KR20200068890A - 티타늄 상에 백금전극 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 티타늄을 모재로 한 백금전극과 이의 제조 방법에 관한 것으로서 더 상세하게는 티타늄 모재에 백금 코팅이 용이하도록 된 티타늄을 모재로 한 백금전극과 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 티타늄을 모재로 한 백금전극은 티타늄으로 이루어진 모재와, 모재의 표면에 코팅되며 탄탈 또는 니오브로 이루어진 중간층과, 중간층의 표면에 코팅되며 백금으로 이루어진 상부층으로 이루어져 있다.
본 발명에 따른 티타늄을 모재로 한 백금전극은 티타늄에 중간층을 코팅한 후 백금을 코팅함으로써 티타늄에 백금을 코팅할 수 있으며, 티타늄을 모재로 하여 백금전극을 제조함으로써 가격 경쟁력이 있는 장점이 있다.

Description

티타늄 상에 백금전극 형성 방법{Method for Manufacturing of Platinum on Titanium}

본 발명은 티타늄을 모재로 한 백금전극과 이의 제조 방법에 관한 것으로서 더 상세하게는 티타늄 모재에 백금 코팅이 용이하도록 중간층이 형성된 티타늄을 모재로 한 백금전극과 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 백금은 물리화학적으로 높은 안정성을 가지며 우수한 전기적 특성으로 인해 전기 도금용 전극, 철강공업의 냉각수 제조용 전극, 전기자동차용 전지, 사업용 연료전지, 가정이나 사무실용 이온수기용 전극 등으로 이용되며 산*?*알칼리 용액에서 안정하고 산화저항성이 우수하여 산업에 널리 쓰이고 있다. 그러나 이러한 백금을 모재로 전극을 이용하기에는 백금의 가격이 너무 비싼 문제점이 있었다.

따라서 티타늄을 모재로 하고 티타늄의 표면에 백금 코팅을 하여 백금 전극을 사용하고 있다. 그러나 티타늄의 경우 공기 중에 노출되는 즉시 약 200~300nm 두께의 안정된 산화 피막이 형성되어 종래의 도금 기술로는 티타늄 표면에 백금을 코팅하는 것이 용이하지 못한 문제점이 있었다.

또한, 티타늄에 백금을 코팅하는 방법으로 PVD(Physical Vapor Deposition)법이 일본을 중심으로 각광을 받기 시작했는데, PVD법은 CVD법이나 졸겔법에 비해 코팅층의 불순물이 매우 적고, 기재와의 우수한 밀착력을 가지며, 낮은 온도에서 성막이 가능하고, 청정 제조공정이라는 장점이 있다.

종래의 PVD법에는 진공증착법 또는 스퍼터링(Sputtering)법 등이 주로 이용되었는데, 이들 방법은 대면적 코팅이나 양산에 적용하기에는 적합하지 않고, 코팅막과 기재와의 밀착력이 낮고 성막속도가 다소 느리다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 티타늄 모재에 백금이 코팅될 수 있도록 중간 코팅층이 마련된 티타늄을 모재로 한 백금전극을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 티타늄 모재의 표면에 아크 이온 플레이팅 방법에 의해 중간층과 백금을 코팅함으로써 진공증착법 또는 스퍼터링법에 비해 성막속도가 빠르고 부착력이 우수한 티타늄을 모재로 한 백금전극 제조 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 티타늄을 모재로 한 백금전극은 티타늄으로 이루어진 모재와, 상기 모재의 표면에 코팅되며 탄탈 또는 니오브로 이루어진 중간층과, 상기 중간층의 표면에 코팅되며 백금으로 이루어진 상부층으로 이루어져 있다.

또한, 티타늄으로 이루어진 모재의 표면에 묻어 있는 이물질을 제거하는 이물질제거단계와, 상기 모재의 표면에 탄탈 또는 니오브로 이루어진 중간층을 코팅하는 중간코팅단계와, 상기 중간층의 표면에 백금으로 이루어진 상부층을 코팅하는 백금코팅단계를 포함한다.

바람직하게는 상기 중간코팅단계의 중간층과 백금코팅단계의 상부층은 아크 이온 플레이팅 방법에 의해 형성된다.

상기 아크 이온 플레이팅 방법은 모재가 투입되는 챔버에 아르곤가스 200sccm을 주입하며, 상기 챔버 내에 압력을 7.5mTorr로 설정하며 전류는 140A로 설정하며, 상기 모재를 지지하는 홀더에 80 내지 140의 음(-)전위 바이어스 전압을 인가하여 아크 방전한다.

본 발명에 따른 티타늄을 모재로 한 백금전극은 티타늄에 중간층을 코팅한 후 백금을 코팅함으로써 티타늄에 백금을 코팅할 수 있으며, 티타늄을 모재로 하여 백금전극을 제조함으로써 가격 경쟁력이 있는 장점이 있다.

