KR100375333B1 - 단일 소스를 이용한 코팅과 표면 처리 장치 및 방법 - Google Patents

단일 소스를 이용한 코팅과 표면 처리 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단일 소스(Single Source)를 사용하여 상온에서 모든 고상의 금속과 절연물에 대한 코팅 및 표면 처리가 가능한 단일 소스를 이용한 코팅과 표면 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 레이저광을 발생하는 레이저와; 상기 레이저에 의하여 발생된 레이저광의 포커싱(Focusing)과 스캐닝(Scanning)을 하기 위한 광 어셈블리와; 상기 펄스 모드 레이저광에 의하여 플라즈마를 발생시켜 증착원이 되는 타겟과; 상기 타겟을 장착시켜 주는 타겟 홀더와; 상기 타겟에 펄스 모드의 고전압 펄스를 공급해 주는 고전압 펄스 발생부와; 상기 고전압 펄스 발생부에서 출력되는 고전압 펄스를 상기 타겟에 공급해 주는 고전압 피드스루와; 상기 레이저에 의하여 발생된 펄스 모드의 레이저광에 의하여 발생된 타겟의 플라즈마를 사용하여 코팅 또는 표면 개질의 대상이 되는 모재와; 상기 모재를 장착시켜 주는 모재 홀더와; 상기 타겟, 타겟 홀더, 모재, 모재 홀더를 그 내부에 수용하면서 일정 진공도를 유지시켜 주는 진공 챔버와; 상기 진공 챔버의 진공도를 일정하게 유지시켜 주는 진공 시스템으로 구성된다.

Description

단일 소스를 이용한 코팅과 표면 처리 장치 및 방법{Apparatus and Method for Coating And Surface Modification Using Single Source}
본 발명은 단일 소스를 이용한 코팅과 표면 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 소스(Single Source)를 사용하여 상온에서 모든 고상의 금속과 절연물에 대한 코팅 및 표면 처리가 가능한 단일 소스를 이용한 코팅과 표면 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 모재의 표면에 기능성을 부가하기 위한 기술 개발 노력에 힘입어 환경 오염의 염려가 없는 건식 코팅은 눈부신 발전을 하여 왔다. 코팅이나 표면 개질을 통하여 모재의 표면에 미려한 색상, 내마모성, 윤활성, 내부식성, 고강도 등의 기능을 부여하기 위한 종래의 건식 코팅 및 표면 개질 방식에서는 스퍼터링, 증착(evaporation), 진공 아크 등을 이용한 코팅을 하거나 모재에 조사되는 이온 에너지를 이용하기 위한 이온 빔 소스 등을 개별적으로 또는 병합하여 사용함으로써 원하는 목적을 달성하여 왔다.
개별 증착원을 사용한 종래의 기술에서는 코팅하고자 하는 모재에 음 전위의 바이어스 전압을 가하여 줌으로써 증착원으로부터 발생한 플라즈마 내의 양이온을 모재 방향으로 가속시키는 방법을 이용하여 표면 개질 또는 코팅막의 기계적, 물리적 화학적 특성의 향상을 꾀하였다.
그러나, 건식 코팅은 라인-오브-사이트(line-of-sight) 특성으로 인하여 증착원의 대향면에만 표면 처리가 가능하여 복잡한 형상의 모재에 균일한 표면 처리 효과를 얻기 위해서는 정지된 모재에 여러 개의 증착원을 여러 방향에서 조사되게하거나 단일 증착원에 대하여 노출되는 모재의 면이 변할 수 있도록 표면 처리 중의 모재를 구동시키는 것이 필수적이다.
여러 개의 증착원을 사용할 경우 장치의 복잡성은 물론이고 장치 자체가 고가가 된다. 또한 모재를 구동시키고자 하는 경우 진공을 통하여 구동되고 있는 모재에 바이어스를 걸어 플라즈마 내의 이온 에너지를 조절하는 데에 한계가 있게 된다.
