마그네슘 합금의 고 밀착성 PEO 양극산화 피막형성 기술 고내식 표면처리 기술

마그네슘 합금의 사용량이 눈에 띄게 늘어나고 있지만, 마그네슘 자체의 부식 특성 때문에 경량화의 대표 금속이면서도 아직까지 선두주자로 나서지 못하고 있는 것이 현실입니다. 지금까지 마그네슘 관련 여러 가지의 표면처리 기술들을 연구하고 개발했지만, 그 한계성은 항상 가지고 있었습니다. 지금까지 연구한 마그네슘의 표면처리 기술들은 화성피막 처리 기술, 본달처리 없이 직접 전기 도금하는 기술, 유전파괴에 의한 미세 아크 양극산화 피막기술(일반적으로 PEO(수중 플라즈마 양극산화라고 하는데 이것은 잘못 사용되는 것입니다. 소련 연구자들이 이런 용어로 국내 기업가들을 현혹 했습니다. 마치 진공 플라즈마 코팅 같이 수용액 속에서 플라즈마가 발생되어 코팅 된다고 말이지요. 수용액 내에서 발생되는 것은 플라즈마가 아니고 아크 입니다. 플라즈마의 반대되는 현상입니다.) 등이 있습니다.

30 여 년 전부터 케로나이트라는 이름으로 알루미늄과 마그네슘을 아크 아노다이징(소련에서는 PEO)으로 고경도의 치밀한 피막을 올릴 수 있다고 기술을 팔고 있습니다만 상용화의 가치가 극히 적습니다. 왜냐하면 피막 형성에 단위 면적 당 엄청난 전기가 소모되기 때문에 처리물의 생산성이 극히 낮습니다. 샘플을 보면 경도가 높으니까 호기심이 생겨서 기술을 삽니다만 막상 생산하려고 하니까 전력소모가 엄청나고 정류기 용량이 물품 처리 양에 비해서 너무 커져서 속은 것을 알게 됩니다.

이와 같이 기술도 상용화의 가치가 있는 기술이 있고 기술은 좋으나 상용화 할 수 없는 기술이 있으니 꼭 전문가에게 상의 하신 후에 투자하시기 바랍니다.

제가 소개드리는 기술은 미세아크 양극산화를 저 전압에서 발생시켜 산화피막을 형성하면서 산화피막 표면에 밀착성이 우수한 미세한 돌기를 형성하여 도장 밀착성을 아주 높일 수 있는 피막처리 기술입니다. 저 전압에서 미세아크 양극 산화를 하면 전력 양이 케로나이트 피막 형성 전력 양의 1/10 밖에 들지 않으면서 표면에 많은 기공이 있는 피막을 형성 시킬 수 있습니다. 그러나 이 기공의 크기가 크고 매우 불규칙하여 그 위에 도장을 할 경우 밀착성을 높이는 데는 한계가 있습니다. 이것을 개선하기 위하여 기공이 있는 피막 표면에 아주 미세한 돌기가 형성 될 수 있도록 하는 전해 공정을 개발한 것입니다. 미세아크 양극산화 공정 시에 전해액 속의 특수 성분이 아크 발생 시 발생하는 급격한 산화반응의 부산물에 의하여, 피막표면 모양을 초미세 돌기 형상으로 변화시키는 기술입니다. 이러한 돌기 때문에 도장 밀착성이 크게 증가하게 됩니다.

이러한 표면처리 기술의 응용 부분은 경량화 목적의 고 내식 자동차 내 외장 부품, 가전제품의 내 외장 부품, 이동통신의 내 외장 부품, 철도 항공기의 내 외장 부품에 사용 될 수 있습니다.

