KR20020071884A - 도체 구조물의 부식 방지 방법 및 시스템 - Google Patents

도체 구조물의 부식 방지 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

부식 환경과 접촉된 금속 구조물의 표면의 적어도 일부와 도전적으로 접촉하는 반도체 피복물(4); 및
부식 잡음을 필터링하기 위한 전자 필터(17)
를 포함하는 부식 환경과 접촉된 금속 구조물의 표면에 대한 부식을 방지하기 위한 시스템 및 그 시스템을 사용하는 부식 방지 방법.

Description

도체 구조물의 부식 방지 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM OF PREVENTING CORROSION OF CONDUCTIVE STRUCTURES}
지난 수세기 동안 부식을 제어하기 위한 다양한 방법들이 발전되어 왔으며, 특히 부식 환경에서 금속 구조물의 수명을 연장하는 방법들에 중점이 두어졌었다. 이러한 방법들은 일반적으로 보호 피복물을 포함하는데, 이러한 피복물은 강철과 같은 철금속 및 알루미늄과 같은 비철금속의 부식 저항성을 주로 향상시키며, 보다 값비싼 합금을 사용해야할 필요성을 방지하는데 사용된다. 따라서, 이러한 방법들은 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 비용도 감소시킨다. 그러나, 이러한 보호 피복물은 일반적으로 다수의 위험요소를 포함하는데, 즉 부식이나 오염을 받게 되는 비금속 구조물에 적용하기가 나쁘다.
보호 피복물에는 2가지 주요 카테고리가 있다. 이러한 카테고리 중 가장 큰 것은 페인트와 같은 국소 피복물(topical coating)이며, 환경에 대한 물리적 장벽(physical barrier)으로 작용한다. 제2의 카테고리는 아연이나 카드뮴과 같은 희생 코딩(sacrificial coating)으로 이루어지며, 이러한 희생 피복물이 기반 금속을 부식으로부터 보호하기 위해 우선적으로 부식되도록 설계된다.
캐소딕 보호(cathodic protection) 및 피복물은 모두 부식을 완화하고 방지하는 것을 주요 목적으로 하는 공학 분야이다. 각 공정은 상이하다: 캐소딕 보호는 외부 전원으로부터 전류를 도입하여 통상의 전기 화학적 부식 작용을 중화시킴으로써 부식을 방지하는 반면에, 피복물은 자연적으로 발생되는 양극(anode)과 음극(cathode)간의 또는 갈바니 쌍(galvanic couple)들내의 부식 전류나 전자의 흐름을 방지하는 장벽을 형성한다. 이러한 공정들 각각은 제한적으로 성공된다. 피복물은 일반적인 부식 방지에 대한 가장 널리 보급된 방법을 나타낸다(Leon 등의 미국 특허 제 3,562,124호와 Hayashi 등의 미국 특허 제 4,219,358호를 참조할 수 있다). 그러나, 캐소딕 보호는 매장되거나 침수된 조건의 수십만 마일의 파이프 및 수 에이커의 강철 표면을 보호하기 위해 사용되어 왔다.
캐소딕 보호 기술은 금속 표면에 충분한 음극 전류(cathodic current)를 흐르게 하여 양극의 용해율(anodic dissolution rate)이 무시될 수 있도록 함으로써 그 표면의 부식을 줄이는데 사용된다(예컨대, Pryor의 미국 특허 제 3,574,801호, Wasson의 미국 특허 제 3,864,234호, Maes의 미국 특허 제 4,381,981호, Wilson 등의 미국 특허 제 4,836,768호, Webster의 미국 특허 제 4,863,578호, 및 Stewart 등의 미국 특허 제 4,957,612호를 참조할 수 있다). 캐소딕 보호개념은 충분한 전류에 의한 양극의 전위에 대한 음극의 편극화를 통해 국부적인 양극 및 음극 표면간의 전위차를 소멸시킴으로써 동작한다. 즉, 음극 전류를 적용시키는 효과는 잔존 양극의 부식 비율을 줄이기 보다 양극 역할을 계속해서 하는 면적을 줄이는 것이다. 모든 양극이 소멸될 경우 완전한 보호가 가능하게 된다. 전기화학적 관점에서, 이것은 충분한 전자가 보호되어야 할 금속에 제공되어, 금속의 이온화 경향, 즉 용해되려는 경향이 중성화되었다는 것을 나타낸다.
부식에 대한 최근의 연구는 전기화학적 부식 과정이 셀 전류 및 전극 전위와 같은 전기화학적 시스템의 전기적 특성의 임의 변동과 관련 있는 것처럼 보인다는 것을 발견하였다. 이러한 임의 변동은 관련분야에서 "잡음(noise)"이라고 공지되어 있다. 잡음 분석 기술을 적용하여 전기화학적 시스템의 부식 과정을 연구하기 시작하였다.
