Hybrid Coating에 의해 증착된 DLC Film에 미치는 Interlayer의 영향

Title
Hybrid Coating에 의해 증착된 DLC Film에 미치는 Interlayer의 영향
Author
송진수
Advisor(s)
남태운
Issue Date
2011-08
Publisher
한양대학교
Degree
Doctor
Abstract
Diamond-like carbon(DLC)막은 금속 기재에 대한 밀착성이 낮고 400℃ 이하에서 열적 안정성을 보여 다양한 응용분야로의 확대에 제한이 따르고 있다. 따라서 금속 기재에 대한 밀착력 향상 방법으로 이종물질을 이용한 중간층 성막법과 DLC막에 이종물질을 첨가하여 잔류응력을 제어하는 방법이 이용되고 있다. 소재에 DLC를 코팅하는 것보다는 중간층의 막을 형성하는 것이, 밀착력 마찰력 및 경도 등의 기계적 성질에 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 중간층으로 금속층이 증착된 DLC 박막의 특성에 대한 연구가 진행되어 왔다. DLC 박막은 높은 경도, 내마모성, 윤활성, 화학적 안정성, 내식성, 광학적 특성 등과 같은 여러 가지 장점으로 다양한 분야에 응용되고 있으나 박막 내에 존재하는 높은 잔류응력으로 인하여 기판과의 접착성이 낮은 단점을 가지고 있어 이에 대한 개선이 요구 되는바, 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 크롬(Cr)계와 티타늄(Ti)계 및 SiOxCy 등 2원계에서 5원계까지의 다양한 중간층을 증착하여 특성을 연구하였다. 또한 증착방법으로 Arc Ion Plating(AIP), sputtering 및 plasma enhanced chemical vapor deposition(PECVD) 등이 가능한 hybrid coating system을 사용하여 증간층을 증착하였고 PECVD와 sputtering을 활용하여 DLC를 합성하여 DLC와 모재의 밀착력 향상을 위한 중간층의 영향과 DLC의 기계적 특성을 관찰하였다. 본 연구에서 얻은 결과는 다음과 같다. 기재에 interlayer 코팅을 할 경우 sputtering에 비하여 AIP법이 양호한 것을 확인할 수 있었다. AIP법을 활용하여 interlayer를 코팅했을 경우 합성원소와 관련하여 2원계인 CrN이 가장 좋은 밀착력(73 N)을 보였으며, 경도는 4원계인 TiAlCrN(2800 Hv)이 가장 우수한 것으로 나타났다. Interlayer를 이용하여 밀착력을 높이고 잔류응력을 감소시켜 금속기지와 중간층 결합력 및 중간층과 DLC 박막간의 결합력을 증가시킴으로 밀착력을 증가시킬 수 있었다. CrN과 CrCN 및 TiN, TiCN 중간층 코팅 후 DLC박막을 제조할 경우 밀착력이 양호하였다. 중간층을 코팅 후 DLC를 증착하였을 경우 경도는 별다른 차이가 없었고 마찰계수 또한 유사한 값을 나타내었으며, 표면조도는 Cr(0.6 nm)과 TiN(0.7 nm)을 중간층으로 활용하였을 경우 양호한 값을 얻을 수 있었다. PECVD에 의하여 SiOxCy를 interlayer로 코팅하였을 경우, 반응가스압력이 높으면 증착에 기여하는 반응성 이온이나 반응활성종의 수가 증가하기 때문에 증착속도가 높았다. SiOxCy의 경우는 바이어스전압의 의존성은 다른 시험조건들에 비해 상대적으로 적었다. 공정온도에 따른 증착속도는 Yasuda 등이 보고한 증착속도에 관한 관계식과 일치함을 알 수 있었으며 증착 속도는 증착온도가 증가함 따라 지수적으로 감소함을 확일 할 수 있었다. PECVD에 의해 SiOxCy를 interlayer로 코팅하고 DLC를 증착하였을 경우, 바이어스 전압과 가스압이 높고 온도가 낮은 조건에서 코팅하는 것이 코팅속도를 최대로 높일 수 가 있었다. 온도가 증가함에 따라 표면 모폴로지 크기가 다소 증가하는 것을 확인하였다. 밀착력의 경우 바이어스 전압에 반비례하는 경향을 나타내었으며 이것은 바이어스 전압의 증가에 따라 C-C, C=C 결합 보다 결합력이 약한 C-H 결합이 쉽게 분해되어 내부압축응력을 조장하는 현상이 됨을 확인할 수 있었다. TiAlSiN박막은 주성장방향이 TiN(111), TiN(200)이었으며 CrTiAlN 및 CrTiAlSiN 박막의 주성장방향은 CrN(200)이 됨을 알 수 있었다. 미소경도와 밀착력은 CrTiAlN 박막이 35 GPa, 70 N 이었으며 CrTiAlSiN 박막이 29 GPa, 55 N 이었다. 마찰계수는 DLC를 증착함에 따라 양호한 값을 가졌으며, 마모현상은 sputtering법에 의해 CrN을 코팅하고 DLC를 증착한 경우가 가장 양호한 값이 나타나는 것을 알 수 있었다. 본 연구에서는 다양한 종류의 중간층과 증착방법 가운데 arc ion plating(AIP)법과 sputtering 및 PECVD가 유용한 증착방법이며, 중간층 성능으로는 CrN과 TiAlCrN이 우수하였으며 DLC를 코팅하는 경우는 CrN, CrCN 및 TiN, TiCN이 양호한 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
URI
https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/138782http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000417263
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GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > DEPARTMENT OF METALLURGY & MATERIALS ENGINEERING(금속재료공학과) > Theses (Ph.D.)
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