KR20110036233A - 고전계 양극산화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속의 표면에 나노구조체를 형성하기 위한 고전계 양극산화장치에 관한 것으로서, 전해액 내에 금속 양극과 상대전극을 침지하고 금속을 전기화학적으로 산화시켜 표면에 나노구조체를 형성하는 양극산화장치에 있어서, 전해액 중의 금속 양극과 상대전극 사이에 일정 패턴의 전압을 인가하는 전원공급수단과; 상기 전극 및 전해액의 온도가 일정하게 유지되도록 하는 온도제어수단과; 상기 전원공급수단에 의해 공급된 전압에 의해 발생하는 전류를 측정하고 전류치에 따라 전해질의 농도를 조절함으로써 전류를 일정 수준으로 유지하는 반응속도조절수단;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고전계 양극산화장치를 기술적 요지로 한다. 이에 따라, 본 발명은 고전계 양극산화에 의해 발생할 수 있는 금속의 급속한 용해나 산화막의 절연파괴에 의한 나노구조체의 파손을 예방할 수 있을 뿐만 아니라 나노구조체의 성장속도를 제어할 수 있도록 함으로써 나노구조체의 생산성을 크게 향상시키는 이점이 있다.
고전계 양극산화 나노구조체 반응온도 반응속도 산화막

Description

고전계 양극산화장치{apparatus for high-field fabrication of anodic nanostructures}
본 발명은 금속의 표면에 나노구조체를 형성하기 위한 고전계 양극산화장치에 관한 것으로서, 양극산화 반응온도와 반응속도의 제어를 통해 나노구조체의 파손을 예방하고 성장속도를 제어할 수 있는 고전계 양극산화장치에 관한 것이다.
양극산화법은 금속의 표면처리 기술의 하나로 금속 표면에 산화막을 형성하여 부식을 예방하거나 금속 표면을 채색하기 위해 널리 사용되어 왔으나, 최근에는 나노점, 나노선, 나노튜브, 나노막대 등과 같은 나노구조체를 직접 형성시키거나, 나노구조체 형성을 위한 형틀을 제조하는 방법으로 크게 활용되고 있다.
이러한, 양극산화에 의해 나노구조체를 형성할 수 있는 금속으로는 Al, Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, W 등이 알려져 있으며, 이 중 알루미늄 양극산화 막은 제조가 용이하고 불소 이온을 사용하는 다른 금속과는 달리 전해질 취급이 비교적 안전하며, 나노기공과 두께 제어가 쉬워 나노기술 연구에 많이 활용되어 왔다.
알루미늄은 황산, 옥살산 또는 인산과 같은 전해질을 포함하는 수용액에서 전기화학적으로 양극화시키면 표면에 두꺼운 양극산화막이 형성되는데, 이 막은 규 칙적인 간격을 갖는 기공이 외부표면에서부터 내부 금속 방향으로 성장한 다공층(porous layer)과 알루미늄/알루미늄 산화물의 경계에서 알루미늄의 산화와 산화막의 유동(J. E. Houser, et al., Nat Mater. 8, 415-420 (2009))으로 연속적인 기공이 형성되는 경계층(barrier layer)으로 구성된다.
이러한 다공층과 경계층의 구조, 즉 기공간 간격(Dint), 기공크기 및 경계층 두께 등은 전해질의 종류나 온도에 대해서는 대체로 무관하며 인가된 전압에 따라 지배적으로 결정됨이 알려져 있다.
알루미늄의 양극산화에는 비교적 낮은 전압에서 시간당 수 ㎛ 정도의 낮은 막 성장속도를 갖는 연질 양극산화(mild anodization)와, 비교적 높은 전압에서 시간당 수십 ㎛의 막 성장속도를 갖는 경질 양극산화(hard anodization)가 알려져 있는데, 본 발명에서 정의하는 고전계 양극산화(high-feild anodization)는 전통적인 알루미늄 표면처리 산업에서의 경질 양극산화와는 달리, 높은 전압에서 고속으로 기공의 성장과 배열이 일어나는 양극산화의 특정 조건으로 정의할 수 있다. 나노구조체의 형성과 관련하여 중요한 특징의 하나인 자기정렬(self-ordering)이 일어나는 대표적인 연질 양극산화와 고전계 양극산화는 표 1과 같이 알려져 있다.
