KR940002262B1 - 전기 분해 장치 및 이 장치의 동작 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

전기 분해 장치 및 이 장치의 동작 방법

제1도는 스트립의 한 표면과 같은 양극판 표면을 도금하기 위해 사용된 양극 부재를 도시한 도면.

제2도는 회전 실린더 상에 비 접착 전착시킴으로써 박막을 형성하기 위해 사용된 양극 부재를 도시한 도면.

제3도는 다수의 양극과 음극 사이의 거리들에 대한, 전극들 사이의 압력에 따른 전해질의 비 유동율(specific flow rate)의 변화를 도시한 그래프.

제4도는 전해질의 일정한 비 유동율에서의, 전극들 사이의 전해질 압력에 대한 양극-음극 거리의 영향을 도시한 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 양극부재 2 : 스트립

3 : 입구 4 : 덕트

5, 6 : 오리피스 7 : 관

8 : 수집기 9 : 펌프

10 : 실린더 11 : 비접착 금속 박막

본 발명은 전기 분해 장치와 기판상에 금속 물질을 전착(electrodeposition) 시키는 방법에 관한 것이다. 전착 기술은 초박막으로 기판으로부터 분리될 수 있는 접착 도금 또는 박막 비접착 도금을 형성하기 위해 오랫동안 사용되어 오던 빙법이다.

공지된 바와 같이, 이 방법에서, 금속의 전착 속도는 특히 사용되는 전류 밀도에 좌우되고, 전류 밀도의 실제적인 획득은 그에 따라 전해질의 "난류(turbulence)"에 관련된다.

공지된 바와 같이, 전기 분해 동작의 비용은 특히 전극들 사이의 전위차에 좌우되는데, 이것은 전극들 사이의 거리를 감소시킴으로써 절감될 수 있다.

그러므로, 전기 분해 동작이 경제적으로 되게 하려면, 전해질이 가능한 한 인접되어 있는 2개의 전극들사이에서 고속으로 이송되어야 한다.

이 문제에 대해서는 이미 여러가지 해결책이 있었는데, 주로 기존의 전극 표면에 전극을 수직상태로 해주는 기술을 포함한다. 그러나, 이 해결책들은 소형 전극들에만 적용할 수 있다. 예를들어 넓은 강판 또는 스트립(strip)을 피막시킬때나 전기 형성법에 의해 넓은 박막을 제조하는 경우와 같이, 전극의 표면이 넓을 때에는, 유동 단면이 작고 전해질의 이동 거리가 크기 때문에 압력 강하가 상당히 크게 된다. 이러한 경우에는, 전해질을 구동시키기 위해 매우 강력한 펌프에 의해 매우 높은 압력를 인가해야 한다. 이 압력은 전극에 상당한 힘을 가하여 전극을 변형시키게 되어, 제어할 수 없는 공간 변화를 일으키고 전해질의 균일성을 파괴한다.

본 발명은 과대한 구동 압력을 사용하지 않고서, 매우 인접한 2개의 전극들 사이에서 전해질을 경제적으로 크게 난류하게 하는 장치에 관한 것이다.

본 발명은 기판으로 되는 음극과 이 음극에 매우 인접한(1㎝ 미만, 양호하게는 5㎝ 미만)양극 사이에서 전해질의 난류를 크게 하기에 적합한 기판상의 전착장치 또는 전해질 처리 장치에 있어서, 양극판(plate) 표면에 걸쳐 분포되어 전해질 공급 수단에 접속된 제1셋트의 오리피스 부근에 있는 제2셋트의 오리피스를 형성한 양극판을 포함하고, 제2셋트의 오리피스가 전해질 배출 수단에 접속되며, 양극판이 전기분해 회로의 양극을 구성하는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치를 제공한다.

한 실시예에서, 양극판은 폐쇄된 내부 공간을 한정하는 양극 부재를 형성하도록 다수의 다른 벽들과 상호작용하고, 양극 부재의 벽을 통해 연장되고 내부 공간에 수용되는 최소한 1개의 오리피스 또는 입구(inletport) 및 제2셋트의 오리피스에 접속되고, 이 오리피스들과 통하지 않고 양극 부재를 외부에 개방시키지 않고서 내부 공간을 통해 연장되는 관으로 구성된다.

