반도체 LCD 에칭 장비에 사용되는 알루미늄 부품의 표면처리 기술(2) 반도체 LED등 관련 표면처리기술

앞에서도 반도체 LCD 에칭 장비 알루미늄 부품 부분에 대해서 저의 경험담을 소개한 바와 같이, 우리나라에서 이 분야에 대해서 발전이 늦은 이유는, 현장에서의 실험 조건과 표면처리 하시는 분들의 기술의 이해가 서로 달랐기 때문입니다. 대기업인 수요처에서 요구하는 품질 수준이 납품하는 업체에서 생각하는 품질 수준인 염수분무 시험같이 미리 검사해보고 확인한 후에 납품하는 형식이 아니기 때문입니다.

반도체 LCD 에칭용 소모성 알루미늄 부품들은 대부분이 양극산화피막을 하는 부품들입니다. 양극산화 피막은 피막의 물성이 전해액의 종류와 농도 그리고 전해 공정에 의해 결정이 됩니다. 대표적으로 요구하는 물성 종류는 내열성, 내구성, 피막의 무결점 등 입니다.
수요처인 대기업의 반도체 LCD 에칭하는 환경은 상온에서의 공기좋은 환경이 아닙니다. 반도체LCD  에칭 환경은 고열에 독한 가스에 플라즈마까지 발생되는 환경입니다. 이러한 환경에서 과연 개발된 양극산화 피막이 얼마나 내구성 있는 물성을 가질 수 있는 가는 표면처리에 관한 전문적이고 창의적인 생각이 필요한 기술입니다. 그래서 피막 공정에만 기술개발 초점을 맞출 뿐 만 아니라, 소재에서부터 전처리와 후처리 까지 장인적인 마음으로 하나 하나 심혈을 기울여 제품을 만들어야 합니다. 국내에 이 분야에 관련된 표면처리 업체가 여러 군데 있는 것으로 생각합니다. 이 분야에서 가장 우수한 기업이 되려면 급하게 기술을 빼내어 주워 담으면 안됩니다. 그것은 모래위에 지은 집입니다. 간혹 누가 공정을 가르쳐줘서 만들어 내니까 자기가 그것을 제일 잘하는 줄 아는 사람들이 있습니다. 우리나라의 표면처리 기술은 그 단계를 넘어 창의적인 기술 개발을 할 수 있는 능력이 되어야 합니다. 그때에 진정으로 글로벌 히든 챔피언 표면처리 기업이 되는 것입니다.

아래 사진은 제가 유기산 피막처리를 액 조성과 양극산화 피막처리 공정을 다르게 한 고온용 양극산화 피막처리 샘플입니다. 빨간 원표시 부분에 노란빛을 띄는 자국이 보이는 부분은 물을 뭍인 부분입니다. 칼라가 노란색으로 변하지만 물이 건조되면 원래의 색으로 되돌아 옵니다. 이러한 이중적인 색상을 내는 피막은 밀착성과 내식성이 일반 유기산 수용액에서 양극산화한 피막에 비해 높습니다. 이유는 피막의 조성과 조직에 있습니다.

이외에도 다양한 특이한 상용화 연구가 되어야 되는 표면처리 공정들이 많이 있습니다.  자세한 이야기는 생략합니다 ~~

더블클릭을 하시면 이미지를 수정할 수 있습니다

사진 알루미늄 합금 표면에 2 종류의 고내구성 유기산 피막 처리를 한 부품 표면 색상


반도체 에칭장비에 사용되는 각종 알루미늄 부품의 고내식 내전압 양극산화 피막처리 기술(1) 반도체 LED등 관련 표면처리기술

우리나라는 세계적으로 유명한 반도체 생산 대기업들이 몇군데 있습니다.

