복합도금이란 금속 도금층을 매트릭스로 세라믹, 폴리머, 나노분말과 같은 입자를 공석시켜 경도의 향상, 내마모성, 내식성, 자기 윤활성 등의 특성을 갖는 복합 금속피막을 얻어내는 방법으로 본 연구에서는 나노입자로 $TiO_2$를 사용하여 니켈과 함께 복합도금층을 형성하였다. $TiO_2$를 첨가시킨 복합전기도금을 통해 표면저항성 향상, 광분해 효과를 기대할 수 있다. 용액조건 중 pH 변화에 따른 zeta전위를 측정하였다. 초음파처리를 통한 물리적인 방법으로 용액 중 나노분말의 응집을 최소화한 후 $TiO_2$-Ni 복합도금을 실시하였다. 최적의 도금 조건으로 $50^{\circ}C$에서 pH 3.5, 전류밀도$40mA/cm^2$에서 가장 효과적이었으며 Ti의 함량은 $50^{\circ}C$에서 15-20 at.%로 확인되었다.
복합도금이란 금속 도금층을 매트릭스로 세라믹, 폴리머, 나노분말과 같은 입자를 공석시켜 경도의 향상, 내마모성, 내식성, 자기 윤활성 등의 특성을 갖는 복합 금속피막을 얻어내는 방법으로 본 연구에서는 나노입자로 $TiO_2$를 사용하여 니켈과 함께 복합도금층을 형성하였다. $TiO_2$를 첨가시킨 복합전기도금을 통해 표면저항성 향상, 광분해 효과를 기대할 수 있다. 용액조건 중 pH 변화에 따른 zeta전위를 측정하였다. 초음파처리를 통한 물리적인 방법으로 용액 중 나노분말의 응집을 최소화한 후 $TiO_2$-Ni 복합도금을 실시하였다. 최적의 도금 조건으로 $50^{\circ}C$에서 pH 3.5, 전류밀도 $40mA/cm^2$에서 가장 효과적이었으며 Ti의 함량은 $50^{\circ}C$에서 15-20 at.%로 확인되었다.
Composite coating can be manufactured during the electroplating with the bath containing a suspension of particles: ceramic, polymer, nanopowders. Improvement of hardness, wear resistance, corrosion resistance and lubrication properties are well-known advantage of composite coating. In this study, n...
Composite coating can be manufactured during the electroplating with the bath containing a suspension of particles: ceramic, polymer, nanopowders. Improvement of hardness, wear resistance, corrosion resistance and lubrication properties are well-known advantage of composite coating. In this study, nano $TiO_2$ powder dispersed Ni composite plating was investigated. The improvement of surface hardness and photo decomposition effects can be expected in this coating. Zeta potential was measured with pH. The effect of ultrasonication time and types of ultrasonicator were studied to minimize the agglomeration of $TiO_2$ nanopowders in the electrolyte. Optimum conditions for nano $TiO_2$ dispersed Ni composite coating were $40mA/cm^2$ of current density, pH 3.5, and $50^{\circ}C$. At these conditions, $TiO_2$ nanoparticles contents in the Ni deposit was 15-20 at.%.
Composite coating can be manufactured during the electroplating with the bath containing a suspension of particles: ceramic, polymer, nanopowders. Improvement of hardness, wear resistance, corrosion resistance and lubrication properties are well-known advantage of composite coating. In this study, nano $TiO_2$ powder dispersed Ni composite plating was investigated. The improvement of surface hardness and photo decomposition effects can be expected in this coating. Zeta potential was measured with pH. The effect of ultrasonication time and types of ultrasonicator were studied to minimize the agglomeration of $TiO_2$ nanopowders in the electrolyte. Optimum conditions for nano $TiO_2$ dispersed Ni composite coating were $40mA/cm^2$ of current density, pH 3.5, and $50^{\circ}C$. At these conditions, $TiO_2$ nanoparticles contents in the Ni deposit was 15-20 at.%.
3시간 도금하여 150 µm의 두께의 복합 도금층을 형성하고 이 복합 도금층을 Ni에칭액에서 5분간 에칭한 후 복합 도금층 단면의 윗부분과 아랫부분을 FESEM으로 관찰하였다.
EG&G 273A potentio/galvano stat을 이용하여 부식 특성을 평가하였고, 표면 경도 분석은 Akashi MVK-H3를 사용하였다.
Ni도금층과 TiO2-Ni 복합 도금층의 부식 특성을 알기 위하여 scan rate를 5 mV/s, scan range를 부식 전위보다 50 mV 낮은 전위에서 1.0 V까지의 영역으로 설정하고 0.5 M 황산 용액에서 양분극 곡선을 비교하였다. Fig.
