02 |
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ID=84418026
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| KR1020210128865A KR102473966B1 (ko) | 2021-09-29 | 2021-09-29 | 열교환기 및 그의 구성 부품의 부식방지 효율 향상을 위한 기능성 스테인리스 스틸 (sus 316) 표면개발 |
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|---|---|
| KR (1) | KR102473966B1 (ko) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20090058572A (ko) * | 2006-09-20 | 2009-06-09 | 더 퀸즈 유니버시티 오브 벨파스트 | 조절된 습윤성 표면을 갖는 금속 제품의 코팅 방법 |
| KR101832059B1 (ko) | 2016-06-24 | 2018-02-23 | 인하대학교 산학협력단 | 내지문 특성을 가지고 있는 장식용 타이타늄 산화막 제조 방법 |
| KR20200065418A (ko) * | 2018-11-30 | 2020-06-09 | 주식회사 포스코 | 스테인리스 스틸의 표면개질 방법 |
| KR102204255B1 (ko) * | 2019-08-12 | 2021-01-18 | 동의대학교 산학협력단 | 엔진 및 자동차 휠 용 초소수성 6000계열 알루미늄 합금 제조방법 |
-
2021
- 2021-09-29 KR KR1020210128865A patent/KR102473966B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Chanyoung Jeong외 1명, ‘Single-Step Direct Fabrication of Pillar-on-Pore Hybrid Nanostructures in Anodizing Aluminum for Superior Superhydrophobic Efficiency’, Mater. Interfaces 2012, 4, 842~848. 1부.* * |
| 박영주외 1명, ‘내식성 향상을 위한 기능성 초발수 스테인리스 스틸 (SUS 304) 표면 연구’, 대한금속·재료학회지(Korean J. Met. Mater.), Vol. 59, No.4(2021) pp.217-222, 2021.3.24. 1부.* * |
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