KR20100099904A - 양극산화용 전원공급장치, 양극산화법 및 양극산화막 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직류/교류 혼합펄스파를 제공하는 양극산화용 전원공급장치와 이를 이용한 양극산화법 및 이를 통해 형성되는 양극산화막에 관한 것이다. 본 발명의 전압공급장치는 교류전원로부터 입력되는 교류전압을 직류펄스파로 정류할 수 있고, 상기 직류펄스파의 주기 또는 진폭을 변조하여 출력할 수 있는 정류변조부와 상기 교류전원로부터 입력되는 교류전압의 주기 또는 진폭을 변조한 교류펄스파를 출력할 수 있는 교류변조부와 상기 정류변조부로부터의 직류펄스파 또는 상기 교류변조부로부터의 교류펄스파 중 어느 하나 이상을 입력받아 합성하여 직류/직류 혼합펄스파 또는 직류/교류 혼합펄스파로 출력하여 양극 및 음극 간에 인가하는 펄스파합성부 및 상기 정류변조부 및 상기 교류변조부의 작동을 제어하는 제어부를 포함한다. 또한 본 발명의 양극산화법은 양극 및 음극 간에 직류펄스파와 교류펄스파를 합성한 직류/교류 혼합펄스파를 공급하여 수행하는 것으로서, 상기 직류/교류 혼합펄스파는 단위펄스의 시작점에서 피크전압이 나타나는 것을 특징으로 하며, 이러한 직류/교류 혼합펄스파를 이용하여 알루미늄 부재 표면에 형성한 양극산화막은 두께가 300㎛에 이르고 셀의 직경이 50nm 내지 200nm 범위를 가진다..

양극산화법, 알루미늄, 혼합펄스파

Description

양극산화용 전원공급장치, 양극산화법 및 양극산화막{Power supply appartus for anodizing, anodizing method and anodized film}

본 발명은 알루미늄 합금 등과 같은 비철금속재료의 내식성 또는 내마모성 등을 향상시키기 위하여 표면에 전기화학적인 방법으로 산화막을 형성시키는 양극산화법에 관한 것으로서, 구체적으로 양극산화가 수행되는 전해조에 직류성분 및 교류성분이 혼합된 펄스파를 제공하는 양극산화용 전원공급장치와 이를 이용한 양극산화법 및 이를 통해 형성되는 양극산화막에 관한 것이다.

일반적으로 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 티타튬(Ti) 등의 비철금속재(nonferrous)는 대기 중에서 공기중의 수분과 높은 반응성에 의해 자연적으로 얇은 산화층을 형성한다. 그러나 이러한 자연 산화층은 그 두께가 매우 얇거나 구조가 치밀하지 못하여 해당 비철금속재료를 마모환경이나 부식환경으로부터 보호하는 보호층으로서의 역할을 수행하기 어렵다. 따라서 이러한 비철금속재료의 표면성질 개선을 통해 해당 재료를 보호할 목적으로 여러 가지 방법을 이용하여 표면에 산화 층을 형성한다. 이러한 산화층을 형성하는 방법으로는 화학적인 방법과 전기화학적인 방법이 있다. 대표적인 비철금속재료인 알루미늄에 있어, 표면을 화학적으로 처리하는 방법으로는 크로메이트(chromating)처리 또는 베마이트(boehmite)처리가 있다. 이러한 방법은 알루미늄에 전기를 인가하지 않은 상태에서 알루미늄 표면에서의 화학적인 반응에 의해 알루미늄 표면에 산화층을 형성하는 방법이다. 그러나 이러한 화학적인 표면처리 방법은 산화층 피막이 얇거나 내마모성이 떨어지기 때문에 그 응용범위가 제한되는 단점이 있다. 이에 비해, 전기화학적인 방법인 양극산화법은 주로 황산용액을 전해액으로 사용하여 알루미늄 표면에 전기를 인가하여 전기화학적으로 양극산화막을 형성시키는 방법이다. 위와 같은 양극산화법으로 형성된 양극산화막은 기계적 특성이나 전기적, 화학적 특성이 우수하여 건축분야, 기계분야, 자동차산업, 항공산업용을 비롯하여 휴대용단말기 등 적용 분야가 매우 다양하다.

종래의 양극산화법은 모재의 표면을 전기화학적으로 산화시키기 위하여 전극간에 직류전원을 공급하였다. 즉, 산화시키고자 하는 모재를 양극으로 하여 전해액을 포함하는 전해조 내에서 직류전원을 공급하여 모재의 표면을 전기화학적으로 산화시키는 것이다.

그러나 이러한 종래의 양극산화법은 금속표면과 전해액 사이의 반응으로 인하여 산화층이 형성됨과 동시에 금속의 용해작용이 일어나게 되므로 형성되는 산화층의 두께가 증가될수록 산화층의 밀도가 작아지면서 기계적 특성이 열화되며, 그 두께를 일정이상으로 성장시키기 어려운 한계를 가지고 있다. 또한, 모재인 금 속층과 산화층사이의 계면에 특정 산화층이 양극산화 공정 전에 전착되는 경우에는 밀착성이 현저하게 열화되어 산화층이 알루미늄 모재로부터 박리되는 현상이 나타나기도 한다.

