강기판상에 코팅된 Zn계 PVD박막의 구조 및 물성에 미치는 중간층의 영향

Abstract

최근 과학기술의 발달과 더불어 조선, 자동차, 토목, 건축, 기계, 가전 등의 각종 산업분야에서 사용되는 강재의 수요는 점점 증가 추세에 있다. 이와 같은 가운데 다양한 분야에서 사용되고 있는 강재는 그 사용 환경이 더욱 가혹화 되면서 다른 소재와의 비교-경쟁력 향상이 요구 되고 있다. 더구나 최근에는 전 세계적 화제(issue)가 되고 있는 자원, 에너지, 환경 측면에 있어서도 강재의 장수명화 중요성이 대두되고 있는 실정이다. 현재 강재의 내식성 용도로 주로 사용되고 있는 것은 아연(Zn)을 용융 또는 전기 도금한 Zn 표면처리강판으로 이에 대한 수요가 다양하게 급증하고 있음은 물론 더욱더 향상된 내식성의 새로운 Zn계 표면처리강판이 요구되고 있는 실정이다.

일반적으로 강재의 고내식성 향상용 표면처리에 사용되는 Zn 도금은 물(H2O)이나 산소(O2)가 존재하는 일반 환경 중 Zn 도금 표면에 형성하게 된 Zn(OH)2나 ZnO와 같은 부동태 산화피막에 의해 모재인 Fe를 차단-보호하는 특성을 갖는다. 또한 이와 같은 Zn 도금 표면처리강판은 사용 중 도금 표면에 결함이 발생하여 그 도금 하지의 Fe모재가 노출하게 되면 상대적으로 이온화 경향이 커서 활성도가 높은 Zn이 Fe를 대신하여 희생부식을 한다. 즉, 이 Zn은 Fe에 대해 양극작용(Zn → Zn2++2e)을 하므로서 장기간 모재 Fe를 음극방식(Fe2++2e → Fe)시키는 역할을 한다. 따라서 강관의 내식성 표면처리 도금소재는 Zn계 금속이 가장 많이 사용되고 있고, 그 사용량은 다양한 분야에서 점점 확대되고 있는 추세이다.

한편, 지금까지 주로 용융도금(hot dipping)이나 전기도금(electrolytic plating)과 같은 습식공정으로 생산되는 Zn계 표면처리강판은 생산성이나 경제성 등이 우수하지만 환경폐수 처리 문제, 전기·전자기기의 폐기물처리 지침인 WEEE

(Waste from electrical and electronic equipment, 2006), 특정 유해 폐기물처리 지침인 RoHS(Restriction of hazardous substances, 2006), 화학물질의 등록, 평가, 인가에 대한 지침인 Reach(Registration, evaluation, authorization and restriction of chemicals, 2006), 유해물질 사용규제인 ELV(End of life vehicle, 2006) 등과 같이 유럽과 일본을 중심으로 하는 환경규제 강화에 대한 부담, 복잡한 생산 공정에 따른 일정 균질 유지제어 곤란 등의 문제점이 해결해야 할 현안으로 제기되고 있다. 더구나 이러한 습식 도금법 중에서 용융 Zn 도금법은 고내식용을 위한 다양한 합금 원소의 첨가-제조가 어렵고, 목적용도에 따라서는 불필요하게 생성되는 양쪽면 도금 문제와 용융 Zn 도금중 Fe계면과의 과다한 합금층 생성에 따른 물성 불량 등의 문제가 종종 발생하고 있다. 또한 전기 Zn 도금법의 경우에 있어서도 전처리 공정의 어려움이나 내식용 도금가능 금속원소가 제한되는 등의 문제점을 가지고 있다.

