KR101353663B1 - 우수한 내식성을 갖는 마그네슘계 금속재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 우수한 내식성을 갖는 마그네슘계 금속재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일태양은 마그네슘 금속; 상기 마그네슘 금속의 표면에 형성된, 기공 또는 크랙을 갖는 산화막; 및 상기 산화막의 기공 또는 크랙에 충진된, 그래핀, 그라파이트 및 무기계 나노 입자로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 충진재를 포함하는 마그네슘계 금속재 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 기존 방법에 비하여 경제적인 프로세스를 이용하면서도 보다 치밀한 산화막이 형성되어 우수한 내식성을 확보할 수 있는 마그네슘 금속재를 제공할 수 있다.

Description

우수한 내식성을 갖는 마그네슘계 금속재 및 그 제조방법{MAGNESIUM-BASED METAL MATERIAL HAVING EXCELLENT CORROSION RESISTANCE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 우수한 내식성을 갖는 마그네슘계 금속재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
마그네슘은 전자파 차폐성, 방진성, 치수안정성, 절삭가공성 등에 우수한 특성을 가진 친환경적 소재이다. 상온에서 압연가공이 어려운 마그네슘은 최근 가공성 확보에 대한 문제점이 극복되면서 그 활용처가 증가되고 있다. 특히, 자동차, 항공 및 선박 소재의 경량화 추세에 따라 마그네슘이나 마그네슘합금의 개발이 주목받고 있다. 그러나, 기존의 마그네슘은 내식성이 취약하여 수분 및 염분에 의하여 부식이 가속화되어 내식성에 대해 심각한 문제점을 안고 있다.
내식성을 향상하기 위한 마그네슘 표면처리 기술로는 대표적으로 크로메이트 처리법, 화성처리법, 양극 산화법(anodizing), 플라즈마 전해질 산화법(plasma electrlyte oxidation, PEO) 등이 있다. 또한, 화성처리 기술은 공정이 까다롭고 품질이 낮다는 단점이 있다. 알루미늄 산화막 형성에 널리 사용되고 있는 아노다이징법은 마그네슘 표면에 산화막 형성시 치밀도가 떨어지며 기공이 생기는 문제점을 안고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 마그네슘 표면에 고전압을 걸어줌으로써 플라즈마를 발생시켜 보다 치밀한 산화막을 형성하는 플라즈마 전해질 산화법 기술이 제안되고 있다. 그러나, 플라즈마 전해질 산화법은 고전압을 요구하기 때문에 양산화에 어려움을 가지고 있을 뿐 아니라 균일한 산화막 형성이 어려워 산화막에 부식이 일어나는 문제점이 있다.
본 발명은 표면에 치밀한 산화막이 형성됨으로써 우수한 내식성을 확보할 수 있는 마그네슘 금속재를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일태양은 마그네슘 금속; 상기 마그네슘 금속의 표면에 형성된, 기공 또는 크랙을 갖는 산화막; 및 상기 산화막의 기공 또는 크랙에 충진된, 그래핀, 그라파이트 및 무기계 또는 금속계 나노 입자로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 충진재를 포함하는 마그네슘계 금속재를 제공한다.
본 발명의 다른 태양은 마그네슘 금속을 준비하는 단계; 아노다이징 또는 플라즈마 전해액 산화법을 이용하여 상기 마그네슘계 금속의 표면에 기공 또는 크랙을 갖는 산화막을 형성시키는 단계; 산화막이 형성된 상기 마그네슘계 금속을 그래핀, 그라파이트 및 무기계 또는 금속계 나노 입자로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 충진재를 포함하는 전해액에 침지시키는 단계; 및 상기 전해액에 전기장을 형성시켜 상기 기공 또는 크랙에 상기 충진재를 충진시키는 단계를 포함하는 마그네슘계 금속재의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 기존 방법에 비하여 경제적인 프로세스를 이용하면서도 보다 치밀한 산화막이 형성되어 우수한 내식성을 확보할 수 있는 마그네슘 금속재를 제공할 수 있다.
도 1은 산화막이 형성된 마그네슘계 금속재 표면의 미세조직 사진이며, (a)는 위에서 바라본 사진, (b)는 정면에서 바라본 사진이다.
도 2는 본 발명의 마그네슘계 금속재를 제조하기 위한 방법의 일 실시형태를 나타내는 순서도이다.
도 3은 표면에 기공 또는 크랙을 갖는 산화막이 형성된 마그네슘계 금속이 전해액 내에 위치하는 것을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 전해액에 형성된 전기장에 의해 산화막에 형성된 기공 또는 크랙 내로 충진재들이 충진되는 모습을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 5는 연속공정에 의해 마그네슘 금속의 표면에 치밀한 산화막이 형성되는 것을 나타내는 모식도이다.
