1. 서 론

최근 고체산화물 연료전지 (solid oxide fuel cells: SOFC)가 높은 에너지 변환 효율을 가지는 친환경적 발전 장치로 주목받고 있다[¹-⁴]. SOFC의 에너지 변환 효율은 60% 이상으로 다른 유형의 연료전지에 비해 우수하며, 폐열을 이용한 열병합 시스템 등 복합 발전에 적용할 경우 80% 이상의 발전 효율을 얻을 수 있다고 알려져 있다[²]. 또한 높은 작동 온도로 인해 수소 외 메탄, 알코올, 암모니아 등의 다양한 연료를 사용할 수 있어, 수소 공급망 구축을 위한 추가 투자 없이 기존 에너지원의 공급망을 활용하는 것이 가능하다[³]. 또한, SOFC는 내연기관에 비하여 CO_x, SO_x, 및 NO_x 등과 같은 대기 오염물질 배출이 매우 적어 환경적인 장점이 크다[⁴].

SOFC에서 연결재 (interconnect)는 각 셀을 전기적으로 연결하고, 인접 셀들 간의 연료와 공기를 분리하는 중요한 역할을 하는 핵심 부품이다[⁵-⁷]. 이러한 연결재의 소재는 고온의 산화 및 환원 분위기에서 우수한 전기 전도성과 구조적, 화학적 안정성을 가져야 하며, 고온에서 셀 스택을 지지하기에 충분한 열적, 기계적 물성 역시 요구된다. 또한 연결재 소재는 인접한 부품 소재와의 호환성 및 비반응성의 조건들을 충족해야 한다[⁸,⁹].

SOFC의 형태 및 운전 온도에 따라 연결재 소재로서 세라믹 또는 금속이 사용되는데, 600 ~ 800 °C의 저온에서 동작하는 평판형 SOFC에서는 금속 연결재가 일반적으로 적용되며, 그 소재로서 Cr의 함유량이 높은 페라이트계 스테인리스강 소재가 널리 사용된다[⁵-¹¹]. 그런데, SOFC의 운전 환경에서 페라이트계 스테인리스강 연결재의 표면에서 Cr 산화물의 두께가 증가하여 연결재의 계면 저항을 증가시키며, 또한 이러한 계면 산화물로부터 휘발된 Cr은 공기극 내에 증착되어 산소의 전기화학적 환원 반응을 저해하는 현상을 유발한다[⁶,⁷,¹⁰]. 이에, 금속 연결재의 전기적 특성을 유지하면서 Cr 휘발을 방지하기 위해 금속 연결재 표면에 이종 소재의 보호 코팅막을 적용하는 연구가 활발히 진행되고 있다[⁶,⁷].

페라이트계 스테인리스강 연결재의 Cr 휘발을 방지하기 위한 보호 코팅막으로는 스피넬 (spinel) 구조를 가지는 Co, Mn, Ni, Cu 등의 금속 산화물[¹¹,¹²], 희토류 페로브스카이트 (perovskite) 구조의 산화물, 그리고 Y, La, Ce와 같은 반응성 원소의 산화물 등이 연구되고 있으며, 이들 중 스피넬 구조의 금속 산화물 방지막이 현 시점에서 가장 유망한 것으로 평가된다. 이들 금속 산화물 방지 코팅막을 형성하기 위해서는 금속 또는 산화물 박막의 증착이 필요하며 전기도금, 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition: PVD), 졸-겔(Sol-Gel) 방법 등의 박막 증착 기술이 연구되고 있다[⁶,¹¹,¹²].

금속 연결재 표면에 보호 코팅막을 형성하기 위한 기술들 중, 전기도금 기술[¹²-¹⁹]을 이용한 박막 증착 방법이 비용적 측면이나 다양한 소재의 방지막 형성 가능성에서 유리한 기술로 평가된다[⁶]. 전기도금은 PVD와 달리 진공 조건이 요구되지 않으며, 졸-겔 방법에 비해 더욱 치밀한 박막 형성이 가능하며 증착 가능한 물질의 제약이 덜하다. 그러나, 전기도금으로 페라이트계 스테인리스강 표면에 박막을 형성할 때, 이미 형성된 자연 산화막으로 인한 스테인리스강-도금층 간의 계면 밀착력 부족 문제가 발생할 수 있다. 또한, SOFC 연결재 표면의 Co, Mn, Ni 및 합금 도금에 대한 연구는 상대적으로 부족한 상황이다.

