KR20160078556A - 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면개질 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면개질 방법에 관한 것으로, 구체적으로, 구리를 포함하는 스테인리스강을 피연마재로, 상기 피연마재를 양극과 연결하고, 상대전극을 음극과 연결하여 전해연마용액에서 전압을 인가하여 전해연마하는 단계 및 상기 피연마재를 음극과 연결하고, 상대전극에 양극을 연결하여 상기 전해연마용액에서 전류를 인가하여 전해도금하는 단계를 포함하는 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면개질 방법에 관한 것이다.

Description

구리를 포함하는 스테인리스강의 표면개질 방법{METHOD OF SURFACE MODIFICAITON OF STAINLESS STEEL CONTAINING COPPER}

본 발명은 전해연마 및 전해도금을 이용하여 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면개질 방법에 관한 것이다.

전해연마(Electro polishing)는 도금의 역과정으로, 최근 반도체 산업 등 청정도를 요구하는 산업의 발달로 재료의 정밀도와 청정도가 동시에 요구되고, 이를 달성하기 위하여 기존의 공구와 공작물이 접촉하는 방식의 가공법에서 탈피한 새로운 비접촉 연마 방식인 전해연마가 필요하게 되었다. 기존의 기계적 가공방법으로는 공작물 표면에 미소한 가공 흔적 등이 남아있어 근본적으로 청정한 표면을 얻을 수가 없었다.

일반적으로 전해연마는 전해액에 용해되는 금속 제품을 양극(Anode)으로 사용하고, 전해액에 불용성인 금속을 음극(Cathode)으로 사용하여, 상기 양극과 음극 사이에 전압을 인가함으로써, 금속 제품의 표면에서 전기분해를 일으켜 금속 제품의 표면을 연마하는 방법이다. 전해연마를 이용하여 금속 제품을 연마하기 위해서는, 전해조에 전해액을 채우고, 연마하고자 하는 금속 제품을 양극으로 설치하고, 전해액에 용해하지 않는 음극을 설치한 다음, 상기 양극과 음극 사이에 직류 또는 펄스파형의 전원을 인가한다. 전해연마에 있어서, 금속 제품이 전해액에 쉽게 용해되지 않는 조건에서도 전류를 인가하면, 금속 제품이 강제적으로 조금씩 용해된다. 전해연마가 진행되면, 양극으로부터 용해된 금속이온을 다량 함유한 고점도 액체층(점성층)이 양극을 둘러쌓고, 금속이온으로 포화된 점성층에서는 더 이상 금속이 용해되지 않고 높은 양극 전위를 형성하므로, 산소와 활발하게 결합하여 산화물 피막을 형성하게 된다. 이때, 용해된 금속이온은 금속 표면의 오목한 부분에 주로 축적되며, 오목한 부분에서는 금속이온의 이동과 확산이 적어, 전기가 잘 통하지 않으므로, 금속이 용해되지 않는다. 반면, 금속 표면의 볼록 부분에서는 금속 이온층이 얇게 형성되므로, 전류가 집중되어 금속 표면을 쉽게 용해시켜, 전체적으로 제품 표면이 평활하게 하는 것이다.

상기와 같은 전해연마의 효과를 살펴보면, 첫째는 표면의 평탄화이다. 제품 표면의 미소부위를 선택적으로 용해하여 일반 가공 부품 대비 표면 거칠기를 약 50%~90% 정도를 향상시킬 수 있으며, 기존의 치수 공차를 유지하면서 표면 거칠기를 향상시키는 더할 수 없이 좋은 연마 방식이다. 또한, 이렇게 평탄화된 표면은 불순물 입자의 유입을 억제시켜 오염을 방지한다.

둘째는 제품 표면의 부식 저항성이다. 전해연마로 처리된 표면은 산화크롬을 다량 함유한 표면을 갖추게 함으로써, 외부 영향에 의한 산화로부터 매우 강해진다. 따라서, 전해연마는 강한 보호막을 생성하는 공정으로 탁월한 부식 저항성을 갖게 한다. 즉, 전해연마를 통하여 변형층에 포함된 부식 유발성 물질을 제거하기 때문에 내 부식성을 향상시키는 효과가 있다.

