전기 도금은 현재 전자 및 전기 산업에서 널리 사용되고 있습니다. 회로 기판, 커넥터, 기타 소형 금속 부품과 같은 부품은 모두 전기 도금 마감 처리가 필요합니다. 통신 분야의 강력한 성장과 전자 기기에 대한 지속적인 수요 증가로 인해 전기 도금 적용이 크게 증가했습니다. 이 글에서는 전기 도금 공정과 도금되는 금속에 따른 도금 유형에 대해 설명합니다.
전기도금이란 무엇인가요?
전기도금은 전기분해를 이용하여 금속 또는 합금 층을 작업물 표면에 증착하는 공정으로, 균일하고 조밀하며 접착력이 우수한 금속 코팅을 형성합니다. 전기도금 과정에서 도금될 작업물은 전원 공급 장치의 음극 단자에 연결되어 음극 역할을 합니다. 도금될 금속 이온이 포함된 전해질 용액에 담가둡니다. 양극은 일반적으로 증착되는 금속의 판이나 막대입니다. 그러나 일부 전기도금 공정에서는 흑연, 스테인리스강, 납 또는 납-안티몬 합금과 같은 불용성 양극을 사용하기도 합니다.
전기도금은 적용 방식에 따라 랙 도금, 배럴 도금, 연속 도금, 브러시 도금으로 구분할 수 있습니다. 도금 대상 부품의 크기와 생산량에 따라 적절한 도금 방식을 선택합니다.
랙 도금은 가장 일반적인 방법입니다. 부품을 전도성이 높은 랙에 매달고 도금 용액에 음극으로 담그는 방식입니다. 이 방법은 자전거 핸들바, 자동차 범퍼와 같이 일반 크기 또는 대형 크기의 가공물에 적합합니다.
배럴 도금은 대량 생산되는 소형 부품에 적합한 또 다른 일반적인 방법입니다. 도금 과정에서 부품은 다각형 배럴에 배치되고, 자체 무게를 이용하여 배럴 내부의 음극과 접촉합니다.
전기 도금의 기본 원리
도금할 소재를 전해액이 채워진 도금 탱크에 넣고 DC 전원의 음극(음극)에 연결합니다. 도금 금속(또는 흑연과 같은 불활성 물질)도 탱크에 넣고 양극(양극)에 연결합니다.
전원이 공급되면 도금액 내의 금속 이온이 음극으로 이동하여 전자를 얻고 금속 원자로 환원된 후, 작업물 표면에 증착되어 코팅을 형성합니다. 전기도금은 주로 전기화학적 원리에 의존하기 때문에 전극 전위차, 도금액(전해질), 그리고 전원이라는 세 가지 필수 조건이 필요합니다.
구리 도금을 예로 들어 보겠습니다. 주성분이 황산구리인 도금 용액에서 작업물은 음극 역할을 하고, 금속 구리는 양극 역할을 합니다. 직류 전원이 연결되면 전류가 전극과 전해질을 통과합니다. 도금 용액 내의 음이온과 양이온은 전기 이동을 하게 되는데, 이는 전기장의 영향으로 음이온은 양극으로, 양이온은 음극으로 이동한다는 것을 의미합니다. 구리 이온(Cu2)+)가 환원되어 음극에 증착되고, 양극의 금속 구리는 산화됩니다.
화학 반응은 다음과 같습니다.
- 음극(작업물) 반응(환원): Cu2+ + 2e- → 구리
- 양극 반응(산화): Cu – 2e- → 구리2+
최종 코팅은 완벽하고, 균일하고, 밀도가 높아야 하며, 특정 두께 요건을 충족해야 하고, 기본 금속에 단단히 결합되어야 하며, 효과적인 보호 기능을 제공하기 위해 특정한 물리적, 화학적 특성을 가져야 합니다.
전기 도금 품질에 영향을 미치는 요인
전기도금층의 품질에는 여러 요인이 영향을 미칩니다. 주요 요인으로는 도금액 조성, 음극 전류 밀도, 온도, 표면 전처리 등이 있습니다.
도금 용액 조성
도금 용액의 구성은 주로 다음과 같은 부분으로 구성됩니다.
