PVD법에 의해 제작한 Mg박막의 내식성에 미치는 몰포로지, 결정배향성 및 중간층의 영향

Abstract

철강재료들은 적절히 보호되지 않으면 환경 중 물과 산소 등에 의해 부식이 발생하면서 열화ㆍ소모되어지는 문제를 갖게 된다. 이러한 부식은 재료표면의 외관을 악화시키는 것은 물론, 재료의 강도를 저하시키고 사용수명을 단축시키기 때문에 이것을 방지하는 것은 매우 중요한 문제이다. 특히, 전 세계적으로 산업화가 급속하게 진행됨에 따라 화석에너지에 대한 무분별한 사용으로 대기오염이 심각해지는 등 부식환경이 점점 가혹해지고, 동시에 자원고갈의 문제가 심각하게 대두되면서 보다 효과적인 부식방지법에 의한 철강재료의 사용수명 연장이 중요한 과제로 되고 있다.

표면처리법은 재료의 부식방지를 위해 가장 널리 사용되고 있는 기술이며, 재료자체의 표면특성만을 변화시키는 방법과 재료의 표면에 외부로부터 고기능의 피막을 부여하는 방법으로 크게 구분된다. 재료의 내식성 향상을 위해서는 고기능 피막의 제작으로 부식환경을 차단하는 방법이 효과적인 것으로 여겨지고 있으며, 실제로 유기ㆍ무기 화성처리, 도장, 양극산화, 용사, 피복 및 도금 등의 표면처리기술법들이 개발되어 현재 적용되고 있다. 이들 방법 중 습식도금법(Wet process)은 양산성이 좋고, 도금의 처리비용이 낮아서 철강재료의 방식법으로써 효과적이기 때문에 선박, 옥외구조물, 자동차, 가전제품, 건축자재 등의 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 한편, 이들 습식도금법은 전해조건, 전해질 용액의 종류 및 사용횟수 등에 따라 코팅막이 불균일하고 치밀하지 못하게 되어 내구성이 충분하지 못한 경우가 종종 발생하게 된다. 또한 이들에 대한 청정기술이 개발되고 있지만 사용 후 폐기되는 폐수 또는 부산물 처리 등의 근본적인 환경문제로 인해 국제적으로 그 사용에 관한 규제가 점점 강화되고 있다. 그러므로 환경오염 및 자원고갈의 문제와 재료 내식성 향상의 문제를 포괄적으로 충족시키기 위해서는 단순히 모재 표면에서의 도금량을 감소시키는 등의 방법보다 환경에 영향을 미치지 않는 새로운 프로세스를 통한 방법이 더욱 적절할 것으로 사료된다.

표면처리 프로세스들 중 건식법(Dry process)인 PVD법은 무공해 진공 프로세스이므로 이에 대한 요구를 충족시킬 수 있는 조건을 가지고 있다. 또한 코팅막 내 세공(porosity)이 적고 고밀도의 양질막이 생성가능하다는 장점을 가지고 있으므로 PVD법을 통하여 재료의 내식성을 향상시키는 기술이 주목을 받고 있다.

최근 PVD법에 의하여 코팅막 자체가 부식에 강한 특성을 가지는 TiN 및 AlN 등의 세라믹 계통이나 Cu, Ti 및 Au 등의 귀(noble)금속 계통의 코팅막에 대한 연구가 일부 보고 되고 있다. 하지만 이들 PVD막은 코팅막 내에 존재하는 결함부를 통해 모재부위가 외부환경에 노출하게 되면 부식이 발생하게 되고, 특히 양극/음극 면적비에 대응하여 모재부위의 부식이 더욱 가속화된다는 문제점을 가지고 있다. 또한 코팅막의 결함을 없애고 환경차단 효과를 향상시키기 위하여 코팅막의 두께를 증가시키게 되면, 코팅 프로세스 시간의 연장과 코팅막 내 잔류응력에 의한 균열 및 박리 등의 문제를 가지게 되는 것으로 보고되고 있다. 그러므로 막두께가 충분히 얇으면서 우수한 환경차단성을 가질 수 있는 코팅막의 제작이 필요하게 된다.

