KR100505003B1 - 티아이 에이엘 에스아이 엔계 경질코팅막의 증착방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Ti-Al-Si-N의 4성분계 경질코팅막의 증착방법에 관한 것이다.

본 발명의 증착방법은, 금형, 공구 등이 설치된 챔버내에 진공을 가하고 가열하는 제1 단계와, 상기 챔버내에 Ar가스를 유입하고 바이어스를 인가하여 상기 금형, 공구 등을 세정하는 제2 단계와, 상기 챔버내로의 Ar가스 유입을 차단하고 상기 챔버내를 재차 진공을 가하고 가열하는 제3 단계와, 상기 챔버내에 Ar가스 및 N2가스를 유입하고 바이어스를 인가하는 제4 단계 및, 상기 AIP법을 사용하는 Ti-Al 타겟과 상기 스터퍼법을 사용하는 Si 타겟에 전원을 각각 인가하여 상기 금형, 공구 등의 표면에 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막을 증착하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 증착방법은 AIP법과 스퍼터법의 하이브리드 공정을 통해 복잡한 형상을 갖는 금형, 고속도공구나 초경합금공구 등에 균일한 표면 도포성을 갖는 초고경도의 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막을 증착할 수 있다.

Description

티아이 에이엘 에스아이 엔계 경질코팅막의 증착방법{Deposition method for hard coating membrane in Ti-Al-Si-N field}

본 발명은 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막의 증착방법에 관한 것이며, 특히, 아크 이온 플래팅(Arc Ion Plating ; 이하 'AIP'라 칭함)법과 스퍼터(sputter)법의 하이브리드(hybrid) 공정을 통해 3차원 입체적으로 고속도공구나 초경합금공구 등에 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막을 증착하는 방법에 관한 것이다.

Ti-Al-Si-N계 경질코팅막이란 TiN에 Al이 0~40%, Si가 0~30at%의 범위 내에서 첨가된 물질을 말하는 것이며, 나노 결정구조(nano crystal structure)의 TiAlN을 비정질상 -Si3N4가 둘러쌈으로써 초고경도를 갖도록 하는 보호피막재료로서, 공구 등을 코팅하는 선진 산업기술에 이용된다.

현대산업사회의 기술이 고도화 및 고정밀화됨에 따라 다양한 제조 및 가공 산업분야에서도 생산성을 높이기 위한 노력들이 계속되고 있다. 이에 따라 고속도공구나 초경합금공구 등의 절삭공구, 금형 및 기계부품 등에는 표면처리를 통해 우수한 내마모성, 내산화성, 인성, 고온 안정성 및 내구성을 갖도록 하는 보호경질피막의 적용이 불가피하게 되었다. 즉, 제품의 표면에 TiN, TiCN 또는 TiAlN, TiSiN 등의 경질피막을 형성함으로써 내마모성을 도모하고 있다.

1970년대 이후 상용화되기 시작한 TiN 코팅막은 우수한 기계적 성질을 가짐에도 불구하고 고온의 산화 분위기에서 쉽게 산화됨에 따라 응용에 제한을 받았다. 그래서, 현재에는 TiN 박막의 내산화성 및 기계적 성질을 보다 향상시키기 위하여 복합 성분 물질에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있으며, 또한, 고경도 재료를 절삭하거나 고속절삭에 대응하여 고온 내산화 특성이 우수한 경질피막으로 스퍼터법, AIP법 등을 통해 TiAlN 박막 코팅된 제품들을 생산하고 있다.

한 걸음 더 발전된 경질피막의 개발은 TiAlN, TiSiN과 같은 3원계 복합재료에 그치지 않고, 4원계 복합재료를 통한 기술개선도 제안되고 있다. 그 중에서 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막은 TiN, TiAlN및 TiSiN 코팅막보다 월등한 초고경도의 특성을 지니면서도 TiN에 비해 높은 온도에서 내산화성이 우수하여 주목을 받고 있다.

절삭공구를 코팅하는 방법에는 수많은 방법들이 있지만, 이들 방법들은 각기 다른 큰 특징들을 갖기 때문에, 증착되는 박막의 특성과 용도 등에 맞는 최적의 박막제작법을 선택하는 것이 중요하다.

