KR20010050222A - 전해 가공 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

작업대상물로 양극과, 소정의 위치에 상기 양극에 대향되는 음극이 초순수내에 위치한다. 투수성을 가지며 초순수의 해리를 촉진하는 촉매물질이 작업대상물 및 음극사이에 배치된다. 초순수의 흐름은 촉매물질 내부로 형성되는데, 작업대상물과 음극사이에 전압을 인가함으로써 초순수내의 물분자를 수소이온 및 수산화이온으로 분해시켜, 작업대상물의 표면으로 수산화이온을 공급함으로써, 수산화이온을 매개로한 화학적 해리 작용 또는 산화 작용을 통하여 작업대상물상에 산화막형성 또는 제거처리를 수행한다. 따라서, 세정 처리는 작업대상물의 처리된 표면상에 아무런 불순물도 남기지 않고, 초순수내에서 수산화이온을 이용함으로써 수행될 수 있다.

Description

전해 가공 방법 및 장치{ELECTROLYTIC MACHINING METHOD AND APPARATUS}
본 발명은 초순수내의 수산화이온을 이용한 가공 방법에 관한 것이다. 특히, 전해질용액으로서 초순수만을 이용하고 그것의 이온생성을 현저히 증가시켜 수산화이온의 작용으로 작업대상물상에 산화막을 형성시키거나 또는 작업대상물에 대한 제거처리를 할 수 있는 전해 가공 장치 및 전해 가공 방법에 관한 것이다.
최근 몇년간, 과학기술의 발달로 신물질이 계속 개발되어 왔다. 하지만, 이러한 신물질에 대한 효과적인 처리 기술은 확립되지 않았으며, 개발중인 선행의 신물질에 대한 끊임없는 추구가 고무되고 있다. 최근, 모든 장치의 구성요소에 미세구조 및 고정밀도를 도입하고 있다. 마이크론이하의 범위에서의 제조가 일반적이 되어감에 따라, 처리방법이 물질의 특성에 지대한 영향을 끼치고 있다. 이러한 상황에서, 종래의 가공 등에서와 같이 물리적으로 작업대상물에 손상을 주면서 작업대상물의 제거처리를 수행하는 도구를 이용한 처리 방법은 작업대상물에 많은 결함을 유발한다. 그 결과, 작업대상물의 특성은 떨어지게 된다. 어떻게 하면 물질의 특성을 손상시키지 않고 물질을 처리할 것인가가 관건이 된다.
이러한 문제를 해결하기 위한 수단으로서 초창기에 개발된 특정 처리 방법중에는 화학적 폴리싱, 전해 가공 및 전해 폴리싱이 있다. 종래의 물리적 처리와 대조되는 이러한 처리방법들은 화학적 분해반응을 일으킴으로써 제거처리를 수행한다. 이에 따라, 변질층(affected layer) 또는 전위(dislocation) 등의 소성변형에 의한 결함이 발생되지 않으므로, 물질의 특성을 손상시키지 않고 물질을 처리하고자 하는 상기 시도는 해결될 수 있다.
최근에는 원자들간의 화학적 상호작용을 이용한 처리방법에 좀더 주목하고 있다. 이것은 높은 화학반응성을 가진 라디칼 또는 미세입자를 이용한 처리방법이다. 이러한 처리방법은 원자수준에서의 화학반응으로 작업대상물의 제거처리를 수행한다. 따라서, 원자수준에서의 처리제어가 가능하다. 이러한 처리방법의 예는 본 발명의 발명자에 의해 개발된 EEM(Elastic Emission Machining) 및 플라즈마 CVM(Chemical Vaporization Machining)이 있다. EEM은 미세입자와 작업대상물사이의 화학반응을 이용하며, 물질의 특성을 손상시키지 않고, 원자수준에서의 처리를 구현한다. 플라즈마 CVM은 플라즈마 분위기에서 생성되는 라디칼 및 작업대상물사이의 급격한 반응을 이용하며, 원자수준에서의 처리를 구현한다.
상기 전해 가공 또는 전해 폴리싱에서, 이제까지 처리는 작업대상물 및 전해질용액(NaCl, NaNO3, HF, HCl, HNO3또는 NaOH의 수용액)사이의 전기화학적 상호작용으로 처리되는 것으로 언급되었다. 상기 전해질용액을 사용하는 한, 전해질용액에 의한 작업대상물의 오염은 피할 수 없다.
