수정 침지 금도금욕
^ Immersion Gold Plating
보통의 침지의 치환금도금을 말하며 구리, 구리 합금, 니켈 소재 등에 적용되며, 낮은 온도에서는 석출색상이 적흑색으로 되고, 많은 시간을 요구한다. 보통 액온도를 70~80 ℃ 에서는 10초면 도금이 가능하도록 금이온의 농도 조절이 필요하다.
침지 금도금은 기초금속 (이온화영향에서 금보다 위에 있는 금속) 위에 얇은 금층이 이온화에 따라 용액으로 부터 금과 치환된다. 금속 소재 표면이 일단 금으로 완전 피복되면 더 이상의 도금(치환)은 일어나지 않아 최종 금도금은 얇은 금도금이 된다.
이것은 외부의 환원제에 의해 자동 촉매적으로 연속 도금되는 (은 거울 또는 무전해니켈도금이 그 예이다) 무전해 도금방법과 다르다.
침지 금도금은 기초 금속과 치환의 조건에 따라 그 두께가 0.000001 에서 0.00001 ㎛ 까지 다양하다. 이런 두께의 금도금이 보호적 가치가 전혀 없으리라 생각될 수도 있으나 금은 조밀한 형태로 석출되므로 그렇지는 않다.
예로써 구리위의 금 석출의 경우를 보면, 치환 반응은 :
Cu + 2 KAu(CN)2 → 2 Au + K2Cu(CN)4 (침전)
황산구리 는 63 g, 금은 394 g (중량)을 치환한다. 금의 비중이 19.3 이고 구리는 8.9 이므로 금속 표면위로 석출된 금의 실제 양은 용해된 구리 양의 3배에 가깝다.
금 전기분해 작용으로 두께 tc 의 구리층이 용해된다. 면적 A 에 용해하는 이 구리 무게는 Atc dc 이고 여기서 dc 는 구리의 밀도이다. 치환된 금 층의 무게는 Atg dg 이고 여기서 tg는 금층의 두께이고 dg 는 금의 밀도이다. 화학반응으로부터 구리 63 무게는 금 394 무게를 치환함을 알고 있다.
따라서 :
A · tc · dc / A · tg · dg = 63 / 394
위 아래의 A 를 지워버리고 밀도 값 (주어진 비중)을 넣으면 tg 를 다음과 같이 풀 수 있다
Tg = 2.9 · tc
즉, 금 층은 용해된 구리보다 약 3배 더 두껍게 도금 된다. 그러나 실제 두께는 소재 금속과 반응의 조건에 따라 다르다. 그러나 이 공식은 치환속도와 양을 예측하게 한다.
일반조성 1
3.4 g/l 시안화제일금칼륨
25 g/l NaCN (시안화소다)
38 g/l Na2HPO4 (인산수소나트륨)
- 온도 60~70 ℃
- 인산수소나트륨을 물에 녹이고 시안화물, 다음에 금 염을 녹인다.
일반조성 2
3.8 g/l 시안화제일금칼륨
25 g/l 시안화칼륨
23 g/l 주석산칼륨
7.2 g/l 탄산칼륨
7.6 g/l EDTA 4Na
- 60~70 ℃ 의 온수에 탄산칼륨과 주석산칼륨을 물에 녹이고 다음에 시안화칼륨과 금염을 녹인다.
도금조
- 도금조는 에나멜화 스틸ㆍ파이렉스 유리ㆍ스테인리스 스틸ㆍ폴리플로필렌 또는 테프론 처리된 소재를 사용한다.
하지촉매형
0.75 ㏖/L K2CO3
0.87 ㏖/L KOH
0.01 ㏖/L KCN
0.017 ㏖/L KAu(CN)2
0.50 ㏖/L N2H2ㆍH2O
㏗ 13
- 온도 80 ℃
- N2H2·2H2O 의 환원은 소재가 완전히 피복되면 반응이 멈춘다.
황산염욕
5 m㏖ Na3Au(SO3)2
0.3 ㏖ Na2SO3
0~16 m㏖ Na2S2O3ㆍ5H2O
0.2 ㏖ Na2HPO4
0.025 ㏖ EDTA-2Na
㏗ 6.5
- Temp 65 ℃
- 금도금층은 5~30분 사이에 안정적인 성장 속도를 나타낸다.
Na2S2O3의 효과
- Na2S2O3 의 첨가는 금층의 석출 속도를 향상시킨다. (S2O3 농도가 증가함에 따라 금도금 속도가 향상)
- 금도금 속도는 S2O3 농도가 8 m㏖ 에 도달했을 때 약 0.1 ㎛/10 min 의 값에 도달한다.
- 침지에 의해 쉽게 도금될 수 있는 금속은 구리ㆍ황동 그리고 주석 함량이 높지 않은 청동 등 이다. 니켈은 금 위의 불활성 막을 형성시켜 전착되지 않고 알루미늄, 아연과 마그네슘은 비부착성 형태로 금을 침전시킨다.
- 주석 역시 금의 밀착성이 좋지 많다. 따라서 구리나 황동를 제외한 다른 금속들은 금의 침지도금이 필요할 경우에 하지도금으로 구리 또는 황동을 도금한다. 이중에 황동도금을 이용하면 치환작용이 빠르고 최종 금 도금의 색을 더 좋게 할 수 있다.