주요 소금(Primary Salt): 음극에 코팅 금속으로 증착될 이온을 포함하는 금속염. 다른 조건이 동일하다면, 주염의 농도가 높을수록 금속 증착은 용이해지지만, 음극 분극이 감소하여 코팅 내 결정립이 거칠어집니다. 그러나 농도가 지나치게 높으면 용액의 도포성(분산성)과 안정성이 저하되고 생산 및 폐기물 처리 비용이 증가합니다. 반대로, 농도가 매우 낮으면 도포성 및 피복성이 향상되고 음극 분극이 개선되지만, 전도도가 낮고 허용 전류 밀도가 낮아지며 전류 효율이 떨어지고 증착 속도가 느려집니다. 따라서 주염 농도는 적절한 범위 내에 있어야 하며, 이는 특정 적용 분야의 요구 사항에 따라 달라집니다.
추가 염(전도성 염): 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속(암모늄염 포함)의 염으로, 주로 용액의 전도도를 높이기 위해 첨가됩니다. 이러한 염은 도금액의 심도금성, 전착성, 피복성을 향상시켜 더욱 미세하고 조밀한 도금 품질을 제공합니다. 니켈 도금조에 사용되는 황산나트륨과 황산마그네슘이 그 예입니다. 그러나 과도한 염 첨가는 주염의 용해도를 감소시켜 용액이 탁해질 수 있습니다.
복합화제: 주요 염의 금속 이온과 착물을 형성할 수 있는 물질. 이러한 이온이 없는 용액은 단일염욕(single-salt bath)이라고 하며, 일반적으로 안정성이 낮고 결정립이 거칠며 코팅 품질이 낮습니다. 착화제를 첨가하면 음극 분극이 증가하여 결정 구조가 미세해지고 양극 용해도 촉진됩니다. 착화제의 양이 주요 염 금속 이온의 착물 형성에 필요한 양을 초과하면, 비어 있는 착화 이온. 자유 착화 이온의 농도가 너무 높으면 음극 전류 효율이 감소하고, 증착 속도가 느려지거나, 심지어 도금이 완전히 불가능해질 수 있습니다.
완충제: 도금 용액의 산성도 또는 알칼리도를 정상 작동에 필요한 특정 pH 범위 내로 유지하는 데 사용되는 물질(일반적으로 약산/염 또는 약염기/염의 조합). 도금조의 pH 변동을 최소화하는 데 도움이 됩니다.
첨가물 : 도금조에 소량의 유기 물질을 첨가하여 용액의 성능과 코팅 품질을 향상시킵니다. 유기 물질은 주로 기능에 따라 다음과 같이 분류됩니다.
- 광택제: 코팅의 광택/광택을 증가시킵니다. 1차 광택제는 종종 설포닐기 또는 불포화 탄소 결합(예: 사카린)을 포함합니다. 2차 광택제는 일반적으로 알데히드, 케톤, 알킨, 시안화물 또는 불포화 결합을 가진 헤테로고리 화합물입니다.
- 레벨러: 코팅의 매끄러움을 크게 향상시킵니다. 미세한 골 부분의 코팅이 미세한 봉우리 부분보다 두꺼워지도록 합니다.
- 습윤제(항공식제): 전극과 용액 사이의 계면 장력을 낮춰 용액이 전극 표면에 쉽게 퍼지도록 합니다. 또한 전극 표면에서 기포가 떨어지도록 촉진하여 코팅에 핀홀이 형성되는 것을 방지합니다.
- 응력 감소제: 코팅의 내부 응력을 감소시켜 인성을 향상시킵니다.
- 입자 미세화제: 코팅에서 더 미세하고 조밀한 결정 구조를 촉진합니다.
음극 전류 밀도
최적의 음극 전류 밀도는 도금 용액 구성, 주요 염 농도, pH, 온도, 교반과 같은 요인에 따라 달라집니다.
전류 밀도가 너무 낮으면 음극 분극이 감소하여 결정 성장이 거칠어지거나 도금이 전혀 이루어지지 않게 됩니다.
전류 밀도를 (한계 내에서) 증가시키면 음극 분극이 증가하여 코팅 구조가 더 미세해집니다.
전류 밀도가 지나치게 높으면 결정이 용액 내로 흘러드는 힘을 따라 빠르게 성장하여 결절(덩어리)이나 나무 모양의 결정(수지상 결정)을 형성합니다. 모서리와 가장자리는 타버릴 수도 있습니다(그을림). 또한, 높은 전류 밀도는 음극 표면에서 수소 발생을 촉진하여 pH를 상승시키고, 이로 인해 금속 염기성 염이 코팅에 포집되어 검은색으로 변할 수 있습니다. 또한, 양극 부동태화를 유발하여 용액 내 금속 이온이 고갈되고, 이로 인해 느슨하고 스펀지 같은 코팅이 형성될 수 있습니다. 모든 도금욕은 이상적인 작동 전류 밀도 범위를 가지고 있습니다.
