전착

전착

전착(electro deposition, 電着)은 용액 중에 전극판을 배치하여 직류 전압을 가하여 물질을 전극면에 부착시키는 것이다. 전착은 전기 분해에 의하여 전해질이 갈라져 나와 전극의 표면에 들러붙는 것으로 전기도금과 전주는 전착의 하나이다.

개요

전착은 도전성이 있는 물체를 물에 분산시킨 도료 속에 넣고 물체와 다른 금속체가 양극이 되도록 하여 전류를 흐르게 함으로써 물체에 도료를 도장하는 방법이다. 전해에 의해 방전 생성 물질이 전극면에 부착하는 것은 양극, 음극 어느 경우에도 일어난다. 전착은 액체에 분산되어 있는 콜로이드 상태의 입자가 전기장의 영향을 받아 이동하여 전극 표면에 부착하는 현상을 이용하는 기술이다. 전기 영동 또는 전기 이동이라고도 부른다. 모든 콜로이드상의 입자(폴리머, 안료, 염료, 세라믹스, 금속)는 안정된 현탁액을 형성할 수 있으며 전하를 운반할 수 있어 전착기술을 적용할 수 있다. 전착 공정은 제조시간이 짧고 장치가 간단하며 기판(substrate)의 형상에 거의 제약이 없고 부착시간과 DC 전압을 간단히 조정함으로써 부착 두께와 구조를 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있다. 전착은 전통적으로 내마모성 또는 내산화성 세라믹 코팅과 페인팅에 이용되었다. 그러나 현재에는 첨단 마이크로 일렉트로닉스, 고체 산화물 연료전지(SOFC)용 기능성 박막 제조, 첨단 복합소재, 의료용 바이오코팅 등 나노크기의 기능성 소재 개발에 이 기술이 이용되고 있다.

전착에서 부착량은 현탁액 농도, 부착시간, 부착 표면적, 전기장의 함수이다. 농도와 전기장이 변할 때 부착량이 부착시간에 따라 어떻게 변화하는가를 연구한 결과를 보면 다음과 같다. 부착량의 크기는 전류와 농도가 일정할 경우, 전류는 일정하나 농도는 감소하는 경우, 전압과 농도가 일정할 경우, 전압은 일정하나 농도는 감소하는 경우의 순서로 나타났다. 전압이 일정할 때의 부착량이 전류가 일정할 때보다 적은 것은 부착물이 절연체로 작용하여 저항이 커짐으로써 입자의 이동속도가 감소하기 때문인 것으로 해석한다. 현탁액을 준비하는 첫 단계는 입자를 제조할 때 남아 있는 불순물이나 이온을 완벽하게 세척하고 검사하는(검사항목 예: 전도도, PH) 일이다. 불순물이 존재하면 현탁액이 불안정해지거나 부착 특성이 바뀌거나 후공정(건조)까지도 영향을 미친다. 세라믹 공정에서는 폴리머 바인더가 흔히 사용되지만 전착에서는 거의 사용되지 않거나 아주 소량 사용된다. 전착 공정에서 바인더는 부착물을 접착시키고 균열을 방지한다. 세라믹의 경우 흡착된 폴리머는 세라믹 현탁액의 안정성을 돕고 점도를 낮추는 역할을 한다. 흡착된 폴리머는 전착에 매우 중요하므로 용제는 폴리머 바인더를 완전하게 용해하는 것이어야 한다. 용해가 불완전한 때에는 현탁액에 덩어리가 생기게 하는 가교가 될 수도 있다.

전착에 영향을 주는 인자

부착량에 영향을 주는 인자에는 전압, 부착시간, 입자의 농도, 제타 전위(zeta-potential), 용제의 상대 유전율, 용제의 점도, 전극간 거리, 전극 표면적 등 많지만 크게 현탁액과 관련된 것과 공정과 관련된 것 두 가지 그룹으로 나눌 수 있다. 입자, 용제, 및 장치가 정해지면 많은 변수가 상수가 되므로 현탁액의 농도, 인가되는 DC 전압과 부착시간을 조정함으로써 부착 박막의 두께를 쉽게 조정할 수 있게 된다.