따라서 본 연구는 공기극/연료극 패턴이 형성된 페라이트계 스테인리스강 연결재의 표면에 밀착력이 우수하고 두께가 균일한 Co 박막을 형성하기 위한 Co 전기도금 기술[²⁰-²³]을 개발하고자 하였다. 이를 위해 먼저 계면 밀착력 향상을 위해 Co 이온 기반 스트라이크 공정을 개발하여 주 Co 도금 공정과 결합하였다. 그리고, 개발된 두 단계 Co 도금기술을 이용하여, 주 도금공정 시 전류밀도를 변화시켜 도금한 Co 코팅막의 패턴 위치 별 Co 도금층의 두께와 미세조직을 분석하였고, 또한 실험한 도금 공정조건에 대해 유한요소법 기반 도금 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 통해, 전류 밀도에 따른 전기화학적 거동 및 도금층 성장 메커니즘을 이해하고, 패턴 위치 별 Co 도금 두께의 차이를 유발하는 전기도금 인자를 규명하고자 하였다.

2. 실험 방법

3. 결과 및 고찰

주 Co 도금공정 시 각각 10, 30, 90 mA/cm²의 전류밀도를 인가하여 증착된 Co 도금층과 기판의 단면을 주사전자현미경으로 분석한 결과를 그림 3에 나타내었다. 모든 전류밀도 조건에서 기판의 표면을 완전히 덮는 연속적인 Co 도금층이 형성되었으며, 정상적으로 형성된 패턴 측면의 기판-Co 도금층 간 계면에서 박리 등의 결함은 관찰되지 않았다. 그림 3에서, 패턴 위치에 따른 도금층의 두께가 전류 밀도에 의존함을 관찰할 수 있다. 특히, 전류밀도가 증가함에 따라 도금층의 패턴 상단부와 하단부의 두께 차이가 더 크게 나타났다. 고배율 SEM 이미지로부터 각 전류밀도 조건에서 형성된 도금층의 패턴 상 위치 별 두께를 100 μm 간격으로 5번 측정하였고, 그 결과를 그림 4와 같이 패턴 위치-두께 그래프로 표현하였다.

각 전류밀도에서 도금층의 패턴 상단부 (그림 4(a)에서 1 위치) 두께에 대한 하단부 좌우 모서리 (그림 4(a)의 3&7 위치) 두께의 비율을 비교한 결과, 전류밀도 10 mA/cm²에서는 약 75%, 30 mA/cm²에서는 약 50%, 90 mA/cm²에서는 약 20%로, 전류밀도가 증가할수록 상단부와 하단부 모서리 간 두께 차이가 증가하였다.

도금층의 전류 밀도에 따른 국부적인 두께 차이를 유발하는 인자를 규명하기 위해, 각 전류밀도 조건에 대한 도금층의 패턴 상단부 (그림 4(a)의 1 위치) 표면의 형상을 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였고, 그 결과를 그림 5에 나타내었다.

10 mA/cm²의 낮은 전류밀도 조건에서는 수 μm 크기의 각이 지고 연신된 침상 (acicular)의 결정들이 관찰되고, 30 mA/cm²에서도 역시 날카롭게 각이 졌으나 10 mA/cm²의 결정들에 비하면 연신되지 않은 작은 결정들을 확인할 수 있다. 반면, 90 mA/cm²에서는 각 지지 않고 뭉툭한 결정립들이 클러스터 형태로 뭉쳐 있는 모습을 관찰할 수 있다. 이러한 전류밀도 증가에 따른 수지상에서 클러스터 형태로의 Co 표면 형상의 변화는 이전 연구[³¹,³²]에서도 보고된 바 있는데, 이는 전류밀도 증가에 따라 기판 또는 도금층 표면 영역에서의 과전압이 증가하고, 이로 의해 도금층 결정립의 형성 및 성장 거동이 변화하는 것을 보여준다.

