PVD 응용 프로세스에 의한 고내식 Zn-Mg 합금박막의 최적 제작 조건 도출 연구

Abstract

최근 국내외 조선 및 자동차 제조업계에서는 철강 제품의 효율적인 유지관리 및 내구성 확보를 위해 철강 제품의 장수명화 기술개발을 활발히 진행하고 있다. 이것은 지구의 자원 및 환경 보호는 물론 에너지 절약 이라고 하는 전 세계적 추세에 따라 미래에도 지속 가능해야 할 녹색성장 중의 하나라고 사료된다. 인류가 이와 같은 문제를 해결하기 위해서는 모든 산업 분야에서 근간이 되고 있는 각종 재료의 성능향상을 통한 제품의 성능향상을 도모해야 함은 필연적인 일이다. 특히, 이 지구상에서 가장 많이 사용되고 있는 금속인 철강 재료는 우리 지구의 소중하고 유한한 자원이나 그 사용 환경조건에 따라 부식이라고 하는 커다란 결함을 가지고 있어서 이들의 부식 방지를 위한 기술 개발은 늘 매우 중요한 과제로 대두된다.

한편 이러한 철강 재료에 대한 부식문제를 해결하기 위한 방법으로서 현재 가장 많이 성행되고 있는 것은 아연도금에 의한 표면처리이다. 이것은 선박의 여러 구성부분이나 자동차, 건축자재, 전기기기, 강재기구 및 주방기기 등 다양한 분야에서 내구성이나 내식성을 목적으로 널리 사용되고 있다. 아연은 그 자체가 보유하고 있는 내식성은 물론 우수한 희생양극 방식효과에 의해 강재기재를 보호하는 특성이 있다. 그러나 이러한 우수한 특성에도 불구하고 최근에는 아연 도금된 철강 제품이 사용되는 환경이 더욱 더 다양 해 지고 점점 가혹해짐에 따라 내식성 향상을 위한 여러 가지 방안이 고려-검토되고 있다[1]-[6].

일반적으로 도금의 내식성을 향상시키기 위해서는 도금량을 증가시키는 것이 가장 용이하겠지만 자원 및 에너지 절약의 관점은 물론 가공이나 용접성 등의 관점에서 볼 때 적절한 대안이 되지 못한다. 이에 따라 최근에는 내식성 향상과 도금량의 감소를 위한 합금도금의 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 현재 대표적인 아연계 합금 도금으로는 Zn-Fe, Zn-Ni, Zn-Al 등이 있으며 실용화도 되어 있는 상태이다. 특히 아연의 용융합금도금 중 Zn-Al계에서는 2차 합금원소로써 Mg의 첨가에 의해 내식성 향상을 시도하는 보고도 있다. 여기서 마그네슘은 입계부식에 의한 도금 막의 열화방지 또는 도금의 결정립 미세화에 효과가 있는 것으로 기술되어 있다. 또한 이 Mg은 그 고유성분 자체로써 부식전위(Ecorr)가 매우 비(active)한 활성적 특성을 갖고 있기 때문에 Zn 또는 Al 내에 적절한 양을 합금하여 사용하게 되면 그 합금자체의 내식성은 물론 철강 모재에 대한 희생양극적 특성이 우수한 것으로 보고되고 있다. 따라서 Mg 합금 막을 제작을 원활하게 제어 할 수 있는 프로세스가 가능하다면 신 내식성막 재료의 개발이 용이해질 것이라고 사료된다.

한편 현재 내식성을 위한 표면처리 강판으로는 용융 도금이나 전기 도금이 많이 사용되고 있다. 사용하는 목적에 따라서 한쪽 면만 표면처리를 필요로 하는 경우에는 프로세스 특성상 양면 도금 되는 용융도금이 자원과잉낭비로 불필요하므로 한쪽면만 가능한 전기도금 방법을 채택-제작한다. 그러나 이 전기도금 방법은 그 경제 효율적 측면은 물론 고내식 향상 기능을 위한 Mg와 같은 기대 원소를 임의로 용이하게 선정 합금도금 하기 어려운 전기 화학적 한계를 갖고 있다. 또한 도금액의 폐기 또는 도금 후 부산물 처리 등의 환경문제로 인해 국제적으로 그 사용에 관한 규제가 점차 강화되고 있다. 그러므로 환경오염 및 자원 고갈의 문제로 인해 국제적으로 그 사용에 관한 규제가 점차 강화 되고 있다. 그러므로 환경오염 및 자원 고갈의 문제와 재료 내식성 향상의 문제를 포괄적으로 충족시키기 위해서는 현재까지의 도금 방법을 개선하기 위한 연구가 필요한 실정이다.

이와 같은 관점에서 건식 프로세스(dry process)인 PVD(물리증착법

Physical Vapour Deposition)법은 무공해 진공 프로세스임은 물론 제작할 코팅막 성분의 종류에 대해 제한이 없어서 이상에서 전술한 사항에 대한 요구를 충족시킬 수 있는 조건을 가진다고 사료된다. 더구나 이것은 코팅막 내 세공(porosity)이 적고 고밀도의 양질막이 생성가능하다는 장점을 가지고 있다[7]-[10]. 따라서 철강 재료의 내식성 향상을 위해서 환경 친화적인 PVD법에 의한 아연 및 마그네슘 합금 코팅에 대한 연구를 시도하는 것은 매우 중요한 의미를 갖는다고 사료된다.