반도체 생산 업체에서 IMF시기에 국산화 필요성이 가장 필요한 수입 소모품으로 에칭 장비에 들어가는 알루미늄 표면처리된 부품들(cathode, GDP 등)을 선정 했습니다. 이유는 부품 값이 비싼데 환율이 2배가까이 올라가서 반도체의 부가가치 비율이 너무 떨어 졌기 때문입니다. 이 중에서 일반적으로 많이 알려진 내전압용 cathode는 황산 경질 양극산화 피막기술로 국산화 경쟁이 붙기도 했습니다. 대기업인 S기업에서는 유기산 피막처리된 부품의 국산화에 현상금을 걸기도 했습니다.

1990년대 중반 부터 유기산 피막에 대한 대기업인 L기업에 납품하는 업체의 유기산 피막처리를 개발 지원하여 상용화에 성공 했습니다. 그러나 중소기업인 납품 표면처리 회사는 결국 부도가 나고 내 기술을 전수 받은 기술자가 알루미늄 부품 정밀가공 업체로 스카웃되어 현재까지도 그러한 반도체 소모품을 표면처리하는 중견 관리자로 종사하고 있습니다. 유기산 피막 기술은 누구나 다 할 수 있는 기술이지만 상용화에는 많은 시행착오와 돌파기술이 필요합니다. 왜냐하면 수요처에서 발생하는 사용중의 문제점이나 소재불량 표면처리 불량의 원인을 즉시 가려내고 거기에 대처하는 표면처리 기술들이 적용되어야 하기 때문입니다.

양극산화 피막처리가 사실은 제가 박사 논문을 받은 분야이고 지금도 일본 미국의 전기화학회에 양극산화 관련 논문들을 제 1저자로 게제하고 있습니다. 우리나라에도 반도체 뿐만 아니라 자동차분야와 통신분야에도 더 높은 수준의 기능성 양극산화 피막 기술이 적용되는 선진국형 표면처리 업체가 하루빨리 설립 가동 되었으면 하는 바램이 있습니다.

아래 사진은 캐소드와 분산판의 일부 모습이 담긴 사진입니다.

사진 유기산 양극산화피막으로 처리된 반도체 에칭장비 알루미늄 부품들


LCD용 8세대 상부전극 표면처리 기술개발 과제 반도체 LED등 관련 표면처리기술

지난 10개월 동안 국내 반도체 부품 및 LCD 부품의 가공 및 표면처리를 하는 한 중소기업체의 기술 자문을 했습니다. 이 업체는 제가 한국생산기술 연구원 생산기반기술 그룹장을 하던 1996~1997년 사이에 알루미늄 소재인 반도체 엣칭 장비용 알루미늄 부품 시제품을 이 업체에서 정밀 가공한 후, 알루미늄 표면처리를 전문으로 하는 중소기업에 하청을 해서 처리한 후 LG 등 대기업에 납품하던 회사였습니다. 부품 시제품의 표면처리를 하청 받던 표면처리 전문 중소기업이 제가 기술 지도를 하던 업체여서, 제가 이 업체에서 요구하는 물성에 맞는 새로운 유기산 피막들을 기술지도해서 피막 물성을 향상시켜 테스트용 샘플을 납품하곤 했습니다. 그런데 이 반도체 부품 정밀가공 업체에서 샘플 테스트가 성공적으로 끝나고 나서 연락이 없더니, 제가 표면처리 중소기업체에서 유기산 피막 표면처리 실험 지도를 했던 연구원을 스카웃해서 데리고 가버린 것입니다. 그때 당시에는 이러한 원청업체의 갑질이 비일 비재 했기 때문에 그러려니 했던 것입니다. 저로서는 모처럼 고부가가치 표면처리 실험을 하게 되어서 기대가 컸었는데 실망이 되었던 시기였습니다. 스카웃 되었던 연구원은 최근에 만났을 때 이 분야에 유명인이 되어있었습니다.

그로부터 20여년이 지난 2017년에 그 원청 업체로부터 표면처리 기술자문을 부탁 받았습니다. 이 업체의 회사 이름과 사장과 직원들이 다 바뀌어서 과거의 샘플테스트 이야기는 알지 못했습니다. 알루미늄 표면처리 분야에 40 여년을 기술개발에 전념해온 저에게는 그래도 현재 가장 고부가가치 기술 분야가 반도체와 LCD 부품의 표면처리라고 생각 했습니다. 그래서 이 분야의 알루미늄 표면처리 부품 생산 현장의 실상을 알고 싶어서 이 회사에서 필요로 하는 기술이 저로서는 간단히 해결 할 수 있는 기술이라서 저렴한 자문료지만 자문을 승낙했습니다.