이를 극복하기 위한 한 방법은 증착원과는 독립된 이온 소스를 별도로 설치함으로써 증착과 이온 에너지를 이용한 표면 처리의 방식을 채택하는 것이 가능하며, 실제 이러한 이중 소스를 결합한 표면 처리 방식이 많이 사용되고 있다. 이와 같은 이중 소스(Dual Source)를 사용하는 종래의 방법은 동시 사용 시 각 소스의 개별적인 파라메터 조절을 통하여 증착 속도, 이온 주입량(dose) 및 이온 에너지를 별개로 조절 가능하다는 장점이 있으나, 전체 건식 성막/표면 처리 장치의 구조가 복잡해질 뿐 아니라 고가인 단점이 있다.
또한 통상의 증착원이나 이온 빔 소스들의 경우에는 플라즈마 형성을 가능하게 하기 위하여 진공 챔버 내에 일정 압력이 유지되도록 공정용 가스를 주입시키며 사용하는 것이 통상이며, 따라서 공정 압력이 10-5∼10-2torr 정도가 되는데, 이와 같은 공정 압력의 증가는 이온의 평균 자유 행로를 감소시켜 이온 에너지의 감소를 가져올 뿐 아니라 공정 가스가 코팅층에 불순물로 흡입되는 단점도 있다.
한편, 모재의 표면에 기능성을 부가하기 위하여 증착된 코팅의 물리적, 기계적 성질은 모재와 박막재료 간의 접착력, 내부응력, 코팅의 미세구조 및 밀도 등에 의하여 크게 영향을 받는다. 코팅의 기계적, 물리적 성질을 개선하기 위하여 증착된 필름에 고 에너지의 이온을 조사하거나 증착 소스(Deposition Source)와 이온 빔 소스(Ion Beam Source)를 동시에 가동시켜 코팅중의 박막 구조제어 및 밀도를 향상시키는 방법(Ion Beam Modification; IBM)이 효과적으로 판명되어 널리 사용되고 있다. 통상적으로 상기의 IBM, IBAD(Ion Beam Assisted Deposition), IBED(Ion Beam Enhanced Deposition)를 사용하기 위해서는 증착 소스와 별개의 이온 빔 소스를 동시 또는 번갈아 사용함으로서 이루어지는데, 이와 같은 이중 소스(Dual Source)를 사용하는 종래의 방법은 동시 사용 시 각 소스의 개별적인 파라메터 조절을 통하여 증착 속도, 이온 dose 및 이온 에너지를 별개로 조절 가능하다는 장점이 있으나 전체 코팅 장치의 구조가 복잡해질 뿐 아니라 고가인 단점이 있다.
진공 아크나 증발 소스(evaporation source)를 이용하는 이온 도금(Ion Plating) 방식이나 스퍼터링 방식을 적용하는 증착 방식에서는 코팅시키고자 하는 모재에 음 전위의 기판 바이어스 전압을 걸어줌으로써 본 발명과 유사한 증착 또는 IBM(Ion Beam Modification)의 효과를 얻을 수 있다.
그러나, 상기의 기판 바이어스 방식으로는 이온 주입(Ion implantation)을 위한 수 kV 이상의 고전압이 걸린 모재를 균일한 코팅 효과를 얻기 위하여 구동시키는 것이 불가능할 뿐 만 아니라, 진공 아크 방식의 경우 코팅을 위하여 사용되는 타겟 자체도 금속에 한정되게 된다. 또한 타겟 가열 방지를 위한 타겟 수냉 장치가 필수적이어서 구조가 복잡해지는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 단일 소스(Single Source)를 사용하여 상온에서 적절한 파장대의 레이저 에너지를 흡수할 수 있는 모든 고상의 금속과 절연물에도 적용 가능하며 불순물의 영향을 배제한 고진공에서의 코팅 및 표면처리가 가능한 코팅과 표면 처리 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에서 제공하는 장치의 모식도.
도 2는 본 발명에서 제공되는 증착/이온주입 동시처리 실시에 따른 RBS 분석 결과 예.
도 3은 delay time 변화에 따른 이온 전류의 특성을 보인 모식도.
도 4는 본 발명에서 제공하는 방식에 의하여 코팅된 내마모 비정질 카본 박막의 내마모성 향상을 보인 예.