발명자는 중성 또는 알칼리 전해질용액에서 수산화이온(OH-)은 처리에 참가되어야 한다고 판단하며, 미량의 수산화이온을 포함한 물에 의해 처리가 가능하다고 생각했다. 실험적으로, 발명자는 이러한 처리에 대한 가능성을 입증하였다. 실험결과에 기초하여, 발명자는 미량의 우발적인 불순물을 제외한 초순수만을 사용하고 그것에 수산화이온 증대처리를 적용하여 수산화이온 생성을 증대시키기는 방법을 일본국 특허 공개 제 58236/1998 호에 제안하였다. 이러한 방법에 따라, 증가된 농도의 수산화이온을 함유한 초순수에 잠긴 작업대상물은 화학적 분해반응 또는 수산화이온에 의한 산화반응을 하여, 제거처리 또는 산화막생성이 일어난다. 수산화이온증대처리로서, 발명자는 이온교환기능 또는 촉매기능을 갖는 고체표면상에 발생되는 전기화학적 반응의 사용을 또한 제안하였다. 이러한 제안은 초순수내의 수산화이온을 이용함으로써, 처리된 표면상에 어떠한 불순물도 남기지 않는 세정처리를 가능하게 하는 새로운 처리 방법을 창안했다. 이러한 처리방법은 반도체 생산을 포함하여 다양한 적용분야를 가질 것으로 기대한다.
하지만, 초순수내에서의 수산화이온의 농도는 25℃, 1 기압하에서 10-7mol/l정도로 매우 낮다는 것은 공지의 사실이다. 종래의 이온교환막을 이용했을 때조차도, 증대된 수산화이온 밀도는 겨우 10-3에서 10-4정도밖에 되지 않는다. 이 값은 1N NaOH의 이온농도의 1/104에서 1/103이다. 실용적 처리를 구현하기에는 처리속력이 여전히 너무 낮다.
상기 사정을 고려할 때, 본 발명의 목적은 초순수내의 수산화이온을 이용해서, 작업대상물의 처리된 표면상에 아무런 불순물을 남기지 않고 세정처리를 수행할 수 있으며, 작업대상물의 처리된 표면상에 산소이온농도를 더욱 증가시키며, 처리된 표면으로부터 수산화이온에 묶인 작업대상물의 원자를 급속히 제거시킴으로써 처리속도를 증가시키는 처리 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 전해가공의 원리를 도시한 개념도.
도 2는 종래의 방법에 따른 처리원리를 도시한 개념도.
도 3은 종래의 방법과 비교하여 본 발명에 따른 처리원리를 도시한 개념도.
도 4는 본 발명에 따른 전해가공장치의 제 1 실시예의 단면도.
도 5는 실험을 목적으로한 발명에 따른 전해가공장치의 다른 실시예의 단면도.
도 6은 도 5의 장치를 이용한 예시 1의 결과를 기초로 인가 전압 및 전해전류밀도의 관계를 도시한 그래프.
도 7은 도 5의 장치를 이용한 예시 2 및 3의 결과를 기초로 전류밀도와 처리속력사이의 관계를 도시한 그래프.
도 8은 도 5의 장치를 이용한 예시 3의 처리를 도시한 도면.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 형태는, 작업대상물로서 기능하는 양극 및 이 양극에 소정의 간격을 두고 대향하는 음극을 초순수내에 배치하는 단계; 작업대상물과 음극사이에 초순수의 해리를 촉진하고 투수성을 가지는 촉매물질을 배치하는 단계; 및 작업대상물과 음극사이에 전압이 인가되는 동안 촉매물질내부로 초순수의 흐름을 형성하여, 초순수내의 물분자를 수소이온 및 수산화이온으로 분해하며, 생성된 수산화이온을 작업대상물의 표면으로 공급하여, 화학적 분해반응 또는 수산화이온에 의해 달성되는 산화반응을 통하여 작업대상물의 제거처리 또는 산화막형성을 수행하는 단계를 포함하는 전해 가공 방법이다.