온도
온도는 중요한 요소입니다. 온도가 증가하면 입자 확산과 이온 탈수가 가속화되고, 이온과 음극 표면의 활성도가 증가하며, 확산과 전기화학적 분극이 모두 감소합니다. 결과적으로 온도가 높아지면 음극 분극이 감소하여 결정립이 거칠어집니다. 생산 과정에서는 염 용해도와 용액의 전도도를 높이기 위해 도금조 온도를 높이는 경우가 많습니다. 도금 온도는 최적의 범위 내에서 유지되도록 신중하게 제어해야 합니다.
표면 전처리
전기 도금 전에 가공물은 표면 전처리를 통해 버, 개재물, 잔류물, 그리스, 스케일(산화막), 부동태막을 제거해야 합니다. 적절한 전처리는 깨끗하고 활성적인 모재 표면을 노출시켜 연속적이고 조밀하며 접합력이 우수한 코팅을 얻는 데 필수적입니다. 부적절한 전처리는 블리스터링, 박리, 접착력 저하, 버, 얼룩과 같은 결함의 주요 원인입니다.
전기 도금 공정
전기도금 공정은 일반적으로 도금 전 표면 전처리, 전기도금, 도금 후처리의 세 단계로 구성됩니다.
도금 전 표면 전처리
이 단계는 깨끗하고 활성적인 기본 금속 표면을 만들어 고품질 코팅을 준비하는 것을 목표로 합니다. 전처리는 주로 다음과 같은 과정을 거칩니다.
연삭 또는 광택 처리: 표면 거칠기 요구 사항을 충족합니다.
탈지: 오일과 그리스를 제거하기 위한 화학적 또는 전기화학적 방법.
녹/스케일 제거: 기계적 방법, 산 세척 또는 전기화학적 방법.
활성화: 일반적으로 약산에 잠깐 담가 표면이 화학적으로 활성화되도록 합니다.
전기 도금 시작
전기 도금 방법은 부품의 모양, 크기 및 배치 용량에 따라 달라집니다. 랙 도금은 일반 크기 또는 더 큰 치수의 부품에 가장 일반적으로 사용됩니다. 부품은 전도성이 높은 랙에 매달려 있으며, 음극은 도금 용액에 담그고, 양극은 양쪽에 적절하게 배치됩니다.
랙과 캐소드 바 사이의 양호한 접촉은 매우 중요합니다. 접촉 불량은 접촉 저항을 유발할 수 있으며, 특히 고전류 경질 크롬 도금이나 캐소드 이동 진동이 있는 장식 도금의 경우 더욱 그렇습니다. 이는 간헐적인 정전으로 이어져 코팅 접착력 저하 및 두께 균일도 감소로 이어져 내식성을 저하시킵니다.
소형 부품이나 대량 생산에는 배럴 도금이 사용됩니다. 부품은 다각형 배럴에 배치되고, 배럴이 회전하면서 자체 중력에 의해 내부 음극과 접촉하여 균일한 증착을 촉진합니다. 배럴 도금은 노동력을 절감하고, 생산 효율을 높이며, 장비 유지 보수가 덜 필요하고, 바닥 공간을 적게 차지하며, 균일한 코팅을 생성합니다. 그러나 지나치게 크거나 매우 가벼운 작업물에는 적합하지 않습니다. 또한, 배럴 도금 탱크는 더 높은 전압에서 작동하기 때문에 용액 온도 상승이 빠르고 용액 드래그아웃이 더 심합니다.
브러시 도금은 국부 도금이나 수리에 사용됩니다. 연속 도금은 대량 생산되는 와이어 및 스트립 소재에 사용됩니다.
도금 후 처리
이 단계에는 수동화, 수소 취성 완화(탈수소화), 표면 연마가 포함됩니다.
수동화는 코팅의 내식성을 개선하고, 광택을 증가시키고, 변색 방지 특성을 강화하기 위해 수행됩니다.
수소 취성 완화는 일반적으로 도금 중 흡수된 수소가 부품의 취성을 유발하는 것을 방지하기 위해 특정 온도에서 몇 시간 동안 열처리하는 방법입니다.