도 5는 본 발명에서 제공하는 방식에 의하여 코팅된 고체 윤활성 MoS2 박막의 윤활 특성 향상을 보인 예.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 레이저 2 : 광 어셈블리
3 : 입사창 4 : 진공 챔버
5 : 고전압 펄스 발생부 6 : 고전압 피드스루
7 : 타겟 8 : 모재
9 : 타겟 홀더 10 : 모재 홀더
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 레이저광을 발생하는 레이저와;
상기 레이저에 의하여 발생된 레이저광의 포커싱(Focusing)과 스캐닝(Scanning)을 하기 위한 광 어셈블리와; 상기 펄스 모드 레이저광에 의하여 플라즈마를 발생시켜 증착원이 되는 타겟과; 상기 타겟을 장착시켜 주는 타겟 홀더와; 상기 타겟에 펄스 모드의 고전압 펄스를 공급해 주는 고전압 펄스 발생부와; 상기 고전압 펄스 발생부에서 출력되는 고전압 펄스를 상기 타겟에 공급해 주는 고전압 피드스루와; 상기 레이저에 의하여 발생된 펄스 모드의 레이저광에 의하여 발생된 타겟의 플라즈마를 사용하여 코팅 또는 표면 개질의 대상이 되는 모재와; 상기 모재를 장착시켜 주며 모재의 직선 또는 회전운동을 가능하게 하는 모재 홀더와; 상기 타겟, 타겟 홀더, 모재, 모재 홀더를 그 내부에 수용하면서 일정 진공도를 유지시켜 주는 진공 챔버와; 상기 진공 챔버의 진공도를 일정하게 유지시켜 주는 진공 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 소스를 이용한 코팅과 표면 처리 장치를 제공한다.
상기 레이저는 펄스 모드의 레이저광을 출력하여, 상기 타겟을 플라즈마로 변화시켜 주며, 상기 레이저는 펄스 폭, 펄스 주기 그리고 펄스 에너지의 조절이 가능한 펄스 모드 레이저광을 출력함으로써, 상기 타겟의 플라즈마 인텐시티 조절을 가능하게 한다.
그리고, 상기 타겟에 공급되는 고전압 펄스 발생부의 고전압 펄스와 레이저의 펄스간의 동기 일치와, 레이저 펄스와 고전압 펄스간의 동기 지연 시간(delay time)의 조절이 가능하다.
상기 고전압 펄스 발생부는 상기 타겟에서 발생하여 모재방향으로 진행하는 플라즈마 내의 이온 에너지의 조절이 가능하도록 출력 전압의 조절이 가능하다. 상기 모재 홀더는 회전 및 직선 운동이 가능한 구동부로 구성된다.
상기 펄스 레이저 광 조사에 의하여 상기 타겟에서 발생하는 플라즈마 플룸(plum)은 단일 플라즈마 소스로서 이를 이용하여 단순 증착, 이온 주입, IBAD(Ion Implantation, Ion Beam Assisted Deposition), IBED(Ion Beam Enhanced Deposition), 증착/이온주입 동시처리가 가능하다.
상기 단일 소스를 이용한 증착 방법으로 단순 증착, 이온 주입, IBAD(Ion Implantation, Ion Beam Assisted Deposition), IBED(Ion Beam Enhanced Deposition), 증착/이온주입 중에서 어느 한 방식을 선택하여 수행하는 방법과, 상기 방법 중에서 적어도 한 방법 이상의 방법을 선택하여 임의의 순서로 조합하여 수행하는 것이 가능하며, 이것은 상기 타겟에 공급되는 고전압 펄스의 유무, 전압의 고저 그리고 동기된 고전압 발생부의 고전압 펄스와 레이저의 펄스간의 동기 지연 시간(delay time)의 조절을 통하여 가능하게 된다.