도 1은 본 발명에 따른 처리의 원리를 나타낸다. 초순수내에, 양극으로서의 작업대상물(2) 및 그에 대향되는 음극(1)이 위치된다. 작업대상물(2)과 음극(1)사이에, 촉매물질로서 이온교환능력을 구비한 부직포(3)가 배치된다. 작업대상물(2) 및 음극(1)에 전원(4)이 접속되고, 초순수내의 물분자(a)는 이온교환물질(3)에 의해 수산화이온(b) 및 수소이온(c)으로 분해된다. 작업대상물(2)과 음극(1)사이에 작동하는 전계 및 초순수의 흐름에 의해 생성된 수산화이온(b)이 작업대상물의 표면에 공급되어 작업대상물 근처의 수산화이온의 농도를 증가시키고 수산화이온(b)을 작업대상물의 원자(d)와 반응시킨다. 이 반응으로 형성된 반응생성물(e)은 초순수내로 용해되고, 작업대상물(2)의 표면을 따르는 초순수의 흐름에 의해 작업대상물(2)로부터 제거된다. 이러한 방식으로, 작업대상물(2) 표면층에 대한 제거처리가 실시된다. 대안적으로, 작업대상물 원자(d)와 수산화이온(b)의 사이의 산화반응이 작업대상물의 표면상에 청정 산화막을 형성하여, 산화막 형성공정을 수행한다. 이러한 막의 축적으로 소정의 형상을 얻을 수 있다.
상기한 방식에 따르면, 수산화이온(b)은 작업대상물의 표면근처에 설치되는 이온교환기능 또는 촉매기능을 갖는 고체표면상의 화학반응에 의해 형성된다. 이에 따라, 이러한 수산화이온(b)을 생성하는 고체물질의 표면에 가까운 작업대상물의 표면은 바람직하게 처리된다. 처리가 진행됨에 따라 이러한 부분을 이동시켜 작업대상물(2)의 표면을 소정의 표면형상으로 가공되도록 한다.
수산화이온(b)을 생성하는 이온교환물질(3)의 형상이 작업대상물의 표면으로 전이되는 소위 전이처리(transfer processing) 역시 가능하다. 수산화이온(b)을 생성시키는 이온교환물질(3)의 형상이 선형이면, 판형태의 재료가 절단될 수 있다. 수산화이온(b)의 공급량 등의 처리 매개변수를 조절함으로써, 작업대상물(2)의 표면상에 야기되는 반응이 산화반응인지 제거처리 반응인지를 선택할 수 있게 된다.
촉매물질을 사용한 본 발명 및 이온교환막을 사용한 종래의 방법을 비교 및 설명한다. 도 2에 도시된 종래의 방법에서; 수소이온(c)은 이온교환막(3a)의 내부로 이동할 수 있으나, 수산화이온(b) 및 물 분자는 그 내부로의 이동이 극히 적다. 따라서, 물의 전기분해에 의해 형성되는 수산화이온(b)은 이온교환막(3a)의 표면상에서 주로 일어나며, 이온교환막(3a) 내부의 활성지점은 사용되지 않은채 남아있게 된다. 이리하여, 이온교환막(3a)내에서의 수산화이온(b)의 형성효율은 충분치 않으며, 두 전극사이의 전류흐름은 낮다. 한편, 본 발명은 이온교환능력을 구비한 부직포(3b)등과 같이 소정의 부피를 갖는 투수성 촉매물질을 사용한다. 도 3에 도시된 본 발명에 따르면, 물은 부직포(3b)내로 충분히 흘러, 부직포(3b) 내부의 활성지점이 물의 전기분해에 이용될 수 있다. 또한, 부직포 내부에 생성되는 수산화이온(b)은 물이 이동함에 따라 양극인 작업대상물에 쉽게 다다를 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 종래의 방법으로는 얻기 어려웠던 고전류밀도를 쉽게 달성할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 초순수내의 수산화이온에 의한 처리방법을 구현하는 처리장치를 개략적으로 도시한 개념도이다. 본 장치는 도 4를 참조하여 좀더 상세히 설명되지만, 본 발명이 여기에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 제 1 형태에 따른 전해 가공 방법에서, 촉매물질은 이온교환능력이 제공된 부직포일 수 있다. 이러한 부직포는 적당한 섬유직경 및 공극비를 구비한 부직포의 방사유도이식편 중합 즉, 부직포를 예를 들어 γ선에 쪼인후 이식편이 쪼인 직물을 중합시키는 중합 방법으로 준비된다. 촉매물질로서는, 이온교환 섬유로 된 천 혹은 이온교환 그룹이 내부에 도입된 망을 들 수 있다. 이온 교환능력이 제공된 부직포의 이온교환그룹은 강염기성 음이온교환그룹이거나, 또는 강산성 양이온교환그룹인 것이 바람직하다.