Riffe의 미국 특허 제 5,352,342호 및 Riffe의 미국 특허 제 5,009,757호는 부식 방지 시스템에서 전자부품과 함께 사용되는 아연/산화아연 기반 규산염 피복물에 대해 개시한다. 피복물에서 아연/산화아연 입자는 반도체 특성, 주로 아연-산화아연 위상 경계에서 p-n 접합을 가지는 것으로 개시된다. 역방향 바이어스의 경우, 이러한 p-n 접합은 다이오드처럼 동작하며, 경계를 가로지르는 전자 전달을 방지하는 것으로 개시된다. 이러한 구속은 산화아연 표면상에서 산화아연 영역으로부터 산소 감소 영역으로의 전자 전달을 제한한다. 실제로, 국부 부식 셀의 음극과 양극사이에 증가된 저항이 존재하여, 부식이 감소된다.
대개, 아연-산화아연 기반 접합은 아연 표면에서의 아연의 산화와 관련된 전위 및 산화아연 표면에서의 산소의 감소 때문에 역방향 바이어스될 것이다. 그러나, 중요한 확률적인 전압 변동이 발생하며, 이러한 전압 변동으로 인해 접합이 일시적으로 순방향 바이어스된다. 순방향 바이어스될 경우, 접합을 가로지르는 전자전달이 증가되며, 아연의 산화 및 산소의 감소가 가속화된다. 실제로, 국부 부식 셀의 음극과 양극사이에 단락 회로(short circuit)가 존재하여, 부식이 증가된다.
Riffe의 특허들은 부식 방지 시스템의 전기화학적 회로에 고정 값 커패시터의 부착을 개시한다. 그러나, 커패시턴스의 레벨을 제어할 방법이나 임의의 주어진 구조물에서 부식을 효과적으로 방지하는데 필요한 커패시턴스 레벨을 결정하기 위해 제안되는 어떠한 방법도 없다. 따라서, 효과적으로 하기 위해 시스템에 과잉 커패시턴스(overcapacitance)를 사용할 필요가 있다.
본 발명은 반도체 기술을 사용하는 도체 구조물의 부식 방지 방법 및 시스템에 관한 것이다.
도면과 함께 다음의 상세한 설명을 참조함으로써, 본 발명 및 그 장점에 대하여 보다 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예의 아연/산화아연 접합의 도식적 표현.
도 2는 본 발명의 시스템을 보여주는 등가 회로도를 나타내는 도면.
따라서, 본 발명의 하나의 목적은 임의의 도체 구조물에 반-부식 특성(anticorrosion properties)을 부여하는 반도체 피복물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 금속 구조물의 고유 특성에 맞게 잘 조정된, 도체 금속 구조물을 부식으로부터 보호하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 외부의 음극, 전해물 및 전류 없이 반도체 기술을 사용하여 도체 구조물의 부식을 방지하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 도체 구조물을 부식으로부터 보호하는 시스템을 제공하는 것이며, 여기서 시스템은 최소한의 시스템 유지로서 장기간의 보호를 가능하게 한다.
이러한 목적들 또는 다른 목적들은 반도체 피복물 및 관련 시스템의 발견에 의해 만족되어졌으며, 여기서 시스템은 반도체 피복물이 위치할 도체 구조물내의 전압 변동을 필터링함으로써 동작될 수 있다. 여기서, 시스템을 사용하는 방법은,
도체 구조물을 피복된 구조물에 연결된 고정된 전자 필터를 가지는 반도체 피복물으로 피복하는 단계,
피복된 구조물에 연결된 고정된 전자 필터를 가지는 피복물에 의해 발생되는 잡음을 측정하는 단계,
피복물에 연결된 조정 가능한 필터를 사용하여 피복물에 의해 발생되는 잡음을 최소화하는데 필요한 반-부식 필터 응답을 결정하는 단계, 및
조정 가능한 필터를 적어도 반-부식 필터 응답의 필터 응답을 가지는 수동 또는 능동 필터로 대체하는 단계를 포함한다.