또한, 티타늄 모재의 표면에 아크 이온 플레이팅 방법에 의해 중간층과 백금을 코팅함으로써 부착력이 우수한 티타늄을 모재로 한 백금전극을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 백금전극 제조 방법에 적용된 아크 이온 플레이팅 장치를 개략적으로 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 티타늄을 모재로 한 백금전극의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 티타늄을 모재로 한 백금전극 제조 방법을 나타낸 블록도.
도 4는 도 2의 백금전극의 티타늄 모재에 니오브를 80V의 음(-)전위 바이어스 전압을 인가한 상태에서 아크 방전시켜 형성된 중간층을 나타낸 SEM사진,
도 5는 도 2의 백금전극의 티타늄 모재에 니오브를 120V의 음(-)전위 바이어스 전압을 인가한 상태에서 아크 방전시켜 형성된 중간층을 나타낸 SEM사진,
도 6은 도 2의 티타늄 모재에 니오브를 140V의 음(-)전위 바이어스 전압을 인가한 상태에서 아크 방전시켜 형성된 중간층을 나타낸 SEM사진,
도 7은 도 2의 티타늄 모재에 탄탈을 아크 방전시켜 형성된 중간층을 나타낸 SEM사진,
도 8은 도 2의 중간층에 백금을 아크 방전시켜 형성된 상부층을 나타낸 SEM사진.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 티타늄을 모재로 한 백금전극 제조 방법과 이의 제조방법에 대해서 구체적으로 설명한다.

도 1 내지 도 4를 참조하면서, 본 발명의 일 실시 예에 따라 티타늄을 모재로 한 백금전극 제조 방법은 티타늄(Ti)으로 이루어진 모재(80)의 표면에 묻어 있는 이물질을 제거하는 이물질제거단계(110)와, 모재(80)의 표면에 탄탈(Ta) 또는 니오브(Nb)로 이루어진 중간층(82)를 코팅하는 중간코팅단계(120)와, 중간층(82)의 표면에 백금으로 이루어진 상부층(84)을 코팅하는 백금코팅단계(130)를 포함한다.

이물질제거단계(110)에서는 티타늄(Ti)으로 이루어진 모재(80)의 표면에 묻어 있는 이물질을 세척한다. 이물질을 세척하기 위하여 세척통에 모재(80)를 투입한 다음 통상적인 세척액을 주입하고 세척기를 이용하여 모재(80)의 표면에 붙어 있는 불순물을 세척한다. 이외에도 통상적인 초음파를 이용하여 세척할 수도 있다.

중간코팅단계(120)는 세척공정을 거친 다음 헹굼 공정을 거치고 건조기에서 건조하여 수분을 증발시킨 모재(80)의 표면에 중간층(82)을 코팅하는 것으로 탄탈 (Ta)또는 니오브(Nb)를 모재(80)의 표면에 아크 방전을 이용하여 코팅시킨다. 여기서 중간층(82)은 산화막이 덜 형성되는 니오브(Nb)를 사용하는 것이 더 바람직하다. 이와 같이 아크 방전을 이용해 피증착물의 표면에 특정 물질을 코팅시키는 아크 이온 플레이팅 장치(10)는 가동시 아크 증발원인 음극과 진공챔버인 양극 사이에 아크 방전을 발생시킴에 따라 음극의 아크 스폿에서 당해 음극이 용융 및 증발되며, 이때 증발된 음극 물질은 음극과 양극 사이에 존재하는 가속 전자에 의해 이온화됨에 따라 피증착물의 표면에 음극물질의 증착이 이루어지는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 티타늄을 모재로 한 백금전극 제조 방법에 사용되는 아크 이온 플레이팅(Arc Ion Plating) 장치를 도시한 구성도이다. 도 1을 참조하면 대략적으로 아크 이온 플레이팅 장치(10)는 반응가스를 유입시킬 수 있는 반응가스 유입구 및 반응가스를 유출시킬 수 있도록 진공펌프(70)와 연결된 반응가스 유출구가 마련된 진공챔버(20)와, 진공챔버(20) 내의 일측에 하나 또는 복수 개가 장착되어 아크 증발원인 음극(30)을 아크 방전에 의해 용융 및 증발시키는 아크 발생원(50)과, 피증착물인 티타늄(Ti)으로 이루어진 모재를(80) 지지하고 가속전자에 의해 이온화된 물질을 끌어당기도록 바이어스 발생원(60)을 통해 음(-)전위 바이어스 전압이 인가되는 홀더(40)를 포함하여 구성된다. 이외에도 통상적인 아크 이온 플레이팅 장치를 이용할 수 있음은 물론이다.

상기의 아크 이온 플레이팅 장치(10)를 이용하여 반응을 시키기 위해서 모재(80)를 홀더(40)에 장착한 상태로 진공챔버(20)에 투입한 다음 진공펌프(70)를 가동하여 챔버(20)를 진공상태로 만든다. 챔버(20)의 압력은 외측의 압력게이지(미도시)로 측정한다. 그리고 반응가스로 아르곤가스를 챔버(20) 내에 주입한 후 아크 발생원(50)인 제네레이터로 방전시킨다. 음극 물질로 탄탈(Ta) 또는 니오브(Nb)를 이용한다. 그리고 반응가스로 아르곤가스 200sccm을 주입하여 아크 방전시킨다. 챔버(20) 내의 압력은 7.5mTorr, 전류는 140A로 방전시킨다.