[표 1] 자기정렬이 일어나는 연질 양극산화 및 고전계 양극산화 조건
구분 연질 양극산화 고전계 양극산화
전압 기공간격 전압 기공간격
전해질 황산 19~25V1) 50~65 nm 40~80 V4),5) 90~140 nm
옥살산 40V2) 100~110 nm 110~150 V6),7) 220~300 nm
인산 160~195V3) 405~500 nm -
막성장속도 2~6 ㎛/h 30~70 ㎛/h
전류밀도 2~5 mA/cm2 (일정) 30~250 mA/cm2 (시간에 따라 감소)
1) H. Masuda, et al., J. Electrochem. Soc. 144, L127-L130 (1997).
2) H. Masuda, et al., Science 268, 1466-1468 (1995).
3) H. Masuda, et al.,. Jpn. J. Appl. Phys. 37, L1340-L1342 (1998).
4) S. Chu, et al., Adv. Mater. 17, 2115-2119 (2005).
5) K Schwirn, et al., ACS nano 2, 302-310 (2008).
6) W. Lee, et al., Nat. Mater. 5, 741-747 (2006).
7) W. Lee, et al., European patent application EP 1884578A1, filed Jul. 31, 2006.
알루미늄 나노구조체에서 가장 중요한 인자인 기공간 간격(interpore distance, Dint)은 연질 양극산화에서는 약 2.5nm/V, 고전계 양극산화에서는 약 2.0nm/V로 알려져 있다. 나노구조체의 생산속도와 관련된 산화막 성장속도에 있어서 연질 양극산화의 경우 전류밀도가 일정하게 낮은 값(수 mA/cm2)을 나타내므로 금속/산화막 계면에서의 급격한 온도상승이 없어 일반적인 이중자켓 셀과 같은 간단한 냉각수단만으로도 막의 절연 파괴를 방지할 수 있으나, 고전계 양극산화의 경우 초기 전류밀도가 매우 크고(수백 mA/cm2) 전극의 온도가 급격히 상승하므로 냉각을 위해 큰 전해조를 이용하거나(S. Chu, et al., Adv. Mater. 17, 2115-2119 (2005)) 알루미늄 하부에 냉각판을 취부하는 추가적인 수단(W. Lee, et al., Nat. Mater. 5, 741-747 (2006))을 사용하여야 한다. 또한 고전계 양극산화를 위해 높은 전압(~700V)을 인가할 경우 절연파괴를 방지하기 위해서는 일반적으로 사용되는 0.1~0.5 몰보다 훨씬 낮은 농도의 전해질을 사용하는 방법도 알려져 있다(C. A. Grims, et al., US Patent Application 20030047505A1, filed Sep. 13, 2002).
일반적으로 알루미늄 양극산화막의 기공 정렬성을 향상시키기 위해 2단계 양극산화법(H. Masuda, et al., Science 268, 1466-1468 (1995))을 사용할 수 있는데, 연질 양극산화에서는 산화막의 성장이 느리므로 1단계에서 형성된 산화막을 제거하고 2단계 산화를 거쳐 취급이 용이한 양극산화에의 멤브레인을 제조하기 위해서는 하루 이상의 시간이 소요되는 반면, 고전계 양극산화에서는 초기 전류가 커서 수십 분 이내에 기공의 정렬이 이루어지므로 기공의 정렬이 우수한 나노멤브레인을 얻는 데 있어서도 우수한 방법이다.
