KR102562890B1 - 프리패터닝 공정을 생략한 알루미늄 3000계열 합금에 균일한 pop 나노구조물 생성을 위한 최적의 양극산화 피막 제조 방법 - Google Patents

프리패터닝 공정을 생략한 알루미늄 3000계열 합금에 균일한 pop 나노구조물 생성을 위한 최적의 양극산화 피막 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 프리패터닝 공정을 생략한 알루미늄 3000계열 합금에 균일한 POP 나노구조물 생성을 위한 최적의 양극산화 피막 제조 방법에 관한 것으로, 프리패터닝(pre-patterning) 단계를 생략하고도 균일한 양극산화 피막을 제조할 수 있어 제조비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 초친수성 양극산화 피막을 형성할 수 있는 효과가 있고, 나아가 3000계열 알루미늄 합금 표면처리 기술 개발을 위한 머신러닝(Machine Learning) 데이터베이스로 유용할 수 있다.

Description

프리패터닝 공정을 생략한 알루미늄 3000계열 합금에 균일한 POP 나노구조물 생성을 위한 최적의 양극산화 피막 제조 방법{A method for manufacturing anodized film to create a uniform POP nanostructure for aluminum 3000 alloys without pre-patterning process}
본 발명은 프리패터닝 공정을 생략한 알루미늄 3000계열 합금에 균일한 POP 나노구조물 생성을 위한 최적의 양극산화 피막 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명에서 얻은 양극산화 처리 조건 데이터는 머신러닝에 활용할 수 있다.
규칙적인 육각형 구조로 배열된 나노 크기의 기공을 가진 알루미늄 산화 피막은 1995년 처음 연구되어 보고된 이래로, 최근 응용 범위 확대로 알루미늄 양극 산화 공정을 이용하여 탄소 나노 튜브, 나노 와이어 등과 같은 나노 기술에 사용되고 있으며, 그 밖에 다양한 나노 기술 연구가 활발히 진행되고 있다.
알루미늄 양극산화 피막의 기공의 직경(Pore diameter; DP)과 기공과 기공간의 간격(Interpore distance; Dint)은 태양 전지, LED 등 광전소자와 금속 나노 와이어와 같은 나노 기술에 중요한 요소로서, 관련 응용 분야 및 장치에서의 성능에 직접적인 영향을 준다.
전기화학적 양극산화 처리 공정은 70년 이상 금속 재료의 표면 처리에 사용되어 왔다. 양극산화 공정을 통해 제작된 나노 구조물은 값 비싼 전자 리소그래피나 실리콘을 이용한 반도체 식각 공정에 비해 적은 예산과 시간으로 나노 구조물을 구현할 수 있다. 그러나 이러한 양극산화 피막의 경우 측면 치수만 제어 가능한 2차원 다공성 배열을 가지고 있다.
또한, 알루미늄 합금의 산 전해질의 종류 및 농도를 조절한 규칙적으로 배열된 양극산화 알루미늄 피막 제작에 있어서는 수산법, 황산법, 인산법 등 많은 연구와 기술들이 발전되어지고 있으나, 산 전해질 종류와 농도의 변화에 의한 양극산화 공정은 기공의 직경과 기공과 기공의 간격의 증가에 한계가 있으며, 이러한 기술 역시 2차원 다공성 양극산화 피막 제작만이 가능하다.
한편, 기공 상부에 날카로운 기둥(pillar)이 단일(single) 또는 번들(bundle) 형태로 형성된 구조인 필라-온-포어(pillar-on-pore, POP) 구조는, 기존의 평면 육각형 다공성 표면보다 높은 접촉각(contact angle) 및 낮은 접촉이력각(contact angle hysteresis)을 가지며, 이에 따라 우수한 초소수성 특성을 갖는다. 또한, 필라-온-포어 구조는 수력 역학 항력 감소, 부식방지(anticorrosion), 생물 부착방지(antibiofouling), 이빙(anti-icing) 등의 특성을 가지므로, 스마트폰, 가전제품 등의 표면을 구현하는데 큰 역할을 할 수 있다.
