한성호박사 표면처리 연구소

얼마 전에 알루미늄 양극산화 피막(AAO)으로 나노급 가스센서를 개발하는 LCD/반도체 부품 표면처리 업체에서 세미나를 한 이야기를 “고부가가치 기능성 양극산화 피막처리 기술(2)” 블로그를 통해 했었습니다. 가장 싸게 스마트 자동차 등 미래형 생활기기에 들어갈 나노급 센서를 만들 수 있는 기반이 되는 기술이 알루미늄 양극산화 피막의 나노 패턴 구조를 이용한 센서 개발 기술이라는 것은, 이미 선진국인 미국 일본 독일 영국 등 선진국에서 30년 전부터 발표되는 수많은 논문들과 특허들로 증명이 되고 있습니다.

AAO(Aluminium Anodic Oxide)를 기반으로 하는 기능성 양극산화 피막 처리 기술을 하려면, 피막의 형성원리와 전해액의 조성과 전해 공정 변수에 따른 피막의 조성과 물성 변화 그리고 피막의 형상 제어 기술 등의 자세한 기초 지식이 우선적으로 필요합니다.

이러한 기초 지식의 바탕 아래 피막을 결정화 시키거나, 피막만 녹이거나, 알루미늄 만 녹이거나, 피막을 복제해 내거나 하는 응용기술 등이 필요합니다. 이것으로 끝이 아닙니다.

이러한 응용기술을 기반으로 여러 가지 다양한 물성의 금속과 세라믹 또는 폴리머를 반응 시키거나, 다양한 복합제를 단층 또는 다층으로 만들어 부가가치가 높은 나노 기반 고기능성 부품을 만들어야 됩니다.

오래전에 100 미크론 두께의 알루미늄 포일을 관통하는 터널 에칭을 한 다음, 높은 유전 특성을 가지는 결정질 AAO 피막을 600 nm 형성한 후, 100 미크론 두께의 알루미늄 포일의 단면을 짜른 후, 결정질 AAO의 손상이 없이, 알루미늄 만 녹여내어, 터널 엣칭 된 표면에 형성된 결정질 AAO만 남게 한 다음, 그 형상을 보고 초기 엣칭 된 터널의 형상이 어떤 모양인지 연구하는 실험을 한 적이 있습니다.

이 경우에 적용된 기술은 엣칭 터널 표면에 형성된 결정질 알루미나는 손상 받지 않고 단시간에 침전물 없이 깨끗하게 알루미늄만 녹여내는 공정입니다. 이러한 기술을 응용함으로서 기가 막힌 나노 기반 초소형 기능성 부품을 제조할 수 있습니다.

아래 사진은 제가 한 실험 중 하나인 터널 에칭 후에 결정질 AAO 피막을 형성시킨 후 알루미늄만 녹여낸 포일의 주사전자 현미경 단면 확대 사진입니다. 사진에서 보이는 알루미늄 포일의 위에서 아래로 일직선 방향으로 관통한 수많은 파이프 형태의 막대기들이 터널 에칭 된 모양을 나타내고 있는 것입니다. 자세한 내용은 생략합니다.

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얼마 전에 반도체 설비 부품을 세정하고 코팅하는 업체에서 제가 소개한 기술인 플라즈마 용사피막의 내식성 향상을 위한 개발기술이 적용 가능 한지 문의가 왔었습니다.

그 회사는 APS(상압 플라즈마 용사법)와 SPS(서스팬션 플라즈마 용사법) 방법으로 에치 설비의 liner, shield, ceramic, window 등에 적용하여 파티클을 최소화하고 부품의 수명을 향상시키기 위해 연구를 해오고 있었습니다.

국내의 표면처리 산업이 고 부가가치 부품 생산으로 발전되고 있음을 알 수 있습니다. 그렇지만 대부분의 이런 장치 산업의 회사들은 연구 개발의 한계를 가지고 있습니다. 장치를 만드는 회사의 노하우들을 실제 장치를 사용하는 회사에서는 알 수가 없기 때문입니다. 수정하는 것도 참 어렵지요.

그렇지만 제가 여기에서 이야기 하고 싶은 것은 어떠한 표면처리든지 그 원리가 같다는 것입니다.