1950년대 CVD(Chemical Vapor Deposition)법에 의한 TiC 코팅이 개발된 이후, CVD법은 1970년대 중반부터 널리 보급되기 시작하여 시작초기 단층막 코팅에서 현재는 다층막 코팅에 많이 사용되고 있다. 그리고, 1000 이상의 고온에서 이루어지는 증착공정을 보완해 플라즈마를 이용한 PACVD(Plasma Assistance Chemical Vapor Deposition)법이 개발되어 상용화되고 있다.

그리고, CVD 장치는 PVD(Physical Vapor Deposition) 장치와 비교해 보면, 그 구성이 간단하고, 매우 많은 물질에 쉽게 적용이 가능하며, 매우 높은 생산 수율을 갖는다는 장점이 있다. 그러나, 아직까지도 CVD법은 다른 공정에 비해 비교적 높은 증착 온도로 인하여 저융점 기판에 대한 적용이 어렵고, 더욱이 원자가 기판으로 확산되는 현상과 상온으로 냉각하였을 때 열응력이 발생하는 등의 문제가 있다. 게다가 공정온도의 상승은 실제 산업현장에서 원가상승을 초래한다.

PVD법은 1980년 TiN 단층막 코팅을 시작으로 단속절삭 및 예리한 날에 처음 적용하여 뛰어난 성능을 발휘한 기술이다. PVD기법 중 대표적인 방법은 스퍼터(sputter)법인데, 스퍼터법 중 마그네트론 스퍼터법의 개발로 인해 저온·고속의 박막증착이 가능해지면서 보다 우수한 박막제작이 가능하게 되었다.

그리고, 스퍼터법은 고융점 재료 또는 활성 재료의 조성 및 특성 등을 엄밀히 제어하면서 제작할 수 있고, CVD법에 비해 불순물에 의한 오염이 적다는 장점이 있다. 하지만, 스퍼터법은 자성체를 타겟으로 사용할 경우 타겟표면에서 나오는 누설자속의 악화로 인해 전자를 효율적으로 포획할 수 없고, 또한 타겟 침식이 균일하지 않기 때문에 이용효율이 크게 떨어지는 단점이 있다. 또한, 스퍼터법은 더욱 빠른 증착속도와 실용상의 특성이 요구되고 있는 현재 상황에서 기존의 모든 요구를 만족시키면서도 박막의 조성제어나 가스압력 조절, 다층막의 제작, 막의 고품질화 등의 과제를 해결하기 위한 개선이 필요하다.

또한, 상기 CVD법 및 PVD법은 모재와의 부착성이 낮음으로 인해 실용화에 걸림돌이 되고 있다.

그리고, 이온 플래팅(ion plating)법은 근래까지 산업 현장에서 주된 상용화 기술로 사용되었으나, 새로운 AIP(Arc ion plating)법의 등장으로 대체되고 있는 실정이다. AIP법은 코팅공정 부분에 있어 앞서 언급한 CVD법, 스퍼터법 및 이온 플래팅법들의 단점을 충분히 보완한 것으로서, 저온에서의 높은 증착율로 인해 다양한 모재에 적용할 수 있다. 또한, AIP법은 이온 및 파티클 범바드먼트(particle bombardment)로 인해 우수한 부착성을 갖는다. 또한, AIP법은 높은 이온화율과 이온들의 높은 운동 에너지에 의한 치밀화(density)가 탁월하며, 복잡한 형상의 모재에도 표면 도포성 및 균일성이 아주 양호하여 현재 코팅산업에서 각광받고 있다. 이렇듯, AIP법은 다른 공정에 비해 많은 장점을 갖고 있음에도 불구하고 Si(세라믹) 타겟에 적용하기가 힘들다. 그로 인해, AIP법을 통해서는 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막을 증착하지 못하고 있는 실정이다.

