KR20140120603A - 알루미늄 표면 처리 방법 - Google Patents

알루미늄 표면 처리 방법 Download PDF

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Abstract

알루미늄 표면 처리 방법에 있어서, 식각액 및 상기 식각액 내에 이온화 가능한 금속을 포함하는 금속 전구체를 포함하는 용액을 준비한다. 이후, 상기 용액 내에 알루미늄 기재를 딥핑하여 상기 알루미늄 기재의 표면을 무전해 식각하는 동시에 상기 표면에 상기 금속을 무전해 증착함으로써 상기 알루미늄 기재의 표면 거칠기를 증가시킨다.

Description

알루미늄 표면 처리 방법{METHOD OF TREATING A SURFACE OF ALUMINUM}
본 발명은 알루미늄 표면 처리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알루미늄 기재의 표면을 처리하여 물방울에 대한 표면 부착 특성, 즉, 초친수성 또는 초소수성을 갖도록 하는 알루미늄 표면 처리 방법에 관한 것이다.
오늘날 다양한 분야에서 다목적으로 이용되고 있는 알루미늄은 금속재임에도 가벼울 뿐 아니라 특히 여러 가지 다양한 방법으로 그 표면을 처리하여 내구성, 외관 및 옥외환경노출 등 다양한 특정 산업 및 공업적 목적에 맞게끔 개질할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이를테면 특정 피막처리를 거쳐 각종 건축용 섀시, 창호 및 도어, 커튼은 물론 통신기기나 가전제품 또는 광학기기에도 이용되고 있다. 특히 알루미늄 산화 피막의 단단함과 훌륭한 내화학성은 그 사용 환경이 매우 거친 경우 즉 사람의 손이 직접 닺거나 잦은 마찰에 노출되는 자재이거나 또는 옥외의 변화무쌍한 기상환경에 노출되는 자재일 경우 그 효용가치는 극대화되기 때문에 알루미늄은 오늘날 지구상에서 가장 많이 이용되는 금속 중 하나이다.
특히, 마이크로 채널 등을 포함하는 유체 수송 장치 및 소재의 미세화 또는 정밀화되면서, 유체와 소재 사이의 마찰 증가에 따른 원활한 유체 이동이 큰 이슈가 되고 있으며 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 초발수성이나 초친수성을 이용하여 이러한 문제를 해결하기 위해 많은 연구가 진행되고 있으며, 여러 가지 가공법과 표면처리를 이용하여 다양한 소재에 초발수 또는 초친수성을 갖도록 하는 표면 처리 방법이 요구된다.
본 발명의 일 목적은 상대적으로 간단한 공정을 통하여 알루미늄 소재에 초친수성 또는 초소성을 가질 수 있는 알루미늄 표면 처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 표면 처리 방법에 있어서, 식각액 및 상기 식각액 내에 이온화 가능한 금속을 포함하는 금속 전구체를 포함하는 용액을 준비한다. 이후, 상기 용액 내에 알루미늄 기재를 딥핑하여 상기 알루미늄 기재의 표면을 무전해 식각하는 동시에 상기 표면에 상기 금속을 무전해 증착함으로써 상기 알루미늄 기재의 표면 거칠기를 증가시킨다. 여기서, 상기 식각액은 황산, 질산, 염산, 인산, 구연산, 개미산 등이 이루는 산성 용매 중 적어도 하나 또는 수산화나트륨, 수산화칼슘, 암모니아수, 수산화갈륨 등의 염기성 용매 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 전구체는 금속 질산염, 금속 황산염, 금속 아세트 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 표면 처리 방법에 있어서, 상기 용액 내에 알루미늄 기재를 딥핑한 후, 상기 알루미늄 기재의 표면에 소수성 자기조립 단분자막을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 표면 처리 방법에 있어서, 상기 용액 내에 알루미늄 기재를 딥핑한 후, 상기 알루미늄 기재의 표면을 플라즈마 처리할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 표면 처리 방법에 있어서, 상기 알루미늄 기재의 일부를 커버하는 마스크를 배치하고, 상기 마스크가 상기 일부를 커버하는 상태에서, 상기 알루미늄 기재의 표면 상에 자외선을 조사할 수 있다.
본 발명에 따른 알루미늄 표면 처리 방법에 있어서, 무전해 식각 및 증착 공정을 동시에 수행함으로써 표면 거칠기를 증대시켜 초친수성을 확보할 수 있다. 이로써 상대적으로 간단한 화학적 공정으로 전기적인 처리없이 식각 및 증착이 동시에 수행되고 전체 면적에 걸쳐 균일한 표면 거칠기를 확보할 수 있다. 또한 증대된 표면 처리를 갖는 알루미늄 기재의 표면에 대하여 플라즈마 처리 또는 자기조립 단분자막을 형성함으로써 초수성을 갖는 알루미늄 기재가 형성될 수 있다. 그리고, 상기 알루미늄 기재가 초친수성 및 초소수성을 선택적으로 가질 수 있으며 나아가 유체에 대한 자기 세정 능력 및 상대적으로 낮은 마찰 특성을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 표면 처리 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 실시예 1에 따라 표면 처리된 알루미늄 기재를 설명하기 위한 전자현미경 사진이다.
도 3은 도 2의 알루미늄 기재에 대한 EXD 분석결과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 도 2의 알루미늄 기재에 대한 XPS 분석결과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 도 2의 알루미늄 기재의 초친수성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 실시예 2의 알루미늄 기재의 초소수성을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 있어서, 대상물들의 크기와 양은 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대 또는 축소하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
알루미늄 표면 처리 방법
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 표면 처리 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 표면 처리 방법에 따르면, 먼저 용액를 준비한다. 상기 용액은 알루미늄 기재를 식각할 수 있는 식각액 및 상기 식각액에 이온화 될 수 있는 금속을 구비하는 금속 전구체를 포함할 수 있다.
