KR20130053115A - 고속 금속박 제조방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전주에 의한 금속박의 제조방법 및 장치에 관한 것으로서, 캐소드 전극으로 제공되며, 일 방향으로 수평 공급되는 가요성이고 전도성인 모판의 표면에 금속이온을 포함하는 전해액을 공급하는 전해액 공급 단계; 상기 모판의 일면 또는 양면에 이격되어 설치된 애노드 전극과 상기 모판의 작용에 의해 상기 전해액의 금속 이온이 상기 모판의 일면 또는 양면에 전해 석출되어 상기 모판 상에 전착층이 형성되는 전착단계; 및 상기 전착층을 상기 모판으로부터 박리하는 박리단계를 포함하는 금속박 제조방법 및 제조장치를 제공한다.

Description

고속 금속박 제조방법 및 장치{Method and Apparatus for Manufacturing Metal Foil}

본 발명은 고속으로 금속박을 제조하기 위한 제조방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 전주법(electorforming)을 이용하여 금속박을 연속적으로 제조할 수 있는 제조방법과 그 금속박 제조에 사용되는 제조장치에 관한 것이다.

일반적으로 금속박의 제조 방법으로는, 제선, 제강 및 연속 주조를 통하여 제작된 슬라브(slab)를 이용하여 압연함으로써 박막을 제조하는 압연법 또는 드럼 셀(drum cell)을 이용한 전주법을 통해 동박을 제조하는 방법이 주로 사용되고 있다.

가장 보편화된 방법인 압연법을 이용한 박판의 제조는 슬라브를 재가열하여 열간압연을 행함으로써 수 mm 수준의 두께를 갖는 금속박을 제조하고, 이와 같은 열간압연에 의해서 생산된 박판을 추가적인 냉간 압연에 의하여 두께 100㎛ 이하의 극박을 제조할 수 있다. 이와 같은 방법에 의해 금속 박판을 제조하는 방법에 대하여는 미국특허 제4948434호에 개시되어 있다. 상기 특허문헌에 따르면, 극박을 제조하기 위해서는 여러 차례의 냉간압연과 소둔공정을 거쳐야 하는데, 이 방법에서는 제조공정이 복잡하고, 이로 인해 공정에 많은 에너지와 시간이 소요되는 문제가 있으며, 일정한 형상을 유지하기가 곤란하며, 또, 두께 편차가 발생하고, 표면 거칠기가 일정하지 않음은 물론, 에지 크랙(edge crack)이 생성되는 등의 문제가 발생하여, 제조 원가가 높고, 광폭의 금속박 제조에 어려움이 있었다.

최근, 동박을 제조하기 위하여 전주법을 이용하여 금속박을 제조하는 방법 및 장치에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, 한국특허공개공보 제1999-0064747호 및 한국특허공개공보 제2004-0099972호에 전주법을 이용한 금속박판 제조방법과 전주법을 이용한 금속박판 제조를 위한 장치가 제안되어 있다. 이와 같이 전주법에 의해 금속박을 제조하는 방법은 단순한 공정을 거쳐 금속박을 생산할 수 있어 공정을 단순화시킬 수 있는 장점이 있다.

상기 특허문헌들에서는 드럼 셀을 이용한 금속박 제조 방법을 제시하고 있다. 이와 같은 드럼 셀을 이용하여 전주법에 의해 금속박을 제조하는 경우, 균일한 두께를 가지며, 일정한 표면 거칠기를 갖는 박막을 제조하기 위해서는 드럼 표면의 관리가 중요한데, 이를 위해서는 전체 공정의 운전을 중단시켜야 하는 문제가 있어 연속적으로 드럼 표면의 관리가 어렵다.

또, 박막 생산과 관련하여, 전해액에 침지되는 드럼 표면의 면적이 전착 속도를 결정하므로 전주에 사용되는 드럼의 크기에 따라 생산 속도가 제한되며, 거대한 드럼의 제공에 많은 비용이 소요되며, 따라서 드럼의 교체에 한계가 따르는 단점을 갖는다. 또한 생산 속도를 증가시키기 위하여서는 양극과 음극 사이에 전해액 유동속도를 증가시켜야 하지만 양극과 음극 사이의 형상이 곡률로 구성되어 있어 전해액 유동속도가 점차적으로 감소하는 한계점을 가지고 있다.

본 발명은 수평 셀을 적용하여 전주법에 의해 금속 박을 제조함으로써 금속 박의 생산성을 향상시킬 수 있는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 고속으로 전해액을 공급함과 동시에 모판의 상면 및 하면에 동시에 전착층을 형성함으로써 생산성을 향상시키고, 제조 비용을 절감할 수 있는 전주법을 이용한 금속박 제조 방법과 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 전착 가능한 모든 금속재료를 연속적인 공정에 의해 금속박을 제조할 수 있는 전주법을 이용한 금속박 제조방법과 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 1㎚~10㎛의 표면 거칠기를 갖는 모재의 표면을 전사하여 금속박의 표면 거칠기를 모판과 동일한 수준으로 제조할 수 있는 전주법을 이용한 금속박 제조방법과 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 금속박의 두께 조절을 쉽게 하여 1㎛~100㎛의 금속박을 제조할 수 있는 금속박 제조 방법과 장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 성분이 다른 다층 구조의 금속박을 제조할 수 있는 금속박 제조 방법과 장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 일 견지는 금속박 제조방법을 제공하며, 상기 방법은 컨덕트 롤과 접촉하는 전도성 모판이 캐소드 전극으로 작용하며, 일정한 방향으로 수평 공급되는 전도성 모판의 표면에 금속이온을 포함하는 전해액을 공급하는 전해액 공급 단계, 상기 모판의 양면에 이격되어 설치된 애노드 전극과 상기 모판의 작용에 의해 상기 전해액의 금속 이온이 전착되어 상기 모판 상에 금속층이 형성되는 전착단계, 상기 금속층을 상기 모판으로부터 박리하는 박리단계를 포함한다.