그림 6에 X선 회절 분석기술을 이용하여 측정된 각 도금층의 광역적인 결정 특성을 나타내었다. 이 결과를 통해, 세 전류밀도 조건에서 모두 HCP 결정구조를 가진 Co 도금층이 형성되었으며, FCC 결정구조에 의한 회절 강도(intensity)는 미미하였다. 전류밀도 10 mA/cm²에서 증착된 도금층은 (1 1 -1 0) 면이 도금층 표면에 수직인 방향 또는 도금층 성장방향인 ND에 수직인 <1 1 -1 0> // ND 성분과 <1 0 -1 0> // ND 성분의 회절 강도가 크며, 그 외 <1 1 -2 0> // ND와 <0 0 0 2> // ND 성분의 강도가 순서대로 높았다. 반면, 90 mA/cm² 도금층은 <1 0 -1 0> // ND이 가장 강도가 높은 성분이고, <1 0 -1 1> // ND 및 <1 1 -2 0> // ND 성분 역시 강도가 높으나, <0 0 0 2> // ND 성분은, 10 mA/cm² 도금층과 달리, 미약하였다. 한편, 30 mA/cm² 도금층에서는 <1 1 -2 0> // ND 성분의 강도가 높았고, 10 및 90 mA/cm² 도금층에서 주성분으로 나타난 <1 0 -1 0> // ND와 <1 0 -1 1> // ND 성분의 강도는 상대적으로 낮았다. 이러한, 전류밀도에 따른 도금층의 광역 결정성의 차이는, 그림 5에서 관찰되는 표면 형상의 차이와 같이, 전류밀도에 따라 도금층 결정립 형성 거동이 상이함을 의미한다.

전류밀도에 따른 패턴 위치 별 도금층의 결정립 크기 및 형상과 국부적인 집합조직의 차이를 분석하기 위해, EBSD 기술을 이용한 결정방위 지도 (crystallographic orientation map)를 측정하였고, 그 결과를 그림 7에 나타내었다.

측정된 도금층의 패턴 상 위치는 패턴 상단부와 하단부 모서리 근방으로 그림 4(a)의 1 및 4 위치에 해당한다. 결정방위 지도 상의 각 색은 도금층 표면에 수직인 방향 또는 도금층 성장방향인 ND에 평행한 결정방위를 나타내는 데, 예를 들어, 빨간색, 파란색, 초록색은 각각 <0 0 0 1>, <1 0 -1 0>, <2 -1 -1 0> 결정방위를 표현한다. 전류밀도 10 mA/cm²에서 증착된 Co 도금층의 패턴 상단부는 도금 초기에 ND 방향으로 길게 성장한 조대한 수지상 결정립들이, 도금 후기에는 도금 초기부터 성장해 오고 있는 큰 수지상 결정립들과 함께 등축상의 미세한 결정립들이 공존하는 결정립 구조로 구성되며, 패턴 하단부에서도 상단부와 유사한 결정립 구조가 관찰된다. 90 mA/cm² 조건의 도금층에서는, 패턴 상단부에서 도금 초기에는 연신된 미세한 결정립들이 성장하다가 도금 후반기에는 상대적으로 크기가 큰 등축상에 가까운 결정립들이 성장한 뚜렷한 2층 구조가 발달하는 반면, 패턴 하단부에서는 상단부의 도금 초기 결정립 구조와 유사한 결정립들이 관찰된다. 30 mA/cm²의 전류밀도 조건에서는, 패턴 상단부 및 하단부 결정립 구조가 10 및 90 mA/cm²의 전류밀도에서 관찰되는 두 결정립 구조가 혼재된 모습을 보여준다.

