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문제 정의
- 본 논문에서는 레이저빔을 이용한 스테인리스강에서의 선택적 도금 공정과는 달리 레이저빔이 조사된 티타늄 표면에서 도금층이 잔존하는 현상을 확인하였으며, 이를 규명하기 위해 티타늄 표면 조도에 따른 선택적 전해도금 특성 연구를 수행하였다. 티타늄 표면에의 선택적 도금 기술은 부식저항성, 전도성, 열반사율, 내마 모성 등의 표면 특성을 개선시키는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
제안 방법
- 3(b)와 같이 레이 저빔이 조사되었던 영역에서만 구리 도금층이 잔존해 있고, 레이저 빔이 조사되지 않은 영역에서는 구리층이 제거된 것을 확인할 수있었다. 구리층이 선택적으로 제거되었는지 확인하기 위해 EDS (energy dispersive spectrometry) 분석을 수행하였다. Fig.
- 레이저빔 선 간격에 의한 티타늄의 선택적 전해도금 특성을 확인 하기 위하여 Table 1의 조건 하에서 100 mm/s의 빔의 이송속도를 유지하고 30 μm, 50 μm, 200 μm의 선 간격에 대한 실험을 수행하 였다.
- 5와 같이 2 mm×2 mm 크기 2개의 정사각형 영역 안에 10 μm 선 간격으로 레이저빔을 조사하여 해칭하였다. 레이저빔 이송 속도는 500 mm/s, 1000 mm/s, 2000 mm/s로 변화시켰으며, 레이저빔 이송속도에 따른 선택적 전해도금 여부를 확인하였다.
- 레이저빔 이송 속도에 따른 티타늄 표면에서의 선택적 전해도금 특성을 알아보기 위해, Fig. 5와 같이 2 mm×2 mm 크기 2개의 정사각형 영역 안에 10 μm 선 간격으로 레이저빔을 조사하여 해칭하였다.
- 레이저 어블레이션에 의해 티타늄 표면 위에 존재하는 산화막 및 이물질 등이 제거되며, 티타늄의 표면 조도(surface roughness)와 같은 표면상태도 변화 된다. 레이저빔 조건에 따라 선택적 전해도금이 되는지의 여부를 확인하기 위해 레이저빔의 이송속도와 선 간격을 변경하여 선택적 전해도금 특성을 확인하였으며, 이들 조건에 따른 표면 조도를 측정하였다. 레이저빔이 조사된 영역의 표면 조도는 Fig.
- 3(a)는 Table 1의 조건 하에서 레이저빔 이송속도 100 mm/s, 레이저빔 선 간격 10 μm로 도금층을 형성시키고자 하는 영역의 티타늄 표면에 레이 저빔을 조사한 직후의 SEM 사진이다. 레이저빔 조사 이후 티타늄 시편을 0.5 M 황산과 0.5 M 황산구리 혼합 수용액에 침지하고 2 V 직류전압을 40초간 인가하여 티타늄 표면 전체에 구리층을 형성시켰다. 그 후 초음파 세척을 진행하여 Fig.
- 5 %인 티타늄 판(titanium plate) 을 사용하였으며, 시편은 와이어 방전가공(wire EDM)을 통해 15 mm×15 mm×1 mm 크기로 제작되었다. 전해도금을 위해 일반적 으로 표면의 산화막 및 이물질 층을 제거하기 위해 화학적 혹은 기계적 연마와 같은 표면 전처리 공정이 수행되나 본 연구에서는 도금층을 형성시키고자 하는 영역에만 레이저 표면 처리(laser surface treatment)를 하였다. 전해도금 시 티타늄은 환원 전극으로 구리 판(copper plate)은 산화 전극으로 사용되었다.
- 티타늄 표면에 선택적 전해도금을 수행하기 위해 Table 1의 조건으로 레이저빔을 티타늄 표면에 조사하였다. Fig.
- 레이저빔을 이용하여 티타늄 표면 상태를 변화시킴으로써 전해도금 시 마스크 없이도 원하는 영역에서만 선택적으로 구리층을 형성시킬 수 있음을 확인하였다. 펄스 레이저빔에서 재료의 제거율을 조절하기 위해 레이저빔의 이송속도와 선 간격에 따른 티타늄의 표면 상태 변화를 관측하고 이에 따른 선택적 전해도금 특성을 분석하였다.
- 표면 상태를 확인하기 위해 레이저빔을 조사하지 않은 표면과 이송속도 500 mm/s, 100 mm/s로 레이저빔을 조사한 표면에서의 표면 조도를 Fig. 7과 같이 각각 측정하였다. Fig.
- 표면 상태의 변화는 표면 조도 측정을 통해 수행하였고, 선택적 도금 특성은 SEM 분석과 EDS 분석을 통해 판별하였다. 이러한 분석 결과를 바탕으로 레이저빔 이송속도가 느릴수록 그리고 좁은선 간격을 가질수록 레이저빔의 중첩률이 증가하여 티타늄 표면에 깊은 골과 높은 산을 갖는 표면을 얻을 수 있음을 확인하였다.
대상 데이터
- 레이저빔은 Z축 이송장치를 이용하여 포커싱(focucing)되었으며 이때 빔 크기는 약 50 μm 내외이다. 갈바노 스캐너미터(galvano scannermeter)를 이용하여 레이저빔을 이송하였다.