본 발명은 부식되기 쉬운 임의의 도체 구조물에 대한 부식 방지 방법을 제공하는데, 이 방법은 반도체 피복물으로 도체 구조물을 피복하고 그 피복된 구조물을 고정된 전자 필터에 연결시키는 단계, 시스템에 의해 발생되는 부식 잡음(corrosive noise)을 측정하는 단계, 및 부식 잡음을 최소화하는데 필요한 필터 응답을 결정하는 단계를 포함한다(본 발명의 문맥 안에서, "부식 잡음"이라는 용어는 갈바니 부식 과정에 의한 전압 변동을 나타내기 위해 사용된다). 일 실시예에서, 본 발명은 피복된 구조물에 의해 발생되는 잡음을 최소화하는데 필요한 필터 응답을 결정하기 위해 조정 가능한 필터를 사용하여 필터 응답을 조정하고, 그 후 조정 가능한 필터를 적어도 결정된 반-부식 필터 응답을 가지는 수동 전자 필터로 대체하는 단계를 포함한다. 대체 실시예에서, 본 발명은 조정 가능한 필터를 잡음을 연속적으로 측정해서 시스템내의 변동을 최소화하기 위해 필터 응답을 자동적으로 수정하는 측정 시스템 및 능동 전자 필터로 대체한다.
본 발명은 반도체 피복물을 전자 필터에 결합시킴으로써 부식 잡음을 최소화한다. 전자 필터는 본 발명의 문맥에서 주어진 주파수에서 잡음의 감소 레벨로서 정의되는 필터 응답을 가진다. 전술한 바와 같이, 필터는 수동, 저역 통과 RC 필터일 수도 있고, 능동 필터일 수도 있다. 각 경우에, 필터는 전압 변동을 최소화한다. 반도체 피복물에 존재하는 접합은 역방향 바이어스를 유지한다. 반도체 피복물에서 양극 영역으로부터 음극 영역으로의 시-평균 전자의 흐름은 감소되며, 피복물은 효과적으로 보호막이 씌워진다.
수동, 저역 통과 RC 필터는 본래 커패시터와 저항이다. 본 시스템의 경우에, 반도체 피복물은 RC 필터를 완성하는 커패시터를 가지는 저항으로서 다소 역할을 한다. 적당한 능동 필터에는 버터워스 필터(Butterworth filter), 베셀 필터(Bessel filter), 및 샐렌-키 필터(Sallen-Key filter)가 포함되나, 이것으로 제한되는 것은 아니다. 당업자라면 이들 능동 필터들을 상업적으로 이용할 수 있고/있거나, 쉽게 준비할 수 있을 것이다. 이들 능동 필터들은 기본적으로 커패시터를 가지는 op-앰프 회로이다. 본 발명의 필터에 대한 주요 구성요소는 바람직하게는 커패시터이며, 여기서 필터 응답은 주어진 주파수에서 잡음을 감소시키는데 필요한 커패시턴스와 관련된다.
본 발명의 잡음 측정 특성(noise measurement aspects)은 특수한 애플리케이션에 대한 시스템의 설계를 잘 조정하는데 사용된다. 측정된 잡음에 기초하여, 필요한 필터 특성 및 시스템내의 필터 설치 위치가 구조물의 전 표면에 대해 일정한 부식 방지를 위해 결정되고 개선될 수 있으며, 이는 항공모함이나 긴 다리와 같은 매우 대형의 구조물에 대해서도 마찬가지이다. 본 발명에서, 피복된 표면과 저잡음, 고임피던스 기준 전극간의 전압 변동이 측정된다. 적당한 고임피던스 기준 전극은 예컨대, 포화된 염화 제1 수은(calomel) 전극이나 포화된 황산염 전극으로부터 준비될 수 있다. 이러한 목적에 적합한 상업적으로 이용 가능한 고임피던스 기준 전극은 Beckman Instruments나 Corning과 같은 다양한 카탈로그 장비 회사로부터 얻을 수 있다. 잡음은 이러한 전극들을 사용하여 전압 변동을 보여주는 오실로스코프를 통해 측정될 수 있다. 이에 비해, 전극들로부터 얻어진 데이터는 아날로그-디지털 변환기를 구비한 PC 컴퓨터를 사용하고, 그 결과 데이터를 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform; FFT) 분석이나 최대 엔트로피 방법(maximum entropy method; MEM method)과 같은 시계열 분석 프로그램을 사용하여 분석함으로써 저장되고 분석될 수 있다. 이러한 방법들은 실시간 결과 및 지연된 결과를 원하는 바에 따라 모두 제공할 수 있다. 이러한 방법을 사용하면, 오실로스코프 상에서 거의 평탄한 선을 발생하기 위해(즉, 잡음을 최소화하기 위해) 필요한 필터 응답의 레벨 및 필터의 배치를 결정할 수 있다. 이것은 구조물의 단일 위치에서 이루어질수도 있고, 더 잘 제어할 경우 구조물 표면 부근의 복수의 위치에서 이루어질 수도 있다. 전자 필터 특성 및 필터 설치 위치는 측정된 전압 변동을 최소화하여 피복물의 보호막을 최대화하기 위해 조정될 수 있다. 궁극적인 결과로서, 임의의 원하는 구조물 형태에 대해 부식 방지 시스템의 수명을 획기적으로 증가시킨다. 이것은 부식 잡음의 감소로 인해 반도체 피복물의 희생 부식이 획기적으로 감소하는 데서 기인한다.
