Make Simulation a Part of Your Workflow
모든 화학공정이 그렇듯이, 목적에 따라 서로 다른 규모의 도금 공정의 많은 효과를 연구할 수 있습니다. 미세 크기 단위에서 도금 반응속도에 대해 다른 평활제나 두드러진 조건의 영향과, 연관된 전기화학 반응속도를 연구하는 것을 의미합니다. 상대 전극에서 전기촉매와 전극 미세 구조의 신중한 선택이 요구되며, 특히 손실 최소화가 필요한 전해채취에서 요구됩니다. 공정을 해석하고, 실험 또는 데이터와 비교하며, 전극 표면에서 전하 전달 반응 메커니즘을 이해하게 하며, 각 반응에서 교환전류밀도와 전하 전달 계수와 같은 전기화학 반응속도 매개변수를 얻어야 할 것입니다. 이러한 메커니즘 및 매개변수를 알면 큰 규모에서 도금 또는 에칭 분포 및 반응속도를 해석할 수 있습니다. 동시에 셀과 전극의 형상, 셀 전압 또는 인가된 전류, 마스크와 차폐, 전해질 조성과 유동, 기체 생성, 그리고 온도와 같은 시스템의 운전조건을 고려할 수 있게 됩니다.
Electrodeposition 모듈에서 기본이 되는 표준화된 COMSOL Desktop® 사용자 인터페이스는 COMSOL 제품군에 있는 모든 추가 제품들에 대해서도 사용될 수 있습니다. 이는 열적 효과를 연구하기 위한 Heat Transfer 모듈과 이상 유동의 효과를 해석하기 위한 CFD 모듈과 같이 다른 모듈에서 도금과 에칭 공정과 관련된 물리현상을 연동하는 것을 가능하게 합니다. 게다가 전기화학 셀을 모델링 하기 위해 사용한 같은 모델 파일을 공유하여, 구조적 무결성과 같이 다른 물리 특성을 모델링 할 수 있습니다. 이런 통일된 모델링 양식은 여러 분야 전반을 거쳐 같은 공정에서 일하는 엔지니어가 협력하도록 하는 완벽한 도구 입니다.
Easy-to-use Tools for Modeling Electrodeposition and Electroplating cells
Electrodeposition 모듈은 전기도금 및 전기도금 셀과 관련된 다양한 특성에 대해 쉽게 사용할 수 있는 수많은 기능을 사용할 수 있습니다. 다음과 같은 기능들을 포함합니다:
Electrochemical Reaction Kinetics
반응속도 식이 모델링된 변수들에 의한 임의의 함수로 정의될 때, 전기화학 전하 전달 반응을 정의할 수 있습니다. 이러한 변수들의 예로 화학 종의 농도, 전극-전해질 계면에서 국소적인 전극 및 전해질의 전위, 그리고 온도가 해당됩니다. Secondary/Tertiary Current Distribution 인터페이스에서 교환전류밀도와 양극 및 음극 전하 전달 계수, 양론계수, 그리고 시스템의 전극 반응에 대한 평형전위와 같이 전극 반응에 대한 매개변수를 입력할 수 있습니다. 또한 내장된 수식으로 버틀러-볼머(Butler-Volmer)와 타펠(Tafel) 식을 이용할 수 있습니다. 게다가 전극 표면에서 수소 생성을 추가하는 것과 같이 단일 전극 표면에 몇몇 경쟁 반응을 추가할 수 있습니다. 3차 전류 분포의 경우, 농도에 대한 변수를 사용하여 전극 반응속도식의 전기활성 화학종의 국소적인 농도와 전기화학 반응을 연동할 수 있습니다. 또한 농도 과전위는 농도 과전위의 기여에 대한 네른스트 식(Nernst equations)을 사용하여 추정될 수 있습니다.
Fluid Flow
Navier-Stokes, Darcy’s Law, Brinkman equation을 통해서 층류 및 다공성 매질의 유동흐름 모델링에 대한 인터페이스를 Electrodeposition 모듈에서 이용가능 합니다. 난류 및 다상 유동은 CFD 모듈의 적절한 물리 인터페이스를 연동하여 해석에 고려할 수 있습니다.
