[논문]알루미늄 7075 합금의 PEO 처리 기술 및 첨가제 영향 분석

진연호; 양재교

doi:10.5695/jkise.2020.53.2.53

알루미늄 7075 합금의 PEO 처리 기술 및 첨가제 영향 분석
Study of PEO Process for Al 7075 and Effect of additives 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.53 no.2, 2020년, pp.53 - 58

진연호 (고등기술연구원 신소재공정센터) , 양재교 (고등기술연구원 신소재공정센터)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we developed plasma electrolytic oxidation (PEO) process for aluminum 7075 alloy to improve the corrosion and mechanical properties. The electrolyte consists of potassium hydroxide and sodium silicate. Additionally, sodium stannate was added into the electrolyte to investigate its effect on PEO film formation. Titanium was used as the counter electrode. Plasma generation voltage reduced from 300V to 150 V by adding 4 g/L of sodium stannate. The thin oxide films were observed by SEM(Scanning Electron Microscopy)/EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) for quantitative and qualitative analyses. XRD (X-ray diffraction) and XRF (X-ray Fluorescences) analyses were also carried out to identify oxide layer on aluminum 7075 surface. Vicker's hardness test was performed on the PEO-treated aluminum 7075 surface.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig 1. Scheme of PEO experiement and a picture of plasma arc on aluminum 7075
표 Table 1. List of experiment conditions of PEO process
그림 Fig 2. XRD patterns of conducted PEO process without additive (Enlarged 2 theta = 62~70°)
그림 Fig 3. XRD patterns of conducted PEO process with additive concentration
그림 Fig 4. SEM/EDS images of (a) 2 g/L additive (b) 4 g/L additive
표 Table 2. XRF results of experiments
그림 Fig 5. Vicker's hardness test of various PEO experiments

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 알루미늄 7075 합금에 내식성 및 내산화성 향상을 위한 PEO 공정 조건을 제시하고, 첨가제를 투입하여 변화된 Plasma 발생 전압 범위에 따라 형성된 산화층의 종류 및 이의 경도 특성에 대한 변화를 관찰하고자 한다.
본 연구에서는 Al 7075 합금에 대하여 PEO 공정에서 인가 전압, 시간을 제어하고 추가적으로 첨가 제인 Sodium Stannate를 적정량 추가해 표면 산화 층 형성시키는 연구를 수행하였다. 전해액 첨가제 인 Sodium Stannate에 따라 항복전압이 최대 150 V 까지 내려가는 것을 확인할 수 있었으며, 통상적으로 인가전압 및 시간이 증가할수록 표면에 형성되 는 산화피막의 두께가 증가하였다.

제안 방법

이 중관 수냉 자켓을 이용해 전해액의 온도를 3o C 로 일정하게 유지하고 휘발 역시 방지하였다. 또한 마 그네틱 바를 이용한 전해액의 교반을 통해 시편이 일정한 농도의 전해액과 접촉하도록 하였다.
알루미늄 7075의 PEO 처리 기술 개발을 위해 음극으로는 Ti mesh를 사용해 구성하였으며, Power supply는 AC type 의 50 ~ 60 Hz 주파수를 발생시키는 장비를 사용하였다. 본 연구에서 전압인가 제어 주파수는 60 Hz 로 고정하고, CV (Constant Voltage) 모드를 이용해 최대 150 ~ 300 V의 영역에서 PEO 실험을 수행하였다(그림 1). 전압 인가시간은 최대 10~30분으로 수행하였다.
항복전압 값이 낮아짐에 따라 Stage I ~ IV 까지 매우 빠른 속도로 진행되는 것을 확인할 수 있었다[5]. 첨가제가 없는 전해액 조성에서는 250 V 이하에서는 Plasma 가 발생 하지 않는 일반 전해산화가 진행되어 전압조건을 250 ~ 300 V 범위에서 진행하였으며, 4 g/L 의 첨가제를 추가한 조건에서는 항복전압 값이 더욱 낮아짐에 따라 200 V의 단일 조건에서 30분 유지시켜 실험을 수행하였다.
표 2와 같이 XRF 분석을 통해 전해액/전압/시간 조건에 따른 표면 산화물들의 성분 분석을 수행하 였다. 전해액에 첨가제가 투입되지 않은 1~5 실험 조건의 경우 전압/시간 조건에 관계없이 Al2O3 가 약 90 wt.