본 견지의 일 구현예에 따르면, 상기 박리된 금속박의 표면을 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또, 본 견지의 일 구현예에 따르면, 상기 박리된 금속박을 300-600℃에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 견지의 일 구현예에 따르면, 상기 박리된 금속박을 권취하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 예를 들어, 상기 금속박을 열처리한 후에 상기 금속박을 권취하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 견지의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 전도성 모판의 표면에 기계적 연마, 화학적 연마 또는 이들의 조합에 의해 표면거칠기를 부여하는 단계 및 임의적으로 모판을 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다.

나아가, 본 견지의 일 구현예에 따르면, 금속층이 박리된 모판을 세척하고 권취하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 견지의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 모판은 표면에 산화 피막이 형성된 금속 모판일 수 있으며, 예를 들어, 스테인리스 스틸 또는 타이타늄이며, 표면에 산화 피막이 형성되어 있는 것을 사용할 수 있다.

본 견지의 다른 구현예에 따르면, 상기 박리는 모판과 금속박의 전단응력 차 또는 이동속도 차에 의해 행해질 수 있다.

나아가, 본 견지의 다른 구현예에 따르면, 상기 전해액은 모판과 애노드 전극에 의해 형성되는 수평 통로를 통하여 모판의 이동방향과 동일한 방향, 반대방향 또는 동일 및 반대방향으로 이동할 수 있다.

또한, 본 견지의 다른 구현예에 있어서, 상기 전해액은 모판의 상하 양면에 대하여 서로 상이한 것일 수 있다.

본 견지의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 박리단계 전에 제2 전해액 공급단계 및 제2 전착단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 견지의 다른 구현예에 있어서, 상기 제2 전해액 공급단계에서 공급되는 전해액은 전해액 공급단계의 전해액과 상이한 것일 수 있으며, 상기 금속박은 2층 구조의 금속박이 얻어질 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 견지로서, 금속박 제조를 위한 수평 전주장치를 제공하며, 상기 수평 전주장치는 캐소드 전극으로 제공되는 전도성 모판을 일 방향으로 연속적으로 수평 공급하는 모판 공급수단; 상기 전도성 모판의 폭 방향 에지부와 접촉하여 전도성 모판을 이송시키면서 전도성 모판에 전류를 공급하는 컨덕트롤, 상기 수평 공급되는 전도성 모판의 상하에 이격되어 설치된 애노드 전극, 상기 수평 공급되는 전도성 모판과 상기 애노드 전극이 형성하는 수평 통로로 금속이온을 포함하는 전해액을 공급하는 전해액 공급 노즐, 및 상기 전해액 내의 금속이온이 상기 전도성 모판에 전착하여 금속박을 형성하도록 상기 전도성 모판 및 상기 애노드 전극에 전류를 공급하는 전류공급장치를 포함하는 수평 셀; 및 상기 전도성 모판에 전착된 금속박을 상기 전도성 모판으로부터 분리하는 박리수단을 포함하며, 상기 전해액이 상기 전도성 모판의 양면에 공급되어 전도성 모판의 양면에 금속이온이 전착되도록 구성될 수 있다.

본 견지의 다른 구현예에 있어서, 상기 수평 셀은 직렬로 복수 개 배치될 수 있으며, 본 견지의 또 다른 구현예에 있어서 상기 복수 개 배치된 수평 셀은 전해액에 포함된 금속이온이 서로 동일 또는 상이한 것일 수 있다.

또한, 본 견지의 다른 구현예에 있어서, 상기 전도성 모판 상에 전착된 금속박을 유도가열, 분위기 가열 또는 직접 가열 수단에 의해 열처리하는 열처리장치를 더욱 포함할 수 있다.

나아가, 본 견지의 또 다른 구현예로서, 상기 전도성 모판의 양면에 기계적 연마, 화학적 연마 또는 이들의 조합에 의해 표면거칠기를 부여하는 연마장치 및 임의적으로 모판을 세척하는 세척장치를 더 포함할 수 있다.

더 나아가, 본 견지의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 박리수단은 전도성 모판과 금속박의 전단응력 차를 부여하는 복수의 롤러일 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 고속으로 금속박을 제조할 수 있다.

또, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상하면에 표면 거칠기가 우수하고 균일한 조성과 두께를 가지는 금속박을 고속으로 생산할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 연속 공정을 통해 금속박의 두께를 조절할 수 있으며, 또는 다층 구조의 금속박을 생산할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 이종의 금속 박을 동시에 생산할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 금속박 제조 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 금속박 제조 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 복수의 수평 셀이 배치된 수평 전주장치의 일예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 금속박의 제조 공정을 나타내는 개략적 순서도이다.

본 발명은 수평 셀 전주장치 및 전주 장치에 대하여 수평으로 공급되는 모판 상에 금속을 전착함으로써 금속박을 얻는 방법을 제공한다. 이하, 본 발명의 각 구현예를 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 전주에 의한 금속박 제조방법은 수평으로 공급되는 모판 표면에 전해액을 공급하여 금속박을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 모판 상에 전해액을 공급하는 단계; 모판 상에 금속층을 전착하는 단계 및 상기 전착된 금속층을 박리하는 단계를 포함한다.