셋째는 스테인레스강 표면의 피로파괴와 박테리아 성장을 유도하는 금속표면의 수소를 제거하는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 한 측면은 전해연마 공정을 통해 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면으로부터 구리 이온이 탈락함으로써, 항균력이 저하되는 문제점을 해결하기 위하여, 상기 탈락된 구리 이온을 전해도금을 통해 상기 스테인리스강의 표면에 재부착하여 항균력이 저하되는 것을 억제할 수 있는 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면개질 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 피연마재로 구리를 포함하는 스테인리스강을 양극과 연결하고, 상대전극을 음극과 연결하여, 전해연마용액에서 전압을 인가하여 전해연마하는 단계; 및 상기 피연마재를 음극과 연결하고, 상대전극에 양극을 연결하여, 상기 전해연마용액에서 전류를 인가하여 전해도금하는 단계;를 포함하는 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면개질 방법을 제공한다.

상기 전해연마는, 25 내지 75℃ 온도 조건에서, 550 내지 1100mV의 전압을 인가하여 수행되는 것이 바람직하다.

상기 전해도금은, 25 내지 75℃ 온도 조건에서 -300mA 이상 0 미만의 전류를 인가하여 수행되는 것이 바람직하다.

상기 전해도금은, 2000 내지 7200초 동안 전해도금하는 것이 바람직하다.

상기 전해연마용액은, 황산용액 및 인산용액으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다.

상기 상대전극은, 탄소를 포함하는 소재, 스테인리스강 및 구리로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면개질 방법은, 기존의 전해도금과 달리 구리를 포함하는 스테인리스강으로부터 용출된 구리 이온(Cu⁺ 또는 Cu^{2 +})을 이용함으로써, 전해연마용액을 그대로 이용하여 전해도금이 가능하다.

나아가, 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면에 구리 농축층을 형성할 수 있어, 항균력을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면개질 방법에서, 전해연마 단계를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면개질 방법에서, 전해도금 단계를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 전해연마 전 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면을 나타내는 사진이다.
도 4는 전해연마 후 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면을 나타내는 사진이다.
도 5는 전해연마 및 전해도금(-100mA 조건) 후 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면을 나타내는 사진이다.
도 6은 전해연마 및 전해도금(-200mA 조건) 후 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면을 나타내는 사진이다.
도 7은 전해연마 및 전해도금(-300mA 조건) 후 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면을 나타내는 사진이다.
도 8은 인가 전류에 따른 표면개질 샘플의 표면을 나타내는 사진이다.
도 9는 인가 전류에 따른 금속 성분의 함량을 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 발명의 일 구현예는, 피연마재로 구리를 포함하는 스테인리스강을 양극과 연결하고, 상대전극을 음극과 연결하여, 전해연마용액에서 전압을 인가하여 전해연마하는 단계; 및 상기 피연마재를 음극과 연결하고, 상대전극에 양극을 연결하여, 상기 전해연마용액에서 전류를 인가하여 전해도금하는 단계;를 포함하는 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면개질 방법을 제공한다.

도 1은 전해연마 단계의 일 구현예를 나타낸 모식도이고, 도 2는 전해도금 단계의 일 구현예를 나타낸 모식도이다.

본 발명의 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면개질 방법은, 구리를 포함하는 스테인리스강의 전해연마 후 탈락된 구리 석출층이 전해연마용액에 구리 이온, 즉 Cu⁺, Cu^{2 +} 로 용출되므로, 전해연마 제품 표면을 음극으로 대전하여 금속으로 환원시키는 전해도금 원리를 이용하여, 구리 농축층을 표면에 형성하여 항균력을 확보할 수 있는 표면개질 방법에 관한 것이다.