위와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 종래의 양극산화막에 비해 형성 두께가 현저하게 증가되고 기계적, 전기적, 화학적 특성이 월등하게 향상된 양극산화막을 형성할 수 있는 양극산화용 전원공급장치와 양극산화법 및 이를 이용하여 형성된 양극산화막의 제공을 목적으로 한다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 측면은 양극산화를 위해 양극과 음극 간에 전압을 공급하는 전압공급장치로서, 교류전원로부터 입력되는 교류전압을 직류펄스파로 정류할 수 있고, 상기 직류펄스파의 주기 또는 진폭을 변조하여 출력할 수 있는 정류변조부와 상기 교류전원로부터 입력되는 교류전압의 주기 또는 진폭을 변조한 교류펄스파를 출력할 수 있는 교류변조부와 상기 정류변조부로부터의 직류펄스파 또는 상기 교류변조부로부터의 교류펄스파 중 어느 하나 이상을 입력받아 합성하여 직류/직류 혼합펄스파 또는 직류/교류 혼합펄스파로 출력하여 상기 양극 및 음극 간에 인가하는 펄스파합성부 및 상기 정류변조부 및 상 기 교류변조부의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 양극산화용 전원공급장치를 제공하는 것이다.

이때 상기 전원공급장치는 상기 정류변조부와 상기 교류전원 사이 또는 상기 교류변조부와 상기 교류전원 사이에 스위치를 더 구비하거나 상기 정류변조부와 상기 펄스파합성부 사이 또는 상기 교류변조부와 상기 펄스합성부 사이에 스위치를 더 구비할 수 있으며, 이때 상기 스위치는 상기 제어부에 의해 제어될 수 있다.

또한 상기 정류변조부는 각각 독립적으로 작동되는 2개 이상의 정류장치를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 제 2 측면은 전해액 내에서 알루미늄 부재의 표면에 양극산화막을 형성하는 양극산화법으로서, 양극 및 음극 간에 직류펄스파와 교류펄스파를 합성한 직류/교류 혼합펄스파를 공급하여 양극산화를 수행하며 상기 직류/교류 혼합펄스파는 단위펄스의 시작점에서 피크전압이 나타나는 것을 특징으로 하는 양극산화법을 제공하는 것이다.

이때 상기 직류/교류 혼합펄스파는 시간에 따라 피크전압으로부터 하강할때에 펄스파형이 위로 볼록인 곡률 성분을 포함할 수 있다.

또한 상기 직류/교류 혼합펄스파는 양의 전압이 인가되는 시간구간 사이에 음의 전압이 인가될 수 있다.

또한 상기 직류펄스파는 양의 전압 및 상기 양의 전압이 인가되는 시간구간이 서로 상이한 2 이상의 직류펄스파가 합성된 직류/직류 혼합펄스파일 수 있다.

또한 상기 직류/교류 혼합펄스파는 단위펄스의 최대전압 또는 평균전압이 펄 스 진행 시간에 따라 변화될 수 있으며, 이러한 펄스 진행 시간에 따른 변화는 정현파 형태이거나 계단 형태일 수 있다.

한편 위와 같은 직류/교류 혼합펄스파는 단위펄스 내 양의 전압이 인가되는 구간 및 양의 전압이 인가되지 않은 구간 중 어느 하나 이상이 펄스 진행 시간에 따라 변화되는 직류/교류 혼합펄스파를 포함한다.

한편, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 제 3 측면은 직류펄스파와 교류펄스파를 합성한 직류/교류 혼합펄스파를 이용하여 알루미늄 부재 표면에 형성한 양극산화막이며, 상기 양극산화막은 두께가 최대 300u㎛ 에 이르고, 상기 양극산화막의 셀의 직경이 50nm 내지 200nm 범위를 가지는 양극산화막을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 전원공급장치를 이용한 경우, 직류펄스파 뿐만 아니라 직류/직류 혼합펄스파 및 직규/교류 혼합펄스파 등 다양한 펄스파를 형성하여 이를 양극산화를 위한 전극에 공급할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 양극산화법에 의하여 형성된 양극산화막은 종래에 일반적으로 형성할 수 있었던 막 두께보다 더 두꺼운 두께를 균일한 막조직을 가진 상태로 형성하는 가능하다.

이러한 막조직의 우수성으로 인하여 본 발명의 양극산화막은 종래의 양극산화막에 비해 경도, 내마모성, 굴곡강도 등의 기계적 특성과 내식성 및 절연성에 있어 탁월한 특성을 보인다. .

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명에 따른 알루미늄 부재의 표면에 양극산화막을 형성하기 위한 장치의 개략도가 도 1에 도시되어 있다. 양극산화장치는 전해액(102)이 채워지는 전해조(100)와 전해액(102) 내부로 침지되는 양극(104) 및 음극(106), 그리고 이 양 전극간에 전원을 공급하는 전원공급장치(108)을 구비한다.

이때 상기 양극은 양극산화막(즉, 알루미늄 산화막)이 형성되는 알루미늄 또는 알루미늄 합금(이하 알루미늄 이라 함)을 사용한다

또한 상기 전원공급장치(108)은 양극 및 음극간에 통상의 직류전압은 물론 펄스 형태의 직류전압인 직류펄스파 또는 직류펄스파와 교류펄스파를 합성하여 형성한 직류/교류 혼합펄스파를 인가함으로써 양극산화막을 형성할 수 있다. 이러한 양극산화에 이용되는 전원공급장치의 일실시예의 구성을 도 2에 도시하였다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전원공급장치은 정류변조부(220), 교류변조부(230), 펄스파합성부(240) 및 제어부(250)를 포함한다.

