[논문]알루미늄 합금 소재의 옥살산 아노다이징 피막 물성 연구

정나겸; 박지현

doi:10.5695/jkise.2020.53.5.249

알루미늄 합금 소재의 옥살산 아노다이징 피막 물성 연구
A Study on the Properties of Anodic Oxide Films Formed on Al Alloys in Oxalic Acid 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.53 no.5, 2020년, pp.249 - 256

정나겸 (영광YKMC 기술연구소) , 박지현 (영광YKMC 기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

As the size of manufacturing equipment for LCD and OLED displays increases, replacement of existing heavy stainless steel components with light metals, such as aluminum alloys, is being more important in semiconducting and display manufacturing industries. To use aluminum alloys for components in semiconducting and display industries, it is important to develop a new anodization method for improved performance of anodic oxide films than conventional anodization method based on sulfuric acid. In this work, optimum applied current density and the best sealing methods for anodic oxide films in 3% oxalic acid were explored. Experimental results showed 2.5 A/dm2 is the best applied current density for improved hardness and dielectric breakdown voltage. Sealing of the anodic oxide films further improved their hardness, dielectric breakdown voltage and resistance to HCl, by which application of anodic oxide films become applicable for components in semiconducting and display industries.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Photographs of Al5052 and Al6061-T6 aluminum plate and racking used for anodizing.
그림 Fig. 2. Process chart of aluminum anodizing.
그림 Fig. 3. Aluminum pre-treatment tank.
그림 Fig. 4. Electrolytic bath and rectifier controller of aluminum anodizing.
그림 Fig. 5. Anodizing time necessary to form 30㎛ thick anodic oxide films with applied current density on Al5052 and Al6061 alloys.
표 Table 1. Properties of anodic oxide films obtained at various applied current densities on Al5052 and Al6061 alloys.
그림 Fig. 6. Images of anodized Al5052 and Al6061 samples with different post-treatments.
표 Table 2. Experimental measurement methods of anodizing film properties.
그림 Fig. 7. Vickers hardness of Al5052 and Al6061-T6 material.
그림 Fig. 8. Vickers hardness measurement of 30㎛ anodizing films on Al5052 and Al6061-T6.
그림 Fig. 9. Vickers hardness of 30㎛ thick anodizing films on Al5052 and Al6061 after sealing treatment.
그림 Fig. 10. Vickers hardness of 30㎛ thick anodizing films on Al5052 and Al6061 after heat-treatment.
그림 Fig. 11. Vickers hardness of stainless steel 304 material.
그림 Fig. 12. Changes in dielectric breakdown voltage with different sealing treatment conditions.
그림 Fig. 13. HCl bubble stream test.
그림 Fig. 14. Changes in 5% HCl resistance with different sealing treatment conditions.
표 Table 3. Comparison of properties of anodizing films for Al5052 according to post-treatment conditions.
표 Table 4. Comparison of properties of anodizing films for Al6061-T6 according to post-treatment conditions.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 옥살산 전해액을 이용하여, 반도체 및 디스플레이 장비 부품으로 활용가능한 고품질의 양극산화 표면처리 기술을 연구하고자 하며, 양극산화 피막층의 특성 향상을 위해, 알루미늄 재질, 전해액 농도, 전해액 온도, 후처리 조건에 변화를 주어 양극산화 피막층을 형성하였으며, 형성된 피막층의 특성은 경도, 내전압, 내산성 특성을 분석하여 관찰하였다.
본 연구에서는 3% 옥살산 전해액에서 형성된 양극산화 피막의 고품질화를 위하여 최적인 인가전류 밀도 및 봉공처리 기술을 개발하는데 목적을 두고 있다. 연구결과 15℃, 3% 옥살산 전해액에서 정전류 양극산화법으로 형성된 산화피막은 2.