한 예를 들면 제가 블로그에 소개한 LCD용 8세대 상부전극의 가스 홀 면취 부위의 양극산화 후 발생되는 크랙 제거 기술에 대한 것입니다. 개발자문 의뢰 회사에서 수명 향상을 위해 피막 불량 부위를 분석하다가 가스홀 부위에만 크랙이 발생되어 있는 것을 SEM(주사전자현미경)으로 발견한 것입니다. 이러한 부위는 광학이나 스테레오 스코프 같은 저배율로는 보이지 않습니다. 이 부분이 부품의 수명을 단축 시키는 것으로 결론을 내려서 저에게 기술 자문을 의뢰한 것입니다. 크랙이 없는 양극산화 피막을 개발해 달라는 것입니다. 표면처리를 단순히 마지막 후처리 공정이라고 생각하는 사람이 의외로 많습니다. 피막의 크랙이 표면처리만 잘못해서 생겼다고 생각하고 접근하는 것입니다. 표면처리는 회사에서 재료 입고에서부터 마지막 마무리 표면처리 까지의 모든 공정의 결과물인 것입니다. 가스홀 주변의 크랙 없는 양극산화 피막 처리도 당연히 전체 공정을 검토하고 수정해서 최종적으로 크랙 없는 피막을 만들게 되었습니다.(아래 사진 참조)

처음 소개한 세라믹 플라즈마 코팅 업체도 알루미늄 또는 세라믹 소재위에 플라즈마 스프레이를 하는데 수명에 대한 문제가 발생 한 것입니다. 기공 문제 때문에 수명이 짧아지는가 해서 저한테 문의를 한 것이지만 물론 다각도로 검토를 하겠지만 말입니다. 문제는 플라즈마 스프레이는 태생적으로 피막이 불균질 합니다. 실제로 현장에서 플라즈마 상태로 사용되는 부품은 부품의 표면처리 부분 중 가장 취약한 부분에 집중 공격을 하게 됩니다. 그래서 그 부분 때문에 파티클이 발생되는 것입니다. 균질성을 높이면 부품의 수명 오차가 많이 줄어들게 되고 제조시 수명 예측이 됩니다. 제가 크랙 없는 양극산화 피막을 만드는 과정도 단순한 피막공정의 조건 변화로 된 것이 아니라 전체적인 검토와 수정이 이루어 졌기 때문입니다.

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일반적으로 동 합금이나 철합금 상의 방열성 및 열전달을 높이는 방법으로 분말 야금 법에 의해 윅(wick)을 만들어 표면장력을 최소화 하고 표면적을 최대화하는 기술이 많이 사용되고 있습니다. 그러나 분말야금 법에 의한 분말의 소결접합 공정은 시간과 돈이 많이 들어 제조원가가 비싸기 때문에 적용하는 데 크게 제한 을 받고 있습니다. 대표적 적용분야는 히트파이프 등 입니다. 이러한 표면장력을 최소화하고 표면적을 최대화 할 수 있는 세라믹 코팅 처리 공법을 제가 개발 하였습니다.

아직까지 특허는 공정기술임으로 내지 않았고 상용화도 적정규모의 기업을 만나지 못해서 하지 않았습니다.

본 기술을 적용하면 제조원가가 낮기때문에 고성능 고온 및 저온 히트파이프 나 방열판 및 태양열 또는 보일러용 열전달 부품 등에 적용 가능 합니다.  튜브나 판재 등에 코팅액을 딥핑하거나 스프레이 한 후 대기중에서 저온 가열(동: 100 도, 철: 500 도) 건조하면 되는 쉽고 간단한 기술입니다.

  

사진 열전달 특성 최대화 세라믹 코팅층의 표면 조직 사진

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오래 전 부터 알았었던 조그만 사출 업체를 운영하는 사장을 만나서 이야기 하는 중에 제가 질문을 하나 했습니다. 저의 블로그에 소개한 기술들에 대해서 한 말씀 해달라고 했더니, 블로그 소개 기술은 옛날 기술이라서 보는 사람들이 별로 흥미를 가지지 못할 것이라고 말합니다. 저는 그 말을 듣고 한 순간 멍했습니다. 그렇지 지금이 어떤 시대인데 10 년에서 20 년 전 기술을 소개하고 있으니 보는 사람들 중에 표면처리 분야가 아닌 분은 재미로 볼 수 있지만, 표면처리 분야에 계신 분은 별로 흥미를 가지지 못할 수도 있겠구나 하고 생각했습니다.