전주에 의해 금속박을 형성함에 있어서, 상기 금속박 형성을 위해 사용할 수 있는 모판으로는 가요성이고 전도성을 갖는 것이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 스테인리스, 타이타늄 등을 적용할 수 있다. 이와 같은 모판은 그 표면에 산화 피막이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 본 발명은 금속박을 얻고자 하는 것으로서, 모판 상에 전착에 의해 형성되는 금속박이 모판과 견고한 결합을 갖는 경우, 그 금속박을 모판으로부터 분리하는 것이 용이하지 않으므로, 모판 상에는 산화 피막이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 모판 상의 산화 피막에 의해, 모판 상에 금속박이 전착되더라도 모판 표면에 대한 부착력이 약하기 때문에 모판으로부터 금속박을 용이하게 박리시킬 수 있다.

필요에 따라 상기 모판의 표면은 일정한 표면 거칠기를 갖는 것일 수 있다. 이와 같은 일정한 표면 거칠기를 부여하기 위해 모판의 표면을 연마하는 단계를 거칠 수 있다. 이와 같이 모판의 표면에 표면 거칠기를 부여하는 경우, 전착에 의해 얻어지는 금속박은 모판에 형성된 표면거칠기가 그대로 전사되어 얻어지는 금속박에 대하여도 일정한 표면거칠기를 부여할 수 있다. 상기 모판의 연마는 모판의 양면 모두에 대하여 전주가 가능하므로, 모판의 양면에 대하여 연마를 통해 표면 거칠기를 부여할 수 있다.

상기 모판의 표면에 표면거칠기를 부여하기 위해서는 특별히 한정하지 않으며, 본 기술분야에서 알려져 있는 적절한 기계적, 화학적 또는 기계 화학적 연마수단을 적용할 수 있다. 예를 들어, 폴리싱과 같은 기계적 연마, 에칭과 같은 화학적 연마, 반도체 공정에서 주로 사용되는 CMP 방법과 같은 기계 화학적 연마 등을 들 수 있다. 전주를 이용한 금속박 제조에 있어서, 금속박의 품질은 표면거칠기에 의해 상당 부분 좌우되는 경향을 보인다. 예를 들어, 모판에 전착되는 전착층은 모판의 표면거칠기를 전사하는데, 얻어진 금속박의 표면 거칠기가 불량한 부위에서는 전기적 단락이 발생하여 모판의 표면거칠기를 손상시키고, 전착층의 분균일 및 표면 불량을 야기할 우려가 있다. 이때, 모판에 대한 표면거칠기는 얻어지는 금속박의 사용용도에 따라 적절하게 조절할 수 있는 것으로서, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 디스플레이 기기의 기판용 소재의 용도로 사용하는 경우에는 통상 4㎚ 이하, 솔라 셀의 기판용 소재의 용도로 사용하는 경우에는 40㎚ 이하의 표면거칠기를 갖도록 모판 표면을 연마할 수 있다.

이와 같이 모판 표면을 연마하는 경우에는 표면이 균일한 금속박을 얻기 위해 경우에 따라 모판 표면에 잔존하는 연마재, 연마액 또는 연마찌꺼기 등을 모판 표면으로부터 제거할 필요가 있는바, 모판 표면을 세척하는 단계를 포함할 수 있다. 이와 같은 모판 표면의 세척은 특별히 한정하지 않는 것으로서, 산성용액 및 물을 이용하여 제거할 수 있다. 그 후에, 고압 공기, 고온가스를 분사하거나 또는 모판을 가열함으로써 모판을 건조할 수 있다.

상기와 같은 모판은 전주 셀 내로 연속적으로 공급하며, 일정한 방향으로 공급한다. 여기서 상기 '전주 셀'이라 함은 모판 상에 전해액이 공급되어 금속 이온이 전해 석출반응에 의해 모판 표면에 전착되어 금속층을 형성하는 반응이 일어나는 단위 전지라 정의할 수 있다. 그리고 '일정한 방향'이란 모판이 전주 셀 내로 공급된 후, 적어도 상기 수평 셀을 빠져나올 때까지 모판의 진행방향이 변화됨이 없이 일 방향성으로 진행하는 것을 의미하는 것이다. 이와 같은 모판의 진행 방향을 본 명세서에서는 경우에 따라서는 '수평방향' 또는 단순히 '수평'이라고 표현되기도 하며, 나아가, 모판이 전주 셀을 수평방향으로 진행하여 전해액 내의 금속 이온이 모판에 전해 석출되는 것을 나타내기 위해 상기 전주 셀을 '수평 셀'이라고도 표현된다.

모판의 연속적 공급을 위해 상기 모판은 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 코일 형태로 권취되어 있는 모판을 수평 셀 내로 공급할 수 있으며, 나아가, 이러한 모판이 모두 공급되는 경우에는 다른 코일 형태로 권취되어 있는 모판을 앞서 공급된 모판에 이어서 연속적으로 공급할 수 있다. 이때, 필요에 따라서는 앞선 모판의 후단과 뒤따르는 모판의 선단을 용접 등과 같은 소정의 접합수단에 의해 접합하여 연속적으로 공급할 수 있다. 나아가, 용이하게 접합하기 위해 접합되는 각각의 말단을 적당한 형상으로 가공할 수도 있다.

상기 모판은 모판의 폭 방향 에지부와 접촉하여 모판을 수평 셀 내로 이송시키는 한 쌍의 컨덕트 롤에 의해 수평 셀 내로 수평방향으로 공급된다. 이때, 상기 수평 셀 내로 공급된 모판의 어느 한 면에 전해액을 공급하여 일면 전주를 행할 수 있음은 물론, 양면 모두에 전해액을 공급함으로써 모판의 양면에 대해 금속을 전해 석출시킴으로써 금속박의 생산속도를 증대시킬 수 있다.