5에서 TiO2-Ni 복합도금 후 표면경도와 부식특성을 관찰하였다. TiO2-Ni 복합도금 용액에서 TiO2를 첨가하지 않은 도금액으로부터 Ni도금을 한 후 TiO2-Ni 복합도금층과 경도를 비교하였다. 두께는 10 µm와 150 µm의 두 가지 경우로 비교하였다.
이를 위하여 pH변화에 따른 표면전위(zeta potential)를 측정하였다. 나노분말의 분산을 위해 초음파처리를 하였으며 최적 조건을 찾고 나노 TiO2-Ni 복합 도금층을 제조하였다.
온도를 유지하기 위해서 도금용액의 온도를 물중탕법을 이용하여 일정한 유지하였다. 나노분말의 응집을 막기 위하여 bath type(60 Hz, 280 W)과 horn type(25 Hz, 750 W)을 사용하였다. 실험이 진행되는 동안 용액은 봉자석(magnetic bar) 교반기의 교반속도를 300 rpm으로 고정하여 교반하였고, 물중탕법으로 50oC를 유지시켜 복합도금을 진행하였다.
나노분말이 도금층 내부까지 잘 분산되어 있는지 도금층의 단면을 에칭하여 나노분말의 유무를 확인하였다. 에칭 후 TiO2-Ni 복합 도금층의 단면을 Fig.
전류인가 방식으로는 정전류가 사용되었고, Agilent Model E3648A current source를 사용하였다. 도금시 전류밀도는 10 mA/cm2, 20 mA/cm2, 40 mA/cm2, 80 mA/cm2로 변화시키면서 관찰하였다.
두께는 10 µm와 150 µm의 두 가지 경우로 비교하였다.
복합 도금된 시편의 표면과 조성은 전계방출 주사전자 현미경(field emission scanning electron microscopy, FESEM)과 에너지 분산형 X-선 분광기(energy dispersive spectroscopy, EDS)를 이용하여 분석하였다. Zeta potential을 측정하기 위한 장비로는 Otsuka Electron Corp.
이러한 응집현상은 표면에너지와 이온세기가 높은 도금용액에서 매우 심하게 일어나며, 단위 부피당 표면 단면적이 큰 나노산화물을 도금층에 공석시키기 어렵게 하는 원인 중 하나이다. 산화물의 응집을 막기 위하여 물리적인 분산법으로 도금 전에 도금용액을 초음파처리 하였다.
입자를 첨가한 Ni Watt 용액에서 복합 도금을 실시하였다. 아울러 pH 변화에 따른 표면전위를 측정하였다. 표면의 수산화기로 인한 입자의 응집현상을 억제하기 위하여 물리적인 방법으로 초음파처리를 실시하였다.
여러 실험에서 결정된 최적조건인 전류밀도 40 mA/cm2, 온도 50oC, pH 3.5에서 TiO2-Ni 복합도금 후 표면경도와 부식특성을 관찰하였다. TiO2-Ni 복합도금 용액에서 TiO2를 첨가하지 않은 도금액으로부터 Ni도금을 한 후 TiO2-Ni 복합도금층과 경도를 비교하였다.
인 구리평판을 음극(cathode)으로 사용하였고, 양극(anode)로는 40 mm×30 mm사이즈의 Ni 전극을 사용하였다. 온도를 유지하기 위해서 도금용액의 온도를 물중탕법을 이용하여 일정한 유지하였다. 나노분말의 응집을 막기 위하여 bath type(60 Hz, 280 W)과 horn type(25 Hz, 750 W)을 사용하였다.
4의 결과를 보면 pH에 따른 Ni과 Ti의 함량 변화가 미미하였다. 이 결과로부터 pH가 TiO2함량에 미치는 영향이 미미하고 pH가 증가할 경우 표면 형상에 좋지 않은 영향을 미치므로 이후 복합도금은 pH 3.5로 고정하고 Watt bath와 같은 조성에서 실험을 계속 진행하였다.
나노분말들의 응집현상이 문제가 되며 균일한 도금층 형성을 위해서는 수용액 상에서 나노분말의 분산이 우선적으로 필요하다. 이를 위하여 pH변화에 따른 표면전위(zeta potential)를 측정하였다. 나노분말의 분산을 위해 초음파처리를 하였으며 최적 조건을 찾고 나노 TiO2-Ni 복합 도금층을 제조하였다.
