KR20110119100A - 양극 산화와 연마를 이용한 표면 처리 방법 - Google Patents

Abstract

금속 표면을 다이아몬드를 이용하여 연마한 다음, 양극 산화 공정을 수행하여 나노 기공층을 형성한다. 다이아몬드에 의한 연마에 의해 금속표면이 오염없이 연마되고, 다이아몬드 연마는 후속 양극 산화 공정에 영향을 주지 않아 균일하고 부식없는 나노 기공층을 형성할 수 있다.

Description

양극 산화와 연마를 이용한 표면 처리 방법{METHOD OF TREATING A SURFACE USING ANODIZING AND POLISHING}

본 발명은 표면 처리 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 양극 산화와 연마를 사용하는 표면 처리 방법에 관한 것이다.

표면 처리는 일반적으로 어떤 물체의 표면에 원하는 특정한 성능을 부가할 수 있는 기술로, 산업 기술에 있어 중요한 기술이다. 상기 표면 처리는 금속을 표면에 침투시키는 금속침투법, 산화기법, 도금 기법 등을 포함할 수 있다. 이 가운데에서, 산화기법 중 하나인 양극 산화 기법은 부품에 산화 피막을 입히는 표면처리로, 내식성, 내구성, 접착성 등을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 양극 산화는 금속과 상대전극을 전해액에 침지한 후 전압을 인가하여 강제로 산화시킨 다음 산화된 표면에 무수히 많은 수십 나노미터 크기의 기공층을 형성하는 기법이다. 양극 산화기 법에 많이 이용되는 금속은 알루미늄이나 티타늄과 같은 금속이고 이러한 물질을 이용해 형성된 나노 기공층은 여러 가지 장점을 갖는다. 예를 들어, 전자 기능 재료에서는 전자가 나노 기공층의 표면을 통해 빠르게 이동할 수 있고, 기타 재료에서는 나노 기공층 자체를 이용해 물질 탑재를 가능하게 하여 할 수 있어, 상기 양극 산화 기법은 다양한 분야에서 이용되고 있다.

본 발명은 표면 처리 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 양극 산화와 연마를 사용하는 표면 처리 방법에 관한 것이다.

표면 처리 방법이 제공된다. 금속 표면을 다이아몬드를 이용하여 연마한다. 상기 연마된 표면을 양극 산화시킨다. 상기 다이아몬드를 이용하여 연마하는 공정은 다이아몬드 서스펜션을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 다이아몬드를 이용하여 연마하는 공정 이전에, 그라인더를 이용하여 상기 금속 표면을 연마하는 공정을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 공정 과정을 간략화 하면서 균일한 나노 기공층 형성 방법을 제시 할 수 있다. 즉, 나노 기공층의 표면 단차를 감소시키고 나노 기공층을 균일하게 형성할 수 있다.

도 1은 양극 산화에 의해 표면에 기공이 성장하는 것을 비교한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 처리 방법의 순서도이다.
도 3은 비교예 1에 따라 연마되지 않은 티타늄 금속에 양극 산화를 실시한 표면을 사진으로 관찰한 사진이다.
도 4는 비교예 2에 따라 3μm 알루미나 서스펜션으로 연마된 티타늄 금속을 양극 산화 방법을 이용해 형성된 나노 기공층이 형성된 금속 표면의 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 6 μm 다이아몬드 서스펜션으로 연마된 티타늄 금속을 양극 산화 방법을 이용해 형성된 나노 기공층이 형성된 금속 표면의 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명한다. 이하의 설명에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

양극 산화 방법을 이용한 이산화티탄 나노 기공층은 초기에는 불산을 함유한 전해액을 사용하여 제작된다. 그러나 불산을 포함한 전해액을 사용해 형성된 이산화티탄 나노 기공층은 기공층 자체의 단차도 크고 각각의 기공층의 형상이 균일하지 않은 문제점이 있어 바람직하지 않다. 또한 전해액 제조 과정에서 사용되는 불산은 인체에 매우 유해하기 때문에 전해액의 조성에 변화를 필요하다. 이에 다양한 연구 결과, 전해액에서 불산을 제외시키고 암모늄플로라이드(NH4F)와 글리세롤을 조합하는 방법이 발표됨으로써 형상을 균일하게 제어하는데 유리하고 인체에 비교적 무해한 양극 산화 방법이 개발되었다. 이 후 전해액의 조성으로 에틸렌글리콜을 이용하여 나노 기공층의 형상을 보다 정밀하게 제어하는데 성공했지만 기공층 자체의 단차 감소는 해결되지 못하였다. 이에 대체로 최근의 연구 동향에 있어서 양극 산화를 장시간 시행하여 나노 기공층의 두께를 증가시킴으로써 기공층의 불균일함에 영향을 받지 않는 분야의 발명을 하여왔다. 하지만 치과용 임플란트, 혹은 가스 센싱, 태양전지 등에 적용하기 위해서는 나노 기공층의 두께가 수 마이크로미터(μm) 이하이어야 하는데, 양극 산화를 장시간 시행하는 경우 원하는 두께를 얻기 어렵다.

이 문제점을 해결하기 위해 이차 양극 산화 방법이 개발되었다. 하지만 이차 양극 산화 기법은 균일한 나노 기공층이 가능하지만 같은 공정을 두 번 반복해야 한다는 점과 양극 산화 후 처리 방법에 있어서 세밀함을 요하는 등 비효율적인 문제점이 있다. 즉, 양극 산화 기법을 통해 얻어진 표면 처리 공법은 여러 장점이 있음에도 불구하고 아직까지 해결해야 할 문제가 있다.