정류변조부(220)는 교류전원(210)부터 입력되는 교류전압을 정류하여 직류펄스파를 형성하고 상기 직류펄스파의 주기 또는 진폭(즉 전압값)을 변조하여 출력할 수 있다. 이때 정류변조부(220)은 1개의 정류장치로 구성되거나 또는 각각 독립적으로 작동되는 2개 이상의 복수개의 정류장치로 구성될 수 있다. 도 2에는 정류변조부(220)가 제 1 정류장치(222) 및 제 2 정류장치(224)의 2개의 정류장치로 구성된 경우를 예시하고 있다.

교류변조부(230)는 교류전원으로부터 입력되는 교류전압의 주기 또는 진폭을 변조한 교류펄스파를 출력할 수 있다.

펄스파합성부(240)는 정류변조부(220)를 구성하는 하나 이상의 정류장치로부터 변조되어 출력되는 각 직류펄스파를 합성하여 직류/직류 혼합펄스파를 출력하거나 또는 상기 직류펄스파와 교류변조부(230)로부터 출력되는 교류펄스파를 합성하여 직류/교류 혼합펄스파를 출력하는 기능를 수행한다. 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 정류변조부(220)가 제 1 정류장치(222) 및 제 2 정류장치(224)로 이루어진 경우, 상기 제 1 정류장치(222) 및 제 2 정류장치(224)에서 각각 교류에서 직류로 정류된 후 서로 다른 주기 및 진폭으로 변조된 제 1 직류펄스파 및 제 2 직류펄스파와 상기 교류변조부(230)에서 변조되어 출력된 교류펄스파는 모두 펄스파합성부(240)로 입력되어 합성될 수 있다..

제어부(250)은 정류변조부(220) 및 교류변조부(230)와 연결되어 상기 정류변조부(220) 및 교류변조부(230)의 작동을 제어하여, 이로부터 출력되는 펄스파의 특성을 조절할 수 있다.

이때 정류변조부(220)와 교류전원(210) 사이 또는 교류변조부(230)와 교류전원(210) 사이에는 스위치를 더 구비할 수 있으며, 상기 제어부(250)은 상기 스위치 의 온/오프를 제어하는 기능을 더 수행할 수 있다. 이러한 스위치를 제어함으로써 펄스파합성부(240)로의 직류펄스파 및 교류펄스파 출력을 제어할 수 있다. 예를 들어 도 2에서와 같이 제 1 정류장치(222), 제 2 정류장치(224) 및 교류변조부(230)와 교류전원(210)의 사이에 각각 제 1 스위치(260a), 제2 스위치(260b), 제3스위치(260c)를 배치시켜 제어함으로써 펄스파합성부(240)로 출력되는 펄스의 형태를 제어할 수 있다. 만약 제 1 스위치(260a)만을 온(on)상태에 두고 나머지 스위치들을 오프(off) 상태에 두면 하나의 직류펄스파가 펄스파합성부(240)를 통해 양 전극에 공급된다. 그러나 만약, 예를 들어, 제 1 스위치(260a) 및 제 2 스위치(260b)를 온(on) 상태에 두고, 제 3 스위치(260c)를 오프(off) 상태에 두면, 펄스파합성부(240)로는 두 개의 직류펄스파가 입력되고 직류/직류 혼합펄스파로 합성되어 출력되게 된다. 또한 상기 제 1 스위치(260a) 또는 제 2 스위치(260b) 중 어느 하나 이상과 제 3 스위치(260c)를 온 상태로 두면, 펄스파합성부(240)로는 직류펄스파와 교류펄스파가 입력되고 직류/교류 혼합펄스파로 합성되어 출력되게 된다.

이러한 스위치는 정류변조부(220)와 펄스파합성부(240) 사이 또는 교류변조부(230)와 펄스파합성부(240) 사이에 구비될 수 있으며, 그 작용 및 효과는 상술한 바와 같다.

이러한 합성펄스파의 형태는 입력되는 직류펄스파 또는 교류펄스파의 형태에 의존하게 되며 따라서 제어부(250)는 정류변조부(220) 및 교류변조부(230)에서 각각 출력되는 직류펄스파 및 교류펄스파의 형태를 조절하고 제어함으로써 펄스파합성부(240)에서 목적하는 공급전원의 형태를 결정할 수 있다.

도 3a 내지 도 3c에는 제 1 정류장치(222) 또는 제 2 정류장치(224) 각각에서 출력 가능한 1단 직류펄스파로서 1단 일정부하 펄스파, 1단 일정부하 가변주파수 펄스파 및 1단 가변부하 가변주파수 펄스파가 각각 도시되어 있다.

이러한 직류펄스파는 작업사이클을 이용하여 펄스파의 특성을 나타낼 수 있다. 작업사이클은 도 3a에 도시한바와 같이, 양극산화를 위한 전압(즉, 양의 전압)이 인가되는 시간 Ton 및 양극산화를 위한 전압이 인가되지 않은 시간 Toff의 비율로 나타낼 수 있으며 아래 식과 같이 표현한다.

