플라즈마 전해 산화 공정과 전기영동 특성을 활용한 지르코니아 코팅층 형성 기구에 관한 연구

Abstract

이 연구는 플라즈마 전해 산화 공정 (Plasma electrolytic oxidation, PEO)과 전기영동 특성 (Electrophoresis)을 활용한 지르코니아 코팅층 형성 기구를 상세히 이해하고자 수행하였다. 이를 위해 지르코니아 (ZrO2) 나노 입자와 수산화칼륨 (Potassium hydroxide, KOH)에 각각 농도를 달리한피로인산염 (Potassium pyrophosphate, K4P2O7)이 포함된 전해질 용액에 타이타늄 금속을 투입하여, 200 mA/cm2의 DC 전류에서 600 초 동안 PEO 공정을 실시하였다. 피로인산염을 포함하지 않는 전해질 용액에서 PEO 공정을 수행한 시편의 코팅층을 주사 전자 현미경 (SEM)를 통해 확인한 결과, 코팅층이 정상적으로 성장하지 못함을 알 수 있었다. 이는 고른 코팅층 성장을 돕는 착화합물의 역할을 하는 인산 이온 (P2O72-, PO43-, HPO42-)이 전해질 내에 존재하지 않았기 때문이다. 한편, XRD와 XPS를 활용한 조성분석을 통해 0.015 M K4P2O7이 존재하는 전해질에서 형성된 코팅층은 주로 지르코니아로 이루어짐을 확인하였으며, 0.03, 0.045 M의 K4P2O7이 존재하는 전해질 용액에서의 코팅층에서는 ZrO2 이외에 ZrTiO4나 Zr-P 화합물 등의 부가적인 Zr 화합물이 눈에 띄게 증가하였다. 이는 모재 표면에 존재하는 인산이온은 코팅층 형성이 도움을 줄 뿐만 아니라, 모재 표면에서 플라즈마 마이크로 아크가 발생하였을 때 전해질 내 지르코니아 입자와 전기화학적 반응을 일으켜 Zr 화합물을 형성함을 의미한다. 전해질 내 인산이온의 농도가 변화함에 따라 코팅층의 구성성분이 달라지는 것으로 보아, 전해질 내 과도한 인산 이온의 존재는 산화층의 성장을 돕는 착이온의 역할보다는 Zr-P 화합물을 형성하는 반응물로서 작용함을 확인하였다.