S.Carvalho《Surface and coating technology 142-144 (2001) 110-116》는 그의 논문에서 Ti, Al 및 Si 의 분리된 3개의 타겟을 스퍼터법에 적용하여 Ti-Al-Si-N 의 4성분계 경질 코팅막을 증착하였다. 그러나, 이 기술은 스퍼터법을 적용한 것으로서, 타겟 침식이 균일하지 않기 때문에 이용효율이 크게 떨어지는 단점과 더욱 빠른 증착속도와 실용상의 특성이 요구되고 있는 현재 상황에서 적합하지 않는 방법으로 많은 개선이 필요하다. 또 Y.Tanaka 《Surface and coating technology 146-147 (2001) 215-221》의 논문에서는 Ti-Al-Si의 합금타겟을 AIP법에 적용한 것으로, 박막의 증착시 조성의 변화를 조정할 수 없고,공정 진행 중에 Ti와 Si의 이온화율의 차이로 인해 불균일한 조성의 박막이 증착될 수 있다. 이로 인한 재현성 저하로 제품 양산에 큰 어려움이 있다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 아크 이온 플래팅법과 스퍼터법의 하이브리드 공정을 통해 3차원 입체적으로 금형, 고속도공구나 초경합금공구 등에 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막을 증착하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 증착방법은, 아크 이온 플래팅(arc ion plating)법과 스퍼터(sputter)법을 통해 금형, 공구 등의 표면에 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막을 증착하는 방법에 있어서, 상기 시편이 설치된 챔버내에 진공을 가하고 가열하는 제1 단계와, 상기 챔버내에 Ar가스를 유입하고 바이어스를 인가하여 상기 시편을 세정하는 제2 단계와, 상기 챔버내로의 Ar가스 유입을 차단하고 상기 챔버내를 재차 진공을 가하고 가열하는 제3 단계와, 상기 챔버내에 Ar가스 및 N2가스를 유입하고 바이어스를 인가하는 제4 단계와, 상기 아크 이온 플래팅법을 사용하는 Ti-Al 합금 타겟(target)과 상기 스터퍼법을 사용하는 Si 타겟에 전원을 각각 인가하여 상기 시편의 표면에 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막을 증착하는 제5 단계를 포함한다.시편이 상기 챔버내에서 공전 및 자전을 동시에 행하는 기판에 안착된 상태에서 상기 제1 단계 내지 상기 제5 단계를 수행하는 것이 바람직하다.시편이 상기 챔버내에서 공전 또는 자전하는 기판에 안착된 상태에서 상기 제1 단계 내지 상기 제5 단계를 수행하는 것이 바람직하다.제5 단계에서, 상기 챔버내에 설치된 시편의 다방향에서 상기 TiAl 타겟 및 상기 Si 타겟에 전원을 인가하여 3차원 입체코팅을 행하는 것이 바람직하다.금형, 공구 등이 설치된 챔버내에 진공을 가하고 가열하는 제1 단계와, 상기 챔버내에 Ar가스를 유입하고 바이어스를 인가하여 상기 금형, 공구 등을 세정하는 제2 단계와, 상기 챔버내로의 Ar가스 유입을 차단하고 상기 챔버내를 재차 진공을 가하고 가열하는 제3 단계와, 상기 챔버내에 Ar가스 및 N2가스를 유입하고 바이어스를 인가하는 제4 단계 및, 상기 AIP법을 사용하는 Ti-Al 합금 타겟과 상기 스터퍼법을 사용하는 Si 타겟에 전원을 각각 인가하여 상기 금형, 공구 등의 표면에 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막을 증착하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 AIP법 및 스퍼터법의 하이브리드 공정을 통해 금형, 고속도공구나 초경합금공구 등에 적어도 4원계(Ti-Al-Si-N계) 이상의 경질코팅막을 증착하는 것이다. 즉, 본 발명은 기존의 PACVD법, 스퍼터법 또는 Ti, Si, Al 합성 타겟을 이용한 AIP법을 각각 이용하여 금형, 고속도공구나 초경합금공구 등에 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막을 증착하던 것을, AIP법 및 스퍼터법의 하이브리드 공정을 통해 고속도공구나 초경합금공구 등에 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막을 증착하는 것이다.

상기와 같이 본 발명은 공구의 코팅막 증착에 큰 장점을 갖는 AIP법을 도입함과 아울러, Si 타겟을 AIP법에 적용하기 곤란한 점에 착안하여 스퍼터법으로 Si 타겟을 적용한 것이다. 즉, 본 발명은 Ti-Al 타겟에 AIP법을 사용하고, Si 타겟에 스퍼터법을 사용하여 금형, 고속도공구나 초경합금공구 등에 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막을 증착하는 것이다.

본 발명에 적용되는 AIP법은 액상 증발원이 불필요하고 그에 따라 증발원을 저장하는 저장소가 없기 때문에 챔버내에 AIP 건(gun)과 스퍼터 건을 장착함에 있어, 그 장착위치에 제약을 받지 않으면서 챔버의 벽면, 상부 또는 하부 등등 원하는 위치에 건들을 장착할 수 있다. 그러므로, AIP법을 사용하여 금형, 고속도공구나 초경합금공구 등을 코팅함에 있어, 그 형상이 복잡한 3차원 형상을 갖더라도 균일한 코팅이 가능하다.