다른 실시예에서, 제2셋트의 오리피스에 접속된 관들의 다른 끝은 수집기(collector)를 통해 흡입수단, 예를들어 펌프에 접속된다.

양호한 장치는 다음과 같이 동작될 수 있다. 즉, DC 전원의 정(+) 단자에 접속된 양극 부재는 2셋트의 오리피스로 형성된 벽이 동일한 DC 전원의 부(-) 단자에 접속된 기판의 표면 근처에 있도록 배치된다.

전해질은 입구를 통해 양극 부재 내부의 공간내로 적정 압력으로 유입된다. 공급 압력의 결과로서, 제1셋트의 오리피스를 통해 양극 부재를 떠나서, 양극 부재 벽과 기판사이, 즉 양극과 음극 사이의 좁은 공간내를 흐른다. 이 공간 내에서 짧은 거리를 주행한 후, 전해질은, 예를들어, 흡입 작용에 의해 제2셋트의 오리피스에 의해 흡입되어, 이 오리피스들에 접속된 관을 통해 필요시에 양극 부재내로 재유입될 수 있고, 도시한 바와 같이 회로를 통해 다시 주행한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 상세하게 기술하겠다.

제1도를 참조하면, 본 발명에 따른 장치의 제1실시예는 1개의 벽이 이동 금속 스트립(2)의 표면에 평행하고 매우 인접하게 배치된 평평한 양극판을 구성하는 양극 부재(1)을 포함한다(도면내에서는 이 거리가 확대되어 도시되어 있다). 양극 부재(1)의 측벽은 공급원(도시하지 않음)으로부터 압력된 전해질을 공급하기 위한 덕트(duct, 4)에 접속된 입구(3)을 갖는다.

스토립(2)에 접하는 양극 부재(1)의 벽은 양극 부재(1) 내부의 공간을 양극 부재(1)과 스트립(2) 사이의 좁은 공간에 접속시키는 제1셋트의 오리피스(5)로 형성된다. 이 벽은 양극 부재(1)의 내부를 통해 연장되고 양극 부재(1)의 다른 벽을 통해 기밀(sealing-tight) 방식으로 빠져나오는 관(7)에 접속된(제1셋트가 사이에 삽입된) 제2셋트의 오리피스(6)으로 형성된다. 제1도에 도시한 실시예에서, 관은 배출 펌프(9)에 접속될 수 있는 수집기(8)내로 개방된다.

스트립(2)상에 전착을 형성하기 위해서, 스트립은 DC 전원의 부(-) 단자에 접속되거나 필요시에 접지되는 반면에, 양극 부재(1)은 이 DC 전원의 정(+) 단자에 접속된다. 이 양극 부재는 전기분해 회로의 양극을 형성하고, 스트립은 음극을 형성한다.

제1도에는 전기 접속부들이 도식적으로 도시되어 있는데, 그 이유는 이 접속 기술이 공지되어 있기 때문이다.

전해질은 덕트(4)에 접속된 입구(3)을 통해 양극 부재(1)의 내부로 들어간다. 공급 압력의 결과로서, 전해질은 양극 부재의 내부를 충전시킨 다음, 양극 부재(1)과 스트립(2) 사이의 좁은 공간을 충전시키도록 오리피스(5)를 통해 흘러나간다. 그러므로, 전류는 양극[양극 부재(1)]과 음극[스트립(2)] 사이를 흐를 수 있고, 스트립(2)상에 바람직한 전착을 발생시킬 수 있다. 오리피스(5)와 오리피스(6) 사이의 짧은 거리로 인해, 전해질은 흡입작용에 의해 오리피스(6) 및 관(7)을 통해 수집기(8) 및 펌프(9)에 흡입된다. 필요시에 재생되어 공지된 장치(도시하지 않음)에 의해 충전된 후, 전해질은 펌프(9)의 작용에 의해 공급 덕트(4) 내로 복귀되어 재순환한다.

