KR20220067990A - Treatment method of metal surface for improving plasma resistance - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 금속의 표면에 산화층을 형성하는 표면 처리에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 플라즈마에 대한 저항성이 향상된 산화층을 형성하는 표면 처리에 관한 것이다.The present invention relates to a surface treatment for forming an oxide layer on the surface of a metal, and more particularly, to a surface treatment for forming an oxide layer with improved resistance to plasma.
일반적으로 반도체 소자 제조를 위한 공정을 수행함에 있어서 에칭 등의 다양한 공정에서 플라즈마를 사용하고 있으며, 최근 반도체 소자에 형성된 패턴의 크기가 작아지면서 종래의 습식 세정으로는 불충분하여 플라즈마를 이용한 건식 세정을 적용하기 때문에 반도체 소자 제조를 위한 전체 공정에서 플라즈마가 사용되는 공정의 수가 계속 증가하고 있다. In general, plasma is used in various processes such as etching in performing a process for manufacturing a semiconductor device, and as the size of a pattern formed on a semiconductor device has recently decreased, conventional wet cleaning is insufficient, so dry cleaning using plasma is applied. Therefore, the number of processes in which plasma is used in the entire process for manufacturing a semiconductor device continues to increase.
플라즈마 분위기 또는 고온에서 행해지기 때문에 플라즈마에 노출되는 부품은 내식성을 갖는 세라믹 재료가 사용될 필요가 있지만, 세라믹 재료의 가공성이 낮은 문제로 인하여 가공성이 좋은 금속 재료의 표면에 세라믹을 코팅하는 방식이 적용된다. 이때, 일반적인 코팅으로는 금속 기재와 세라믹 코팅층 사이의 접합력이 부족하기 때문에 플라즈마 스프레이 코팅을 적용하고 있지만, 플라즈마의 고온에 노출되는 문제로 인해 냉각 후에 코팅층과 기재 사이의 계면에 잔류 응력이 남는 문제가 있다.Since it is performed in a plasma atmosphere or high temperature, a ceramic material with corrosion resistance needs to be used for parts exposed to plasma, but a method of coating the ceramic on the surface of a metal material with good workability is applied due to the problem of low workability . At this time, as a general coating, plasma spray coating is applied because the bonding strength between the metal substrate and the ceramic coating layer is insufficient, but due to the problem of exposure to high temperature of plasma, residual stress remains at the interface between the coating layer and the substrate after cooling. have.
한편, 알루미늄합금은 소재 특성인 경량성, 가공성, 내식성 등으로 모든 산업분야에서 활용되는 가장 중요한 비철금속재료이다. 알루미늄이 많은 분야에서 사용되는 것은 알루미늄 본연의 우수한 성질 때문이기도 하지만, 아노다이징(anodizing)이라고 지칭되는 양극산화피막 처리방법에 의해서 알루미늄의 취약점인 표면경도(내마모성)와 내열성 등을 보강할 수 있기 때문이다. 아노다이징에 의한 산화피막은 내식성과 내열성이 뛰어나지만, 아노다이징 처리는 산화피막의 미세구조나 성분의 조절이 어렵고 공정이 복합한 단점이 있다. 특히, 아노다이징에 의한 산화피막은 자체의 밀도가 낮아서 플라즈마 환경에서 장시간을 사용할 수 있을 정도는 아니며, 금속기재의 표면에 직접 내플라즈마 특성의 세라믹층을 형성하는 것보다는 아노다이징에 의한 산화피막의 표면에 내플라즈마 특성의 세라믹층을 형성하는 것이 용이하기 때문에, 플라즈마를 이용하는 반도체 장비에 아노다이징된 알루미늄을 많이 사용하고 있다.On the other hand, aluminum alloy is the most important non-ferrous metal material used in all industrial fields due to its material properties such as lightness, workability, and corrosion resistance. Aluminum is used in many fields not only because of its excellent properties, but also because it can reinforce surface hardness (abrasion resistance) and heat resistance, which are weak points of aluminum, by an anodizing film treatment method called anodizing. . The oxide film by anodizing has excellent corrosion resistance and heat resistance, but the anodizing treatment has disadvantages in that it is difficult to control the microstructure or components of the oxide film and the process is complicated. In particular, the oxide film by anodizing has a low density, so it is not enough to be used for a long time in a plasma environment. Rather than directly forming a ceramic layer with plasma resistance on the surface of a metal substrate, Since it is easy to form a ceramic layer having plasma resistance, anodized aluminum is widely used in semiconductor equipment using plasma.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 내플라즈마 특성이 향상된 금속의 표면 처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a method for treating a surface of a metal having improved plasma resistance to solve the problems of the prior art.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 플라즈마 저항성이 향상된 금속 표면 처리 방법은, 전해액에 침지된 금속 재료의 표면에 플라즈마 전해 산화 방식으로 산화층을 형성하는 방법으로서, 전압은 임펄스가 일정 간격으로 반복되는 펄스파 형태로 인가되고, 임펄스 인가 시간이 60μsec 이하이고 임펄스 사이 간격이 임펄스 인가 시간의 15배 이상인 것을 특징으로 한다.A metal surface treatment method with improved plasma resistance according to the present invention for achieving the above object is a method of forming an oxide layer by plasma electrolytic oxidation on the surface of a metal material immersed in an electrolyte, wherein the voltage is repeated at regular intervals It is applied in the form of a pulse wave, and the impulse application time is 60 μsec or less, and the interval between impulses is 15 times or more of the impulse application time.