도 1은 양극 산화에 의해 표면에 기공이 성장하는 것을 비교한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 금속 표면에 요철이 있는 경우 양극 산화를 하는 경우의 개념도는 왼쪽 도면이다. 표면에 요철이 있는 경우, 양극 산화를 수행하면, 금속 표면에서 양극 산화를 위한 전해액에 의한 에칭이 발생 할 때, 기공이 불균일하게 형성되어 기공의 성장 방향이 일정하지 않아 기공이 파괴되거나 급속한 산화로 인해 금속 산화물의 탈락이 발생하게 된다. 그러나 오른쪽 도면과 같이 표면이 매끄러운 경우, 기공이 균일하게 성장하는 것이 가능하다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 처리 방법의 순서도이다.

도 2를 참조하면, 금속 표면을 다이아몬드를 이용하여 연마한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 연마 공정은 다이아몬드 페이스트, 다이아몬드 서스펜션 등을 이용하여 수행될 수 있다. 또한, 상기 다이아몬드를 이용한 연마 공정 이전에 그라인더를 이용하여 상기 금속 표면을 연마할 수 있다. 상기 연마 공정을 수행하지 않는 경우, 표면이 불균일하여 후속 공정으로 양극 산화를 수행하더라도 나노 기공체가 불균일하게 형성될 수 있다. 다이아몬드가 아닌 다른 연마제를 이용하여 금속 표면을 연마한 다음, 후속 공정으로 양극 산화를 수행하는 경우, 나노 기공체가 균일하게 형성되지 않거나, 표면이 부식되는 문제점이 있을 수 있다.

상기 다이아몬드를 이용한 연마 공정을 수행한 다음, 상기 연마된 표면에 양극 산화 공정을 수행한다. 전해액은 에틸렌글리콜에 NH4F가 첨가된 용액을 사용하고, 연마된 금속을 양극으로 하고, 백금을 음극으로 하여 양극 산화 공정을 수행한다. 이에 따라, 균일한 나노 기공층을 금속 표면에 형성할 수 있고, 상기 금속 표면에 부식이 발생하지 않을 수 있다.

비교예 1

금속으로 티타늄 금속을 사용하였고 연마된 티타늄 금속과의 차이점을 보기 위해 연마되지 않은 티타늄 금속으로 양극 산화를 시행하였다. 티타늄 금속의 크기는 가로 15mm, 세로 20mm 이며 두께는 2mm이다. 상기 양극 산화는, 에틸렌글리콜에 0.5wt%의 NH4F가 첨가된 용액을 전해액으로 사용하였으며, 국부적인 양극 산화를 위해 5mm X 5mm의 표면을 제외하고 전해액과 접촉하지 못하도록 하였고, 연마되지 않은 티타늄 금속을 양극, 백금판을 음극으로 침지시키고, 50V의 전압을 5시간 인가하는 방법으로 이루어졌다. 양극 산화 후 이산화티탄 나노 기공층 위에 형성된 산화막을 제거하기 위해 초음파세척 (sonification)을 5분간 시행하였다.

도 3은 비교예 1에 따라 연마되지 않은 티타늄 금속에 양극 산화를 실시한 표면을 사진으로 관찰한 사진이다. 사진을 보면 양극 산화 후 나노 기공층이 불균일하게 형성되고 부식되어 변색되었음을 알 수 있다.

비교예 2

티타늄 금속을 그라인더로 320, 400, 600, 800 Grit의 순서로 연마 후 전자동식 폴리셔(polisher)에 폴리싱용 융을 삽입하여 3μm 알루미나 서스펜션(Alumina suspension)으로 다시 20분간 상기 티타늄 금속을 연마하였다. 상기 연마 이후, 상기 비교예 1과 동일하게 양극 산화 공정을 수행하였다. 도 4는 실시예에 따라 3μm 알루미나 서스펜션으로 연마된 티타늄 금속을 양극 산화 방법을 이용해 형성된 나노 기공층이 형성된 금속 표면의 사진이다. 사진을 보면 양극 산화 후 나노 기공층이 불균일하게 형성되고 부식되어 변색되었음을 알 수 있다. 이는 상기 알루미나를 이용한 연마에 의해, 금속 표면이 균일하게 연마될 수는 있으나, 후속 공정인 양극 산화 공정에 의해 상기 금속 표면에서 이상 반응이 일어난 것으로 추정된다.

실시예 1

티타늄 금속을 그라인더로 320, 400, 600, 800 Grit의 순서로 연마 하였다. 그 다음, 전자동식 폴리셔(polisher)에 폴리싱용 융을 삽입하여 6μm 다이아몬드 서스펜션(Diamond suspension)을 사용하여 상기 티타늄 금속을 20분간 연마하였다. 다음, 상기 연마된 티타늄 금속을 상기 비교예와 동일한 조건으로 양극 산화 공정을 수행하였다. 도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 6 μm 다이아몬드 서스펜션으로 연마된 티타늄 금속을 양극 산화 방법을 이용해 형성된 나노 기공층이 형성된 금속 표면의 사진이다.

도 3 내지 도 5를 비교해 보면 다이아몬드를 이용하여 금속 표면을 연마한 다음, 양극 산화 공정을 수행하는 것에 의해, 금속 표면에 부식 없이 나도 기공층을 형성할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

1. 금속 표면을 다이아몬드를 이용하여 연마하는 단계; 및
   상기 연마된 표면을 양극 산화시키는 단계를 포함하는 표면 처리 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 다이아몬드를 이용하여 연마하는 공정은 다이아몬드 서스펜션을 이용하는 공정인
   표면 처리 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 다이아몬드를 이용하여 연마하는 공정 이전에, 그라인더를 이용하여 상기 금속 표면을 연마하는 공정을 더 포함하는
   표면 처리 방법.

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