전기도금

전기도금

도금할 금속을 전도성 표면(금속)이나 비전도성 표면(플라스틱·나무·가죽)으로 이동시킨다.

비전도성 표면의 경우에는 표면에 흑연, 전도성 래커, 비전착성(非電着性) 판 등으로 코팅하거나 증착피막을 만들어 전도성을 띠게 한 다음 도금한다.

그림은 황산구리(CuSO₄) 용액이 들어 있는 전형적인 도금조이다.

발전기에서 전류가 공급되며, 가감저항기는 공급되는 전류를 조절한다. 전원을 넣으면 도금하려는 재료에 연결된 음극봉이 음전하를 띤다. 음극봉에서 방출된 전자가 구리 이온(Cu^＋＋)으로 전달되어 구리 금속을 석출시킨다. 석출된 구리 원자는 음극 표면에 흡착되어, 도금할 재료를 도금시킨다. 그림에 나타나 있는 것처럼 동시에 같은 수의 황산 이온(SO^―)이 양극인 구리 금속으로 모인다.

이런 과정을 통해 용액 속에 새로운 황산구리를 생성한다. 이와 같은 과정은 전기도금 과정에서 공통으로 일어난다. 전류가 흐르면 음극에서 석출되는 구리 금속의 양이 같기 때문에 용액은 일정하게 유지된다. 부반응이나 손실이 없이 상호 균형이 완벽하게 이루어지면 100％ 음극 효율과 100％ 양극 효율이 가능하다.

음극 표면이 화학적·물리적인 의미에서 깨끗하다면, 전하를 얻어서 석출된 구리 원자는 도금되는 금속표면에 정상적인 원자간 간격을 두고 쌓이게 된다.

도금되는 금속이 구리인 경우에 이 구리 금속에 도금되는 새로운 구리 원자들은 도금되는 금속의 결정 구조를 계속 유지한다. 따라서 이 경우에 도금된 막은 도금되는 금속과 구별 또는 분리되지도 않는다.

다른 종류의 몇 가지 금속이 들어 있는 용액을 적당히 혼합하면 다양한 종류의 합금을 도금할 수 있다. 주조 놋쇠와 거의 구별할 수 없는 도금 놋쇠를 만들 수도 있으며, 또한 몇 가지 금속을 함께 녹여서 주조할 수 없는 합금이나 금속 화합물을 얻을 수도 있다. 도금과정을 통해 만든 주석-니켈(Sn-Ni)의 합금은 각각의 주석과 니켈 금속보다 경도와 내식성이 강하므로 이 방법을 많이 사용한다.

이런 주석-니켈 화합물은 도금이 유일한 제작법이다. 일반적으로 사용되는 그밖의 합금피막으로는 청동과 금이 있는데, 도금시 색깔·경도 등을 다양하게 변화시킬 수 있다. 철·코발트·니켈 등과 같이 자성을 띠는 합금피막은 컴퓨터의 메모리 드럼에 사용한다. 납땜판(주석-납)은 인쇄배선회로에 사용된다.

고대에도 몇 가지 금속을 도금하는 방법이 있었지만, 현대적인 전기도금법은 1800년 A. 볼타가 상당량의 직류를 만들어내는 볼타 전지를 발견함으로써 시작되었으며, 이 전지를 이용해 납·구리·은 등의 금속을 도금했다.

작은 구리 덩어리가 은 음극에 흡착되면 구리는 다시 떨어지지 않았다. 같은 해 아연·구리·은 같은 금속을 자신과 같은 금속 위에 도금하거나, 금·철 등의 타금속에 흡착시켜 석출했다.

1840~41년 무렵부터 상업적 규모로 전기도금이 시작되었으며, 사이안화용액 속에서 은·금·구리·청동 등을 도금하는 방법이 발견되면서 이 방법의 사용이 급격하게 증가되었다. 사이안화구리용액을 사용하면 구리가 철이나 강철에 직접 점착성 있게 달라붙는데, 이 방법은 다이캐스팅으로 제작한 아연주물을 도금할 때 첫 단계로써 지금도 사용하고 있다.

