펄스도금의 원리

직류 도금에서는 도금 변수로써 전류밀도만 변화시킬 수 있다. 그러나 펄스 도금은 아래의 3가지 변수를 독립적으로 변화시킬 수 있다.

1) ton : 전류인가(current-on) 시간 2) t_off : 전류차단(current-off) 시간 3) ia : 평균 전류밀도 _{ }

_{}

_∙ _

펄스 도금의 최대전류인 ip 은 위의 3가지 변수들이 정해지면 결정된다. 또한 펄스 도금에서 이야기 되는 듀티사이클(duty cycle)은 식(2.26)과 같이 정의된다.

Duty cycle(%) = _

_ _

_

×  (2.26)

듀티사이클은 어떤 주어진 기간 중의 일정한 반복 패턴을 의미하며, 그 사이 클 기간에 대한 운전 시간의 비율을 나타낸다. 듀티사이클은 도금업계에 따라 다른 변수가 적용하며 일반적으로 귀금속 도금은 10 ~ 40%, Cu, Ni 등은 50 % 이상을 채택하고 있다.

한편, 펄스 전류 도금에서 최대 전류 밀도(ip)가 너무 높게 되면 음극표면의 전착이온이 고갈되어 Fig 2.18와 같이 커패시턴스(capacitance) 효과가 발생하게 된다. 이로 인해 형성된 도금층은 입상(granular) 또는 스펀지(spongy) 형태로 성장하여 모재와의 결합력이 약화되는 문제가 발생한다.

Fig. 2.18 The capacitance effect in pulse current electroplating

직류도금에서는 음극에 근접한 용액층에서 전착이온이 고갈된다. 또한 이 도 금은 전류밀도의 증가에 따라 그 층에서 더욱더 고갈되어 전착이온이 영(Zero) 이 되는 한계전류밀도(limiting current density : LCD)에 도달하게 된다. 만약 이 한계전류밀도가 초과하게 되면, 도금 금속이 타버려서 분말로 되기 쉬움은 물 론 깨지기 쉽게 된다. 한편, 펄스도금을 적용하게 되면 toff 전류차단 시기에 고 갈된 전착 이온이 주변 벌크용액으로부터 보충이 될 수 있어 직류도금보다도 더 높은 전류밀도에서도 도금이 가능하다. 즉, 펄스도금의 한계전류밀도는 직류 도금에 비해 이론적으로 상당히 증가시킬 수 있다.

펄스도금의 기구에 관한 이론적 고찰로 H.Y.Cheh 는 펄스 도금의 율속단계가 물질전달(mass transport)에 의해 제어된다고 가정하고 적절한 경계조건을 대입 하여 물질전달 방정식을 풀었다. 그 결과에 대하여 음극표면의 전착이온 농도 는 펄스 도금이 직류도금에 비해 높게 되므로 한계전류밀도를 증가시킬 수 있 다. 반면, 도금속도는 직류 도금속도를 초과할 수 없다. 그러나 물질전달의 율 속 단계를 벗어나면 전착반응은 전기화학적 동역학(electrochemical kinetics)에 의해 제어되므로 펄스도금효과를 예측할 수 있는 일반적인 법칙이 없게 된다고 하였다. 반면 N.Ibl은 도금층의 물성이 물질전달보다 다른 여러 인자에 의해 영 향을 받는다고 하였다. 즉, 핵 생성과 성장뿐만 아니라 전착이온의 흡착과 탈착 등이 중요한 역할을 하게 된다. 그리고 이러한 현상은 toff 시기에 발생할 수 있

으며, ton 전류인가 뿐만 아니라 듀티사이클이 중요한 요인이 될 수 있다고 하 였다.

펄스 도금은 높은 음극 전위와 얇은 확산 피막을 형성한다. 즉, ton 시기에는 음극근처에서 전착이온이 고갈되고 많은 양의 비금속 이온이 잔류하게 된다.

그러나 t_off 시기에는 음극 표면에 흡착된 수소와 불순물들은 탈착되어 벌크 용 액으로 확산해 나가게 된다. 따라서 음극 피막내에는 낮은 불순물과 수소 흡장 량을 갖는 도금층을 얻을 수 있다고 한다.