그러나, 이러한 필라-온-포어 구조를 반도체 또는 순도 높은 알루미늄 기판 상에 형성하는 기술은 연구된 바 있으나, 알루미늄 합금 상에 형성하는 것은 매우 어렵다. 일반적으로 순도가 높은 알루미늄 기판으로부터 3차원 형상의 다공성 배열을 가진 구조물을 제조하는 기술에 관한 연구가 많이 이루어져 있으나, 실제 산업에서는 순도 높은 알루미늄 기판보다는 합금 형태로 이용되고 있으며, 순도 높은 알루미늄 기판을 대상으로 연구된 기술을 실제 상용화에 이용되는 알루미늄 합금에 적용할 경우, 형성 제어가 동일하게 재현되기 어렵다는 문제점이 있다.
이 건 발명자의 선출원(등록특허공보 제10-2086933호)에서는 5000계열 알루미늄 합금에 필라-온-포어 구조의 양극산화 피막을 형성하는 방법을 개시하고 있으나, 등록 청구항 1항에 나타나듯 프리패터닝 단계를 필수로 포함하고 있어, 제조비용이 향상되는 문제점이 있었다.
아울러, 알루미늄 합금 1000계열, 2000계열, 3000계열, 4000계열, 5000계열, 6000계열 등의 계열 간에는 합금 화학 성분에 차이가 있어서, 양극산화 처리 조건 및 기공 확장 처리 조건이 모두 상이하게 적용된다.
이에, 본 발명자는 프리패터닝 단계를 생략한 3000계열 알루미늄 합금 상에 필라-온-포어 구조의 양극산화 피막 형성 방법을 개발하기 위하여, 1차 양극산화 - 기공확장 -2차 양극산화 처리 조건을 달리하며 탐색하였고, 특정 처리 조건에서 프리패터닝을 생략하고서도 필라-온-포어 구조의 양극산화 피막이 형성됨을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
등록특허공보 제10-2086933호
본 발명의 목적은 프리패터닝(pre-patterning) 단계를 생략한 3000계열 알루미늄 합금에 초친수성 양극산화 피막의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법으로 제조되는 초친수성의 양극산화 피막이 형성된 3000계열 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 3000계열 알루미늄(aluminum) 합금을 35-45V에서 1-10분 동안 1차 양극산화 처리하는 단계(단계 1);
0.05-1.0M 인산(H3PO4) 용액에 10-60분 동안 침지하여 기공확장(pore widening) 처리하는 단계(단계 2); 및
35-45V에서 1-10분 동안 2차 양극산화 처리하는 단계(단계 3);를 포함하고,
상기 단계 1 이전에 프리패터닝(pre-patterning) 공정을 생략한 것을 특징으로 하는,
3000계열 알루미늄 합금에 초친수성 양극산화 피막의 제조방법을 제공한다.
상기 3000계열 알루미늄 합금은 Al 3003, Al 3004, Al 3005, Al 3015, Al 3103, Al 3104, Al 3105 등을 사용할 수 있다.
양극산화 피막은 친수성(hydrophilicity)을 나타내는데, 본 발명의 일실시예에 따른 기공 구조 위에 기둥(pillars)이 형성된 필라-온-포어(Pillar-On-Pore) 형태 미세구조의 양극산화 피막은 접촉각 10° 이하의 초친수성(super-hydrophilicity)을 나타낼 수 있다.
상기 프리패터닝 공정은 3000계열 알루미늄 합금을 양극산화 처리한 후, 에칭하여 양극산화 피막을 제거함에 따라, 3000계열 알루미늄(aluminum) 합금 표면에 미세구조 패턴이 남게되는 공정이다.
종래의 양극산화 처리를 통한 금속 기재 표면에 양극산화 피막을 형성하는 방법은 프리패터닝(pre-patterning) 공정을 통해 금속 기재 표면에 미세구조 패턴을 형성한 다음, 양극산화 처리를 진행하는 것이 일반적이다. 프리패터닝 공정에 의해 형성된 금속 기재 표면의 미세구조 패턴을 따라 후공정 양극산화 처리로 형성되는 양극산화 피막이 균일하게 형성될 수 있게 하기 위함이다.