작업 사이클(%) = [Ton /( Ton + Toff)] × 100

도 3a의 1단 일정부하 펄스파는 일정한 펄스주기를 가지고 Ton 구간 동안 인가되는 전압이 하나의 값으로 일정하게 유지되는 펄스파이다.

이러한 일정부하 펄스파의 작업사이클의 Ton과 Toff의 비를 변화시킴으로서 펄스파의 특성을 변화시킬 수 있다.

도 3b에 예시되어 있는 1단 일정부하 가변주파수 펄스파는 일주기 동안의 펄스 즉, 단위펄스 내에서 Ton 구간이 일정하게 유지된다는 점에서는 1단 일정부하 펄스파와 동일하나, 펄스파가 진행되는 동안 Toff 구간이 변화된다.

1단 가변부하 가변주파수 펄스파는 펄스파의 진행에 따라 단위펄스 내에서 Ton 구간이 변화되거나 또는 Ton 구간 및 Toff 구간이 같이 변화되는 형태의 펄스파로서 도 3c에 는 Ton 및 Toff 구간이 동시에 변화되는 형태의 펄스파가 예시되어 있다.

한편, 제 1 정류장치(222) 및 제 2 정류장치(224)에서 출력되는 직류펄스파가 합성되어 형성되는 직류/직류 혼합펄스파로서, 2단 일정부하 펄스파, 2단 일정부하 가변주파수 펄스파 및 2단 가변부하 가변주파수 펄스파를 합성할 수 있다.

도 4에는 2단 일정부하 펄스파가 도시되어 있는바, 2단 일정부하 펄스파는 단위주기가 일정하며, 단위주기 내 Ton 구간 내에 2개의 상이한 전압값이 유지되는 구간이 존재한다. 즉, Ton 구간은 상대적으로 높은 값을 가지는 제 1 전압이 유지되는 구간 T_H와 상대적으로 낮은 값을 가지는 제 2 전압이 유지되는 구간 T_L으로 이루어지며, 모든 단위펄스에서의 T_H 및 T_L은 모두 동일하다.

상기 2단 일정부하 펄스파는 상기 제 1 정류장치(222)와 제 2 정류장치(224)로부터 각각 별개의 직류펄스파를 펄스파합성부(240)에서 합성하여 얻을 수 있다. 예를 들어, 제 1 정류장치(222)는 출력전압이 상대적으로 높고 Ton 구간이 상대적으로 짧은 제 1 직류펄스파를 출력하고 제 2 정류장치(224)는 출력전압이 상대적으로 낮고 Ton 구간이 상대적으로 긴 제 2 직류펄스파를 출력하여 이를 펄스파합성부(240)에서 합성하게 되면 도 4에서와 같은 2단 일정부하 펄스파가 형성된다.

상술한 것과 같은 원리로 2단 일정부하 가변주파수 펄스파 또는 2단 가변부하 가변주파수 펄스파를 형성하는 것도 역시 가능하다. 예를 들어, 2단 일정부하 가변주파수의 경우, 제 1 정류장치(222) 및 제 2 정류장치(224)에서 출력되는 제 1 직류펄스파 및 제 2 직류펄스파의 Ton은 일정하게 유지한 상태에서 펄스 진행에 따른 Toff의 변화를 서로 동일하게 일치시킴으로서 2단 일정부하 가변 주파수 펄스를 얻을 수 있으며, 여기에 Ton의 변화까지 부여하게 되면 2단 가변부하 가변주파수 펄스파를 얻을 수 있다.

또한 본 실시예의 전원공급장치는 교류변조부(230)을 통해 출력되는 교류펄스을 제 1 정류장치(222) 또는 제 2 정류장치(224) 중 어느 하나 이상의 직류펄스파와 합성한 직류/교류 혼합펄스파를 형성하여 출력할 수 있다. 도 5에는 본 실시예의 출력할 수 있는 직류/교류 혼합펄스파의 예가 도시되어 있다. 이러한 직류/교류 혼합펄스파는 단위펄스 내의 Ton 주기 동안 교류펄스파에 의한 피크전압를 가지는 것을 특징으로 한다. 이때 피크전압은 단위펄스 내에서 가장 높은 전압값으로 그 전 또는 후의 전압값은 상대적으로 낮은 전압값을 보이게 된다.

도 5a는 1단 직류/교류 혼합펄스파로서 1단 일정부하 펄스파에 시간에 따라 전압값이 변화하는 교류펄스파 성분이 혼합된 형태로서 단위펄스의 Ton 구간 내에 피크전압이 형성된다. 이때 상기 피크전압은 펄스의 Ton 구간의 시작점에 존재하는 것이 바람직하다. 이때 시간에 따라 피크전압으로부터 하강할 때에 펄스파형이 위로 볼록인 곡률 성분을 포함할 수 있다. 또한 도 5에 도시된 것과 같이 직류/교류 혼합펄스파는 Ton 구간의 종료점과 다음 Ton 구간의 시작점 사이(즉 도 5의 Toff 구간)에 음의 전압값을 가지는 펄스가 형성될 수 있다.