- 공작물은 Nilaco사의 순도 99.5 %인 티타늄 판(titanium plate) 을 사용하였으며, 시편은 와이어 방전가공(wire EDM)을 통해 15 mm×15 mm×1 mm 크기로 제작되었다.
- 레이저빔 시스템으로는 1.064 μm의 파장을 갖는 펄스빔 레이저(pulsed beam laser)가 사용되었다.
- 전해도금을 위해 일반적 으로 표면의 산화막 및 이물질 층을 제거하기 위해 화학적 혹은 기계적 연마와 같은 표면 전처리 공정이 수행되나 본 연구에서는 도금층을 형성시키고자 하는 영역에만 레이저 표면 처리(laser surface treatment)를 하였다. 전해도금 시 티타늄은 환원 전극으로 구리 판(copper plate)은 산화 전극으로 사용되었다. 0.
- 티타늄 표면에 선택적 전해도금을 수행하기 위한 시스템은 Fig. 1과 같이 레이저빔을 조사 시스템(laser irradiation system)과 전해도금(electrodeposition)을 위한 시스템으로 구성된다. 레이저빔 시스템으로는 1.
성능/효과
- 그 후 초음파 세척을 진행하여 Fig. 3(b)와 같이 레이 저빔이 조사되었던 영역에서만 구리 도금층이 잔존해 있고, 레이저 빔이 조사되지 않은 영역에서는 구리층이 제거된 것을 확인할 수있었다. 구리층이 선택적으로 제거되었는지 확인하기 위해 EDS (energy dispersive spectrometry) 분석을 수행하였다.
- 또한, 200 μm의 선 간격에서는 선택적 전해도금이 되지 않고 티타늄 표면의 구리층이 모두 제거되었음을 실험을 통해 확인하였다.
- 7과 같이 레이저 빔이 조사되지 않은 경우에 비해 500 mm/s의 경우 Ra (roughness arithmetical mean), Rp (roughness maximum profile peak height) 값은 큰 차이를 보이지 않으나, Rv (roughness maximum profile depth), Rz (roughness maximum peak to valley height) 값은 레이저빔이 조사되지 않은 경우보다 큰 차이를 보이고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 이송속도 100 mm/s에서는 500 mm/s의 경우보다 Ra, Rp, Rv, Rz 값 등이 더 증가하는 것을 확인할 수 있다. 500 mm/s 에서는 레이저빔이 조사된 영역에서 초음파 세척 후 일부의 구리층만 티타늄 표면에 남아있고 상당 부분의 구리층의 제거 되었고, 100 mm/s에서는 초음파 세척 후 레이저빔이 조사된 영역 에서 좀 더 안정적으로 구리층이 남아있었다.
- 레이저빔을 이용하여 티타늄 표면 상태를 변화시킴으로써 전해도금 시 마스크 없이도 원하는 영역에서만 선택적으로 구리층을 형성시킬 수 있음을 확인하였다. 펄스 레이저빔에서 재료의 제거율을 조절하기 위해 레이저빔의 이송속도와 선 간격에 따른 티타늄의 표면 상태 변화를 관측하고 이에 따른 선택적 전해도금 특성을 분석하였다.
- 표면 상태의 변화는 표면 조도 측정을 통해 수행하였고, 선택적 도금 특성은 SEM 분석과 EDS 분석을 통해 판별하였다. 이러한 분석 결과를 바탕으로 레이저빔 이송속도가 느릴수록 그리고 좁은선 간격을 가질수록 레이저빔의 중첩률이 증가하여 티타늄 표면에 깊은 골과 높은 산을 갖는 표면을 얻을 수 있음을 확인하였다. 특히, Rv 값과 Rz 값이 큰 경우 전해도금 시 구리층이 표면의 골을 채우는 앵커 효과에 의해 구리층과 티타늄 표면 사이의 접착력이 향상된다.
- 특히, Rv 값과 Rz 값이 큰 경우 전해도금 시 구리층이 표면의 골을 채우는 앵커 효과에 의해 구리층과 티타늄 표면 사이의 접착력이 향상된다. 즉, 표면 조도가 증가할수록 구리층과 티타늄 표면 사이의 접착력이 향상되는 경향이 있음을 확인하였으며, 또한, 구리층과 티타늄 표면에서의 상대적인 결합력 차이를 이용하면 선택적으로 전해도금이 가능하다는 것을 확인하였다.
후속연구
- 티타늄 및 티타늄 합금(titanium & titanium alloys)은 기계공학, 항공 및 우주공학, 전자공학, 인체공학, 의료 등의 분야에서 많이 활용되는 재료이므로, 폭 넓은 분야에서의 활용을 위해 레이저 빔을 이용한 티타늄 표면에서의 선택적 전해도금 공정에 관한 연구가 수행되어야 한다.
- 본 논문에서는 레이저빔을 이용한 스테인리스강에서의 선택적 도금 공정과는 달리 레이저빔이 조사된 티타늄 표면에서 도금층이 잔존하는 현상을 확인하였으며, 이를 규명하기 위해 티타늄 표면 조도에 따른 선택적 전해도금 특성 연구를 수행하였다. 티타늄 표면에의 선택적 도금 기술은 부식저항성, 전도성, 열반사율, 내마 모성 등의 표면 특성을 개선시키는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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