Cr 함량변화에 따른 Cr-DLC의 전기적, 화학적 특성 연구

Abstract

Diamond-Like Carbon(DLC)은 비정질 탄소 코팅막이며, 고내식성, 높은경도, 낮은 마찰계수, 우수한 표면조도 및 거의 모든 재료에 코팅이 가능하다는 특성을 가지고 있다. 이러한 특성을 다양한 산업 분야에 적용시키기 위한 연구들이 진행되고 있지만 DLC의 특성 중 하나인 절연특성을 가지고 있어 전기산업 분야에 적용시키기 어려운 점이 있다. 따라서 DLC에 다양한 금속을 도핑하여 전기산업 분야에 적용시키려는 시도를 하고 있으나, 대부분의 금속은 이온화 하려는 경향이 커 DLC에 도핑 할 경우 내식성이 떨어지게 된다. 따라서 본 연구에서는 Cr target을 이용하여 전기전도성을 가지며, 고내식성의 Cr-DLC 박막을 증착하고자 하였다. Hybrid process를 이용하여 증착한 박막의 Cr 함량이 전기전도성과 내식성에 얼마나 영향을 미치는지 연구하였으며, 이에 따른 Cr-DLC의 기계적, 전기적, 화학적, 구조적 특성을 확인하고자 하였다. Cr-DLC 박막의 Chromium 함량변화에 따른 특성 변화를 알아보기 위해 EPMA를 통해 원소 분율을 알아보았다. Cr Target에 DC Power 전력을 0 ~ 200W까지 변화하여 DLC에 첨가하였으며, EPMA 분석결과 Cr의 함량은 전력이 높아짐에 따라 0.1at%, 14.7at%, 17.6at%, 22.1at%, 29.7at%로 증가하였다. 라만 분석 결과 Cr을 함유하지 않은 Pure DLC 박막에서는 1536cm-1 부근에서 G peak와 1353cm-1 부근에서 D peak를 보였으며, 이는 PECVD에서 증착한 박막의 전형적인 라만 스펙트럼을 나타냈다. 하지만 Cr 함량이 증가할수록 G peak의 shift가 일어났으며, Cr의 함량이 22.1at% 이상일 때는 D peak에서 뚜렷한 변화가 관찰되었다. 이는 결정 내 결함이나 오염 등에 의해 나타나며, 본 연구에서는 Cr의 함량이 증가하여 나타난 것으로 유추하였다. 또한 Cr 함량이 증가할수록 ID/IG 값이 점점 증가였으며 이는 박막 내 sp2 결합이 증가하고, sp3 결합은 감소하는 것을 알 수 있었다. XPS 분석 결과 Cr 함량이 증가할수록 C-C(sp2) 결합의 intensity는 낮아졌으나 Pure DLC에서는 나타나지 않았던 282.8eV(Cr-C) 결합이 나타났다. 또한 17.6at% 보다 29.7at% 일 때 Cr-C 결합의 intensity가 더 높아진 것을 확인하였다. 이는 C-C(sp2)가 C-C(sp3)보다 상대적으로 낮은 결합 에너지를 갖고 있기 때문에 Cr이 C-C(sp2)와 쉽게 결합하여 Cr-C 상이 형성 된다. 전기전도성 분석 결과 박막 내 Cr 함량이 14.7at% 이상일 때 DOE 목표인 100S/cm 이상의 전도성이 나타났다. Cr 함량이 높아질수록 전기전도도 또한 증가하였으며, 14.7at%에 비교하였을 때 17.6at%에서 약 25배 증가하였다. 동전위 분극 시험 결과 Pure DLC의 전류밀도 및 부식전위가 가장 우수한 부식전위의 내식성을 나타냈다. 0.1at% ~ 17.6at% 까지는 DLC와 비슷한 수준의 우수한 내식성을 가졌으며 Cr 함량이 22.1at% 이상이 될 때 내식성이 점차 감소하는 경향을 보였다. 내식성은 전류밀도 9.12x10-2㎂/cm2, 부식전위 0.240V로 Pure DLC와 비슷한 수준이면서 내식성 및 전기전도성 모두 DOE 목표에 만족하였음을 보여주었다. 경도 측정 결과 Pure DLC는 23.67GPa의 경도 값을 나타내었으며 Cr 함량이 증가될수록 경도 값이 낮아지는 경향을 보였다. Cr 함량이 29.7at% 일 때 Cr-DLC는 17.40GPa의 경도값이 나왔으며, 이는 XPS 결과와 비교해 보았을 때 Cr 함량이 증가할수록 박막 내 Cr-C 결합이 증가하고 이러한 Cr-C 결합이 내부 응력을 증가시켜 경도가 감소하는 것으로 보여진다. 마모테스트 분석 결과 건식조건에서는 Cr 함량 14.7at% 및 17.6at%에서 마찰계수가 0.11~0.12 사이로 Pure DLC 박막 보다 더 나아진 결과를 나타냈다. 윤활조건에서의 마찰계수는 0.07~0.1 사이로 Pure DLC와 비슷하였으나 Cr이 첨가되었을 때 조금 더 나은 마찰계수 결과를 보였다. 분석이 끝난 후 GF4 Oil로 인한 박막의 손상은 보이지 않았다.