표면 연마는 코팅 표면의 거칠기를 줄이고, 거울과 같은 장식적 마감을 구현하고, 내식성을 더욱 개선하기 위해 코팅에 적용되는 마무리 공정입니다.
전기 도금의 종류
전기도금을 분류하는 일반적인 방법은 기판 재료에 적용되는 도금 금속이나 합금에 따른 것입니다.
아연 도금(Zn)
아연 도금은 주로 강철의 보호 코팅으로 사용됩니다. 강철 소재의 경우, 아연은 양극성 코팅으로 전기화학적(희생적) 보호와 기계적 보호 기능을 모두 제공하여 우수한 내식성을 제공합니다. 보호 성능은 코팅 두께와 기공률에 따라 결정됩니다. 코팅 두께가 두껍고 기공률이 낮을수록 내식성이 향상됩니다. 아연 코팅 두께는 일반적으로 6~20μm이며, 가혹한 조건의 부품에는 25μm 이상의 두께가 필요합니다. 아연층을 부동태화하면 보호 성능이 5~8배 증가합니다.
아연 도금 용액은 알칼리성(예: 시안화물, 아연산염, 피로인산염), 중성(예: 염화물, 황산염), 산성(예: 황산염, 염화암모늄)으로 분류됩니다. 저렴한 비용, 우수한 내식성, 심미성, 긴 저장 수명으로 인해 아연 도금은 경공업, 계측, 기계, 농업 및 국방 분야에서 널리 사용됩니다. 그러나 아연은 인체에 유해하기 때문에 식품 산업에는 적합하지 않습니다.
자세히보기 : 속성 비교 | 아연 도금 대 니켈 도금
구리 도금(Cu)
구리 도금은 아연이나 철과 같은 비금속에 사용됩니다. 이러한 금속의 구리 코팅은 음극성입니다. 구리 층에 결함, 손상 또는 기공이 있는 경우, 비금속은 부식성 매질에서 양극 역할을 하여 부식을 가속화하며, 도금하지 않았을 때보다 부식 속도가 더 빠른 경우가 많습니다. 따라서 단층 구리 도금은 보호-장식 목적으로는 거의 사용되지 않습니다. 후속 코팅과 비금속 사이의 접착력을 향상시키기 위한 하부층(중간 코팅)으로 사용되는 경우가 많습니다. 두꺼운 구리 하부층과 얇은 니켈 층을 함께 사용하면 니켈 층의 기공을 줄이고 니켈 소모량을 줄일 수 있습니다. 또한, 구리 층은 탄소와 질소가 구리로 확산 및 침투하기 어렵기 때문에 국부적인 침탄이나 질화로부터 보호할 수 있습니다.
시안화물, 황산염, 피로인산염, 구연산염, 니트릴로트리아세트산, 불화붕산염을 포함한 다양한 구리 도금조가 존재합니다.
크롬 도금(Cr)
크롬은 은백색의 금속으로, 은은한 푸른빛을 띱니다. 강한 부동태화 반응으로 대기 중에서 화학적 안정성이 뛰어나 얇고 치밀한 산화 피막을 형성합니다. 크롬은 알칼리, 질산, 황산, 황화물, 그리고 여러 유기산에서 안정하지만, 할로겐화수소산과 고온의 진한 황산에는 용해됩니다.
크롬 도금 우수한 내식성을 가지며, 습윤성이 낮아 소수성 및 소유성 특성을 나타냅니다. 또한 높은 경도, 우수한 내마모성, 우수한 내열성을 자랑합니다. 공기 중에서 500°C까지 가열해도 외관과 경도는 거의 변하지 않습니다. 500°C 이상에서는 산화가 시작되고 700°C 이상에서는 연화가 시작됩니다. 또한 크롬은 은 다음으로 높은 반사율을 보입니다.
크롬 코팅은 용도에 따라 보호-장식 크롬 도금(얇게 코팅되어 녹을 방지하고 외관을 미화함)과 기능성 크롬 도금(일반적으로 두껍게 코팅되어 기계 부품의 경도, 내마모성, 내부식성, 고온 저항성을 향상시키는 데 사용됨)으로 구분됩니다. 기능성 크롬은 경질 크롬, 유백색 크롬, 다공성 크롬으로 더 세분화됩니다.