그림 8은 측정된 결정방위 지도로부터 계산된 각 도금층의 위치 별 결정립 크기 지도 및 분포를 보여준다. 세 Co 도금층의 결정립 크기는 대체로 약 2 μm였으며, 패턴 상단부에 비해 하단부에서 크기가 다소 작은 경향이 있었다. 10 및 30 mA/cm²의 전류밀도에서 증착된 도금층에 비해, 90 mA/cm² 도금층에서 패턴 상단부-하단부 간 결정립 크기의 차이가 상대적으로 컸는데, 이는 10 및 30 mA/cm²의 상대적으로 작은 전류밀도에서는 대체로 하나의 결정립 성장 메커니즘으로 도금층 결정립이 성장하는 반면, 90 mA/cm²의 높은 전류밀도에서는 도금 초기-후기 및 패턴 상단부-하단부 간 상이한 결정립 성장 메커니즘을 통해 도금층이 형성되었음을 의미한다.

그림 7의 결정방위 지도로부터 추출한 역극점도 (inverse pole figure)를 통해 전류밀도 별로 패턴 상단부 및 하단부의 국부적 집합조직의 차이를 분석하여 그림 9에서 정리하였다.

10 mA/cm²의 전류밀도 시, 패턴 상단부에 <1 0 -1 0>에서 <2 -1 -1 0>까지 걸쳐 분포하는 결정방위가 ND에 평행한 집합조직이 발달하며, 하단부에도 성분 및 강도가 유사한 집합조직이 관찰된다. 30 mA/cm² 조건에서는, 패턴 상단부-하단부 모두 주성분이 <2 -1 -1 0> // ND이고 부성분이 <1 0 -1 0> // ND인 집합조직이 발달한다. 반면, 90 mA/cm²의 전류밀도에서 증착된 도금층에서는 패턴 상단부-하단부 간 집합조직이 상이하며, 특히 하단부에 <2 -1 -1 0> // ND 집합조직이 강하게 발달하는 것을 알 수 있다.

패턴 위치 별 집합조직 유의차와 함께, 전류밀도 별 도금 초기와 후기에 발달하는 집합조직의 차이를 확인하기 위해, 패턴 상단부에서 도금 초기에 성장한 하부 표면에서 두께 20 μm 지점까지의 영역과 도금 후기에 증착된 두께 20 μm 지점에서 상부 표면까지의 영역에서의 집합조직을 그림 10과 같이 비교하였다.

그 결과, 전류밀도가 10 및 30 mA/cm² 시 증착된 도금층의 패턴 상단부에서는 도금 초기-후기 간 집합조직의 차이가 크지 않으나, 90 mA/cm² 도금층에서는 뚜렷한 도금 초기-후기 간 집합조직 차이를 관찰할 수 있다.

그림 7~10을 통해 확인한 전류밀도 별 결정립 크기 및 형상과 집합조직의 차이를 통해, 1차적으로 전류밀도에 의해 결정되는 기판 또는 도금층 표면 (즉, 전극)과 도금 용액 간에 인가되는 과전압의 크기에 따른 결정립 성장 메커니즘을 추정해 볼 수 있다. 10 mA/cm²와 같이 전류밀도가 작을 경우, Co 이온의 환원 반응의 속도가 작아 도금층 형성이 핵생성과 함께 <1 0 -1 0>에서 <2 -1 -1 0>에 걸친 결정방위가 ND에 평행한 집합조직을 가지는 특정 결정립들의 우선적인 성장이 동반하여 미세한 결정립들과 조대한 수지상 결정립들이 공존하는 것으로 판단할 수 있다. 이는 그림 8의 결정립 크기 – 면적 분율 분포 그래프에서 결정립 크기가 넓은 범위로 분포하는 것으로 유추할 수 있다. 반면, 전류밀도가 90 mA/cm²로 클 경우, 도금 속도의 증가로 인해 특정한 결정립들의 성장보다는 다수의 <2 -1 -1 0> // ND 집합조직을 가지는 핵들의 생성과 이들의 경쟁 성장으로 인해 상대적으로 더 미세한 결정립 구조를 형성하게 되는 것으로 추정할 수 있다.