 

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사진 제가 개발한 미세 아크 양극산화 피막 표면의 초미세 돌기 형성 모양(위)과 확대한 표면조직(아래)


스테인레스 스틸 판과 알루미늄 판의 경면 광택 연마재 제조기술 미래형 표면처리 기술

국내에 대형 스텐판이나 알루미늄 판재의 기계적인 경면 광택 기술이 도입되기 시작한 때는, 1980년대 건축 경기와 자동차 산업, 주방가전 산업등이 호황을 이루면서 엘리베이터 내부, 자동차 내외장재 부품, 스텐식기, 주방가전, 조명 반사판 등에 수요가 급격히 늘어 나면서 부터입니다. 특히 스텐경면판의 경우는 원재료를 거의 대부분 수입에 의존하는 습식 연마 방법을 사용하여 왔습니다. 특히 마지막 경면 마감 광택 연마재는 단 하나의 미세 스크레치도 용납하지 않으므로 100% 수입에 의존 하였습니다.
본인은 2010 년 미국의 3M 보다 성능이 2 배이상 우수한 자동차 도장라인 터치업 최종 경면 연마재를 개발 성공한 경험도 가지고 있습니다. 본 기술은 습식공정이 아니라 건식 공정으로서 단시간에 경면 마무리를 완성하는 강력한 연마재를 제조하는 기술입니다. 사진은 본 기술을 적용한 알루미늄 시료의 경면 연마 후 보호 산화막한 샘플(오른쪽)과 원재료(왼쪽)의 광택도 비교 사진입니다.

사진 본 기술을 적용한 알루미늄 시료의 경면 연마 후 보호 산화막한 샘플(오른쪽)과

경면 연마전의 원재료(왼쪽)의 광택도 비교


알루미늄 합금의 강력한 접착을 위한 전처리 기술 미래형 표면처리 기술

 얼마 전에 펠리클을 만드는 회사에서 저를 찾아 왔습니다. 반도체 제품의 포토 마스크의 수율을 향상시키기 위해서 사용하는 펠리클은 마스크(Mask)와 레티클(Reticle)표면을 대기중 분자나 다른 형태의 오염으로부터 보호해 주는 박막입니다 .  이러한 박막은 양극 산화된 알루미늄 프레임에 부착된 후 다시 레티클 위에 단단히 부착되어 집니다.  일반적으로 펠리클은 반도체 노광장비, 프로젝션 얼라이너(Projection Aligner)에서는 레티클의 한쪽 크롬(Cr)면에, 스텝퍼(Stepper)에서는 레티클의 크롬면과 유리면 양쪽에 부착되어 웨이퍼 이미지에 영향을 주지 않도록 합니다.
펠리클 제조에 핵심기술 중의 하나는 알루미늄 프레임과 보호 박막이 강하게 접착될 수 있도록 하는 알루미늄 프레임 상의 전처리 기술입니다.  접착력 향상을 위한 전처리로서 알루미늄 합금 상에 블랙 양극산화 피막이나 아크 양극산화 피막을 현재 사용하고 있습니다.
그러나 이러한 피막이 노광용 레이저의 열이나, 고 진공도에 의한 알루미늄 속의 가스가 방출되어 파티클 불량을 만들어 내어 곤란을 겪고 있습니다. 
이외에도 강력한 접착을 위한 전처리 기술은 비행기 동체제작이나 방산용 부품 제작 등 높은 비강도와 내식성을 요구하는 기계류 부품 분야에도 그 적용 범위가 확대 될 수 있습니다. 특히 알루미늄 base의 고강도 다층 복합 판재나 허니콤 구조 제조 분야의 내구성 개선 분야에도 큰 역할을 하게 될 것입니다
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이러한 강력 접착용 표면처리 기술 국내 정착을 위해, 전처리 기술에 관련된 요소 기술에 대해서 다양한 방법으로 연구를 하여 왔으며 국산화된 저렴한 표면처리 기술을 보유하고 있습니다.   앞에서 강력한 접착이라는 뜻은 접착면과 모재부분이 접합강도 측정을 할 때 소재 자체가 파손되는 강도와 비슷하게 접합면이 파손 될 정도의 접착 강도를 유지한다는 뜻입니다. 이러한 목표를 달성하려면 모재 표면에 생성된 전 처리 된 피막이 모재와 아주 강하게 붙어 있어야 하고, 접착제와 표면 처리된 피막 사이에도 아주 강하게 붙어 있어야 하는 전처리용 표면처리 기술이 되어야 합니다. 이러한 전처리된 알루미늄 합금 위에  접착제 대신 도장을 한다거나 특수한 기능성 피막을 코팅 할 경우 그 밀착성과 내구성은 상당히 견고할 것입니다

