SiC상의 무전해 Ni-P도금에 관한 연구

강 민, 김진원, 김영길*, 이재의

아주대학교 화학공학과, 오산대학교 제화공업과*

A Study on the Electroless Ni-P Plating on SiC Ceramics

Min Kang, Jin-won Kim, Young-Gil Kim*, Jae-Eui Yie

Department of Chemical Engineering, Ajou University

Department of Shoemaking Industry, Osan College*

서   론

탄화규소(SiC)는 넓은띠 간격(2.3∼3.2eV), 높은 열전도도(5.0W/cm-K),  높은 전자포화표류속도(2.0∼2.5×10cm/s), 그리고 높은 파괴전압(4.5MV/cm)을 나타내기 때문에 고온, 고속, 고주파, 고출력 전자기술에 이용되며, 강도가 높고 물리화학적으로 안정한 물질이다[1].

무전해니켈 도금욕으로부터 얻어진 Ni-P 도금피막은 내마모성, 내식성, 자기적 성질, 균일전착성, 그리고 기계적 성질 등 여러 우수한 성질 때문에 산업기계부품, 자동화부품, 자동차부품 및 전자통신부품 등에 이르기까지 폭넓게 이용되고 있다. 전기니켈 도금피막과는 달리 무전해 니켈 도금피막은 인을 함유하고 있기 때문에 피막층의 결정구조가 비정질의 형태와 결정질의 형태 모두를 얻을 수 있는 특징을 가지고 있다.

또한, 무전해 니켈도금은 무정형합금으로 되기 때문에 두께가 두꺼워져도 결정입자의 성장이 생기지 않으며 균일한 표면을 얻을 수 있어서 내식성과 내마모성이 우수하다. 또 도금피막은 전기도금피막에 비하여 핀홀이 적고, 내식성도 좋으며 도금피막중에 인, 붕소를 함유한 것은 400℃에서 열처리함으로써 Vickers 경도 1000이상으로 되어 경질크롬에 필적하고 내마모성이 뛰어나다[2].

지난 수십년 동안에 무전해도금은 내식성과 내마모성을 가진 도금을 형성할 수 있기 때문에 많은 인기를 얻었다. 비록 무전해 니켈, 구리, 코발트, 은, 백금, 팔라듐, 그리고 금 등과 여러가지 무전해 도금 공정이 이용되지만 무전해 니켈 도금이 우수한 내식성과 내마모성을 가진 코팅을 하기 위한 가장 좋은 도금방법으로 제시된다[3].

본 연구에서는 차아인산나트륨을 환원제로 사용한 무전해 Ni-P 도금시 에칭조건과 도금후 열처리에 따른 도금피막의 결정성에 대하여 검토하였다.

실   험

본 연구에서는 평균크기 44□ SiC(Green Ceratec)를 사용하였다. 도금에 이용되는 무전해 공정은 니켈도금에 앞서 SiC 입자상에 에칭, 민감화, 활성화의 과정을 거치며 중요한 세정과 rinse단계를 포함한다. 무전해 니켈도금욕의 조성은 Table 1에 나타내었다. 입자들은 수용액 상에서 충분한 분산을 위하여 각 공정동안 서서히 교반(250rpm)하고, 증류수로 헹구었다.

도금욕에 첨가한 각 입자의 양은 10g/L이며 교반을 하면서 모든 입자는 무전해 니켈용액에 노출시킨다. 도금욕은 pH 5.5의 산성조건과 온도는 90℃에서 실시하였으며, 도금 시간은 5분에서 60분까지 실시하였다.

또한, 에칭에 의해 표면에 생긴 요철부분이 금속박막의 결합고리(anchor)로서 작용하기 때문에 중요한 전처리 공정중의 하나인 에칭은 여러 조건에서 초음파세척기와 마이크로파 오븐을 사용하여 실시하였다.

무전해 니켈도금의 표면형태구조는 SEM을 사용하여 조사하였고, EDX를 사용하여 금속-코팅층과의 성분을 정성 정량분석 하였다. 코팅상의 분석은 XRD를 이용하여 조사하였고, Ni-P 도금의 상변형을 결정하기 위하여 10Kmin-1의 scan rate로 무전해 니켈도금된 SiC의 DSC 열분석도를 얻었다.