본 발명에서 제공되는 코팅/표면개질 장치 및 방식은 레이저 펄스에 의하여 생성된 플라즈마내의 이온을 타겟에 인가된 고전압을 이용하여 가속시켜 높은 에너지를 가지게 된 이온을 이용하고자 하는 것으로서 타겟에 조사되는 레이저 펄스와 타겟에 인가되는 고전압 펄스의 상대적인 지연 시간(Delay Time)의 조절, 인가 전압 조절 및 인가시간의 독립적 조절 그리고 펄스 레이저의 에너지를 조절하여 가속되는 이온의 양 및 에너지 그리고 증착되는 파티클의 양을 조절하는 것이 가능하여 모재의 표면 개질을 위한 IBM(Ion Beam Modification)과 IBAD(Ion Beam Assisted Deposition), 그리고 이온 주입(Ion Implantation)의 모든 모드가 가능하게 된다. 또한 플라즈마 형성을 위한 레이저가 펄스의 형태로 주어지게 되기 때문에 타겟의 가열이 거의 없어 타겟 수냉장치가 필요치 않으며 단일소스만을 사용하므로 장치가 간단하고 종래의 방식과는 달리 플라즈마를 발생시키기 위한 별도의 공정 가스가 필요 없는 고진공하에서의 작업이 가능하여 불순물의 함량이 거의 없는 고순도 코팅이 가능하다.
본 발명의 기본 구성 요소로는 도 1에 나타낸 바와 같이, 일정 진공도를 유지하는 진공 챔버(4)와 도면에는 생략되어 있으나 진공 펌프계, 레이저광을 발생하는 레이저(1)와, 상기 레이저(1)에서 발생되는 레이저의 포커스 조정과 스캐닝 기구로 이루어지는 광 어셈블리(2), 상기 레이저(1)에서 조사된 레이저광이 조사되는 타겟(7)과 이를 지지해 주는 타겟 홀더(9), 그리고 상기 타겟에 고전압 펄스를 공급해 주는 고전압 펄스 발생부(5), 상기 고전압 펄스 발생부(5)에서 발생된 고전압펄스를 상기 타겟 홀더(9)를 통하여 공급해 주는 고전압 피드스루(feedthrough; 6), 전기적으로 접지되어 상기 타겟(7)에 의하여 코팅되는 모재(8)와 상기 모재(8)를 지지해주는 모재 홀더(10)로 구성되어 있다.
본 발명에서 제공하는 코팅 및 표면 개질 방식은 기본적으로 집속된 레이저빔과 코팅시키고자 하는 물질로 되어 있는 타겟과의 반응으로 생성되는 플라즈마를 이용하는 것으로써, 이는 일반적으로 LPVD(Laser Plasma Vapor Deposition)이라는 기술로 분류되어 왔다.
집속된 레이저빔과 타겟과의 반응으로 생성된 플라즈마내의 이온 대 중성입자의 비는 레이저 펄스 에너지, 출력 밀도 및 타겟 물질의 광학적, 물리적 성질에 따라 변하게 된다. 이온화율은 레이저의 출력밀도가 커질수록, 타겟 물질의 레이저 흡수능이 클수록 커지게 되며, 실례로 1011W/cm2의 출력밀도를 가지는 1064nm 파장의 Nd:YAG 레이저를 금속에 조사하였을 경우 금속 표면에서 방출된 입자들이 거의 99% 이상 전리되는 것으로 보고되고 있다.
따라서, 타겟(7)과 코팅하고자 하는 모재(8)사이에 적절한 방식 예를 들어, 타겟(7)에 양극을 대전시켜 형성된 전기장을 이용하면 플라즈마 내의 이온들을 모재 상으로 가속 시킬 수 있게 되어 이온 주입(Ion implantation)이나 IBM(Ion Beam modification)의 효과를 유발할 수 있으며, 이 것이 본 발명에서 제공하고자 하는 기술의 요지이다.
타겟 홀더(9)를 통하여 연결된 고전압 펄스 발생부(5)로부터 펄스모드의 고전압을 타겟(7)에 인가하면, 타겟(7)은 접지된 상태의 모재(8)에 비하여 양전위를 띄게 되며, 이와 같이 타겟(7)과 모재(8) 사이에 고전압 펄스 동안의 전위차가 형성된다.
이와 같은 펄스모드의 전위차를 플라즈마를 생성시키는 펄스 레이저와 동기시키게 되면 레이저 플라즈마 내의 이온들이 타겟(7)과 모재(8)사이의 전위차에 의하여 모재(8) 방향으로 가속되어 밀려가게 된다.