본 발명은 짧은 임펄스와 긴 휴지기를 통해서 미세한 플라즈마를 발생시킴으로써 산화층의 기공을 줄여 치밀한 산화층을 형성하는 것에 특징이 있다. The present invention is characterized in forming a dense oxide layer by reducing pores in the oxide layer by generating a fine plasma through a short impulse and a long rest period.
이때, 짧은 임펄스 인가 시간에도 플라즈마 전해 산화가 수행될 수 있는 전압을 인가하여야 하며, 520V 이상인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 550V 이상인 것이 좋다.At this time, it is necessary to apply a voltage at which plasma electrolytic oxidation can be performed even in a short impulse application time, preferably 520V or more, and more preferably 550V or more.
임펄스 인가 시간이 40μsec 이하로 짧아지면 더욱 치밀한 산화층을 형성할 수 있다.When the impulse application time is shortened to 40 μsec or less, a more dense oxide layer can be formed.
임펄스 사이 간격이 임펄스 인가 시간의 60배 이상으로 길어지면 더욱 치밀한 산화층을 형성할 수 있다.If the interval between impulses is longer than 60 times the impulse application time, a more dense oxide layer can be formed.
임펄스 인가 시간을 고정한 상태에서, 임펄스 사이 간격을 점차 늘려 가면 더욱 치밀한 산화층을 얻을 수 있다.A more dense oxide layer can be obtained by gradually increasing the interval between impulses while the impulse application time is fixed.
본 발명의 다른 형태에 의한 플라즈마 저항성이 향상된 금속 표면 처리 방법은, 전압은 임펄스가 일정 간격으로 반복되는 펄스파 형태로 인가되고, In the metal surface treatment method with improved plasma resistance according to another aspect of the present invention, a voltage is applied in the form of a pulse wave in which an impulse is repeated at regular intervals,
산화층을 형성하고 성장시키는 산화층 형성 단계와 산화층의 기공을 좁혀서 치밀화하는 산화층 치밀화 단계가 순차적으로 수행되며, 산화층 치밀화 단계는 임펄스 인가 시간이 60μsec 이하이고 임펄스 사이 간격이 임펄스 인가 시간의 15배 이상인 것을 특징으로 한다.The oxide layer forming step of forming and growing the oxide layer and the oxide layer densification step of narrowing and densifying the pores of the oxide layer are sequentially performed. do it with
산화층 형성 단계는 치밀화 이전 단계로서 특별히 제한되지 않지만, 산화층이 형성되는 속도를 감안하면 임펄스 사이 간격이 임펄스 인가 시간의 5배 이하인 것이 좋다. 임펄스 인가 시간은 500μsec 이상인 것이 바람직하고, 임펄스 시간이 긴 만큼 300 내지 400V 전압을 인가하는 것이 좋다.The step of forming the oxide layer is not particularly limited as a step before densification, but considering the rate at which the oxide layer is formed, it is preferable that the interval between impulses be 5 times or less the time of applying the impulse. It is preferable that the impulse application time is 500 μsec or more, and it is preferable to apply a voltage of 300 to 400 V as the impulse time is long.
산화층 형성 단계와 산화층 치밀화 단계는, 동일한 전해액에 대하여 인가되는 전압의 펄스파만을 변경하여 수행되는 것이 바람직하다. The oxide layer forming step and the oxide layer densification step are preferably performed by changing only the pulse wave of the voltage applied to the same electrolyte.