Electrodeposited Layers
Electrodeposition 모듈은 캐소드의 두께에 전착막 성장에 대한 경계 움직임을 모델링하여 전기화학 공정에 형상변화의 영향을 포함시킬 수 있습니다. 표면이 벗겨지거나 성장하는 것은 셀의 운전에 상당한 영향을 미칠 수 있으며, Electrodeposition 모듈은 이러한 변화를 해석의 일부로 고려할 수 있습니다. 게다가 전착된 금속 막 또는 애노드 두께 변화가 작은 경우에 대해 도금 두께를 유지하는 물리 인터페이스를 선택할 수 있으며, 형상의 실제적인 변화 없이 전극에서 옴의 효과에 어떻게 영향을 주는지를 볼 수 있습니다. 대신 두께의 변수는 전극의 국소적인 전기 전도에 영향을 줄 수 있습니다. 전극 반응에 대해 도금되거나 소모되는 금속의 양론계수, 분자량, 밀도를 정의하여, 전극 반응식으로부터 전극 두께를 자동적으로 계산할 수 있습니다.
Current Balances in the Electrolyte and Electrodes
전류와 전하 보존과 함께 전해질의 이온 전달과 전극의 전자 전도를 설명하는 것은 Electrodeposition 모듈의 중요한 요소입니다. Primary/Secondary Current Distribution 인터페이스에서 전해질에서 이온 전달은 확산의 영향을 무시하고, 이온 영동(migration)을 통해서만 이동하도록 가정합니다. 이는 전해질에서 농도구배를 충분히 무시할 만큼 잘 혼합된 상황에서 유용합니다. Secondary current distribution수식은 전극 표면에서 경계층을 가로지르는 농도 변화에 대해 분석식을 사용하여 전극 표면 주변에만 농도 구배를 가질 때 유용하게 사용할 수 있습니다. Tertiary Current Distribution 인터페이스에서 전해질의 이온 전달은 확산, 대류, 그리고 영동(Nernst-Planck equations)을 사용하여 모사됩니다. 이 모듈에서 전류 밀도는 이온 전달의 모든 영향을 전류 밀도에 추가하여 자동적으로 계산됩니다. 결론적으로 전류 밀도는 이온의 확산과 영동에 의해 표현되며, 전해질에 상당한 농도 변화가 존재할 때에 필요합니다. 전극에서 전류 수지는 전극 반응 속도를 통해 전극 표면에서 전해질의 전류 수지식과 완전히 연동됩니다. 옴의 법칙은 전극에서 전류의 전도를 설명합니다. 또한 Electrodeposition 모듈은 도금 공정의 시작에서 스트라이크(strike)를 모델링 하기 위하여 얇은 금속 구조 또는 쉘을 통해 전류 전달을 모델링 하기 위한 인터페이스를 포함합니다. 이는 전극에서 옴의 손실을 고려하여 전해질의 전류 수지식와 더불어 비전도성 구조에 얇은 도금 층을 모델링 할 수 있게 합니다.
Material Transport
Electrodeposition 모듈은 희석/농축 용액에서 확산, 대류, 영동을 통해 화학 물질의 전달을 모델링 합니다. 모듈은 내장된 Nernst-Planck Equations 인터페이스를 포함하며, 영동 또한 희석/농축 용액뿐만 아니라 다공성 매질 내에서 Chemical Species Transport 인터페이스에 추가됩니다.
Heat Transfer
대류, 전도, 그리고 줄 가열은 Electrodeposition 모듈을 가진다면 모두 모델링 할 수 있으며, 이는 다공성 매질을 통한 열전달에 대해서 정의된 물리 인터페이스를 포함합니다. 이 모듈은 전기화학 공정부터 열 수지식까지 영향을 포함합니다. 예를 들어, 전극 경계에서 열원으로써 활성 과전위 때문에 발생하는 열손실을 추가합니다.
음극과 양극에서 Butler-Volmer 반응식을 이용한 2차 전류 분포로 가정한 전기 도금. 위 그래프는 부품의 앞/뒤쪽 면에서 도금된 두께를 보여줍니다.