또한, 플라즈마 내의 중성입자들은 전위차에 관계없이 일정량의 에너지를 가지고 모재(8)로 진행하여 증착된다. 따라서, 증착과 IBM(Ion Beam Modification) 또는 이온 주입(Ion Implantation)의 효과를 단일 소스만을 사용하여 얻을 수 있다. 타겟(7)에 인가되는 전압을 끄면 단순 증착만이 되는 것은 물론이다.
그리고, 본 발명에서 제공하는 코팅 방식에서는 타겟(7)에 조사되는 레이저 펄스와 타겟(7)에 인가되는 고전압 펄스의 상대적인 지연 시간(Delay Time)을 조절함으로써 가속되는 이온의 양을 조절하는 것이 가능할 뿐 아니라, 타겟(7)에 인가되는 전압을 조절함으로써 이온의 에너지를 조절하는 것이 가능하여 모재(8)의 표면 개질을 위한 IBM(Ion Beam Modification)과 IBAD(Ion Beam Assisted Deposition), 그리고 이온 주입(Ion Implantation)의 모든 모드가 가능하다.
또한, 플라즈마 형성을 위한 레이저가 펄스의 형태로 주어지게 되기 때문에 타겟(7)의 가열이 거의 없어 기존의 코팅 장치와 달리 타겟의 냉각을 위한 수냉 장치가 필요치 않다.
1. 제 1실시예
도 2에는 실리콘 기판(모재) 위에 Fe 타겟을 사용하여 본 발명에서 제공하는 방식을 적용시킨 예의 RBS(Rutherford Backscattering Spectroscopy)의 분석 결과를 나타내었다. 제 1실시예에서는 파장 1064nm, 펄스폭 10ns의 Q 스위칭(Q-switching)된 Nd:YAG 레이저가 사용되었다.
펄스 반복횟수는 12.5Hz, 타겟(7)/기판(모재; 8)간 거리는 80mm, 타겟(7)에 집속된 빔의 크기는 0.2mm 이었으며, 100kV의 펄스 전압이 타겟(7)에 레이저 펄스와 동기되어 인가되었다. 고전압 펄스의 인가 지속 시간(duration)은 4㎲이었으며, 전체 증착 시간은 10분이었다.
도 2(a)와 도 2(b)는 각각 50mJ, 250mJ의 펄스에너지를 사용하였을 경우의 RBS 결과를 실었는데, 각각에는 임의의 각에서 측정된 RBS 스펙트럼(11, 13)과 실리콘 기판 방향(100)으로 정렬된 빔에 의한 채널링 스펙트럼(12, 14)들을 비교하였다.
도 2(a)에 보인 바와 같이, 50mJ의 레이저 펄스 에너지 사용 시에는 약 10nm 이내의 얇은 Fe 박막이 형성되었음을 보이며, 채널링 스펙트럼(12)에 따르면 Fe 이온 주입의 결과 실리콘 기판의 비정질화 및 디펙트(defect) 생성이 약 80nm의 깊이까지 일어난 것을 나타내는데, 이는 100keV의 에너지를 가지는 Fe 이온의 침투 깊이에 해당하는 것이다.
도 2(b)에 보인 바와 같이 250mJ의 레이저 펄스 에너지를 사용하였을 경우, 약 50nm 정도의 비교적 두꺼운 Fe 박막이 기판에 형성되었으며, 50mJ의 경우에 비하여 상대적으로 낮은 도우스(dose)의 Fe 이온 침투 결과를 보이고 있다. 이와 같이 레이저 펄스 에너지 조절에 의하여 본 발명에서 제공하는 방식은 상대적인 증착 속도 및 이온 주입량을 조절할 수 있음을 보인다.
이에 따라 낮은 레이저 펄스 에너지를 사용하면 효과적으로 증착되는 필름의 스티칭(stitching) 효과에 의한 접착력의 향상을 꾀할 수 있으며, 높은 레이저 펄스 에너지를 사용함으로써 증착 속도를 높이고 상대적인 이온 충돌 효과를 감소시켜 성장하는 필름의 구조 조절 및 고밀도의 필름 얻을 수 있는 효과를 유발할 수 있다.
