Overview
출처: 로건 G. 키퍼, 앤드류 R. 팔코프스키, 테일러 D. 스파크스,재료 과학 및 공학부, 유타 대학교, 솔트레이크시티, UT
전기 도금은 전극에 얇은 코팅을 형성할 수 있도록 용존 금속 양이온을 줄이기 위해 전류를 사용하는 공정입니다. 다른 박막 증착 기법은 화학 증기 증착 (CVD), 스핀 코팅, 딥 코팅 및 스퍼터 증착을 포함한다. CVD는 증착할 요소의 가스 상 전구체를 사용합니다. 스핀 코팅은 액체 전구체 원심분리기를 원심분리로 퍼시다. 딥 코팅은 스핀 코팅과 유사하지만 액체 전구체를 회전하는 대신 기판이 완전히 침수됩니다. 스퍼터링은 플라즈마를 사용하여 대상에서 원하는 물질을 제거한 다음 기판을 플레이트합니다. CVD 또는 스퍼터링과 같은 기술은 매우 높은 품질의 필름을 생산하지만 이러한 기술은 일반적으로 진공 분위기와 작은 샘플 크기를 필요로하기 때문에 매우 느리고 높은 비용으로 그렇게합니다. 전극은 비용을 크게 줄이고 확장성을 증가진공 대기에 의존하지 않습니다. 또한, 상대적으로 높은 증착 속도는 전극으로 달성될 수 있다.
Principles
갈바닉 세포는 염교 또는 다공성 막에 의해 연결된 2개의 다른 금속으로 이루어져 있습니다. 이러한 전기 화학 세포는 에너지를 도출하기 위해 자발적으로 발생하는 산화 및 감소 반 세포 반응을 갖는다. 전극은 박막으로 전극을 플레이트에 비자발적 인 redox 반응을 구동하는 에너지를 공급하여 아연 도반 세포를 반전시한다. 양극은 도금되는 금속으로 만들어지며 직접 전류를 공급하여 산화됩니다. 양극에서이러한 산화는 전기의 흐름을 허용하는 금속 염 및 기타 이온을 포함하는 전해질 용액을 용해하고 흐르는 이온을 만듭니다. 용존 이온은 음극에 감소되고 도금됩니다. 전기 색 세포는 전압을 받을 때 광학 흡수를 변화시다. 전기 도금과 마찬가지로, 전기 색 변혁 반응을 구동하면 코팅 된 재료 프로이센 블루와 마찬가지로 이러한 재료가 표백 된 상태와 유색 상태 사이를 전환 할 수 있습니다.
전기 도금 공정은 금속 및 금속 화합물이 주로 사용되는 것처럼 공정에 사용되는 두 재료가 전도성이어야 합니다. 도금이 성공하려면 도금될 재료의 표면이 완전히 깨끗해져야 합니다. 표면 청결은 강한 산에 재료를 담그거나 전자 도금 회로를 역으로 간단히 연결하여 보장됩니다 - 전극이 깨끗하면 도금 금속의 원자가 효과적으로 결합됩니다. 표면이 깨끗하더라도 구성 요소가 복잡한 형상을 가질 때 비효율적 인 도금이 발생할 수 있으며, 이로 인해 도금 두께의 고르지 않은 분포가 발생할 수 있습니다. 도금 두께는 금속 과 금속 사이에 적용되는 전류의 강도 사이의 전류의 지속 시간을 변화시킴으로써 제어 될 수있다. 이들 중 하나 또는 둘 다 증가 도금의 두께를 증가 시킬 것 이다. 도금의 두께를 제어함으로써 복잡한 형상으로 인한 도금 문제를 피할 수 있습니다.
제안된 기술의 목표는 프로이센 블루의 박막을 ITO 코팅 PET 시트에 전자 판으로 채판한 다음 UV-Vis 분광법을 사용하여 빛을 흡수하고 전송하는 필름의 능력을 측정하는 것입니다. 표백 및 유색 상태에서 전기 크로로믹 박막의 UV-Vis 데이터는 이 두 상태에서 필름 간의 색상 차이를 정량화합니다. 또한 두꺼운 전기 색 필름은 더 심오한 착색 상태를 달성하므로 얇은 필름에 비해 상대적으로 더 많은 빛을 흡수합니다. 따라서 UV-Vis는 필름 간의 질적 두께 비교를 하는 데도 사용할 수 있습니다.
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Procedure
- 0.05M 염산(HCl)의 50mL, 0.05M 칼륨 페리시아니드(K 3[Fe(CN)6],100mL의 0.05M 아이언(III) 염화물 육수형(FeCl3.6H2)을혼합하여 프로이센 블루 용액을 준비한다.