이렇게 성장된 양극산화막을 멤브레인으로 제조하기 위해서는 잔존하는 알루미늄과 경계층을 제거해야 하는데, 크게 전기화학적 방법과 화학적 방법이 활용되고 있다. 먼저 전기화학적 방법에서는 전압전감법(voltage reduction), 전류전감법(current reduction), 전기화학적 환원법을 이용해 경계층을 제거한 후 알루미늄을 선택적으로 녹여내는 방법과 펄스분리법(pulse detachment)으로 알루미늄에서 산화막을 분리한 후 경계층을 적절히 녹여내는 방법이 있으며, 화학적 방법에서는 알루미늄을 선택적으로 용해한 후 경계층을 녹여내는 방법이 알려져 있다. 또한, 경계층을 화학적으로 분리하는 과정을 적절히 활용하여 멤브레인의 기공 크기를 크게 할 수 있으며, 화학적, 물리적 방법을 통해 기공벽에 적절한 코팅막을 입혀 기공 크기를 줄일 수도 있다.
이와 같이 기공간 간격 및 기공 크기의 조절이 용이하고 그 형태가 균일한 나노기공을 갖는 나노구조체의 응용이 폭발적으로 증가하고 있는데 반해 대부분 실험실 수준에서 연질 양극산화한 막을 기초 연구에 활용하고 있는 수준이고, 고속생산 또는 양산을 위한 고전계 양극산화용 공정 및 장치의 개발은 미흡한 실정이다. 고전계 양극산화를 이용하여 기공 정렬성이 뛰어난 나노구조체를 제조하기 위해서는 반응 계면의 온도를 일정하게 유지하는 것과 더불어 전해질의 농도를 낮게 시작하는 것이 필요한데, 이럴 경우 반응속도가 현저하게 느려 충분한 성장속도를 얻지 못하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명에서는 나노구조체의 고속생산에서 가장 큰 문제점이 되고 있는 산화막의 절연파괴와 생산속도의 저하 문제를 온도와 반응속도의 제어를 통해 나노구조체의 파손을 예방하고 성장속도를 제어할 수 있는 고전계 양극산화장치의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 전해액 내에 금속 양극과 상대전극을 침지하고 금속을 전기화학적으로 산화시켜 표면에 나노구조체를 형성하는 양극산화장치에 있어서, 전해액 중의 금속 양극과 상대전극 사이에 일정 패턴의 전압을 인가하는 전원공급수단과; 상기 전극 및 전해액의 온도가 일정하게 유지되도록 하는 온도제어수단과; 상기 전원공급수단에 의해 공급된 전압에 의해 발생하는 전류를 측정하고 전류치에 따라 전해질의 농도를 조절함으로써 전류를 일정 수준으로 유지하는 반응속도조절수단;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고전계 양극산화장치를 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 양극산화될 금속 양극 재료로는, Al, Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, W 및 이들의 합금 중의 어느 하나로 필요에 따라 열처리, 전해연마 또는 화학연마의 전처리가 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상대전극은 튜브 형상으로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 튜브 형상으로 형성된 상대전극 내부에 냉각수가 흐르도록 하여 전해액을 냉각할 수 있 도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전원공급수단은 직류, 교류, 펄스 및 바이어스 중 어느 하나의 전압 또는 이들을 조합하여 상기 금속 양극과 상대전극 사이에 인가하며, 나노구조체의 기공간 간격에 맞추어 전압을 제어할 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 온도제어수단은 상기 금속 양극의 후면에 접촉하여 형성되며, 온도센서와 냉각수단이 구비된 것으로, 필요시 일정 온도의 유지를 위해 가열수단이 함께 구비된 것이 바람직하며, 또한, 상기 온도제어수단은 전해액의 온도를 낮추기 위해 전해액 냉각수단이 더 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반응속도조절수단은 상기 전원공급수단에서 공급되는 전압에 의해 상기 금속 양극과 상대전극 사이에 발생하는 전류를 측정하는 계측 수단과, 상기 계측 수단을 통해 미리 설정한 전류치보다 낮은 전류가 측정되면 개방되고 높은 전류에서는 폐쇄되는 고농도 전해액 공급수단으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이러한 수단을 구비한 본 발명에 의한 고전계 양극산화장치는 고전계 양극산화에 의해 발생할 수 있는 금속의 급속한 용해나 산화막의 절연파괴에 의한 나노구조체의 파손을 예방할 수 있을 뿐만 아니라 나노구조체의 성장속도를 제어할 수 있도록 함으로써 나노구조체의 생산성을 크게 향상시키는 효과가 있다.