이때, 산화층 형성 단계와 산화층 치밀화 단계 사이에 중간 단계를 더 수행할 수 있으며, 중간 단계는, 산화층 형성 단계의 펄스파와 산화층 치밀화 단계의 펄스파의 중간에 해당하는 펄스파를 인가하되, 펄스파를 순차적으로 변화시키는 단계이다.At this time, an intermediate step may be further performed between the oxide layer forming step and the oxide layer densification step, and in the intermediate step, a pulse wave corresponding to the middle between the pulse wave of the oxide layer forming step and the pulse wave of the oxide layer densification step is applied, but the pulse wave is It is a step-by-step change.
본 발명의 또 다른 형태에 의한 플라즈마 저항성이 향상된 금속 재료는, 금속 재질의 기재; 및 상기 기재 표면에 플라즈마 전해 산화 처리로 형성된 산화층으로 구성되며, 상기 산화층은 단면의 기공률이 10% 이하인 것을 특징으로 한다. A metal material having improved plasma resistance according to another aspect of the present invention includes: a metal substrate; and an oxide layer formed on the surface of the substrate by plasma electrolytic oxidation treatment, wherein the oxide layer has a cross-sectional porosity of 10% or less.
이때 기공률이 낮아서 치밀한 산화층은 절연 파괴전압이 2500V 이상으로 높아지면서 플라즈마에 대한 저항성이 향상된다.At this time, as the dielectric breakdown voltage of the dense oxide layer due to the low porosity is increased to 2500V or more, the resistance to plasma is improved.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 산화층의 기공을 줄여서 치밀한 산화층을 형성함으로써, 절연파괴전압이 높아질 뿐만이 아니라 플라즈마에 대한 저항성도 크게 향상되는 효과가 있다.The present invention configured as described above has the effect of not only increasing the breakdown voltage but also greatly improving the resistance to plasma by reducing the pores of the oxide layer to form a dense oxide layer.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 내플라즈마 특성이 향상된 금속 표면처리 방법에서 플라즈마 전해 산화를 위해 인가되는 펄스파를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 내플라즈마 특성이 향상된 금속 표면처리 방법으로 표면 처리된 시료의 표면에 대한 단면 사진이다.
도 3은 종래의 플라즈마 전해 산화 공정으로 표면 처리된 시료의 표면에 대한 단면 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예와 종래의 비교예에 따라서 표면 처리된 금속 시료에 대한 절연파괴전압 실험 조건을 표시한 사진이다.1 is a view for explaining a pulse wave applied for plasma electrolytic oxidation in a method for treating a metal surface having improved plasma resistance according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional photograph of the surface of the sample surface-treated by the metal surface treatment method with improved plasma resistance according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional photograph of a surface of a sample surface-treated by a conventional plasma electrolytic oxidation process.
4 is a photograph showing the breakdown voltage test conditions for the surface-treated metal sample according to the embodiment of the present invention and the conventional comparative example.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. An embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. However, the embodiment of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited only to the embodiments described below. The shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for a clearer description, and elements indicated by the same reference numerals in the drawings are the same elements.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별이 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미 한다.And throughout the specification, when a part is "connected" with another part, it includes not only the case where it is "directly connected" but also the case where it is "electrically connected" with another element interposed therebetween. In addition, when a part "includes" or "includes" a certain component, it means that other components may be further included or provided without excluding other components unless otherwise stated. do.
또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.In addition, terms such as “first” and “second” are for distinguishing one component from other components, and the scope of rights should not be limited by these terms. For example, a first component may be termed a second component, and similarly, a second component may also be termed a first component.
본 발명은 가공성이 좋은 금속재의 표면에 내플라즈마 특성이 뛰어난 세라믹층을 형성하기 위하여 플라즈마 전해 산화(Plasma Electrolytic Oxidation, PEO) 방식으로 표면처리를 수행한다.In the present invention, in order to form a ceramic layer having excellent plasma resistance on the surface of a metal material having good workability, the surface treatment is performed by a plasma electrolytic oxidation (PEO) method.
플라즈마 전해 산화는 표면처리를 위한 기재를 전해액 내에서 애노드로 연결하고 이격된 캐소드와의 사이에 전압을 인가하여 표면에 산화물층을 형성하는 점에서 아노다이징과 유사하다. 하지만 플라즈마 전해 산화는 금속 기재의 표면에서 플라즈마를 발생시키는 점에서 아노다이징과는 차이가 있으며, 구체적으로 플라즈마 발생을 위한 전류밀도 및 전압 조건에서 차이가 있다. 특히, 아노다이징이 80㎛ 이하의 산화피막을 형성할 수 있는 것에 비하여, 플라즈마 전해 산화는 300㎛ 전후의 산화층까지 형성할 수 있다.Plasma electrolytic oxidation is similar to anodizing in that an oxide layer is formed on the surface by connecting a substrate for surface treatment to an anode in an electrolyte solution and applying a voltage between it and a cathode spaced apart. However, plasma electrolytic oxidation is different from anodizing in that it generates plasma on the surface of a metal substrate, and specifically, there is a difference in current density and voltage conditions for plasma generation. In particular, while anodizing can form an oxide film of 80 µm or less, plasma electrolytic oxidation can form an oxide layer of about 300 µm or less.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 내플라즈마 특성이 향상된 금속 표면처리 방법에서 플라즈마 전해 산화를 위해 인가되는 펄스파를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a pulse wave applied for plasma electrolytic oxidation in a method for treating a metal surface having improved plasma resistance according to an embodiment of the present invention.