또한, AIP법을 사용함에 있어서, 필요에 따라 AIP 건과 스퍼터 건의 상대 개수를 조정할 수 있으므로, 박막 증착시 증착성분(Ti-Al 및 Si)의 함량제어가 더욱 용이할 뿐만 아니라 다원계 박막증착이 가능하다. 또한, AIP법을 사용함에 있어서, 고속도공구나 초경합금공구 등을 지지하는 지지홀더를 공전 및 자전을 각각 또는 동시에 하도록 구성하고, 그 회전속도를 조절할 수 있도록 함으로써 균일한 3차원 입체코팅이 가능하다.

아래에서, 본 발명에 따른 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막의 증착방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

본 발명의 증착방법은 통상의 증착장치를 본 발명에 적합하게 적용할 수 있도록 개조한 도 2a 내지 도 3과 같이 구성된 증착장치를 통해 이루어진다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막의 증착방법의 블록도이고, 도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막의 증착장치의 구성요소들을 도시한 정면도 및 측면도이며, 도 3은 도 2a에 도시된 증착장치의 챔버를 개략적으로 도시한 개략도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 증착방법은, 먼저 금형, 고속도공구나 초경합금공구 등(이하, '시편'이라 함)을 도 3에 도시된 지지홀더(31)에 장착한다. 그런 다음, 시편이 장착된 지지홀더(31)를 공전과 자전이 동시에 가능하도록 하는 기판에 고정한다. 그로 인해, 시편은 공전과 자전이 동시에 가능하게 된다.

상기와 같이 시편이 공전 및 자전이 가능하게 장착되면, 챔버문을 닫고 챔버(21)를 밀폐시킨다. 그런 다음, 컨트롤 장치의 공전 및 자전스위치를 켠다(on). 그러면, 챔버(21)의 외부에 위치하는 구동모터(22)의 동력을 전달받는 회전축(23)을 통해 기판이 공전 및 자전한다. 이로 인해, 지지홀더(31) 및 시편 또한 공전 및 자전한다(S11).

그리고, 컨트롤 장치의 로터리 펌프 스위치를 켜서 로터리 펌프(24)를 작동시키고, 러핑밸브(25)를 열어 챔버(21)내의 진공이 10-2 토르(torr)가 될 때까지 기다린다(S12). 이렇게 하여 챔버(21)내의 진공이 10-2 토르가 되면, 컨트롤 장치의 히터스위치를 켜서 챔버(21)내의 발열부를 가동시킨다. 이 때, 챔버(21)내의 온도가 200 까지 상승할 수 있도록 컨트롤 장치의 온도 설정스위치를 조작하여 세팅한다. 그리고, 컨트롤 장치는 챔버(21)내의 온도가 200 이상일 경우에는 발열부에 가해지는 전원을 자동으로 차단하고, 그 이하의 온도에서는 다시 전원을 공급하는 방식으로 챔버(21)내의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 구성된다(S13).

이렇게 챔버(21)내의 온도가 200 를 유지한 상태에서 컨트롤 장치의 컨트롤 단자의 전원을 켜고, Ar유량 컨트롤 단자를 조절하여 주입하고자 하는 Ar가스의 양을 설정한다. 그런 다음, 컨트롤 장치의 가스주입 밸브 스위치를 열어주면, Ar가스가 챔버(21)내로 주입된다. 즉, 가스통에서 배출되는 Ar가스가 유량계를 통해 그 양이 조절되어 가스 주입구(26)를 통해 챔버(21)내로 주입된다.

그런 다음, 컨트롤 장치의 바이어스 파워공급장치의 전원을 켠 후, 바이어스 파워공급장치에 있는 제어판에서 바이어스인가 스위치를 켠다. 그리고, 바이어스 전압조절 스위치를 -600V로 세팅한다. 이 때, 바이어스 파워공급장치에서 인가된 전압은 공전 및 자전하는 기판을 거쳐 시편홀더(31) 및 시편에 인가된다. 이렇게 Ar이 주입되고 바이어스가 인가되면, 시편과 기판에 플라즈마가 형성되며, Ar 이온들에 의한 시편의 전처리(세정)가 실시된다(S14).