Table 1. Composition of the Electroless Nickel Bath

Chemical	Concentration
	Bath 1	Bath 2
NiSO4·6H2O	26g/L	26g/L
CH3COONa	25g/L	25g/L
Na3C6H5O7	15g/L	-
NaH2PO2·H2O	16g/L	16g/L
Pb(NO3)2	-	2.5mg/L

결과 및 토론

환원제로서 차아인산나트륨(Table 1)를 사용해 무전해 니켈도금을 수행하였다. 에칭, 민감화 그리고 활성화 처리 등의 각각의 전처리 과정에 의한 SiC의 표면변화와 표면상태를 분석하고 또한 도금조건이 니켈피막 석출에 미치는 영향을 관찰하였고, 피막의 열처리에 의한 결정화나 구조변화 등의 변화를 조사하였다.

여러 가지 조건에서 에칭한 결과를 그림 1에 나타내었다. 마이크로파 오븐에서 에칭을 수행을 한 입자(그림 1-c)보다는 초음파세척기 내에서 에칭을 수행한 입자(그림 1-b)에서 표면의 조화정도가 크게 나타났다. 또한 마이크로파 오븐에서 에칭한 후 초음파세척기에서 다시 에칭을 실시하였을 경우에는 표면의 조화정도가 증가함을 알 수 있었다.

무전해니켈도금 전후의 표면의 형태구조는 그림 2와 같다. 도금전의 SiC의 표면은 매끄럽고, 퇴적물이 전혀 없는 표면에 비해서(그림 1-a) 도금후의 SiC의 표면은 니켈 코팅 입자가 균일하게 분포되어 SiC 표면에 들러붙어 있는 것을 볼 수 있었다(그림 2). 또한 무전해 니켈도금된 SiC표면의 EDX분석으로 Ni-P도금의 존재를 확인할 수 있었다.

무전해 니켈도금한 SiC 입자를 DSC분석한 결과 347.9℃에서 발열 피크의 위치가 나타났다. 이 온도에서 SiC는 안정하고 더 이상 전이가 일어나지 않으며,  335에서 365℃온도 범위에서 무정형 Ni-P구조가 결정형 구조로 전이가 됨을 알 수 있다[5].

무전해도금은 일반적으로 도금한 그대로는 비정질이며 열처리에 의해 Ni3P가  석출되면서 결정화가 일어난다고 보고된다. Goldstein은 인함량이 7∼10wt%인 도금층은 비정질이라고 설명하였다[6]. 무전해니켈 도금피막의 결정성 여부를 알기 위하여 SiC에 도금한 그대로의 입자와 400℃에서 1시간 열처리한 시편의 X-선 회절 분석결과는 그림 3과 같다. 도금한 그대로의 피막은 SiC 피크와 함께 결정질 Ni의 존재를 나타내고 있다. 도금한 후 열처리하지 않은 상태에는 Ni3P가 존재하지 않고, 400℃에서 1시간 열처리한 피막은 새로운 피크가 발견되었고 Ni 피크의 intensity도 강하게 된 것으로 보아 Ni의 결정화가 더욱 진행되었고, Ni3P도 석출된 것을 알 수 있었다.

참고문헌

[1] R. Yakimova, E. Janzen, Diamond and Related Materials, 9(2000); 432-438

[2] Yongjun Li, Plating & Surface Finishing, November 1997; 77

[3] J .N. Balaraju and S. K. Seshadri, Metal Finishing, July 1999; 8

[4] C. A. Leon, R. A. L. Drew, Journal of Materials Science, 35 (2000) ;4763-4768

[5] J. N. Balaraju and S. K. Seshadri, Metal Finishing, 1999; 8

[6] A. W. Goldenstein, W. Rostoker, F. Schossberger, & G. Gurzeit, Journal of the Electrochemical Society, 104, 101 (1957)

(a)                           (b)

(c)                           (d)

Fig. 1 SEM of SiC surface etched by HF for various methods; (a)

no etching, (b) ultrasonic cleaning, (c) microwave oven, (d) (b)+(c)

(a)

Fig 3. X-ray diffraction patterns of heat       treated(a) and as plated(b) SiC

(b)

Fig 2. SEM of the electroless Ni-P on SiC

at various condition:(a) bath 1, (b) bath 2