그러나 한편으로는 표면처리 기술의 특성이 제조 기반기술이기 때문에, 산업혁명 시대부터 지금까지 그 발달 속도가 상당히 느리다는 특성이 있습니다. 앞으로의 표면처리의 기술 변화 방향은 환경 친화 적이고 고 기능 성이고, 고 정밀형이고, 고 부가가치 형으로 바뀔 것입니다. 그렇지만 제가 소개하는 기술들이 옛날 기술이라고 단정하는 것은 좀 억울합니다. 옛날기술이란 현재에는 사용하기 곤란한 과거에 사용했던 누구나 아는 기술을 말하는데, 제가 올리는 기술들은 현재에도 아직 해결되지 못한 또는 현재 사용하는 기술보다 성능이 우수하고 부가가치가 높은 기술이기 때문입니다.

단지 기술개발 시점이 10년 또는 20 년 전 것도 있지만 아직도 국내에 기술 개발이 되지 못한 기술에 대해서 골라서 블로그에 올리고 있습니다. 지금도 꾸준히 제가 올린 기술들에 대해서 문의가 들어오고 있습니다. 열간단조 금형 수명을 2배 이상 올린 표면처리 기술은 기술 상용화 된지 20년이 넘었지만 여전히 문의가 오고 있습니다. 다이캐스팅 또는 주물에 대한 표면처리 기술이나 친환경 전해연마 기술, 알루미늄 상의 직접도금기술 등도 꾸준히 관심을 가지고 메일을 주시는 분들이 있습니다.

그런데 왜 블로그에는 최신 기술이 없는가? 뭔가 나노 표면처리, 최신 소재인 그래핀 표면처리, OLED 관련 표면처리, 최신 반도체 표면처리 등 뭔가 소재나 공정 지향형 표면처리 같은 환상적이고 기가 막힌 것 같은 기술 말입니다. 그러나 그런 기술은 엄청난 투자와 연관된 장치 산업 중심의 표면처리 공정 기술이기 때문에, 제가 연구하는 저렴한 화학 약품을 이용한 습식 표면처리 기술 분야와는 거리가 있습니다.

제가 연구해온 분야는 화공약품을 물과 배합해서 저장 통에 공정별로 넣은 후에 처리 물품을 넣어서 표면 처리하는 간단하면서 저렴하지만 환경 친화적이고 부가가치가 높은 표면처리 공정 기술입니다. 잘 모르시는 분들은 그게 기술이냐? 퐁당 테크놀로지 아니냐? 하고 기술 자체를 무시합니다. 그러나 지금까지 수출의 주된 품목인 가전제품, 통신부품, 자동차 부품, 철도 차량 항공기 부품 등의 표면처리의 99 % 이상이 이러한 퐁당 테크놀로지로 만들어 지고 있다는 것이 현실입니다. 여기에는 제가 블로그에 소개하는 기술 이외에 엄청난 종류의 기술들이 현재 적용되어 지고 있습니다. 싸게 만들기 때문에 당연히 부가가치가 높은 기술입니다. 공해가 발생된다고 하는데 저공해로 하는 기술들이 계속 개발 적용되고 있습니다.

보기에 옛날 기술이지만 이 기술이 더 좋은 더 싼 기술로 변화시키면 바로 돈을 만들어 내는 최신 기술이 됩니다. 이것이 제가 블로그를 만들어 제가 개발한 기술들에 대해서 소개드리는 이유입니다.

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2010년경 본인이 개발 완료하고 블로그에만 소개하고 현재까지 보유중인 NIW Process 기술 개발의 배경과 공정 개략도를 간단히 소개합니다.

1998년 경에 부산의 플라즈마 코팅 관련 업체에서 저에게 기술 자문을 구하러 찾아 온 적이 있습니다. 그때 당시 그 업체는 플라즈마 코팅 분야에서 큰 성과를 내고 있는 업체였습니다. 저에게 자문을 구한 기술은 일본의 최신 기술인 ZAC Coating 기술 이었습니다. 그 당시에는 제가 처음 접하는 분야여서 그분에게 기초 기술만 전수해 주었습니다. 그로부터 10년 동안 그 기술에 대해서 연구를 한 결과 습식 표면처리로 하는 CDC 공법에 기반을 둔 세라믹 코팅 기술을 개발 하였습니다. 제가 개발한 NIW 코팅 기술은 바로 ZAC 코팅 기술에 사용한 CDC 공법과 유사한 초경질 세라믹 코팅 기술입니다. 아래는 공법의 개략도입니다.

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