[논문]마찰부식 방지를 위한 Ni-P-PTFE 코팅의 적용

홍진원; 이근우; 배규식

doi:10.3740/mrsk.2006.16.7.430

문제 정의

5의 표면 SEM관찰에서 보이듯이 PTFE가 균일하게 분산되어 있어 Ni이 연속적인 전하의 통로로 작용하기 때문이다. 따라서, Ni-P-PTFE 코팅막은 PTFE를 분산시켜 내부식성과 비접착성을 향상시키면서도 전기적 특성을 유지할 수 있어 마찰부식에 효과적으로 대처할 수 있는 대안으로 평가된다. 그러나, 마찰부식 실험을 통해 이에 대한 자료의 보강이 요구된다.
본 연구는 커넥터와 같은 접속부품의 표면처리에 사용되는 기존의 Ni 도금층을 Ni-P-PTFE 코팅으로 대체가 가능한지를 검증하기 위한 기초 물성의 확보를 위하여 시도되었다. 본 연구에서는 Ni 도금액에 PTFE 분말을 혼합하여 동시 도금하는 기존의 방법과 Ni 무전해 도금위에 PTFE를 코팅한 후 열처리를 통해 분산하는 방법을 사용하였다.
본 연구에서는 Ni-P-PTFE 코팅을 커넥터와 같은 접속 부품의 표면처리에 기존의 Ni 도금의 대체 가능성을 검증하기 위한 기초 물성을 확보하기 위하여 시도하였다. 이를 위하여 Ni 무전해 도금위에 PTFE를 코팅한 후 열처리를 하여 형성한 Ni-P-PTFE 코팅막의 결정구조, 화학조성, 접촉각, 경도, 면저항 등을 측정하여 기존의 무전해 Ni-P 도금막 및 PTFE 코팅막과 비교하였다.

제안 방법

PTFE 코팅은 DINAKIN 공업의 PTFE emusion(TS-7800)을 에칭한 시편위에 도포한 후 드라이오븐(120℃에서 50분간)에서 건조시켜 형성하였다.4) 한편, Ni-P-PTFE 합성 코팅은 위의 과정을 단일 도금욕을 형성한 후 드라이오븐에서 120℃ 50분간 열처리하여 형성하도록 시도하였다. 이렇게 형성한 3종류(Ni-P, PTFE, Ni-P-PTFE)의 코팅막에 대하여 XRD(X-Ray Diffractometry), SEM(Scanning Electron Microscopy), EDS(Energy Dispersive Spectrometry), AES(Auger Electron Microscopy)로 화학조성 및 미세구조를 관찰하고, 접촉각측정기(DSA10)으로 접촉각을 측정하여 nonstick 특성을 분석하고, 미세경도기(MHT2104)로 경도를 측정 (lOOgf Load)하고, 4-point probe로 면저항을 측정하여 전기적 특성을 비교하였다.
본 실험의 기판으로는 구리 판재를 사용하였다. 도금을 하기 전 구리 판재를 10X10X0.35 mm 크기로 자르고 불순물 및 자연 산화막 제거를 위하여 이소프로필 알코올(IPA)(5 min), 아세톤(Acceton)(5 min), DI:HF=100:1 (2 min) 용액에서 초음파 세척하였다. 이어서 HNO₃(Vbl 30%)로 표면을 에칭하고 HCl(35%)90 ml/1+Catalst (50 ppm) Bath에서 2(TC에서 1분간 표면 활성화를 시킨 후 다시 DI water를 이용하여 세정하는 전처리 과정을 밟았다.
본 연구는 커넥터와 같은 접속부품의 표면처리에 사용되는 기존의 Ni 도금층을 Ni-P-PTFE 코팅으로 대체가 가능한지를 검증하기 위한 기초 물성의 확보를 위하여 시도되었다. 본 연구에서는 Ni 도금액에 PTFE 분말을 혼합하여 동시 도금하는 기존의 방법과 Ni 무전해 도금위에 PTFE를 코팅한 후 열처리를 통해 분산하는 방법을 사용하였다. 이렇게 형성된 Ni-P-PTFE 합성 코팅막의 결정구조, 화학조성, 접촉각, 경도, 면저항 등을 측정하여 기존의 무전해 Ni-P 도금막 및 PTFE 코팅막의 물성과 비교하여 대체가능성을 평가하였다.
본 연구에서는 Ni 도금액에 PTFE 분말을 혼합하여 동시 도금하는 기존의 방법과 Ni 무전해 도금위에 PTFE를 코팅한 후 열처리를 통해 분산하는 방법을 사용하였다. 이렇게 형성된 Ni-P-PTFE 합성 코팅막의 결정구조, 화학조성, 접촉각, 경도, 면저항 등을 측정하여 기존의 무전해 Ni-P 도금막 및 PTFE 코팅막의 물성과 비교하여 대체가능성을 평가하였다.
4) 한편, Ni-P-PTFE 합성 코팅은 위의 과정을 단일 도금욕을 형성한 후 드라이오븐에서 120℃ 50분간 열처리하여 형성하도록 시도하였다. 이렇게 형성한 3종류(Ni-P, PTFE, Ni-P-PTFE)의 코팅막에 대하여 XRD(X-Ray Diffractometry), SEM(Scanning Electron Microscopy), EDS(Energy Dispersive Spectrometry), AES(Auger Electron Microscopy)로 화학조성 및 미세구조를 관찰하고, 접촉각측정기(DSA10)으로 접촉각을 측정하여 nonstick 특성을 분석하고, 미세경도기(MHT2104)로 경도를 측정 (lOOgf Load)하고, 4-point probe로 면저항을 측정하여 전기적 특성을 비교하였다.
본 연구에서는 Ni-P-PTFE 코팅을 커넥터와 같은 접속 부품의 표면처리에 기존의 Ni 도금의 대체 가능성을 검증하기 위한 기초 물성을 확보하기 위하여 시도하였다. 이를 위하여 Ni 무전해 도금위에 PTFE를 코팅한 후 열처리를 하여 형성한 Ni-P-PTFE 코팅막의 결정구조, 화학조성, 접촉각, 경도, 면저항 등을 측정하여 기존의 무전해 Ni-P 도금막 및 PTFE 코팅막과 비교하였다. Ni-P- PTFE 코팅층은 AES의 결과에서 보였듯이 PTFE의 주성분인 C, F이 Ni-P 기지층 내에 균일하게 분산되어 있었다.
35 mm 크기로 자르고 불순물 및 자연 산화막 제거를 위하여 이소프로필 알코올(IPA)(5 min), 아세톤(Acceton)(5 min), DI:HF=100:1 (2 min) 용액에서 초음파 세척하였다. 이어서 HNO₃(Vbl 30%)로 표면을 에칭하고 HCl(35%)90 ml/1+Catalst (50 ppm) Bath에서 2(TC에서 1분간 표면 활성화를 시킨 후 다시 DI water를 이용하여 세정하는 전처리 과정을 밟았다. 이렇게 전처리한 기판을 NiC₁₂-6H₂O를 주된 구성으로 하는 Bath에 넣어 PH 4-5, 70℃를 유지한 상태에서 10분간 무전해 도금하였다.