도 5b에는 제 1 정류장치(222) 및 제 2 정류장치(224)의 합성을 통해 형성한 2단 일정부하 펄스파에 교류변조부(230)를 통해 출력된 교류펄스파를 합성한 2단 직류/교류 혼합펄스파가 나타나 있다. 이러한 2단 직류/교류 혼합펄스파의 형성원리도 상술한 1단 직류/교류 혼합펄스파와 동일하다.

또한 상술한 것과 같은 원리로 일정부하 가변주파수 펄스파 및 가변부하 가변주파수 펄스파에 상기 교류펄스파를 합성한 일정부하 가변주파수 직류/교류 혼합펄스파 및 가변부하 가변주파수 직류/교류 혼합펄스파를 합성할 수 있다. 그 일실시예로서 도 6a 및 도 6b에는 1단 가변부하 가변주파수 직류/교류 혼합펄스파와 2단 가변부하 가변주파수 직류/교류 혼합펄스파가 각각 도시되어 있다.

이상과 같은 직류/교류 혼합펄스파는 각 단위펄스의 최대전압 또는 평균전압(한 주기내의 최대전압과 최저전압의 평균값)이 일정하게 유지되는 경우에 해당되었으나, 펄스파의 진행에 따라 단위펄스의 최대전압 또는 평균전압이 변화되는 형태도 형성가능 하다. 일예로서 도 7에는 2단 가변부하 가변주파수 직류/교류 혼합펄스파로서 펄스파의 진행에 따라 단위펄스의 최대전압이 변화되는 형태가 도시되어 있는바, 최대전압의 변화가 정현파 형태를 나타내는 직류/교류 혼합펄스파를 도시하였다.

또한 양극산화를 진행하는 과정에서도 펄스파 진행 시간에 따라 최대전압 또는 평균전압이 계단식으로 변화될 수 있다. 즉, 펄스파인 양극 및 음극간에 인가함에 초기전압에서 기 설정된 전압까지 승압하는 단계와 상기 전압에서 일정시간 유지하는 단계를 계속 반복함으로써 양극산화를 수행할 수 있다.

위와 같은 방법으로 다양한 직류펄스파, 직류/직류 혼합펄스파 및 직류/교류 혼합펄스파가 가능하며, 이러한 펄스를 이용하여 보다 다양한 물성을 가지는 양 극산화막을 형성할 수 있다. 본 발명의 전압공급장치를 통해 합성된 직류/교류 혼합펄스파를 이용하여 알루미늄 부재의 표면상에 형성한 양극산화막은 그 기계적, 화학적 특성이 종래의 직류전원이나 직류펄스파를 이용하여 형성한 양극산화막에 비해 현저하게 향상된다. 특히, 피크전압을 펄스의 시작점에 가지는 직류/교류 혼합펄스파를 이용하여 양극산화를 진행하는 경우, 300㎛에 달하는 두께를 가지면서도 매우 균일한 조직을 가진 양극산화막을 형성할 수 있었으며, 이러한 양극산화막은 경도나 내마모성과 같은 기계적 특성에 있어서도 종래에 얻을 수 없었던 탁월한 성능을 나타낼뿐만 아니라 내식성에 있어서도 현저하게 증가하게 된다.

아래에는 본 발명에 따른 일실시예로서, 직류/교류 혼합펄스파를 이용한 양극산화법에 의해 형성된 양극산화막의 각종 특성 테스트의 결과가 나타나 있다.

실시예

도 2에 도시된 전원공급장치를 이용하여 합성한 직류/교류 혼합펄스파를 이용하여 양극산화를 수행하였으며, 이때 전원공급장치는 서랍형으로 컴팩트하게 구성된 것이었다. 전원공급장치 중 제 1 정류장치(222) 및 제 2 정류장치(224)는 600 kHz FET(field effect transistor) 및 정전용량이 1500 uF 이고 정격전압이 400V인 커패시터를 내장한 것이었다. 이때 제 1 정류장치(222) 및 제 2 정류장치(224) 각각은 발열량을 고려하여 동일한 장치를 2개가 하나의 세트로서 구성되게 하였다.양극산화에 이용된 직류/교류 혼합펄스파는 도 6b에 도시된 2단 가변부하 가변주파수 직류/교류 혼합펄스파로서 각 단위펄스는 시작점에 피크전압이 나타난 후 위로 볼록인 곡귤을 가지고 하강하며, Ton 구간의 종료점과 다음 Ton 구간의 시작점 사 이에는 음의 전압값이 나타나는 파형을 나타내었다.

이때 기저전압(즉 단위펄스의 최저 전압)은 -0.5V 였고, 피크전압은 최대 40V 까지 가능하였으며, 실제 실험에 위해 인가된 제 1 전압 및 제 2 전압은 각각 10V 및 5V 였다. 또한 단위펄스의 주기는 10msec의 초단파로부터 10sec에 이르는 범위에서 조절하였다.

전해액은 반응촉진을 위한 황산용액의 농도는 3 내지 10% 범위를 가지며, 본 실험에 사용된 황산용액의 농도는 5 내지 6%로 하였다. 또한 목초액은 3.0% 이내의 범위로 첨가할 수 있으며, 본 실험에서는 1.0%를 첨가하였다. 또한 반응시간 동안의 전해조의 온도는 -2℃로 유지하였다.

