[논문]단일공정 양극산화를 이용한 WO3가 복합된 304 스테인레스 강 산화 피막 제조

김문수; 이재원; 이기영; 김용태; 최진섭

doi:10.5695/jkise.2020.53.5.257

단일공정 양극산화를 이용한 WO3가 복합된 304 스테인레스 강 산화 피막 제조
Preparation of Anodic Iron Oxide Composite Incorporated with WO3 on the Stainless Steel Type-304 Substrate Through a Single-step Anodization 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.53 no.5, 2020년, pp.257 - 264

김문수 (인하대학교 화학공학과) , 이재원 (경북대학교 미래과학기술융합학과) , 이기영 (경북대학교 미래과학기술융합학과) , 김용태 (인하대학교 화학공학과) , 최진섭 (인하대학교 화학공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Anodization of Fe and Fe alloys is one of the most promising techniques to obtain iron oxide films applying to the various electrochemical devices due to their electrochemical catalytic properties. In this study, we investigate on the preparation of anodic iron oxide composite incorporated with WO3 through a single-step anodization of stainless steel type-304 (STS304) as a substrate. The effects of applied voltage and tungsten precursor on the structural characteristics of iron oxide composite with different amount of incorporated WO3 were observed. It is demonstrated that when the voltage of 60 V applied with 20 mM of Na2WO4 as a precursor, anodic iron oxide composite with a large pore diameter and a thick oxide length in which WO3 is uniformly incorporated is obtained.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Current density transient plots during anodization process (a) without and (b) with Na₂WO₄ as a precursor at different applied voltages. Right side shows a current density transient in earlier state (0 to 250 s).
표 Table 1. Average pore diameter of un-incorporated and WO₃–incorporated anodic film on the STS304 anodized at the 60 V
그림 Fig. 2. Top view of SEM images of (a) – (c) un-incorporated and (d) – (f) WO₃-incorporated anodic film on the STS304 at different applied voltages.
그림 Fig. 3. Cross–sectional view SEM images of (a) un-incorporated and (b) WO₃-incorporated anodic film on the STS304 anodized at the 60 V.
그림 Fig. 4. (a) Plot indicating the relationship between anodizing voltage and concentration of tungsten atom. EDS mapping images of WO₃-incorporated anodic film on the STS304 anodized at 60 V, (b) W- M, (c) Fe-K, (d) O-K, respectively.
그림 Fig. 5. XPS analysis of WO₃-incorporated anodic film on the STS304 at 60 V. (a) survey scan, (b) W4f, (c) Fe2p, (d) C r2p, (e) O1s, (f) Ni2p.

AI 본문요약
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문제 정의

이 중 70 %의 철, 20 %의 크롬, 10 %의 니켈로 이루어진 304 계열을 가장 널리 사용하고 있으며 철의 양극산화와 마찬가지로 비슷한 방법을 기반으로 한 양극산화법이 많이 연구되어 있다 [25, 26]. 따라서 단일 공정 양극산화법을 적용할 수 있는 물질 중에서 루테늄에 비교하여 보다 저가의 텅스텐을 선택하여 단일 공정 양극산화법으로 철 산화물 복합체를 제조하는 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 단일 공정을 통한 양극산화법으로 텅스텐이 도입된 스테인레스 강의 양극산화 피막을 제조하고 그 특징을 분석하였다. 단일 공정에서 각 전압별로 텅스텐 도입이 진행되는 경향을 전류밀도–시간 곡선을 통하여 확인하였으며, 50 V 이상에서 양극산화 공정이 진행될 때, 텅스텐 전구체가 금속 표면에서 반응하면서 변곡점의 형태로 나타나는 것을 확인하였다.
이에 본 연구에서는 단일 공정 양극산화법을 스테인레스 강의 양극산화 피막 복합체 제조에 적용하고자 하였다. 스테인레스 강의 경우 내부식성을 크게 향상시킨 철의 합금으로 현재 지구상에 가장 많은 구조용 강재로 사용되고 있는 소재이다.

제안 방법

제조된 양극산화 피막의 표면 및 단면구조와 텅스텐의 도입 농도를 확인하기 위해서 주사 전자 현미경 (Field-emission scanning electron microscope with Energy dispersive spectroscopy, FE-SEM-EDS, S-4300SE, Hitachi)을 이용하여 관찰하였고, X선 회절 분석기 (X-ray diffraction, XRD, D/max-RB, Rigaku)를 이용하여 결정 구조를 분석하였다. 그리고 광전자 분광기 (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS, K-Alpha, Thermo Scientific)을 이용하여 구성 원소 상태를 분석하였다.
전처리 과정으로 스테인레스 강 포일 (0.1 mm thickness, Fe:Cr:Ni 7:2:1, Alfa aesar)을 1.5×1.5 cm 크기로 가공하여 아세톤, 에탄올, 초 순수 (Deionized, DI water)에 각각 10분 동안 초음파 세척을 진행한 후, 60 ℃ 오븐에서 24시간 건조시켰다.
3M의 H₂O, 그리고 텅스텐 전구체인 20mM의 Na₂WO₄을 포함한 에틸렌 글리콜 기반의 전해질을 제조하였다. 전해욕 온도는 상온으로 하였으며, DC power supply (2400 source meter, Keithley)를 이용하여 30분 동안 전압을 변화시켜가며 양극산화를 진행하였다. 양극산화 후에는 아세톤, 에탄올을 이용하여 세척 후 60 ℃ 오븐에서 24시간 건조하였다.
양극산화 후에는 아세톤, 에탄올을 이용하여 세척 후 60 ℃ 오븐에서 24시간 건조하였다. 제조된 양극산화 피막의 표면 및 단면구조와 텅스텐의 도입 농도를 확인하기 위해서 주사 전자 현미경 (Field-emission scanning electron microscope with Energy dispersive spectroscopy, FE-SEM-EDS, S-4300SE, Hitachi)을 이용하여 관찰하였고, X선 회절 분석기 (X-ray diffraction, XRD, D/max-RB, Rigaku)를 이용하여 결정 구조를 분석하였다. 그리고 광전자 분광기 (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS, K-Alpha, Thermo Scientific)을 이용하여 구성 원소 상태를 분석하였다.
5 cm 크기로 가공하여 아세톤, 에탄올, 초 순수 (Deionized, DI water)에 각각 10분 동안 초음파 세척을 진행한 후, 60 ℃ 오븐에서 24시간 건조시켰다. 준비된 스테인레스 강과 백금을 각각 작업, 상대전극으로 하여 2-전극의 전해 전지 시스템을 구성하였으며, 전해질로 0.1M NH₄F와 0.3M의 H₂O, 그리고 텅스텐 전구체인 20mM의 Na₂WO₄을 포함한 에틸렌 글리콜 기반의 전해질을 제조하였다. 전해욕 온도는 상온으로 하였으며, DC power supply (2400 source meter, Keithley)를 이용하여 30분 동안 전압을 변화시켜가며 양극산화를 진행하였다.