아울러 pH 변화에 따른 표면전위를 측정하였다. 표면의 수산화기로 인한 입자의 응집현상을 억제하기 위하여 물리적인 방법으로 초음파처리를 실시하였다. 초음파 처리는 나노분말의 분산에 효과적이며 초음파 처리시간의 증가에 따라 복합 도금층에서 나노분말의 응집이 억제되고 함량이 증가하는 현상이 나타났으며, bath type 1시간 horn type 10분 이후부터는 공석되는TiO2함량의 변화가 없는 모습을 보였다.
대상 데이터
TiO2는 Sukgyung AT사에서 제조한 순도 99.9% 이상의 것으로, 평균 50 nm 크기를 사용하여 실험을 진행하였고, Fig. 1에 나타내었다. TiO2-Ni 복합도금을 위해 사용된 용액의 조성은 Table 1에 나타내었다.
나노 TiO2입자를 첨가한 Ni Watt 용액에서 복합 도금을 실시하였다. 아울러 pH 변화에 따른 표면전위를 측정하였다.
도금되는 구리는 면적이 1cm2인 구리평판을 음극(cathode)으로 사용하였고, 양극(anode)로는 40 mm×30 mm사이즈의 Ni 전극을 사용하였다.
본 연구에서는 나노분말로 TiO2를 사용하였다. TiO2를 첨가시킨 복합도금을 통해 표면저항성 향상, 광분해 효과를 기대할 수 있으며 최근에는 연료 감응형 전지에 쓰기 위한 연구가 진행중이다.
Zeta potential을 측정하기 위한 장비로는 Otsuka Electron Corp.의 ELS-8000을 사용하였다. EG&G 273A potentio/galvano stat을 이용하여 부식 특성을 평가하였고, 표면 경도 분석은 Akashi MVK-H3를 사용하였다.
성능/효과
5에서 보듯이 bath type과 horn type 두 경우 모두 초음파 처리 시간이 증가함에 따라서 TiO2나노분말의 응집현상이 줄어드는 것을 관찰 할 수 있었다. Fig. 6에서 보듯이, TiO2-Ni 복합도금에서 초음파 처리시간의 증가에 따라 복합 도금층의 TiO2나노분말의 함량이 증가하는 현상이 나타났으며, bath type 초음파처리 1시간, horntype 초음파처리 10분 이후부터는 공석되는 TiO2나노분말 함량의 변화가 없는 결과가 관찰되었다. 또한 초음파 처리 시간의 관점에서 봤을 때 horn type으로 초음파 처리를 했을 경우가 bath type으로 처리를 한 경우보다 좀 더 짧은 시간에 나노분말의 분산을 효과적으로 얻어낼 수 있는 점을 확인할 수 있었다.
TiO2나노분말의 표면 전하가 pH 값의 증가에 따라 음의 방향으로 증가하는 것을 확인할 수 있으며, pH가 8에 이르러서는 약 –40 mV인 것을 확인할 수 있다.
6에서 보듯이, TiO2-Ni 복합도금에서 초음파 처리시간의 증가에 따라 복합 도금층의 TiO2나노분말의 함량이 증가하는 현상이 나타났으며, bath type 초음파처리 1시간, horntype 초음파처리 10분 이후부터는 공석되는 TiO2나노분말 함량의 변화가 없는 결과가 관찰되었다. 또한 초음파 처리 시간의 관점에서 봤을 때 horn type으로 초음파 처리를 했을 경우가 bath type으로 처리를 한 경우보다 좀 더 짧은 시간에 나노분말의 분산을 효과적으로 얻어낼 수 있는 점을 확인할 수 있었다.
표면의 수산화기로 인한 입자의 응집현상을 억제하기 위하여 물리적인 방법으로 초음파처리를 실시하였다. 초음파 처리는 나노분말의 분산에 효과적이며 초음파 처리시간의 증가에 따라 복합 도금층에서 나노분말의 응집이 억제되고 함량이 증가하는 현상이 나타났으며, bath type 1시간 horn type 10분 이후부터는 공석되는TiO2함량의 변화가 없는 모습을 보였다. TiO2-Ni 복합도금의 전기화학적 최적조건은 전류밀도 40 mA/cm2, 온도 50oC, pH 3.
3시간 도금하여 150 µm의 두께의 복합 도금층을 형성하고 이 복합 도금층을 Ni에칭액에서 5분간 에칭한 후 복합 도금층 단면의 윗부분과 아랫부분을 FESEM으로 관찰하였다. 표면부분과 마찬가지로 도금층 내부까지 나노분말이 비교적 잘 분산되어 도금된 것을 확인 할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전기도금법의 장점은?