2. 제 2실시예
도 3에는 지연 시간(delay time) 조절에 의한 고정된 증착 속도에서의 이온주입량의 변화가 가능함을 보이는 오실로스코우프 측정 결과를 모식도로 실었다.
제 2실시예서는 파장 1064nm, 펄스폭 10ns의 Q 스위칭(Q-switching)된 Nd:YAG 레이저가 사용되었다. 펄스 반복 횟수는 12.5Hz, 타겟(7)/기판(모재; 8)간 거리는 80mm, 타겟에 집속된 빔의 크기는 0.2mm 이었으며 100kV의 펄스 전압이 타겟(7)에 레이저 펄스와 동기되어 인가되었다.
고전압 펄스의 인가 지속 시간(duration)은 4㎲이었으며 측정을 위한 전극(detecting electrode)은 도 1에 보인 모재(10) 위치에 설치되었다. 도 3에 점선으로 나타낸 선(15)은 레이저 펄스 조사에 의한 레이저 플라즈마의 생성 순간을 나타낸다. 그리고 화살표로 표시된 부분은 고전압 펄스의 인가 시작 순간을 나타낸다.
레이저 펄스와 고전압 펄스간의 지연 시간(delay time)이 작은 경우(커브16)에는 플라즈마 내의 이온들이 4㎲의 고전압 펄스에는 반응을 하지 않음을 보인다.
그러나, 지연시간(delay time)이 증가함에 따라 플라즈마 내의 양이온과 전자들의 분리가 일어나게 되어 디텍터(detector)에 도착하는 이온 전류(17, 18)가 점차로 증가함을 보이며 전자에 의한 음전류의 양이 점차로 감소하게 되어 최적의 지연 시간(delay time)에서는 오직 양이온만의 최대의 전류량(19)을 얻게 된다.
그러나, 지연 시간(delay time)이 더 증가하게 되면 레이저 플라즈마 플룸이 소멸되게 됨에 따라 양이온 전류량(20)이 감소하는 결과를 얻게 된다. 이와 같이 단순히 레이저 펄스와 고전압 펄스간의 지연 시간(delay time)을 조절함으로써 가속되는 이온의 양을 조절하는 것이 가능하게 된다.
3. 제 3실시예
본 발명에서 제공하는 이온주입 및 증착 동시처리 효과를 실리콘 기판(모재; 8)에 파장 1064nm의 Nd:YAG레이저를 이용하여 비정질 카본 코팅을 하여 ball-on-disc 내마모 테스트를 실시함으로서 비교하였다.
도 4(a)에는 레이저 펄스 에너지 100mJ에서 펄스레이저 플라즈마에 의하여 단순 증착된 비정질 카본 코팅의 내마모 테스트 결과(21)와 100kV 고전압 펄스를 동시에 사용하여 IBAD 방식으로 증착된 비정질 카본 코팅의 내마모 테스트 결과(22)를 비교하였다.
또한, 도 4(b)에는 레이저 펄스 에너지가 도 4(a)의 2.5배인 250mJ에서 펄스레이저 플라즈마에 의하여 단순 증착된 비정질 카본 코팅의 내마모 테스트결과(23)와 100kV 고전압 펄스를 동시에 사용하여 IBAD 방식으로 증착된 비정질 카본 코팅의 내마모 테스트 결과(24)를 비교하였다.
테스트에 사용된 사파이어 베어링 볼의 직경은 3.1mm 이며 내마모 테스트는 0.5N의 하중에서 선속 0.1m/s로 수행한 결과이며, 사용된 비정질 카본 코팅의 두께는 모두 200nm 이었다. 도 4에서 알 수 있듯이 작은 출력 밀도를 사용하여 얻어진 단순 증착 비정질 카본 코팅(21)은 내마모 수명이 약 600사이클에 불과하나, 이를 고전압 펄스와 동기시켜 본 발명에서 제공하는 IBAD 방식으로 증착시킨 비정질 카본 코팅(22)은 수명이 약 1700사이클로 연장되었음을 보이며, 약 1300사이클의 수명을 보이던 대 출력밀도 레이저에 의한 단순증착 비정질 카본 코팅(23)도 IBAD 방식으로 제작된 코팅(24)에서는 약 2600사이클로 수명이 두 배 가까이 증가되었음을 보이고 있다.