성능/효과

단일 공정에서 각 전압별로 텅스텐 도입이 진행되는 경향을 전류밀도–시간 곡선을 통하여 확인하였으며, 50 V 이상에서 양극산화 공정이 진행될 때, 텅스텐 전구체가 금속 표면에서 반응하면서 변곡점의 형태로 나타나는 것을 확인하였다.
실제 텅스텐이 양극산화 피막 내부에 도입되었는지를 확인하기 위해 EDS를 분석하였으며, 높은 전압 인가에 따라 균일하게 분포된 텅스텐 농도가 크게 증가함을 확인하였다. 또한 XPS 분석을 통하여 텅스텐의 도입 형태를 확인하였으며, 주로 WO₃의 형태의 텅스텐 산화물이 철 양극산화 피막과 복합체 형태로 존재함을 확인할 수 있었다.
이에 일반적인 양극산화 피막보다 비교적 더 균일한 형태의 나노 기공 구조를 확인할 수 있었으며, 이는 도입에 의한 양극산화 피막의 나노 기공 내벽 두께가 두꺼워져 안정성이 높아지기 때문이다. 실제 텅스텐이 양극산화 피막 내부에 도입되었는지를 확인하기 위해 EDS를 분석하였으며, 높은 전압 인가에 따라 균일하게 분포된 텅스텐 농도가 크게 증가함을 확인하였다. 또한 XPS 분석을 통하여 텅스텐의 도입 형태를 확인하였으며, 주로 WO₃의 형태의 텅스텐 산화물이 철 양극산화 피막과 복합체 형태로 존재함을 확인할 수 있었다.
인가 전압별로 관찰하였을 때, 전압이 증가할수록 나노 기공 구조의 균일성이 소폭 증가하는 것을 관찰할 수 있다. 특히, WO₃의 도입이 진행되면서 나노 기공 구조의 균일성이 일반적인 양극산화보다 상대적으로 더욱 증가한 것을 관찰할 수 있다. 이는 도입 메커니즘과 양극산화가 동시에 일어날 때, 나노 기공 구조의 벽 두께가 두꺼워져 균일한 구조를 잘 이룰 수 있기 때문이다 [29].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스테인레스 강이란?	이에 본 연구에서는 단일 공정 양극산화법을 스테인레스 강의 양극산화 피막 복합체 제조에 적용하고자 하였다. 스테인레스 강의 경우 내부식성을 크게 향상시킨 철의 합금으로 현재 지구상에 가장 많은 구조용 강재로 사용되고 있는 소재이다. 이 중 70 %의 철, 20 %의 크롬, 10 %의 니켈로 이루어진 304 계열을 가장 널리 사용하고 있으며 철의 양극산화와 마찬가지로 비슷한 방법을 기반으로 한 양극산화법이 많이 연구되어 있다 [25, 26].
	양극산화 기술이 뿌리 산업에서 매우 중요한 기술인 이유는?	양극산화 기술(anodization)은 알루미늄 양극산화를 시작으로 금속 표면의 부식반응을 억제하고 내부에 존재하는 모재를 보호하며 유려한 장식을 구현하기 위해 널리 사용되어왔다 [1-3]. 또한, 대규모의 공정에서도 높은 비용을 요구하지 않기 때문에 뿌리 산업에서 매우 중요한 기술이다 [4]. 양극산화 기술은 앞에서 언급한 금속의 부식을 억제하는 장식용, 구조용 목적으로 주로 사용되었지만, 최근에는 금속 표면에 규칙적이고 다양한 나노 구조를 갖는 매우 넓은 표면적의 고기능성 산화물을 제조하여 여러 분야에 응용되고 있다.
	양극산화 기술이 알루미늄 양극산화를 시작으로 널리 사용되어 온 이유는?	양극산화 기술(anodization)은 알루미늄 양극산화를 시작으로 금속 표면의 부식반응을 억제하고 내부에 존재하는 모재를 보호하며 유려한 장식을 구현하기 위해 널리 사용되어왔다 [1-3]. 또한, 대규모의 공정에서도 높은 비용을 요구하지 않기 때문에 뿌리 산업에서 매우 중요한 기술이다 [4].

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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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