전기도금
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1. 개요
전기도금은 1805년 이탈리아 화학자 루이지 발렌티노 브루냐텔리에 의해 발명된 금속 표면 처리 기술이다. 볼타 전지를 이용하여 최초의 전착을 수행했으며, 이후 영국과 러시아에서 독자적으로 발전하여 인쇄기 판에 구리 전기도금하는 데 사용되었다. 전기도금은 보리스 야코비에 의해 전기주조 기술과 함께 개발되었으며, 19세기에는 발전기의 발명으로 대량 생산이 가능해졌다. 20세기에는 두 차례의 세계 대전과 항공 산업의 발전에 따라 다양한 도금 공정이 개발되었으며, 현재는 부식 방지, 외관 개선, 기계적 특성 향상 등 다양한 목적으로 활용된다. 전기도금은 전해액을 사용하여 금속 이온을 음극에 전착시키는 방식으로 진행되며, 스트라이크, 펄스 전기도금, 브러시 전기도금, 배럴 도금 등 다양한 공정 기술이 존재한다. 전기도금의 품질은 부품의 청결도, 전류 밀도, 투척력 등 여러 요인에 의해 영향을 받으며, 무전해 도금, 침지 도금, 스퍼터링 등 전기도금을 대체하는 기술도 존재한다.
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| 전기도금 | |
|---|---|
| 개요 | |
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| 정의 | 전해액 속에서 전류를 사용하여 금속 표면에 다른 금속의 얇은 막을 입히는 표면 처리 기술 |
| 목적 | 부식 방지 내마모성 향상 장식적 효과 전기 전도성 향상 기타 특성 부여 |
| 원리 | |
| 기본 원리 | 전해액 속에서 도금할 금속을 음극(-)으로, 도금될 금속을 양극(+)으로 연결 전류가 흐르면 양극에서 금속 이온이 용해되어 전해액 속으로 이동 금속 이온은 음극으로 이동하여 전자와 결합하여 금속으로 석출, 음극 표면에 얇은 막 형성 |
| 주요 과정 | 전처리: 도금할 표면을 세척, 탈지, 산세척하여 불순물 제거 도금: 전해액 속에서 전류를 흘려 금속을 석출 후처리: 필요에 따라 크로메이트 처리, 건조, 연마 등의 추가 처리 |
| 방법 | |
| 도금 방법 | 배럴 도금: 작은 부품을 한 번에 대량으로 도금하는 방법 랙 도금: 복잡한 형상의 부품을 고정하여 도금하는 방법 연속 도금: 코일이나 와이어와 같은 연속적인 소재를 도금하는 방법 무전해 도금: 외부 전원 없이 화학 반응을 이용하여 도금하는 방법 |
| 도금 종류 | 니켈 도금: 내식성, 내마모성 향상 크롬 도금: 경도 향상, 장식적 효과 아연 도금: 철강의 부식 방지 금 도금: 전기 전도성 향상, 장식적 효과 은 도금: 전기 전도성 향상, 장식적 효과 구리 도금: 접착력 향상, 전기 전도성 향상 |
| 응용 분야 | |
| 산업 분야 | 자동차 산업: 부품의 내식성 및 내마모성 향상, 장식적 효과 전자 산업: 회로 기판, 커넥터 등의 전기 전도성 향상, 부식 방지 건설 산업: 건축 자재의 부식 방지, 장식적 효과 항공우주 산업: 부품의 내식성 및 내마모성 향상 보석 산업: 장식적 효과 |
| 장점 및 단점 | |
| 장점 | 다양한 금속에 적용 가능 비교적 저렴한 비용으로 표면 특성 개선 가능 대량 생산에 적합 |
| 단점 | 전해액의 유해성 및 폐수 처리 문제 발생 가능 도금층의 두께 및 균일성 제어 어려움 복잡한 형상의 부품에는 도금 균일도 저하 가능성 |
| 관련 기술 | |
| 관련 기술 | 전해 연마: 전기도금의 역반응을 이용, 금속 표면을 매끄럽게 하는 기술 화학 연마: 화학 용액을 사용하여 금속 표면을 매끄럽게 하는 기술 양극 산화: 금속 표면에 산화피막을 형성하여 내식성 향상 |
| 환경 및 안전 | |
| 환경 문제 | 전해액에 포함된 유해 물질 (시안화물, 중금속 등)로 인한 환경 오염 가능성 폐수 처리 과정에서 발생하는 슬러지 처리 문제 |
| 안전 문제 | 전해액에 포함된 유해 물질과의 접촉으로 인한 건강 문제 발생 가능성 작업 환경에서의 안전 사고 발생 가능성 |
| 해결 방안 | 친환경 전해액 사용 폐수 처리 시스템 구축 작업 환경 안전 관리 강화 |
| 기타 | |
| 참고 자료 | Electropolishing FAQ Throwing Power in Chromium Plating Pollution Prevention Technology Profile Trivalent Chromium Replacements for Hexavalent Chromium Plating |
2. 역사
전기도금의 역사는 19세기 초로 거슬러 올라간다.