양호한 변형시에, 흡입 장치, 즉 수집기(8) 및 펌프(9)는 완전히 제거된다. 양극 부재(1)은 전해질이 담겨있는 탱크(도시하지 않음)내에 침지되고, 관(7)은 즉시 탱크내로 개방된다. 그 다음, 전해질은 압력의 결과로서 관(7)을 통해 양극과 음극 사이의 좁은 공간내로 흐른다. 양극 부재와 기판 사이, 즉 오리피스(5)와 인접 오리피스(6) 사이의 좁은 공간내에서의 전해질의 주행거리가 짧기 때문에, 전해질 유동을 방해하는 압력 강하는 매우 감소된다. 그러므로, 유동을 발생시키기 위한 압력은 종래 기술의 해결방법에서보다 낮게된다. 또한, 전해질은 대부분 즉시 오리피스(6)을 통해 흡입되므로, 전해질의 횡방향 유동을 방지하거나 매우 제한하게 된다.

상술한 실시예는 더욱 상세하게 말하자면 스트립과 같은 평탄한 제품을 도금하는 방법에 관한 것이다. 물론, 본 발명은 이러한 종류의 제품에 제한되지 않으며, 본 발명의 용도는 양극판, 특히 기판의 형태에 따르는 양극 부재의 벽을 사용함으로써 소정의 단면을 갖고 있는 제품을 도금하는데 까지 확장된다.

또한, 본 발명에 따른 장치는 박막을 얻기 위해 기판으로부터 분리될 수 있는 비 접착 도금을 전착시키기 위해 사용될 수도 있다.

제2도는 본 발명의 이 응용 상태를 도시한 것이다.

제2도에는 상술한 바와 같이 오리피스(5 및 6)으로 형성된 반원통형 공동을 정하는 1개의 벽을 갖고 있는 양극 부재(1)이 도시되어 있다. 오리피스(6)은 관(7)에 의해 수집기(8)에 접속된다. 반원통형 공동은 이 공동과 동축이고 이 공동내에서 회전하기에 적합한 실린더(10)을 포함한다. 실린더(10)의 외경은 공동의 직경보다 약간 작으므로, 좁은 반 환상 슬롯트(제2도에 확대 도시되어 있음)가 이들 사이에 남게 된다. 양극부재(1) 및 실린더(10)은 DC 전원의 정(+) 단자 및 부(-) 단자에 각각 접속된다. 전해질은 공급 덕트(4)를 통해 유입되어 오리피스(5)를 통해 전기 분해가 실행되는 반환상 슬롯트내로 주행하고, 오리피스(6) 및 관(7)에 의해 수집기(8)에 흡입된다. 그다음, 실린더(10)상에 형성된 비접착 금속 박막(11)은 공지된 방식으로 분리된다.

본 출원인에 의해 행해진 시험결과, 제1도 및 제2도에 도시한 장치는 공지된 장치보다 많은 장점을 가졌다.

다음 설명은 더욱 상세하게 말하자면 제2도 내의 장치에 의해 박막을 제조하는 방법에 관힌 것이다. 그러나, 기술한 효과 및 장점들은 제1도 내의 장치가 도금용으로 사용될 때에도 동일하게 적용된다.

유압적 관점으로부터, 시험결과, 전해질의 유압적 통로를 짧게 하는 것이 전극들 사이의 압력을 감소시키는 우수한 방법이라는 것이 증명되었다.

본 발명의 장치는 1㎏/㎠의 압력에서 201/㎡.s의 전해질의 비 유동율에 도달하였는데, 이때의 양극-음극 간격은 0.1㎜이었다. 이 비 유동율은 높은 난류를 보장하므로, 이 장치의 전기적 특성을 향상시킨다.

제3도는 양극과 음극 사이의 여러가지 거리(e)들에 대한 압력(p)에 따른 전해질의 비 유동율(q)의 변화를 도시한 것이다. 이 도면으로부터, 본 발명의 장치가 적합한 비 유동율을 보장하면서 과대 압력을 필요로하지 않고서 이 거리를 매우 감소시킬 수 있다는 것을 명백히 알 수 있다.