- 약 8cm의 니크롬 와이어(NiCr)를 단단한 코일로 래핑하여 양극을 만듭니다.
- ITO 코팅 PET의 5X5 센티미터 시트의 전도성 면을 보호하는 외부 코팅을 제거하여 음극 기판을 준비합니다.
- 9볼트(9V) 배터리의 양수 단단을 30옴 저항기로 연달아 연결한 다음 악어 클립을 사용하여 NiCr 양극에 연결하여 회로를 구축합니다. 악어 클립을 사용하여 배터리의 음수 끝을 ITO 음극 기판에 연결합니다. 음극과 양극이 용액에 닿지 않는지 확인합니다.
- 회로와 프로이센 블루 용액을 준비한 후 음극과 양극을 용액으로 낮추어 악어 클립을 침수하지 않도록 주의하십시오. 2분간 누운 다음 DI 물에서 음극과 양극을 모두 제거하고 헹구습니다. 이 단계는 코팅의 두께를 변화시키기 위해 다양한 침수 시간으로 반복 될 수 있습니다.
- Perkin Elmer Lambda 950 UV-Vis 분광기를 사용하여 샘플을 분석하여 750-400 nm에서 파장에 이르는 가시광선의 전송을 결정합니다. 프로이센 블루로 코팅되지 않은 ITO 코팅 PET 샘플을 스캔하여 전송의 배경 수준을 분석해야 합니다.
- UV-Vis에서 프로이센 블루 샘플을 실행한 후 1.0M 염화칼륨(KCl)의 150mL 용액을 준비합니다.
- 동일한 회로 및 NiCr 양극(9V 배터리를 사용하여 일련의) 및 추가 악어 클립을 사용하여 프로이센 블루 레이어의 양쪽을 회로에 연결합니다. KCl 용액의 양극과 음극을 1.5분 동안 침수하여 전자색 전환이 착색에서 표백으로 전환됩니다.
- 그런 다음 이전과 같이 DI 물에서 음극과 양극을 제거하고 헹구습니다.
- 전술한 송신스 스캣 파라미터를 사용하여 UV-Vis에서 표백된 샘플을 실행합니다.
전도금은 전류를 사용하여 전극 표면에 용존 금속 양이온을 감소시키고 박막을 형성하는 공정입니다. 박막은 1나노미터 미만에서 여러 마이크로미터까지 두께가 범위있는 재료층입니다. 이 박막은 태양전지에서 바이오센서 프로브에 이르는 광범위한 응용 분야에서 사용되며, 부피의 최소한의 변화로 변형된 표면 특성을 제공합니다. 그러나, 박막의 두께가 일관되고 제어 가능한 것이 필수적이다. 일반적으로 박막을 조절하는 데 사용되는 많은 다른 박막 증착 기술이 있으며, 각각자체의 장점과 단점이 있습니다. 이 비디오에서는 전자 도금 기술을 소개하고 실험실에서이 방법을 사용하여 박막을 형성하는 방법을 시연할 것입니다.
전기 도금은 소금 다리 또는 다공성 막에 의해 연결된 두 개의 다른 금속, 양극 및 음극으로 구성된 갈바닉 세포와 같은 설정에서 수행됩니다. 이러한 전기화학 적 세포는 각 금속 전극에서 자발적으로 발생하는 산화 및 감소 반 세포 반응을 가지고 있어 전류를 생성합니다. 전기 도금은 유사한 개념에 의존합니다. 그러나, 그것은 전류를 공급하여 그것을 반전, 따라서 비 자발적인 redox 반응을 구동. 양극은 도금되는 금속으로 만들어지며 산화되어 용존 이온을 생성합니다. 이 온은 전기의 흐름을 허용하는 금속 염 및 기타 이온을 포함하는 전해질 용액을 통해 흐를 수 있습니다.
용존 금속 이온은 음극에 감소되고 도금됩니다. 전도 공정은 양극과 음극 물질 모두 전도성이 있어야 합니다. 따라서 금속은 전형적으로 사용됩니다. 도금 두께는 전극 사이의 전류의 지속 시간 및 강도를 변화시킴으로써 제어됩니다. 이러한 매개 변수 중 하나 또는 둘 다 증가 하면 더 두꺼운 도금 레이어 발생 합니다. 이제 전자 도금의 기초를 배웠으니, 우리는 어두운 색소, 프로이센 블루의 얇은 필름을 인듐 틴 옥사이드 또는 ITO로 코딩 된 폴리 에스테르 시트에 도금하여 기술을 시연 할 것입니다.
