[논문]초음파를 이용한 전처리가 알루미늄의 전기화학적 에칭 및 정전용량에 미치는 효과

정인수; 탁용석; 박강용; 김현기; 김성수

doi:10.14773/cst.2011.10.1.037

초음파를 이용한 전처리가 알루미늄의 전기화학적 에칭 및 정전용량에 미치는 효과
Effect of Ultrasound During Pretreatment on the Electrochemical Etching of Aluminum and Its Capacitance 원문보기

Corrosion science and technology, v.10 no.1, 2011년, pp.37 - 42

정인수 (인하대학교 화학공학과) , 탁용석 (인하대학교 화학공학과) , 박강용 (삼영전자공업(주)) , 김현기 (삼영전자공업(주)) , 김성수 (삼영전자공업(주))

Abstract ▼ AI-Helper

Aluminum was electrochemically etched in acid solution and the surface area was magnified by the formation of etch pits. Etched aluminum was covered with a compact and dense dielectric oxide film by anodization and applied to the aluminum electrolytic capacitor electrode. Capacitance of aluminum electrolytic capacitor is closely related with surface area, which depends on size and number of etch pits. Size of etch pits need to be controlled because inside of the pits can be buried by the formation of dielectric oxide film. In this work, the effect of ultrasound pretreatment on the aluminum etch pit formation and capacitance were investigated. Additionally, the relationship between the second etching effect on pit size and capacitance was studied.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 알루미늄 전해커패시터의 양극을 제조하는데 있어서 전기화학적 에칭을 하기 전에 초음파을 인가 한전 처리와 에칭 후에 질산을 이용한 2차 에칭이 미치는 효과를 조사하였다. 에칭 시 초기 전압 변화는 초음파 인가 시 알루미늄 금속의 표면에 존재하는 산화피막의 파괴가 빠르게 일어나며 28 kHz의 낮은 주파수에서 그 영향은 크게 나타났다.
본 연구에서는 알루미늄의 전기화학적 에칭을 하기 전의 전처 리 과정에서 초음파를 추가적으로 인가하여 표면 산화막에 결함부를 형성시킴으로서 에칭과정에서 생성되는 핏트의 수와 크기 등의 변화가 정전용량에 미치는 영향을 조사하였다. 10), 11) 이와 함께 에치핏트의 크기를 균일하게 변화시킬 수 있는 2차 에칭이 정전용량에 미치는 영향과 최적의 조건을 함께 조사하였다.

가설 설정

것이 요구된다.5) 에치핏트 구조의 크기가 작을 경우에는 산화피막에 의해 구조가 매몰되어 커패시터의 용량에 기여하지 못하게 된다.

제안 방법

전압과 전류의 변화는 Potentiostat/Gal.,anostat273A를 이용하여 제어하였으며, 빠른 속도의 전위변화는 Digital Oscilloscope(Tektronix DPO₃₀32)를 이용하여 측정하였다. 에칭과 양극산화의 모든 과정은 한쪽면만 노출시켜작업 전극으로 사용하였으며 , 상대 전극으로 백 금, 기 준 전극으로 Ag/AgCl/saturated KCl을 사용하였다.
9%) 알루미늄박(Toyo, 일본)을 사용하였다. 전처리는 1 M HCl 을 이용하여 28 kHz, 68 kHz의 주파수를 인가하며 상온에서 1분간 진행하였으며, 초음파는 알루미늄박의 밑면, 후면, 정면의 3방향에서 각각 인가하였다. 전처리된 시료는 초순수로 충분히 세척한 뒤 공기와의 접촉을 최대한 차단하기 위하여 즉시 에칭을 진행하였다.
전처리는 1 M HCl 을 이용하여 28 kHz, 68 kHz의 주파수를 인가하며 상온에서 1분간 진행하였으며, 초음파는 알루미늄박의 밑면, 후면, 정면의 3방향에서 각각 인가하였다. 전처리된 시료는 초순수로 충분히 세척한 뒤 공기와의 접촉을 최대한 차단하기 위하여 즉시 에칭을 진행하였다. 에칭은 HCl과 H2SO4의 4:1혼산용액에서 200 mA/cm²으로 100초간 진행하였으며 물로 세척한 후 뒤 90℃ 1 M의 HNO₃으로 처리하였다.
전처리시 인가하는 초음파의 구체적인 영향을 알아보기 위해 45 C의 1 M HCl을 이용한 전처리과정에서 28 kHz, 68 kHz의 초음파를 인가한 뒤 25초간(5C/*) 에칭하여 그 결과를 비교하였다.12) Fig.
그리고 양극산화를 하기 전에 끓는 물에서 전극의 표면을 수화를 시킨 후 에칭알루미늄박을 아디핀산 암모늄용액을 이용하여 85 C에서 양극산화시켜 전극을 제조하였다. 제조된 전극은 LCR미터(ANDO, TypeAG-4303)를 이용하여 정전용량을 측정하고 시료의 이미지와 표면은 SEM(FE-SEM, Hitachi, S-4300)과 이미지 분석소프트웨어(Image-pro-plus)를 이용하여 분석하였다. 전압과 전류의 변화는 Potentiostat/Gal.