1930년대의 연구는 바그다드 배터리와 유사한 장치를 사용하여 파르티아 제국에서 전기도금이 수행되었을 것이라는 이론을 제시했지만, 이는 이후 반박되었다. 해당 물품들은 수은을 사용하여 화염 도금된 것이었다.[16]
전기화학 과학이 발전함에 따라 전기도금과의 관계가 이해되었고, 장식이 아닌 다른 유형의 금속 전기도금이 개발되었다. 니켈, 황동, 주석, 아연의 상업적 전기도금은 1850년대에 개발되었다. 엘킹턴의 특허를 기반으로 한 전기도금조와 장비는 수많은 대규모 물체의 도금과 특정 제조 및 엔지니어링 응용 분야를 수용하도록 확장되었다.
19세기 후반, 발전기의 발명으로 도금 산업은 큰 발전을 이루었다.
2. 1. 초기 역사
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전기도금은 1805년 이탈리아 화학자 루이지 발렌티노 브루냐텔리(Luigi Valentino Brugnatelli)가 발명했다. 브루냐텔리는 5년 전 동료 알레산드로 볼타(Alessandro Volta)가 발명한 볼타 전지를 이용하여 최초의 전착을 수행했다.[17] 브루냐텔리의 발명은 프랑스 과학 아카데미에 의해 억압되었고, 그 후 30년 동안 일반 산업에 사용되지 않았다.
1839년까지 영국과 러시아의 과학자들은 브루냐텔리와 유사한 금속 증착 공정을 독자적으로 고안하여 인쇄기 판에 구리 전기도금을 했다.
러시아의 보리스 야코비(Boris Jacobi)는 전기주조를 재발견했을 뿐만 아니라 전기주조와 전기주조 조각을 개발했다. 전기주조는 러시아에서 빠르게 유행했으며, 발명가 페테르 바그라치오니(Peter Bagration), 과학자 하인리히 렌츠(Heinrich Lenz), 공상 과학 소설 작가 블라디미르 오도예프스키(Vladimir Odoyevsky) 등이 기술 개발에 기여했다. 19세기 중반 러시아에서 전기도금 사용의 가장 주목할 만한 사례 중에는 상트페테르부르크 이삭 성당의 거대한 전기주조 조각과 모스크바 구세주 그리스도 대성당의 금도금 돔(세계에서 세 번째로 높은 정교회 교회)이 있다.[17]
곧 영국의 버밍햄에 있는 존 라이트(John Wright)는 시안화칼륨이 금과 은 전기도금에 적합한 전해질이라는 것을 발견했다. 라이트의 동료인 조지 엘킹턴(George Elkington)과 헨리 엘킹턴(Henry Elkington)은 1840년에 전기도금에 대한 최초의 특허를 받았다. 이 두 사람은 버밍햄에서 전기도금 산업을 설립했고, 그곳에서 전 세계로 확산되었다. 현재 버밍햄 과학 박물관(Thinktank, Birmingham Science Museum)에 있는 1844년의 울리치 발전기는 산업에서 사용된 최초의 발전기이다.[18] 엘킹턴사에서 사용되었다.[19][20][21]
함부르크의 노르트도이체 아피네리(Norddeutsche Affinerie)는 1876년 생산을 시작한 최초의 현대식 전기도금 공장이었다.[22]
2. 2. 19세기 발전