이 특성은 선정된 비 유동율을 보장하는 전해질 압력(p)에 대한 양극-음극 거리(e)의 영향을 도시한 제4도에 그래프로 도시되어 있다.

461/㎡.s와 동일한 일정한 비 유동율(p)에서, 본 발명의 장치는 양극-음극 거리를 0.2㎜로 감소시키기 위해 사용되었지만, 압력은 단지 0.4㎏/㎠에서 0.6㎏/㎠으로 상승한다.

박막을 제조하는 전기적 형태에 관련하여, 시험 결과, 전착중의 전해질의 전류 밀도(D) 및 난류의 중요성이 강조되었다. 모든 다른 조건들이 일정하면, 이 2개의 파라메터들은 최종 박막의 응집력 및 표면의 질을 결정한다. 본 명세서의 서론에서 이미 기술한 바와 같이, 전류 밀도의 실제 획득은 전해질의 유동속도에 따라 변한다. 즉, 궁극적으로 전해질의 비 유동율에 따라 변한다. 일정한 양극-음극 거리에서 비 유동율이 적합하게 증가되면, 본 발명의 장치는 100A/㎠ 이상의 전류 밀도에서 완전히 충분한 박막을 제조할 수 있다.

상술한 장치는 소정 두께의 박막을 제조할 때 전류 밀도를 증가시키는 것이 속도를 증가시켜 결국 생산라인의 생산성을 증가시키기 위해 사용될 수 있기 때문에 이러한 점에서 유리하다.

본 발명의 장치의 다른 장점은 낮은 압력을 사용하여 높은 난류 및 전류 밀도 레벨을 달성할 수 있다는 것이다. 결국, 양극 및 기판은 큰 힘을 받지 않으므로, 변형되지 않는다. 또한, 펌프에 의해 소모된 에너지도 적게 된다.

또한, 본 발명의 장치에 의해 발생된 난류가 증가되면, 전기 분해 전기의 겉보기 저항이 감소된다. 예를들어, 1㎜의 소정의 양극-음극 거리에서, 전해질 압력이 5㎏/㎠에서 1㎏/㎠으로 증가되면, 비 유동율이 53.91/㎡.s에서 801/㎡.s로 증가되고, 전기 분해 전지의 겉보기 저항이 2.21Ω-㎝에서 1.43Ω-㎝로 감소된다. 이 결과, 전착중의 에너지 소모가 부수적으로 감소된다.

상기 설명에서는, 제1오리피스행을 통하는 전해질 공급을 참조하였지만, 전해질은 이에 관련된 제2오리피스 행 및 관을 통해 흡입되어 복귀된다. 더욱 상세하게 말하자면, 이 공급을 위해 양극 부재를 사용하는 것이 제안되었다. 그러나 본 발명의 원리 및 범위로부터 벗어나지 않고서, 어느 한 셋트의 오리피스는 이오리피스를 소정의 양극 부재가 없을 때 각각의 공급 파이프에 직렬 접속시킴으로써 공급될 수 있었다. 이때, 공급 파이프는 개별적 또는 그룹으로 전해질 공급원에 접속될 수 있었다. 유리하게는 다른 셋트의 오리피스는 전해질을 복귀시키기 위해 관들을 갖추게 된다.

또한, 본 발명의 장치는 제품의 횡방향으로 양극 부재(1) 또는 실린더(10)의 길이를 변경시킴으로써 기판의 도금 영역의 폭 또는 박막의 폭을 변화시키기 위해 사용될 수도 있다. 이 변형은, 예를들어 제품의 폭양단에 나란히 놓여진 양극 부재의 수를 변경시키거나, 별도로 공급되거나 배출된 구확실의 수로 긴 양극부재를 나누거나, 전해질이 주행하는 소정의 오리피스를 차단시킴으로써 행해질 수 있다.