도시된 것과 같이, 본 실시예의 내플라즈마 특성이 향상된 금속 표면처리 방법은 단일의 펄스(이하 임펄스)들 사이에 휴지기가 포함된 형태의 펄스파를 적용하여 플라즈마 전해 산화를 수행한다.As shown, in the metal surface treatment method with improved plasma resistance of this embodiment, plasma electrolytic oxidation is performed by applying a pulse wave having a rest period between single pulses (hereinafter, impulses).
일반적으로 기공이 기둥형태로 성장하는 기공셀 구조를 보이는 아노다이징에 비하여 플라즈마 전해 산화로 형성된 산화층은 치밀한 편이지만, 플라즈마 전해 산화에 의해 형성된 산화층의 경우에도 내부에 기공이 포함되어 있다. In general, the oxide layer formed by plasma electrolytic oxidation is dense compared to anodizing, which shows a pore cell structure in which pores grow in a columnar shape, but even the oxide layer formed by plasma electrolytic oxidation contains pores inside.
플라즈마 전해 산화에 의한 산화층의 표면에 포함된 기공은 산화층의 내전압 특성을 약화시키고 최종적으로는 내플라즈마 특성이 낮아지는 원인이 된다. 본 발명은 산화층에 포함된 기공을 최소화할 수 있는 플라즈마 전해 산화 공정을 통해 더 치밀한 산화층을 형성함으로써, 절연파괴전압을 높이면서 내플라즈마 특성까지 향상시키는 것을 목적으로 한다.The pores included in the surface of the oxide layer due to plasma electrolytic oxidation weaken the withstand voltage characteristics of the oxide layer and ultimately cause the plasma resistance characteristics to be lowered. An object of the present invention is to improve the plasma resistance while increasing the breakdown voltage by forming a denser oxide layer through a plasma electrolytic oxidation process capable of minimizing pores included in the oxide layer.
구체적으로 본 발명은 플라즈마 전해 산화를 위한 펄스파에서 임펄스의 길이(τ)를 줄이는 방법을 통해서, 산화층의 기공을 줄여서 치밀하게 하는 방법을 제공한다. 본 발명의 발명자들은 임펄스의 길이가 짧을수록 산화층에 포함된 기공의 크기가 작아서 치밀한 산화층이 형성되는 것을 확인하였다. 이는 임펄스의 길이가 짧을수록 표면에서 발생되는 플라즈마(아크)가 작아지고, 미세한 플라즈마가 적용된 경우에 기공의 크기가 작아지기 때문인 것으로 생각된다. 이때, 임펄스의 길이가 짧아질수록 기재의 표면에서 플라즈마가 형성되기 어려우므로 전압을 더 높게 인가해야한다.Specifically, the present invention provides a method of reducing the pores of an oxide layer and making it dense by reducing the length (τ) of an impulse in a pulse wave for plasma electrolytic oxidation. The inventors of the present invention confirmed that the shorter the length of the impulse, the smaller the size of the pores included in the oxide layer, so that a dense oxide layer was formed. This is thought to be because the shorter the length of the impulse, the smaller the plasma (arc) generated on the surface, and the smaller the size of the pores when a fine plasma is applied. At this time, as the length of the impulse becomes shorter, it is difficult to form plasma on the surface of the substrate, so a higher voltage must be applied.