구체적으로, 본 발명의 표면개질 방법은 전해연마 단계 및 전해도금 단계를 포함하는 것으로, 우선 전해연마 단계에서 구리를 포함하는 스테인리스강을 피연마재로 이용하여, 상기 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면을 연마하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 피연마재를 양극과 연결하고, 상대전극에 음극을 연결하여, 전해연마용액에서 전압을 인가하여 전해연마하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 전해연마는 25 내지 75℃ 온도 조건에서, 550 내지 1100mV의 전압을 인가하여 수행되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 온도가 25℃ 미만인 경우, 이물질 제거 등 전해연마에 따른 효과를 나타내기 어렵고 전해연마의 효율이 감소되며, 상기 온도가 75℃를 초과하는 경우 공정 비용이 증가하고, 작업 안정성이 감소되는 문제가 있다.

또한, 상기 전해연마에 인가되는 전압이 550mV 미만인 경우, 충분한 전해연마의 효과를 나타내기 어려우며, 표면평탄화가 되지 않으며, 상기 전압이 1100mV를 초과하는 경우, 전해연마가 아닌 국부부식(공식)에 의한 관통이 발생될 수 있는 문제가 있다.

본 발명의 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면개질 방법은, 소재를 전해연마 공정 후, 용출되는 구리 이온을 함유하는 전해연마용액을 이용하여, 상기 용출된 구리 이온을 다시 상기 스테인리스강의 표면에 환원시키는 것으로, 전해연마 단계 이후 전해도금 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

구체적으로 전해도금 단계는, 상기 전해연마 단계에서 피연마재로 사용된 구리를 포함하는 스테인리스강을 음극과 연결하고, 상대전극에 양극을 연결하여, 전해연마를 수행함으로써 구리 이온을 함유하는 전해연마 용액에서 전류를 인가하여 전해도금하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 전해도금은, 25 내지 75℃ 온도 조건에서 -300mA 이상 0 미만의 전류를 인가하여 수행되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 온도가 25℃ 미만인 경우, 구리 이온이 상기 스테인리스강의 표면에 도금층을 형성하기 어려워 표면개질 효과를 나타내기 어렵고, 상기 온도가 75℃를 초과하는 경우 고온 조건에 따른 소재의 물성 변형이 유발될 수 있다. 즉, 본 발명은 전해연마 공정조건에서 표면개질을 수행할 수 있다.

또한, 상기 전해도금은 상기 구리를 포함하는 스테인리스강에 음극, 상기 상대전극에 양극을 연결하여 전류를 인가하여 도금층을 형성시키는 것으로, 이때 상기 전류는 -300mA 이상 0 미만, 바람직하게는 -200mA 이상 0 미만으로 전류를 인가할 수 있다. 이때, 상기 전류를 -300mA 미만으로 인가하는 경우, 구리 도금율이 감소하며, 구리 도금의 표면적이 감소하는 문제가 있으며, 전류를 0 mA 이상으로 인가하는 경우 용출된 구리 이온이 상기 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면에 도금층으로 형성될 수 없다.

또한, 상기 전해도금 단계는, 2000초 내지 7200초 동안 전해도금하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 3000초 내지 7200초 동안 전해도금할 수 있다. 이때 상기 전해도금 시간이 2000초 미만인 경우, 스테인리스강의 표면에 전해도금에 따른 구리 도금율 및 구리 도금 표면적이 낮아지며, 7200초를 초과하는 경우 과도한 전해도금으로 오히려 표면 물성이 열위해질 수 있고, 제조 단가가 올라가는 문제가 있다.

한편, 상기 전해연마 및 전해도금 단계에서 사용될 수 있는 전해연마용액은 상기 구리를 포함하는 스테인리스강으로부터 전해연마에 의하여 구리 이온이 용출되고, 전해도금에 의하여 구리가 환원될 수 있는 전해연마용액이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 황산 용액 및 인산 용액으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 25% 황산 용액일 수 있다.