직류/교류 혼합펄스파의 제어는 다음과 같이 수행하였다. 양극산화의 대상물인 알루미늄을 양극으로 한 후 양극와 음극간에 초기 전압으로 설정한 0V에서 서서히 5V까지 상승시킨 후(제 1 단계) 약 5분을 유지하였다(제 2 단계). 이후 10 V 까지 상승 시킨 후(제 3 단계) 필요한 두께의 양극산화막을 얻을 때까지 동일한 전압을 유지하였다(제 4 단계). 이러한 4 단계에 걸쳐 양극산화공정을 수행함에 따라 종래의 15V 내지 40V로 유지하는 양극산화공정에 비해 전력소모가 적은 반면, 적층된 양극산화막은 조직이 매우 치밀하였으며 고경도, 고내마모, 고내식성을 얻을 수 있었다.

본 실시예에 따라 양극산화막은 20㎛에서 최대 300㎛ 까지의 두께까지 형성하였으며, 이와같이 형성된 양극산화막은 모두 알루미늄과 양극산화막의 계면에서부터 양극산화막 표면에 이르기까지의 단면 조직이 균일한 셀 조직으로 구성되어 있었다. 이러한 두께 범위에서의 균일한 조직은 종래의 양극산화법에서는 용이하기 구현하기 어려운 것이었다. 도 8에는 일예로서 220㎛의 두께를 가진 양극산화막의 단면을 전자현미경으로 관찰한 결과가 나타나 있다. 또한 도 9에는 상기 양극산화막의 미세구조를 관찰한 결과가 나타나 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 양극산화막은 규칙적인 셀구조를 나타내었으며, 이때 셀의 직경은 50nm - 100nm의 범위에 이르렀으며, 따라서 세장비(직경/길이)는 최대 50/300,000으로써 1/6000에 이르렀다. 도 9에는 셀의 직경이 약 50nm인 부분과 80nm인 부분에 대한 전자현미경 사진이 나타나 있다. 이로부터 본 발명의 양극산화법에 의할 시 치밀하고 균일한 셀 직경을 유지하면서 연속적으로 성장된 양극산화막을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이러한 본 발명에 따른 양극산화막의 미세조직 특징은 본 실시예를 통해 성장한 모든 두께의 양극산화막에서 공통적으로 나타났다. 이와 같이 균일한 미세조직을 가지면서 약 300㎛ 에 이르는 두께를 나타내는 양극산화막은 종래의 양극산화법에서는 구현할 수 없는 것이었으며, 이러한 본 발명에 따른 양극산화막은 탁월한 미세조직에 기인하여 매우 우수한 기계적, 전기적, 화학적 특성을 나타내었다.

표 1에는 본 실시예에 따라 형성된 양극산화막의 알루미늄의 종류 및 양극산화막의 두께에 따른 록웰 경도(HRC,KS B 0806 : 2000) 및 비커스 경도(Hv)의 결과가 나타나 있으며, 비교예로서 일반 산업현장에서 구조재로 쓰이고 있는 SUS 316 스테인레스와 티타늄 의 경도로 같이 나타내었다. 표 1에서 알 수 있듯이 양극산화막을 형성하지 않은 Al 6061 알루미늄 부재의 경우 티타늄 및 SUS 316 스테인레스에 비해 현저하게 낮은 경도값을 보였으나 양극산화막이 20㎛ - 60㎛의 범위로 형성되는 경우 록웰 경도가 57-59의 범위(비커스 경도의 경우 636-675의 범위)로 월등하게 우수한 값을 나타내었다. 이는 티타늄 및 SUS 316 스테인레스에 비해서도 현저하게 높은 값이었다. 특히 Al 5058 알루미늄 부재에 양극산화막을 성장시킨 경우에는 록웰 경도가 70(비커스 경도 1030)에 이르는 매우 우수한 경도 결과를 얻을 수 있었다.

소재 및 양극산화막두께	HRC	Hv
Al 5058-25㎛적층	70	1030
Al 6061-30㎛적층	57	636
Al 6061-40㎛적층	59	675
Al 6061-50㎛적층	58	655
Al 6061-60㎛적층	59	675
Al 6061-0㎛적층	0	90
티타늄	32	317
SUS 316	0	155

표 2에는 본 발명의 실시예에 의해 양극산화막이 형성된 알루미늄 부재의 3개월 염수 분무 시험(KS D 9502 : 2007) 을 수행한 결과를 나타내었다. 시험에 사용된 시험용액은 5±1% 염화나트륨(PH 6.8±0.3) 이었으며, 시험온도는 35±2℃로 유지하였으며, 분무량은 2±0.5ml/h/80cm2 이었다. 표 2에 도시되어 있듯이 모든 시편들이 3개월의 염수 환경에서도 표면에 어떠한 부풀음이나 녹발생과 같은 부식이 진행되지 않았음을 알 수 있었으며, 이로부터 본 발명에 따른 양극산화막이 형성된 알루미늄 부재는 내식성이 현저하게 향상된 것을 확인 할 수 있었다.

