이 글의 목적은 카드뮴 도금 부품에서 발생하는 핀홀(미세공극)로 인한 누출 문제를 신속하고 체계적으로 해결하도록 공정 원인, 검출·진단, 재발 방지 대책, 관리 지표를 최고 전문가 수준으로 정리하는 것이다.
1. 핀홀 누출의 정의와 리스크
핀홀은 도금막 연속성이 깨져 기지 금속이 국부적으로 노출된 미세 결함을 말한다. 압력 용기나 유체 라인, 유압·연료·냉매 계통 부품에서는 미세 결함이 누출로 연결되어 기능 저하, 부식 가속, 안전사고로 이어진다. 카드뮴 도금은 희생양극 특성으로 강재 보호에 유리하나, 핀홀이 존재하면 보호전위 분포가 끊겨 국부 부식이 집중되는 문제가 발생한다.
주의 : 핀홀은 외관 양호판정에서도 누락되기 쉽다. 기밀 요구 부품은 외관검사 단독 판정으로 출하하지 않도록 한다.
2. 카드뮴 도금 공정 개요와 핀홀 민감 구간
2.1 전처리
알칼리 세정→수세→전해탈지→수세→산세/활성→수세 순으로 진행한다. 전처리 불량은 1차적 핀홀 원인이다. 유분, 연마제 잔사, 산화스멋이 잔존하면 도금 핵생성이 불균일하여 미도금점이 발생한다.
2.2 카드뮴 도금
산성계보다 시안계 전해액이 전통적으로 널리 쓰인다. 전류분포, 가스발생, 첨가제 과소/과잉, 슬러지·미립자 혼입이 핀홀 발생을 좌우한다.
2.3 후처리
수세→탈수→후막처리(크로메이트 대체 피막 등)→건조로 이어진다. 수세·건조 중 기포막, 수자국, 염류 석출이 도막 결함 씨앗이 된다.
3. 핀홀 누출 대표 원인 매트릭스
| 구분 | 구체 원인 | 현상/증상 | 확인 포인트 | 즉시 조치 | 근본 대책 |
|---|---|---|---|---|---|
| 전처리 잔류오염 | 유분·실리콘계 방청유, 연마제, 폴리싱 왁스, 산화스멋 잔존 | 국부 미도금, 수세 후 물막 분리, 젖음불량 | 수세 수면 장력, 접촉각, 표면 에너지 지표 | 세정액 교체, 계면활성제 보충, 초음파 세정 강화 | 유입관리(SDS·공정변경 승인), 표준 세정 사이클·농도·온도·시간 재설계 |
| 활성화 불충분 | 산세 과소, 피막재생 지연, 금속간화합물 표면 | 핵생성 지연, 피트형 핀홀 | 활성화 전후 개방회로전위, 표면광택 비교 | 신선한 활성화욕 대체, 활성화 시간 연장 | 다단 활성화, 산세 포화도·철이온 관리, 인터벌 관리 |
| 전해액 불결 | 슬러지, 금속 미립자, 섬유·먼지, 기포핵 | 점상 결함, 클러스터형 핀홀 | 여과차압, 입자계수, Hull cell 도막균일성 | 연속 여과 강화, 탱크 바닥 슬러지 제거 | 3~5회/시간 전량 순환여과, 백필터·활성탄 주기 운영 |
| 가스기포 기인 | 수소 발생, 습윤불량, 과전류, 교반 불균일 | 원형 핀홀, 고전류 영역 집중 | 전류밀도 맵, 기포 패턴, 음극분극 곡선 | 전류밀도 저감, 습윤제 보정, 공기/음극 교반 조정 | 젖음성 지표관리(장력), 캐소드 무빙, 형상지그 재설계 |
| 첨가제 불균형 | 습윤제 부족/과잉, 브라이트너 과다, 분해물 축적 | 기포 점착, 레벨링 과도/부족, 재도금부 핀홀 | 유기탄소(TOC), 적정, Hull cell 광택창 | 정확 보충, 활성탄 처리 | 첨가제 질량수지, 자동도징·인터록 |
