전기전도성 및 표면 특성 개선을 위한 Ti첨가에 따른 DLN 박막 연구

Abstract

비정질 탄소박막인DLC(Diamond-Like Carbon) 코팅은 다이아몬드의 단단한 특성과 그라파이트의 윤활성을 동시에 가지고 있으므로 DLC 코팅의 응용분야는 금형, 기계부품, 자동차, 절삭공구 등 윤활성과 고경도성이 필요한 부품에 적용되고 있으며, 현재까지 파악이 안 된 물성에 대한 정립 및 응용분야 연구를 통해 향후 그 사용 범위가 넓어질 것으로 기대하고 있다. 그러나 DLC코팅은 금속모재와의 낮은 밀착력 및 열적 불안정성, 절연특성 등으로 인하여 적용의 한계를 나타내고 있다. 이러한 적용 한계를 극복하기 위하여 DLC박막의 일부 금속, 즉 Ti, Cu, Cr, W, N, B, Si 등을 도핑하여 그 한계를 극복하고자 하였다[2,61-65]. 전기전도도가 우수하고 내식성을 보유한 금속을 첨가한다면 절연특성으로 인한 DLC의 적용 한계점을 극복할 수 있다. 다만 전도성을 향상시키는 원소의 첨가는 DLC의 고유의 절연특성을 손상시킬 수 있으므로 적절한 첨가량을 통한 특성분석이 되야 할 것이다. 특히, 첨가되는 Ti가 DLC내부의 고르게 분포함으로써 DLN형태의 막으로 형성할 수 있다면 전기산업분야에 필요한 고내식성과 높은 전도성을 가진 DLN(Diamond-like nanocomposite)막을 얻을 수 있다[10-11]. 따라서 본 연구에서는 순도 99.99%의 Ti타겟을 사용하여 DLC박막내의 Ti을 첨가하여 Ti-DLN코팅을 제작하였다. Ti-DLN코팅은 Hybrid법을 이용하였으며, Ti함량에 따른 전기전도성을 가진 고내식성DLN코팅 막을 제작하고자 하였다. EPMA 측정 결과, 박막내의 Ti함량은 7.9at%에서 최대 42.9at%까지 함유되었다. 라만분광법분석 결과, Ti함량이 증가함에 따라 박막내의 G peak는 낮은 파수에서 높은 파수로 shift되며, 강도 비인Id/Ig비는 점차 증가하였다. 이는 박막내의 sp2결합은 증가하고, sp3결합이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, XPS분석 결과, Ti첨가량이 박막내의 dissolution limit 이상으로 첨가되는 시점인 20.2at%부터 Ti(2p) peak에서 Ti-C결합의 intensity가 강하게 존재하기 시작하였다. 전도성 및 내식성 특성 결과, 박막내의 Ti함량이 증가됨에 따라 C함량은 감소하며, 이로 인하여 부식저항이 감소하는 경향을 보였다. 전기전도도 특성에서는 Ti함량이18.8at%보다 2배 이상 급격하게 증가하였다. Ti함량이 18.8at%인 Ti-DLN박막의 XPS결과, Ti-O bond의 intensity가 강하게 존재하며, 박막내의 25.6GPa의 높은 경도, 0.2의 낮은 마찰계수, 680S/cm의 전기전도도, 높은 부식전위(0.239V) 및 낮은 전류밀도(10x10-8 A/cm2)를 가진 고내식성 특성이 관찰되었다. 따라서 적용이 가능한 최적 조건은 Ti을 18.8at% 함유한 Ti-DLN으로, 분리판의 내식성 또한 금속분리판(SUS 316L로 SUS 304와 비슷한 내식성을 가짐)보다 우수한 조건이라고 할 수 있다. 또한 우수한 기계적 특성으로 인해 분리판 외에도 기어, 랙, 밸브리프트, 피스톤 핀, 커넥션로드 등의 부품에 적용이 가능한 적합한 조건이며, 그 외에도 전기산업, 반도체분야 등에 필요한 물성을 제어하여 다른 응용분야에 확대 시킬 수 있다.