피막

피막(皮膜)은 금속표면처리에서 생성되는 얇은 보호막을 말한다. 재료 표면의 내식성이나 미관 등의 성질을 높인다. 피막은 물리적 피막과 소재 표면과 화학반응에 의해 부착시키는 화학적 피막으로 나눌 수 있다.

개요

금속표면처리의 종류에는 도금, 화성처리, 양극산화, 도장, 라이닝, 표면경화, 코팅 등이 있다. 도금은 금속의 표면이나 비금속 표면에 다른 금속을 사용하여 피막을 만드는 처리이며 처리방법으로서는 전기도금, 화학도금, 용융도금, 진공도금, 침투도금, 이온도금 등이 있다. 도금 시 저 전류밀도에서는 결정의 성장 속도가 커서 거친 도금이 되고 적당한 전류밀도에서는 미세한 결정의 미려한 도금이 된다. 화성처리는 금속 표면에 일종의 화학 피막을 만들어 주는 화학적인 처리를 말하며 처리 방법으로서는 인산염 피막처리, 크로메이트 처리, 착색 등이 있다. 양극 산화 피막(Anodizing)은 금속 물체를 양극으로 하여 전기화학적으로 산화피막을 만드는 피막이며 주로 알루미늄의 산화피막에 널리 사용되고 있다. 코팅은 금속 표면에 합성수지 또는 에나멜(enamel), 세라믹 같은 투명 수지 피막 또는 유리질 피막을 만드는 방법이다.

도료는 피도물인 소지에 칠하여 도막화 해줌으로써 부분적인 목적을 달성할 수 있으나 굴림에 유지, 녹, 먼지 그 외 여러 가지 오염물에 붙은 그대로 도장해서는 굴림의 보호나 밀착성 및 도막의 내구성을 얻지 못한다. 그래서 도장에 앞서 표면을 깨끗이 하기 위해서 탈지와 제청을 하여 조정할 필요가 있다. 도장의 성능을 일층 효과적으로 하기 위하여 소지와 도막간의 밀착성과 방청 효과를 향상시킬 목적으로 표면을 깨끗이 한 소지면에 화성처리를 하여 피막을 형성해주는 일반적인 방법으로 취하고 있다. 표면조정(청정)과 피막화 처리 방법은 금속 소지의 재질과 도막법에 의해서 결정할 수 있는 문제점이라 하겠지만 그 목적에 있어서는 도막상에 불가결한 일이며 이것을 보통 도막 전처리 혹은 전처리(Pretreatment)라고 부르고 있다. 금속표면에는 유지, 녹, 먼지, 고도막, 절제분 그리고 방청제와 같은 피막화성을 저해하고 도장상 장해가 되는 여러가지 물질이 붙어있고 부착상태도 액체, 고체, 기체 등 광범위하다. 때문에 피막화성처리나 도장을 할 때에는 금속표면에 부착된 오염물을 제거하고 표면 청정(Surface Cleaning)을 해야 한다. 소지의 재질, 형상, 처리목적에 따라서 각각 적당하게 기계적, 물리적, 화학적 방법에 의하여 표면을 청결하게 한다. 여기에는 먼저 탈지처리를 하고 다음 제청을 동시에 하는 방법도 있다.

피막 종류

도금

• 전기 도금 : 전기에너지를 이용하여 금속 또는 비금속 소지에 다른 금속의 피막을 만들어 주는 방법이며, 용도로서는 장식품, 공업용품 등 용도가 가장 넓다.
• 화학 도금 : 화학변화를 이용하여 금속 또는 비금속 표면에 다른 금속의 피막을 만들어 주는 방법이며, 용도로서는 플라스틱 제품, 금속제품의 일부위에 도금하는데 사용된다.
• 용융 도금(Dipping Plating) : 금속을 도금하고자 하는 금속의 용융체에 담가서 용융금속의 피막을 만들어주는 방법이며, 용도로서는 아연 및 주석 도금강판, 아연도 파이프 등에 이용된다.
• 진공 증착도금(Evaporation Deposition) : 금속 또는 비금속 표면에 다른 금속을 진공내에서 증발시켜 금속 피막을 만드는 방법으로서, 용도로서는 각종 플라스틱 장식품, 장신구, 렌즈 등에 사용된다.
• 침투 도금(확산도금) : 금속에 다른 금속을 확산침투 시켜서 합금의 피막을 만들어 주는 방법(Carburizing, Nitriding)이며, 용도로서는 내식 및 내열 등의 목적에 사용된다.
• 이온 도금(Ion Plating) : Glow 방전으로 금속이나 가스를 (+)로 이온화시키고, (-)로 가속하여 음극소지에 피막을 만드는 방법으로서 용도로서는 각종 금속, TiN, TiC등으로 내열, 내마모성 피막생성, 금색 코팅에 사용된다. 일반적으로 가장 많이 사용되는 피막으로 Ti금속과 N2 gas를 배합하여 금색상을 내기 때문에 금도금이나 습식도금대용으로 사용되는 피막으로 일반도금이나 습식 도금에 비하여 내부식성, 내마모성, 윤활성 등이 월등히 뛰어나다는 점에서 주로 장식이나 전자제품 등에 사용되고 있다.
• 음극 스퍼터링(Cathode Sputtering) : 진공 내 플라즈마 중에서 Ar＋이온(+)의 입자로 음극물질을 때림으로서, 음극물질이 튕겨 나온 것이 진공내의 피도금물체에 피막을 만들게 되는 원리이며, 용도로서는 전자, 자동차부품 등 금속 및 비금속위의 금속 피막을 만드는데 사용된다. 레코오드판, 전자, 자동차 부품, 박막 제조 등에 이용된다.
• 금속 용사(Thermal Spraying) : 금속 표면에 다른 용융금속을 분무기로 뿌려서 피막을 만들어 주는 방법이며 용도로서는 유류 탱크 및 탱크의 내부, 마모된 부분의 보수 등에 사용된다.