상기와 같이 수평 셀 내로 모판이 공급되면, 모판의 일면 또는 양면에 전해액 공급 노즐을 통해 전해액을 공급하고, 모판과 애노드 전극에 의해 형성된 수평 유로를 통해 전해액이 이동하면서 캐소드 전극의 역할을 하는 모판과 애노드 전극에 의한 전해 석출에 의해 금속 이온이 모판의 표면에 석출되어 금속층을 형성한다. 상기 전해액 내에 포함되는 금속 이온은 전주가 가능한 것이라면 특별히 한정하지 않으며, 예를 들어, Cu, Fe, Ni, Zn, Cr, Co, Ag, Pd, Al, Sn 또는 이들의 합금 등을 들 수 있다.

종래의 드럼형 전주 셀의 경우에는 캐소드로 제공되는 모판 형상이 드럼 형상으로 곡률을 가져 전해액의 유로 역시 곡률을 형성하며, 이로 인해 전해액의 유속이 점차적으로 느려짐으로 인해 전착 속도의 저하를 초래하고, 또 얻어지는 금속박의 두께가 불균일하게 되는 문제점을 가지고 있다. 나아가, 드럼 표면의 산화막 형성이나 또는 드럼 표면에 대한 표면거칠기를 부여하는 경우, 이러한 과정에서 전해액 내에 불순물이 유입되는 결과를 초래하여, 전해액 관리가 용이하지 않은 문제가 있다.

그러나, 본 발명에서와 같이 수평 셀을 이용하는 경우, 수평 셀의 경우 수평으로 형성된 유로를 가지므로 전해액의 유동 속도가 감소되는 현상 없이 전해액을 고속으로 공급할 수 있어 금속이온의 전착속도를 증가시킬 수 있다. 전해액의 공급 속도(Re, 레이놀즈 수)는 최대 5,000으로 공급할 수 있으며, 모판의 진행 속도에 따라 상대속도를 적절하게 증가 또는 감소시킬 수 있다. 또한, 전착 반응의 상태에 따라 전해액을 층류(물줄기가 흔들림이 없이 일직선으로 공급되는 유체의 유동으로, 직진성을 가짐)의 유동속도로 공급할 수도 있으며, 안정적인 전착반응이 형성된 후에는 고속의 난류(물줄기가 좌우로 흔들리면서 공급되는 유체의 유동) 유동속도로 공급할 수 있다. 초기 전착시 전해액의 유동장 속도를 크게 하면 전착층의 박리가 발생하여 전착이 실패할 수 있으며, 전착층이 수 마이크로 수준으로 성장하게 되면 전착층에 발생한 응력으로 밀착성이 향상되어 고속의 유동장을 사용할 수 있는 것이다. 한편, 고속의 유동장을 사용할 때 제한되는 유체 공급속도 영역은 전착층과 모판 사이의 표면 장력을 넘어선 유동속도 이하로 공급하는 것이 바람직하며, 전착층과 모판 사이의 표면 장력을 넘어선 유동속도로 전해액을 공급하면 전해액의 공급으로 인한 유동장과 전착층 사이의 전단응력이 전착층과 모판 사이의 표면장력을 초과하여 전착층의 박리가 발생할 수 있다.

상기 전해액은 전해액을 수용하는 전해조로부터 노즐을 통하여 모판의 표면에 공급되는데, 이와 같은 전해액은 모판 진행방향에 대하여 동일한 방향 및 반대 방향으로 공급될 수 있다. 이와 같이 함으로써 모판 표면에의 금속 성분의 전착 속도를 더욱 높일 수 있다.

한편, 필요에 따라 전착에 사용된 전해액은 다시 전해액 저장조로 회수할 수 있다. 이때, 회수되는 전해액은 금속 이온이 전착에 소모됨으로 인해 전해액 저장조 내의 금속이온 농도가 전착을 위해 요구되는 농도보다 낮아질 것이므로, 적절하게 금속이온을 보충함으로써 소정 농도로 조절할 수 있을 것이다.

상기와 같은 수평 셀을 통한 전착과정은 연속적으로 복수 회 수행할 수 있다. 이와 같이 수평 셀을 통한 전착과정을 복수 회 수행하는 경우, 각각의 수평 셀에서 전착이 수행됨으로써 얻어지는 금속박의 두께를 증가시킬 수 있어, 금속박의 두께를 필요에 따라 제어할 수 있으며, 모판을 보다 고속으로 공급하더라도 원하는 두께를 갖는 금속박을 얻을 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다. 나아가, 수평 셀 별로 상이한 전해액을 공급하여 전착시킬 수도 있다. 이로 인해, 복수의 층을 갖는 금속박을 얻을 수도 있어 금속박에 다양한 기능을 부여할 수 있다.

한편, 상기 모판상에 전착된 금속박에는 표면에 전해액이 잔류할 수 있으므로, 금속박의 표면을 세척하는 것이 바람직하다. 이러한 세척에는 산성용액과 물을 이용하여 세척할 수 있으며, 나아가, 잔류 전해액을 효과적으로 제거하기 위하여 유연한 브러쉬(brush) 등을 사용할 수도 있다. 이와 같은 세척은 모판 상에 금속이 전착되어 전착층이 형성된 상태에서 수행할 수도 있으나, 금속박을 모판으로부터 분리한 후에 세척을 행할 수도 있다. 이후에 금속박 표면을 고압 공기 또는 고온 가스를 분사하거나 또는 가열 등의 방법에 의해 금속박을 건조할 수 있다.

상기 전착된 금속층을 모판으로부터 분리함으로써 금속박을 얻는 단계를 포함한다. 모판으로부터 금속층을 분리하는 데에는 모판과 금속층과의 전단응력의 차이를 이용하여 분리할 수 있다. 모판 상에 전착되어 형성된 금속층은 산화 피막을 가지는 모판에 대하여 표면 장력으로 결합되어 있기 때문에, 이에 의해 용이하게 분리할 수 있다. 이와 같은 전단응력 차이에 의한 금속층의 분리는 복수의 롤러를 통과시킴으로써 수행할 수 있다. 나아가, 금속박의 이동 속도와 모판의 이동속도 차이를 발생시켜 전단력을 생성하여 분리할 수 있다. 한편 모판의 양면에 대하여 전착을 행한 경우에는 상부와 하부의 금속박을 동시에 분리할 수도 있으며, 또는 시간차를 주어 분리할 수도 있다.