상기 식각액은 황산, 질산, 염산, 인산, 구연산, 개미산이 이루는 산성 용매 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이와 다르게, 상기 식각액은 수산화나트륨, 수산화칼슘, 암모니아수, 수산화갈륨 등의 염기성 용매 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 식각액은 상기 알루미늄 기재의 표면을 식각함으로써 상기 알루미늄 기재의 표면 거칠기를 증가시킬 수 있다.
상기 금속 전구체는 금속 질산염, 금속 황산염, 금속 아세트 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 질산염은 질산 아연 헥사수화물(zinc nitrate hexahydrate), 질산 니켈 헥사수화물(nickel nitrate hexahydrate) 등을 포함할 수 있다. 상기 금속 전구체 내의 금속은 식각액 내에서 이온화되어 상기 금속 이온이 상기 알루미늄 기재에 증착할 수 있다.
이어서, 상기 용액 내에 상기 알루미늄 기재를 딥핑하여 상기 알루미늄 기재에 대하여 식각 공정 및 증착 공정이 동시에 발생한다. 따라서, 상기 알루미늄 기재에 대한 무전해 식각 공정 및 무전해 증착 공정이 동시에 수행됨에 따라 상기 알루미늄 기재 표면 거칠기가 증가한다. 결과적으로 상기 알루미늄 기재가 증가한 표면 거칠기를 가짐에 따라 초친수성 표면을 가질 수 있다.
상기 식각 공정 및 증착 공정에 따르면, 상기 금속 전구체로부터 해리된 금속 이온이 상기 알루미늄 기재의 표면에 무전해 증착되며, 상기 증착된 금속이 마이크로 마스킹 효과(micro masking effect)를 발생시킨다. 즉, 상기 증착된 금속이 상기 식각 공정에 대하여 마스크 기능을 수행하며, 상기 금속이 증착되지 않은 영역의 알루미늄 기재에는 상기 식각액에 의하여 식각 공정이 수행될 수 있다. 이로써 상기 알루미늄 기재의 표면 거칠기가 증가함으로써 상기 알루미늄 기재는 초친수성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 용액 내에 알루미늄 기재를 딥핑한 후, 상기 알루미늄 기재의 표면에 소수성 자기조립 단분자막(self -assembled monolayer coating)을 형성하여 상기 알루미늄 기재가 초소수성을 가질 수 있다.
예를 들면, 상기 알루미늄 기재를 헵타데카플루오로데실트리실레인 (Heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl-trichlorosilane, HDFS)처럼 탄화불소기능기를 표면 그룹으로 가지는 실레인 화합물을 알루미늄 기재의 표면에 고정화 시킬 수 있다. 이러한 공정을 통하여 새로운 표면 그룹의 형성으로 표면에너지가 감소하고, 물에 대한 접촉각이 증가하여 초소수성 표면으로 개질되는 효과를 얻게 해준다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 용액 내에 알루미늄 기재를 딥핑한 후, 상기 알루미늄 기재의 표면을 플라즈마 처리하여 상기 알루미늄 기재를 초소수성 표면을 갖도록 할 수 있다.
예를 들면, 상기 알루미늄 기재를 진공 챔버 내에 배치하고, 상기 진공 챔버 내에 소수성 부재를 유입시키고 플라즈마를 발생시켜 상기 소수성 부재를 상기 알루미늄 기재 표면에 결합시킬 수 있다.상기 소수성 부재의 예로는 트리플루오르메탄(trifluoromethane) 가스를 들 수 있다.
따라서, 상기 알루미늄 기재 상에 소수성 부재를 결합시킴에 따라 상기 알루미늄 기재가 초소수성 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 초소수성을 갖는 상기 알루미늄 기재의 일부를 커버하는 마스크를 배치한다. 이어서, 상기 마스크가 상기 일부를 커버하는 상태에서, 상기 알루미늄 기재의 표면 상에 자외선을 조사함으로써, 상기 마스크에 의하여 커버된 영역은 초소수성을 유지하는 반면에, 상기 자외선이 조사된 영역은 초친수성으로 변화될 수 있다.
이로써 상기 알루미늄 기재의 일부 영역은 초친수성을 가지는 반면에 상기 알루미늄 기재의 다른 영역은 초소수성을 가질 수 있도록 할 수 있다.
실시예1
식각액으로 염기성을 갖는 수산화나트륨 용액과 상기 수산화나트륨 용액에 이온화될 수 있는 금속이 이온화 될 수 있는 금속 전구체로서 질산 아연 헥사수화물(zinc nitrate hexahydrate)이 이용되었다. 이때 10mM 농도의 수산화나트륨 용액 및 90mM 농도의 질산아연 헥사수화물에 알루미늄 기재(AA1050)를 3시간동안 딥핑함으로써 상기 알루미늄 기재의 표면 거칠기를 증가시켰다.
실시예2
실시예1에서 표면 처리된 알루미늄 기재를 헵타데카플루오로데실트리실레인(Heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl-trichlorosilane, HDFS)용액으로 표면 처리하여 상기 알루미늄 기재를 초소수성으로 변화시켰다.
표면 처리된 알루미늄 기재의 평가
도 2는 실시예 1에 따라 표면 처리된 알루미늄 기재를 설명하기 위한 전자현미경 사진이다.
도 2를 참조하면, 실시예1에서 표면 처리된 알루미늄 기재는 마이크로 사이즈의 표면 거칠기 및 나노 사이즈의 표면 거칠기를 가짐을 확인할 수 있다.도 3은 도 2의 알루미늄 기재에 대한 EXD 분석결과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 실시예 1에서 표면 처리된 알루미늄 기재에는 아연(Zn)이 표면에 증착되어 있음을 확인할 수 있다.
도 4는 도 2의 알루미늄 기재에 대한 XPS 분석결과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 실시예 1에서 표면 처리된 알루미늄 기재에는 아연(Zn)이 표면에 증착되어 있음을 확인할 수 있다.
도 5는 도 2의 알루미늄 기재의 초친수성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 실시예 1에서 표면 처리된 알루미늄 기재는 초친수성을 가짐을 확인할 수 있다.
도 6은 실시예 2의 알루미늄 기재의 초소수성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 실시예 2에서 표면 처리된 알루미늄 기재는 초소수성을 가짐을 확인할 수 있다.
초소수성 표면 특성을 갖는 알루미늄 기재는 유체에 대해 자기세정 및 낮은 마찰 특성을 가지며 저 마찰 유체수송장치 및 자기세정장치 등이 요구되는 분야에 응용될 수 있다. 또한 자정작용을 갖는 알루미늄 표면을 갖는 알루미늄 기재는 외부에 노출되어도 쉽게 먼지 등이 제거되어 늘 깨끗한 표면을 유지할 수 있다. 나아가, 상기 알루미늄 기재가 물 등의 유체를 담는 파이프 재료로 사용할 경우 물과의 마찰이 작아져 적은 동력손실로 물을 운반할 수 있다.