부직포와 음극사이 또는 부직포와 작업대상물(양극)사이의 간극에 관해서는, 전류값이 증가될 수 있기 때문에 부직포가 양쪽 전극에 접촉되는 것이 유리하다. 하지만, 반응생성물은 전극과 부직포사이에 형성되는 경향이 있으며, 처리가 불균일하게 될 수도 있다. 초순수의 유속을 증가시킴으로써 이러한 가능성을 제거할 수 있으나, 장치의 압력손실증가를 피할 수 없기 때문에 적절하지 않다. 따라서, 작업대상물 및 음극으로부터 반응생성물을 신속히 제거시키기 위하여, 부직포와 전극, 특히 작업대상물사이의 간극을 제공하는 것이 바람직하다. 간극을 제공하는 방식 및 간극의 크기는 처리의 목적에 따라 선택된다.
상기 전해가공방법에서, 촉매물질은 음극 및 양극 중 한쪽에 접촉되고, 다른쪽은 떨어져 있을 수 있다.
상기 전해가공방법에서, 촉매물질은 작업대상물 및 음극 양쪽에 접촉시키기 위해 작업대상물(양극)과 음극사이에 배치될 수도 있다.
상기 전해가공방법에서, 초순수를 작업대상물 및 음극사이의 한 방향으로 흐르게 하면서 전해가공이 실시될 수 있다. 이러한 특성에 따라, 부직포를 포함한 작업대상물 및 음극사이의 초순수의 유속이 조절되어, 반응에 의해 형성된 금속이온은 처리 목적 또는 작업대상물의 특성에 따라 제거되거나 또는 신뢰성 있게 제어될 수 있다.
본 발명의 제 2 형태는 초순수를 유지하는 처리 탱크, 처리탱크내에 작업대상물 및 음극을 지니는 수단, 작업대상물과 음극사이의 이온교환능력이 제공된 부직포를 고정하는 수단, 음극과 작업대상물사이에 전압을 인가하는 수단, 처리탱크내로 초순수를 제공하기 위한 초순수 공급기, 및 전해가공으로 인해 형성되는 불순물이 포함된 폐수를 처리 탱크외부로 방출시키기 위한 수단으로 구성되는 전해가공장치이다.
본 발명의 상기 특성에 따라, 초순수의 흐름은 이온교환능력이 제공되는 부직포의 내부로 형성되어, 이온교환막 등의 종래의 이온교환물질에 의한 것보다 훨씬 많은 량의 수산화이온을 생성한다. 수산화이온은 전기장 및 초순수 흐름에 의해 작업대상물의 표면으로 효율적으로 공급될 수 있다. 따라서, 작업대상물 표면근처의 수산화이온의 농도가 증가된다. 또한, 수산화이온과 작업대상물의 원자사이의 반응에 의해 생성되는 반응생성물은 초순수의 흐름에 의해 작업대상물의 표면으로부터 급속히 제거된다. 그 결과, 가공된 새로운 표면은 항상 노출되어, 처리속력이 매우 빠르게 된다.
또한, 처리는 수산화이온 및 작업대상물 원자의 전기화학적 작용에 의해 일어난다. 따라서, 작업대상물을 물리적 결함 및 손상된 특성으로부터 막는다. 게다가, 초순수내에서의 처리로 인해 외계로부터의 불순물에 의한 오염을 막을 수 있으며, 고품질의 처리된 대상물을 제공 할 수 있다. 또한, 초순수만을 사용하여, 폐수처리에 대한 부담이 가벼우며, 처리비용을 현저히 줄일 수 있다.