막상 회사에서 하고 있는 피막처리 실태를 보고 20 여 년 전 제가 가르쳐준 기술 이외에는 전혀 달라진 것이 없고, 연구원들도 자기가 하고 있는 표면처리에 대한 기초지식이 많이 부족한 상태였습니다. 이 회사에서 사용하는 표면처리 공정들이 오히려 일반 피막처리를 하는 전문 알루미늄 표면처리 업체 보다 못한 것을 보고 놀랐습니다. 피막처리 라인이나 정류기 등이 탱크만 커졌지 기술적인 요소가 전혀 가미되지 않은 시설을 보니까, 4 년전 이 업체 전임 연구소장 이었던 분이 나한테 2m 가 넘는 대형 상부전극 판재의 수요가 많은데 피막의 품질변동이 심하고 문제가 있는데 왜 그런지 모르겠다고 하면서 뭔가 알아내려고 면담을 요청한 이유를 알게 되었습니다. 표면처리한 제품의 품질은 이 제품이 어떻게 처리 되었는가에 따라 나오는 가장 정직한 결과입니다. 현장에 있는 시설과 제조 공정을 보면서 왜 제품의 품질 변동이 심한지, 그 답을 알았습니다. 그러나 제가 이 회사의 연구원에게 해답을 가르쳐 주지 못하는 것은, 이 분야에 대한 기술 자문 계약이 아니다 보니, 제 말을 듣고 시설 투자를 할 확률이 적고, 시설 투자 전에 왜 해야 되는가를 그 사람들에게 보여주려면 사전 실험을 그 회사 연구원들이 해야 되는데, 그것에 대한 기술 자문비와 실험시간이 필요하기 때문입니다. 시설을 바꾸는 투자비가 많이 드는 이러한 문제는 전적으로 회사 사장의 결정이 없으면 실행 할 수 없는 부분이기 때문입니다.

저는 10개월의 자문 기간을 통해 우리나라의 8세대 대형 판재의 표면처리 기술 수준의 현주소를 알았습니다.

처음에는 이 분야의 기술 수준이 참 궁금했는데 궁금증이 풀려서 기분이 좋았습니다. 한편으로 내가 할 부분이 아직 많이 남아 있는 것에 대해서도 기분이 좋습니다. 품질이 더 좋아져야 선진국과의 품질 경쟁에서 살아남을 수 있을 것입니다. 제가 자문할 수 있는 고도의 기술뿐만 아니라, 아래 표에 나타낸 기초단계 기술개발 과제 정도만 해결되어도 국내 기업체 수준으로 볼 때, 국내 최우수 업체가 될 수 있는 기술입니다. 이와 같은 기초기술이 개발 상용화 되면 다음 단계는 다양한 응용기술 개발 상용화를 통하여 세계 최고의 이 분야 부품제조 업체가 될 것으로 생각합니다기술지원 문의는 nepalhan@hanmail.net 로 해 주세요.


국내 8세대 상부 전극 표면처리 중소기업에 필요한 기초 단계 기술개발 과제


불 균질 금속 표면에 고 내식 고 밀착성 도금을 위한 세라믹 코팅 기술(업데이트) 고내식 표면처리 기술

현재 국내 부품 제조 기업 중에 가장 표면처리 적용에 문제가 되고 있는 금속 소재는 다이캐스팅 소재 주물 소재 등의 기공이 많은 부품과 표면이 아주 불균질한 합금원소를 가지는 소재입니다.