- 도금소재의 표면은 침지 도금전에 확실한 전처리가 필요 하다. 침지 도금뿐만 아니라 모든 도금에 적용되는 기본적인 (중요한) 규칙이다.
- 큰 물건은 침지도금 방법으로 좋은 도금을 할 수 없다. 불규칙적으로 액의 오염을 쉽게만들기 때문이다. 침지도금은 핀ㆍ버튼 등과 같은 작은 물품에 적당하다.
- 바스켓을 이용한 도금은 세라믹ㆍ플라스틱ㆍ고무 같은 비금속을 이용한다. 비금속 바스켓은 사용 재질에 따라 반응이 가속 또는 지연될 수 있다.
알루미늄 바스켓은 알루미늄의 전위가 황동나 구리보다 위에 있으므로 알루미늄이 양극(+)로, 황동이나 구리가 음극(-)으로 되는 전극을 형성하는 직류의 작용으로 가속화 된다. 그러나 이런 종류의 단점은 용액에서 바스켓이 용해되어 금이 석출되어 침전을 유발할 수도 있다.
금은 떨어져 나와 새로운 알루미늄 표면이 노출된다면 더 많은 금이 석출되고 낭비된다. 이 낭비된 금은 시안화물에 의해 재용해되나 항상 그렇지는 않으므로 이 방법은 추천되지 않는다.
- 구리 바스켓은 반응을 어느 정도 지연시키고, 황동은 역 효과가 일어나서 도금되어 나온다. 스테인레스 스틸은 효과가 거의 없다.
- 균일한 마무리를 얻으려면 금도금 용액이 소재의 모든 부분에 접촉해야 하므로 바스켓내에서 작업물을 흔들어 주는 것이 중요하다. 더욱이 바스켓 자체가 가능한한 많은 홀을 가져야 한다. 침지도금에서 바스켓은 진동바렐도 사용될 수 있다.
- 욕을 70 ℃ 이상으로 가열하지 않아야 한다. 이 온도에서는 시안화물이 빨리 분해하기 때문이다.
- 시안화물 함량이 주어진 양보다 10 % 이상으로 과량이 되면, 석출된 금이 부분적으로 재용해될 수 있다. 긴시간 침지는 시안화물의 공격을 야기하므로 금색이 될 정도의 시간만 도금액에 침지하여야 한다.
- 금 함량이 높으면 빠르고 더 쉬은 작업이 되나, 높은 금 함량으로 드랙아웃 손실이 크게 된다. 금의 농도를 감안한 최고치의 농도를 유지하는 것이 좋다.
- 도금욕이 일정한 온도, 적당한 양의 금과 시안화물을 함유한다면 금의 석출은 일정하게 될 것이다. 석출 금 두께는 상당히 얇아 다소 투명하게 보인다. 이런 이유로 구리 위에 침지 금은 다소 색이 붉고 황동위에 금은 더 황색으로 보일 수 있다.
- 빠른 작업속도는 밝은 황색이 나타나며 느린 도금속도는 깊은 황색이 나온다.
- 도금욕의 온도가 높으면 보다 밝은 황색으로 더 빠르게 도금 된다.
침지 금도금욕에서 가장 흔한 문제점은 일정 시간 사용후 도금욕은 자기 오염으로 균일한 금색이 나타나게 된다. 일정한 작업을 위해서는 구리의 침지 금도금에 나온 화학식에서 이미 나타났듯이 구리와 아연이 기초 금속으로서 반드시 일정량 용해되어 있어야 한다.
일정시간 경과 후에 침지 금도금욕의 금 함량이 시안화물 함량과 일정하게 유지된다고 해도 구리와 아연 이온의 생성이 크기 때문에 도금과정을 방해하게 된다. 그러므로 높은 구리 함량을 가진 도금액에 한 조각의 황동을 떨어뜨리면 순간적으로 표면위에 금이 석출된 후에 표면과 접촉한 용액이 일시적으로 금이 부족하게 되며, 다량의 구리 이온이 존재할 경우 약간의 구리도 석출 되어 침지 금도금은 붉은 색이 나타나게 된다.
색이 붉거나 갈색이다
- 금속불순물이 너무 많다 → 욕이 상당이 오래동안 사용하였고 (상대적으로 작업량에 따라 다르다), 금과 시안화물 함량이 일정한 경우라 해도 새로 조제하는 것이 좋다. 이 경우에서 발생하는 폐액은 금을 침전 혀수하고 정제를 위해 보관한다. 새로 건욕한 경우에 위의 결과가 나오면 금 함량이 낮은 경우이므로 분석 수정한다.
- 금함량이 낮다 → 금함량이 적당하다면 시안화물 함량을 분석하고 수정한다.
- 온도가 너무 낮다 → 적절한 작업 온도까지 온도를 높인다.
- 진동이 약하다 → 도금용액과 균일한 접촉을 위해 작업물을 보다 더 강하게 흔들어 준다.
반응이 너무 늦다
- 금향량이 낮다 → 금 농도를 체크하고 낮으면 추가한다.
- 온도가 낮다 → 온도를 체크하고 낮으면 높인다.
- 시안화물 농도가 낮다 → 시안화물을 체크하고 낮으면 수정한다.
계면활성제
- 소량의 표면활성제 (비이온성) 를 침지금도금욕에 첨가하면 개선 효과를 감지할수 있다. 용액의 표면 장력을 감소시켜 소재에 침투력을 좋게하여 보다 균일한 도금을 만들 수 있게 한다.