4. 제 4실시예
도 5에는 고체 윤활 박막으로 널리 사용되는 MoS2재료를 이용하여 본 발명에서 제공하는 방식으로 실리콘 기판 위에 코팅된 박막의 윤활 특성을 비교하였다.
MoS2코팅층의 두께는 350nm 이었으며 윤활 테스트에 사용된 사파이어 베어링 볼의 직경은 3.1mm 이며 윤활 테스트는 0.5N의 하중에서 선속 0.1m/s로 수행한 결과이다.
도 5(a)에 보인 결과(25)는 레이저 펄스 에너지 250mJ에서 단순 증착된 MoS2박막의 윤활 특성이다. 도 5(c)에 보인 결과(27)는 레이저 펄스 에너지 250mJ에서고전압 펄스 100kV를 증착시간 동안 동기시켜 얻은 IBAD 방식으로 제작된 박막의 윤활 특성의 결과이다. 그림에서 볼 수 있듯이 도 5(c)에 보인 결과는 도 5(a)에 보인 단순 증착된 MoS2코팅에 비하여 윤활 특성이 향상되지 않았음을 보인다. 한편 도 5(b)에 보인 MoS2박막의 윤활 특성(26)은 도 5(a)의 단순증착 코팅의 윤활 특성(25)이나 도 5(c)에 의한 IBAD 방식에 의한 윤활 특성(27)에 비하여 월등한 성질을 보인다. 도 5(b)에 보인 MoS2박막은 초기 5분 동안 의 증착에서는 50mJ의 레이저 펄스 에너지를 사용하며 100kV의 고전압 펄스 동기시켜 강력한 이온 스티칭(ion stitching)의 효과를 유발시킨 후, 20분 동안 250mJ의 레이저 펄스 에너지에서 단순 증착을 시키고 그리고 마지막 5분 동안은 다시 50mJ의 레이저 펄스 에너지를 사용하고 100kV의 고전압을 동기시켜 ion bombdment 효과를 박막에 유발시켜 제작된 것이다. 이와 같이 사용하고자 하는 코팅 재료의 종류 또는 사용기능의 목적에 따라 본 발명에서 제공하는 증착, ion implantation, ion beam modification 등의 효과를 적절히 조합함으로써 단일 소스만을 사용하여 기계적 물리적 특성이 우수한 코팅을 제작할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명은 단일 소스만을 사용하여 단순 증착은 물론, 이온 주입/증착 동시 처리, IBAD(Ion Beam Assisted Deposition) 또는 IBED(Ion Beam Enhanced Deposition) 그리고, 이들의 조합을 자유로이 사용하여 기계적, 물리적으로 우수한 성질의 코팅을 제공할 수 있는 방식이며, 장치의 구조도간단하면서 코팅하고자 하는 모재는 전기적으로 접지되어 있어 자유로운 모션 구동이 가능하여 복잡한 형상을 가진 모재에도 균일한 코팅을 적용하기 쉬운 우수한 코팅 방식이다.
또한, 본 발명은 플라즈마를 발생시키기 위한 별도의 가스 소스가 필요치 않으므로 고진공에서 작업이 가능하여 불순물의 함량이 거의 없는 고순도 코팅이 가능하다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예로 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (11)

  1. 레이저광을 발생하는 레이저와;
    상기 레이저에 의하여 발생된 레이저광의 포커싱(Focusing)과 스캐닝(Scanning)을 하기 위한 광 어셈블리와;
    상기 레이저광에 의하여 발생된 플라즈마의 증착원이 되는 타겟과;
    상기 타겟을 장착시켜 주는 타겟 홀더와;
    상기 타겟에 펄스 모드의 고전압을 공급해 주는 고전압 펄스 발생부와;
    상기 고전압 펄스 발생부에서 출력되는 고전압 펄스를 상기 타겟에 공급해 주는 고전압 피드스루와;
    상기 레이저에 의하여 발생된 펄스 모드의 레이저광에 의하여 발생된 타겟의 플라즈마를 사용하여 코팅 또는 표면 개질의 대상이 되는 모재와;
    상기 모재를 장착시켜 주는 모재 홀더와;
    상기 타겟, 타겟 홀더, 모재, 모재 홀더를 그 내부에 수용하면서 일정 진공도를 유지시켜 주는 진공 챔버와;
    상기 진공 챔버의 진공도를 일정하게 유지시켜 주는 진공 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 소스를 이용한 코팅과 표면처리 장치.