 


자동차 공조용 압축기의 핵심 부품인 사판과 슈의 표면처리 문제 해결방안 미래형 표면처리 기술

더운 날씨에 해외 유명 브랜드의 차들이 운행 중에 불이 나서 운전자가 놀라는 일이 자주 일어납니다. 특정 브랜드의 차에서만 발생한다고, 그 차의 디젤 엔진의 연비 향상을 위해 만든 EGR의 구조적 문제라고 이야기 하는 분도 있습니다. 제가 얼마 전에 터보차저 부품의 표면처리 문제의 심각성에 대해서 이야기를 한 적이 있습니다. 구조적 문제라면 국산차들이나 다른 차들은 아무 문제가 없겠지요. 글쎄요?

최근 자동차 공조용 압축기의 핵심 부품인 사판과 슈의 표면처리를 전문으로 하는 업체 사장님이 저를 만나고 싶어 해서 무슨 내용인지 궁금해서 잠깐 시간을 내어서 면담을 했습니다. 아래의 사진은 표면 처리한 스틸 사판과 최근 개발된 알루미늄 슈 무전해 니켈 도금된 일본 부품 일부 절단 된 것과 표면처리 안 된 국산 알루미늄 슈 그리고 기존의 베어링강 슈를 나타내고 있습니다. 세계는 점차적으로 환경친화형 냉매로의 변화를 요구 받고 있고, 냉매의 교체가 기존의 사용 부품으로는 견디기 힘든 내마모성과 내구성 문제의 발생을 일으키기 시작 했습니다. 이 부품의 불량으로 자동차에 불이나 변상한 사례도 있었습니다.

사판과 슈는 냉매와 냉동유안에서 엔진의 크랭크 축에 연결된 샤프트에 일체가 되어 고속으로 회전하다가 멈추다가 다시 회전하는 고속 회전체의 부품입니다.

이 분이 만나자고 한 이유는 일본에서 알루미늄 슈에 무전해 니켈도금을 개발해서 자동차 업체에 납품을 하는데, 일본 회사에서 슈에 도금하는 기술을 특허로 출원하는 바람에 알루미늄 상에 이에 대체되는 기술이 있으면 초면인데 공짜로 가르쳐 달라는 것입니다. 그리고 앞으로의 더 가혹한 조건에서 사용되는 부품의 표면처리 기술에 대해서도 공짜로 가르쳐 달라는 것입니다.

이러한 부품에 적용되어야 되는 스마트한 표면처리 기술에 대해서 제 의견은, 코팅 층이 경도가 높고 윤활성이 좋으며 처리단가가 싸고 불량률이 제로에 근접해야 된다는 것입니다. 불량이면 자동차가 불나는 상황이 생기니까요.

자동차 대수만큼 이 부품들이 있으니 수량은 엄청납니다. 저는 이미 이 문제를 해결할 수 있는 상업화 되지 않은 3가지 스마트 표면처리 기술들을 가지고 있습니다. 


자동차 엔진 연관된 부품의 표면처리 기술들 미래형 표면처리 기술

자동차 엔진 효율 및 내구성 향상을 위한 부품의 표면처리를 둘러싼 국내외 변수가 변화무쌍합니다.

지금부터 10 여년 전에 아연 전기 도금업을 하시는 사장님이 저를 찾아 왔습니다. 이 회사는 독성 폐수가 나오는 시안 아연 도금업으로 오랫동안 사업을 하신 분인데, 워낙 주위에 이런 도금을 하는 업체가 많아서 열심히는 했지만, 순이익은 그렇게 많지 못했습니다. 그런데 어느날 자동차 엔진 연료 펌프 관련 부품 제조 1차 벤더업체에서 노즐 관련 알루미늄 부품의 샘플을 가지고 와서 그 회사 사장님한테 할 수 있느냐고 하는데, 아노다이징 한 것이 특이하여서 고민을 하다가, 그 당시 표면처리 기술지도하였던 제가 생각이 나서 자문 받으려고 온 것입니다.  원래는 일본에서 표면처리를 해서 수입되는 것을 국산화 한 것입니다.