대상 데이터

본 실험에는 시편으로 130 ㎛두께의 고순도(\99.9%) 알루미늄박(Toyo, 일본)을 사용하였다. 전처리는 1 M HCl 을 이용하여 28 kHz, 68 kHz의 주파수를 인가하며 상온에서 1분간 진행하였으며, 초음파는 알루미늄박의 밑면, 후면, 정면의 3방향에서 각각 인가하였다.
,anostat273A를 이용하여 제어하였으며, 빠른 속도의 전위변화는 Digital Oscilloscope(Tektronix DPO₃₀32)를 이용하여 측정하였다. 에칭과 양극산화의 모든 과정은 한쪽면만 노출시켜작업 전극으로 사용하였으며 , 상대 전극으로 백 금, 기 준 전극으로 Ag/AgCl/saturated KCl을 사용하였다.

성능/효과

4는 이미지 분석기로 분석한 결과로서 Fig. 4(a)는 초음파를 인가하지 않을 때 작은 크기를 가진 핏트의 밀도가 높지만 초음파를 인가시에는 핏트의 밀도가 감소하면서 평균 크기가 증가함을 알 수 있다. 핏트의 크기는 핏트 형상을 정사각형을 가정하고 나타낸 한 변의 길이이다.
그 후 전압이 일정속도로 상승하면서 최대치에 이르기까지 전압이 증가하는 영역은 에칭과정에서 나타나는 짧은 기간 동안의 산화피막, 즉 에치필름의 형성에 의한 것으로 판단된다. 1) 초음파를 인가하지 않은 경우에 비하여 초음파를 인가 시에 최대 전압의 크기와 최대 전압에 도달하는 시간이 감소하는 것은 에치필름의 형성이 억제되면서 나타나는 결과이다. 일정 속도의 전압 상승한 후에 나타나는 전압의 급격한 감소는 염소이온에 의하여 산화피막이 파괴되어 알루미늄이 용출되면서 에치핏트가 형성되기 때문이며, 13), 14) Fig.
전해연마를 통하여 일정 길이로 성장한 핏트의 분포에 대한 Image analyzer를 이용한 분석 결과로부터 초음파인가 시 핏트 밀도는 감소하지만 핏트의 크기가 증가함으로서 에칭박의 유효 표면적이 증가하고 이에 따라 정전용량이 함께 증가함을 알 수 있었다. 485 V양극산화 시에 형성되는 산화피막의 두께가 미치는 영향을 고려할 때 2차 에칭 시 1 M 질산을 이용한 90 ℃에서 10분간 행할 때 정전 용량에 미치는 효과가 최대임을 알 수 있었다.
6), 7) 이는 알루미늄의 표면에 존재하는 산화피막을 국부적으로 파괴가 일어나게 하는 것으로 추측되며 이와 함께 물질전달의 저항이 되는 계면에서의 확산층 두께를 감소시킴으로서 식(1)의 에치핏트의 내부에 존재하는 부식 생성물」lC;j 의 확산을 증가시켜」lC;j 침전에 따른 핏트의 성장이 멈추는 것을 억제할 수 있게 된다.8), 9) 초음파가 가지고 있는 산화피막 파괴 및 확산 효과는 알루미늄의 에칭과정에서 표면의 조도를 증가시킴으로서 표면적이 증가하고 결과적으로 알루미늄의 정전용량의 향상을 가지고 오게 된다.
핏트의 크기는 핏트 형상을 정사각형을 가정하고 나타낸 한 변의 길이이다. 그리고 주파수에 따른 영향은 크지 않지만 28 kHz가 68 kHz와 비교하여 평균 크기 분포는 동일하지만 밀도가 미세하게 증가함을 알 수 있다. 핏트가 차지하는 면적(크기분포X밀도)을 나타내는 Fig.
그러나 15분과 같이 과도하게 에칭이 일어날 경우에는 핏트의 크기가 매우 커져 산화막에 의한 피트의 매몰은 피할 수 있지만 충분한 유효표면적이 확보되지 않아 정전용량이 감소하게 된다. 위의 결과는 균일하게 알루미늄의 용해가 일어나는 2차 에칭 시간에 대한 최적조건이 양극산화 시 형성되는 전압, 즉, 산화피막의 두께를 고려하여 결정되어야 함을 제시하고 있다.
에칭 시 초기 전압 변화는 초음파 인가 시 알루미늄 금속의 표면에 존재하는 산화피막의 파괴가 빠르게 일어나며 28 kHz의 낮은 주파수에서 그 영향은 크게 나타났다. 전해연마를 통하여 일정 길이로 성장한 핏트의 분포에 대한 Image analyzer를 이용한 분석 결과로부터 초음파인가 시 핏트 밀도는 감소하지만 핏트의 크기가 증가함으로서 에칭박의 유효 표면적이 증가하고 이에 따라 정전용량이 함께 증가함을 알 수 있었다. 485 V양극산화 시에 형성되는 산화피막의 두께가 미치는 영향을 고려할 때 2차 에칭 시 1 M 질산을 이용한 90 ℃에서 10분간 행할 때 정전 용량에 미치는 효과가 최대임을 알 수 있었다.
6에 나타내었다. 초음파인가 방향을 제외한 실험조건은 Fig. 4와 동일하였으며 28 kHz인가 시 핏트 크기가 증가하였지만 68 kHz 에서는 최대분포를 갖는 크기의 증가는 없었지만 평균크기가 0.8 ㎛ 이상 되는 핏트의 크기도 크게 증가하였다. Fig.

후속연구

그러나 초음파 인가방향에 따른 효과는 용액속에 들어 있는 시편의 표면에 미치는 직접적인 영향을 측정한 후에 정량적인 조사가 가능할 것으로 판단된다.

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