전주에 의하여 형성된 금속박은 나노 구조를 가지고 있는데, 얻어진 금속박에 대하여 목표하는 미세 조직을 확보하기 위해 적절한 열처리를 수행할 수 있다. 전주에 의하여 형성된 금속박은 사용되는 용도에 따라 작업 공정 온도가 다양한데, 예를 들어, Fe 등의 금속박의 경우 300~600℃에서 비정상 결정립 성장이 발생하여 금속박의 나노 구조 미세조직이 마이크로 구조의 조직으로 변화를 초래하게 된다. 이와 같은 비정상 결정립의 성장에 의한 미세 조직의 변화는 금속박을 적용하여 목적으로 하는 제품을 제조하는 공정 중에 제품에 대한 불량을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 금속박에 전자회로 등이 형성된 경우에는 고온의 공정 중에 그 회로의 박리 또는 단선을 야기할 수 있다. 따라서, 비정상 결정립 성장을 야기하는 온도 영역에서 얻어진 금속박이 사용되는 경우에는, 사전에 금속박을 열처리하여 미리 마이크로 구조의 미세조직으로 변화시킴으로써 공정 중에 미세조직이 변화하는 것을 미연에 방지하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 열처리 조건은 목적으로 하는 미세조직에 따라 달라질 수 있는 것으로서 특별히 한정하지 않으나, 300~600℃의 온도에서 열처리하는 것이 바람직하다. 이때, 열처리시 표면의 산화를 방지하기 위하여 질소, 아르곤 등의 불활성 가스 분위기를 사용하는 것이 바람직하며, 열처리 방법으로는 유도가열, 직접가열, 접촉가열을 사용할 수 있다.

이와 같이 하여 얻어진 금속박은 권취하여 얻을 수 있는데, 권취량에 따라 적절히 절단할 수 있다. 나아가, 상기 금속층이 분리된 모판 또한 권취하여, 모판으로서 재사용될 수 있다. 다만, 분리된 모판에는 전착과정에서의 전해액이나 기타 불순물이 존재할 수 있는바, 세척 후 건조하여 모판의 표면이 청정한 상태를 유지하는 것이 바람직하다. 나아가, 모판의 연속적 공급을 위해 모판을 접합한 경우에는 모판의 권취량에 따라 적절한 길이로 절단할 수 있으며, 이때, 접합부위를 기준으로 절단하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 일 견지에 따른 수평 전주장치에 대하여 도 1 또는 도 2를 참조하여 설명한다. 도 1 및 도 2는 각각 본 발명의 일 구현예에 따른 수평 전주장치의 일례를 나타내는 개략적인 장치도이다.

상기 수평 전주장치(100)는 모판 공급장치(10), 수평 셀(30), 전해액 공급장치 및 금속박 분리장치(51)를 포함한다.

상기 모판 공급장치(10)는 모판(11)을 공급하기 위해 권취기를 포함할 수 있다. 모판(11)의 연속적인 공급을 위해 상기 권취기는 복수 개 설치될 수 있으며, 하나의 권취기에서 모판(11)이 소진되는 경우에 다른 권취기에서 새로운 모판(11)을 공급할 수 있다. 이러한 모판(11)은 연속적인 공급을 위해, 미리 제공된 모판(11)의 말단과 다음에 제공될 모판(11)의 선단을 접합하기 위해 용접과 같은 접합수단(12)을 포함할 수 있다.

나아가, 모판(11)에 전착되는 전착층은 모판(11)의 표면 거칠기를 전사하므로, 모판(11)의 표면 거칠기가 얻어지는 금속박에도 거의 동일하게 표현된다. 따라서, 모판(11)에 적절한 표면거칠기를 부여하기 위한 연마수단(13)을 포함할 수 있다. 이와 같은 연마수단(13)은 특별히 한정하지 않는 것으로서, 폴리싱과 같은 기계적 연마, 에칭과 같은 화학적 연마, 반도체 공정에서 주로 사용되는 CMP 방법과 같은 기계화학적 연마를 들 수 있다. 상기 화학적 연마, 기계적 연마 및 화학기계적 연마수단은 어느 하나를 단독으로 사용하여도 좋고, 이들을 조합하여 사용하여도 좋다.

이와 같이 모판(11)을 연마하는 경우에는 연마를 위해 모판(11) 표면에 연마재나 모재 찌꺼기 등의 불순물이 존재할 수 있으므로, 이의 제거를 위한 세척이 필요할 수 있으며, 따라서, 전 세척장치(14)를 포함할 수 있다. 이와 같은 모판(11) 표면의 세척은 희석한 염산 또는 황산과 같은 산성용액 및 물을 사용할 수 있다. 나아가, 모판(11)의 건조를 위한 건조장치(미도시)를 더욱 포함할 수 있다. 건조는 공기를 고압으로 가하거나 또는 고온의 가스를 가함으로써 수행할 수 있으며, 또는 모판을 가열함으로써 수행할 수도 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 수평 전주장치(100)는 상기 모판 공급장치(10)와는 분리되어 있는 수평 셀(30)을 포함한다. 종래의 드럼을 이용한 전주 장치의 경우, 드럼 표면에 표면 거칠기를 부여하기 위해 연마시 발생한 이물질이 전해액에 혼입되어 전해액을 오염시키는 문제가 있었으나, 상기와 같이 수평 셀(30)이 모판 공급장치(10)와 분리됨으로 인해, 이와 같은 문제점을 방지할 수 있다.