본 발명의 발명자들은 임펄스 인가 시간이 80μsec 이하일 때에, 내플라즈마 특성이 향상될 정도로 기공이 작고 치밀한 산화층이 형성되는 것을 확인하였으며, 더욱 바람직하게는 임펄스 인가 시간이 40μsec 이하인 것이 좋다. 이때, 앞서 살펴본 것과 같이 전압은 기재 표면에 플라즈마가 생성될 수 있을 정도의 전압이 필요하며, 일반적인 전해액을 사용할 때에 520V 이상의 전압을 인가하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 550V 이상의 전압을 인가하는 것이 좋다. 기재와 전해액의 조건에 따라서 전압의 조건은 변경될 수도 있다.The inventors of the present invention have confirmed that, when the impulse application time is 80 μsec or less, the pores are small enough to improve plasma resistance and a dense oxide layer is formed, and more preferably, the impulse application time is 40 μsec or less. At this time, as described above, the voltage needs to be sufficient to generate plasma on the surface of the substrate, and when using a general electrolyte, it is preferable to apply a voltage of 520V or more, and more preferably, apply a voltage of 550V or more. good night. The voltage conditions may be changed according to the conditions of the substrate and the electrolyte.
또한 본 발명의 발명자들은 임펄스 인가 시간과 함께, 임펄스 사이의 휴지기의 길이(t0)도 산화층의 치밀성에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 휴지기가 충분히 길어야 이전의 임펄스에서 발생된 플라즈마에 의한 전해 산화 효과가 모두 제거된 뒤에 새로운 임펄스에 의한 전해 산화가 수행되기 때문으로 생각된다. In addition, the inventors of the present invention confirmed that the length of the rest period (t 0 ) between impulses, along with the impulse application time, also affects the compactness of the oxide layer. It is thought that this is because the electrolytic oxidation by the new impulse is performed after the effect of electrolytic oxidation by the plasma generated in the previous impulse is all removed when the rest period is long enough.
본 발명의 발명자들은 휴지기의 길이가 임펄스 인가 시간의 15배 이상인 경우에 내플라즈마 특성이 향상될 정도로 기공이 작고 치밀한 산화층이 형성되는 것을 확인하였으며, 더욱 바람직하게는 휴지기의 길이가 임펄스 인가 시간의 60배 이상인 것이 좋다. The inventors of the present invention have confirmed that when the length of the resting period is 15 times or more of the impulse application time, the pores are small enough to improve the plasma resistance and a dense oxide layer is formed, and more preferably, the length of the resting period is 60 times the impulse application time More than double is good.
한편, 본 발명에서 기공이 적은 치밀한 산화층을 얻기 위한 방법은, 미세한 플라즈마를 형성하기 위하여 임펄스 인가 시간을 줄이고 전압을 높이는 것에 특징이 있기 때문에, 종래의 일반적인 플라즈마 전해 산화의 경우와는 공정 조건에서 차이가 있다. 종래의 일반적인 플라즈마 전해 산화 공정은, 일반적으로 요구되는 물성의 산화층을 형성하면서 공정 시간 등을 고려하여 최적화된 것이다. 본 발명은 기공이 적어서 치밀한 산화층을 형성할 수 있지만, 종래의 공정에서 비하여 산화층 형성에 최적화된 것은 아니므로, 본 발명의 공정 조건으로 바로 플라즈마 전해 산화를 시작하지 않고, 일반적인 플라즈마 전해 산화 공정에서 본 발명의 공정으로 점차 이동하는 것이 좋다. On the other hand, since the method for obtaining a dense oxide layer with few pores in the present invention is characterized by reducing the impulse application time and increasing the voltage to form a fine plasma, it is different from the conventional plasma electrolytic oxidation in process conditions there is The conventional plasma electrolytic oxidation process is optimized in consideration of the process time and the like while forming an oxide layer having generally required physical properties. Although the present invention can form a dense oxide layer due to the small number of pores, it is not optimized for oxide layer formation compared to the conventional process. It is better to move gradually to the process of invention.
우선 종래의 일반적인 플라즈마 전해 산화 공정의 범위에서 플라즈마 전해 산화 공정을 시작하며, 구체적으로 전압은 상대적으로 낮고 펄스파에서 임펄스의 인가 시간이 길고 휴지기가 짧다. 이후에는 점차 전압을 높이면서 임펄스의 인가 시간을 줄이고 휴지기를 늘려서 상기한 범위로 공정 조건을 변경한다.First, the plasma electrolytic oxidation process is started in the range of the conventional plasma electrolytic oxidation process. Specifically, the voltage is relatively low, and the pulse wave has a long impulse application time and a short rest period. Thereafter, the process conditions are changed within the above range by gradually increasing the voltage, reducing the impulse application time and increasing the rest period.