1839년, 영국과 러시아의 과학자들이 독자적으로 인쇄기 판에 구리 전기도금을 적용하는 공정을 개발했다.[17] 영국의 존 라이트(John Wright)는 시안화칼륨이 금과 은 전기도금에 적합한 전해질임을 발견했다. 1840년, 존 라이트와 조지 리처즈 엘킨턴(George Richards Elkington), 헨리 엘킹턴(Henry Elkington)은 전기도금에 대한 최초의 특허를 획득했다.[18] 이들은 버밍햄에서 전기도금 산업을 시작하여 전 세계로 확산시켰다. 1876년 함부르크의 노르트도이체 아피네리(Norddeutsche Affinerie)가 최초의 현대식 전기도금 공장으로 생산을 시작했다.[22]러시아에서는 보리스 야코비(Boris Jacobi)가 전기주조를 재발견하고 전기주조와 전기주조 조각을 개발했다.[17] 상트페테르부르크의 이삭 성당의 거대한 전기주조 조각과 모스크바 구세주 그리스도 대성당의 금도금 돔은 19세기 중반 러시아에서 전기도금 기술의 발전을 보여주는 대표적인 사례이다.[17]
2. 3. 20세기 이후
발전기의 발명으로 전기도금 산업은 크게 발전했다. 더 높은 전류를 사용할 수 있게 되면서 부식 방지, 내마모성 향상, 더 나은 외관이 필요한 금속 기계 부품, 하드웨어 및 자동차 부품을 대량으로 처리할 수 있게 되었다.두 차례의 세계 대전과 성장하는 항공 산업은 경질 크롬 도금, 청동 합금 도금, 설파메이트 니켈 도금 및 기타 여러 도금 공정의 발전을 촉진했다. 도금 장비는 수동으로 작동되는 타르로 안감 처리된 목재 탱크에서 시간당 수천 킬로그램의 부품을 처리할 수 있는 자동 장비로 발전했다.
미국의 물리학자 리처드 파인만은 플라스틱에 금속을 전기도금하는 기술을 개발했다.[23]
3. 전기도금 공정
전기도금에는 일반적으로 단일 금속 원소를 사용하지만, 황동이나 납땜과 같은 합금도 전착할 수 있다. 도금된 "합금"은 엄밀히 말하면 합금이 아니라, 도금되는 원소 금속의 미세한 결정이다. 도금된 납땜의 경우, 주석과 납이 결합하여 진정한 합금을 형성하도록 녹이기도 한다. 진정한 합금은 도금된 혼합물보다 내식성이 더 우수하다.
많은 도금조에는 침착시킬 금속의 시안화물 외에 다른 금속의 시안화물(예: 시안화칼륨)이 포함되어 있다. 이러한 유리 시안화물은 양극 부식을 촉진하고, 일정한 금속 이온 수준을 유지하며, 전도도에 기여한다. 또한, 전도도를 높이기 위해 탄산염 및 인산염과 같은 비금속 화학 물질을 첨가할 수 있다.
기판의 특정 영역에 도금을 원하지 않는 경우, 용액이 기판과 접촉하는 것을 방지하기 위해 도금 방지제를 사용한다. 도금 방지제로는 테이프, 호일, 래커, 왁스 등이 있다.[5]
전류 밀도(단위 면적당 전류)는 도금 속도와 품질에 큰 영향을 미친다. 전류 밀도가 높으면 도금 속도가 빨라지지만, 너무 빠르면 접착성이 나빠지고 품질이 저하될 수 있다.[27] 도금 대상 물체의 형상에 따라 각 부분의 전류 밀도가 다를 수 있으며, 일반적으로 돌출된 부분일수록 전류 밀도가 높다. 이러한 문제를 해결하기 위해 양극을 여러 개 설치하거나 특수한 형태의 양극을 사용하기도 한다.[27]
3. 1. 기본 원리
전해 도금조의 전해액에는 도금할 금속의 양이온(양이온)이 포함되어 있어야 한다. 이러한 양이온은 음극에서 환원되어 0가 상태의 금속이 된다. 예를 들어, 구리 전기도금의 전해액은 황산구리(II) 용액이 될 수 있으며, 이는 Cu2+ 양이온과 음이온으로 해리된다. 음극에서 Cu2+는 두 개의 전자를 얻어 금속 구리로 환원된다.양극이 음극에 코팅할 금속으로 만들어지면 양극에서 반대 반응이 일어나 용해된 양이온이 될 수 있다. 예를 들어, 구리는 양극에서 두 개의 전자를 잃어 Cu2+로 산화된다. 이 경우, 양극이 용해되는 속도는 음극이 도금되는 속도와 같아지므로 전해조의 이온은 양극에 의해 지속적으로 보충된다. 그 결과, 금속이 양극에서 음극으로 효과적으로 이동한다.