한편, 전류밀도가 90 mA/cm²로 클 때 패턴 상단부에서 도금 초기에 증착된 Co 도금층과 도금 후기 도금층 간 상이한 집합조직이 발달하는 모습 (Fig 10(c))은 도금 중 증착 거동의 변화가 발생했음을 의미한다. Co 도금 시 음극에서는 Co 이온의 환원에 의한 도금층 형성과 함께 수소 이온의 환원에 의한 수소 버블의 발생이 동시에 일어나는 데, 이 때 수소 이온의 환원 속도가 Co 이온의 환원 속도보다 더 빠르다고 알려져 있다[³³]. 본 연구에서 10 mA/cm²의 낮은 전류밀도에서는 수소 발생 및 도금층 형성의 속도가 작아 도금 중 수소 발생이 도금층 형성에 미치는 영향력이 상대적으로 작아 도금 시간에 따른 미세조직 및 집합조직이 대체로 균일하게 발달하는 반면, 수소 발생과 도금층 형성이 급격하게 일어나는 90 mA/cm²에서는 도금 초기 수소 발생의 영향이 커 열역학적 안정 상태에서 벗어난 도금층, 즉 표면에너지가 상대적으로 큰 <2 -1 -1 0> // ND 집합조직을 가지는 도금층이 주도적으로 형성되고, 시간이 지남에 따라 수소 발생과 도금층 형성 간의 균형이 이루어져 상대적으로 표면에너지가 작은 <1 0 -1 0> // ND 집합조직이 다소 우세하게 발달하는 것으로 추정한다. 과거 Co 도금층의 집합조직에 대한 연구들은 대부분 X선 회절 방법을 이용하여 측정된 도금층 성장 방향에 수직한 면의 정보에 의존하고 있어 두께 방향으로의 집합조직 변화를 보고한 연구는 미미한 실정으로[³⁴], 본 연구에서 높은 전류밀도 조건에 관찰된 도금층 형성 거동 및 집합조직의 변화에 대한 정확한 원인은 향후 추가 연구를 통해 규명할 수 있을 것이다.

패턴 위치에 따른 도금 용액의 유동 거동의 차이와 그로 인한 도금 과전압 차이가 도금층 성장 거동에 중요한 영향을 미칠 것으로 판단하여, 실험에 사용된 기판 패턴과 동일한 구조에 대해 도금 시 교반에 의해 발생하는 도금 용액의 유동과 과전압에 의한 반응 전류밀도의 영향을 동시에 고려하여 패턴 위치 별 Co 이온 농도와 도금층 성장 속도를 시뮬레이션 하였다.

그림 11에 나타낸 계산된 도금 용액 내 유동 속도 분포를 통해, 패턴 상단부 표면에는 유동이 층류의 형태를 유지하며 표면에 가까워질수록 유동 속도가 감소하는 모습을 관찰할 수 있다. 트렌치 패턴 내부에는 와류가 형성되는데, 이 와류의 중심으로부터 패턴 하단부에는 유동의 방향이 반전되고 하단부 표면에 가까워질수록 유동 속도가 급격히 감소하는 양상이 나타났다. 그 결과, 패턴 하단부, 특히 하단부 모서리에서는 상단부에 비해 유동 속도가 무시할 수 있을 정도로 작다. 계산된 Co 이온 농도는 패턴 상단부 표면에 비해 하단부 표면에서 낮고, 특히 하단부 모서리에서 농도가 가장 낮다. 또한, 전류밀도가 증가함에 따라 상단부와 하단부 모서리 간 Co 이온 농도의 차이 역시 증가하였다.

