Special 고기능성 코팅소재 개발 및 공정기술 동향(1)
경량합금(Al, Mg) 플라즈마 전해 산화(PEO) 코팅 기술
도정만_한국과학기술연구원 물질구조제어연구센터 책임연구원

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경량합금(Al, Ti, Mg) 표면에 경질 세라믹 산화물층을 형성할 수 있는 플라즈마 전해 산화(이후 PEO로 약칭) 코팅 기술은 최근에 많은 관심을 끌고 있다. PEO는 알카리 전해액 속에 침적된 양극(Al, Mg, Ti, Zr, Ta 금속 및 그들 합금) 표면에 산화막을 형성시키는 플라즈마 전기화학 표면처리 기술이다. PEO 코팅 기술은 경량합금에 내식.내마모성을 부여할 뿐만 아니라 마찰계수 저감, 열차폐, 광학 및 유전체 특성 등 다양한 기능성을 제공한다. PEO 공정에서는 고온 플라즈마 열에 의해 코팅층이 형성되는 동시에 소성이 이루어지기 때문에 양극산화(경질 300～500 Hv)에 비해 높은 경도값(Al 합금 1600～2300 Hv)을 나타낸다. 특히, 알카리 전해액을 사용하는 PEO 공정은 복잡 형상 경량합금(Al, Mg, Ti) 부품 표면에 두껍고, 균일하며, 모재와 결합력이 강한 내구성 코팅층을 형성시킬 수 있는 장점이 있다. 이 PEO(plasma electrolytic oxidation) 코팅 기술은 MAO(micro arc oxidation), MPO(micro plasma oxidation), SA(spark anodizing), ASP(anodic spark deposition), ASO(anodic spark oxidation), MDO(micro arc discharge oxidation)등 다양한 명칭으로 불리고 있다1.
  PEO 코팅기술이 다른 코팅기술에 비해 비교적 최근에 학계 및 산업계 연구자들이 관심을 가지기 시작한 이유는 친환경 표면개질 기술로서 항공우주, 반도체, 디스플레이, 자동차, 해양, 정유, 오일 및 가스 등 다양한 산업용 부품에 내식, 내마모, 내열, 내침식성 등과 같은 신기능성을 부여할 수 있기 때문이다. 친환경 알카리 전해액 속에서 경량합금 표면을 산화물로 전환시키는  PEO 공정에서는 산화피막의 절연파괴 전압보다 높은 전압이 시료에 인가되면 시료 표면에 미세한 플라즈마 방전 현상이 발생된다. 표면에 발생된 플라즈마 방전 및 전기장의 효과에 의해 PEO 표면 산화층은 모재 합금원소뿐만 아니라 전해질에 존재하는 원소를 함유하는 복잡한 조성의 산화물을 형성하게 된다. 표면 플라즈마 방전 현상을 이용하여 경량금속 표면에 산화물층을 형성시키는 PEO 공정에 대한 연구는 1970년대부터 러시아 과학자들에 의해 시작되었다. 1970년대 후반부터 산업적 응용이 시도되었으나 PEO 코팅층의 낮은 품질 및 느린 성장속도 등으로 인해 PEO코팅 공정의 상용화가 상당히 지연되었다. 1980년대부터 기존의 산성 전해액을 알칼리 전해액으로 대체하고, 전원 시스템을 직류에서 교류 및 펄스 전류로 교체하는 등 새로운 장치 및 전해액 개발을 통하여 고품질 코팅층을 효율적으로 형성할 수 있게 되었다1.
  Keronite(영국), AHC(독일), Microplasmic(USA) 등과 같은 PEO 코팅 전문업체에서는 PEO 코팅 공정을 상업적으로 적용하기 위한 기술을 개발해 오고 있으나 상용화는 비교적 더디게 진행되고 있다. 현재 PEO 공정 기술은 연구 단계에서 실용화 단계로 전환하는 시점에 놓여 있다. 연구 개발된 PEO 공정 기술의 실용화를 촉진하기 위해서는 경험적 지식에 의존하는 과거에서 탈피하여 보다 근본적인 과학기술적 분석과 이해가 필요하다. PEO 공정이 산업적으로 널리 사용되기 위해서는 PEO 공정 조건(전해액 및 전기적 매개변수), 공정 중 발생되는 현상, 코팅층 미세구조 및 물성 등을 과학적으로 조사하고, 이들 상호관계에 대한 이해를 바탕으로 PEO 코팅 기술을 진보시킬 필요성이 있다3.
  본 원고에서는 PEO 코팅 기술에 관심이 있는 연구자 및 기업체 종사자들에게 PEO 코팅 기술을 소개할 목적으로 개발 과정, 전해액, 공정 중 발생되는 현상, 플라즈마 방전 기구, 공정변수, 코팅층 미세조직 및 물성, 응용분야, 향후 전망 등에 대해 개괄적으로 소개하고자 한다.

그림 5.  PEO 코팅 공정 단계 분류 및 각 단계에서 발생되는 중요 현상 모식도5

그림 6. PEO 공정 중 발생되는 플라즈마 방전 기구에 대한 모형도7

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