양극은 대신 납이나 탄소와 같이 전기화학적 산화에 저항하는 재료로 만들 수 있다. 그러면 대신 양극에서 산소, 과산화수소 및 기타 부산물이 생성된다. 이 경우, 용액에서 제거됨에 따라 도금할 금속의 이온을 용액에 (지속적 또는 주기적으로) 보충해야 한다.[4]
어떤 기법에서는, 도금하고자 하는 물질을 양극으로 사용한다. 이것들을 전해액이라고 불리는 용액 등에 담근다. 전류를 양극에 공급하여, 양극을 형성하고 있는 금속 원자를 산화시켜 전해액에 녹여낸다. 음극에서는, 전해액에 용해된 금속 이온이 전해액과 음극이 접하는 면에서 환원되어 음극의 표면에 도금된다. 이와 같이 하여, 도금하고자 하는 물질이 양극으로부터 전해조 내부로 지속적으로 보급된다.[24]
또 다른 기법으로, 용해되지 않는 양극을 사용하는 전기도금법도 있다. 이 경우, 도금하고자 하는 물질을 전해조 내부로 보급할 필요가 있다.[25]
3. 2. 스트라이크 (Strike)
스트라이크는 기판에 대한 우수한 접착력과 고품질의 매우 얇은(일반적으로 0.1μm 미만) 도금층을 형성하기 위한 초기 도금 공정이다. 이는 후속 도금 공정의 기초 역할을 한다. 스트라이크는 높은 전류 밀도와 낮은 이온 농도의 도금액을 사용한다. 이 공정은 느리기 때문에 원하는 스트라이크 두께를 얻으면 더 효율적인 도금 공정을 사용한다.[4]스트라이크 방법은 서로 다른 금속의 도금을 할 때도 사용된다. 부식 저항성을 향상시키기 위해 특정 종류의 도금을 금속에 하는 것이 바람직하지만, 이 금속이 기판에 대한 접착력이 본질적으로 좋지 않은 경우, 두 금속 모두와 호환되는 스트라이크를 먼저 증착할 수 있다. 예를 들어 아연(Zinc) 합금에 전해 니켈(Nickel)을 도금할 때 접착력이 좋지 않은데, 이 경우 구리 스트라이크를 사용하면 두 금속 모두에 대한 우수한 접착력을 얻을 수 있다.[4] strike영어 도금은 매우 얇은 도금(두께 0.1μm 이하)을 실시함으로써, 그 이후의 도금층이 고품질로 형성되게 한다. 스트라이크 도금에는 높은 전류 밀도와 낮은 이온 농도의 전해조를 사용한다. 필요한 두께까지 도금이 완료되면, 일반적인 도금법으로 이행한다.
서로 다른 금속의 도금을 조합하는 경우에도 스트라이크 도금을 사용한다. 내식성을 강화하기 위해 특정 금속을 도금하고자 하는데, 기반이 되는 재질과의 접착력이 약한 경우, 양쪽 모두와 상성이 좋은 금속으로 스트라이크 도금을 실시하는 경우가 있다. 예를 들어, 아연 합금에 니켈을 도금하려고 해도 접착성이 약하기 때문에, 구리를 스트라이크 도금한 후 니켈 도금을 실시한다.[25]
3. 3. 펄스 전기도금 (Pulse Electroplating)
일반적으로 평평한 직류 전류로 도금을 하지만, 전류를 반복해서 중단하는 기법도 있다. 이것을 "펄스 도금"법이라고 하며, 고전류밀도를 사용하면서도 품질을 저하시키지 않는다는 특징이 있다.[1]3. 4. 브러시 전기도금 (Brush Electroplating)
브러시 전기도금은 도금 용액으로 포화된 브러시를 사용하여 국부적인 영역이나 전체 제품을 도금하는 방법이다. 브러시는 일반적으 로 흡수성 천 재질로 감싼 흑연 본체로 되어 있으며, 도금 용액을 유지하고 도금할 제품과의 직접적인 접촉을 방지한다. 저전압 및 3~4암페어 직류 전원의 양극에 브러시를 연결하고, 도금할 제품(음극)은 접지한다. 작업자는 브러시를 도금 용액에 담근 다음 제품에 바르고, 브러시를 계속 움직여 도금 재료가 고르게 분포되도록 한다.브러시 전기도금은 다음과 같은 장점이 있다.