위에서 언급한 황산구리 용액은 금속을 도금할 때 부식시켜 비점착성 석출을 만든다.

정교한 기술과 장비의 발달로 인해 전기도금은 규모가 커지고 계속 발전해왔다.

100％에 가까운 높은 전류효율로 수용액 내에서 쉽게 도금될 수 있는 금속들을 표에 나타냈다. 이 표는 금속들의 고유의 상관관계를 네모칸 안에 표시했다. 네모칸 밖의 금속에서는 일반적으로 크로뮴만을 사용하며 크로뮴은 10~20％ 정도의 낮은 전류 효율에서 도금된다. 네모칸 안에 있는 27개 금속 중에서는 15개 정도만이 전기도금에 흔히 쓰이는데, 특히 철·코발트·니켈·구리·아연·루테늄·로듐·파라듐·은·카드뮴·주석·이리듐·백금·금·납이 이 범주 안에 든다.

다른 금속들은 쉽게 석출물을 형성하지만 값이 비싸고 응용분야가 적어 많이 사용하지 않는다. 네모칸 밖에 있는 일부 금속들은 때때로 도금이나 전기 주물용으로 사용된다. 알루미늄은 이와 같은 방법에 의해 유기 혹은 비수용액, 그리고 용융염 조(槽)에서 얻어진다. 몇 가지 반사성 금속(몰리브데넘·텅스텐·탄탈럼·나이오븀)은 용융염 조에서 이와 같은 방법으로 사용되기도 한다.

1925년에 도입된 크로뮴 도금은 모든 도금산업에 자극을 주었다.

크로뮴은 원래 광택이 좋은 판상으로 도금의 광택이 오래 지속된다. 크로뮴 도금판은 자동차 산업에 이용할 수 있고, 니켈-크로뮴이나 구리-니켈-크로뮴 합금으로 만들 수 있기 때문에 많은 응용분야에 이용되었다. 그뒤에는 조 내의 조성·온도·전류밀도 등의 처리과정을 정확히 조절해야 했기 때문에 그뒤에도 더 나은 조절방법과 다른 공정들이 개발되었다. '하드 크로뮴 도금'(hard chromium plating)은 기계 부품의 내마모성을 높여주는 새로운 도금법으로 우수한 내마모성과 내열성을 가진다.

마모되기 쉬운 소형 부품은 크로뮴 판으로 만든다. 크로뮴 도금의 발전으로 인해 니켈·구리·은·금과 같은 다른 금속의 기술적 응용분야도 많아졌다.

19세기 중반 이후부터 비금속성 물질에도 도금이 행해졌고 1963년 도금이 쉽게 되는 ABS 플라스틱(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌)이 도입되면서 전기도금된 플라스틱의 사용이 급격히 증가했다.

우선 플라스틱 부분을 뜨거운 크로뮴산-황산의 혼합용액에 담그는 것과 같은 적당한 공정에 의해 화학적으로 부식시킨다. 그 다음 염화주석 용액에 담근 후 염화납 용액에 담그어 감도를 높이고 활성을 갖게 한다. 그리고 도금시키기 전에 비전착 구리와 니켈로 코팅한다. 유용한 점착도(1~6㎏/㎝)가 얻어지지만 금속-금속의 도금과 비교할 만한 방법은 아니다.

구리도금은 강판의 특정 부분이 경화(硬化)되는 것을 방지하는 데 사용하며, 전체적 또는 부분적으로 도금 처리할 수 있다.

은도금은 식기류, 전기접촉기, 기관 베어링에 사용한다. 금도금은 보석과 시계 케이스에, 아연 도금은 강철의 부식 방지에 각각 사용하며, 니켈과 크로뮴 도금은 자동차와 주방용기에 사용한다.