본 발명은 고전계 양극산화법을 이용하여 나노기공구조가 규칙적으로 정렬되어 있는 금속산화물 나노구조체를 제조하기 위한 고전계 양극산화장치에 관한 것으 로, 산화시키고자 하는 금속과 상대전극 사이에 일정 패턴의 전압을 인가하는 전원공급수단, 전극 및 전해액의 온도가 일정하게 유지되도록 하는 온도제어수단, 상기 전원공급수단에 의해 공급 전 전압에 의해 발생하는 전류를 측정하고 전류치에 따라 전해질의 농도를 조절함으로써 전류를 일정 수준으로 유지하는 반응속도조절수단으로 크게 구성된다.
이러한 수단을 구비한 본 발명에 의한 고전계 양극산화장치는 고전계 양극산화에 의해 발생할 수 있는 금속의 급속한 용해나 산화막의 절연파괴에 의한 나노구조체의 파손을 예방할 수 있을 뿐만 아니라 나노구조체의 성장속도를 제어할 수 있도록 함으로써 나노구조체의 생산성을 크게 향상시키는 이점이 있다.
상기 양극산화될 금속 양극 재료로는 Al, Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, W 및 이들의 합금으로 필요에 따라 열처리, 전해연마 또는 화학연마 등의 전처리를 통해 균일한 조직과 평탄한 표면을 만들어서 사용한다. 또한, 상기 상대전극인 음극재료로는 탄소계 물질이나 금속과 같은 도전성 재질, 예를 들어 백금, 흑연, 탄소나노튜브, 카본블랙 및 스테인레스강과 같은 재료를 사용한다.
상기 전해액은 양극 재료에 따라 가변적이며, 알루미늄의 경우 황산, 옥살산, 인산, 크롬산 수용액 및 이들의 혼합 수용액을 사용하며 온도를 영하로 낮추어야할 경우 에틸렌글리콜 등의 용액과 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, Ti 또는 Zr 금속의 경우 불소이온을 전해질로 사용하는 비수계 유기용액 등을 사용할 수 있다.
상기 전원공급수단은 직류, 교류, 펄스 및 바이어스 전압을 상기 금속 양극 과 상대전극 사이에 인가하여 금속 양극의 표면에 산화막을 형성시키며, 제조하려는 나노구조체의 기공간 간격에 맞추어 전압을 인가할 수 있어야 하는데, 직류 전압 기준으로 250V 이하, 펄스 전압 기준으로 700V 이하의 전압용량과 해당 금속의 단위 면적(cm2) 당 500mA 이상의 전류용량을 갖도록 한다.
상기 온도제어수단은 상기 금속 양극의 후면에 접촉하여 금속 양극의 온도가 기준치 이상으로 상승하는 것을 방지하기 위한 온도센서와 냉각수단을 구비한 것으로 필요시 일정 온도의 유지를 위해 가열수단을 함께 구비할 수도 있다. 또한, 필요시 음극 반응에 의해 상승할 수 있는 전해액의 온도를 낮추기 위해 전해액 냉각수단을 갖출 수도 있다. 상기 전해액 냉각수단은 후술할 상대전극 내부로 냉각수를 공급하기도 한다.
상기 반응속도조절수단은 상기 전원공급수단에서 공급되는 전압에 의해 상기 금속 양극과 상대전극 사이에 발생하는 전류를 측정하는 아날로그 또는 디지털 계측수단과, 이 계측수단을 통해 사용자가 미리 설정한 전류치보다 낮은 전류가 측정되면 개방되고 높은 전류에서는 폐쇄되는 고농도 전해액 공급수단으로 구성된다. 이를 통해 전류치를 일정 수준으로 유지함으로써 고전계에 의한 금속의 급격한 용해나 산화막의 절연파괴를 방지할 수 있는데, 이를 위해서 초기에 낮은 농도의 전해질에서 전압을 인가하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고전계 양극산화장치의 실시예를 옥살산용액에서 280nm의 기공간 간격을 갖는 나노멤브레인을 제조하기 위해 다음과 같이 장치를 구성하고 멤 브레인을 제조하였다.