제안 방법

반도체 공정의 웨이퍼 및 디스플레이 공정의 Glass에 절연막, 금속막 등을 증착하는 공정은 플라즈마 가스를 활성화하여 target위에 증착하는 것으로, 사용되는 부품은 플라즈마 가스에 항상 노출되므로, 플라즈마 가스에 저항할 수 있는 내플라즈마 품질 특성이 필요하다. 그러나 내플라즈마성을 직접적으로 측정하기 위해서는, 시편을 실제로 플라즈마에 노출시켜서 내구성을 평가해야 하므로, 평가 및 측정이 쉽지 않아, 플라즈마 가스에 저항할수 있는 특성을 간접적으로 확인할 수 있는 지표인 내산성 평가를 진행하였다. 측정 방법으로는 그림 13과 같이 측정하고자 하는 시험편에 직경 내경이 20mm이며, 높이가 60mm의 투명아크릴 튜브를 마스킹 테이프와 마스킹 본드를 이용하여 접착한 후, 접착한 아크릴 튜브에 50mm 높이로 5% HCl 용액 또는 35% HCl 용액을 채운후, bubble stream 이 일어나는 시간을 관찰하였다.
양극산화 처리 후 봉공처리 방법에 따른 피막의 물성 변화를 연구한 결과, 봉공처리 방법에 따라 450 Hv 이상의 고경도가 가능하였고, 후열처리를 적용하면 600 Hv 이상의 초 고경도를 얻을 수 있었다. 또한 첨가제가 함유된 봉공처리를 통하여 3,400 V 이상의 내전압과 35% HCl에서 3시간 이상의 내산성을 확보하였다. 이러한 고품질의 양극산화 피막은 반도체, 디스플레이 산업분야에서 사용되고 있는 부품에 적용이 가능한 수준으로 판단된다.
먼저, 봉공 처리는 비등수 봉공으로서 초순수 봉공 및 초 순수와 본 회사에서 개발한 첨가제가 포함된 혼합액을 사용하여 양극산화된 시편을 90∼95 ℃로 가열한 처리액에서 30분 동안 침지하여 실시하였으며, 고경도 특성을 얻기 위한 후처리 방법으로 봉공 처리 없이 열처리를 적용하였다.
본 연구에서는 양극산화가 적용되는 소재에 포함된 합금원소의 특성에 맞게 탈지, 에칭, 중화처리(스머트제거) 공정의 농도와 온도, 시간을 변수로 하여 최적의 공정조건을 확립하여 전처리 공정을 수행하였으며, 양극산화를 포함한 전체공정은 그림 2와 같이 진행하였다.
를 주성분으로 하는 35% 혼합액을 사용하여 20∼30 ℃ 에서 30∼60초간 침지하여 에칭 과정에서 생성된 스머트를 제거하였다. 실험에 사용된 전처리 조는 그림 3과 같으며, 각각의 공정 후 증류수를 사용하여 침지수세 및 스프레이 수세를 실시하였다.
전처리 공정의 시작인 탈지에서는 구연산(C6H8O7) 을 주성분으로 하는 10% 수용액을 사용하여 40 ℃에서 120∼180초간 침지하여 알루미늄 표면에 남아 있는 각종 오염물을 제거하였고, 에칭에서는 NaOH 10% 수용액을 사용하여 40∼50 ℃ 에서 60∼100초간 침지하여 자연 산화 피막 및 부식 산화물 등을제거하였으며, 마지막으로 중화 및 디스머트 처리에서 HNO3를 주성분으로 하는 35% 혼합액을 사용하여 20∼30 ℃ 에서 30∼60초간 침지하여 에칭 과정에서 생성된 스머트를 제거하였다.
전처리 과정을 거친 시편은 전해온도 15℃, 3%옥살산 전해액에서 양극산화를 진행하였다. 전해 조건으로는 PE재질인 200 L 전해조에서 DC 정류기를 사용하여 정전류 방식으로 전류밀도 1.