이 건 발명에서는 상기 프리패터닝 공정을 생략하고도 양극산화 피막이 균일하게 형성하는 방법을 제공하고자 함에 목적이 있고, 프리패터닝 공정을 생략함에 따라 제조비용 절감에 상당히 유리한 효과가 있다.
바람직하게,
3000계열 알루미늄(aluminum) 합금을 38-42V에서 3-7분 동안 1차 양극산화 처리하는 단계(단계 1);
0.05-0.15M 인산(H3PO4) 용액에 30-45분 동안 침지하여 기공확장(pore widening) 처리하는 단계(단계 2); 및
38-42V에서 3-7분 동안 2차 양극산화 처리하는 단계(단계 3);를 포함할 수 있다.
더욱 바람직하게,
3000계열 알루미늄(aluminum) 합금을 39-41V에서 3-5분 동안 1차 양극산화 처리하는 단계(단계 1);
0.06-0.14M 인산(H3PO4) 용액에 33-42분 동안 침지하여 기공확장(pore widening) 처리하는 단계(단계 2); 및
39-41V에서 3-5분 동안 2차 양극산화 처리하는 단계(단계 3);를 포함할 수 있다.
특히 바람직하게,
3000계열 알루미늄(aluminum) 합금을 39.5-40.5V에서 3.8-4.2분 동안 1차 양극산화 처리하는 단계(단계 1);
0.095-0.105M 인산(H3PO4) 용액에 34-41분 동안 침지하여 기공확장(pore widening) 처리하는 단계(단계 2); 및
39.5-40.5V에서 3.8-4.2분 동안 2차 양극산화 처리하는 단계(단계 3);를 포함할 수 있다.
만약, 상술한 단계 1 내지 단계 3의 처리 조건을 벗어날 경우에는, 균일한 양극산화 피막이 형성되지 않거나, 초친수성을 달성할 수 없는 문제점이 발생할 수 있다.
양극산화 처리 공정은 -5 내지 30℃의 전해액이 담긴 산화처리 반응조에 양극산화 하고자 하는 3000계열 알루미늄 합금을 작동전극으로 하여 양극을 걸어 준 다음, 백금(Pt) 또는 카본(carbon) 전극을 상대전극으로 하여 음극을 걸어 주어서 산화시켜 이루어지는 것일 수 있다. 상기 작동전극 및 상대전극의 거리는 1-15 cm일 수 있고, 바람직하게는 3-12 cm, 더욱 바람직하게는 4-10 cm, 더욱 더 바람직하게는 4.5-8 cm, 특히 바람직하게는 4.75-5.25 cm일 수 있다.
상기 1차 양극산화 및 2차 양극산화 처리의 전해액으로는 각각 황산(sulfuric acid, H2SO4), 인산(phosphoric acid, H3PO4), 옥살산(oxalic acid, C2H2O4), 크롬산(chromic acid), 불산(hydrofluoric acid), 인산수소칼륨(dipotassium phosphate, K2HPO4) 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
바람직하게, 상기 전해액은 -5 내지 25℃의 0.1-0.5M 옥살산을 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 15 내지 25℃의 0.27-0.33M 옥살산을 사용할 수 있으며, 특히 바람직하게는 19 내지 21℃의 0.285-0.315M 옥살산을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 제조방법으로 제조되는 초친수성의 양극산화 피막이 형성된 3000계열 알루미늄 합금을 제공한다.