도 1은 수직형 양극산화 셀에 적용한 고전계 양극산화장치의 구성도이다. 도시된 바와 같이, 수직형 양극산화 셀(10)은 일반적으로 전극에서 기체의 발생이 많은 경우 사용하는 형태로, 전원공급수단(100)의 (+)단자에 연결된 금속지지체(16)의 하부에 양극(13)을 두고 상부에 음극(14)을 두어 음극리드선(15)을 통해 전원공급수단(100)의 (-)단자에 연결된 구조인데, 전해조(11)와 양극(13) 사이에는 O-링(18)을 두고 취부하여 전해액(12)이 외부로 새어나가지 않도록 구성하고 교반을 위해 임펠러와 같은 교반수단(17)을 포함하고 있다.
상기 전원공급수단(100)에 의해 공급되는 전압에 의해 양극(13)에서의 산화막 형성반응과 음극(14)에서의 환원반응(물의 전해 등)에 의해 각 전극/전해질 계면의 온도가 상승할 수 있고, 특히 양극(13)의 온도가 일정온도 이상으로 상승하면 기공의 정렬도가 나빠지므로 알루미늄의 고전계 양극산화에서는 온도를 0℃로 유지해야 하는데, 이를 위해 양극(13) 하부의 금속지지체(16) 하부에 냉각대(19)를 설치하였다. 상기 냉각대(19)는 온도제어수단(200)의 냉각수단(220)인 순환기(circulator)로부터 저온(0℃ 이하)의 액체를 공급받아 금속지지체(16)의 하부를 냉각시켜 열전도에 의해 양극(13)의 열을 흡수하게 된다. 이를 위해 금속지지체(16)는 열전도도가 뛰어난 동판을 사용하는 것이 바람직하다.
고전계 양극산화의 초기에서와 같이 양극(13)에서 발생하는 열이 과도하게 클 경우에는 보다 정교한 온도제어를 위해서는 순환기(circulator)의 온도를 더더욱 낮추는 대신 금속지지체(16) 내부에 온도센서(210)와 가열수단(230)을 설치하여 냉각과 가열의 조합으로 0℃를 유지하게 하면, 과도한 열 발생시에 가열수단(230)을 중지시켜 급속한 냉각이 가능하다. 이러한 수단은 제조하고자 하는 나노구조체의 넓이가 커질 경우의 온도제어에 더욱 유용한 형태이다.
또한 전해액의 온도를 낮추기 위해 상대전극으로 일반적으로 사용되는 백금망 음극(14) 대신 금속 튜브를 사용하여 내부에 냉각수를 흘려주거나 고농도 전해액 공급수단(320)에서 전해액(12)의 온도를 낮추어 주는 방법도 가능하다. 상기 튜브 형상의 상대전극 내부로 냉각수가 공급되게 되며, 상기 냉각수는 상기 온도제어수단의 전해액 냉각수단에 의해 공급되게 된다.
따라서, 상기 온도제어수단(200)은 금속지지체(16)를 냉각하여 양극(13)의 열을 흡수함과 동시에, 전해액 냉각수단에 의해 상대전극 내부로 냉각수를 공급하여 전해액의 온도를 낮추어 주는 역할을 하게 된다.
한편, 기공의 정렬이 우수한 나노구조체를 얻기 위해서는 초기 산화에서 생성된 산화막을 제거하고 전압을 직접 인가하는 2단계 양극산화법을 적용하거나 미리 표면에 규칙적인 패턴을 만들어주는 임프린트법을 적용해야 하는데, 1차 양극산화에서 사용하는 고농도의 전해액(일반적으로 옥살산의 경우 0.3 몰)에서 2차 양극산화를 실시하면 대부분 급속한 용해나 막의 절연파괴로 인해 나노구조체의 파손을 초래하게 된다. 이러한 문제는 전해질이 100분의 1 정도로 희석된 전해액 중에서 2차 양극산화를 실시하여 억제할 수 있는데, 이 때의 경우 초기 전류도 낮고 지속적으로 감소하여 원하는 성장속도를 얻지 못하는 경우를 초래하게 된다.