상기 수평 셀(30)은, 모판(11)의 이송과 캐소드 전원의 연결 기능을 하는 컨덕트 롤(conduct roll)(31), 상기 모판(11)과 일정한 간격으로 이격되고, 모판(11)의 일면 또는 양면에 배치되는 애노드 전극(32), 상기 컨덕트 롤(31)과 애노드 전극(32)에 각각 (-) 전하 및 (+) 전하를 띄는 전류를 공급하는 전류 공급장치(33) 및 전해반응을 위해 전해액을 수용하는 전해액 공급장치를 포함한다.

상기 컨덕트 롤(31)은 모판을 수평 셀(30) 내로 이송시키고, 또 수평 셀(30)로부터 배출시키는 이송수단으로서 기능을 하면서, 모판(11)과 전류 공급장치(33)의 캐소드 전원을 연결하여 애노드 전극(32)과 모판(11)과의 전해반응에 의해 금속이온이 모판에 석출되도록 하는 전해 석출반응을 수행한다. 이러한 컨덕트 롤(31)은 모판(11)의 폭 방향에 대한 양 가장자리와 접촉하여 모판(11)을 수평 셀(30) 내로 이송시키며, 또 수평 셀(30)로부터 배출시킨다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 모판(11)은 가요성인 전도성 모판을 사용하므로, 수평 셀(30)을 통과할 때 자중에 의해 쳐짐 현상이 발생할 수 있는데, 이 경우 모판(31)과 애노드 전극(32)과의 간격이 변화하여 전류밀도 차이를 유발할 수 있는바, 균일한 두께의 금속박이 얻어지지 않을 수 있다. 따라서, 모판(11)의 쳐짐을 방지하기 위해서 입구측 컨덕트 롤과 출구측 컨덕트 롤의 회전속도를 달리하여, 즉, 출구측 컨덕트 롤의 회전속도를 입구측 컨덕트 롤의 회전속도보다 빠르게 하여 모판의 자중에 의한 쳐짐 현상을 방지하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 컨덕트 롤(31)은 전류 공급장치(33)로부터 공급된 전류를 모판(11)에 전달하여, 모판(11)이 캐소드 전극으로 기능할 수 있도록 함으로써 애노드 전극(32)과의 작용에 의해 전해 석출반응이 일어나도록 할 수 있다.

상기 애노드 전극(32)은 수평 셀(30)을 통과하는 모판(11)과 일정한 간격을 이격되어 배치된다. 상기 애노드 전극(32)과 모판(11)이 이격됨으로써 그 사이로 전해액이 공급되어 유통되는 유로로 제공되며, 상기한 바와 같이 캐소드 전극인 모판(11)과의 작용에 의해 전해액 내의 금속이온을 모판에 전해 석출시키는 전해반응이 일어날 수 있다. 전해액이 고속으로 공급되는 경우, 모판(11) 표면으로의 금속 이온의 전착속도를 증가시킬 수 있는데, 종래의 드럼 셀을 이용한 전주의 경우에는 유로가 곡률을 형성하여 전해액의 유속을 점차 느리게 하여 전착 속도 저하를 초래하는 문제가 있었다. 그러나, 상기와 같이 전해액의 유로가 평면으로 형성됨으로써 전해액의 공급에 대한 유동장의 속도 저하를 최소화할 수 있어 전착 속도를 증가시킬 수 있어 바람직하다.

이러한 애노드 전극(32)은 모판(11)의 양면에 금속의 전해 석출 반응이 일어나도록 하기 위해 모판(11)의 상하 양면에 설치될 수 있다. 이와 같이 함으로써 금속박의 생산량을 높일 수 있다.

한편, 상기 전류 공급장치(33)는 컨덕트 롤(31)과 애노드 전극(32)에 각각 (-)전류와 (+) 전류를 공급하는 것으로서, 일반적으로 적용될 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 본 발명에서도 적용될 수 있는 것으로서, 여기서는 구체적인 설명은 생략한다.

상기 전해액 공급장치는 전해액을 저장 및 수용하는 전해액 저장조(34)와 전해액을 모판(11) 표면에 공급하는 전해액 공급노즐(38)을 포함하며, 전해액 공급관을 통해 상기 전해액 저장조(34)로부터 전해액 공급노즐(38)로 이동된다. 상기 전해액 공급노즐(38)은 모판(11)의 일면에만 공급되도록 설치될 수 있으며, 모판(11)의 양면에 전해액을 공급할 수 있도록 양면에 설치될 수도 있다.

한편, 전해액 저장조(34)는 전해액의 가열을 위한 전해액 가열기(35), 전해액에 포함된 슬러지 등의 불순물을 제거하기 위한 전해액 여과기(36), 전해액을 수평 셀에 공급하기 위한 전해액 펌프(37) 등을 더욱 포함할 수 있다.

나아가, 모판(11)에 공급된 전해액이 모판(11)의 중심부에 비하여 폭 방향으로의 양 가장자리에는 경우에 따라 전류밀도가 상대적으로 낮아질 수 있는데, 이 경우, 모판(11) 상에 전해 석출되는 전착량이 적어져 금속박의 두께가 상대적으로 얇아지게 되어, 전체적으로 균일한 두께를 갖는 금속박이 얻어지지 않을 수 있다. 이 경우, 얻어진 금속박을 모판(11)으로부터 분리하는 경우, 금속박이 가장자리에서 찢어져 불량이 발생될 우려가 있고, 또, 모판(11)으로부터 분리된 금속박을 균일한 두께를 갖도록 하기 위해 두께가 얇은 가장자리를 절단하는 후처리 공정이 필요하게 된다. 따라서, 미리 가장자리 부분에 금속의 석출을 방지하여 두께 편차를 억제할 필요가 있으며, 이를 위해 모판의 가장자리에 전해액이 공급되지 않도록 에지 마스크(edge mask)(미도시)를 설치할 수 있다. 이와 같은 에지 마스크를 설치함으로써 모판(11)의 가장자리에 두께가 얇은 금속박의 생성을 억제함은 물론, 가장자리에 전착을 방지하여 모판(11)에 컨덕트 롤(31)이 연속적으로 전류를 공급할 수 있다.