본 발명에 따른 3000계열 알루미늄 합금에 초친수성 양극산화 피막의 제조방법은 프리패터닝(pre-patterning) 단계를 생략하고도 균일한 양극산화 피막을 제조할 수 있어 제조비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 초친수성 양극산화 피막을 형성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 제조예 1-1 내지 제조예 1-10의 조건으로 1차 양극산화 처리(단계 1)까지만 진행한 시편의 Top view를 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 2는 제조예 1-1 내지 제조예 1-10의 조건으로 1차 양극산화 처리(단계 1)까지만 진행한 시편의 Cross view를 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 3은 실시예 1-1 내지 실시예 1-8에서 기공확장(단계 2)까지만 처리한 시편의 Top view를 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 4는 실시예 1-1 내지 실시예 1-8에서 기공확장(단계 2)까지만 처리한 시편의 Cross view를 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 5는 실시예 1-1 내지 실시예 1-8에서 기공확장(단계 2)까지만 처리한 시편의 Tilted view를 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 6은 실시예 1-1 내지 실시예 1-8에서 2차 양극산화(단계 3)까지 모두 처리한 시편의 Top view를 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 7는 실시예 1-1 내지 실시예 1-8에서 2차 양극산화(단계 3)까지 모두 처리한 시편의 Cross view를 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 8은 실시예 1-1 내지 실시예 1-8에서 2차 양극산화(단계 3)까지 모두 처리한 시편의 Tilted view를 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 9는 실시예 1-1 내지 실시예 1-8에서 2차 양극산화(단계 3)까지 모두 처리한 시편의 물(정제수) 및 오일(식용유)에 대한 접촉각을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
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 1-8> 알루미늄 3003 합금의 양극산화처리를 통한 필라-온-포어(Pillar-On-Pore, POP) 구조의 양극산화 피막의 제조
종래의 양극산화 처리를 통한 금속 기재 표면에 양극산화 피막을 형성하는 방법은 프리패터닝(pre-patterning) 공정을 통해 금속 기재 표면에 미세구조 패턴을 형성한 다음, 양극산화 처리를 진행하는 것이 일반적이다. 프리패터닝 공정은 금속 기재를 양극산화 처리하여 양극산화 피막을 형성한 후에 에칭 처리함에 따라서 형성된 산화막을 제거하여 기재 표면에 미세구조 패턴만 남게하는 공정으로서, 프리패터닝 공정에 의해 형성된 기재 표면의 미세구조 패턴을 따라 후공정 양극산화 처리로 형성되는 양극산화 피막이 균일하게 형성될 수 있게 하기 위함이다.
이 건 발명에서는 상기 프리패터닝 공정을 생략하고도 양극산화 피막이 균일하게 형성하는 방법을 제공하고자 함에 목적이 있고, 프리패터닝 공정을 생략함에 따라 제조비용 절감에 상당히 유리한 효과가 있다.
특히, 이 건 발명은 프리패터닝(pre-patterning) 공정을 생략하면서, 알루미늄 3003 합금을 기재로 하여 양극산화 피막을 형성하되, 양극산화 피막의 기공 구조 위에 번들(bundle) 모양의 기둥(pillars)이 형성된 필라-온-포어(Pillar-On-Pore, 이하 'POP'이라 함) 구조의 양극산화 피막이 형성되는 양극산화 처리조건을 알아내기 위하여 다음과 같이 실시하였다.
상기 알루미늄 3003 합금(Al 3003, 크기 20×30mm, 제조사: Alcoa INC, USA)의 성분 정보는 하기와 같다.
상기 알루미늄 3003 합금 표면에 있는 불순물을 제거하기 위해, 20℃의 아세톤에서 10분, 그리고 에탄올에서 10분 동안 초음파 처리하여 세척하였다.
다음으로, 표면 조도를 얻기 위하여 상기 초음파 세척된 알루미늄 3003 합금을 에탄올 및 과염소산 혼합 용액(Junsei, HClO4:C2H5OH= 4:1 (v/v))에 넣어 상온(20℃)에서 20V의 전압을 인가하여 1분 동안 전해연마(Electrochemical polishing)하였다. 전해연마가 완료된 알루미늄 합금 표면은 반사가 잘 이루어져 표면이 평탄해짐을 확인하였다.
단계 1: 1차 양극산화
상기 전해연마된 알루미늄 3003 합금(두께 1mm, 크기 20×30mm)을 작동 전극으로 하고, 음극으로는 백금(Pt)전극을 사용하여, 상기 두 개의 전극은 5cm 간격으로 극간 거리를 일정하게 유지하여 1차 양극산화를 실시하였다. 상기 1차 양극산화는 0.3M 옥살산을 전해액으로 사용하였고, 이중 비이커를 이용하여 전해액 온도를 20℃로 일정하게 유지하면서 실시하였다. 국부적인 온도 상승으로 인한 안정된 산화물 성장의 방해를 억제하기 위하여 일정 속도로 교반하였으며, 정전압 방식을 사용하여 40V의 전압을 1-10분 인가하여 1차 양극산화 공정을 수행하여 알루미나 층을 성장시켰다.