본 발명은 또한 다양한 도체 기판과 함께 사용되어 흥미로운 특성의 어레이를 제공할 수 있는 반도체 피복물에 관한 것이기도 하다. 본 발명의 반도체 피복물은 (a) n형과 p형의 반도체 영역을 모두, (b) 금속-반도체 접합, (c) 이온성 도체-반도체 접합, (d) 금속-반도체-이온성 도체 접합, (e) 반도체-절연체-반도체 접합, 및 이들의 다양한 조합을 가지는 반도체 피복물을 포함하는 임의의 반도체 피복물일 수 있으나 이것들로 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 반도체 피복물은 다양하게 최종적으로 사용될 수 있다. 이러한 최종-사용 중 주요한 것은 도체 구조물의 부식 방지이다. 도체 기판의 부식을 방지하기 위한 본 시스템은,
(a) 도체 구조물 표면의 적어도 일부와 도전적으로 접촉하고 있는 반도체 피복물, 및
(b) 부식 잡음을 필터링하기 위한 수단 -여기서, 그 수단은 피복된 도체 기판에 연결된, 커패시터와 같은 필터와 함께 배터리나 다른 전력 공급원과 같은 전자 싱크를 포함함- 을 포함하며,
발견된 부식 방지 방법은,
1) 도체 구조물의 외부 표면을 클리닝하는 단계,
2) 본 발명의 반도체 피복물으로 외부 표면을 피복하는 단계, 및
3) 전자 필터를 사용하여 시스템내의 부식 잡음을 최소화하는 단계를 포함한다.
본 발명의 방법 및 시스템의 키는 전체 시스템에 의해 발생되는 부식 잡음의 측정(기판, 피복물 및 필터 구성요소를 포함하나 이것으로 제한되는 것은 아님)과 전자 필터를 적용하여 그 잡음을 최소화하는 것이다.
부식 및 오염 방지를 위한 실시예에서, 본 시스템은 2가지 상호 독립적인 구성요소, 즉 (1) 반도체 피복물, 및 (2) 피복물이 적용되는 도체 구조물에 순 음의 바이어스(net negative bias)를 부가하는 수단을 포함한다. 일반적으로, 반도체 피복물은 바람직하게는 금속 표면에 대해서는 상업적인 블래스트 피니시(blast finish)에 의한 그릿 블래스팅(grit blasting), 비금속 도체 구조물에 대해서는 이에 상당하는 공정에 의해 도체 표면을 클리닝한 후에, 도체 표면에 적용된다. 도체 표면이 그릿 블래스팅 또는 이에 상당하는 방법에 의해 클리닝된 경우, 그 표면은 그 깊이가 0.1밀리에서 수 밀리에 달하는 다수의 홈 또는 벤 자국을 가질 것이다. 본 발명의 반도체 피복물은 클리닝 과정에서 형성된 피치(pitch)보다 적어도 2밀리 이상 더 깊은 깊이, 바람직하게는 2에서 10밀리 두께, 가장 바람직하게는 7에서 9밀리 두께에 적용되어야 한다. 심각한 피트(pit)가 없는 부드러운 표면에 대해서, 피복물은 시스템 성능에 불리한 영향을 미치지 않고도 약 0.5밀리 두께에 적용될 수 있다.
본 방법 및 시스템을 사용하여 보호될 수 있는 구조물은 부식될 수 있는 임의의 도체 물질이다. 바람직하게는 그 구조물은 철금속 또는 비철 도체 금속의 금속 구조물이다. 일반적으로 금속에는 철, 강철, 및 알루미늄이 포함되나, 이들에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 반도체 피복물은 바람직하게는 금속의 산화가 있거나 없는 금속 또는 금속 합금의 피복물이다. 가장 바람직한 실시예에서, 피복물은 아연/산화아연 시스템이다. 금속 또는 금속 합금은 독자적으로 또는 적당한 피복물 결합제와 함께 사용될 수 있다. 피복물 결합제에는 규산 나트륨, 규산 마그네슘, 및 규산 리튬과 같은 다양한 규산염 결합제가 포함된다. 피복물내의 금속 또는 금속 합금은 보호될 도체 물질보다 더 높은 산화 전위(oxidation potential)를 가져야 한다. 대부분의 금속에 대한 표준 전극 전위는 잘 공지되어 있으며, 다양한 상이한 금속에 대해 아래에 복사되어 있다.
