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아노다이징
아노다이징(Anodizing)은 금속의 피막을 만드는데 쓰이는 기술이다. 주로 알루미늄을 양극(陽極) 산화해서 피막을 만들며 마그네슘, 아연, 티타늄도 가능하다.
목차
개요
일상에서 쓰이는 알루미늄 제품의 장점이 피막이 있어서 녹이 쓸지 않는다는 점이다. 하지만 자연적으로 생기는 피막은 그냥 사용하기엔 너무 얇기 때문에 수용액과 전기를 사용해 피막을 더 두껍게 입히는 것이다. 금속을 양극에 걸고 희석한 산성 용액에서 전해하면 양극에서 발생하는 산소에 의해 산화피막을 형성한다.
이 피막은 단단하고 내 부식성이 크며 착색이 쉬워서 널리 이용된다. 다만 단점이 없는 것도 아닌데, 작업 환경에 따라 발색이 달라질 수 있고 염기에 약하다는 것이 있다. 그리고 일일이 전극에 넣어줘야 되기 때문에 대량으로 찍어내기는 힘들다.
아노다이징은 양극(anode)에 산화(oxidizing)를 합성한 단어이다. 일본에선 알루마이트라고 하는데 직교류를 이용한 수산법으로 행해져서 그렇게 부른다. 국내에선 양극산화,애노다이징, 직류 유산법 다 쓰인다.
아노다이징은 금속 재질의 표면을 의도적으로 산화·부식 시켜 생긴 산화막 자체가 외부의 영향으로부터 제품을 보호하는 역할을 하게 하고 그 다공성 표면 위에 착색도 가능하게 하는 표면 처리법이다.
장식성 아노다이징(일명 소프트 아노다이징)은 외관상 필요한 착색 효과와 부드러운 표면 효과를 얻기 위해 수행하는 가공 방법이며, 반면에 하드 아노다이징은 전기 화학적으로 강한 세라믹 피막을 씌워서 강한 내마모성과 전기 절연성을 얻기 위해 하는 가공 방법이다. 알루미늄을 화학 용액에 담그고 전기적으로 산화시켜 알루미늄 표면에 거칠고 다공성의 투명한 산화층을 만들게 한 후 그 표면 위에 각종 염료들을 부착하는 것이다. 일반적인 응용에서는 아노다이징 가공 전에 헤어 라인(hair line)이나 샌딩(sanding) 가공을 추가하기도 한다.[1][2]
아노다이징 기술은 주요하게 알루미늄에 적용해 왔다. 알루미늄은 매우 가벼우며, 내식성, 착색성, 절연성이 있기 때문에 내식, 내마멸, 장식, 네임플레이트(name plate), 도장바탕 및 전해 콘덴서 등 특수 용도로서 사용되며, 이의 응용은 취사도구, 건축자재, 전기 통신기기, 광학기기, 장식품, 기계부품, 자동차부품 등 광범위하다.
원리와 방법
원리
아노다이징은 도금하고자 하는 금속을 양극으로 전기 화학적으로 산화피막을 만드는 공정 방식이다. 금속을 양극으로 걸쳐 희석-산의 액으로 전해하게 될 경우, 양극에서 발생하는 산소에 의해 소재 금속과 강한 밀착력을 가진 산화 피막이 형성되게 되는 것이 아노다이징의 원리이다.
알루미늄(Al)은 화학적으로 활성인 금속으로 산소(O2)와 반응하여 Barrier 형인 치밀한 산화피막인 알루미나(Al2O3)를 형성하여 그 이상의 내부 산화를 방지한다.
Al 또는 Al 합금을 황산(H2SO4), 수산(C2H2O4-2H2O), 크롬산(H2CrO4) 등의 용액에 담가 양극으로 하고 전해하면 양극 산화하여 이들 표면에 양극산화피막인 Al2O3-xH2O 가 형성되어 Al의 내식성을 향상시키고, 표면 경도를 향상시키며, 이 공정을 Alumite라고 한다.
전해액에 따른 분류
황산법
수산법
- 전해액 : 수산(옥살산, C2H2O4-2H2O)
- 특징 : 두껍고 강한 피막, 내식성 우수, 용액 가격이 고가임, 순수 Al의 경우 내식성 등 최우수 피막, 순도가 낮은 피막에서도 피막의 광택이 좋음.
크롬산법
- 전해액 : 크롬산(H2CrO4)
- 특징 : 반투명이나 에나멜과 같은 외관. 광학기계, 가전제품 및 전기통신기기 등에 사용.