단계 2: 기공확장(pore widening; PW)
1차 양극산화를 통해 성장된 알루미나 층은 2차 양극산화를 실시하기 전에 30℃의 0.1M 인산 용액에 10~60분 동안 침지시키는 기공확장(pore widening; PW) 공정을 수행하였다.
단계 3: 2차 양극산화
상기 1차 양극산화와 동일하게 실시하되, 전압 인가 시간을 4분으로 고정하여 2차 양극산화 공정을 수행하여 알루미나 층을 더 성장시켰다.
상기 1차 양극산화(단계 1), 기공 확장(단계 2) 및 2차 양극산화(단계 3) 공정을 하기 표 1과 같은 조건으로 실시하여, 알루미늄 3003 합금 표면에 미세구조의 양극산화 피막을 제조하였다.
1차 양극산화
(단계 1)		 기공 확장
(단계 2)		 2차 양극산화
(단계 3)
전압(V) 시간(min) 시간(min) 전압(V) 시간(min)
제조예 1-1




40		 1




-




-




-
제조예 1-2 2
제조예 1-3 3
제조예 1-4 4
제조예 1-5 5
제조예 1-6 6
제조예 1-7 7
제조예 1-8 8
제조예 1-9 9
제조예 1-10 10
실시예 1-1



40



4		 10



40



4
실시예 1-2 20
실시예 1-3 30
실시예 1-4 35
실시예 1-5 40
실시예 1-6 45
실시예 1-7 50
실시예 1-8 60
<실험예 1> 양극산화 피막의 미세구조 분석
(1) 1차 양극산화 처리 시간에 따른 양극산화 피막의 미세구조 및 두께 분석
상기 표 1의 제조예 1-1 내지 제조예 1-10은 1차 양극산화 처리(단계 1)까지만 진행한 시편으로 이들의 표면(Top viwe) 및 횡단면(Cross view)을 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM) 시스템(AURIGA® small dual-bean FIB-SEM, Zeiss)을 사용하여 관찰하였다.
구체적으로, 각각의 알루미늄 합금 양극산화 피막 시편을 작은 조각으로 절단한 다음, 카본 테이프로 스테이지 상에 고정하고, 스퍼터링으로 15초 동안 금(Au)으로 코팅한 후 전계방출 주사전자현미경(SEM)으로 이미징 하였다. 이때, 피막 시편을 90°로 구부려 평행 균열을 생성시켜 알루미늄 합금 양극산화 피막의 표면 및 횡단면 구조를 관찰하였다.
도 1은 제조예 1-1 내지 제조예 1-10의 조건으로 1차 양극산화 처리(단계 1)까지만 진행한 시편의 Top view를 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 2는 제조예 1-1 내지 제조예 1-10의 조건으로 1차 양극산화 처리(단계 1)까지만 진행한 시편의 Cross view를 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 표면(top view) 이미지에는 검은색으로 나타난 기공들 옆에 하얀색(밝은 회색)의 양극산화물이 형성되어 있는 것으로 나타나, 표면에 다공성 양극산화 피막이 형성됨을 확인할 수 있다.
도 2에 나타난 바와 같이, 횡단면(cross-view) 이미지에서 매끈하게 나타나는 하단 부분은 알루미늄 3003 합금이고, 상단 부분은 1차 양극산화 처리로 형성된 양극산화 피막으로서 다공성 기둥 형상을 확인할 수 있다. 1차 양극산화 시간이 길어질수록 형성되는 양극산화 피막의 두께가 두꺼워지는 것을 확인할 수 있다.
양극산화 처리를 하면 양극산화 피막의 두께가 두꺼워지고, 기공확장 처리를 하면 기공 직경이 넓어짐과 동시에 피막 상부의 일부가 깍여나가 두께가 다소 감소되는 경향이 있다. 이 건 발명에서 1차 양극산화-기공확장-2차 양극산화를 통한 최종 시편에서 양극산화 피막의 두께가 최소 500-700 nm는 되어야 내구성 및 미세구조로 인한 초친수성이 확보될 수 있다는 관점에서, 1차 양극산화 시간을 4분으로 셋팅하여 대략 300-400 nm의 두께를 확보하는 것이 가장 적절한 것으로 판단하였다.