| 전류·전위 제어 | 리플 과다, 전류 급변, 접촉불량, 음극영역 포화 | 소성·버닝, 박리부 핀홀 | 리플팩터, 서지로그, 접촉저항 | 정류기 점검, 소프트스타트 적용 | 전원 리플≤5%, 멀티스텝 전류 프로파일 |
| 부품 설계/가공 | 깊은 관통홀, 갭·모세관, 용접 기공 | 내부 기포체류, 누출 직결 | 모델 유동해석, 통기홀 유무 | 벤트홀 추가, 가공버 제거 | 도금성 고려 DFx, R0 최소화 가이드 |
| 후처리·건조 | 수세불량, 잔류염, 고온건조 기포팽창 | 건조 후 핀홀 노출 확대 | 수세수 전도도, 건조프로파일 | 순수수 2단 수세, 단계 건조 | 스프레이+디핑 혼합 수세, 에어나이프 설치 |
4. 핀홀로 인한 누출의 정량 검출법
4.1 기밀·누설 시험
- 기포시험(저압 에어+침수) : 0.1~0.3 MPa 수준에서 30~120 s 관찰한다. 미세 핀홀은 기포 발생 위치로 국부화가 가능하다.
- 압력강하법 : 일정 체적 챔버와 결합하여 ΔP/Δt로 누설률을 산출한다. 10-3~10-1 Pa·m3/s 범위를 안정적으로 검출한다.
- 질량분석(헬륨 스니퍼/배큠) : 10-9 Pa·m3/s까지 검출 가능하다. 항공·유압용 정밀 부품에 적합하다.
4.2 도막 연속성·기공 시험
- 페록실(ferroxyl) 시험 : 철기지의 기공 노출부에서 청색 반응이 나타난다. 카드뮴 도금의 핀홀 확인에 유용하다.
- 절연·스파크 시험 : 절연 피막 적용 시 고전압 스파크로 기공을 검출한다. 금속 도금 단독에서는 적용을 제한한다.
- 전기화학 임피던스(임피던스·전하전달저항) : 도막 연속성 저하를 조기에 파악한다.
4.3 미시 관찰
단면 연마 후 광학/SEM 관찰로 도막 두께, 기공 연결성, 기지-도막 계면 결함을 확인한다. 잔류 비금속입자, 기포 흔적을 추적하여 공정 구간을 역추정한다.
5. 공정 파라미터 권장 범위(시안계 카드뮴 예)
| 항목 | 권장 범위 | 핀홀 위험 시 증상 | 관리 팁 |
|---|---|---|---|
| 금속 카드뮴(Cd) 농도 | 20~40 g/L | 저농도 시 미세결정·기공 증가 | 주 1~2회 적정, 보충은 소용돌이 혼합 |
| 유리 시안화물 | 15~25 g/L | 과다 시 과도 복합체로 핵생성 지연 | 유효시안 관리, pH 및 안전관리 강화 |
| pH | 12.0~13.0 | 불안정 시 전착 효율 변동 | 자동 중화 도징, 온라인 pH |
| 온도 | 20~35 ℃ | 저온 시 기포체류, 고온 시 분해물 증가 | ±1 ℃ 범위 제어 |
| 전류밀도 | 1.0~5.0 A/dm2 | 고전류 영역 핀홀·버닝 | 형상계수별 스텝 전류 레시피 |
| 여과/순환 | 3~5 탱크회전/시간 | 입자 기인 점상 결함 | 백필터 5~10 µm, 활성탄 주기 |
| 습윤제 | 공급사 가이드 범위 | 부족 시 기포점착, 과잉 시 레벨링 저하 | Hull cell로 광택창 확인 |
주의 : 시안계 취급은 치명적 위험이 따른다. 밀폐공간, 산과의 접촉, 산성 폐수 혼합을 절대 금지한다. 유출 시 규정된 해독·응급키트와 국소배기 즉시 가동이 필수이다.