이를 정리하면, 종래의 플라즈마 전해 산화 공정의 범위에서 플라즈마 전해 산화를 수행하는 단계를 산화층을 형성하고 성장시키는 산화층 형성 단계와, 임펄스를 짧게 인가하고 휴지기를 길게 하는 단계를 기공을 줄이고 산화층의 밀도를 높이는 산화층 치밀화 단계를 순차적으로 수행한다. 이때, 임펄스와 휴지기의 시간 및 전압에서 차이가 있기 때문에, 한 번에 공정 조건을 변경하는 것보다는 점차적으로 공정을 변화시키는 중간 단계를 거쳐서 진행하는 것이 바람직하다.To summarize, in the range of the conventional plasma electrolytic oxidation process, the step of performing plasma electrolytic oxidation includes the step of forming an oxide layer to form and grow an oxide layer, and the step of applying a short impulse and lengthening the rest period to reduce pores and increase the density of the oxide layer. The height of the oxide layer densification is performed sequentially. At this time, since there is a difference in the time and voltage between the impulse and the rest period, it is preferable to proceed through an intermediate step of gradually changing the process rather than changing the process conditions at once.
나아가 산화층 치밀화 단계에서도 전압을 일정하게 유지한 상태에서 임펄스 시간을 줄이고 휴지기를 늘리는 과정을 다단계로 나누어 진행함으로써, 내부가 치밀하고 두께가 균일한 산화층을 형성할 수 있다. Furthermore, in the step of densifying the oxide layer, the process of reducing the impulse time and increasing the rest period while maintaining the voltage constant is divided into multiple steps to form an oxide layer with a dense interior and a uniform thickness.
실시예Example
Si, P, Al, Na, K 의 원소 중 2 개 이상을 5~8 wt% 범위로 포함하는 전해액을 사용하여, Al 기재의 표면에 플라즈마 전해 산화를 수행하였다. 이러한 전해액은 플라즈마 전해 산화 공정에서 일반적으로 사용될 수 있는 구성이며, 본 실시예가 특정의 전해액 성분에 의해서 산화층이 치밀해지는 것이 아님을 알 수 있었다. Plasma electrolytic oxidation was performed on the surface of the Al substrate using an electrolyte containing at least two of the elements of Si, P, Al, Na, and K in the range of 5 to 8 wt%. This electrolyte is a configuration that can be generally used in a plasma electrolytic oxidation process, and it can be seen that the present embodiment does not make the oxide layer dense by a specific electrolyte component.
본 실시예는 펄스파의 조건을 기준으로 3단계로 구분할 수 있다.This embodiment can be divided into three stages based on the condition of the pulse wave.
1단계는 산화층 형성 단계로서 휴지기가 100μsec 이고 임펄스가 1000μsec 이다.
이러한 펄스파는 종래의 플라즈마 전해 산화 공정에서 많이 적용되는 범위이다. 전압은 400V에서 450V까지 초당 1V의 속도로 올리고, 450V에서 5분간 유지한다.Such a pulse wave is a range widely applied in the conventional plasma electrolytic oxidation process. The voltage is raised from 400V to 450V at a rate of 1V per second, and maintained at 450V for 5 minutes.
2단계는 중간 단계로서 휴지기를 1000μsec 늘리고 임펄스를 100μsec까지 줄이며, 전압은 510V까지 상승시킨다. Step 2 is an intermediate step, increasing the rest period by 1000 μsec, reducing the impulse to 100 μsec, and raising the voltage to 510 V.
전압은 초당 0.4V의 속도로 승압하고 승압하는 과정에서는 임펄스를 200μsec로 줄였다가, 510V에서 임펄스를 100μsec로 다시 줄이고 10분 동안 플라즈마 전해 산화를 수행한다.The voltage is boosted at a rate of 0.4V per second, and the impulse is reduced to 200μsec during the step-up process, then the impulse is reduced again to 100μsec at 510V and plasma electrolytic oxidation is performed for 10 minutes.
3단계는 산화층 치밀화 단계로서 전압을 550V까지 승압하고, 휴지기를 2500μsec로 늘리며, 임펄스는 40μsec로 줄인다.Step 3 is an oxide layer densification step, and the voltage is boosted to 550V, the rest period is increased to 2500 μsec, and the impulse is reduced to 40 μsec.
