도금공업은 공업기반기술의 하나로서 기계 및 소재산업의 최종 마무리 공정으로 중요시 되고 있으나 운전중 기술의 특성에 의하여 중금속이 함유된 도금폐수를 방출하게 되어 인체 및 생태계에 매우 유해한 산업중의 하나이다. 기존의 도금폐수처리 방븝으로 침전 응집법이 있으나 이는 사용되는 약품의 양이 많고, 슬러지를 배출하여 2차 공해를 유발하므로 완전한 처리 방법이라 할 수 없다. 본 연구에서는 이러한 국내 도금폐수의 현황을 조사한바 도금폐수중 배출양이 가장 많은 아연계폐수를 대상으로 RO Membrane를 사용하여 실험하였다. RO Membrane으로 실험하였을때 아연이온은 Retentate로 분리 농축되고 Permeate는 재생수로 순환 사용할 수 있는 도금폐수의 무배출 처리공정(Zero-Discharge System) 개발을 존 연구의 목적으로 하였다.
Cu 비아를 이용한 MEMS 센서의 스택 패키지용 interconnection 공정을 연구하였다. Ag 페이스트 막을 유리기판에 형성하고 관통 비아 홀이 형성된 Si 기판을 접착시켜 Ag 페이스트 막을 Cu 비아 형성용 전기도금 씨앗층으로 사용하였다. Ag 전기도금 씨앗층에 직류전류 모드로 $20mA/cm^2$와 $30mA/cm^2$의 전류밀도를 인가하여 Cu 비아 filling을 함으로써 직경 $200{\mu}m$, 깊이 $350{\mu}m$인 도금결함이 없는 Cu 비아를 형성하는 것이 가능하였다. Cu 비아가 형성된 Si 기판에 Ti/Cu/Ti metallization 및 배선라인 형성공정, Au 패드 도금공정, Sn 솔더범프 전기도금 및 리플로우 공정을 순차적으로 진행함으로써 Cu 비아를 이용한 MEMS 센서의 스택 패키지용 interconnection 공정을 이룰 수 있었다.
금속의 표면이나 비금속표면에 다른 금속을 사용하여 피막을 만드는 도금 공정은 산과 알칼리를 사용함에 따라 세척 작업으로서 수소 이온 농도(H+)와 수산이온농도(OH+)를 제어하게 된다 따라서, 본 연구에서는 세척수 투입에 따른 수소 이온 농도(H+)와 수산이온농도 (OH+)를 제어하기 위한 여러 가지 제어 기법을 적용하여 최적의 제어기를 설계하고자 하였으며, 이 결과는 세척수를 효율적으로 투입하여 귀중한 수자원을 절약하고, 산과 알칼리의 일정제어로 인하여 제품의 균등한 생산이 가능할 뿐만 아니라 생산 단가를 낮추어 경쟁력에 기여할 것으로 사료된다. 특히, 개발하고자하는 기법은 수학적 모델을 구하기 어려운 공정에서도 적용이 가능하도록 설계하고자 하였으며, 제어 대상의 변화에도 다른 제어 방법 보다 쉽게 알고리즘을 변화시킬 수 있다는 장점이 있도록 하였다.
금(Au) 및 금의 합금도금은 주로 극히 얇고 색상만 나타내는 정도의 장식용으로 많이 사용되고 있으나 단순한 장식품뿐만 아니고 스마트폰, 정보통신 서버, 전자기기, 자동차, 전지용에도 널리 사용되고 있다. 특히 로켓공업이나 인공위성의 와곽부, 엔진에는 필수적이다. 현재 미국의 금도금액 85%는 전자부품과 인공위성(NASA) 등의 공업용에 사용되고 있다. 금도금의 이용가치는 주로 내식성이며 전기저항이 작고 열전도성이 뛰어나 전기접전부에 필수적으로 사용해야만 한다. 또한 2007년 유럽의 RoHS규정에 의해 피부에 접촉하는 팔찌, 귀걸이, 목걸이, 반지 등의 디자인 액세서리 제품에 있어서도 종래의 6가 크롬이나, 납, 수은, 카드뮴 사용이 금지되었다. 종래의 산성, 알칼리성, 중성 금도금에서는 주로 시안(Cyan) 기반의 전처리 탈지액이 사용되고 있어 작업환경에도 유해하며 생산성 감소로 이어지고 있다. 이에 전해 금도금 전처리 탈지공정을 개선함으로써 품질불량 20%감소와 함께 작업환경 개선으로 생산성 30%향상을 기대할 수 있다.
도금에 따른 공업용수의 사용량이 단순히 PCB의 세척만을 위한 세척수 투입으로 인하여 도금 전 과정의 처리 비용에 비하여 과도하게 사용됨에 따라 도금에 소모되는 실제 비용보다는 오히려 공업 용수의 사용량과 같은 부가 비용으로 산업현장에 많은 부담이 되고 있다. 따라서 제조 산업의 경제적 비용 부담은 기하급수적으로 증가하고 결국 생산 단가의 상승으로 이어진다. 따라서 본 연구에서는 도금 공정에서 사용되는 세척 작업시 산.알카리에 따른 수소 이은 농도(H+)와 수산이온농도(OH+)를 제어 하기위한 방법으로 각종 제어기법을 이용하여 최적의 제어기를 설계하고자 하였으며, 이 결과는 세척수를 효율적으로 투입하여 귀중한 수자원을 절약함은 물론 생산 단가를 낮추어 경쟁력에 기여할 것으로 사료된다.