피막 두께에 의한 분류
연질 양극산화법
연질 아노다이징은 일명 소프트 아노다이징이라 하며 알루미늄의 보호성과 장식성을 위한 피막 처리 방법이다. 피막 처리 후 각종 염료에 의한 색상 처리가 가능하므로 장식성이 뛰어나 제품 고급화에 사용되는 표면 처리 방법이다. 피막 층의 두께가 10~20μm로 얇고 경도가 낮으며 경질 피막에 비해 연성을 갖고 있다.
- 상온의 전해액 / 20μm 이하의 피막. 일정한 조도 형성을 위해 아노다이징 전 헤어 라인(hair line)이나 샌딩(sanding) 가공하기도 함. Heater 등 고온 공정의 Part에 주로 적용.
경질 양극산화법
경질 아노다이징은 일명 하드 아노다이징이라 하며 알루미늄 표면의 경도, 내식성, 내마모성, 전기적 절연성 등의 기능적인 특성을 향상시키기는 방법이다. 경질은 알루미늄이 가지고 있는 연성을 보강함과 동시에 금속이 가지고 있는 취약한 결함을 보완하여 공업화하는 것을 목적으로 한다. 경질 아노다이징의 경우 피막 층의 두께가 20~100μm로 두껍고 경도가 높다.
- 전해액 온도 0℃ / 20μm 이상의 피막. 일반적인 아노다이징 파트이다.[3]
아노다이징의 장점
알루미늄이 산소와 결합하게 되면 표면이 산화되어 자연적으로 피막이 형성된다. 이를 산화알루미늄이라고 부르며 이때 발생하는 표면의 산화피막의 두께는 일정하지가 않다. 하지만 인공적으로 아노다이징 처리를 하게 될 경우 일정한 두께의 피막을 형성시킬 수 있기 때문에 알루미늄에 아노다이징 후처리를 하는 것이다.
알미늄을 양극에서 전해하면 알미늄 표면이 반은 침식되고, 반은 산화알미늄 피막이 형성된다. 알미늄 양극산화는 다양한 처리액 조성과 농도, 첨가제. 처리액의 온도, 전압. 전류 등에 따라 피막의 성질이 다르게 생산할 수 있다.
아노다이징 처리가 된 금속의 경우 퇴색과 오염, 흡착, 변질에 대해 반영구적 사용이 가능하다. 또한 금속성, 광택 등으로 깨끗하게 보인다. 내식성과 내마모성 등이 높기 때문에 오랫동안 사용할 수 있고 다양한 색상으로 처리할 수 있기 때문에 많은 용도로 사용이 가능한 것이 특징이다.
- 피막은 치밀한 산화물로 내식성이 우수하다. 특히 실링 후 처리한 것은 일반의 대기 조건하에서나 염수 분위기 하에서 내식 성능이 대단히 우수하다. 아노다이징에 의해 생성된 비정질 (아몰포스 : Amorphous)의 산화알미늄 피막을 약산성의 뜨거운 물이나 끓는 탈 이온수 혹은 고온의 중크롬산 나트륨액 혹은 아세트산 니켈의 액에서 실링 하면 최대의 내식성을 발휘한다.
- 피막은 기본적으로 전기가 통하지 않는 절연 피막이다. 피막 두께가 두꺼워질수록 절연 특성은 좋아진다.
- 장식성 외관을 개선한다. 모든 양극산화피막은 광택이 나고 상대적으로 우수적으로 모양을 내서 장식 효과를 낸 다음에 아노다이징을 마지막 공정으로 사용하고 있다. 양극 피막의 광택 수준은 처리 전 금속 소재의 조건이 좌우된다. 무광택 에칭은 광택을 줄이고 화학이나 전해 연마, 버프연마 등은 광택을 낸다. 즉 소지의 확산이나 반사에 따라 광택이 다르게 된다. 건축용도로 사용하는 알미늄은 대부분 아노다이징으로 마감한다.
- 양극 피막은 상당히 단단하여 내마모성이 우수하다. 하드아노다이징(경질양극산화)는 두께가 25㎛～100㎛ 이상까지 두껍게 피막을 올릴 수 있다. 이들 피막은 산화알미늄의 고유 경도로서 내마모성이 필요한 회전 부품의 용도로 안성맞춤이다. 모든 양극 피막이 소재 재질보다 더 단단하지만 크롬산법이나 일부 황산법의 피막은 두께가 너무 엷고 물러서 내마모성에는 적합하지 않은 경우도 있다. 경질 아노다이징 표면의 경도는 Hv400 ~700 수준이며, 소재의 상태에 차이가 날 수 있다.
- 도장 밀착력의 향상 : 단단히 밀착되어 있는 양극 피막은 모든 페인트 시스템에서 화학적으로 활성 표면을 제공한다. 황산액에서 처리한 양극 피막은 무색으로 다음의 투명한 표면처리에 하지로 적당하다. 가혹한 부식 환경하에서 사용하는 알미늄 부품을 도장하는 경우에는 도장 전에 아노다이징을 전처리로 처리한다. 실링 한 것은 내식성이 더 좋고 실링을 하지 않은 것은 도장의 밀착력이 더 좋다.