크롬 도금액의 조성은 비교적 간단합니다. 주성분은 도금 금속 자체의 염이 아닌 크롬산 무수화물(CrO3)이며, 황산염, 불소화물, 불화규산염과 같은 소량의 촉매가 첨가됩니다. 납 합금은 일반적으로 양극으로 사용됩니다. 크롬산 무수화물은 지속적으로 보충해야 하지만, 6가 크롬(Cr(VI))은 독성이 강하기 때문에 3가 크롬(Cr(III))이 대체재로 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
니켈 도금(Ni)
니켈은 황백색의 은백색 금속 광택을 띠며 강자성을 지닙니다. 니켈은 강력한 부동태화 능력을 가지고 있어 공기 중에서 얇은 부동태화 피막을 형성하여 높은 화학적 안정성과 표면에 오래 지속되는 광택을 유지합니다. 실온에서 니켈은 대기, 물, 알칼리, 염류, 유기산에 대한 우수한 내식성을 나타냅니다. 묽은 염산과 황산에는 느리게 용해되지만 묽은 질산에는 더 빠르게 용해됩니다. 발연 질산에서는 부동태화되며 강알칼리와는 반응하지 않습니다.
니켈의 전극 전위는 철보다 더 양(+)의 값을 가지므로 철에 대한 음극 코팅 역할을 합니다. 따라서 강철 기판을 효과적으로 보호합니다. 만 코팅이 완벽하고 흠이 없을 때. 니켈 코팅은 일반적으로 다소 다공성이 있기 때문에 내식성을 향상시키기 위해 다른 금속과 함께 다층 시스템에 사용되는 경우가 많습니다. 이때 니켈은 기공률을 낮추기 위한 하층 또는 중간층 역할을 합니다(예: Cu/Ni/Cr 또는 Ni/Cr 조합).
니켈 코팅은 보호-장식용과 기능성 유형으로 구분됩니다.
보호-장식 니켈 도금은 저탄소강, 아연 다이캐스팅, 그리고 일부 알루미늄 및 구리 합금의 부식 방지에 사용됩니다. 광택 니켈을 연마하거나 광택 니켈을 직접 도금하여 밝은 장식 효과를 얻을 수 있습니다. 니켈은 대기 중에서 쉽게 변색되므로, 내식성과 미관을 개선하기 위해 광택 니켈층 위에 얇은 크롬 도금을 하는 경우가 많습니다.
기능성 니켈 도금은 주로 마모되거나 부식되었거나 크기가 큰 부품을 수리하는 데 사용됩니다. 이러한 코팅은 일반적으로 필요 이상으로 두껍게 도금한 후 기계 가공을 통해 지정된 치수로 복원합니다.
니켈 도금에 사용되는 주요 염은 황산니켈과 염화니켈입니다.
합금 전기 도금
합금 전기도금은 코팅 성능을 향상시키는 방법으로, 다양한 특성을 가진 수백 가지 코팅을 생산할 수 있습니다. 이 기술은 장식성, 내식성, 내마모성, 자성, 납땜성 및 전도성과 관련된 문제를 해결하는 데 매우 효과적입니다.
전기 도금으로 생산된 합금은 열 융합으로 생산된 합금과 비교하여 고유한 특성을 가지고 있습니다.
- 높은 녹는점과 낮은 녹는점의 금속으로 구성된 합금을 얻을 수 있습니다.
- 열융합 상태도에 나타나지 않는 합금도 얻을 수 있습니다.
- 매우 밀도가 높고 우수한 특성을 지닌 비정질 합금을 생산할 수 있습니다.
- 수용액에서 단일 금속으로 침전시키기 어려운 합금이 형성될 수 있습니다.
- 특정한 통제된 조건 하에서는 더 부정적인 전위를 지닌 금속이 우선적으로 증착될 수 있습니다.
합금 코팅은 가장 높은 농도를 갖는 원소(예: 구리계, 은계, 아연계, 니켈계 합금)에 따라 분류됩니다. 구리-주석 합금은 낮은 기공률, 우수한 내식성, 용이한 연마, 그리고 직접 크롬 도금이 가능하여 널리 사용되는 합금 코팅입니다. 시안화 구리-주석 합금 도금은 코팅의 조성과 색상 조절이 용이하고 용액의 균일 전착성이 우수하여 자주 사용됩니다. 그러나 이 도금의 주요 단점은 독성이 강한 시안화물을 다량 사용한다는 점이며, 엄격한 안전 조치가 필요합니다.
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