연속 동판재 생산을 위하여 전주도금 기술과 고속동도금 기술을 응용하여 동도금 공정을 개발하였다. 동 연속 전주 장비를 개발하고 적절한 동도금 조건의 개발을 통하여 연속적인 동도금 판재의 생산이 가능하게 하였다. 연속 전주 장치에서 제작된 동판재의 최종 물성을 살펴보면 두께 형성 속도는 $20{\mu}m/min$. 속도이고, 동판재의 두께 편차는 5%이내의 두께 편차를 나타내었다. 제작된 동 판재의 비저항은 $2.2{\times}10-6\;{\Omega} cm$를 나타내었으며, SEM을 이용한 표면관찰에서 void-free한 형태를 나타내었다. 판재상의 피막의 불순물은 500ppm 이하의 물성을 나타내었다.
본 연구에서는 무전해 도금 코팅방법을 이용하여 생성한 Ag 박막의 기계적 특성을 고찰하였다. 이 코팅방법은 화학적 반응을 통해 금속박막을 기판 위에 형성할 수 있는 공정으로써 비교적 간단하고 경제적이며 전기도금과 비교했을 때 도체뿐만 아니라 부도체에도 적용할 수 있다는 유리한 장점이 있다. 따라서 반도체에서부터 기계부품에 이르기까지 산업전반에 걸쳐 다양하게 적용되고 있는 코팅방법이다. 본 연구에서는 무전해 도금 공정의 변수에 따라 형성되는 Ag 박막의 기계적 특성을 파악하는데 중점을 두었다. 특히, 무전해 도금방법을 이용해 제작한 코팅 시편에 대해 도금시간에 따른 거칠기 및 두께에 대한 분석을 실시하였으며 AFM, SEM, Tribotester 와 같은 장비를 이용하여 트라이볼로지적 특성을 규명하였다.
아연계 합금도금강판은 내식성이 향상되는 반면 아연 이외의 원소 성분에 의해 고온다습에서 변색되기 쉽기 때문에 이를 억제하기 위한 후처리 기술이 필요하다. 또한, 아연계 합금도금 강판이 자동차 부품으로 적용되기 위해서는 변색 억제를 위해 처리한 후처리제가 쉽게 제거되어 인산염처리 공정에서 도금 표면에 인산염결정이 용이하게 형성되어야 한다. 본 연구에서는 건식공정으로 제작된 아연계 합금도금 강판에 우레탄계 알칼리 후처리제를 도포하고, 고온다습 환경에서의 변색 억제 특성과 적정 부착량에서의 인산염처리 및 전착도장 특성에 대해 평가하였다. 두 형태의 후처리제는 건식 아연계 합금도금 강판에 도포 직후 표면에 간섭색을 나타내었으며, 첨가제를 통해 간섭색 제어가 가능하였다. 또한, 두 형태의 후처리제 모두가 고온다습 환경에서 무처리 강판에 비교하여 월등히 우수한 변색 억제 효과를 보였으며, 인산염처리 및 전착도장이 양호하게 얻어지는 것을 알 수 있었다.
본 연구는 환경 및 인체에 유해한 포르말린을 사용하지 않은 무전해 동 도금액을 개발한 후 도금액을 전자파 차폐 섬유도금에 적용하기 위해 도금 조건에 따른 특성을 파악하였다. 본 연구에서는 무전해 동 도금액의 온도, pH, Bath loading, 도금시간을 변화시켜 도금액의 도금속도 및 도금피막의 형상을 관찰하였으며, 전자파 차폐를 위한 섬유에 개발된 도금액을 적용하고자 현재 상용 전처리 공정을 통해 도금실험을 수행하였다. 여러 도금조건을 변화하여 실험한 결과 $50^{\circ}C$의 도금액 온도, 12.8~13.5의 pH 조건에서 현재 사용 중인 포르말린 도금액과 유사하거나 더 우수한 도금속도를 나타내었으며 현재 사용중인 도금액의 대체가 가능할 것으로 판단되었다.
금속기판과 액체금속의 젖음성은 일반적으로 액적법 (sessile drop)에 의해 고체와 액체간의 접촉각 측정을 통해서 알 수 있다. 이러한 방법에 의한 젖음성 실험결과는 고체와 액체계면에서의 반응이 무시될 수 있는 경우에 적용가는 하지만 연속용용도금공정과 같이 용융된 금속내부로 강판이 인입되는 과정에서 계면반응이 동적으로 진행되는 과정에서의 젖음성을 모사하기에는 이러한 방법의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 실제 용융도금공정과 유사하게 소둔열처리된 저탄소강판이 환원성분위기내에서 Zn 및 Zn-Al 용융도금욕 내부로 연속적으로 인입되는 과정에서의 젖음력 및 접촉각 등의 측정을 통해 실제 도금공정상의 도금성과 젖음성의 연관성을 규명하고자하였다. 연구결과 일반적인 Zn 도금욕의 경우 젖음성이 양호하지만 Al함량이 높은 경우에는 젖음성이 좋지 못한 것으로 나타났다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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