표준 전극 감소 전위(수소 전극에 대한 상대적인 값)
Fe+2+ 2e-⇔ Fe: -0.41
Zn+2+ 2e-⇔ Zn: -0.76
Ti+2+ 2e-⇔ Ti: -1.63
Al+3+ 3e-⇔ Al: -1.71
Ce+3+ 3e-⇔ Ce: -2.34
Mg+2+ 2e-⇔ Mg: -2.38
Ba+2+ 2e-⇔ Ba: -2.90
Cs++ e-⇔ Cs: -2.92
(출처 : 화학 및 물리학에 대한 CRC 안내서, 60판, Ed. Robert C. Weast, CRC Press, Inc, Boca Raton, FL, 1979)
본 시스템 및 방법의 피복물은 보호되고 있는 도체 물질에 대해 희생적이므로(비록 부식 잡음이 최소화된 경우 최소한으로 희생되더라도), 피복물 내에 유지될 금속이 정해질 경우, 보호될 도체 물질보다 더 음인 표준 전극 전위를 가지는 금속을 선택하는 것은 중요하다. 예컨대, (강철에 존재하는 것과 같은) 철(Fe)을 보호하기 위해서, 피복물은 아연(Zn), 티타늄(Ti) 또는 -0.44보다 더 음인 표준 전극 전위를 가지는 임의의 어떤 다른 금속을 사용할 수 있다. 알루미늄(-1.68)과 같은 높은 음의 전극 전위를 가지는 금속을 보호할 경우, (마그네슘과 같은) 보다 높은 음의 전극 전위를 가지는 금속과 결합된 (아연과 같은) 보다 낮은 음의 전극 전위를 가지는 금속의 합금을 사용하는 것이 적합하다. 이러한 합금은 단지 마그네슘과 같은 높은 음의 전극 전위 금속만을 포함하는 피복물에서 발생될 수 있는 지나친 산화를 피하면서도 필요한 희생적 특성을 가지는 피복물을 제공할 것이다. 높은 음의 전극 전위 금속을 상기 언급된 결합제 중 하나에 추가함으로써, 지나치게 빠르게 희생되는 피복물을 피하는 것도 또한 가능하다. 2가지 금속의 합금 대신에, 보다 큰 음의 전극 전위 금속이 규산염 결합제의 반대이온(counter ion)으로서 추가될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 본 발명의 반도체 피복물은 본 명세서의 일부로서 참조되는, Schutt의 미국 특허 제 3,620,784호, Riffe의 미국 특허 제 5,352,342호 또는 Riffe의 미국 특허 제 5,009,757호에서 개시된 것과 동일한 피복물일 수 있다. 무기 아연 피복물의 기본 빌딩 블록은 규토(silica), 산소 및 아연이다. 액체 형태에서, 이들은 규산나트륨과 같은 금속 규산염 또는 규산에틸과 같은 유기 규산염의 상대적으로 작은 분자들이다. 이러한 본질적으로 단량체(monomeric) 물질들은 교차 결합되어 모든 무기 아연 피복물의 기본 막 형성자 또는 결합자인 규토-산소-아연 구조물을 형성한다. 본 발명에서 사용되는 적당한 무기 아연 피복물은 다양하게 상업적으로 사용가능한 규산알킬(alkyl silicate) 또는 알칼리 가수분해 규산염(alkali hydrolyzed silicate) 형태이다. 그러한 상업적으로 사용가능한 하나의 피복물은 Carboline, Inc.에 의해 제조된 Carbozinc D7 WB™이다.
본 발명의 피복물은 또한 주석/산화주석(Sn/SnO)과 같은, 피복물 내에 추가되는 추가적인 n-형 반도체를 포함할 수 있다. 또한, 피복물은 피복물의 전도성을 증가시키기 위해 알루미늄 또는 갈륨과 같은 금속을 사용하여 도핑되거나, 피복물의 전도성을 줄이기 위해 1-5%의 리튬(Li)을 사용하여 도핑될 수 있다. 본 발명의 피복물에서 금속/산화 금속 인터페이스(Zn/ZnO)는 전기화학 시스템의 다이오드로서 역할을 한다. 따라서, 피복물은 다이오드들과 같은 다수의 마이크로 영역 활동(microdomains acting)을 포함한다. 피복물에 의해 생성되는 부식 잡음 때문에, 다이오드는 피복물내의 마이크로영역의 전도 전위의 변동에 기인하여 주기적으로 온과 오프로 스위칭한다. 전도 전위의 변동과 다이오드의 스위칭은 피복물이 희생적으로 부식되도록 한다. 리튬과 같은 것으로 도핑하여 피복물의 도전성을 감소시킴으로써, 다이오드의 스위칭 전위를 잡음 변동 곡선의 최저점 아래로 낮추는 것이 가능하다. 이것은 보호될 구조물의 도체 물질을 여전히 보호하면서도 피복물의 희생 부식을 최소화시킬 것이다.