마그네슘(Mg : magnesium)을 PVD막 재료로써 사용하게 되면 그 성분 자체가 매우 비(active)한 자연전위(Ecorr)를 가지고 있기 때문에 희생양극적 반응을 통하여 모재를 보호할 수 있게 된다. 또한 Mg 코팅막의 부식에 의해 표면에 MgO 및 Mg(OH)2 등 보호성 산화피막을 형성하게 되므로 모재의 부식을 더욱 지연시키는 것이 가능하게 된다. 한편 동일성분의 Mg을 사용한다고 할지라도 PVD법과 같은 건식 도금법에서는 제작조건에 따라 그 특성이 변하게 되는 것으로 알려져 있다. 즉, 목적하는 재료성능을 얻기 위해서는 제작조건에 따라 변화하는 몰포로지(morphology) 및 결정배향성(crystal orientation) 또는 중간층(interlayer)의 종류 등에 따른 코팅막의 특성변화에 대한 이해가 중요하게 된다.

따라서 본 연구에서는 환경 친화적 프로세스인 PVD법 중 열전자 활성화형 이온플레이팅법을 이용하여 아연(Zn : zinc), 알루미늄(Al : aluminium) 및 주석(Sn : tin) 전기도금강판 상 Mg박막의 형성을 시도하였다. 또한 Ar 및 N2 가스압, 바이어스 전압과 같은 제작조건에 따라 변화하는 Mg 박막의 몰포로지나 결정배향성의 형성관계를 증착 열에너지에 의한 확산이동도(migration)뿐만 아니라, 증착성분 외 가스입자에 의한 흡착 인히비션(adsorption inhibition)효과 및 흡장(occlusion)의 관점에서 관찰하였다. 그리고 이들 Mg 박막의 몰포로지나 결정배향성의 변화가 전기화학적 내식특성에 미치는 영향을 고찰함으로써 그 형성박막에 따른 특성관계를 해명하고, 중간층의 종류에 따른 Mg 박막의 내식특성 변화에 대한 전기화학적 메카니즘을 규명하고자 하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 제작된 모든 Mg 박막에서 분위기 가스압이 증가함에 따라 표면 결정립이 작아지고, 그 단면은 주상정조직에서 입상정조직으로 변화하였다. 또한 전체적으로 Ar 가스일 때 보다 N2 가스조건에서 결정립이 더 작은 Mg 박막이 제작되었다.

(2) 모든 Mg 박막에서 결정배향성은 가스압이 증가함에 (101)면에 대한 (002)면의 비율이 증가하는 경향을 나타내었다.

(3) 제작한 모든 Mg 박막의 면간격은 ASTM에서 나타내는 Mg의 면간격보다 증가하였으며, 전체적으로 분위기 가스압이 증가함에 따라 흡장량이 증가하게 되면서 면간격 증가는 크게 되었다. 또한 표면에너지가 높은 (002)면보다 표면에너지가 낮은 (101)면의 면간격이 더 크게 증가하였다.

(4) 전기아연도금 강판에 제작한 Mg 박막의 전기화학적 내식특성 평가결과 각각의 바이어스 전압 중 가스압이 높은 조건에서 제작한 Mg 박막 일수록 우수한 내식특성을 나타내었다. 이것은 결정립이 미세해짐에 따라 단위면적당 Mg 박막의 입계면적이 증가하게 되고, 이 입계부분이 부식환경 중 결함으로 작용하게 되면서 보호성의 산화피막 생성이 쉽게 되기 때문이라고 생각된다. 또한 전체적으로 결정립이 더 미세한 N2 가스조건에서 제작된 Mg 박막에서 Ar 가스조건에서 제작된 Mg 박막보다 더 양호한 내식특성을 나타내었다.

(5) Mg과 중간층과의 갈바닉 전위차가 가장 큰 Sn전기도금강판에 제작한 Mg 박막에서 가장 귀(noble)한 부식전위(Ecorr)값을 나타내었으며, 가장 낮은 부동태 전류밀도 값을 나타내었다. 이것은 Mg 박막과 중간층과의 갈바닉쌍에서 갈바닉 전위차가 큼에 따라 Mg 박막의 부식전위가 상승하게 되고, 동시에 부식 전류밀도가 증가함에 따라 치밀한 부동태 피막의 생성이 촉진되었기 때문이라고 생각된다.

이상의 결과에서 무공해 플라즈마 막프로세스 중의 하나인 열전자 활성화형 이온 플레이팅법에 의해 우수한 내식성을 가지는 Mg 박막의 제작이 가능하였다. 향후 제작조건(가스압 및 바이어스 전압) 및 중간층의 영향 등에 대해 좀더 다양한 조건에서의 광범위한 실험을 통하여 본 실험내용의 재현성 확인 및 내용보완의 연구가 필요할 것으로 생각된다.