이렇게 Ar 이온들에 의한 시편의 전처리가 끝나면, 바이어스 전원을 먼저 차단한 다음 Ar가스의 유입을 차단한다. 이 때에도 로터리 펌프(24)는 계속적으로 작동하여 챔버(21)의 압력이 10-2 토르의 진공상태를 유지하도록 한다. 이 상태에서 러핑밸브(25)를 폐쇄하고 로터리 펌프의 스위치를 끈다(off). 그런 다음, 클라이요 펌프(27 ; cryo pump)와 연결된 메인 밸브(28)를 개방하고, 챔버(21)의 내부가 10-6 토르의 진공이 될 때까지 클라이요 펌프(27)를 작동시킨다. 그리고, 컨트롤 장치의 온도 설정스위치를 다시 조작하여 200 로 세팅된 온도를 300 로 다시 세팅한다. 그런 다음, 챔버(21)내의 온도가 300 가 될 때까지 기다린다(S15).

이렇게 하여 챔버(21)내의 온도가 300 가 되면, 컨트롤 장치를 조작하여 Ar가스 및 N2가스의 유량을 각각 설정한다. 그런 다음, Ar가스 및 N2가스 주입스위치를 조작하여 밸브를 개방하여 챔버(21)내에 Ar가스 및 N2가스를 주입한다. 그리고, 컨트롤 장치의 바이어스 전압조절 스위치를 조작하여 바이어스를 -100V로 조절하여 시편과 기판에 바이어스 전압을 인가한다(S16).

그런 다음, 컨트롤 장치의 스퍼터 파워공급장치와 아크 파워공급장치의 전원스위치를 켜고, 스퍼터 파워공급장치의 제어판을 조절하여 적당한 파워를 인가한다. 또한, 아크 파워공급장치의 제어판을 조절하여 적당한 파워를 인가한다. 그러면, 스퍼터 건(32)과 아크 건(33)에 전원이 인가되면서 플라즈마가 형성되어, 시편에 Ti-Al-Si-N계(나노-TiAlN/ -Si3N4) 경질코팅막을 증착시킨다(S17).

이렇게 시편에 증착되는 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막을 구성하는 가장 중요한 Ti-Al과 Si의 함량은 스퍼터 건(32)과 아크 건(33)을 구성하는 개수와, 각각의 타겟에 인가되는 전류세기를 조절함으로써 제어된다. 그러므로, 아크 건(33)을 통해 인가되는 Ti-Al 전류를 고정하고, 스퍼터 건(32)을 통해 인가되는 Si 전류를 조절함으로써, Ti-Al-Si-N계 경질코팅막내의 Si 함량을 제어할 수 있다. 그리고, 본 발명을 통해 다원계 박막을 증착할 경우에는 각 타겟의 전류를 미세하게 제어함으로써, 각 성분들의 함량을 제어할 수 있다.

도 4a는 도 3에 도시된 챔버내의 지지홀더를 회전시키는 유성기어의 구조를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 유성기어를 선 A-A를 따라 절취한 단면도이다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 유성기어(40)는 최외각에 위치하며 일정 치형을 갖는 내접기어(41)와, 모터(도시안됨)의 동력을 전달받는 회전축(46)이 중앙에 연결되어 태양기어의 기능을 동시에 행하는 행성 운반자(43) 및, 행성 운반자(43)와 함께 공전함과 더불어 내접기어(41)와 맞물려 행성 운반자(43)의 표면을 따라 자전할 수 있으며 상기 기판의 역할을 하는 다수의 행성기어(42)로 구성된다.

그리고, 상기 행성기어(42)와 행성 운반자(43)의 사이에는 마찰력을 최소화하면서 행성기어(42)가 행성 운반자(43)의 표면을 따라 자전할 수 있도록 베어링 역할을 하는 세라믹 볼(44)이 삽입되어 있다. 그러므로, 행성기어(42)는 행성 운반자(43)가 회전함에 따라 행성 운반자(43)와 함께 공전하면서, 내접기어(41)와 맞물려 회전함에 따라 세라믹 볼(44)을 통해 행성 운반자(43)의 표면을 따라 자전한다.

또한, 본 발명의 기판은 상기와 같은 유성기어의 구조를 통해 공전과 자전이 동시에 가능하도록 구성되나, 통상적인 방법을 통해 공전 또는 자전이 각각 가능하도록 구성될 수도 있다. 그로 인해, 시편은 공전과 자전이 동시에 가능하거나, 공전 또는 자전이 각각 가능하게 된다.

도 5는 본 발명에서 Si/Ti-Al 전류비에 대한 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막내의 Si함량을 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명에서 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막내의 Si의 첨가량에 따른 X선 회절분석결과를 나타낸 그래프이다. 그리고, 도 7은 본 발명에서 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막내의 Si의 결합형태를 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)로 분석한 결과로 나타낸 그래프이다.