제 전공이 이 분야이기 때문에 공동 개발 하기로 약속한 후에, 단 기간에 현장에서 연료 노즐의 특수 양극산화 피막기술을 일본 제품보다 우수한 성능으로 표면처리를 하는데 성공하여, 국내 대기업 자동차 회사로부터 받기 어렵다는 SQ 마크를 획득하고 시안 아연도금은 다 없애고 지금은 완전 알루미늄 표면처리 대박 기술의 기쁨을 만끽하고 있는 회사가 되었습니다.

 최근에와서는 세계 자동차 엔진 효율 및 내구성 향상을 위한 부품 관련 큰 변화가 일어날 조짐이 있습니다엔진의 크기는 작아지고 연료 효율은 높이는 엔진 시스템의 설계 변경입니다.  국내 자동차 엔진의 대부분을 차지하는 휘발유 엔진을 디젤과 같은 효율의 엔진 시스템을 갖추려 하는 것입니다.  이런 경우 대부분이 엔진에서 배기되는 뜨거운 독한 가스와 부유물 들을 다시 재활용하여 사용하려는 시스템으로 설계가 되어야 됩니다.

여기에 연관된 모든 부품들에 대해서 내구성 점검을 모두 다 재 검토해야 합니다.

왜냐구요? 엔진에 과부하가 걸려서 열방출이 제대로 안되어 자체 과열이 심하여 엔진이 깨어지는 경우도 있어 과열에 대비한 모든 부품의 열방출 냉각 환기 시스템 관련 부품을 재 검토 해야되기 때문입니다. 또한 엔진에서 연소된 배기가스에는 유독한 부식성 가스가 대부분이고 연소 후에 발생된 미립자들이 배기가스에 섞여서 다시 재활용하려는 엔진관련 부품들에 주입되기 때문에 내구성 관련 재검토도 이루어 져야 합니다  이제는 엔진 연관 부품 내구성이 10 년 이상 사용해도 견딜 수 있는 과열, 마모 및 부식 환경에 대응하는 소재나 표면처리의 요구되는 시점입니다.

얼마 전 저에게 휘발유 자동차용 엔진 효율 높이는 핵심 부품인 터보차저를 만드는 회사에서 연구 소장님이 찾아오셔서 기술 면담을 했습니다갑자기 휘발유 엔진효율 향상을 위한 터보차저 기술을 디젤 엔진에 적용시켜서 디젤 자동차의 엔진 효율 높이는 시스템으로 경쟁이 되고 있는 것입니다.  이 회사에서는 현재 휘발유 엔진에 사용 중인 터보 챠저의 알루미늄 합금 부품을 디젤엔진에 적용해 본 결과, 디젤 엔진에서 발생되는 고열과 높은 고속 미립자 함유 배기 가스를 견디지를 못하고 망가져 버려서, 이를 해결할 알루미늄 터보차져 표면의 고내식 내 에로젼 표면처리 기술을 찾고 있었습니다. 

소장님이 일본 유명 표면처리 회사에서 만들어온 샘플을 보여주면서, 이러한 표면처리도 디젤 엔진에 걸어서 내구성 테스트를 해본 결과 얼마 견디지를 못하고 파괴되어 버린 다는 것 입니다. 무슨 표면처리를 해야 될 지 대책이 없어서 저를 찾아 온 것입니다. 그분에게 일본에서 한 표면처리가 무슨 문제점이 있는지를 설명해 주었습니다.  원인을 알면 해결 방법이 있는 것입니다. 알루미늄은 소재가 가벼워 회전체로서의 큰 장점이 있으며, 또한 지금까지의 알루미늄 부품에 대한 엄청난 기술 검증이 이루어졌기 때문에, 알루미늄 합금의 소재를 변화시키지 않고, 표면처리로 이 문제를 풀 수 있다면 가장 훌륭한 해답이 되기 때문입니다.

 

사진 디젤 엔진 효율 높이는 터보차저 알루미늄 합금의 핵심부품


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