현탁액과 관련된 인자

• 입자 크기 : 입자 크기는 입자가 완전히 분산되어 균일하고 순조롭게 부착이 될 수 있으면 된다. 입자가 너무 크면 중력에 의해 가라앉아 버리므로 균일한 부착이 어렵다. 또 건조과정에서 균열이 생길 수 있다.
• 용제의 유전상수 : 유전상수가 12∼25 범위일 때만 부착이 가능하다고 보고되었다. 이 범위 밖에서는 부착이 안 되는데 그 이유는 유전상수가 너무 낮으면 액체의 해리도가 낮아지고 또 너무 높으면 액체의 이온 농도가 높아져서 전기이동성이 낮아지기 때문이다.
• 현탁액의 전도도 : 현탁액의 전도도는 전착의 주요 인자로써 너무 낮으면 입자의 운동이 매우 낮아지고 전도도가 높으면 입자는 전자적으로 하전 되어 안정성을 잃는다. 온도를 높이거나 분산제를 가하면 전도도가 상승하나 아주 좁은 범위에서만 부착이 가능하다.
• 현탁액의 점도 : 전착 공정에서는 고체 함량이 아주 낮으므로 현탁 상태를 평가하는데 점도는 척도가 되지 않는다.
• 제타전위 : 제타 전위는 입자 간의 반발력을 증대시켜 현탁액을 안정화하고 입자의 이동방향과 속도를 정해주며 부착물의 충전 밀도를 정해주는 주요 역할을 한다. 제타 전위는 산, 염기 등 하전제(charging agent)를 첨가하여 조절할 수 있다. 입자의 전하가 크면 정전기적 반발력이 커져 입자가 덩어리지는 것을 막아주며 부착물의 충전밀도도 커진다. 전하가 약하면 그 반대가 된다. 부착률은 제타전위에 비례한다.
• 현탁액의 안정성 : 콜로이드 입자의 크기가 작으면 브라운 운동에 의해 장기간 부유되어 있지만 큰 입자는 연속적으로 교반시켜야 부유 상태를 유지한다. 안정된 현탁액은 덩어리가 생기지 않고 서서히 침전되어 용기 바닥에 조밀하고 점착성이 강한 부착물이 형성되지만 덩어리가 생기는 현탁액은 급속한 침전이 일어나 엉성하고 약한 부착물을 형성한다.

공정과 관련된 인자

• 부착시간에 의한 영향 : 일정한 전압에서 부착량은 초기에는 시간에 비례하다가 점점 감소하며 결국 아주 완만하게 된다. 이는 전압은 일정하지만 전극표면의 부착물이 절연 역할을 하게 되어 전류밀도가 감소하게 되기 때문이다.
• 인가한 전압 : 인가한 전압이 증가하면 통상적으로 부착한 양도 증가한다. 그러나 부착이 빨리 증가하는 대신 부착물의 표면이 거칠게 된다. 입자가 없는 상태에서 전압을 증가시킬 때 전류밀도가 증가하지만 어느 점 이상에서는 전류밀도가 불안정하게 되어 고압에서는 불안정한 전류밀도로 인해 품질이 나빠질 것이다.
• 현탁액의 고체농도 : 현탁액에서 고체의 용적비(특히 다 성분인 경우)는 전착에서 중요한 역할을 한다. 용적비가 높을 때에는 같은 비율로 부착되나 낮을 때에는 각 성분의 전기이동성에 비례하여 부착된다.
• 기판의 전도도 : 기판의 전도도가 낮으면 부착이 균일하지 않고 속도도 느리다.

전착용 용제

전착에 흔히 쓰이는 용제로 물, 아세톤, 아세톤-에탄올 혼합물, 에탄올, 이소프로판올, 에탄올-물 혼합물, 시클로헥산, 빙초산 등이다. 물을 용제로 쓰는 경우에는 전압이 낮고 환경 친화적이며 고온 작업이 가능하고 공정이 빠르며 코스트가 낮은 이점이 있다. 그러나 전기화학 반응이 일어나 공정효율과 균일한 부착을 저해한다. 특히 낮은 전압에서는 물 분해로 가스가 발생하여 기포가 부착에 악영향을 준다. 또 금속전극을 사용할 경우에는 산화로 인한 불순물이 부착물의 품질에 영향을 준다. 유기용제는 분산 매체로써 물보다 우수하다. 유전상수가 낮아 입자의 하전이 약하므로 높은 전압(수백 V)이 필요하고 코스트가 높으며 독성과 인화성이 있고 용제를 회수해야 하는 등의 불리한 점이 있다. 하지만 고밀도 부착이 가능하고 화학적으로 안정하며 전도도가 낮은 장점이 있어 전착에는 유기용제가 훨씬 많이 쓰인다.