(실시예)
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부한 도면을 참조하여 상세히 기술되며, 어떤형태로든 본 발명을 제한하지 않는다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전해가공장치(10)는 밀봉처리탱크(5)와, 예를 들어 유입 배관(11)으로부터 수도물을 받아, 원수로서 이 물을 사용하여 초순수를 생성하는 초순수 공급기(6)와, 초순수 공급기(6)로부터 처리탱크(5)로 초순수를 공급하는 공급 배관(12)과, 처리 탱크(5)로부터 초순수 공급기(6)로 유출수를 회수하기 위한 회수 배관(13) 및 처리 탱크(5)로부터 시스템외부로 유출수를 방출하기 위한 배수 파이프(14)로 구성된다. 처리 탱크(5)의 내부에서 음극(1) 및 이 음극(1)에 대향하는 양극인 작업대상물(2)은 소정의 지지구조에 의해 지지되어 있다. 음극(1)과 작업대상물(2)과의 사이에, 이온교환능력을 구비한 이온교환물질인 부직포(3)(촉매물질)가 처리탱크(5)를 분리하는 방식으로 배치되어 있다. 처리목적 및 작업대상물(2)의 특성에 따라, 부직포(3)가 음극(1) 및 작업대상물(2)의 양쪽에 접촉되게 또는 작업대상물(2)쪽에만 접촉되게 또는 음극(1)쪽에만 접촉되게 제공된다.
상기 장치에서, 초순수는 초순수 공급기(6)로부터 공급배관(12)을 경유하여 처리탱크(5) 및 회수 배관(13)으로 순환된다. 동시에, 전원(4)은 음극(1) 및 양극으로서의 작업대상물(2)에 연결되며, 전압이 양쪽전극사이에 인가된다. 그 결과, 이온교환능력이 제공된 부직포(3)의 고체표면상에 화학반응에 의해 수산화이온이 형성된다. 이러한 수산화이온은 제거처리 또는 산화막형성을 수행한다. 결과적으로, 처리탱크(5)의 내부에 위방향으로의 흐름이 형성되고, 부직포(3)를 통하여 통과한다. 따라서, 많은 양의 수산화이온이 생성되고, 효과적인 처리를 행하기 위하여 가공물(2)의 표면에 공급된다.
처리 탱크(5)로부터 방출된 물이 수도물보다 깨끗하다면, 이 물은 회수 배관(13)을 경유하여 초순수 공급기(6)로 회수된다. 방출수가 비교적 지저분하다면, 배수 파이프를 통하여 외부로 방출되어, 공급되는 초순수를 항상 고순도로 유지할 수 있다. 순환으로 인하여 수온이 상승할 가능성이 있다면, 열교환기를 순환시스템에 배치하여 냉각수에 의해 열을 제거시키고, 처리시에 수온을 가능한 한 일정하게 유지되도록 제어한다. 이것은 처리정밀도를 높이는데 필수적이다. 본 발명에서는 초순수이외의 다른 화학약품을 사용하지 않는다. 따라서, 처리 탱크(5)내의 오염은 처리과정중에 발생되는 반응생성물뿐이다. 비록 순환이 실시되더라도, 초순수공급기(6)에 대한 로드는 매우 적다. 순환으로 인하여 배출량은 줄어들며, 화학용액의 처리 역시 필요없다. 이러한 이유로, 작동비용을 최소화 할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 전해가공장치의 또 다른 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서, 음극(1) 및 작업대상물(2)은 초순수용 채널(15)의 양 벽에 대향되게 배치된다. 음극(1)과 작업대상물(2)의 사이에 이온교환능력이 제공되는 부직포(3)가 채널을 막는 방식으로 배치된다. 채널은 테이퍼진 확대부(축소부)(18, 19)을 경유하여 상류광폭부(16)과 하류광폭부(17)사이에 형성되는 소정 길이의 좁은 부분으로 형성된다. 좁은 부분의 중간의 대향위치에, 음극(1) 및 작업대상물(2)이 수용되도록 함몰부가 형성된다. 이러한 함몰부사이에, 부직포수용을 위한 수용기구가 제공된다. 부직포(3)와 음극(1) 및 작업대상물(2)사이의 간극의 존재 및 부재, 간극의 크기는 처리의 목적 및 작업대상물(2)의 특성에 따라 결정될 수 있다. 간극이 없을 시에는, 부직포(3)를 통해서만 초순수가 흐른다. 간극이 있을 시에는, 간극크기에 따라 분리되어 초순수가 흐른다. 본 실시예에 따르면, 음극(1), 작업대상물(2), 부직포(3)는 폐쇄채널내부에 배치되어, 이러한 부재들 사이로의 초순수의 흐름은 완벽히 제어될 수 있다. 즉, 이 흐름은 고이거나 되돌아 오지 않고 오로지 한쪽 방향으로만 흐른다. 흐름은 어떤 다른 경로로 새지 않는다. 그래서, 속도는 흐름제어밸브의 개구에 의해서만 조절될 수 있다. 이리하여, 유속은 처리 목적 및 작업대상물(2)의 특성에 따라서 설정되어, 반응에 의해 생성되는 금속이온 등이 확실히 제거 또는 제어될 수 있다.