- 휴대성이 좋다.
- 탱크 도금이 불가능한 제품에도 적용할 수 있다. (예: 건물 복원에서 매우 큰 장식용 지지대 기둥의 일부 도금)
- 마스킹 요구 사항이 적거나 없다.
- 도금 용액 소모량이 적다.
주로 부품 수리, 마모된 베어링 표면에 니켈이나 은을 증착하는 데 산업적으로 사용된다. 기술 발전으로 최대 약 0.06cm(약 0.64mm)의 증착이 달성되었고 균일성이 유지되었다.
반면 탱크 도금과 비교하면 다음과 같은 단점이 있다.
붓 도금법(brush electroplating)은 브러시 전기도금과 밀접하게 관련된 공정이다. 붓 도금법은 도금 금속 이온을 포함한 전해액을 적신 붓으로 도금 대상 물체의 일부 또는 전체에 도금을 하는 방식이다. 붓은 일반적으로 스테인리스강 전극 본체에 섬유성 소재를 감싼 형태로, 전극이 도금 대상 물체에 직접 닿지 않도록 하고 섬유에 전해액을 유지하는 역할을 한다. 붓은 저전압 전원의 양극에 연결하고, 도금 대상 물체는 음극에 연결한다. 붓을 전해액에 적셔 도금 대상 물체에 바르듯이 움직여 도금이 고르게 형성되도록 한다. 붓은 양극으로 작용하지만, 붓 본체는 도금 금속을 포함하지 않는 경우가 많다. 다만, 전해액의 수명을 연장하기 위해 도금 금속을 붓에 사용하는 경우도 있다.
붓 도금법은 다음과 같은 장점이 있다.
- 장치가 소형화될 수 있다. (전해조를 둘 공간이 없어도 전기도금이 가능하여 건축물의 일부에 도금하는 등의 용도가 있다)
- 도금 방지제가 거의 필요 없다.
- 전해액 소모량이 적다.
반면, 단점으로는 작업자의 기술에 좌우되는 점과 두꺼운 도금층을 형성할 수 없다는 점이 있다.[2]
3. 5. 배럴 도금 (Barrel Plating)
배럴 도금은 소형 부품을 대량으로 처리하는 데 사용되는 전기도금 기법으로, 산업 현장에서 널리 쓰인다. 비전도성 재질로 만들어진 배럴 모양 용기에 부품을 넣고, 도금할 금속 이온이 들어있는 화학 용액에 담근다. 이후 배럴을 회전시키면서 전류를 흘려보내면, 배럴 안의 부품들이 서로 접촉하면서 전기가 통해 도금이 이루어진다. 이 방법은 매우 균일하고 효율적으로 도금할 수 있지만, 부품끼리 마찰이 발생하여 표면이 손상될 수 있다. 따라서 고급 장식품이나 정밀 가공이 필요한 부품에는 적합하지 않다.[7]3. 6. 부분 도금
도금 대상 물체의 일부분에 도금을 하고 싶지 않은 경우, 도금 방지제를 사용하여 그 부분에 전해액이 접촉하지 않도록 한다. 도금 방지제로는 감광성 수지, 테이프, 호일, 래커, 밀랍 등이 있다.[26]3. 7. 전류 밀도
전류 밀도(단위 면적당 전류)는 도금의 진행 속도와 도금 품질에 큰 영향을 미친다. 전류 밀도가 높으면 도금 형성 속도가 빨라지지만, 너무 빠르면 접착성이 나빠지고 품질도 저하된다.[27] 또한, 도금 대상 물체의 형상에 따라 각 부분의 전류 밀도는 다르다. 일반적으로 바깥쪽으로 돌출된 부분일수록 전류 밀도가 높다. 도금 금속이 물체의 튀어나온 부분이나 모서리에 쏠리는 현상을 해결하기 위해, 양극을 여러 개 설치하거나 물체의 형상을 본뜬 특수한 양극을 사용하기도 한다.[27]3. 8. PR 도금 (주기적 역전류 도금)
전기도금에서 전류를 주기적으로 역전시켜 도금이 두꺼운 부분에서 금속을 전해액으로 다시 돌려보내는 기법이다. 이렇게 하면 돌출된 부분의 도금을 너무 두껍게 하지 않고, 오목한 부분에도 도금할 수 있다. 이는 표면이 거친 부품이거나 거울면 마감이 필요한 경우에도 공통적으로 적용된다.[26] PR 도금법에서는, 역전 전류 밀도는 일반적으로 정상 전류 밀도의 3배로 하고, 역전 펄스 폭은 일반적으로 펄스 폭의 1/4 미만으로 한다.4. 전기도금의 특성 및 효과
전기도금은 공작물의 화학적, 물리적, 기계적 특성을 변화시킨다. 화학적 변화의 예로는 니켈 도금이 부식 저항성을 향상시키는 경우가 있다.[15][28] 물리적 변화의 예는 외관의 변화이다. 기계적 변화의 예로는 인장강도 또는 표면 경도의 변화가 있는데, 이는 공구 산업에서 필요한 속성이다.[15][28] 산성 금을 기반으로 구리 또는 니켈 도금 회로에 전기도금하면 접촉 저항과 표면 경도가 감소한다. 온화한 강철의 구리 도금 부분은 해당 부분의 침탄을 원하지 않는 경우 마스크 역할을 한다. 주석 도금 강철은 주석의 산화로 인한 표면의 흐릿함을 방지하기 위해 크롬 도금을 한다.