계산된 Co 이온 농도의 분포 (그림 11)는 도금 용액 내 이온이 환원 반응을 위해 용액-기판 (또는 도금층) 계면으로 도달하기 위한 유동 및 확산 과정이 패턴 위치에 따라 상이함을 보여준다. 기판 또는 도금층 표면에서 환원 반응이 일어날 때 그 근처에는 환원되는 이온에 의한 이온 고갈층이 형성되는데, 용액 내 이온이 이온 고갈층을 통과하여 표면에 도달하는 속도는 용액의 교반에 의한 유동과 이온의 확산에 의해 제어된다. 본 연구에서는 패턴 상단부에서 유동 속도가 크기 때문에 이온 고갈층의 영향이 미미하여, 용액 내 이온들이 즉시 계면에 도달할 수 있어 도금층이 빠르게 성장할 수 있었다. 반면, 패턴 하단부에서는 유동이 미약하여 고갈층의 두께가 상대적으로 커지고, 이온은 확산을 통해 이동해야 하므로 도금층 성장이 느리게 진행된다. 특히, 패턴 하단부 모서리에서는 유동 속도가 매우 작고 환원 반응이 측벽과 바닥벽에서 동시에 일어나면서 소모되는 이온의 수가 가장 많으므로 이 영역에서의 이온 농도가 가장 낮게 됨을 유추할 있다. 한편, 전류밀도의 증가로 인한 환원 반응 속도의 증가와 이에 의한 이온 고갈층 두께의 증가는 도금층 성장 거동의 차이를 유발할 것이며, 이는 90 mA/cm²의 높은 전류밀도에서 증착된 도금층이 10 mA/cm² 도금층과 비교하여 상이한 결정립 구조 및 집합조직이 발달한 이유를 설명한다.

시뮬레이션을 통해 계산된 유동 속도와 이온 농도의 패턴 위치에 따른 차이의 결과로 얻어지는 도금층의 패턴 위치 별 두께를, 그림 12에서 나타낸 것과 같이, 실험을 통해 측정된 두께와 비교하였다.

낮은 전류밀도 (10 & 30 mA/cm²)에서는 실험과 시뮬레이션 간 도금층의 국부적 두께 경향이 작은 오차를 가지면서 유사한 반면, 높은 전류밀도 (90 mA/cm²)에서는 두 값 간에 다소 큰 차이가 관찰된다. 이는 90 mA/cm² 도금층의 형성 시 높은 전류밀도에서는 유동과 과전압 외에 또 다른 도금 인자가 패턴 위치 별 이온 농도에 영향을 끼칠 수 있음을 의미하며, 앞서 이 전류밀도 조건의 도금층에서 관찰된 패턴 상단부의 도금 초기-후기 간 및 패턴 상단부-하단부 간 상이하게 발달한 결정립 구조/집합조직과도 연관되어 있는 것으로 추정된다. 또한, 이 인자는 유동 속도가 큰 패턴 상단부보다는 유동 속도가 작은 하단부, 특히 하단부 모서리 영역에서 큰 영향을 끼침을 알 수 있다.

Co 도금 시 이온의 환원 반응 (Co²⁺ (aq)+ 2e^- → Co (s))의 표준 환원 전위 (standard reduction potential)가 -0.277V_SHE로 낮아 수소 발생이 Co 도금층 성장 거동에 영향을 미칠 것으로 판단하였다. 이에 표준 환원 전위가 0.337 V_SHE로 높아 수소 발생이 억제되는 Cu 도금을 Co 도금과 동일한 패턴 기판에 대해 동일한 방법으로 실험과 시뮬레이션을 실시하였다. 그 결과, 그림 13에 나타낸 것과 같이, 90 mA/cm²의 높은 전류밀도에서도 Cu 도금층 두께의 패턴 위치 별 실험 및 시뮬레이션 결과 간 차이가 Co 도금층에 비해 매우 작은 것을 확인할 수 있다.

이를 통해, 높은 전류밀도 조건의 Co 도금 시에는 도금 층의 성장 거동이 수소 발생의 영향을 받으며, 이로 인해 패턴 상단부-하단부 및 도금 초기-후기 간 상이한 결정립 구조/집합조직이 발달하는 것으로 유추할 수 있다.

Co 도금층이 적용된 연결재의 전기적 성능 평가로서, 본 연구의 Co 스트라이크 – Co 주 도금 공정과 Ni 스트라이크 – Co 주 도금 공정이 적용된 두 평판 시료의 800 °C 열처리 시 시간에 따른 면저항 (ASR)의 변화를 측정하였고, 그 결과를 그림 14에 나타내었다.