(예시)
(예시 1)
도 5에 도시된 장치는 실험용으로 사용되었다. 초순수는 300 ml/min의 유속으로 공급되었고, 강산성 양이온 교환능력이 제공되는 부직포(3)가 두 전극(1, 2)사이에 배치되었다. 전극(1, 2)는 백금으로 만들어졌다. 이러한 부재를 사용하여, 인가된 전압 및 전류 밀도사이의 관계가 연구되었다. 전극사이의 거리는 0.8 mm였으며, 강산성 양이온 교환능력이 제공되는 부직포(3)는 두 전극 사이에 접촉되어 배치된다. 강산성 양이온 교환능력이 제공되는 부직포(3)는 20 내지 50 ㎛ 의 섬유직경 및 대략 90%정도의 공극비를 가지는 폴리올레핀 부직포의 방사유도 이식편 중합으로 즉, 부직포를 γ선에 쪼인후 이식편이 쪼인 직물을 중합시키는 중합방법으로 준비된다. 또한, 결합된 이식편 사슬은 술폰화되어 술폰기를 도입하였다. 결과로서 생성되는 부직포의 이온교환능력은 2.8 meq/g이었다.
인가전압과 전류밀도와의 관계를 도 6에 나타내었다. 도 6에서 커브 A로 나타낸 바와 같이, 인가전압이 9.7 V였을 때, 전류밀도는 6.6 A/cm2였다. 여기에 나타낸 바와 같이, 강산성 양이온 교환능력이 제공되는 부직포(3)가 전극사이에 설치될 때, 전극사이에 전류가 효과적으로 흘렀다. 이리하여, 낮은 전압이 인가될 시에도 높은 전류를 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.
상술한 바와 같이, 이온교환능력이 제공되는 부직포(3)를 사용함으로써, 물은 부직포 내부로 자유로이 이동할 수 있다. 따라서, 물의 분해에 촉매반응작용을 하는 부직포 내부의 활성지점에 물이 쉽게 도달할 수 있다. 그 결과, 많은 물 분자들이 수소이온과 수산화 이온으로 분해된다. 또한 전기분해에 의해 생성된 수산화이온은 물이 이동함에 따라 전극의 표면으로 효과적으로 이송된다. 이러한 이유로, 낮은 전압이 인가될 시에도 높은 전류를 얻는다.
(비교 예시 1)
강산성 양이온 교환능력이 제공되는 부직포대신에, 종래의 방법과 같은 강산성 양이온 교환막(Nafion 117, Du Pont)을 사용함으로써, 도 5에 도시된 장치에 의해서 예시 1에서와 같은 실험을 수행하였다. 그 결과는 도 6의 B로 표시된다. Nafion 막 부재의 두께를 강산성 양이온 교환능력이 제공되는 부직포의 두께와 같게 하기 위하여, 다섯장의 Nafion 막이 쌓여서, Nafion 막 부재로서 사용되었다. 도 6에 커브 B로서 제시된 결과는, 약 10 V의 전압을 인가할 때 전극사이에 흐르는 전류는 예시 1에서의 강산성 양이온 교환능력을 가진 부직포를 사용해서 얻은 값의 1/66인 약 0.1 A/cm2인 것으로 나타났다. 심지어 인가전압이 약 30 V 또는 그 이상일 때에도, 전극사이에 흐르는 전류는 예시 1에서의 결과보다 훨씬 작은 약 1.5 A/cm2이었다.