- 본딩 성능의 개선 : 인산법이나 크롬산법에 의한 엷은 양극 피막은 본딩성과 내구성능을 개선한다. 이들 피막은 대부분의 최신 항공기의 기체구조에 넓게 이용하고 있다.
- 윤활성의 개선 : 하드 아노다이징 후에 수동으로 연마나 혼닝으로 표면을 스므스하게 하고 그 위에 테프론 코팅을 하면 완벽한 윤활 성능을 발휘할 수 있다.
- 장식 목적의 특유한 색상을 낸다. 양극 피막의 다양한 착색은 몇몇 방법으로 처리한다. 유기 염료를 피막의 기공 속에 흡착시켜 다양한 색상으로 착색한다. 또한 일부 무기 안료는 기공에 침전 시켜 제한된 범위의 안정한 색상을 만들 수 있다. 자연 발색법의 아노다이징은 합금 조성에 따라 다르나 건축 용도의 안정한 흙빛 색상의 착색에 적당하다. 전해 착색은 2차 공정으로 일반의 아노다이징 처리 후에 2차로 피막의 기공에 금속 안료를 전기적으로 석출시켜 안정된 색상을 얻는다. 건축에 많이 이용하며 특히 섀시에 많이 활용하고 있다.
- 도금의 전처리 : 일부의 양극 피막은 고유의 다공성으로 전기도금을 할 수 있다. 일반적으로 도금 전처리로 인산법 아노다이징을 처리한다.
- 표면 손상의 탐색 : 미세한 표면 크랙을 크롬산 아노다이징 액을 사용하여 탐색할 수 있다. 크롬산액에서 아노다이징 처리하고 수세 후 빨리 건조하여 표면을 검사하면 부품에 금이 가 있는 경우에는 균열 부위에 크롬산이 들어가서 이 부근에서 크롬산이 스며나와 양극 피막을 오염시킨다.[4][5]
적용 분야
아노다이징 처리된 알루미늄의 경우 산업에서 다양한 용도로 널리 사용된다.
- 항공/우주 방위산업의 경우 소재의 경량화가 최우선인 분야인 만큼 20계열, 70계열의 알루미늄이 주로 사용된다. 여기에 알루미늄의 취약한 부분 중 하나인 내부식성, 내마모성 등을 보완하기 위해 50um 이상의 균일한 나노세라믹 코팅을 알루미늄 표면에 처리해야 하는 것이 특징이다.
- 친환경 분야에선 100% 재사용 가능한 친환경 소재인 알루미늄을 모재로 사용한다. 사람에게 좋지 않은 납, 카드뮴 등의 중금속 성분이 없는 알루미늄의 경우 의료 기구와 첨단 바이오 분야로 사용이 넓어지고 있다.
- 차량, 철도, 조선 해양, 선박 분야에서는 내식성, 강한 재료, 경량으로 연비를 감소시킬 수 있기 때문에 아노다이징 된 알루미늄을 많이 사용된다.[6]
동영상
각주
- ↑ 〈양극산화〉, 《나무위키》
- ↑ 〈애노다이징〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 끄적끄적, 〈양극산화(아노다이징)에 대하여〉, 《네이버 블로그》, 2020-10-21
- ↑ 도금 코팅, 〈아노다이징 (Anodizing) 종류와 특징 용도〉, 《타티스토리》, 2007-08-20
- ↑ Holly, 〈아노다이징(Anodizing)이란?/아노다이징 설명/아노다이징 특징 출처 : 코스트〉, 《네이버 블로그》, 2013-04-02
- ↑ 판금기계설계, 〈아노다이징이란?/종류와 특징 용도는?/경질,연질 아노다이징이란?〉, 《티스토리》, 2020-10-08
참고 자료
- 〈양극산화〉, 《나무위키》
- 〈애노다이징〉, 《네이버 지식백과》
- 끄적끄적, 〈양극산화(아노다이징)에 대하여〉, 《네이버 블로그》, 2020-10-21
- 도금 코팅, 〈아노다이징 (Anodizing) 종류와 특징 용도〉, 《타티스토리》, 2007-08-20
- Holly, 〈아노다이징(Anodizing)이란?/아노다이징 설명/아노다이징 특징 출처 : 코스트〉, 《네이버 블로그》, 2013-04-02
- 판금기계설계, 〈아노다이징이란?/종류와 특징 용도는?/경질,연질 아노다이징이란?〉, 《티스토리》, 2020-10-08
같이 보기