5. 도금액 및 청결도
도금액의 청결도는 전기도금의 성공에 필수적이다. 오일과 같은 분자층은 코팅의 부착을 방해할 수 있기 때문이다. ASTM B322는 전기도금 전 금속 세척을 위한 표준 지침이다. 세척에는 용매 세척, 고온 알칼리 세척제 세척, 전해 세척, 초음파 세척, 산 처리가 포함된다.
가장 일반적인 산업용 청결도 시험은 물끊김 시험(waterbreak test)이다. 이 시험은 표면을 완전히 헹구고 수직으로 놓은 후, 물이 구슬처럼 맺히는지 확인한다. 오일과 같은 소수성 오염물질은 물방울을 만들어 표면에서 빠르게 배수되게 한다. 반면, 완벽하게 깨끗한 금속 표면은 친수성을 띠어 물이 끊어지지 않고 얇은 막을 형성한다. ASTM F22는 이 시험의 한 버전을 설명한다. 이 시험은 친수성 오염물질을 감지하지 못하지만, 전기도금 용액이 수성이기 때문에 이러한 오염물질은 쉽게 제거된다. 계면활성제와 같은 비누는 시험의 민감도를 낮추므로 사용 후에는 완전히 헹구어야 한다.
5. 1. 청결도
청결도는 전기도금의 성공에 필수적이다. 왜냐하면 오일 분자층이 코팅의 부착을 방해할 수 있기 때문이다. ASTM B322는 전기도금 전 금속 세척을 위한 표준 지침이다. 세척에는 용매 세척, 고온 알칼리 세척제 세척, 전해 세척, 초음파 세척 및 산 처리가 포함된다. 가장 일반적인 산업용 청결도 시험은 물끊김 시험(waterbreak test)으로, 표면을 완전히 헹구고 수직으로 놓는다. 오일과 같은 소수성 오염물질은 물이 구슬처럼 맺히고 끊어지게 하여 물이 빠르게 배수되도록 한다. 완벽하게 깨끗한 금속 표면은 친수성이며, 구슬처럼 맺히거나 배수되지 않는 끊어지지 않은 물막을 유지한다. ASTM F22는 이 시험의 한 버전을 설명한다. 이 시험은 친수성 오염물질을 감지하지 못하지만, 용액이 수성이기 때문에 전기도금은 이러한 오염물질을 쉽게 제거할 수 있다. 계면활성제와 같은 비누는 시험의 민감도를 낮추므로 완전히 헹구어내야 한다.6. 전기도금 시험 및 특성 분석
전기도금에서 도금의 품질과 특성을 평가하기 위해 다양한 시험 및 분석 방법이 사용된다.