상기 반응속도조절수단(300)은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상기 계측수단(310)으로부터 측정된 전류값으로부터 지정된 전류값 이상으로 유지할 수 있도록 조절하며, 상기 고농도 전해액 공급수단(320)에 의해 고농도의 전해액을 공급해 주게 된다. 즉, 상기 고농도 전해액 공급수단(320)은 계측수단(310)을 통해 사용자가 미리 설정한 전류치보다 낮은 전류가 측정되면 개방되고 높은 전류에서는 폐쇄되도록 형성된다. 이를 통해 전류치를 일정 수준으로 유지함으로써 고전계에 의한 금속의 급격한 용해나 산화막의 절연파괴를 방지할 수 있는데, 이를 위해서 초기에 낮은 농도의 전해질에서 전압을 인가하는 것이 바람직하다.
도 2는 순도 99.999%의 알루미늄 디스크를 부피비 1:4의 과염소산과 에탄올 혼합용액에서 5분간 전해연마한 시편의 사진(도 2a)과 이때의 전압, 전류 및 시편온도의 변화양상(도 2b)을 나타내었다.
도 3은 전해연마된 시편을 시편온도 0도, 0.3 몰 옥살산 용액 조건에서 백금 음극에 대해 0V에서 140V까지 전압을 상승시킨 후 30분간 유지시킨 1차 양극산화막의 사진(도 3a)과 이 때의 전압, 전류 및 시편온도의 변화양상(도 3b), 산화막 상부의 초기 기공에 대한 SEM 사진(도 3c), 산화막 하부인 경계층에 대한 SEM 사진(도 3d, 염화구리와 염산의 혼합용액으로 알루미늄을 선택적으로 제거), 산화막을 제거하고 패턴된 표면만 남긴 알루미늄의 표면사진(도 3e, 크롬산과 인산의 혼합용액에서 알루미나 막을 선택적으로 제거) 및 SEM 사진(도 3f)을 나타내었다. 도 3b에서 약 80~90V의 전압구간에서 급격히 막이 형성되기 시작하여 최대전류치를 나타낸 후 140V의 일정한 전압에 도달하면 전해질의 확산제어 기구에 따르는 급격한 전류 감소가 나타나고 140V를 유지하는 구간에서 지속적으로 전류가 감소하면서 기공 의 정렬이 일어난다. 이러한 기공의 정렬성은 1차 양극산화 시간이 길수록 좋아짐이 알려져 있다.
도 4는 1차 양극산화 후 알루미나 산화막을 선택적으로 제거한 시편에 대해 시편 온도 0도, 초기농도 0.003몰의 옥살산 용액에서 140V를 직접인가하면서 전류치를 15mA/cm2으로 설정하여 이 전류치보다 낮아지면 고농도 전해액을 공급하도록 한 경우의 2차 양극산화막의 사진(도 4a)과 이 때의 전압, 전류 및 시편온도의 변화양상(도 4b)을 나타내었다. 도 4b의 초기 전류치는 60 mA/cm2에서 급속히 줄어들어 고농도 전해질 공급이 없을 경우 연질 양극산화 수준으로 줄어들게 되는데 도 4b에서와 같이 전해질을 공급하는 시점에 전류가 증가하므로 반응속도를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 시간에 따라 일정하게 또는 가변적으로 성장속도를 제어할 수 있다.
도 5는 2차 양극산화 후 만들어진 산화막을 부피비 1:1의 과염소산과 에탄올 혼합용액에서 150V의 전압으로 펄스분리법으로 분리시킨 산화막의 사진(도 5a)과 경사각도로 찍은 SEM 사진(도 5b) 및 단면 전체의 SEM 사진(5c)을 나타내었다. 1차 양극산화에 의해 형성된 패턴에 맞추어 기공이 성장하여 시간당 약 30㎛ 의 막을 형성되었음을 알 수 있다.
도 6은 5% 인산용액에서 수 분간 경계층을 제거하고 기공을 확장한 최종 멤브레인의 사진(도 6a)과 SEM 사진(도 6b)을 나타내었다.