대상 데이터

첨가제는 Na2SnO3·3H2O (Sigma Aldrich, 95%)를 사용하였으며, 최대 0 ~ 4 g/L 의 농도로 기제조한 전해액에 추가하였다. 사용한 D.I. water 는 R/O, UP를 모두 통과한 3차 초순수를 사용하였으며, 이를 통해 전해액 구성 시 불순물 혼입을 최소화 하였다.
알루미늄 7075의 PEO 처리 기술 개발을 위해 음극으로는 Ti mesh를 사용해 구성하였으며, Power supply는 AC type 의 50 ~ 60 Hz 주파수를 발생시키는 장비를 사용하였다. 본 연구에서 전압인가 제어 주파수는 60 Hz 로 고정하고, CV (Constant Voltage) 모드를 이용해 최대 150 ~ 300 V의 영역에서 PEO 실험을 수행하였다(그림 1).
전해액 구성을 위해 6 g/L KOH (Alfa aesar 99%), 3 g/L Na2SiO3·9H2O (Sigma Aldrich, 98%) 를 D.I. water (Deionized Water) 에 각각 용해시켜 전해액을 준비하였다.
첨가제는 Na2SnO3·3H2O (Sigma Aldrich, 95%)를 사용하였으며, 최대 0 ~ 4 g/L 의 농도로 기제조한 전해액에 추가하였다.