또한, 도체 표면에 대한 반도체 피복물 물질을 적당히 선택함으로써, 종래의 수동적인 장벽뿐만 아니라 신규의 능동적인 장벽도 실현할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 본 발명의 피복물의 아연 먼지(zinc dust)는 n-형 반도체인 산화아연을 가지는 금속-반도체 접합을 형성하는데, 그 접합에서 아연 금속 과 산화 아연이 인터페이스한다.
완전한 피복물의 바람직한 실시예는 도 1에 도식적으로 나타나 있다. 도 1은 본 발명의 바람직한 아연/산화 아연/규산염 피복물(4)의 투과성(porous nature)을 보여준다. 아연 입자들(1)은 불용성 규산금속 결합제(insoluble metal silicate binder)에 의해 둘러싸인 다수의 산화 피복된 입자들을 가지는 산화 아연 층(2)에 의해 덮인다. 피복물과 구조물 금속간의 인터페이스(5)에, 불용성 규산금속 층이 있는데, 강철 구조물의 경우 불용성 규산철 층이 될 것이다.
본 발명의 도체 구조물은 부식으로부터 보호될 필요가 있는, 금속 구조물과 비금속 구조물을 포함하는 임의의 도체 구조물일 수 있다. 그러한 금속 구조물의 예에는 배, 비행기, 자동차, 군사용 탱크나 수송기와 같은 금속 운송 수단, 금속 운반 부품, 다리, 철도 결합 장치, 컨테이너, 파이프 및 금속 탑뿐만 아니라 생물의학 장치와 같은 소형의 구조물들도 포함된다. 금속 운반 부품의 예에는 자동차, 비행기, 기차, 탱크와 같은 군사용 육상 운송 수단과 배 및 다른 해양 운송 수단과 같은 운송 수단들의 금속 부품들이 포함된다. 컨테이너의 예에는 제련 컨테이너(refiner container), 저장 사일로(storage silos) 및 저장 상자들이 포함된다. 비금속 도체 구조물의 예에는 도체 콘크리트 및 도체 중합 구조물(conductive polymeric structure)가 포함된다. 부식 과정은 또한 이러한 비금속 도체 구조물에도 영향을 미치며, 본 발명에 의해 또한 최소화될 수 있다. 도체 콘크리트는 부상 공항 활주로(floating airport runways)의 준비를 위한 가능 물질로서 제안되었다. 본 발명의 시스템은 콘크리트의 부식 방지를 도와, 콘크리트 구조물의 수명 및 구조물적 집적도를 향상시킬 것이다.
본 발명에서 얻어지는 한 가지 중요한 장점은, 반도체 피복물의 희생 부식을 최소화함으로써 피복물의 수명이 종래 피복물 보호 시스템의 수명보다 수배나 더 길게 연장될 것이라는 점이다. 이것은 수중에서도 양극 전류의 적용을 통해 가능하나, 지속적인 전류를 필요로 하며, 제어하기도 매우 어려울 것이다. 본 발명의 방법은 내적으로 피복물에 대해 작용하여, 부식 매개체가 공기로부터 응집된 습기밖에 없는 대기상의 부식을 방지한다. 이것은, 증가된 강도를 제공하는 설계가 이에 수반하여 부식되기 쉬운 영역을 증가시킨 현대형 배들의 내부 표면과 같은 표면들을 보호하는데 및 자동차 부품, 다리, 비행기 및 기차를 보호하는데 대단히 중요하게 된다.
또 다른 실시예는, 고염분 내용물에 기인하여 응축이 가장 부식되기 쉽고,동시에 캐소딕 보호 시스템을 적용하기에 수분이 부족한 현대형 배의 내부 표면에 본 방법 및 시스템을 사용하는 것이다. 본 발명의 잡음 필터 없이는, 피복물내의 아연은 배 밑의 응축물의 흐름에 의해 급속히 용해되어 부식될 것이다. 그러나, 본 발명에 따른 잡음 필터를 금속 기판에 적용할 경우, 이러한 용해는 효과적으로 정지된다.
또한, 배의 기판 강철에서의 잡음 필터의 사용은 배 내에 하나의 백열전구를 켜는 것보다 더 큰 어떠한 간섭도 배 내의 전자 부품에 일으키지 않으며, 적의 탐지 디바이스에 탐지될 수 있는 신호도 발생시키지 않을 것인데, 이는 잡음 필터가 배터리나 다른 전기 전원을 사용한다 할지라도, 피복물 너머로 상당한 정도로 방사될 장(field)을 생성하지 않기 때문이다. 아연의 흡광도(absorbance) 특성은 잘 공지되어 있으며, 종종 EM 차폐물 및 전자 인클로저용으로 사용된다. 따라서, 본 발명이 적용되는 해안-기반 구조물로부터의 어떠한 측정 가능한 EM 방사도 또한 없을 것이다.