화성처리

• 인산염 피막 : 공구에 주로 이용하여, 방청, 도장 하지 처리, 마모 윤활 목적으로 인산염 사용하는 방법이다.
• 크로메이트 처리 : 아연 도금의 단점을 보완하기 위하여 표면에 Cr의 착화합물을 형성하여 내식, 색상, 광택의 성질을 얻기 위한 처리 방법이다.

양극 산화

양극산화는 양극(Anode)과 산화(Oxidizing)의 합성어(Ano-dizing)이다.

• 전기 화학적 산화 피막 : 알루미늄을 아노다이징 처리하면 육각형 모양으로 되어 산소가 더 이상 통과하지 못하며 필터의 기능도 가능하다. 금속(부품)을 양극에 걸고 희석-산의 액에서 전해하면, 양극에서 발생하는 산소에 의해서 소지금속과 대단한 밀착력을 갖인 산화피막(산화알미늄 : Al₂O₃)이 형성된다.

양극산화피막의 특성

• 피막은 치밀한 산화물로 내식성이 우수하다. 특히 시링 후 처리한 것은 일반의 대기 조건하에서나 염수분위기 하에서 내식 성능이 대단히 우수하다. 아노다이징에 의해 생성된 비정질 (아몰포스 : Amorphous) 의 산화알미늄 피막을 약산성의 뜨거운 물이나 끓는 탈이온수 혹은 고온의 중크롬산나트륨액 혹은 아세트산니켈의 액에서 시링하면 최대의 내식성을 발휘한다.
• 장식성 외관을 개선한다. 모든 양극산화피막은 광택이 나고 상대적으로 우수적으로 모양을 내서 장식효과를 낸 다음에 아노다이징을 마지막 공정으로 사용하고 있다. 양극피막의 광택 수준은 처리전 금속소재의 조건의 좌우된다. 무광택 에칭은 광택을 줄이고 화학이나 전해연마, 버프연마 등은 광택을 낸다. 즉 소지의 확산이나 반사에 따라 광택이 다르게 된다. 건축용도로 사용하는 알미늄은 대부분 아노다이징으로 마감한다.
• 양극피막은 상당히 단단하여 내마모성이 우수하다. 하드아노다이징(경질양극산화)는 두께가 25㎛～100㎛ 이상까지 두껍게 피막을 올릴 수 있다. 이들 피막은 산화알미늄의 고유경도로서 내마모성이 필요한 회전부품의 용도로 안성마춤이다. 모든 양극피막이 소재 재질보다 더 단단하지만 크롬산법이나 일부 황산법의 피막은 두께가 너무 엷고 물러서 내마모성에는 적합하지 않은 경우도 있다.
• 도장 밀착력의 향상 : 단단히 밀착되어 있는 양극피막은 모든 페인트 시스템에서 화학적으로 활성표면을 제공한다. 황산욕에서 처리한 양극피막은 무색으로 다음의 투명한 표면처리에 하지로 적당하다. 가혹한 부식환경하에서 사용하는 알미늄 부품을 도장하는 경우에는 도장전에 아노다이징을 전처리로 처리한다. 시링한 것은 내식성이 더 좋고 시링을 하지 않은 것은 도장의 밀착력이 더 좋다.
• 본딩 성능의 개선 : 인산법이나 크롬산법에 의한 엷은 양극피막은 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 윤활성능을 발휘할 수 있다.
• 장식목적의 특유한 색상을 낸다. 양극피막의 다양한 착색은 몇몇 방법으로 처리한다. 유기염료를 피막의 기공속에 흡착시켜 다양한 색상으로 착색한다. 또한 일부 무기 안료는 기공에 침전치켜 제한된 범위의 안정한 색상을 만들 수 있다. 자연 발색법의 아노다이징은 합금 조성에 따라 다르나 건축용도의 안정한 흙빛 색상의 착색에 적당하다. 전해 착색은 2차공정으로 일반의 아노다이징 처리후에 2차로 피막의 기공에 금속 안료를 전기적으로 석출시켜 안정된 색상을 얻는다. 건축에 많이 이용하며 특히 샤시에 많이 활용하고 있다.
• 도금의 전처리 : 일부의 양극피막은 고유의 다공성으로 전기도금을 할 수 있다. 일반적으로 도금전처리로 인산법 아노다이징을 처리한다.
• 표면손상의 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 양극피막을 오염시킨다.

참고자료

• 한국미스미, 〈표면처리 종류별 특징〉, 《네이버 블로그》, 2019-06-26
• yale8000 , 〈금속표면처리 종류〉, 《티스토리》, 2022-01-22
• 〈표면조정과 표면처리(피막처리)〉, 《페인트&도장대학》
• shinsung1997, 〈이온도금(이온도금의 피막 종류)〉, 《네이버 블로그》, 2009-02-14 〈아노다이징 / 피막 /경질피막〉, 《대양알루미늄공업》, 2014-02-06

같이 보기

• 가공

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