시편	양극산화막 두께	시험결과
시편 1	46-48㎛	부풀음 및 녹발생 없음
시편 2	93-95㎛	부풀음 및 녹발생 없음
시편 3	155-165㎛	부풀음 및 녹발생 없음

한편 표 3에는 현재 내식성 재료로 사용되고 있는 금속들의 내식성 데이터를 참고문헌(서명 : Corrosion resistance tables : metals, plastics, nonmetallics, and rubbers, 저자 : Schweitzer, Philip A, 출판사 : M. Dekker, 출판년도 : 1985)으로부터 인용하여 본 발명에 따라 양극산화막을 형성한 알루미늄 부재와 해수 내식성을 간접비교한 것으로서, 본 자료로 미루어 보아 본 기술을 적용한 제품은 해수 내식성이 매우 우수하다는 것을 알 수 있다.

	Ti	SUS 316	Al 6061	Al(40㎛)	Al(70㎛)	Al(100㎛)
내식성 (해수,㎜/year)	0.05	0.50	0.70	0.00	0.00	0.00

표 4에는 본 발명에 따른 양극산화막이 형성된 알루미늄 부재의 내마모성 시험 결과를 나타낸 것이다. 이때 내마모 시험은 미국의 ASTM D 3884 : 1992 의 마모강도시험법에 따라 수행되었다. 표 4에서 알 수 있듯이 양극산화막이 형성된 알루미늄 부재의 경우에 양극산화막이 형성되지 않은 알루미늄 부재와 비교하여 현저하게 월등한 내마모 특성을 나타내었으며, 40㎛ 코팅하였을 경우 코팅 없는 알루미늄에 비하여 평균 약 60배 이상의 내마모성이 향상됨을 알 수 있다.

구분	1번(㎎)	2번(㎎)	3번(㎎)	평균
Al-0㎛코팅	132	125	133	130.0
Al-20㎛코팅	23	19	14	18.7
Al-30㎛코팅	3	4	7	4.7
Al-40㎛코팅	1	3	3	2.3

표 5에는 본 발명에 따른 양극산화막이 형성된 알루미늄 부재의 열전도 시험의 결과가 나타나 있다. 이때 열전도 시험은 플래시(Laser Flash) 법으로 수행하였다. 양극산화막이 없는 경우는 열전도계수 k값이 153.4(W/mK)이며, 양극산화막의 두께가 20㎛인 경우는 150.7(W/mK), 40㎛인 경우는 149.7(W/mK)로서 양극산화막을 적층하더라도 열전도계수의 저하는 약 3%이내에 불과함을 알 수 있다. 이러한 값은 해수를 이용하는 열교환장치용으로 적용되는 티타늄, 스테인레스에 비하여 매우 높은 열전도계수를 나타냄을 알 수 있다.

	Ti	SUS 316	Al 6061	Al(40㎛)	Al(70㎛)	Al(100㎛)
열전달계수(W/mK)	17	16	154	150	147	145

표 6에는 본 발명에 따른 양극산화막이 형성된 알루미늄 부재의 전기절연특성을 나타내었다. 전기절연시험은 φ25mm 전극을 시료에 설치하고 2,000V의 전압을 1분간 인가한 후 절연파괴 여부를 조사하는 방식으로 진행되었다. 시험결과 모든 시험 조건에서 절연파괴는 나타나지 않았다. 따라서 본 발명에 따른 양극산화막은 그 절연성도 매우 뛰어남을 알 수 있었다.

구분	결과
Al-30㎛코팅	절연파괴 없음
Al-40㎛코팅	절연파괴 없음

표 7에는 본 발명에 따른 양극산화막이 형성된 알루미늄 부재의 굴곡강도특성을 나타내었다. 굴곡강도시험은 미국의 ASTM D 790 : 2003 의 굴곡강도방법에 따라 수행되었으며, 시험기는 C.R.E 타입이었고 시험속도는 2mm/min 였다. 표 7에 나타나 있듯이 양극산화막이 코팅된 알루미늄 부재가 양극산화막이 없는 알루미늄 부재에 비해 더 양호한 굴곡강도 값을 나타내었음을 알 수 있다.

구분	결과
양극산화막 없음	1140.1
Al-20㎛코팅	1298.1

이상과 같은 일련의 테스트 결과로부터 모두 본 발명에 따른 양극산화막이 형성된 알루미늄 부재가 우수한 표면특성을 나타내었으며, 이는 종래의 양극산화법에 의해 형성된 양극산화막에서는 구현될 수 없는 특성이었다. 이로부터 본 발명에 의할 시 종래의 양극산화막에 비해 월등하게 우수한 성능을 가진 양극산화막을 형성할 수 있음을 알 수 있다.

이상 언급한 실시예는 본 발명을 한정하는 것이 아니라 예증하는 것이며, 이 분야의 당업자라면 첨부한 청구항에 의해 정의된 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일 없이, 많은 다른 실시예를 설계할 수 있다. 또한 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하며, 이러한 변형된 실시 예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 양극산화장치를 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 다른 양극산화용 전원공급장치를 도시한 것이다.

도 3a 내지 도 3c는 각각 본 발명에 따른 1단 일정부하 펄스파, 1단 일정부하 가변주파수 펄스파 및 1단 가변부하 가변주파수 펄스파를 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 2단 일정부하 펄스파를 나타낸 것이다.

도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 따른 1단 일정부하 직류/교류 혼합펄스파 및 2단 일정부하 직류/교류 혼합펄스파를 나타낸 것이다.