6. 두께·전착량 계산으로 핀홀 리스크 정량화
도막 두께가 얇거나 국부적으로 부족하면 기지 노출 가능성이 커진다. 파라데이 법칙을 이용해 공정 레시피 단계별 최소 보장 두께를 산정한다.
# 파라데이 두께 근사식(균일 전착 가정) # thickness [µm] = (I[A] * t[s] * η * M[g/mol]) / (n * F * ρ[g/cm^3] * A[cm^2]) * 10^4 # 카드뮴: M=112.41, n=2, ρ=8.65 g/cm^3, F=96485 C/mol 예: A=100 cm2 부품, I=8 A, t=900 s, η=0.9일 때, 두께는 약 4.7 µm 수준이다. 기밀 부품은 설계상 최소 8~12 µm, 혹은 요구 규격에 따른 하한을 확보한다. 형상계수 불리 영역은 스텝 전류 또는 리버스 펄스로 보정한다.
7. 현장 즉시 적용 ‘원인→대책’ 트러블슈팅 순서
- 누출 위치 국부화 : 저압 기포시험으로 좌표화하고 사진·좌표 로그를 남긴다.
- 재세정·재활성 미니 사이클 : 동일 부품을 알칼리 재세정→초음파→활성화→소전류 재도금 2~3 µm 실시 후 누출 재평가한다.
- 욕 분석·여과 : 전해액 시료 TOC·금속·시안·입자계수, 여과차압 확인, 8시간 활성탄 순환 실시한다.
- 전원·접촉·지그 : 리플 측정, 케이블/바스바 온도상승, 접촉저항 측정, 지그 접촉면 청소·교체한다.
- 전류 프로파일 재설계 : 초기 0.5~1.0 A/dm2 활성층 1~2 µm, 이후 목표 전류로 승전한다.
- 습윤·교반 최적화 : 습윤제 적정, 음극 흔들림 5~10 cm/s, 공기교반은 과기포 방지 범위로 제어한다.
- 후처리 수세·건조 : 순수수 2단 카스케이드, 도금 후 60 s 내 수세 착수, 80~100 ℃ 단계 건조로 기포팽창 억제한다.
8. 설계·가공 단계의 누출 예방
- 모세관·겹침면에는 통기홀을 설계하고, 블라인드 구간은 라디우스 부여로 기포 트랩을 제거한다.
- 용접·브레이징 부위는 비파괴검사 후 도금 투입한다. 미세 기공은 도금 중 가스핵이 되어 핀홀로 이어진다.
- 내부 유로가 있는 부품은 도금용 더미 또는 내부 순환 지그로 전해액 교체와 가스배출을 확보한다.