본 발명의 고정된 전자 필터는 커패시터를 역방향 바이어스로 유지하도록 부착된 전자 싱크를 가지는 커패시터로서 역할을 한다. 고정된 전자 필터는 바람직하게는 종래의 전력 전원, 예컨대 배터리, 바람직하게는 12V 배터리 및 태양 전지와 같은 직류(DC) 전력 전원 수단과 교류(AC) 전력 전원 수단의 조합이다. 비록 이러한 구성요소가 본 설명에서 "전력 전원(power supply)"이라고 불리나, 본 시스템에 어떠한 전류나 전압도 존재하지 않음을 주목해야 한다. 따라서, 전력 전원 명칭은 단지 편의상이며, 전자 흐름을 의미하려는 의도는 아니다. 만약 완전한 회로가 사용가능하다면, 사용되는 전력 전원 수단은 바람직하게는 0.5에서 30V를, 가장 바람직하게는 10에서 20V를 공급하면 충분하다. 고정된 전자 필터(즉, 전력 전원 및 커패시터)는 피복된 도체 기판과, 기판에 직접 또는 피복물에 연결될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 본 발명의 전력 전원 수단은 보호될 도체 구조물에 직접 연결되는 음의 전극을 가진다. 전력 전원 수단의 양의 전극은 도체 구조물과 필터/커패시터에 의해, 음의 전극 접합부와 떨어진 구조물의 부분에 연결된다. 본 발명은 전극들로부터의 거리가 증가함에 따라 감소하는 전류의 생성에 의존하지 않으므로, 양의 전극과 음의 전극이 서로 접해있지 않는 이상 전극들로부터의 거리는 중요하지 않다. 양의 전극 접합부는 바람직하게는 음의 전극 접합부의 위치로부터 0.01미터에서 30미터 떨어진 구조물의 위치에 만들어지며, 가장 바람직하게는 음의 전극 접합부로부터 5에서 10미터 떨어진 구조물의 위치에 만들어진다.
본 발명의 방법은 시스템의 수명에 대해 자기-이바지형이다. 종래의 캐소딕 보호 시스템에서와 같은 주기적으로 측정하고 제어하기 위한 어떠한 전류나 전위도 없다. 게다가, 본 시스템은, 종래의 캐소딕 보호 시스템에서 발생할 수 있는, 제어를 벗어나 지지 구조물에 심각한 손상을 입힐 가능성이 없다. 그러므로, 피복물 수명에서의 유효한 감소는 바람이나 물에 의한 침식으로부터만 발생될 것이다. 피복물의 침식에 대한 저항성이 아연 도금된 피복물보다 다소 향상되므로, 피복물 수명 기대치는 수십 년 범위로 연장될 것이다.
또한, 연속적으로 잡음 변동을 측정하여 필터 응답 및 차단 주파수와 같은 필터 특성을 조정하는 측정 시스템 및 능동 필터를 사용하여, 시간에 대한 부식의증가로 인한 희생 손실의 비율 증가를 방지함으로써 피복물 수명이 연장될 수 있다.
도 2는 본 발명의 시스템을 나타내는 등가 회로도를 보여준다. 회로에서, 참조번호 10은 용액 저항(Solution Resistance; Rs)이고, 참조번호 11 및 12는 각각 양극(Ea) 및 음극(Ec)에서의 갈바니 전극 전위이다. 회로에서 잡음 전원(En)은 참조번호 13으로 표시된다. 양극의 유도성 임피던스(Ra) 및 음극의 유도성 임피던스(Rc)가 각각 참조번호 14 및 15로 나타나 있다. 아연/산화아연 경계에서의 금속-반도체 접합은 다이오드(D; 16)로 나타나 있다. 능동이거나 수동 필터인 잡음 필터(F)는 참조번호 17에 의해 표시된다.
분명히, 상기 기술에 비추어 본 발명의 다수의 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 여기서 특별히 기재된 것 이외에는, 첨부된 청구항의 범위 내에서 발명이 실행될 수 있다고 이해되어야 할 것이다.