결국, 본 발명에 따른 다수의 장치들은 필요시에 상이한 기판을 갖고 있는 단일의 평탄한 제품, 더욱 상세하게 말하자면 스트립의 양 표면을 동시에 도금하거나, 2개의 평탄한 제품의 한 표면을 도금하거나, 단일의 전해질 용액으로부터 다수의 박막을 동시에 제조하기 위해 사용될 수 있다.

박막(예를들어, 두께가 20㎛ 미만)이 제조되는 경우에, 박막 형성 동작 다음에는 유리하게 특성을 조정하기 위한 열 처리 작용이 뒤따르게 된다. 포장 산업에서의 이 종류의 제품의 매우 광범위한 용도로 인해, 한 필수적인 특성은 접기(folding)가 용이하다는 것인데, 이것은 탄성 한계기 매우 작아야 하고 접은 후에 스프링 효과가 전혀 없어야 한다는 것을 의미한다.

이 목적을 위해, 본 발명에 따른 방법은 재결정화 온도 이상으로 박막을 가열하는 제1단계와 그 다음에 이어지는 주위 온도 부근의 온도로 급속 냉각하는 단계를 포함하는 열 처리 동작을 포함한다. "주위 온도 부근의 온도"란 용어는 박막이 더이상 금속학적으로 변형되지 않는 온도를 의미한다.

실제로, 금속을 재결정화시켜 탄성 한계를 감소시키고 전기 형성 직후에 관찰된 레벨과 비교하여 부하를 차단시킴으로써 연성을 향상시키기 위해서 가열 온도는 약 650℃ 이상으로 된다. 양호하게도, 예열 수단은 직접 저항 가열에 의해 실행된다.

예를들어, 박막을 주위 온도 이상의 온도로 될 수 있는 수성 담금질 조(aqueous quenching bath) 내에 침지시킴으로써 급속 냉각할 수 있다. 이 급속 냉각은 박막을 연화시키는 효과를 가지므로, 이 박막을 용이하게 접을 수 있게 한다. 물론, 연화 양은 박막을 형성하는 금속의 순도, 더욱 상세하게 말하자면 유리 탄소 및 질소 함량에 따라 변한다.

일례로서, 0.002중량% 미만의 탄소와 0.0007중량% 미만의 질소를 함유하는 철의 박막(10㎛)은 650℃와 850℃ 사이에 가열 및 유지시킴으로써 재결정화된 다음에 약 5600℃/s에서 끓는 물내에 침지시킴으로써 냉각되었다. 그러므로, 탄성이 없고 소정의 평탄성 또는 표면 형태를 잃지 않고 우수한 접힘 능력이 제공되었다.

본 발명에 따른 방법에 의해 제조되어 열처리된 철 박막은 최소한 현재 사용중인 알루미늄 박막 만큼 용이하게 접혀진다.

본 발명에 따른 장치 및 방법은 고생산율 및 제한된 에너지 소모로 도금된 제품, 더욱 상세하게 말하자면 양질의 박막을 제조하기 위해 사용될 수 있다.

이 우수한 결과들은 본 밤령의 두가지 기본 특징, 즉 전해질의 높은 난류와 전극들 사이의 매우 짧은 유압적 통로를 조합시킴으로써 달성되었다. 높은 난류는 고 운동량을 갖는 전해질이 기판 또는 음극의 표면에 수직으로 도달하고 배출 오리피스를 통해 매우 신속히 취해지기 전에 양극과 음극 사이로 분산된다는 사실에 기인한다. 이 상황하에서는 전극에 평행한 층류(laminar flow)가 전혀 없다. 또한, 일반적으로 전해질의 난류는 전극들 사이의 유동율에 따라 변한다고 생각된다. 그러나, 본 발명에 따르면 높은 난류가 고 전해질 유동율을 필요로 하지 않고 달성될 수 있다. 또한, 요구 압력이 낮으므로, 펌프 힘 및 에너지 소모가 제한된다. 유압적 통로는 공급 오리피스와 배출 오리피스 사이의 거리가 짧기 때문에 매우 짧다. 실제로 배출 오리피스를 통해 모든 전해질을 배출시킬 수 있다. 즉, 결국 측방향 유동이 전혀 없으므로, 본 발명의 장치는 측방향 밀폐를 필요로 하지 않는다는 중요한 장점을 갖는다.