먼저 프로이센 블루 솔루션을 준비합니다. 프로이센 블루는 페로시아니드 염의 산화에 의해 생성 된 안료입니다. 50 밀리리터 0.05 어금니 염산, 0.05 개의 어금니 칼륨 헥사시아노퍼레이트 (III) 100 밀리리터, 0.05 어금니 철 (III) 염화물 육수화물 100 밀리리터를 혼합합니다. 이제 니크롬 와이어의 약 8센티미터를 꽉 찬 코일로 포장하여 양극을 만듭니다. ITO 코팅 폴리에스테르를 5센티미터 사각형으로 먼저 절단하여 음극을 준비합니다. 그런 다음 재료의 전도성 측면을 보호하는 외부 코팅을 제거합니다.
다음으로 9볼트 배터리의 양수 단단을 30킬로옴 저항기와 연열하여 연결하여 회로를 구축합니다. 그런 다음 악어 클립을 사용하여 Nichrome 양극에 연결합니다. 악어 클립을 사용하여 배터리의 음수 끝을 ITO 음극에 연결합니다. 양극과 음극이 만지지 않는지 확인하십시오. 이제 음극과 양극을 프로이센 블루 용액으로 낮추고 악어 클립을 침수하지 않도록주의하십시오. 1분 동안 솔루션에서 설정을 유지합니다. 그런 다음 두 전극을 탈온된 물에 제거하고 헹구는 것입니다. 새로운 ITO 전극으로 프로세스를 반복하며 각 전극은 서로 다른 증착 시간과 배터리 전압에 침수됩니다.
이제 UV-VIS 분광법을 통해 750~400나노미터 범위에서 가시광선의 퍼센트 전송을 사용하여 다양한 필름을 분석할 것입니다. 먼저 프로이센 블루로 코팅되지 않은 ITO 기판을 사용하여 백그라운드 스캔을 수행합니다. 그런 다음 프로이센 블루 코팅 샘플의 백분율 전송을 측정하여 빈 ITO에서 배경 전송을 뺍니다. 이제 각 샘플 간의 백분율 전송을 비교합니다. 먼저 효과적인 증착 시간을 살펴보겠습니다. 이 샘플은 30, 60 및 240 초 동안 증착되었습니다. 증착 시간이 길어진 샘플의 경우 백분율 전송이 낮았으며, 이는 필름이 두껍음을 나타냅니다. 마찬가지로, 더 높은 전압으로 증착된 필름은 낮은 전압에서 증착된 필름보다 더 낮은 송신을 보였으며, 이는 더 높은 전압에서 두꺼운 필름의 형성을 나타냅니다.
박막은 재료 공학 및 기타 연구 분야에서 광범위한 응용 분야를 가지고 있었습니다. 전기 도금 기술은 표면에 마이크로 스케일 피처 및 나노 스케일 두께를 패턴화하는 데 사용할 수 있습니다. 여기서 연구자들은 코팅된 포토레지스트를 전도성 기판에 스핀합니다. 그리고 UV 빛을 사용하여 메쉬 패턴 마스크를 사용하여 마이크로 스케일 격자를 패턴화. UV 노출 패턴은 개발자 용액을 사용하여 제거하여 전도성 기판을 드러내는 트렌치의 격자 패턴을 드러냅니다. 구리는 금속 필름이 기판의 전도성 부분만 형성하고 나머지 포토레지스트에 있지 않고 표면에 전기도금을 공급했다.
남은 포토레지스트 패턴을 제거한 후, 2나노미터 미만의 두께로 제기된 금속격자가 남아 있었다. 전기도금은 또한 표면에 생물학적 물질의 층을 증착하는 데 사용될 수 있으며, 이를 통해 센서 또는 프로브의 생체 적합성을 향상시킬 수 있다. 여기서, 키토산의 박막은 패턴의 금 음극에 전하되었다. 다당류인 치토산은 pH 6.3 이하로 용해되어 pH 6.3 이상으로 용해되지 않습니다. 음극에서의 수질 전해력은 pH의 국소 증가를 유도하여 물질의 솔겔 전환을 일으켜 증착된 필름을 불용성하게 만들었다. 이를 통해 효소 접착 및 포도당 센서 개발을 위한 생체 호환 표면으로 사용할 수 있었습니다.
당신은 막 박막의 전기 도금에 JoVE의 소개를 보았다. 이제 전기 도금 공정의 작동 방식, 실험실에서 수행되는 방법 및 이 기술의 일부 응용 프로그램을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.