이와 같이 본 발명의 방법과 장치는 나노멤브레인의 제조뿐만 아니라 모재에 서 산화막을 분리하지 않는 나노 형틀(template) 및 이러한 방법으로 제조되는 나노기공체, 나노선 및 나노튜브의 제조에도 적용될 수 있다.
도 1 - 본 발명에 따른 고전계 양극산화장치의 구성도.
도 2 - 전해연마 전처리 시의 전압-전류-온도 곡선 및 이에 의한 알루미늄 모재의 표면을 나타낸 도.
도 3 - 1차 고전계 양극산화 시의 전압-전류-온도 곡선 및 이에 의해 형성된 산화막 형상을 나타낸 도.
도 4 - 본 발명에 따른 반응속도조절수단을 이용한 2차 고전계 양극산화 시의 전압-전류-온도 곡선 및 이에 의한 산화막 형상을 나타낸 도.
도 5 - 펄스분리법에 의해 분리된 산화막의 형상을 나타낸 도.
도 6 - 경계층을 제거하고 기공을 확장한 나노구조체의 최종 형상을 나타낸 도.
<도면에 사용된 주요부호에 대한 설명>
10 : 양극산화 셀 11 : 전해조
12 : 전해액 13 : 양극
14 : 음극 15 : 음극리드선
16 : 금속지지체 17 : 교반수단
18 : O-링 19 : 냉각대
100 : 전원공급수단 200 : 온도제어수단
210 : 온도센서 220 : 냉각수단
230 : 가열수단 300 : 반응속도조절수단
310 :계측수단 320 : 고농도 전해액 공급수단

Claims (8)

  1. 양극산화 셀(10)의 전해액(12)에 금속 양극(13)과 상대전극을 침지하고 금속을 산화시켜 표면에 나노구조체를 형성하는 양극산화장치에 있어서,
    전해액(12) 중의 금속 양극(13)과 상대전극 사이에 일정 패턴의 전압을 인가하는 전원공급수단(100)과;
    상기 전극 및 전해액(12)의 온도가 일정하게 유지되도록 하는 온도제어수단(200)과;
    상기 전원공급수단(100)에 의해 공급된 전압에 의해 발생하는 전류를 측정하고 전류치에 따라 전해질의 농도를 조절함으로써 전류를 일정 수준으로 유지하는 반응속도조절수단(300);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고전계 양극산화장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 양극산화될 금속 양극(13) 재료로는, Al, Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, W 및 이들의 합금 중의 어느 하나로 필요에 따라 열처리, 전해연마 또는 화학연마의 전처리가 이루어진 것을 특징으로 하는 고전계 양극산화장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 상대전극은 튜브 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고전계 양극산화장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 튜브 형상으로 형성된 상대전극 내부에 냉각수가 흐르도록 하여 전해액을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 고전계 양극산화장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 전원공급수단(100)은 직류, 교류, 펄스 및 바이어스 중 어느 하나의 전압 또는 이들을 조합하여 상기 금속 양극(13)과 상대전극 사이에 인가하며, 나노구조체의 기공간 간격에 맞추어 전압을 제어할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 고전계 양극산화장치
  6. 제 1항에 있어서, 상기 온도제어수단(200)은 상기 금속 양극(13)의 후면에 접촉하여 형성되며, 온도센서(210)와 냉각수단(220)이 구비된 것으로, 필요시 일정 온도의 유지를 위해 가열수단(230)이 함께 구비된 것을 특징으로 하는 고전계 양극산화장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 온도제어수단(200)은 전해액(12)의 온도를 낮추기 위해 전해액 냉각수단이 더 구비된 것을 특징으로 하는 고전계 양극산화장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 반응속도조절수단(300)은 상기 전원공급수단(100)에서 공급되는 전압에 의해 상기 금속 양극(13)과 상대전극 사이에 발생하는 전류를 측정하는 계측수단(310)과, 상기 계측수단(310)을 통해 미리 설정한 전류치보다 낮은 전류가 측정되면 개방되고 높은 전류에서는 폐쇄되는 고농도 전해액 공급수단(320)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고전계 양극산화장치.
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