복합 전기도금은 도금 중 반응성이 없는 물질을 첨가 하여 도금층 내부에 함께 존재하도록 함으로써 이루어진다.1-2)전기도금법은 고온이 아닌 상온에서 진행되고, 간편하며, 경제적인 방법으로 제조할 수 있어 많은 연구자 들이 관심을 가지고 개발 중이다. 복합 전기도금법에 사용되는 기지합금은 특별한 제한은 없으나 Ni 기지상 복합도금이 많이 연구되어 왔다.
콜로이드가 용액 중에서 안정화되기 위한 제일 큰 요인 중 하나는?
콜로이드가 용액 중에서 안정화되기 위한 제일 큰 요인 중 하나가 표면전위(zeta potential)이다.14)표면전위는 사용되는 분말의 종류, 용액조성, pH에 의해 좌우되는데, 본 연구에서는 용액 조성이 일정한 상태에서 pH 변화에 따른 표면전위를 측정하였다.
본 논문에서 도금층의 조성을 EDS로 분석한 결과는?
Fig. 4의 결과를 보면 pH에 따른 Ni과 Ti의 함량 변화가 미미하였다. 이 결과로부터 pH가 TiO2함량에 미치는 영향이 미미하고 pH가 증가할 경우 표면 형상에 좋지 않은 영향을 미치므로 이후 복합도금은 pH 3.
참고문헌 (15)
K. Msellak, J. P. Chopart, O. Jbara, O. Aaboubi and J. Amblard, "Magnetic Field Effects on Ni-Fe Alloys Codeposition", J. Magnetidm. Magnet. Mater., 281, 295 (2004).
M. J. Kim, J. S. Kim and D. J. Kim, "Electrodeposition of Oxide-Dispersed Nickel Composites and the Behavior of Their Mechanical Properties", Met. Mater. Int., 15, 789 (2009).
M. W. Jung, J. H. Kim, H. Y. Lee and J. H. Lee, "Electrodeposition of Permalloy-Silica Composite Coating", J. Microelectron. Packag. Soc., 17(4), 83 (2010)
H. K. Lee, H. Y. Lee and J. M. Jeon, "Codeposition of Microand Nano-Sized SiC Particles in the Nickel Matrix Composite Coatings Obtained by Electroplating", Surf. Coat. Tech., 201, 4711 (2007).
T. J. Chen, Y. C. Chiou and R. T. Lee, "Grinding Characteristics of Diamond Film Using Composite Electroplating In-Process Sharpening Method", Inter. J. Mach. Tool. Manu., 49, 470 (2009).
M. Surender, B. Basu and R. Balasubramaniam, "Wear Characterization of Electrodeposited Ni-WC Composite Coatings", Tribol. Inter., 37, 739 (2004).
S. A. Lajevardi and T. Shahrabi, "Effects of Pulse Electrodeposition Parameters on the Properties of Ni- $TiO_{2}$ Nanocomposite Coatings", Appl. Surf. Sci., 256, 6775 (2010).
B. M. Praveen, T. V. Venkatesha, Y. A. Naik and K. Prashantha, "Synthesis and Reactivity in Inorganic, Metal-Organic, and Nano-Metal", Chemistry, 37, 461 (2007).
H. K. Um, H. Y. Lee, T. H. Yim and J. H. Lee, "The Effects of Pretreatment and Surfactants on CNT and Permalloy Composite Electroplating", J. Microelectron. Packag. Soc., 17(1), 63 (2010).
V. O. Nwoko and L. L. Shreir, "Electron Micrographic Examination of Electrodeposited Dispersion-Hardened Nickel", J. Appl. Electrochem., 3, 137 (1973).
J. P. Celis and J. R. Roos, "Kinetics of the Deposition of Alumina Particles from Copper Sulfate Plating Baths", J. Electrochem. Soc., 124, 1508 (1977).
K. H. Ko, Y. C. Lee and Y. J. Jung, "Enhanced Efficiency of Dye-sensitized TiO2 Solar Cells (DSSC) by Doping of Metal Ions", J. Colloid. Interf. Sci., 283, 482 (2005).
G. Cao, Nanostructure and Nanomaterials: Synthesis, Properties & Applications, pp.151, Imperial College Press, London (2004).
X. K. Ma, N. H. Lee, H. J. Oh, J. W. Kim, C. K. Rhee, K. S. Park and S. J. Kim, "Surface Modification and Characterization of Highly Dispersed Silica Nanoparticles by a Cationic Surfactant", Coll. Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects, 358, 172 (2010).
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