실험에 사용한 전해 조와 정류기 제어기는 그림 4와 같다. 정전류 방식을 사용하여 목표 전류까지 300초 내에 상승시킨 후 일정시간 유지시켜 30㎛의 피막두께를 형성할 때까지 동일한 전류를 인가하였다. 전류밀도가 높아질수록 출력 전압도 상승되면서 전해 시간은 점점 감소하였다.
그러나 내플라즈마성을 직접적으로 측정하기 위해서는, 시편을 실제로 플라즈마에 노출시켜서 내구성을 평가해야 하므로, 평가 및 측정이 쉽지 않아, 플라즈마 가스에 저항할수 있는 특성을 간접적으로 확인할 수 있는 지표인 내산성 평가를 진행하였다. 측정 방법으로는 그림 13과 같이 측정하고자 하는 시험편에 직경 내경이 20mm이며, 높이가 60mm의 투명아크릴 튜브를 마스킹 테이프와 마스킹 본드를 이용하여 접착한 후, 접착한 아크릴 튜브에 50mm 높이로 5% HCl 용액 또는 35% HCl 용액을 채운후, bubble stream 이 일어나는 시간을 관찰하였다. 그림 14의 (a), (b)와 같이 5% HCl bubble stream 시험을 실시한 결과, 봉공 처리를 실시하지 않은 시편은 내산성이 5∼8분으로 매우 짧았으나, 봉공처리 후에는 알루미늄 5052 소재와 알루미늄 6061 소재 모두 요구하는 내산성을만족하였으며, 첨가제를 사용한 봉공처리 방법에서는 5% HCl bubble stream에서는 8시간 이상, 35% HCl bubble stream에서는 3시간 이상을 나타내어 매우 양호하였다.
후처리까지 진행한 알루미늄 합금 샘플은 표 2에서와 같은 측정 방법으로 산화 피막 두께, 경도, 내 전압, 내산성을 측정하여 특성을 분석하였다. 피막 두께는 eddy current 형식의 피막 두께 측정기를, 경도는 비커스 경도계를 사용하여 0.1kg.f 하중에서 측정하였고, 내전압의 경우 BDV tester를 통하여 2mA 조건으로 전압을 상승시켜 breakdown voltage 를 측정하였으며, 내산성은 내경 20mm의 아크릴 파이프를 시편 표면에 부착 후 5%, 35% HCl 용액을 사용하여 bubble이 발생되는 시간을 측정하였으며, 5%는 최대 8시간까지, 35%는 최대 3시간까지 관찰하였다.
열처리를 진행한 시편은 처리 전보다 색상이 진하게 변하였으나, 봉공처리 유무에 대한 색상 변화는 육안으로는 크게 차이가 없었으며, 손으로 만졌을 때 봉공처리를 하지 않은 시편은 봉공처리를 진행한 시편보다 끈적임을 촉감으로 느낄 수 있었다. 후처리 후의 피막두께는 측정 결과 처리 전과 차이가 없었으며, 전류밀도에 따른 산화피막의 특성을 경도, 내전압, 내산성 등을 비교하여 측정한 결과, 전류밀도 2 A/dm2 또는 2.5 A/dm2에서 경도와 내전압이 가장 좋은 산화 피막을 얻을 수 있었는데, 본 연구에서는 그림5와 같이 전류밀도의 증가에 따라 전해시간이 감소하므로, 생산성 향상을 위해 전해 시간이 단축되는 2.5 A/dm2의 전해조건을 선택하여 양극산화를 진행한 후 후처리를 하였다.
후처리까지 진행한 알루미늄 합금 샘플은 표 2에서와 같은 측정 방법으로 산화 피막 두께, 경도, 내 전압, 내산성을 측정하여 특성을 분석하였다. 피막 두께는 eddy current 형식의 피막 두께 측정기를, 경도는 비커스 경도계를 사용하여 0.