(2) 기공확장 처리 시간에 따른 양극산화 피막의 미세구조 및 두께 분석
상기 표 1의 실시예 1-1 내지 실시예 1-8에서 기공확장(단계 2)까지만 처리한 시편으로 이들의 표면(Top viwe) 및 횡단면(Cross view)을 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM) 시스템(AURIGA® small dual-bean FIB-SEM, Zeiss)을 사용하여 관찰하였다.
도 3은 실시예 1-1 내지 실시예 1-8에서 기공확장(단계 2)까지만 처리한 시편의 Top view를 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 4는 실시예 1-1 내지 실시예 1-8에서 기공확장(단계 2)까지만 처리한 시편의 Cross view를 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 5는 실시예 1-1 내지 실시예 1-8에서 기공확장(단계 2)까지만 처리한 시편의 Tilted view를 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 3에 나타난 바와 같이, 표면(top view) 이미지에는 검은색으로 나타난 기공 직경이 도 1 대비 커진 것을 확인할 수 있고, 기공확장 처리 시간이 길어질수록 기공 직경이 커지는 경향을 확인할 수 있다. 또한, 기공확장 처리 시간에 따라 표면 기공의 형태가 상이하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 한편, 기공확장 60분 처리한 시편은 양극산화 피막이 대부분 에칭되어 제거된 것을 확인할 수 있다.
도 4에 나타난 바와 같이, 기공확장 처리에 따라 양극산화 피막의 두께가 도 2(4 min 처리 시편) 대비 일부 감소한 것을 확인할 수 있다. 또한, 기공확장 처리 시간에 따라 양극산화 피막 상부의 미세구조 형태가 상이하게 나타남을 확인할 수 있다.
도 5는 도 3 및 도 4와 유사한 결과를 확인할 수 있다.
(3) 2차 양극산화 처리에 따른 양극산화 피막의 미세구조 및 두께 분석
상기 표 1의 실시예 1-1 내지 실시예 1-8에서 2차 양극산화(단계 3)까지 모두 처리한 시편으로 이들의 표면(Top viwe) 및 횡단면(Cross view)을 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM) 시스템(AURIGA® small dual-bean FIB-SEM, Zeiss)을 사용하여 관찰하였다.
도 6은 실시예 1-1 내지 실시예 1-8에서 2차 양극산화(단계 3)까지 모두 처리한 시편의 Top view를 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 7는 실시예 1-1 내지 실시예 1-8에서 2차 양극산화(단계 3)까지 모두 처리한 시편의 Cross view를 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 8은 실시예 1-1 내지 실시예 1-8에서 2차 양극산화(단계 3)까지 모두 처리한 시편의 Tilted view를 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 6에 나타난 바와 같이, 표면(top view) 이미지는 도 3과 유사한 것으로 나타나, 2차 양극산화 처리는 1차 양극산화 및 기공확장 처리에 따라 형성된 양극산화 피막의 상단부 미세구조에는 별다른 영향을 주지 않는 것을 확인할 수 있다.
도 7에 나타난 바와 같이, 기공확장 35 min 처리한 시편의 횡단면(cross-view) 이미지에서 매끈하게 나타나는 하단 부분은 알루미늄 3003 합금이고, 노란색 화살표로 표시한 두께는 2차 양극산화에 따른 피막으로 다공성 기둥 형상을 나타내고, 그 상단부는 1차 양극산화 및 기공확장 처리에 따른 피막으로 필라 형상을 나타낸다. 도 7에서 보면 기공확장 35-40 min(특히 40min) 처리한 시편에서 POP 미세구조가 잘 나타나는 것으로 보인다.
도 8은 도 6 및 도 7과 유사한 결과를 확인할 수 있다.