앞서 언급한 바와 같이, 기존의 아노다이징법을 이용하여 마그네슘계 금속의 표면에 산화막을 형성시키는 방법은 산화막 형성 자체가 용이하지 않거나, 산화막이 치밀하지 못하여 내식성이 떨어지는 문제가 있다. 한편, 플라즈마 전해질 산화법을 이용하는 경우에는 치밀한 산화막을 형성하기 위해 고전압을 인가해야하며 처리속도에 있어서 효율이 떨어지는 단점을 안고 있다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 일 실시형태로 마그네슘 금속; 상기 마그네슘 금속의 표면에 형성된, 기공 또는 크랙을 갖는 산화막; 및 상기 산화막의 기공 또는 크랙에 충진된, 그래핀, 그라파이트 및 무기계 또는 금속계 나노 입자로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 충진재를 포함하는 마그네슘계 금속재를 제공한다.
이하, 본 발명을 설명한다.
본 발명에 적용될 수 있는 마그네슘계 금속은 마그네슘 단일 금속 또는 마그네슘 합금이 모두 적용될 수 있으며, 예를 들면, Mg, Mg-Al, Mg-Zn, Mg-Al-Zn 등이 있다. 이러한 마그네슘 금속은 일반적으로 아노다이징 또는 플라즈마 전해질 산화법을 이용하여 마그네슘계 금속의 표면에 산화막을 형성시킴으로써 내식성을 향상시키게 된다. 그러나, 상기 방법을 이용하여 산화막을 형성시키는 경우에는 도 1에 나타난 바와 같이, 산화막에 기공 또는 크랙이 발생하게 되며, 치밀하지 못한 산화막의 형성으로 인해 내식성이 떨어진다는 문제점이 있다.
즉, 본 발명에서는 산화막에 형성된 기공 또는 크랙 내부로 그래핀, 그라파이트 및 무기계 또는 금속계 나노 입자로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 충진재를 충진시킴으로써 마그네슘 금속의 내식성을 향상시킨다. 상기 그래핀은 강도 및 내식성 향상에 우수한 물질이며, 특히 그래핀은 탄소 원자로 이루어지며, 원자 1개의 두께로 이루어지는 얇은 막의 형태를 갖는 물질로서, 고강도를 확보하는데 매우 유용하며, 나아가 수소도 통과하지 못하는 높은 가스 배리어(gas barrier) 특성은 고내식성을 확보하는데 매우 유리하게 작용한다. 상기 무기계 또는 금속계 나노 입자 또한 고강도 및 고내식성을 확보하는데 유리하게 작용하며, 상기 그래핀 또는 그라파이트의 낮은 결합력을 보완해주는 역할 또한 수행한다. 특히, 금속계 나노 입자는 우수한 전기전도도를 가져 마그네슘계 금속재의 전기전도성을 향상시킬 수 있다. 상기 무기계 또는 금속계 나노 입자는 1㎛이하의 크기를 갖는 재료로서, 크랙 또는 기공에 충진되어 강도와 내식성을 향상시킬 수 있는 물질이라면 그 종류에 대해서 특별히 한정하지 않으며, 예를 들면 무기계로서는 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화규소 등이, 금속계로서는 전기전도도가 우수한 Cu, Ag, Au, Mg, Fe 등이 사용될 수 있다. 본 발명에서는 상기한 무기계 또는 금속계 나노 입자에서의 나노를 1㎛이하로 정의한다.
한편, 산화막에 형성되는 기공 또는 크랙은 그 크기가 크게는 ㎛의 단위를, 작게는 nm의 단위를 갖기 때문에, 상기 기공 또는 크랙 내에 충진되기 위해서는 상기 충진재의 평균입도가 1㎛이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 무기계 또는 금속계 나노 입자는 상기 기공 또는 크랙에 보다 용이하게 충진되기 위하여 500nm이하의 크기를 갖는 것이 보다 바람직하다. 한편, 상기 충진재는 미세할수록 충진이 활발히 진행될 수 있으므로, 그 하한에 대해서 특별히 한정하지 않는다.
이와 같이, 상기 기공 또는 크랙에 충진재들이 충진됨으로써, 치밀한 막을 형성시킬 수 있고, 결국, 내식성을 매우 우수한 수준으로 향상시킬 수 있다. 한편, 상기한 그래핀은 물리적 박리법, 화학적 박리법, 화학기상증착법, 에피텍시 등의 방법에 의해 생성될 수 있으며, 현재 대량 생산 방법으로서, 화학적 박리법이 이용되고 있다. 이를 통해 제조되는 그래핀은 용액 또는 분말(powder)의 형태를 가지며, 본 발명에서는 두 가지 형태의 그래핀이 모두 적용 가능하다.