성능/효과

%의 함량을 나타내고, Al2O3는 21 wt.% 까지 감소한 것을 확인할 수 있었다. 위 결과를 통해 2 g/L 이상의 첨가제 농도에 의해 SnO2 가 표면에 형성되는 것을 확인할 수 있었으며, 첨가제를 통해 Zn, Si 등의 화합물이 낮은 비율로 표 면에 산화물 형태로 형성된 것을 예측할 수 있었다.
전해액에 첨가제가 투입되지 않은 1~5 실험 조건의 경우 전압/시간 조건에 관계없이 Al2O3 가 약 90 wt.% 로 형성되어 있으며, 두께 및 Phase에 대한 분석은 그림 3과 그림 4를 통해 전압/시간에 비례하여 산화층의 형성됨을 확인할 수 있었다. SiO2, ZnO, MgO 등은 7075 합금 조성 물질로 검출되었다[12].
(a)에서 보이는 바와 같이 2 g/L 의 농도에서는 두께 5 µm 이상의 산화막이 안정적으로 형성된 것을 확인할 수 있었으며, 대부분의 산화막 층을 형성하는 인자는 알루미늄과 산소 성분으로 검출되었다.
이외에 Minor peak 들이 다수 관찰되었는데, 명확히 관찰하기 위해 62~70o 의 영역을 확대 도식하였다. 67.3o peak 은 250 V 전압 인가 조건에서는 시간에 관계없이 관찰되지 않았으나, 300 V 전 압 인가 조건에서는 67.3o peak 이 검출되었으며, 이는 인가 시간이 증가함에 따라 상대적으로 Intensity 가 증가한 것으로 보인다. 이 67.
7번 실험 조건 에서는 최대 133 Hv 값이 나타났다. PEO 실험에서 첨가제를 넣지 않은 실험과 표준편차는 4.86 Hv이고, 전해액이 2 g/L 투입됐을 때 표준편차는 18.84 Hv로 첨가제를 넣지 않을 때 보다 균일한 비커스 경도 값을 나타냈고, 첨가제를 일부 투입한 경우, SnO2 및 기타 Phase 들의 영향으로 인해 비교적 불균일 한 경도 경향을 나타내는 것으로 판단된다. PEO 처리 후 표면 산화층물의 경도가 낮은 이유는 내부 기공의 존재 또는 산화물층 피막이 얇아서 모재의 영향이 포함되었기 때문으로 사료된다.
경도 측정 결과 모재에 비해 최소 1.2배 이상 경도가 향상된 것을 확인할 수 있었고, 조건에 따라 최 대 1.83배의 큰 경도값 상승을 얻을수 있었다. 이러한 산화층을 형성시키는 방법을 통해 자동차 휠, 캘 리퍼 등 수송기기 경량화 소재에 다양하게 적용이 가능할것으로 사료된다.
본 실험은 Plasma를 이용해 표면을 국부적으로 산화시키는 공정으로 플라즈마의 발생 조건은 항복 전압 조건 도출이 매우 중요하다. 기본 전해액 구성 조건에서는 300 V에서부터 플라즈마가 발생하는 것을 확인하였으며, 첨가제인 Sodium stannate를 4 g/L 추가한 전해액에서는 약 150 V에서부터 플라즈마가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 전해액의 조성에 따라 플라즈마가 발생하는 항복전압이 약 150 V 이상 감소한 것을 확인할 수 있었다.
첨가제에 의해 제조된 전해액에서 이온 활성화도가 상승하고 이로 인해 Plasma가 상대적으로 낮은 전압에서 발생하는 것으로 사료된다. 또한, 4 g/L 의 조건에서 발생한 주석 화합물의 경우 봉공처리 없이도 조직이 상대적으로 치밀한 것을 확인할 수 있었다. 기존 PEO 공정의 문제점으로 야기되는 Porous 한 내부 조직에 비해 상대적으로 치밀한 조직을 얻을 수 있으며, 이는 내산화성 및 내식성을 향상 시킬 것으로 예상 된다.
뿐만 아니라, Al2O3 의 주요 Peak으로 검출된 45~50o , 67.3o 의 각 Peak의 위치가 상대적으로 감소하거나 없어진 것을 확인할 수 있었으며, 이는 형 성된 산화막 층의 주요 구성성분이 첨가제의 농도 가 2 g/L 까지는 Al2O3 가 주요 물질로 형성되나, 4 g/L로 첨가제 농도가 증가하는 경우 SnO2가 산화층의 주요 물질로 형성되는 것으로 사료된다.
% 까지 감소한 것을 확인할 수 있었다. 위 결과를 통해 2 g/L 이상의 첨가제 농도에 의해 SnO2 가 표면에 형성되는 것을 확인할 수 있었으며, 첨가제를 통해 Zn, Si 등의 화합물이 낮은 비율로 표 면에 산화물 형태로 형성된 것을 예측할 수 있었다. 전해액에 따른 산화층의 굴곡 및 평탄도는 PEO 처리시 인가되는 전압의 차이에 의해 발생하는 것으로 유추할 수 있다.
본 연구에서는 Al 7075 합금에 대하여 PEO 공정에서 인가 전압, 시간을 제어하고 추가적으로 첨가 제인 Sodium Stannate를 적정량 추가해 표면 산화 층 형성시키는 연구를 수행하였다. 전해액 첨가제 인 Sodium Stannate에 따라 항복전압이 최대 150 V 까지 내려가는 것을 확인할 수 있었으며, 통상적으로 인가전압 및 시간이 증가할수록 표면에 형성되 는 산화피막의 두께가 증가하였다. 전해액을 첨가 한 결과 발생하는 마이크로 아크(Plasma)가 매우 균일하고 작은 크기로 시편에 골고루 형성되는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 2 g/L 이상의 첨가제를 투입시, 형성되는 산화층이 Al2O3에서 SnO2로 바뀌 는 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 거동은 첨가 제에 의해 항복전압을 낮추고, 표면 산화층 조성 제어가 가능해 추후 다양한 분야에 적용이 가능할 것 으로 판단된다.
기본 전해액 구성 조건에서는 300 V에서부터 플라즈마가 발생하는 것을 확인하였으며, 첨가제인 Sodium stannate를 4 g/L 추가한 전해액에서는 약 150 V에서부터 플라즈마가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 전해액의 조성에 따라 플라즈마가 발생하는 항복전압이 약 150 V 이상 감소한 것을 확인할 수 있었다. 350 V 이상에서는 위의 전해액 조성으로 실험 시 항복전 압 이상의 고전압으로 모재의 시편이 손상되는 것을 확인할 수 있었으며, 이에 대한 분석 및 연구는 추가로 진행할 예정이다.
첨가제 4 g/L 농도 조건에서는 두께 10 µm 이상의 표면 산화층이 형성 되었으며, EDS 분석 결과 주요 성분이 주석과 산소 성분으로 분석되었다.
첨가제가 추가된 PEO 시 편들에서는 이차상 Peak에 차이가 있었다. 첨가제를 넣지 않은 시료와, 2 g/L 의 Sodium stannate 첨가제를 추가한 시편에서는 Al2O3 (JCPDS #47-1308) 이 검출되었으며, 4 g/L 의 Sodium stannate 첨가제 를 추가한 전해액의 경우 26.61o , 33.89o 등에서 SnO2 (JCPDS #41-1445) 를 매우 뚜렷하게 관찰할 수 있었다. 4 g/L 의 첨가제 농도에서는 검출된 Peak intensity 가 확연히 구분될 수 있는 정도의 Intensity 이다.
이외에 아연, 알루미늄, 실리콘 등 합금 소재 기반 산화물들이 검출된 것을 확인 할 수 있었다. 첨가제인 Sodium Stannate 의 농도가 4 g/L 이상일 때 산화막의 성분에 영향을 미 치는 것을 확인하였다. 특히 4 g/L 의 조건의 경우 인가 전압이 200 V 임에 불구하고, 충분한 Plasma 가 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 150 V 의 조건에서부터 Plasma가 형성되는 것을 확인할 수 있었다.
첨가제인 Sodium Stannate 의 농도가 4 g/L 이상일 때 산화막의 성분에 영향을 미 치는 것을 확인하였다. 특히 4 g/L 의 조건의 경우 인가 전압이 200 V 임에 불구하고, 충분한 Plasma 가 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 150 V 의 조건에서부터 Plasma가 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 저전압에서의 Plasma 발생은 첨가제에 의한 영향으로 추정된다.