대상 데이터

본 실험의 기판으로는 구리 판재를 사용하였다. 도금을 하기 전 구리 판재를 10X10X0.

성능/효과

0㎛)는 산화방지층으로, Ni(5-10m)는 납땜성을 향상하고 기 지층의 Cu 확산을 방지하기 위한 것이다.1)그런데 이들 접속부품들은 계속적인 기계적 접촉을 하는 동안 경도가 낮은 Au층은 파손되어 없어지고, 하부의 Ni층이 대기에 노출되어 산화된다. 동시에, 접촉하고 있는 반대쪽 부품의 표면에서 떨어져 나온 금속 파편(debris)이 이 Ni 층에 달라붙는 과정이 반복되는 마찰부식 (Getting corrosion)이 일어난다?)그 결과 전기저항이 증가하여 접속에 문제가 발생한다.
2(c)에서는 PTFE 피크와 더불어 Ni 피크도 함께 나타나 Ni과 PTFE 가 혼합되어 코팅되었음을 확인시켜 주었다.5)따라서, 본 연구에서와 같이 Ni을 도금하고 그 위에 PTFE를 코팅한 후 열처리하는 방법을 사용하여도 Ni과 PTFE가 혼합하여 단일층을 형성할 수 있음을 확인할 수 있다. 이 사실은 Fig.
Ni-P- PTFE 코팅층은 AES의 결과에서 보였듯이 PTFE의 주성분인 C, F이 Ni-P 기지층 내에 균일하게 분산되어 있었다. PTFE의 영향으로 접촉각은 10435로 우수한 비접 촉성을 나타내었고, 전기전도도 Ni-P 도금막과 동일하게 나타났으며, 경도는 Ni-P 도금막에 비해 약간 작게 나타났다. 따라서, 접속부품의 Ni 층을 Ni-P-PTFE 코팅으로 대체할 경우 상부의 Au층이 벗겨지더라도 PTFE의 영향으로 표면 산화 및 이물질의 접착을 최소화하면서도 전기적 특성은 기존의 Ni-P 도금의 수준을 유지할 수 있어 마찰부식에 대처할 수 있을 것으로 판단된다.
3%로 높은 것을 감안하면 Ni-P-PTFE의 표면 경도는 상당히 우수한 것으로 판단된다. 따라서, PTFE를 포함시킴으로서 나타나는 표면 경도의 감소는 그리 크지 않는 것으로 판단되며, Ni과 PTFE의 상대적인 함량의 조절을 통해 감소를 더 줄일 수 있을 것으로 생각된다. 면저항의 경우(Table 2) Ni-P-PTFE 코팅막이 Ni-P 코팅막과 유사한 값을 나타내어, 코팅막의 두께가 약간 틀린 것을 감안하더라고 Ni-P-PTFE의 전기전도도는 Ni-P와 같음을 의미한다.
PTFE의 영향으로 접촉각은 10435로 우수한 비접 촉성을 나타내었고, 전기전도도 Ni-P 도금막과 동일하게 나타났으며, 경도는 Ni-P 도금막에 비해 약간 작게 나타났다. 따라서, 접속부품의 Ni 층을 Ni-P-PTFE 코팅으로 대체할 경우 상부의 Au층이 벗겨지더라도 PTFE의 영향으로 표면 산화 및 이물질의 접착을 최소화하면서도 전기적 특성은 기존의 Ni-P 도금의 수준을 유지할 수 있어 마찰부식에 대처할 수 있을 것으로 판단된다.
3 Hv을 나타내어 Ni-P 코팅막과 비슷한 값을 나타내었다. 위 (Table 1)과 Fig. 4의 결과에서 PTFE의 함량이 51.3%로 높은 것을 감안하면 Ni-P-PTFE의 표면 경도는 상당히 우수한 것으로 판단된다. 따라서, PTFE를 포함시킴으로서 나타나는 표면 경도의 감소는 그리 크지 않는 것으로 판단되며, Ni과 PTFE의 상대적인 함량의 조절을 통해 감소를 더 줄일 수 있을 것으로 생각된다.

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