본 발명에서 아크 이온 플레이팅 장치(10)를 이용하여 아크 방전시 홀더(40)에 80 내지 140V의 음(-)전위 바이어스 전압을 인가하여 방전시킨다. 상기 80 내지 140V의 음(-)전위를 인가하였을 때 모재(80)에 대한 중간층(82)의 부착력이 우수하다.

도 4는 도 2의 티타늄을 모재로 한 백금전극의 티타늄 모재에 니오브를 80V의 음(-)전위 바이어스 전압을 인가한 상태에서 아크 방전시켜 형성된 중간층을 나타낸 SEM사진이고, 도 5는 도 2의 티타늄을 모재로 한 백금전극의 티타늄 모재에 니오브를 120V의 음(-)전위 바이어스 전압을 인가한 상태에서 아크 방전시켜 형성된 중간층을 나타낸 SEM사진이고, 도 6은 도 2의 티타늄을 모재로 한 백금전극의 티타늄 모재에 니오브를 140V의 음(-)전위 바이어스 전압을 인가한 상태에서 아크 방전시켜 형성된 중간층을 나타낸 SEM사진이고, 도 7은 도 2의 티타늄을 모재로 한 백금전극의 티타늄 모재에 탄탈을 아크 방전시켜 형성된 중간층을 나타낸 SEM사진이다.

도 4 내지 도 7을 참조하면 티타늄(Ti) 모재에 니오브(Nb)를 80, 120, 140V의 음(-)전위 바이어스 전압을 각각 인가하여 아크 방전한 경우와 티탄(Ta)을 아크 방전한 경우에 중간층이 코팅된 상태를 확인할 수 있다.

백금코팅단계(130)는 티타늄(Ti)으로 이루어진 모재(80)에 탄탈(Ta) 또는 니오브(Nb)가 코팅된 중간층(82)에 백금을 코팅하여 상부층(84)을 만드는 단계로 백금을 중간층(82)의 표면에 아크 방전을 이용하여 코팅시킨다.

아크 이온 플레이팅 장치(10)를 이용하여 반응을 시키기 위해서 중간층(82)이 코팅된 모재(80)를 홀더(40)에 장착한 상태로 진공챔버(20)에 투입한 다음 진공펌프(70)를 가동하여 챔버(20)를 진공상태로 만든다. 챔버(20)의 압력은 외측의 압력게이지(미도시)로 측정한다. 그리고 반응가스로 아르곤가스를 챔버(20) 내에 주입한 후 아크 발생원(50)인 제네레이터로 방전시킨다. 음극 물질로 백금을 이용한다. 그리고 반응가스로 아르곤가스 200sccm 을 주입하여 아크 방전시킨다. 챔버(20) 내의 압력은 7.5mTorr, 전류는 140A로 방전시킨다.

본 발명에서 아크 이온 플레이팅 장치(10)를 이용하여 아크 방전시 홀더(40)에 80 내지 140V의 음(-)전위 바이어스 전압을 인가하여 방전시킨다. 상기 80 내지 140V의 음(-)전위를 인가하였을 때 중간층(82)에 대한 백금으로 이루어진 상부층(84)의 부착력이 우수하다.

상기와 같이 아크 이온 플레이팅 방법에 의해 티타늄 모재의 표면에 탄탈 또는 니오브로 중간층 코팅을 하고 중간층 표면에 아크 이온 플레이팅 방법에 의해 백금을 코팅함으로써 티타늄에 백금을 코팅할 수 있게 된다. 티타늄을 모재로 한 백금전극은 생체 용액과 반응하지 않으며 생체 내에서 안정하여 생체이식 재료 및 치료용 전극으로도 이용되며, 염소 및 산소에 대해 안정하여 전해전극이나 전기도금용 전극으로 이용할 수 있다.

이상에서 설명하고 도시한 바와 같은 본 발명은 상기의 실시 예에 한정하는 취지는 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태로 변경 실시될 수 있을 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

10; 아크 이온 플레이팅 장치 20; 진공챔버
30; 음극 40; 홀더
50; 아크 발생원 60; 바이어스 발생원
70; 진공펌프 80; 모재
100; 티타늄을 모재로 한 백금전극 110; 이물질제거단계
120; 중간코팅단계 130; 백금코팅단계

Claims (1)

1. 티타늄으로 이루어진 모재와;
   상기 모재의 표면에 코팅되며 탄탈 또는 니오브로 이루어진 중간층과;
   상기 중간층의 표면에 코팅되며 백금으로 이루어진 상부층;으로 이루어진 것을 특징으로 하는 티타늄을 모재로 한 백금전극.

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