본문내용
1. 서론
아노다이징(anodizing)은 알루미늄 표면처리 방법 중 하나이다. 알루미늄 표면을 전기화학적으로 산화시켜 얇고 단단한 산화피막을 형성하는 기술이다. 이를 통해 알루미늄의 내식성, 내마모성, 착색성 등을 향상시킬 수 있다. 알루미늄은 전기, 전자, 자동차, 항공 산업 등 다양한 분야에서 활용되는 소재이다. 특히 경량성, 내식성, 가공성 등의 장점으로 인해 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다. 그러나 알루미늄의 내식성이나 내마모성이 요구되는 경우 표면처리가 필요하다. 이를 위해 아노다이징 기술이 활용되며, 이를 통해 다양한 색상의 알루미늄 제품 생산이 가능하다. 따라서 아노다이징을 통한 알루미늄 합금의 표면처리 및 착색에 관한 연구가 필요하다.
2. 이론적 배경
2.1. 알루미늄 합금의 종류와 합금원소의 영향
알루미늄(Al)은 비중이 2.7로 철(7.8), 동(8.9)과 비교하여 1/3 수준에 불과하여 경량화에 의한 성능 향상을 추구하는 시대의 요구에 적합하다. 따라서 자동차, 철도차량, 항공기, 선박 컨테이너 등의 수송기 분야에 다량의 알루미늄이 사용된다. 또한 알루미늄은 가공이 용이하여 다양한 형상으로 성형이 가능하며 (열)전도율과 전연성이 좋고 용접성이 우수하다. 알루미늄은 공기 중에서 산화 피막을 형성하는데, 이 피막이 부식을 방지하는 역할을 하여 내식성이 좋다. 전기 전도율은 '동'의 약 60%이지만 무게는 훨씬 가벼워 현재 거의 모든 고전압 송전선에서 사용되고 있다. 이외에도 알루미늄은 외관이 아름답고 저온에 강한 점 등의 다양한 장점들을 가지고 있다. 다만 순수한 알루미늄은 강도가 낮기 때문에 높은 강도를 원할 경우에는 Cu, Mg 등을 첨가하여 합금으로 사용된다. 알루미늄은 순수한 알루미늄 계인 1000계열을 비롯하여 알루미늄에 다른 금속을 더한 2000계열(Al-Cu계), 3000계열(Al-Mn계), 4000계열(Al-Si), 5000계열(Al-Mg), 6000계열(Al-Mg-Si), 7000계열(Al-Zn-Mg) 등이 있다. 알루미늄 합금은 순수한 알루미늄보다 강도가 높으며 용도에 따라 첨가할 금속을 선택하여 원하는 성질을 얻을 수 있다.
2.2. 표면처리
표면처리는 크게 화성처리, 양극산화, 확산코팅, 졸겔코팅으로 나눌 수 있다.
화성처리는 금속 표면과 처리액과의 화학반응을 통해 피막을 형성하는 방식이다. 주로 도장하지용, 부품보관, 방청코팅에 사용된다. 저렴하고 작업이 용이하여 여러 가지 화성처리 피막이 개발되고 있다. 피막 두께는 수 나노미터에서 수십 나노미터 수준이다.
양극산화는 금속을 양극에 걸고 산 용액에서 전기를 통해 양극에서 생성되는 산소로 인해 금속 표면이 산화되는 방식이다. 알루미늄, 티타늄, 마그네슘 등에 활용되며 내식성, 내마모성, 절연성 등을 부여할 수 있다. 합금의 종류, 전해액 조성, 온도, 전압, 전류밀도, 시간에 따라 피막의 특성이 다르게 나타난다.
확산코팅은 고온 상태에서 코팅 금속과 소지 기판 표면의 화학반응 또는 환원가스와의 반응을 통해 활성금속을 석출시켜 기판 내부로 침투, 확산시키는 공정이다. 기공, 균열 없이 치밀한 코팅층 형성이 가능하고 모재와의 강한 밀착력을 가진다.
졸겔 코팅은 상온 정도의 저온에서 전구체 용액을 이용하여 박막을 형성하는 방식이다. SiO2, TiO2, Al2O3, CeO2와 같은 산화물 코팅에 활용되어 왔다. 복잡한 형상에도 박막 형성이 가능하며 부식저항 향상에 효과적이다.
2.3. 아노다이징
아노다이징은 금속의 표면처리 방법으로, 알루미늄을 양극(anode)으로 하여 전해액 중에서 직류를 통전하면 양극에서 발생하는 산소에 의해 알루미늄 표면에 산화알루미늄(Al2O3) 피막이 형성된다.
아노다이징은 경도, 내식성, 전기적 특성 등 알루미늄의 표면 성질을 향상시키기 위해 사용된다. 아노다이징 피막은 치밀하고 견고하여 내부의 알루미늄을 보호하고 표면을 강화하는 역할을 한다. 또한 아노다이징 피막은 다양한 색상 표현이 가능하여 알루미늄의 외관을 개선할 수 있다.
아노다이징은 주로 황산법, 옥살산법, 크롬산법 등의 전해액을 사용하여 진행된다. 황산법은 가장 많이 사용되는 공정으로, 약품 및 유지비용이 적고 피막의 투명성과 염색성이 우수하다. 아노다이징 피막 생성 과정은 Faraday의 법칙을 따르며, 전해질 중의 알루미늄 이온과 용존 산소가 반응하여 피막을 형성한다.
아노다이징 공정은 크게 전처리, 양극산화, 착색, 봉공의 단계로 이루어진다. 전처리 과정에서는 알루미늄 표면의 오염물질과 산화막을 제거하고, 양극산화 단계에서는 직류를 통전하여 산화피막을 형성한다. 착색 단계에서는 피막의 기공에 유기염료나 무기안료를 흡착시켜 색상을 구현하고, 봉공 단계에서는 피막의 기공을 밀봉하여 내식성과 내구성을 향상시킨다.
아노다이징 피막의 특성은 전해액의 종류, 온도, 전압, 전류밀도, 처리시간 등의 공정 조건에 따라 달라진다. 일반적으로 농도가 높은 전해액과 낮은 전압 조건에서 두껍고 밀도 높은 피막이 형성된다. 또한 아노다이징 피막은 알루미늄 합금 원소에 따라 생성 속도와 구조가 달라지므로, 합금의 종류에 따른 최적 공정 조건 설정이 중요하다.
2.4. 알루미늄 합금 착색 및 봉공
알루미늄은 일반 금속상의 도장이나 도금과는 달리 알루미늄 원 소지에서 전기화학적 반응에 의해 직접 산화알루미늄 피막을 만드는 기술인 아노다이징으로 착색할 수 있다. 아노다이징 처리한 알루미늄은 다공성의 산화피막을 형성하게 되는데, 이 피막의 구조는 착색에 큰 영향을 미친다. 산화피막 생성 시 피막의 두께가 균일하고 피막의 기공이 넓고 수가 많아야 하며, 활성층이 적당한 두께를 가져야 착색이 잘 된다.
아노다이징 공정을 거친 후 피막은 착색 공정을 거치게 된다. 착색 공정 시 염료의 농도, 시간, 온도와 pH가 착색에 큰 영향을 미치므로 이를 잘 관리해야 한다. 유기염료 착...
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