  2. 청구항 2(은)는 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1항에 있어서, 상기 레이저는 펄스 모드의 레이저광을 출력하여, 상기 타겟을 플라즈마로 변화시키는 것을 특징으로 하는 단일 소스를 이용한 코팅과 표면처리 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 레이저는 펄스 폭, 펄스 주기 그리고 펄스 에너지의 조절이 가능한 펄스 모드 레이저광을 출력함으로써, 상기 타겟의 플라즈마 인텐시티 조절을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 단일 소스를 이용한 코팅과 표면 처리 장치.
  4. 제 1∼3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 타겟에 공급되는 고전압 펄스 발생부의 고전압 펄스와 레이저의 펄스간의 동기가 가능하며 레이저 펄스와 고전압 펄스간의 동기 지연 시간(delay time)의 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 단일 소스를 이용한 코팅과 표면 처리 장치.
  5. 청구항 5(은)는 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1항에 있어서, 상기 고전압 펄스 발생부는 상기 타겟에서 발생하여 모재방향으로 진행하는 플라즈마 내의 이온 에너지의 조절이 가능하도록 출력 전압의 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 단일 소스를 이용한 코팅과 표면 처리 장치.
  6. 청구항 6(은)는 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1항에 있어서, 상기 모재 홀더는 회전 및 직선 운동이 가능한 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 소스를 이용한 코팅과 표면 처리 장치.
  7. 청구항 7(은)는 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1항에 있어서 상기 타겟에 조사되는 펄스 레이저 빔의 스캔닝(scanning)이 레이저 빔의 포커싱을 위한 렌즈 광학부의 구동을 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 단일 소스를 이용한 코팅과 표면 처리 장치.
  8. 청구항 8(은)는 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1항에 있어서, 상기 타겟은 단일 소스로 이루어지고, 이를 이용한 단일 소스 플라즈마를 이용하여 단순 증착, 이온 주입, IBAD(Ion Beam Assisted Deposition), IBED(Ion Beam Enhanced Deposition), 증착/이온주입에 의한 증착이 가능한 것을 특징으로 하는 단일 소스를 이용한 코팅과 표면 처리 장치.
  9. 일정 진공도를 갖는 진공 챔버에 단일 소스 플라즈마 생성원이 되는 타겟과, 상기 타겟에 의하여 생성된 플라즈마가 증착되는 모재를 설정하는 단계와;
    상기 타겟에 고전압 펄스를 공급하면서, 상기 타겟에 펄스 모드의 레이저 광을 조사함으로써, 플라즈마를 생성하는 것을 특징으로 하는 단일 소스를 이용한 코팅과 표면 처리 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 단일 소스에 의해 생성된 플라즈마를 이용하여 단순 증착, 이온 주입, IBAD(Ion Implantation, Ion Beam Assisted Deposition), IBED(Ion Beam Enhanced Deposition), 증착/이온주입 중에서 어느 한 방식을 선택하여 수행하는 방법과, 상기 방법 중에서 적어도 한 방법 이상의 방법을 선택하여 임의의 순서로 조합하여 수행하는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 단일 소스를 이용한 코팅과 표면 처리 방법.
  11. 청구항 11(은)는 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 9항에 있어서, 상기 레이저의 펄스 에너지, 펄스 폭과 펄스 주기, 그리고 동기된 고전압 펄스와 레이저 펄스의 동기 지연 시간(delay time), 동기되는 펄스 고전압의 전압 크기, 전압 인가시간의 독립적인 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 단일 소스를 이용한 코팅과 표면 처리 방법.
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