본 실험예 1의 결과로부터, 1차 양극산화 조건으로 인가전압 40V에서 4min, 기공확장 35-40 min, 2차 양극산화 조건으로 인가전압 40V에서 4min 실시하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
<실험예 2> 실시예 1-1 내지 1-8의 접촉각 평가
실시예 1-1 내지 1-8의 시편에 대하여 물(정제수) 및 오일(식용유)에 대한 접촉각을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2 및 도 9에 나타내었다.
접촉각 (°)
기공확장 시간 (min) 물 오일
실시예 1-1 10 19.71 ± 1.71 31.87 ± 2.62
실시예 1-2 20 18.01 ± 3.78 25.33 ± 1.24
실시예 1-3 30 16.04 ± 2.94 19.02 ± 2.69
실시예 1-4 35 8.73 ± 0.98 9.98 ± 1.63
실시예 1-5 40 None None
실시예 1-6 45 12.18 ± 4.38 14.52 ± 1.79
실시예 1-7 50 16.37 ± 1.07 24.62 ± 3.75
실시예 1-8 60 19.30 ± 1.39 27.99 ± 1.11
* None : 접촉각이 0에 가까워 측정이 불가능함을 의미함.
도 9는 실시예 1-1 내지 실시예 1-8에서 2차 양극산화(단계 3)까지 모두 처리한 시편의 물(정제수) 및 오일(식용유)에 대한 접촉각을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
상기 표 2 및 도 9에 나타난 바와 같이, 물 및 오일에 대한 접촉각이 10° 이하로 나타나 초친수성을 나타내는 시편은 실시예 1-4 및 1-5, 2개의 시편으로 확인하였고, 이는 실험예 1의 결과에서 예상한 결과와 일치하였다.
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 특히 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 3000계열 알루미늄(aluminum) 합금을 38-42V에서 3.5-6.5분 동안 1차 양극산화 처리하는 단계(단계 1);
    0.09-0.11M 인산(H3PO4) 용액에 32.5-42.5분 동안 침지하여 기공확장(pore widening) 처리하는 단계(단계 2); 및
    38-42V에서 3.5-6.5분 동안 2차 양극산화 처리하는 단계(단계 3);를 포함하고,
    상기 단계 1 이전에 프리패터닝(pre-patterning) 공정을 생략한 것을 특징으로 하는,
    3000계열 알루미늄 합금에 초친수성 양극산화 피막의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 3000계열 알루미늄 합금은 Al 3003, Al 3004, Al 3005, Al 3015, Al 3103, Al 3104, 및 Al 3105으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 초친수성 양극산화 피막은 기공 구조 위에 기둥(pillars)이 형성된 필라-온-포어(Pillar-On-Pore) 형태인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프리패터닝 공정은 3000계열 알루미늄 합금을 양극산화 처리한 후, 에칭하여 양극산화 피막을 제거함에 따라, 3000계열 알루미늄(aluminum) 합금 표면에 미세구조 패턴이 남게되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    3000계열 알루미늄(aluminum) 합금을 38-42V에서 3.5-6분 동안 1차 양극산화 처리하는 단계(단계 1);
    0.09-0.11M 인산(H3PO4) 용액에 33-42분 동안 침지하여 기공확장(pore widening) 처리하는 단계(단계 2); 및
    38-42V에서 3.5-6분 동안 2차 양극산화 처리하는 단계(단계 3);를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    3000계열 알루미늄(aluminum) 합금을 39-41V에서 3.5-4.5분 동안 1차 양극산화 처리하는 단계(단계 1);
    0.09-0.11M 인산(H3PO4) 용액에 33-42분 동안 침지하여 기공확장(pore widening) 처리하는 단계(단계 2); 및
    39-41V에서 3.5-4.5분 동안 2차 양극산화 처리하는 단계(단계 3);를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    3000계열 알루미늄(aluminum) 합금을 39.5-40.5V에서 3.8-4.2분 동안 1차 양극산화 처리하는 단계(단계 1);
    0.095-0.105M 인산(H3PO4) 용액에 34-41분 동안 침지하여 기공확장(pore widening) 처리하는 단계(단계 2); 및
    39.5-40.5V에서 3.8-4.2분 동안 2차 양극산화 처리하는 단계(단계 3);를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  8. 제1항의 제조방법으로 제조되는 초친수성의 양극산화 피막이 형성된 3000계열 알루미늄 합금.
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