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Results
프로이센 블루로 코팅된 ITO는 아래 그림 1에 나와 같이 음의 전위가 적용될 때 투명해집니다. 이 변경 사항은 양수 전압을 적용하여 되돌릴 수 있습니다.
그림 1: 그 색깔과 표백 상태에서 프로이센 블루.
보다 질적으로, 증착층의 두께는 전극 전압 또는 전극 시간을 변경하는 것을 포함하여 다양한 방법으로 변경 및 측정될 수 있다. 프로이센 블루의 경우 다양한 층 두께가 시료를 통해 빛의 백분율 전송에 영향을 미칩니다. ITO에 증착된 프로이센 블루의 양과 불투명도의 정도 사이의 관계는 UV 가시 분광계를 통해 측정될 수 있으며 그림 2 및 3에 도시된다.
그림 2: 다양한 전기 화학 적 증착 전압에 대한 색 상태에서 프로이센 블루의 UV-Vis 분광법.
그림 3: 다양한 전기 화학 적 증착 시간에 대한 색 상태에서 프로이센 블루의 UV-Vis 분광법.
더 높은 전압으로 증착된 필름은 낮은 전압으로 증착된 필름보다 낮은 백분율의 송신을 보았습니다. 이는 레이어가 낮은 전압보다 더 높은 전압에서 두껍다는 것을 나타냅니다. 또한, 더 긴 시간 동안 전기 침전된 샘플은 더 낮은 백분율 의 송신을 보았으며, 이는 필름이 더 긴 증착 시간에 두껍다는 것을 다시 한번 나타냅니다.
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Applications and Summary
이 실험에서 설명한 대로 전극은 체적의 최소한의 변화 내에서 재료 표면 특성을 수정할 수 있게 합니다. 전극 과정에서 전류는 양극과 음극 사이의 전해질 용액을 통과합니다. 전해질 용액의 양전하 양이온은 음전하 음극에 끌리고 예치됩니다. 일단 증착되면, 층의 원자는 감소 과정을 통해 전자를 얻는다.
전해질 용액에서 음극과 양극 사이에 적용되는 전류의 속도와 양에 따라 전극의 속도와 양이 달라집니다. 또한, 전극에 사용되는 금속은 일부 금속이 서로 합금하기 때문에 신중하게 선택해야합니다. 이러한 경우 여러 금속 층을 증착해야 합니다.
양이온은 기판에 화학적으로 접합되기 때문에, 전극은 통합열 팽창, 화학 부식에 대한 저항성 향상, 물리적 내구성 향상의 장점이 있다. 박막 증착의 다른 방법에 비해 전기화학적 증착의 한 가지 단점은 증착 전에 기판상의 전도성 표면의 필요성이다. 또한, 전극 공정이 항상 균일한 증착을 산출하지는 않으므로 재료 코팅의 불일치가 발생합니다.
전극은 프로이센 블루를 증착하는 것 이상으로 많은 응용 프로그램이 있습니다. 전극은 도금 공정을 높은 수준의 제어할 수 있고 다양한 미적 수정을 허용하기 때문에 보석 산업에서 광범위하게 사용됩니다. 독특한 외관을 가진 합금을 형성하기 위해 다른 금속을 증착하여 다양한 색상 변화를 달성 할 수 있습니다. 또한 금속은 균일한 방식으로 증착할 수 있어 색상 불일치를 줄이고 납땜 및 부품 라인을 숨길 수 있습니다. 주얼러는 전극을 활용하여 미학적으로 만족스러운 기능적이고 일관된 금속 코팅을 만들 수 있습니다.
전극은 자동차 산업에서도 사용됩니다. 차량은 중요한 부품에 마모되는 힘의 영향을 지속적으로 받습니다. 전극 처리는 부품의 기능적 볼륨을 변경하지 않고 다양한 부품의 특성을 수정하고 향상시킬 수 있습니다. 증착 된 크롬은 차량에 대한 우수한 마모 및 부식 방지 기능을 제공하며, 자동차가 유지 보수 및 수리에 대한 최소한의 요구 사항으로 더 오래 지속될 수 있도록 합니다.
반도체 산업에서 전극은 고전적인 증발 기술에 비해 상당한 비용, 신뢰성 및 환경 적 이점을 제공하며 매우 다른 웨이퍼 크기를 수용 할 수 있습니다. 전극 공정은 깨지기 쉬운 기판에 대한 증착을 허용하고 고급 형상 제어 또는 새로운 기능을 허용합니다. 전극은 산업 생산에 쉽게 적응하는 기술을 활용하여 저렴하게 독특한 시료의 수단을 제공합니다.
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