Claims (36)

  1. 부식 환경(corrosive environment)과 접촉되는 도체 구조물(conductive structure)의 부식을 방지하기 위한 방법에 있어서,
    (a) 도체 구조물을 반도체 피복물으로 피복하고, 상기 피복된 도체 구조물에 연결된 전자 필터(electronic filter)를 제공하는 단계;
    (b) 상기 피복된 도체 구조물에 의한 부식 잡음(corrosive noise)을 측정하여, 상기 부식 잡음을 최소화하기 위해 상기 전자 필터의 필터 특성을 조정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전자 필터가 전원 및 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물의 부식 방지 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측정 및 조정 단계(b)가 능동 필터 및 측정 수단을 사용하여 연속적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전자 필터가 복수의 커패시터를 포함하며,
    상기 측정 및 조정 단계(b)가 상기 도체 구조물상에서 상기 복수의 커패시터 각각의 배치를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도체 구조물이 금속 도체 구조물인 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 금속 도체 구조물이 철금속(ferrous metal) 및 도체 비철 금속(conductive non-ferrous metal)으로 된 군으로부터 선택된 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 금속이 강철(steel)인 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 금속이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 도체 구조물이 다리 부재(bridge member), 철도 결합 장치(railroad coupling mechanism), 제련소(refinery), 컨테이너, 금속 탑, 및 도체 콘크리트 구조물로 된 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 피복물이 p-형과 n-형의 반도체 영역을 모두 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 피복물이 금속-반도체 접합(metal-semiconductor junction)을 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 피복물이 이온성 도체-반도체 접합(ionic conductor-semiconductor junction)을 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 피복물이 금속-반도체-이온성 도체 접합을 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 피복물이 반도체-절연체-반도체 접합을 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 피복물이 금속/산화 금속/규산염 피복물인 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 금속/산화 금속/규산염 피복물이 아연/산화 아연/규산염 피복물인 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 아연/산화 아연/규산염 피복물이 건조 피복 기초하에서 80-92 중량%의 양의 아연을 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 아연/산화 아연/규산염 피복물이 건조 피복 기초하에서 85-89 중량%의 양의 아연을 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 금속/산화 금속/규산염 피복물이 아연(Zn), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 세륨(Ce), 마그네슘(Mg), 바륨(Ba) 및 세슘(Cs)으로 된 군으로부터 선택된 금속 및 상기 금속의 산화 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 금속/산화 금속/규산염 피복물이 아연, 티타늄, 알루미늄, 갈륨, 세륨, 마그네슘, 바륨 및 세슘으로 된 군으로부터 선택된 1 이상의 금속의 혼합물 및 그들로부터 얻어지는 1 이상의 산화금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 반도체 피복물이 1 이상의 도펀트(dopant)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 방법.
  22. 도체 구조물의 부식을 방지하기 위한 시스템에 있어서,
    (a) 반도체 피복물;
    (b) 고정된 전자 필터;
    (c) 부식 잡음 측정 시스템; 및
    (d) 조정 가능한 필터(adjustable filter)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 부식 잡음 측정 시스템이 고임피던스 기준 전극(high impedance reference electrode) 및 오실로스코프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 시스템.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 조정 가능한 필터가 수동으로 조정 가능한 필터 및 능동 필터로 된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 시스템.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 반도체 피복물이 p-형과 n-형의 반도체 영역을 모두 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 시스템.
  26. 제22항에 있어서,
    상기 반도체 피복물이 금속-반도체 접합을 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 시스템.
  27. 제22항에 있어서,
    상기 반도체 피복물이 이온성 도체-반도체 접합을 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 시스템.
  28. 제22항에 있어서,
    상기 반도체 피복물이 금속-반도체-이온성 도체 접합을 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 시스템.
  29. 제22항에 있어서,
    상기 반도체 피복물이 반도체-절연체-반도체 접합을 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 시스템.
  30. 제22항에 있어서,
    상기 반도체 피복물이 금속/산화 금속/규산염 피복물인 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 시스템.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 금속/산화 금속/규산염 피복물이 아연/산화 아연/규산염 피복물인 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 시스템.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 아연/산화 아연/규산염 피복물이 건조 피복 기초하에서 80-92 중량%의 양의 아연을 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 시스템.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 아연/산화 아연/규산염 피복물이 건조 피복 기초하에서 85-89 중량%의 양의 아연을 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 시스템.
  34. 제30항에 있어서,
    상기 금속/산화 금속/규산염 피복물이 아연, 티타늄, 알루미늄, 갈륨, 세륨, 마그네슘, 바륨 및 세슘으로 된 군으로부터 선택된 금속 및 해당 산화금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 시스템.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 금속/산화 금속/규산염 피복물이 아연, 티타늄, 알루미늄, 갈륨, 세륨, 마그네슘, 바륨 및 세슘으로 된 군으로부터 선택된 1 이상의 금속의 혼합물 및 그들로부터 얻어지는 1 이상의 산화금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물부식 방지 시스템.
  36. 제34항에 있어서,
    상기 반도체 피복물이 1 이상의 도펀트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 구조물 부식 방지 시스템.
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