상기 전해액 공급 노즐(38)은 모판(11)과 애노드 전극(32)이 형성하는 수평 통로를 통하여 전해액을 고속으로 공급한다. 이때, 전해액은 전해액 공급 노즐(38)을 중심으로 모판(11)의 진행방향과 동일한 방향 및 반대방향으로 전해액이 공급되도록 설치될 수 있다. 이와 같이 함으로써 실질적으로 2회 전착시키는 효과를 얻을 수 있다. 즉, 반대 방향으로 공급된 전해액은 모판(11)과의 상대속도 차에 의해 전해액이 모판(11)과 접촉하는 시간이 짧은 상대적으로 적은 량이 전착되는 1차 전착의 효과를 얻을 수 있고, 동일한 방향으로의 공급에 의해 전해액이 보다 긴 시간 동안 모판(11)과 접촉하여 1차 전착에 비하여 상대적으로 많은 량이 전착되는 2차 전착의 효과를 얻을 수 있다.

상기와 같은 수평 셀(30)은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 모판(11) 진행방향으로 직렬로 복수 개 설치될 수 있다. 복수 개의 수평 셀(30)이 설치되더라도 모판(11) 진행방향으로 직렬로 배치됨으로써 이동 중에 모판(11)으로부터 전착층이 박리되는 문제가 발생하지 않는다.

예를 들어, 제1 수평 셀(30) 및 제2 수평 셀(130)을 설치하고, 제1 수평 셀(30)에서 모판(11) 상에 금속을 전착하고, 제2 수평 셀(130)에서 제1 수평 셀(30)과 동일한 전해액을 공급하여 모판(11) 상에 전착된 전착층 상에 추가로 전착층을 전착할 수 있다. 이와 같이 복수 개의 수평 셀을 설치함으로써 하나의 셀을 통한 전착량을 적게 하면서 보다 고속으로 모판을 진행시키더라도 모판(11) 상에 원하는 두께의 전착층을 형성할 수 있어, 금속박의 생산성을 향상시킬 수 있다.

다른 예로서, 제1 수평 셀(30) 및 제2 수평 셀(130)을 설치하고, 제1 수평 셀(30)에서 제1 전해액을 공급하여 모판 상에 제1 전착층을 전착하고, 제2 수평 셀(130)에 제1 수평 셀(30)과는 상이한 제2 전해액을 공급하여 상기 제1 전착층 위에 제2 전착층을 전착시킬 수 있다. 이와 같이 복수 개의 수평 셀을 설치함으로써 상이한 금속이 복수의 층으로 형성된 금속박을 얻을 수 있어, 다양한 기능을 금속박에 부여할 수 있다.

상기와 같이 하여 전착층이 형성된 모판(11)을 출구측 컨덕트 롤을 통해 배출되며, 배출된 후에는 금속박 분리장치(51)에 의해 모판(11)으로부터 금속박(50)을 분리한다. 상기 금속박(50)은 표면에 산화 피막이 형성되어 있는 모판(11) 상에 표면 장력에 의해 결합되어 있으므로 금속박(50)과 모판(11)의 전단력 차이에 의해 분리할 수 있다. 따라서, 상기 금속박 분리장치(51)는 모판(11)으로부터 금속박(50)을 분리하기 위한 전단응력을 부여할 수 있는 것이 바람직하며, 예를 들어, 다수 개의 롤러를 설치할 수 있다. 또한, 생성된 전단력으로 분리한 것이 바람직하다. 또한 금속박(50)과 모판(11)의 이동속도 차이를 발생시켜 상부와 하부의 금속박(50)을 동시 또는 시간차를 주어 분리하는 것이 바람직하다.

상기 금속박(50)을 모판(11)으로부터 분리한 후에는 금속박(50) 및 모판(11)을 권취하는 금속박 권취장치(55) 및 모판 권취장치(72)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 실린더 형상의 권취기에 감을 수 있다. 상기 권취기에의 권취량에 따라 적당 양으로 권취하고, 절단한 후 다른 권취기에 감을 수 있다. 상기 절단을 위해 필요에 따라 금속박 절단 장치(54) 및 모판 절단 장치(71)를 포함할 수 있으며, 모판(11)의 접착부위에서 절단하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 수평 전주장치(100)는 필요에 따라 수평 셀(30)로부터 배출된 후 금속박(50)을 분리하기 전 또는 분리한 후에 필요에 따라 금속박의 후처리 장치를 설치할 수 있다. 이와 같은 후처리 장치로는 후 세척장치(52) 및 건조장치(미도시), 열처리 장치(53) 등을 들 수 있다.

상기 세척장치(52)는 금속박(50)의 표면에 존재할 수 있는 전해액 및 이물질을 산성용액 및 물을 이용하여 제거하는 장치로서, 고압 스프레이 등의 통상의 장치를 사용할 수 있다. 나아가, 이와 같은 세척 후에, 금속박(50) 표면에 존재하는 수분을 제거하기 위해 공기를 고압으로 분사하거나 또는 고온 가스를 분사하는 분사수단일 수 있으며, 또는 가열에 의해 건조하는 가열수단일 수 있다.