이러한 결과들은 다음 사실들을 증명한다. 종래대로 이온교환막을 사용해서는, 이온교환막내로의 물의 이동은 없다. 따라서, 물 분자는 물의 분해에 촉매반응작용을 하는 활성 지점에 극히 미량만이 도달한다. 대부분의 물 분해는 막의 표면상에서 일어나며, 이온으로 분해된 물분자는, 그것의 내부에서도 수분을 분해할 수 있는 부직포의 사용에 의한 것보다 적은 양이다. 따라서, 물의 이동이 용이한 구조를 가지며 이온교환능력이 제공되는 부직포를 사용하는 본 발명의 방법은 이온교환막을 사용한 종래의 방법에 의한 것보다 훨씬 큰 전류를 낮은 전압에서 쉽게 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.
(예시 2)
강산성 양이온 교환능력이 부여된 부직포(3)가 전극사이에 고정되어 지고, 음극(1)으로 백금을, 작업대상물(2)(양극)로 Mo 또는 Fe를 사용해 예시 1에서와 같은 장치로 전해 제거 처리를 시도하였다. 그 결과가 도 7에 도시되어 있다.
처리 속도는 Mo 및 Fe 각각에 대하여 전류밀도에 비례하였으며, 이러한 파라미터간에는 거의 선형관계를 나타낸다. 이러한 발견들은 작업대상물(2)의 표면상으로 수분의 분해로 생성된 수산화이온을 이동시키고 작업대상물(2)과 수산화이온을 반응시킴으로써 제거 처리가 수행될 수 있다는 것과, 처리속도는 작업대상물(2)의 표면으로 이동된 수산화이온의 양에 의해 결정되며, 전류밀도의 크기에 의해 제어된다는 것을 증명하였다.
(비교 예시 2)
강산성 양이온 교환 능력이 제공된 부직포대신에 강산성 양이온 교환막(Nafion)을 사용해 예시 2에서와 같은 실험을 하였다. Nafion 막 부재의 두께를 부직포의 두께와 같게 하기 위하여, 다섯장의 Nafion을 쌓아서, Nafion 막 부재로 사용하였다. 그 결과는 도 7에 나타내었다. 도 7은 다음의 사실들을 증명한다. 이온교환막인 Nafion막을 사용한 결과는 양이온 교환능력이 부여된 부직포를 사용했을 때 얻은 결과에 필적한다. 처리속력도 물의 해리를 촉진하는 이온교환기의 유형과는 관계가 없으며, 전류밀도, 즉 작업대상물(2)의 표면으로 이동되는 수산화이온의 양에 달려있다.
낮은 인가전압으로 높은 전류밀도를 얻는 것이 실용상 가장 중요하다. 이온교환능력이 제공된 부직포를 사용한 본 발명의 방법은 종래의 이온교환막의 전류밀도보다 수 내지 수십배나 높은 전류밀도를 쉽게 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 탁월함이 증명되었다.
(예시 3)
도 8에 도시된 바와 같이, 강산성 양이온 교환 능력이 부여된 부직포가 음극에 접촉하지만, 양극(Cu)으로부터는 60 ㎛ 의 거리로 떨어지게하여, Cu의 제거처리를 수행하였다. 제거처리가 0.5 A/cm2의 전류밀도로 2분동안 실시될 때, 도 7에 도시된 바와 같이, 1.0 mm3/min 의 체적 처리 속력 또는 10 ㎛/min 의 깊이방향으로의 처리속력을 얻었다. Cu가 2가이온으로서 처리된다고 가정하면, 이러한 처리 속력은 91%의 전류효율에 해당한다.
(비교 예시 3)
예시 3에서 사용된 강산성 양이온 교환능력이 부여된 부직포가 음극 및 양극 양쪽에 접촉된 상태로 Cu의 제거처리를 수행하였다. 0.5 A/cm2의 전류밀도에서 2분간 제거처리를 실시했을 때, 0.16 mm3/min 의 체적 처리 속력 또는 1.6 ㎛/min의 깊이방향으로의 처리속력을 얻었다. 이러한 처리 속력은 예시 3에서와 같이 양극(Cu)을 부직포와 접촉시키지 않을 때 얻는 속력의 1/6이하이다. Cu를 2가 이온으로 가정하고 계산한 전류밀도도 14%정도로 낮았다. 그 이유는 다음과 같은 것일 수 있다. 전류밀도를 일정하게 유지시키기 위한 전압은 처리개시 후 수십초간 급격히 떨어지기 시작하며, 처리후 부직포내에 검은 물질이 쌓인다. 이러한 현상은 처리 생성물 및 음극상의 생성물이 부직포내에 형성되어 음극 및 양극을 단락시키는 것을 시사한다. 이러한 비교 예시는 Cu를 처리할 때 양극 및 부직포는 접촉하지 않아야 하며, 처리 생성물을 제거시켜야 함을 보여준다. 이러한 조치는 연속적인 처리를 위해 효과적이다.