응용

• 나노 구조물 및 마이크로 패턴을 한 박막에의 나노 크기 입자의 조립

전착기술을 나노 크기 입자의 조립과 나노 구조물 제조에 이용하게 되면 광학재료, 고밀도 자성기록 저장 디바이스, 마이크로칩 반응기, 바이오센서 등 수많은 첨단 분야에 응용할 수 있을 것이다. 나노 구조를 갖는 물질은 종래 없던 기능을 나타내거나 비약적인 성능의 향상을 가져온다. 1993년 전착 공법을 이용하여 금 나노 입자를 단일 층으로 질서 있게 배열시킨 것이 전착 공법으로 나노 구조를 배열시킨 첫 사례이다. 그후 2차원 내지 3차원의 나노 입자 배열이 보고되었다.

• 복잡한 형상의 유리와 세라믹 제조

전통적인 세라믹 성형방법에 의해 복잡한 형상의 제품을 성형하자면 문제점이 많다. 예를 들어 건식 압축성형의 경우 다량생산에 이점이 있지만 고압, 밀도 구배, 불균일한 미세구조, 고가의 절삭비용 등 단점이 많다. 다른 성형방법에도 서로 다른 문제점이 있다. 따라서 복잡한 형상의 첨단 유리와 세라믹 제품을 제조하자면 수계 현탁액에서 전착 공법을 채택하는 것이 가장 적합한 것으로 여겨지고 있다. 나노 크기 또는 마이크로 크기의 입자 혼합물로 복잡한 형 상의 제품을 전착 공법으로 만드는 경우에도 제품의 밀도가 구석구석 조밀해지고 수축률도 최소화 된다.

• 고체산화물 연료전지(SOFC) 제조

SOFC 전지는 고체 전해질, 산화제 전극(음극), 연료전극(양극)으로 구성된다. 그런데 이들 재료 코스트가 너무 높아 대폭적인 코스트 저하가 필수적이다. YSZ가 전해질 재료로서는 가장 적합하나 조작온도가 900∼1,000℃로서 너무 높아 단점이 된다. 그래서 조작온도는 낮추면서 성능은 유지할 수 있는 보다 얇은 전해질과 다공성 전극을 개발할 필요가 있다. 전착 공법이 여기에 부응할 수 있는 전해질과 전극을 만들 수 있다고 생각되지만 아직까지 여기에 대한 연구보고는 얼마 되지 않는다. 1992년 전착 공법에 의한 지르코니아 전해질 생산에 대한 보고가 처음이다.

• 적층 재료(Laminated Materials)

전착으로 적층 재료를 만들 수 있다. 한 층이 완료된 후에 이 전극을 다른 성분의 현탁액에 넣고 전착 과정을 또 거치면 이층으로 된 재료를 얻을 수 있고 이 작업을 반복하면 여러 층을 만들 수도 있다. 보고된 적층 재료로는 ZrO2/Al2O3, 알루미나/란타늄, 알루미나/지르코네이트, SiC/TiC 등이 있다.

참고자료

• 〈전착〉, 《네이버 지식백과》
• 〈전착(電着)〉, 《네이버 지식백과》
• 자동차 역사가, 〈23. 전착(Electro Deposition)자동차 용어: 차체/도장〉, 《티스토리》, 2015-03-10
• 〈전착기술의 기초 및 응용〉, 《고령과학기술인》

같이 보기

• 전극
• 직류
• 전압
• 물질
• 전기
• 물
• 도료
• 금속
• 양극
• 음극
• 두께
• 세라믹
• 액체
• 고체
• 에탄올
• 나노

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