Claims (6)

  1. 식각액 및 상기 식각액 내에 이온화 가능한 금속을 포함하는 금속 전구체를 포함하는 용액을 준비하는 단계; 및
    상기 용액 내에 알루미늄 기재를 딥핑하여 상기 알루미늄 기재의 표면을 무전해 식각하는 동시에 상기 표면에 상기 금속을 무전해 증착함으로써 상기 알루미늄 기재의 표면 거칠기를 증가시키는 단계를 포함하는 알루미늄의 표면 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 식각액은 황산, 질산, 염산, 인산, 구연산, 개미산 등이 이루는 산성 용매 중 적어도 하나 또는 수산화나트륨, 수산화칼슘, 암모니아수, 수산화갈륨 등의 염기성 용매 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 표면 처리 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 전구체는 금속 질산염, 금속 황산염, 금속 아세트 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 표면 처리 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 용액 내에 알루미늄 기재를 딥핑한 후, 상기 알루미늄 기재의 표면에 소수성 자기조립 단분자막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 표면 처리 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 용액 내에 알루미늄 기재를 딥핑한 후, 상기 알루미늄 기재의 표면을 플라즈마 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 표면 처리 방법.
  6. 제4항 및 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 알루미늄 기재의 일부를 커버하는 마스크를 배치하는 단계; 및
    상기 마스크가 상기 일부를 커버하는 상태에서, 상기 알루미늄 기재의 표면상에 자외선을 조사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 표면 처리 방법.
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