이러한 소재의 표면처리는 일반적으로 도장을 주로하거나 표면처리를 하지 않고 사용을 합니다. 이유는 표면처리 과정에서 오히려 표면을 오염시켜서 상품의 가치를 낮추기 때문입니다. 도장의 경우도 부풀음이나 밀착 불량 등으로 불량률이 80% 이상 나오는 경우도 종종 있습니다. 만일 이런 소재에 도금을 하려면 전처리에서 부터 기공으로 인한 표면 균일 탈지나 균질 디스머트 등이 일어나고, 불완전 수세로 인하여 얼룩이나 부분 부식이 도금 후에 발생하는 경우가 많이 있습니다. 이러한 표면에 내식성이 우수한 무결점 도금을 하기 위해서는 소재 표면에 존재하는 많은 기공들이나 표면 합금 균질 분포 등을 모두 고려해야 합니다. 나아가서 도금 층과의 밀착성을 향상시키기 위해서 표면에 코팅한 층이 도금 층과 결합력을 높일 있는 구조적인 피막의 형상을 가지게 하여야 합니다이러한 문제점을 해결하기 위하여 도금 전처리 기술로 나노 세라믹 코팅 기술을 개발하였습니다.

나노 세라믹 코팅의 특성은 다음과 같습니다.
1. 다이캐스팅이나 주물 소재의 표면에 존재하는 기공에 강력하게 침투하여 메꾸어 주는 특성

2. 균질한 금속표면 성분에도 소재와 반응하여 나노 세라믹 층을 균일하게 형성하는 특성

3. 나노 세라믹 층의 표면은 도금 층과의 밀착성이 극대화 있도록 나노 패턴의 모세관 조직을 가지는 특성

4. 나노 세라믹 층의 경도는 비이커스 경도로 Hv 900 이상이 되어 사용 내구성을 높이는 특성

이러한 나노 세라믹 하지 처리의 특성을 가지는 세라믹 코팅을 개발하였으며 이에 대한 응용 분야 앞으로 상당히 넓을 것으로 생각합니다.

1. 내식 도전성 주물 다이캐스팅 전장품

2. 자동차용 다이캐스팅 주물 부품

3. 교환기 부품 고온에서 사용하는 각종 주물 다이캐스팅 부품

4. TV, 각종 전장 부품의 외장재 이동 통신용 내식 부품


사진 일반 철판 위에 나노세라믹 코팅 후 도금한 샘플 단면 조직사진




고내식용 반도체와 방산품 부품등에 적용가능한 알루미늄 합금 상에 직접 전기 니켈도금하는 기술 미래형 표면처리 기술

최근에 제 블로그를 보고 가장 문의 메일을 많이 주시는 기술이 알루미늄 상에 직접 전기 니켈도금을 하는 기술입니다

 얼마 전에 큰 도금업체 연구소장이라는 분이 저한테 전화를 주셔서 만나고 싶다고 하면서 제 전화번호는 제가 다녔던 직장의 기능장님이 알려 주셨다고 그럽니다.  23 년전에 기술사 시험 문제 출제 위원도 하고 1차 합격자들  2차 면접위원으로 면접 심사도 한 사람 한테는 기능장이고 기술사고 의미가 없지요.  질문이 있으면 전화로 하지 말고 메일로 보내라고 했더니, 알루미늄 상에 직접 전기 아연도금하는 뿌리기술 관련 정부과제를 수행하는데 도와 달라는 것입니다. 알루미늄 위에 직접 전기 아연 도금하는 것은 기술이 아니고 원리만 알면 그냥 되는 것입니다. 

알루미늄은 산소와의 친화력이 워낙 강하기 때문에, 표면을 일반 대기 중에 놓아두면 얇고 아주 치밀한 자연 산화피막이 생성됩니다. 이러한 이유 때문에 알루미늄을 납땜을 하거나 브레이징을 하거나 용접을 하려고 하면 알루미늄과 도금층 사이의 밀착 불량이 심하게 발생됩니다. 그래서 이러한 밀착 불량을 막기 위해 알루미늄 상의 피막을 제거하는 플럭스를 사용하거나 환원 가스를 사용하여 피막을 제거 하고 용접을 하게 됩니다.