투척력 (Throwing Power)도금력(또는 거시 도금력)은 전기도금 전류가 얼마나 균일하게 분포되는지를 나타내는 중요한 지표이다. 이는 양극 근처와 먼 영역에서 도금되는 금속 두께의 균일성을 결정하며, 주로 전기도금 용액의 조성과 온도에 영향을 받는다.[2] 미시 도금력은 스루홀과 같이 작은 틈을 채우는 능력을 의미한다.[8]
도금력은 무차원 바그너 수로 나타낼 수 있다. 바그너 수는 운동 저항과 옴 저항의 비율을 나타내며, 이 값이 높을수록 균일한 도금이 이루어진다. 바그너 수는 도금되는 물체의 크기를 줄이거나, 전류 밀도를 낮추거나, 전하 이동 계수를 낮추는 화학 물질을 첨가하거나, 용액 전도도를 높여서 개선할 수 있다. 수소 발생은 전류 밀도를 높여 전기도금의 균일성을 향상시킬 수 있지만, 수소 기포 등으로 인해 효과가 상쇄될 수 있다.[9]
바그너 수는 측정하기 어렵기 때문에, 실제로는 Haring-Blum 셀과 같은 표준 셀을 사용하여 실험적으로 얻는 다른 관련 매개변수를 대신 사용한다. Haring-Blum 셀에서 L = 5이고 도금 두께 비율이 M = 6이면, Haring-Blum 도금력은 -20%이다.[8] Heatley 도금력과 Field 도금력도 사용된다.[10]
Haring–Blum cellHaring–Blum 전지는 도금액의 거시적 분포능을 측정하는 데 사용된다. 이 전지는 중앙에 고정된 양극과 두 개의 평행한 음극으로 구성되며, 음극은 양극으로부터 1:5 비율로 거리를 두고 위치한다. 직류를 일정 시간 동안 흘려보낸 후 두 음극에 형성된 도금 두께를 비교하여 거시적 분포능을 계산한다. 이 전지는 플렉시글라스나 유리로 만들어진다.[11][12]
Hull cell헐셀(Hull cell)은 전기도금조의 상태를 반정량적으로 확인하는 시험 셀이다. 헐셀은 사용 가능한 전류밀도 범위, 첨가제 농도 최적화, 불순물 효과, 거시적 밀착력 등을 측정하는 데 사용된다.[13] 헐셀은 실험실 규모에서 도금조를 재현한 것으로, 도금 용액 샘플과 정류기에 연결된 양극을 넣고, 헐셀 시험판으로 도금조의 상태를 확인한다.
헐셀은 267ml의 도금조 용액을 담는 사다리꼴 용기이다. 시험판을 양극에 대해 각도를 지어 놓을 수 있어, 시험판 길이에 따라 다양한 전류밀도로 도금된다. 용액 부피는 첨가제 농도의 반정량적 측정을 가능하게 하며, 267ml에 1g을 첨가하는 것은 도금조에서 0.5 oz/gal에 해당한다.[14]
6. 1. 투척력 (Throwing Power)
도금력(또는 거시 도금력)은 전기도금 전류의 균일성, 그리고 그 결과 양극 근처 영역과 먼 영역에서의 전기도금된 금속 두께의 균일성을 측정하는 중요한 매개변수이다. 이는 주로 전기도금 용액의 조성과 온도에 따라 달라진다.[2] 미시 도금력은 스루홀과 같은 작은 오목한 부분을 채우거나 코팅하는 정도를 나타낸다.[8] 도금력은 무차원 바그너 수로 특징지을 수 있다.바그너 수는 운동 저항과 옴 저항의 비율을 정량화한다. 바그너 수가 높을수록 더 균일한 침착이 이루어진다. 이는 도금된 물체의 크기를 줄이고, 전류 밀도를 줄이고, 전하 이동 계수를 낮추는 화학 물질을 첨가하고, 용액 전도도를 높임으로써 실제로 달성할 수 있다. 동시에 발생하는 수소 발생은 전류 밀도를 증가시켜 전기도금의 균일성을 일반적으로 향상시키지만, 수소 기포와 수산화물 침전으로 인한 차단으로 인해 이 효과가 상쇄될 수 있다.[9]
바그너 수는 정확하게 측정하기가 다소 어렵기 때문에, 표준 셀을 사용하여 실험적으로 얻기 쉬운 다른 관련 매개변수가 대신 사용된다. 이러한 매개변수는 두 비율에서 파생된다. 양극에 "가까운" 음극의 특정 영역의 도금 두께와 음극에서 "먼" 영역의 두께의 비율과 전해질을 통해 이러한 영역에서 양극까지의 거리의 비율이다. 예를 들어, Haring-Blum 셀에서 두 개의 독립적인 음극에 대해 L = 5 이고, 도금 두께 비율이 M = 6인 셀은 Haring-Blum 도금력이 -20%이다.[8] 다른 규칙에는 Heatley 도금력과 Field 도금력이 있다.[10] 이러한 정의 중 어느 것을 사용하더라도 도금력을 크게(덜 음수로) 만들면 더 균일한 두께를 얻을 수 있다.