따라서 최근에는 기존의 Zn계 표면처리의 한계점을 개선시키기 위해서 신개념의 건식공정(dry process)에 의한 Zn계 막제작 연구가 시도되고 있다(1∼4).건식공정은 무공해 진공프로세스로서 고내식성 신재료 개발, 국내외 환경규제 대비, 글로벌 경쟁, 재료의 재활용성 등이 우수하다. 또한 Zn계 건식 코팅은 모든 원소의 금속에 대해 증착 및 합금이 가능한 코팅법으로서 습식도금법으로 불가능한 Zn-Al, Zn-Mg, Zn-Al-Mg, Zn, Zn-Ni, Zn-Cr, Zn-Ti 등도 다양한 합금형태로 코팅이 가능하고, 표면의 몰포로지(morphology)가 나노 입자상의 박막이 형성되는 양질의 코팅막을 생산할 수 있다. 이에 따라 상기와 같이 강기판상에 다양한 Zn계 고내식 합금막의 연구가 실험실적 규모의 건식 프로세스에 의해 보고되고 있는 상황이다.

그러나 대형 강재의 표면코팅 실용화를 위한 목적의 전단계로서 시도하는 Fig. 1.1과 같이 대형 건식 고속 파일럿(pilot, PLT) 프로세스에 의한 증착 방법에서는 실험실적 소규모 프로세스와는 달리 종종 밀착성 불량에 따른 박리나 균열 현상 등의 문제가 발생하여 실용화의 곤란함이 보고되고 있다. 따라서 이러한 원인규명 및 대책은 물론 막형성 메커니즘과 특성관계를 해석하고 정립하는 것이 중요하게 대두되고 있다. 특히, 건식 PLT에 의한 Zn계 막제작 시도에 있어서는 진공용기 내에서 아웃게싱(outgassing)되는 방출 가스와 O2, H2O 등과 같은 누설유입가스 등에 의해 문제가 야기된다. 또한 확산펌프(diffusion pump, DP)의 구조적 불안정 역류가스 유입 현상 등에 의한 밀착성과 내식성 문제가 발생하여 실용화가 곤란한 상황이다. 따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 과제로서는 방출 및 유입 가스에 따른 막재료의 구조와 밀착특성 영향을 해석하고, 방출 및 유입 가스 고려 밀착성 향상을 위한 막재료의 프로세스 대책을 강구할 필요가 있다. 또한 건식 프로세스에 의한 박막형성 메커니즘 및 특성 관계 해석에 있어서는 증착입자의 열에너지에 의한 확산 이동도 관점은 물론 진공 중 존재하는 Ar 등의 흡착 작용을 고려하여 해석하고, 성분, 조직, 구조, 결정배향성 등의 특성관계를 평가하여 PVD법에 의한 Zn계 박막 설계응용지침을 제시하는 것이 중요하다고 사료된다(5).

본 연구에서는 각종 산업분야에서 내식코팅으로 많이 사용되고 있는 Zn과 실용금속 중 가장 가벼우면서 비강도 및 치수 안정성이 뛰어난 Mg을 사용하여 Zn-Mg의 합금 박막을 제작하였고, 모재와 코팅층 사이에 Al, Zn, Mg과 같은 희생양극 삽입하여 막을 형성시켰다. 일반적으로 Fe에 대해 희생양극역할을 하는 Al, Zn 및 Mg과 같은 금속원소는 성분합금이나 조직적인 관점에서 여러가지 연구가 이루어지고 있는 실정이다. 한편, 내식성과 밀착성 등에 대한 상관관계 연구는 미진한 실정이다. 또한 본 연구에서는 Ar가스압에 의한 진공도와 Mg함량을 변수로 하여 Zn계 박막을 제작하였고, 박막의 증착과정 중 가스압의 변화가 흡착 인히비터로 작용해서 박막의 몰포로지와 결정배향성에 중요한 영향을 미치는 것을 분석하므로써 이와 같은 요소들이 밀착성과 내식성에 미치는 영향을 종합적으로 고찰해 보았다(6∼11). 그리고 이것이 산소유무에 따라 변화하는 Zn-Mg 박막의 구조가 밀착특성에 미치는 영향을 해석하고, Zn-Mg 박막의 밀착성 향상을 위한 방안으로 Al 중간층 삽입에 따른 유효성을 검토해 보았다. 그 후에는 Al 중간층 유무에 따른 단일 Zn, Mg 박막과 Zn-Mg 합금박막의 형성구조변화 원인은 물론 이들 구조가 밀착성과 내식 특성 등의 물성에 미치는 관계를 해석-확인하므로써 강기판재의 고내식용 코팅막 제작의 실용프로세스의 응용 설계에 기초적인 지침을 제시하고자 한다.