9. 공정관리 지표와 합격판정
| 항목 | 지표/기준 | 주기 | 비고 |
|---|---|---|---|
| 외관·핀홀 | 저배율 10× 전수, 의심부 50× | Lot별 | 핀홀 Zero-Defect 채택 |
| 누설률 | 요구치 ≤ 기준(예: 1×10-5 Pa·m3/s) | 전수 또는 AQL 0.1 | 기밀부품은 전수 |
| 도막두께 | 하한 ≥ 규격(예: 10±2 µm) | 샘플링 3EA/품번 | 형상불리부 우선 측정 |
| 전해액 청정도 | 입자계수, 여과차압, TOC | 일일 | 스파이크 시 활성탄 |
| 전원 리플 | ≤ 5% | 월 1회 | 서지 로거 기록 |
| 습윤성 | 수세 접촉각 ≤ 20° | 주 1회 | 표면에너지 시험 |
10. 표준작업서(SOP) 샘플
제목: Cd 도금 핀홀 제로화를 위한 기동 점검 1) 전처리 - 알칼리 세정액: 60±2 ℃, 8분, 음극전해 2분 - 초음파: 40 kHz, 3분 - 활성화: 희산 5%, 30 s (흐름 세정 후 즉시 투입) 2) 전착 - 초기: 0.8 A/dm2 × 90 s - 본착: 2.5 A/dm2 × 목표두께 달성 - 교반: 음극 왕복 8 cm/s, 공기교반 저기포 - 여과: 5 µm 백필터, 4 turnover/h 3) 후처리 - 카스케이드 수세(순수): 2단, 각 45 s - 건조: 80 ℃ 10분 + 100 ℃ 10분(단계) 4) 검사 - 기포시험: 0.2 MPa, 60 s - 두께: 형상불리부 3점 평균 - Ferroxyl: 주기 검증 샘플만 5) 이상 시 - 여과/활성탄 8 h, 첨가제 재적정 - Hull cell로 광택창 확인 후 레시피 복구 11. 재발 방지 시스템(관리도·인터록)
- SPC: 두께 하한, 누설률, 접촉각, TOC에 Xbar-R 관리도를 적용한다.
- 인터록: pH, 온도, 여과유량, 리플 초과 시 투입 금지 신호를 걸어 ‘불량의 생산’을 차단한다.
- 수명관리: 필터, 활성탄, 전해액 부분교체 주기를 데이터 기반으로 최적화한다.
12. 안전·환경 관리
- 카드뮴은 생체독성을 가진다. 도금·탈지·건조 구간에 국소배기, 호흡보호구, 혈중 카드뮴 노출 모니터링을 실시한다.
- 시안은 산과 접촉 시 청산가스가 발생한다. 산 취급 영역과 완전 분리하고, 비상세척·해독 키트, 연동 경보를 구비한다.
- 폐수는 금속·시안 동시처리 규정을 준수하고, 누출 사고 대비 차수·중화 설비를 상시 가동 가능 상태로 유지한다.
13. 현장 체크리스트
| 점검항목 | OK 기준 | 빈도 |
|---|---|---|
| 전처리 수세 접촉각 | ≤ 20° | 일일 |
| 여과 유량(회전수) | ≥ 3 turnover/h | 교대 |
| 정류기 리플 | ≤ 5% | 주간 |
| Hull cell 광택창 | 사양 범위 내 | 주간 |
| 기포시험 불량률 | 0% | 전수/로트 |
| 도막 두께 하한 | 규격 하한 이상 | 로트 |
14. 자주 묻는 질문(FAQ)
핀홀이 외관 양호 부품에서만 반복된다. 어디부터 볼까?
누출 위치 좌표를 중첩시켜 형상·전류 집중 영역과의 상관을 본다. 동일 위치 반복이면 지그 접촉과 전류밀도, 통기홀 설계, 교반 패턴을 우선 점검한다.
도막을 두껍게 하면 핀홀이 사라지나?
두께 증가는 기지 노출 확률을 낮추지만 원인 제거 없이는 미세 기공이 매몰되어 후속 열·압력 스트레스에서 재개방될 수 있다. 원인 제거 후 최소 보장 두께를 확보한다.
산성 세정 강화로 해결될까?
과도한 산세는 기지 표면을 거칠게 하여 핵생성을 불균일하게 만들 수 있다. 알칼리 탈지→전해탈지→적정 활성화의 균형이 중요하다.
시안 대체 공정으로 바꾸면 핀홀이 줄어드나?
대체 공정은 환경 측면 이점이 있으나 전착 특성, 첨가제 창, 기포 거동이 달라진다. 파일럿에서 누설률·도막 연속성 평가 후 전환한다.
누설 기준은 어떻게 정하나?
부품 기능·안전 요구에 따른다. 유압·연료 라인은 10-6~10-5 Pa·m3/s 수준을 적용하는 사례가 많다. 고객 규격을 우선한다.