그러나 최근에는 알루미늄의 용도가 점차 늘어나 알루미늄 위에 니켈도금을 한 후에 그 위에 납땜이나 브래이징 또는 용접을 시도하는 경우가 상당히 늘어나고 있습니다. 그러나 이 경우에 알루미늄과 도금 층 계면이 열적인 충격에도 버틸 수 있는 강한 화학적 결합을 하지 않으면 땜납이나 브레이징을 하는 순간 도금 층이 알루미늄으로부터 박리되어 버리는 현상이 일어납니다.

현재 일반적으로 알루미늄상의 도금은 본달 처리라는 아연치환 피막을 알루미늄 상에 형성시킴으로서 시작됩니다. 이유는 알루미늄 상의 자연 산화피막이 아연 입자와 알루미늄 입자의 치환반응이 생성되면서 없어지고 아연 입자가 표면을 덮게 됨으로서 치환된 아연 입자 형성층은 치밀한 산화피막을 생성하지 않으므로 후속도금으로 밀착성 있는 도금을 할 수 있기 때문입니다. 그러므로 이러한 방법으로 생성된 알루미늄 상의 도금피막의 밀착성은 전적으로 본달 처리의 완벽성 정도에 따라 달라집니다. 그래서 본달 처리를 한번 하는 경우보다 23번 하면 아연 입자가 더 치밀하여 져서 밀착성이 향상되는 경우가 많이 있습니다. 그런 경우에는 도금 공정수가 아주 많아지고 처리단가가 올라가고 그렇다고 내식성이 아주 좋은 것도 아닙니다.

지금까지 도금공장에서 사용되고 있는 알루미늄 합금의 도금공정은 탈지 - 산침적 - 아연 치환처리(본달처리) - 박리 - 아연 치환처리(본달처리) - 시안 동 스트라이크 전기도금 - 산침적 - 화학 또는 전기 니켈도금의 8단계 공정을 거치게 됩니다. 내식성이 부족하면 여기에 니켈도금을 다중으로 여러 번 하는 경우도 있습니다.

이러한 문제점을 해결하는 알루미늄 상의 니켈도금공정을 지금 사용하는 8 단계의 공정에서 탈지 - 산처리 전기 도금의 3 단계 공정으로 줄일 수 있는 기술을 15 년 전에 상용화 개발을 완료하고 현재 노하우로 보유 중입니다. 알루미늄 합금상의 니켈도금 밀착성도 90도 벤딩 시험에서 기존의 8 단계로 무전해 니켈도금을 한 시편은 굽혀진 부분이 박리되는 현상이 나타났지만 직접 전기 니켈도금한 시편은 아주 미세한 크랙만 보였지 박리는 전혀 없었습니다. 염수분무 시험을 한 경우에도 8 단계의 공정을 한 무전해 니켈 도금 시편은 염수 분무시간 24시간이 지나면서 부식이 시작되었지만, 직접 전기 니켈도금한 시편은 염수분무시간 72 시간이 지나도 부식 발생이 없었습니다.

얼마 전에 리튬 이차전지 제조하는 회사에서 현장을 방문 부탁을 받고 어떤공정으로 하고 있는지 궁금해서 방문 한적이 있습니다. 알루미늄 표면처리 라인을 설치해 놓았는데 일부분에서는 알루미늄에 무전해 도금라인을 설치해 놓았는 것을 보았습니다. 무전해 도금은 솔더링 할때 밀착성에 영향을 주고 내구성 내식성에도 문제를 일으킬 수 있으므로 철저한 관리가 필요합니다.  제가 개발한 이기술은 무전해 도금기술보다 내구성 밀착성 내식성에서 월등합니다.

 

사진 일반적인 8단계 공정에 의한 알루미늄 상의 무전해 니켈도금의 염수분무 72시간 후의 사진

 

더블클릭을 하시면 이미지를 수정할 수 있습니다

사진 3단계 공정에 의한 알루미늄 상의 니켈 전기도금 시험편의 염수분무 72시간 후의 사진


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 다음