도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명에 따른 1단 가변부하 가변주파수 직류/교류 혼합펄스파 및 2단 가변부하 가변주파수 직류/교류 혼합펄스파를 나타낸 것이다.

도 7은 펄스 내 최대전압이 펄스 진행 시간에 따라 정현파 형태를 보이는 직류/교류 혼합펄스파를 나타낸 것이다.

도 8은 본 발명의 양극산화법에 의해 형성한 양극산화막의 단면을 전자현미경으로 관찰한 사진이다.

도 9는 본 발명의 양극산화법에 의해 형성한 양극산화막의 구조를 전자현미경으로 관찰한 사진이다.

<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명>

210 : 교류전원 220 : 정류변조부

222 : 제 1 정류장치 224 : 제 2 정류장치

230 : 교류변조부 240 : 펄스파합성부

250 : 제어부 260a, 260b, 260c : 스위치

Claims (14)

1. 양극산화를 위해 양극과 음극 간에 전압을 공급하는 전압공급장치로서,

   교류전원로부터 입력되는 교류전압을 직류펄스파로 정류할 수 있고, 상기 직류펄스파의 주기 또는 진폭을 변조하여 출력할 수 있는 정류변조부와

   상기 교류전원로부터 입력되는 교류전압의 주기 또는 진폭을 변조한 교류펄스파를 출력할 수 있는 교류변조부와

   상기 정류변조부로부터의 직류펄스파 또는 상기 교류변조부로부터의 교류펄스파 중 어느 하나 이상을 입력받아 합성하여 직류/직류 혼합펄스파 또는 직류/교류 혼합펄스파로 출력하여 상기 양극 및 음극 간에 인가하는 펄스파합성부 및

   상기 정류변조부 및 상기 교류변조의 작동을 제어하는 제어부

   를 포함하는 양극산화용 전원공급장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 정류변조부와 상기 교류전원 사이 또는 상기 교류변조부와 상기 교류전원 사이에 스위치를 더 구비하고, 상기 스위치는 상기 제어부에 의해 제어되는 양극산화용 전원공급장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 정류변조부와 상기 펄스파합성부 사이 또는 상기 교류변조부와 상기 펄스합성부 사이에 스위치를 더 구비하고, 상기 스위치는 상기 제어부에 의해 제어되는 양극산화용 전원공급장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 정류변조부는 600 kHz FET(field effect transistor) 및 정전용량이 1500 uF 이고 정격전압이 400V인 커패시터를 내장한 것인 양극산화용 전원공급장치.
5. 제 1 항 내지 제 4항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 정류변조부는 각각 독립적으로 작동되는 2개 이상의 정류장치를 포함하는 양극산화용 전원공급장치.
6. 전해액 내에서 알루미늄 부재의 표면에 양극산화막을 형성하는 양극산화법으로서,

   양극 및 음극 간에 직류펄스파와 교류펄스파를 합성한 직류/교류 혼합펄스파 를 인가하여 양극산화를 수행하며,

   상기 직류/교류 혼합펄스파는 단위펄스의 시작점에서 피크전압이 나타나는 것을 특징으로 하는 양극산화법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 직류/교류 혼합펄스파는 시간에 따라 피크전압으로부터 하강할 때에 펄스파형이 위로 볼록인 곡률 성분을 포함하는 양극산화법.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 직류/교류 혼합펄스파는 양의 전압이 인가되는 구간 사이에 음의 전압이 인가되는 양극산화법.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 직류펄스파는 상기 양의 전압이 인가되는 시간이 서로 상이한 2 이상의 직류펄스파가 합성된 직류/직류 혼합펄스파인 양극산화법.
10. 제 6 항에 있어서,

    상기 직류/교류 혼합펄스파는 단위펄스의 최대전압 또는 평균전압이 펄스 진행 시간에 따라 변화되는 직류/교류 혼합펄스파인 양극산화법.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 직류/교류 혼합펄스파는 단위펄스의 최대전압 또는 평균전압이 펄스 진행 시간에 따라 정현파 형태를 나타내는 직류/교류 혼합펄스파인 양극산화법.
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 단위펄스의 최대전압 또는 평균전압의 펄스 진행 시간에 따른 변화는

    초기전압에서 기 설정된 제 1 전압까지 승압하는 단계와

    상기 제 1 전압에서 일정시간 유지하는 단계와

    상기 제 1 전압보다 더 높은 제 2 전압까지 승압하는 단계와

    상기 제 2 전압에서 일정시간 유지하는 단계

    를 포함하는 양극산화법.
13. 제 6 항 내지 제 12 항 중 어느 하나의 항에 있어서,

    상기 직류/교류 혼합펄스파는 단위펄스 내 양의 전압이 인가되는 구간 및 양의 전압이 인가되지 않은 구간 중 어느 하나 이상이 펄스 진행 시간에 따라 변화되는 양극산화법.
14. 직류펄스파와 교류펄스파를 합성한 직류/교류 혼합펄스파를 이용하여 알루미늄 또는 알루미늄 합금에 형성한 양극산화막이며,

    상기 양극산화막은 두께가 300㎛ 이하이고(O 제외)

    상기 양극산화막의 셀의 직경이 50nm 내지 200nm 범위를 가지는

    양극산화막.

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