본 발명은 상기 방식으로 기술된 반면, 본 명세서는 단지 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 것이며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나는 일없이 다양하게 변화 및 수정될 수 있다.
1999년 8월 27일에 출원된 명세서, 청구범위, 도면 및 요약서를 포함한 일본국 특허출원 제 241869/1999의 전체개시내용이 참고로서 본 명세서에 전체적으로 포함된다.
본 발명의 상기 특성에 따라, 초순수의 흐름은 이온교환능력이 제공되는 부직포의 내부로 형성되어, 이온교환막 등의 종래의 이온교환물질에 의한 것보다 훨씬 많은 량의 수산화이온을 생성한다. 수산화이온은 전기장 및 초순수 흐름에 의해 작업대상물의 표면으로 효율적으로 공급될 수 있다. 따라서, 작업대상물 표면근처의 수산화이온의 농도가 증가된다. 또한, 수산화이온과 작업대상물의 원자사이의 반응에 의해 생성되는 반응생성물은 초순수의 흐름에 의해 작업대상물의 표면으로부터 급속히 제거된다. 그 결과, 가공된 새로운 표면은 항상 노출되어, 처리속력이 매우 빠르게 된다.
또한, 처리는 수산화이온 및 작업대상물 원자의 전기화학적 작용에 의해 일어난다. 따라서, 작업대상물을 물리적 결함 및 손상된 특성으로부터 막는다. 게다가, 초순수내에서의 처리로 인해 외계로부터의 불순물에 의한 오염을 막을 수 있으며, 고품질의 처리된 대상물을 제공 할 수 있다. 또한, 초순수만을 사용하여, 폐수처리에 대한 부담이 가벼우며, 처리비용을 현저히 줄일 수 있다.

Claims (6)

  1. 작업대상물로 작용하는 양극 및 소정의 간격을 두고 상기 양극에 대향되는 음극을 초순수내에 위치시키는 단계;
    투수성을 구비하며 초순수의 해리를 촉진하는 촉매물질을 작업대상물과 음극사이에 배치하는 단계; 및
    작업대상물과 음극사이에 전압을 인가하는 동안 촉매물질 내부로의 초순수의 흐름을 형성하여 초순수내의 물분자를 수소이온 및 수산화이온으로 분해시키고, 생성된 수산화이온을 작업대상물의 표면으로 공급하여, 화학적 분해 작용 또는 수산화이온을 매개로한 산화작용을 통하여 제거처리 또는 작업대상물상의 산화막형성을 수행하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전해 가공 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    촉매물질은 이온교환능력이 제공된 부직포인 것을 특징으로 하는 전해 가공 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    촉매물질은 음극과 양극 중 한쪽에는 접촉되고 다른 쪽으로부터는 떨어져 배치되는 것을 특징으로 하는 전해 가공 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    촉매물질은 작업대상물(양극)과 음극사이에 배치되어 작업대상물 및 음극 양쪽에 접촉하는 것을 특징으로 하는 전해 가공 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    작업대상물과 음극사이의 한 방향으로 초순수를 흐르게 하면서 전해 가공이 수행되는 것을 특징으로 하는 전해 가공 방법.
  6. 초순수를 수용하는 처리 탱크;
    처리 탱크내에 음극 및 작업대상물을 지니는 수단;
    촉매물질로서 이온교환능력이 제공되는 부직포를 작업대상물과 음극사이에 고정시키는 수단;
    음극과 작업대상물사이에 전압을 인가하는 수단;
    처리 탱크 내로 초순수를 공급하여 부직포내부로 초순수의 흐름을 형성하는 초순수 공급기; 및
    전해 가공에 의해 형성된 불순물을 포함한 폐수를 처리 탱크 외부로 방출시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 가공 장치.
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