후속연구

전해액의 조성에 따라 플라즈마가 발생하는 항복전압이 약 150 V 이상 감소한 것을 확인할 수 있었다. 350 V 이상에서는 위의 전해액 조성으로 실험 시 항복전 압 이상의 고전압으로 모재의 시편이 손상되는 것을 확인할 수 있었으며, 이에 대한 분석 및 연구는 추가로 진행할 예정이다. 항복전압 값이 낮아짐에 따라 Stage I ~ IV 까지 매우 빠른 속도로 진행되는 것을 확인할 수 있었다[5].
83배의 큰 경도값 상승을 얻을수 있었다. 이러한 산화층을 형성시키는 방법을 통해 자동차 휠, 캘 리퍼 등 수송기기 경량화 소재에 다양하게 적용이 가능할것으로 사료된다.
전해액 첨가제 인 Sodium Stannate에 따라 항복전압이 최대 150 V 까지 내려가는 것을 확인할 수 있었으며, 통상적으로 인가전압 및 시간이 증가할수록 표면에 형성되 는 산화피막의 두께가 증가하였다. 전해액을 첨가 한 결과 발생하는 마이크로 아크(Plasma)가 매우 균일하고 작은 크기로 시편에 골고루 형성되는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 2 g/L 이상의 첨가제를 투입시, 형성되는 산화층이 Al2O3에서 SnO2로 바뀌 는 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 거동은 첨가 제에 의해 항복전압을 낮추고, 표면 산화층 조성 제어가 가능해 추후 다양한 분야에 적용이 가능할 것 으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산화피막을 형성하기 위해 플라즈마 전해 산화를 이용하였을때 재료 조직의 변화는?	산화피막을 형성하는 대표적인 방법으로 양극산화(anodizing)와 플라즈마 전해 산화 (이하 PEO, Plasma Electrolytic Oxidation)가 있으며, 플라즈마 전해 산화 기술은 양극산화와 달리 중성 ~ 염기성 용액을 전해액으로 사용함으로써 황산 등 산성 용액 기반 양극산화와 비교해 친환경적이며, 비교적 단시간 내에 빠른 산화층을 형성시키는 장점이 있다[3,4]. PEO는 임계전압 이상의 전압 을 인가하는데, 이때 국부적으로 형성된 강한 전류장에 의해 마이크로 아크(Plasma) 가 발생하고, 발생된 에너지가 생성된 산화물을 형성시켜 치밀하고 단단한 산화물을 형성시킨다. 통상적인 항복 전압 은 350 ~ 550 V인데, 이 전압 구간에서 샘플 표면 에 균일한 미세 방전을 발생시키게 되고, 고전압이 유지됨에 따라 형성되는 미세 방전이 더욱 강렬해 지나, 형성된 산화층이 저항으로 작용해 전류장 크기가 감소하게 된다[5,6].
	알루미늄 합금의 특징은 무엇인가??	최근 대부분의 전자제품을 포함한 자동차, 항공 등 전 산업 분야에서 경량화는 매우 중요한 기술로 대두되고 있다. 특히 알루미늄 합금은 마그네슘, 타이타늄과 함께 대표적인 경량 금속으로서, 높은 열 전도성, 가공성, 비자기성을 특징으로 우주/항공용 소재, 자동차 샤시, 휠, 브레이크 등에서 매우 광범 위하게 사용되고 있으며, 그 수요 또한 해마다 급격하게 증가하고 있다. 그러나 제품으로서 알루미늄은 내마모성 및 내식성이 현저히 떨어져, 부품의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
	플라즈마 전해 산화 기술의 장점은 무엇인가??	외장 부품으로서 알루미늄을 사용할 때 열적/화학적 손상에 의한 부식은 소재의 치명적인 문제점을 일으켜 수명을 크게 단축시킨다[1,2]. 산화피막을 형성하는 대표적인 방법으로 양극산화(anodizing)와 플라즈마 전해 산화 (이하 PEO, Plasma Electrolytic Oxidation)가 있으며, 플라즈마 전해 산화 기술은 양극산화와 달리 중성 ~ 염기성 용액을 전해액으로 사용함으로써 황산 등 산성 용액 기반 양극산화와 비교해 친환경적이며, 비교적 단시간 내에 빠른 산화층을 형성시키는 장점이 있다[3,4]. PEO는 임계전압 이상의 전압 을 인가하는데, 이때 국부적으로 형성된 강한 전류장에 의해 마이크로 아크(Plasma) 가 발생하고, 발생된 에너지가 생성된 산화물을 형성시켜 치밀하고 단단한 산화물을 형성시킨다.

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B-Y. Kim, J-G Kim. D. Y. Lee, M. Jeon, Y-N. Kim, S. Y. Kim and K. Y. Kim Effect of Na2P2O7 Electrolyte and Al alloy Composition on Physical and Crystallographical Properties of PEO Coating Layer : I. Physical Properties of PEO Layer. J. Kor. Ceram. Soc., 49 (2012) 241-246

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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