3단계는 우선 휴지기를 1000μsec로 유지한 상태에서 임펄스를 60μsec로 줄이고, 전압을 초당 0.2V의 속도로 승압한다. 전압이 550V가 되면 휴지기를 1000μsec로 유지한 상태에서 임펄스를 40μsec로 다시 줄이고 5분을 유지한다. 이후에 전압과 임펄스를 유지한 상태에서 휴지기를 2000μsec와 2500μsec로 순차적으로 증가시키면서 5분씩을 유지한다.Step 3 first reduces the impulse to 60 μsec while maintaining the rest period at 1000 μsec, and boosts the voltage at a rate of 0.2 V per second. When the voltage reaches 550V, while maintaining the rest period at 1000μsec, the impulse is again reduced to 40μsec and maintained for 5 minutes. After that, while maintaining the voltage and impulse, the rest period is sequentially increased to 2000 μsec and 2500 μsec and maintained for 5 minutes each.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 내플라즈마 특성이 향상된 금속 표면처리 방법으로 표면 처리된 시료의 표면에 대한 단면 사진이다.2 is a cross-sectional photograph of the surface of the sample surface-treated by the metal surface treatment method with improved plasma resistance according to an embodiment of the present invention.
도 3은 종래의 플라즈마 전해 산화 공정으로 표면 처리된 시료의 표면에 대한 단면 사진이다.3 is a cross-sectional photograph of a surface of a sample surface-treated by a conventional plasma electrolytic oxidation process.
도 3은 400V의 전압을 휴지기가 1000μsec 이고 임펄스가 200μsec인 펄스파 형태로 인가하여 10분간 플라즈마 전해 산화를 수행한 결과이다.3 is a result of performing plasma electrolytic oxidation for 10 minutes by applying a voltage of 400V in the form of a pulse wave having a rest period of 1000 μsec and an impulse of 200 μsec.
도시된 것과 같이, 종래의 공정 조건에서 표면 처리된 산화층은 내부에 기공이 포함된 것을 확인할 수 있으나, 본 실시예에 따라서 표면 처리된 산화층은 내부에 기공이 거의 없이 치밀한 구조가 형성된 것을 확인할 수 있다.As shown, it can be confirmed that the surface-treated oxide layer has pores inside under the conventional process conditions, but it can be confirmed that the oxide layer surface-treated according to this embodiment has a dense structure with few pores inside. .
본 실시예에 따라서 표면 처리된 산화층은 단면의 기공률이 10% 이하이다. 이와 같이 치밀한 산화층은 플라즈마 환경에서 오래 사용할 수 있기 때문에, 플라즈마 저항성이 향상된 금속 재료를 얻을 수 있다. The oxide layer surface-treated according to the present embodiment has a cross-sectional porosity of 10% or less. Since such a dense oxide layer can be used for a long time in a plasma environment, a metal material having improved plasma resistance can be obtained.
이와 같이, 본 실시예에 따라서 표면 처리된 산화층은 내부에 기공이 거의 없이 치밀한 구조를 가지는 것을 확인할 수 있었으며, 그에 따라서 절연파괴전압이 향상되었다. As described above, it was confirmed that the oxide layer surface-treated according to the present embodiment had a dense structure with few pores therein, and thus the breakdown voltage was improved.
2500V의 전압을 인가하여, 표면 처리된 산화층에 대한 절연파괴 특성을 평가하였다. By applying a voltage of 2500V, dielectric breakdown characteristics of the surface-treated oxide layer were evaluated.
도 4에 도시된 것과 같이, AC 2500V까지 시간당 25V씩 승압하여 목표전압 도달 후 2초 이상 전압을 지속시켰다. 본 실시예에 따라서 표면처리된 금속시료는 AC 2500V 테스트에서 절연되었으나, 종래의 플라즈마 전해 산화 공정으로 표면 처리된 시료는 AC 2500V의 전압에서 통전되었다. As shown in FIG. 4 , the voltage was maintained for 2 seconds or longer after reaching the target voltage by stepping up by 25V per hour to AC 2500V. According to this embodiment, the surface-treated metal sample was insulated in the AC 2500V test, but the surface-treated sample by the conventional plasma electrolytic oxidation process was energized at a voltage of AC 2500V.
본 실시예에 따라서 표면 처리된 산화층은 절연파괴전압이 AC 2500V 이상으로 향상되었음이 확인되었다.It was confirmed that the breakdown voltage of the oxide layer surface-treated according to this embodiment was improved to AC 2500V or more.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described through preferred embodiments, but the above-described embodiments are merely illustrative of the technical spirit of the present invention, and various changes are possible without departing from the technical spirit of the present invention in this field. Those of ordinary skill in the art will be able to understand. Therefore, the protection scope of the present invention should be interpreted by the matters described in the claims, not specific embodiments, and all technical ideas within the equivalent range should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
Claims (12)
전압은 임펄스가 일정 간격으로 반복되는 펄스파 형태로 인가되고, 임펄스 인가 시간이 60μsec 이하이고 임펄스 사이 간격이 임펄스 인가 시간의 15배 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성이 향상된 금속 표면 처리 방법.