나아가, 전착에 의하여 형성된 금속박(50)은 미세 조직의 나노 구조를 가지고 있는데, 목표하는 미세 조직을 확보하기 위해 상기 열처리 수단(53)을 포함한다. 금속박(50)의 열처리는 350~600℃의 온도를 사용하며 열처리시 표면의 산화를 방지하기 위하여 질소, 아르곤 가스 분위기를 사용하는 것이 바람직하며, 열처리 방법으로는 유도가열, 직접가열, 접촉가열을 사용할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 각 구현예에 따른 전주법에 의한 금속박 제조방법 및 수평 전주장치에 대하여 설명하였으나, 이러한 방법 및 장치는 이들 구현예에 의한 것으로 한정되는 것이 아니며, 이를 적절하게 변경할 수 있음을 본 발명이 속하는 분야의 기술자라면 이해할 수 있을 것이다.

10: 모판 공급장치 11: 모판
12: 접합 수단 13: 연마 수단
14: 전 세척 장치 30: 수평 셀
31: 컨덕트 롤 32: 애노드 전극
33: 전류 공급 장치 34: 전해액 저장조
35: 전해액 가열기 36: 전해액 여과기
37: 전해액 펌프 38: 전해액 노즐
50: 금속박 51: 박리 롤
52: 후 세척장치 53: 열처리 장치
54: 금속박 절단 장치 55: 금속박 권취 장치
71: 모판 절단 장치 72: 모판 권취 장치
100: 수평 전주장치

Claims (21)

1. 캐소드 전극으로 제공되며, 일 방향으로 수평 공급되는 가요성이고 전도성인 모판의 표면에 금속이온을 포함하는 전해액을 공급하는 전해액 공급 단계;
   상기 모판의 일면 또는 양면에 이격되어 설치된 애노드 전극과 상기 모판의 작용에 의해 상기 전해액의 금속 이온이 상기 모판의 일면 또는 양면에 전해 석출되어 상기 모판 상에 전착층이 형성되는 전착단계;및
   상기 전착층을 상기 모판으로부터 박리하는 박리단계를 포함하는 금속박 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 모판은 일면 또는 양면에 산화 피막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 금속박 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 모판은 스테인리스 스틸, 타이타늄의 재질이며, 일면 또는 양면에 산화 피막이 형성되어 있는 것임을 특징으로 하는 금속박 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 박리된 금속박의 표면을 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속박 제조방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 박리된 금속박을 300~600℃에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속박 제조방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 모판의 일면 또는 양면에 기계적 연마, 화학적 연마 또는 이들의 조합에 의해 표면거칠기를 부여하는 단계 및 선택적으로 상기 연마된 모판을 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속박 제조방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 전해액은 모판과 애노드 전극에 의해 형성되는 수평 통로를 통하여 모판의 이동방향과 동일한 방향 및 반대방향으로 공급되는 것임을 특징으로 하는 금속박 제조방법.
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 박리된 금속박을 권취하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속박 제조방법.
9. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속박이 박리된 모판을 세척하고 권취하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속박 제조방법.
10. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 박리단계 전에 제2 전해액 공급단계 및 제2 전착단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속박 제조방법.
11. 제 10항에 있어서, 상기 제2 전해액 공급단계에서 공급되는 전해액은 전해액 공급단계의 전해액과 상이한 것임을 특징으로 하는 금속박 제조방법.
12. 제 11항에 있어서, 상기 금속박은 2층 구조의 금속박인 것을 특징으로 하는 금속박 제조방법.
13. 캐소드 전극으로 제공되는 가요성이고 전도성인 모판을 일 방향으로 연속적으로 수평 공급하는 모판 공급수단;
    상기 모판의 폭 방향 에지부와 접촉하여 모판을 이송시키면서 모판에 전류를 공급하는 컨덕트롤, 상기 모판의 일면 또는 양면에 이격되어 설치된 애노드 전극, 상기 모판과 상기 애노드 전극이 형성하는 수평 통로로 금속이온을 포함하는 전해액을 공급하는 전해액 공급 장치, 및 상기 모판의 일면 또는 양면에 금속이온의 전해 석출을 위해 상기 컨덕트 롤 및 상기 애노드 전극에 전류를 공급하는 전류공급장치를 포함하는 수평 셀; 및
    상기 모판의 일면 또는 양면에 전착된 금속박을 상기 전도성 모판으로부터 분리하는 박리수단을 포함하는 수평 전주장치.
14. 제 13항에 있어서, 상기 모판 공급수단은 모판의 일면 또는 양면에 표면거칠기를 부여하는 화학적, 기계적, 또는 화학기계적 연마수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 전주장치.
15. 제 13항에 있어서, 상기 모판 공급수단은 모판의 연속적 공급을 위한 접합수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 전주장치.
16. 제 13항에 있어서, 상기 수평 셀은 모판의 폭 방향 가장자리에 금속 이온의 전해석출을 방지하기 위한 에지 마스크가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 수평 전주장치.
17. 제 13항에 있어서, 상기 전해액 공급장치는 상기 모판의 일면 또는 양면에 전해액을 공급하는 전해액 공급노즐을 포함하되, 상기 전해액 공급노즐은 모판의 진행방향과 동일한 방향 및 반대방향으로 공급하는 것을 특징으로 하는 수평 전주장치.
18. 제 13항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수평 셀은 모판 진행방향을 따라 직렬로 복수 개 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 전주장치.
19. 제 18항에 있어서, 상기 복수 개의 수평 셀은 전해액에 포함된 금속이온이 서로 동일 또는 상이한 것을 특징으로 하는 수평 전주장치.
20. 제 13항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모판 상에 전착된 금속박을 유도 가열, 분위기 가열 또는 직접 가열에 의해 열처리하는 열처리 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 전주장치.
21. 제 13항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 박리수단은 전도성 모판과 금속박의 전단응력 차를 부여하는 다수의 롤러인 것을 특징으로 하는 수평 전주장치.

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