상기와 같이 충진재가 충진되는 상기 산화막의 두께는 1~50㎛인 것이 바람직하다. 기존에는 치밀하지 않은 산화막의 형성으로 인하여 내식성이 떨어지는 문제점을 보완하기 위하여, 산화막을 두껍게 형성시켰다. 그러나, 본 발명에서는 치밀한 산화막의 형성이 가능하므로, 기존의 방법에 비하여 산화막의 두께를 감소시킬 수 있으며, 이를 통해 제조 비용의 절감 효과를 발현시킬 수 있다. 한편, 상기 산화막은 내식성 확보를 위해 1㎛이상의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 마그네슘계 금속재를 제조하기 위한 방법의 일 실시형태를 나타내는 순서도이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명 제조방법의 일 실시형태는 마그네슘 금속의 준비 단계(S1), 상기 마그네슘 금속의 표면 전처리 공정 단계(S2), 상기 마그네슘 금속의 표면에 산화막을 형성하는 단계(S3) 및 상기 산화막 내 형성된 기공 또는 크랙에 충진재를 충진하는 단계(S4)를 포함한다. 이하, 도 2를 참조하여, 본 발명의 마그네슘 금속재의 제조방법의 일례를 설명한다.
우선, 마그네슘 금속을 준비한 뒤, 상기 마그네슘 금속의 표면에 산화막을 형성시키기 전, 금속의 표면에 대하여 탈지 또는 린스 등과 같은 표면 전처리 공정을 행하는 것이 바람직하며, 상기 공정은 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용이 가능하다.
이후, 아노다이징 또는 플라즈마 전해질 산화법을 이용하여 상기 마그네슘 금속의 표면에 산화막을 형성시킨다. 아노다이징 또는 플라즈마 전해질 산화법으로는 통상의 방법을 이용할 수 있다. 다만, 상기 산화막 형성은 100V이하의 전압을 인가하여 행하여지는 것이 바람직하다. 통상의 플라즈마 전해질 산화법은 고전압을 걸어줌으로써 플라즈마를 발생시켜 산화막을 형성하는데, 이 경우, 양산화에 어려움을 가지고 있을 뿐 아니라 균일한 산화막 형성이 어려워 산화막에 부식이 일어나는 문제점이 있다. 물론, 본 발명에서는 고전압을 인가하여 산화막을 형성시켜도 무방하지만, 상기한 문제점들의 해결을 위해서 비교적 낮은 전압을 이용할 수도 있다. 한편, 상기 방법들을 통해 형성되는 산화막은 기공 또는 크랙이 발생한다.
상기와 같이 기공 또는 크랙을 갖는 산화막이 형성된 마그네슘계 금속을 그래핀, 그라파이트 및 무기계 또는 금속계 나노 입자로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 충진재를 포함된 전해액에 침지시킨다. 이 때, 전해액은 그 내부에 전하를 띤 입자가 생성될 수 있는 것이라면 그 종류에 대해 특별히 한정하지 않으며, 전하나 무기계 또는 금속계 나노 입자 등의 종류 등을 고려하여 적절하게 선택할 수 있다.
도 3은 표면에 기공 또는 크랙을 갖는 산화막이 형성된 마그네슘계 금속이 전해액 내에 위치하는 것을 모식적으로 나타낸 것이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 표면에 기공 또는 크랙을 갖는 산화막(3)이 형성된 마그네슘계 금속(1)이 그래핀 또는 그라파이트(5a)나 무기계 또는 금속계 나노 입자(5b)와 같은 충진재(5)들을 포함하는 전해액(9) 내에 침지되고, 이 때 상기 전해액(9) 내에는 다량의 전하를 띤 입자(7)가 형성된다. 이 전하를 띤 입자(7)는 시간이 흘러감에 따라 충진재에 주변에 위치하게 된다.