도금력과 같은 셀 성능을 설명하는 매개변수는 생산 도금조에서 발견되는 조건과 유사한 조건을 재현하기 위한 다양한 설계의 작은 시험 셀에서 측정된다.[8]
6. 2. Haring–Blum cell
Haring–Blum 전지는 도금액의 거시적(macro) 분포능을 측정하는 데 사용된다. 이 전지는 가운데에 고정된 양극과 두 개의 평행한 음극으로 구성된다. 음극은 양극으로부터 1:5의 비율로 거리를 두고 위치한다. 직류를 특정 시간 동안 통과시켰을 때 두 음극에 형성된 도금 두께를 이용하여 거시적 분포능을 계산한다. 이 전지는 플렉시글라스 또는 유리로 제작된다.[11][12]
6. 3. Hull cell
헐셀(Hull cell)은 전기도금조의 상태를 반정량적으로 확인하는 데 사용되는 일종의 시험 셀(test cell)이다. 헐셀은 사용 가능한 전류밀도 범위 측정, 첨가제 농도 최적화, 불순물 효과 인식 및 거시적(macro) 밀착력(throwing power) 능력 표시 등을 측정한다.[13] 헐셀은 실험실 규모에서 도금조를 복제한 것이다. 도금 용액 샘플과 정류기에 연결된 적절한 양극을 넣는다. "작업물"은 도금조의 "상태"를 보여주는 헐셀 시험판으로 대체된다.
헐셀은 267ml의 도금조 용액을 담는 사다리꼴 용기이다. 이러한 모양 덕분에 시험판을 양극에 대해 각도를 지어 놓을 수 있다. 그 결과, 시험판 길이에 따라 다양한 전류밀도로 침착물이 도금되는데, 이는 헐셀 자(Hull cell ruler)로 측정할 수 있다. 용액 부피는 첨가제 농도의 반정량적 측정을 가능하게 한다. 267ml에 1g을 첨가하는 것은 도금조에서 0.5 oz/gal에 해당한다.[14]
7. 전기도금의 대체 기술
- 무전해 도금은 금속 이온과 산화 환원 반응을 통해 이들을 금속으로 환원시키는 화학 물질을 포함하는 용액을 사용한다. 반응은 자기 촉매적이어야 하므로, 새로운 금속이 전체 용액에서 한꺼번에 분말로 침전되는 것이 아니라 성장하는 코팅 위에 침착된다. 무전해 도금 공정은 마모 및 부식 저항을 위한 니켈-인 또는 니켈-붕소 합금, 은을 이용한 거울 제작, 인쇄 회로 기판용 구리 등 많은 분야에 널리 사용된다. 전기도금에 비해 이러한 공정의 주요 장점은 임의의 모양의 표면, 심지어 구멍 내부에도 두께가 균일한 코팅을 생성할 수 있다는 점이며, 기판이 전기적으로 도전성일 필요가 없다는 점이다. 또 다른 주요 장점은 전원이나 특수한 모양의 양극이 필요하지 않다는 점이다. 단점으로는 증착 속도가 느리고, 비교적 고가의 화학 물질을 소모하며, 코팅 금속의 선택이 제한적이라는 점이 있다.
- 침지 도금 공정은 기판 금속이 수용성 이온으로 산화되는 반면, 코팅 금속의 이온이 환원되어 그 자리에 침착되는 치환 반응을 이용한다. 이 공정은 반응이 기판이 완전히 덮인 후에 멈추기 때문에 매우 얇은 코팅으로 제한된다. 그럼에도 불구하고, 인쇄 회로 기판에서 금도금 전기 접점을 얻는 데 사용되는 (ENIG) 공정과 같이 몇 가지 중요한 응용 분야가 있다.
- 스퍼터링은 전자빔이나 플라스마를 사용하여 진공 상태에서 금속의 미세 입자를 기판에 방출한다.
- 물리 기상 증착은 금속을 증발시켜 기판에 전달한다.
- 화학 기상 증착은 금속의 휘발성 화합물을 포함하는 기체를 사용하며, 화학 반응의 결과로 기판에 침착된다.
- 도금은 접착제로 고정된 매우 얇은 금박을 적용하여 금 층을 금속에 부착하는 전통적인 방법이다.
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