A method of forming an oxide layer by plasma electrolytic oxidation on the surface of a metal material immersed in an electrolyte, comprising:
The voltage is applied in the form of a pulse wave in which impulses are repeated at regular intervals, the impulse application time is 60 μsec or less, and the interval between impulses is 15 times or more of the impulse application time.
전압이 520V 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성이 향상된 금속 표면 처리 방법.
The method according to claim 1,
A method for treating a metal surface with improved plasma resistance, characterized in that the voltage is 520V or higher.
전압이 550V 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성이 향상된 금속 표면 처리 방법.
3. The method according to claim 2,
A method for treating a metal surface with improved plasma resistance, characterized in that the voltage is 550V or higher.
임펄스 인가 시간이 40μsec 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성이 향상된 금속 표면 처리 방법.
The method according to claim 1,
A metal surface treatment method with improved plasma resistance, characterized in that the impulse application time is 40 μsec or less.
임펄스 사이 간격이 임펄스 인가 시간의 60배 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성이 향상된 금속 표면 처리 방법.
The method according to claim 1,
A metal surface treatment method with improved plasma resistance, characterized in that the interval between impulses is 60 times or more of the impulse application time.
임펄스 인가 시간을 고정한 상태에서, 임펄스 사이 간격을 점차 늘려가는 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성이 향상된 금속 표면 처리 방법.
The method according to claim 1,
A method for treating a metal surface with improved plasma resistance, characterized in that the interval between impulses is gradually increased while the impulse application time is fixed.
전압은 임펄스가 일정 간격으로 반복되는 펄스파 형태로 인가되고,
산화층을 형성하고 성장시키는 산화층 형성 단계와 산화층의 기공을 좁혀서 치밀화하는 산화층 치밀화 단계가 순차적으로 수행되며,
산화층 치밀화 단계는 임펄스 인가 시간이 60μsec 이하이고 임펄스 사이 간격이 임펄스 인가 시간의 15배 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성이 향상된 금속 표면 처리 방법.
A method of forming an oxide layer in a PEO method on the surface of a metal material immersed in an electrolyte,
Voltage is applied in the form of a pulse wave in which impulses are repeated at regular intervals,
The oxide layer forming step of forming and growing the oxide layer and the oxide layer densification step of narrowing and densifying the pores of the oxide layer are sequentially performed,
In the step of densifying the oxide layer, the impulse application time is 60 μsec or less, and the interval between impulses is 15 times or more of the impulse application time.
산화층 형성 단계는 임펄스 사이 간격이 임펄스 인가 시간의 5배 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성이 향상된 금속 표면 처리 방법.
The method according to claim 1,
In the step of forming the oxide layer, the method for treating a metal surface with improved plasma resistance, characterized in that the interval between the impulses is 5 times or less of the impulse application time.
산화층 형성 단계와 산화층 치밀화 단계는, 동일한 전해액에 대하여 인가되는 전압의 펄스파만을 변경하여 수행되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성이 향상된 금속 표면 처리 방법.
The method according to claim 1,
The oxide layer forming step and the oxide layer densification step are performed by changing only a pulse wave of a voltage applied to the same electrolyte.
산화층 형성 단계와 산화층 치밀화 단계 사이에 중간 단계를 더 수행하며,
중간 단계는, 산화층 형성 단계의 펄스파와 산화층 치밀화 단계의 펄스파의 중간에 해당하는 펄스파를 인가하되, 펄스파를 순차적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성이 향상된 금속 표면 처리 방법.
10. The method of claim 9,
Further performing an intermediate step between the step of forming an oxide layer and the step of densifying the oxide layer,
In the intermediate step, a pulse wave corresponding to the middle of the pulse wave of the step of forming the oxide layer and the pulse wave of the step of densifying the oxide layer is applied, and the pulse wave is sequentially changed.
상기 기재 표면에 플라즈마 전해 산화 처리로 형성된 산화층으로 구성되며,
상기 산화층은 단면의 기공률이 10% 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성이 향상된 금속 재료.
a metal substrate; and
It consists of an oxide layer formed by plasma electrolytic oxidation treatment on the surface of the substrate,
The metal material with improved plasma resistance, characterized in that the oxide layer has a cross-section porosity of 10% or less.
상기 산화층은 절연파괴전압이 AC 2500V 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성이 향상된 금속 재료.
12. The method of claim 11,
The oxide layer is a metal material with improved plasma resistance, characterized in that the breakdown voltage is AC 2500V or more.
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2020
- 2020-11-18 KR KR1020200154844A patent/KR102416001B1/en active IP Right Grant
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102416001B1 (en) | 2022-07-05 |
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