도 4는 전해액에 형성된 전기장에 의해 산화막에 형성된 기공 또는 크랙 내로 충진재들이 충진되는 모습을 모식적으로 나타낸 것이다. 도 4에 나타난 바와 같이, 상기 전해액에 전기장을 형성시키면, 전하를 띤 입자(7)들이 산화막(3)을 향하여 이동하게 되고, 이에 의해 상기 전하를 띤 입자(7)에 둘러쌓인 충진재(5)들 또한 산화막(3)에 형성된 기공 또는 크랙으로 충진된다. 전하를 띤 입자(7)의 이동 속도를 보다 높이기 위하여 전해액 내에 전기장을 형성시키는 것이 바람직하다. 상기 전기장 형성 방법에 대해서는 특별히 한정하는 바가 없으며, 본 발명에서는 다양한 방법을 이용하여 전해액내에 전기장을 형성시킬 수 있다. 다만, 본 발명에서는 저전압을 이용하여 마그네슘 금속에 치밀한 산화막이 형성되도록 함으로써 우수한 내식성을 확보하므로 100V이하의 전압을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 전기장 형성을 통해 충진재들을 기공 또는 크랙 내로 충진시키기 위해 전기영동법(Electrophoretic Deposition) 등과 같은 방법을 이용할 수 있다. 전해액 내에 존재하는 입자의 극성에 따라 즉, 음의 전하를 띠는지 양의 전하를 띠는지에 따라 마그네슘계 금속에 양극 또는 음극을 대전시킴으로써, 전자기력에 의해 충진재들이 충진되도록 한다. 보다 상세하게는, 전해액 내에 음의 전하를 띠는 입자가 존재하는 경우에는 금속이 양극을 갖도록 대전시키고, 양의 전하를 띠는 입자가 존재하는 경우에는 금속이 음극을 갖도록 대전시켜, 상기 전하를 띤 입자가 가속되어 마그네슘 금속의 표면에 형성된 기공 또는 크랙 내에 충진되도록 하는 것이다.
한편, 본 발명에서는 금속의 표면에 산화막을 형성하는 공정과 상기 금속을 전해액에 침지하여 충진재를 충진시키는 공정이 롤투롤(roll-to-roll)에 의해 연속적으로 행하여질 수 있어, 간단하면서도 경제적으로 금속의 표면에 치밀한 산화막을 형성할 수 있다.
도 5는 연속공정에 의해 마그네슘 금속의 표면에 치밀한 산화막이 형성되는 것을 나타내는 모식도이다. 도 5에 나타나는 바와 같이, 마그네슘 금속(1)은 롤에 의해 이동되고, 이 마그네슘 금속(1)은 아노다이징 또는 플라즈마 전해액 산화법에 의해 그 표면에 기공 또는 크랙을 갖는 산화막(3)이 형성된다. 이후, 연속적으로 충진재(5)와 전하를 띤 입자(7)가 존재하는 전해액(13) 내로 이동하게 된다. 이 때, 상기 전하를 띤 입자(7)가 음인지 양인지 고려하여 마그네슘 금속(1)에 양극 또는 음극을 대전시키고, 동시에 전해액(9) 내에 구비되는 그리드(11)에는 상기 전하를 띤 입자와 동일한 극성을 대전시킴으로써 상기 전해액(9) 내에 전기장을 형성시키게 되면, 전하를 띤 입자(7)는 가속화되어 상기 마그네슘 금속(1)의 표면에 형성된 산화막(3)의 기공 또는 크랙 내에 충진재(5)들이 충진된다. 이와 같은 공정을 통해 보다 간단하면서도 경제적으로 금속의 표면에 치밀한 산화막을 형성할 수 있다.
1 : 마그네슘계 금속
3 : 산화막
5 : 충진재
5a : 그래핀 또는 그라파이트
5b : 무기계 또는 금속계 나노 입자
7 : 전하를 띤 입자
9 : 전해액
11 : 그리드

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 마그네슘 금속을 준비하는 단계;
    아노다이징 또는 플라즈마 전해액 산화법을 이용하여 상기 마그네슘계 금속의 표면에 기공 또는 크랙을 갖는 산화막을 형성시키는 단계;
    산화막이 형성된 상기 마그네슘계 금속을 그래핀 또는 그라파이트와, 무기계 또는 금속계 나노 입자를 포함하는 충진재를 포함하는 전해액에 침지시키는 단계; 및
    상기 전해액에 전기장을 형성시켜 상기 기공 또는 크랙에 상기 충진재를 충진시키는 단계
    를 포함하며,
    상기 무기계 나노 입자는 산화알루미늄, 산화마그네슘계, 산화규소로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상이고,
    상기 금속계 나노 입자는 Cu, Ag, Au, Mg 및 Fe로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상이며,
    상기 전해액 내에는 전하를 띤 입자가 형성되고,
    상기 충진재를 충진시키는 단계는 100V이하의 전압을 인가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 금속재의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 산화막을 형성시키는 단계는 100V이하(0은 제외)의 전압을 인가하여 행하여지는 것을 포함하는 마그네슘계 금속재의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 산화막 형성 단계, 전해액 침지 단계 및 충진재 충진단계는 롤투롤(roll-to-roll)에 의해 연속적으로 행하여지는 마그네슘계 금속의 제조방법.
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