한편, 상기 전해연마 및 전해도금 단계에서, 구리를 포함하는 스테인리스강의 상대전극은, 전해연마에서 음극과 연결되고, 전해도금에서 양극과 연결되어, 상기 구리를 포함하는 스테인리스강의 구리 이온 석출 및 구리 도금층 형성이 가능한 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 탄소를 포함하는 소재, 스테인리스강 및 구리로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 탄소를 포함하는 소재일 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 >

1. 전해연마 단계

싱크대를 제조하는데 사용되는 구리를 포함하는 스테인리스강을 전해연마의 피연마재로 사용하였으며, 상기 피연마재를 양극과 연결하고, 상대전극으로 탄소를 포함하는 소재로 그라파이트(Graphite)를 음극과 연결하였다. 상기 피연마재 및 상대전극을 전해연마용액인 20% H₂SO₄ 용액에 침지시켜 60℃ 온도조건에서 830mV의 전압을 인가하여 전해연마 단계를 수행하였다.

2. 전해도금 단계

상기 전해연마 단계를 수행한 뒤, 상기 피연마재를 음극과 연결하고, 상기 상대전극을 양극과 연결하여 전류를 인가하였으며, 이때 전해도금은 상기 전해연마용액을 그대로 이용하였으며, 이때 전류의 세기 및 인가 시간을 하기 표 1과 같이 수행하였다.

구분	전류의 세기	인가 시간
실시예 1	-100mA	6000초
실시예 2	-200mA	3000초
실시예 3	-300mA	2000초

< 실험예 >

1. 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면 관찰

도 3은 전해연마 및 전해도금을 수행하지 않은 구리를 포함하는 스테인리스강(비교예 1)의 표면 사진이며, 도 4는 전해연마를 수행한 구리를 포함하는 스테인리스강(비교예 2)의 표면 사진이며, 도 5 내지 7은 전해연마 및 전해도금을 수행한 실시예 1 내지 3의 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면 사진이다.

또한, 도 8은 실시예 1 내지 3의 구리를 포함하는 스테인리스강을 이용하여 제조된 샘플의 표면 사진을 나타낸 것이다.

도 3 내지 7에서 알 수 있듯이, 비교예 1 및 2에 비하여 실시예 1 내지 3에서 구리로 표면개질된 형상을 확인할 수 있다. 또한, 도 8에서 전류의 세기에 따라 표면에 형성된 구리 도금층에 차이가 있으나, 모두 양호한 표면개질 효과를 나타낼 수 있음을 확인할 수 있다.

나아가, 구리 도금율, 구리 도금 표면적 및 도금층의 표면 결함을 고려할 경우, 실시예 1 및 2가 보다 바람직한 형태로 표면 개질 되었음을 알 수 있다.

2. 구리를 포함하는 스테인리스강에 포함된 성분 분석

도 9는 본 발명의 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면개질 방법에 의하여 표면이 개질된 샘플(실시예 1 내지 3)의 성분 및 전해연마만을 수행한 샘플(비교예 2)의 성분을 나타내는 그래프이다.

도 9의 그래프에 나타나 있듯이, 전해연마만을 수행한 비교예 2의 경우 구리의 함량이 크게 낮게 측정된 반면, 본 발명의 실시예 1 내지 3의 경우 구리의 함량이 높게 측정되어, 전해연마 및 전해도금 단계를 포함하는 표면개질 방법에 의하여 표면개질 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다.

Claims (6)

1. 피연마재로 구리를 포함하는 스테인리스강을 양극과 연결하고, 상대전극을 음극과 연결하여, 전해연마용액에서 전압을 인가하여 전해연마하는 단계; 및
   상기 피연마재를 음극과 연결하고, 상대전극에 양극을 연결하여, 상기 전해연마용액에서 전류를 인가하여 전해도금하는 단계;를 포함하는 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면개질 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 전해연마는, 25 내지 75℃ 온도 조건에서, 550 내지 1100mV의 전압을 인가하여 수행되는 것인, 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면개질 방법.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 전해도금은, 25 내지 75℃ 온도 조건에서 -300mA 이상 0 미만의 전류를 인가하여 수행되는 것인, 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면개질 방법.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 전해도금은, 2000 내지 7200초 동안 전해도금하는 것인, 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면개질 방법.
   
5. 청구항 1에 있어서, 상기 전해연마용액은, 황산 용액 및 인산 용액으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인, 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면개질 방법.
   
6. 청구항 1에 있어서, 상기 상대전극은, 탄소를 포함하는 소재, 스테인리스강 및 구리로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인, 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면개질 방법.

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