대상 데이터

실험에서 사용된 알루미늄합금 시편은 그림1과 같이 Al5052와 Al6061 소재를 100mm x 100mm x 5mm의 크기로 제작, 가공 후 Al 6063 와이어를 사용하여 래킹하였다.
전해 조건으로는 PE재질인 200 L 전해조에서 DC 정류기를 사용하여 정전류 방식으로 전류밀도 1.5 A/dm2∼3.0 A/dm2으로 진행하였고, 음극으로는 Al6063 소재를 전해조 양면에 배치하였다.

성능/효과

(b)와 같이 5% HCl bubble stream 시험을 실시한 결과, 봉공 처리를 실시하지 않은 시편은 내산성이 5∼8분으로 매우 짧았으나, 봉공처리 후에는 알루미늄 5052 소재와 알루미늄 6061 소재 모두 요구하는 내산성을만족하였으며, 첨가제를 사용한 봉공처리 방법에서는 5% HCl bubble stream에서는 8시간 이상, 35% HCl bubble stream에서는 3시간 이상을 나타내어 매우 양호하였다.
그림 14의 (a), (b)와 같이 5% HCl bubble stream 시험을 실시한 결과, 봉공 처리를 실시하지 않은 시편은 내산성이 5∼8분으로 매우 짧았으나, 봉공처리 후에는 알루미늄 5052 소재와 알루미늄 6061 소재 모두 요구하는 내산성을만족하였으며, 첨가제를 사용한 봉공처리 방법에서는 5% HCl bubble stream에서는 8시간 이상, 35% HCl bubble stream에서는 3시간 이상을 나타내어 매우 양호하였다. 실제적인 내산성은 제시한 시간보다 더 양호할 것으로 판단되나, 본사 고객인 반도체및 디스플레이 장비 제작사에서 요구하는 조건은 5% HCl 에서 2시간 이상으로, 요구조건 이상으로 만족하였다.
5A/dm2의 인가전류밀도에서 가장 우수한 내식성, 내전압 및 경도를 나타내었다. 양극산화 처리 후 봉공처리 방법에 따른 피막의 물성 변화를 연구한 결과, 봉공처리 방법에 따라 450 Hv 이상의 고경도가 가능하였고, 후열처리를 적용하면 600 Hv 이상의 초 고경도를 얻을 수 있었다. 또한 첨가제가 함유된 봉공처리를 통하여 3,400 V 이상의 내전압과 35% HCl에서 3시간 이상의 내산성을 확보하였다.
본 연구에서는 3% 옥살산 전해액에서 형성된 양극산화 피막의 고품질화를 위하여 최적인 인가전류 밀도 및 봉공처리 기술을 개발하는데 목적을 두고 있다. 연구결과 15℃, 3% 옥살산 전해액에서 정전류 양극산화법으로 형성된 산화피막은 2.5A/dm2의 인가전류밀도에서 가장 우수한 내식성, 내전압 및 경도를 나타내었다. 양극산화 처리 후 봉공처리 방법에 따른 피막의 물성 변화를 연구한 결과, 봉공처리 방법에 따라 450 Hv 이상의 고경도가 가능하였고, 후열처리를 적용하면 600 Hv 이상의 초 고경도를 얻을 수 있었다.
열처리를 진행한 시편은 처리 전보다 색상이 진하게 변하였으나, 봉공처리 유무에 대한 색상 변화는 육안으로는 크게 차이가 없었으며, 손으로 만졌을 때 봉공처리를 하지 않은 시편은 봉공처리를 진행한 시편보다 끈적임을 촉감으로 느낄 수 있었다. 후처리 후의 피막두께는 측정 결과 처리 전과 차이가 없었으며, 전류밀도에 따른 산화피막의 특성을 경도, 내전압, 내산성 등을 비교하여 측정한 결과, 전류밀도 2 A/dm2 또는 2.
알루미늄 합금중 반도체 및 디스플레이 장비 부품으로 많이 사용되고 있는 Al5052 소재와, Al 6061열처리 소재는 그림 7∼10과 같이 원소재는 비커스 경도로 각각 65∼75 Hv, 110∼115 Hv의 경도 값을 갖는 무른 금속의 특성을 가지고 있으나, 알루미늄 소재에 양극산화를 하여 산화피막 층을 형성하면 경도 값이 Al5052는 410 Hv, Al6061은 350 Hv 이상으로 원소재에서 6배∼3배 이상 경도 값이 상승하며, 봉공처리 공정까지 진행했을 때는 Al5052는 466 Hv, Al6061은 385 Hv로 향상되며, 후처리 공정으로 열처리를 진행하게 되면 Al5052는 600 Hv, Al6061은 520 Hv 이상의 고경도의 특성을 나타낸다. 이와 같이 알루미늄 합금에 양극산화 표면처리 기술을 적용하면, 그림 11의 스테인레스 강의 경도보다 높게 경도를 향상시킬 수 있어, 스테인레스강의 대체 소재로서 경량화를 위한 소재로 충분히 활용이 될 수 있음을 확인하였다.

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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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