열처리 초기 (100 & 300 h)에는 Co 스트라이크 – Co 주 도금 공정이 적용된 시료의 면저항이 Ni 스트라이크 – Co 주 도금 공정이 적용된 시료에 비해 다소 높으나, 500 h 후에는 Co 스트라이크 – Co 주 도금 공정이 더 낮은 ASR을 보였는데, 이는 Co 스트라이크 – Co 주 도금 공정을 통해 장시간 고온 안정성 또는 Cr 휘발 방지 성능이 더 우수한 연결재의 제조가 가능함을 의미한다. 향후 Co 도금층의 고온 거동에 대한 추가 연구를 통해 고온에서의 Cr 휘발 또는 ASR 증가를 획기적으로 방지하는 기술이 개발될 수 있을 것으로 기대한다.

4. 결 론

저온 SOFC용 페라이트계 스텐인리스강 연결재 표면에 계면 밀착력과 두께 균일도가 우수한 Co 전기도금 기술을 개발하기 위해, 스트라이크 + 주 도금 공정의 두 단계 도금 공정기술을 개발하였다. 이를 이용하여 주 도금 공정 시 인가되는 전류밀도에 따른 연결재 패턴 위치 별 도금층 두께와 미세조직을 분석하고, 유한요소법 기반 도금 시뮬레이션을 실시하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) 페라이트계 스테인리스강 기판과 Co 도금층 간의 계면 밀착력을 향상시키기 위한 Co 이온이 포함된 도금 용액에 기반한 스트라이크 공정을 개발하였다.

2) 패턴 위치에 따라 도금층 두께의 불균일성이 확인되었으며, 패턴 상단부에서 두껍고 하단부에서 얇았다. 특히 패턴 하단부 모서리에서 도금층의 두께가 가장 작았으며, 이러한 패턴 위치 별 도금층 두께의 불균일성은 전류밀도가 증가할수록 심화되었다.

3) 전류밀도에 따른 도금층의 결정립 형상 및 크기와 집합조직을 분석한 결과, 낮은 전류밀도 (10 mA/cm²)에서 증착된 도금층은 대체로 <1 0 -1 0> ~ <2 -1 -1 0> // ND 집합조직을 가지는 길게 연신된 조대한 수지상 결정립들이 형성되었으며, 패턴 상단부와 하단부 간 미세조직/집합조직의 차이가 미미했다. 반면, 높은 전류밀도 (90 mA/cm²) 조건에서는 패턴 상단부에서 초기에는 미세한 <2 -1 -1 0> // ND 집합조직의 결정립들이 성장하고, 후기에는 상대적으로 크기가 큰 등축상의 <1 0 -1 0> // ND 집합조직을 가지는 결정립들이 성장하여 뚜렷이 구분되는 2층의 미세조직/집합조직이 발달하였고, 패턴 하단부에는 상단부의 초기 미세조직/집합조직이 관찰되었다.

4) 유한요소법 기반 시뮬레이션을 통해, 실험에서 관찰된 도금층 두께의 패턴 위치 별 차이를 용액 내 Co 이온의 유동과 확산에 의한 이동의 패턴 위치 별 영향성 차이로 설명할 수 있었다. 패턴 상단부에서는 큰 유동 속도로 인해 이온 고갈층의 영향이 미약하여 도금층이 빠르게 성장할 수 있는 반면, 패턴 하단부에서는 유동이 미약하고 이온 고갈층의 두께가 상대적으로 커 확산에 의한 이온의 이동에 의해 제어되어 도금층의 성장이 느리게 된다. 또한, 전류밀도의 증가에 따른 환원 반응 속도의 증가 및 이에 따른 이온 고갈층 두께의 증가가 패턴 위치에 따른 도금층의 미세조직/집합조직이 상이하게 발달할 수 있음을 유추할 수 있었다.

5) 표준 환원 전위가 -0.277 V_SHE로 낮은 Co 도금 대비, 상대적으로 높은 표준 환원 전위 (0.337 V)로 인해 수소 발생이 억제되는 Cu 도금에 대해 동일한 방법의 실험과 시뮬레이션을 실시한 결과, 높은 전류밀도 조건에서 실험-시뮬레이션 간 도금층 두께 차이를 보였던 Co 도금에 비해 Cu 도금층에서는 그 차이가 미약하였다. 이를 통해, 높은 전류밀도 조건의 Co 도금 시 도금층의 성장 거동의 해석에 수소 발생의 영향을 고려해야 함을 알 수 있었다.