Claims (14)

1. 양극 및 이 양극에 매우 인접한 음극을 포함하는 전기 분해 회로 및 양극과 음극 사이에서 전해질의 높은 난류를 발생시키기 위한 수단을 포함하고, 상기 전해질 난류 발생수단은 양극을 구성하고 표면에 걸쳐분포된 제1셋트의 오리피스 및 제1셋트의 오리피스 근처의 표면에 걸쳐 분포된 제2셋트의 오리피스를 갖고 있는 양극판, 제1셋트의 오리피스에 접속된 전해질 공급 수단, 및 제2셋트의 오리피스에 접속된 전해질 배출 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 분해 장치.
2. 제1항에 있어서, 양극판을 구성하는 하나의 벽과 폐쇄된 내부 공간을 둘러싸고 1개 이상의 벽이 내부 공간으로 통하는 1개 이상의 입구를 갖고 있는 다른 벽들을 갖는 양극 부재, 및 한끝이 제2셋트의 오리피스에 접속되고 이 오리피스와 통하지 않고 양극 부재를 외부에 개방시키지 않고서 내부 공간을 통해 연장되는 관을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 분해 장치.
3. 제2항에 있어서, 최소한 몇개의 상기 관들의 다른 끝이 흡입 수단에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 분해 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 흡입 수단이 수집기 및 펌프로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 분해 장치.
5. 제1항에 있어서, 2셋트의 오리피스중 한 셋트의 각각의 오리피스에 접속된 각각의 공급 파이프, 이 공급 파이프에 접속된 전해질 공급원, 및 전해질을 복귀시키기 위해 다른 셋트의 오리피스에 접속된 관을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 분해 장치.
6. 제1항에 있어서, 전해질의 전기 분해에 의해 전착되는 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 분해 장치.
7. 제6항에 있어서, 기판이 음극을 구성하는 것을 특징으로 하는 전기 분해 장치.
8. 제6항에 있어서, 기판 상에 전착함으로써 형성된 박막을 기판으로부터 분리시키기 위한 수단, 재결정화 온도 이상의 온도로 박막을 가열시키기 위한 가열 수단, 및 주위 온도 부근의 온도로 박막을 급속 냉각시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 분해 장치.
9. 기판에 평행하고 매우 인접해 있는 2셋트의 오리피스로 형성된 양극판을 전착시키는 단계, 양극판을 DC 전원의 정(+) 단자에 접속시키는 단계, 기판을 접지시키기 위해 DC 전원의 부(-) 단자에 접속시키는 단계, 양극판과 기판 사이의 좁은 공간 내에서 난류적으로 흐르게 되는 전해질을 좁은 공간내로 유입시키기 위해서 한 셋트의 오리피스에 전해질을 공급하는 단계, 및 다른 셋트의 오리피스 중 최소한 몇개의 오리피스를 통해 최소한 부분적으로 좁은 공간으로부터 전해질을 배출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전착 방법.
10. 제9항에 있어서, 전해질의 최소한 일부분이 제2셋트의 오리피스 중 최소한 몇개의 오리피스에 부(-) 압력을 인가함으로써 배출되는 것을 특징으로 하는 전착 방법.
11. 제9항에 있어서, 양극판과 기판이 전해질 내에 최소한 부분적으로 침지되는 것을 특징으로 하는 전착 방법.
12. 제9항에 있어서, 기판상의 전착물로 구성되는 박막을 기판으로부터 분리시키는 단계, 박막을 재결정화 온도 이상의 온도로 가열하는 단계 및, 박막을 주위 온도 부근의 온도로 급속 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전착 방법.
13. 제12항에 있어서, 박막의 두께가 20㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 전착 방법.
14. 제12항에 있어서, 박막이 철 박막인 것을 특징으로 하는 전착 방법.

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