도 5 내지 도 7에서 알 수 있듯이, 증착된 박막의 Si 전류에 따른 Si의 함량변화는 EPMA(Electron Probe Microanalysis)를 통해 분석한 결과와, XRD(X-ray Diffractometer)를 통해 분석한 결과 및, XPS를 통해 분석한 결과를 토대로 적정량의 Si(Si 함유 ; 0~30at%Si)가 TiAlN조직에 비정질의 -Si3N4로 첨가됨을 알 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, Si/Ti-Al 전류비가 증가함에 따라 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막내의 Si함량 또한 증가함을 알 수 있다. 그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 종래의 AIP방법으로 증착된 TiN은 (111), (222)면에서 2개의 회절 피크(peak)를 가지지만, 본 발명의 방법을 통해 Si를 첨가할 경우에는 그 첨가량에 따라 결정 성장 거동이 (111), (200), (220), (311), (222) 등 다배향성을 가지며, 그 때에 최고의 경도치를 갖는다. 그리고, 도 7에 도시된 바와 같이, Si의 첨가량의 증가에도 불구하고 TiAlN내에 순수 Si로 존재하지 않고 비정질의 -Si3N4 상으로 존재하고 있음을 알 수 있다. Ti-Al-Si-N계 경질코팅막내의 순수 Si의 존재는 경도를 감소시키는 원인이 된다.

도 8은 종래의 경질코팅막과 본 발명에 따른 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막의 미세경도를 비교하여 나타난 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 종래의 PACVD 및 스퍼터, AIP법으로 증착된 TiN의 평균 미세경도는 1500~2300Kg/mm2이고, TiAlN의 미세경도는 3000Kg/mm2인데 비하여, 본 발명에 의해 증착된 나노-TiAlN/ -Si3N4 코팅막은 5000Kg/mm2 이상의 초고경도를 갖는 것을 알 수 있다.

도 9는 본 발명에 의해 증착된 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막내의 Si 첨가함량에 따른 미세경도 변화를 나타난 그래프이다. 도 9에 도시된 바와 같이, Ti-Al-Si-N계 경질코팅막내에 첨가되는 Si함량이 9at%까지는 그 경도가 증가하지만, 그 이상일 경우에는 경도가 감소함을 할 수 있다. 그러므로, Ti-Al-Si-N계 경질코팅막을 증착함에 있어, 가장 적합한 Si/Ti-Al 전류비를 선정함으로써 가장 이상적인 경도값을 갖는 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막을 증착할 수 있다.

이상에서 본 발명의 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막의 형성방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

상기에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 증착방법은 AIP법과 스퍼터법의 하이브리드 공정을 통해 복잡한 형상을 갖는 금형, 고속도공구나 초경합금공구 등에 균일한 표면 도포성을 갖는 초고경도의 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막을 증착할 수 있다.

또한, 본 발명의 증착방법은 AIP법에 적용하기 어려운 세라믹 타겟을 스퍼터법에 사용하고 다른 타겟을 AIP법에 사용함으로써 다원계 및 다층박막 합성도 가능하다.

또한, 본 발명의 증착방법은 금형, 고속절삭공구, 베어링, 바이트, 드릴, 엔드밀 등 복잡한 형상의 표면에 초고경도의 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막을 증착함으로써 공구의 수명을 연장함과 아울러, 다방면의 고부가가치 기술산업에 적용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막의 증착방법의 블록도이고,

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막의 증착장치의 구성요소들을 도시한 정면도 및 측면도이고,

도 3은 도 2a에 도시된 증착장치의 챔버를 개략적으로 도시한 개략도이고,

도 4a는 도 3에 도시된 챔버내의 지지홀더를 회전시키는 유성기어의 구조를 개략적으로 도시한 평면도이고,

도 4b는 도 4a에 도시된 유성기어를 선 A-A를 따라 절취한 단면도이고,

도 5는 본 발명에서 Si/TiAl의 전류비에 대한 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막내의 Si함량을 나타낸 그래프이고,

도 6은 본 발명에서 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막내의 Si의 첨가량에 따른 X선 회절분석결과를 나타낸 그래프이고,

도 7은 본 발명에서 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막내의 Si의 결합형태를 XPS를 통해 분석한 결과로 나타낸 그래프이다.

도 8은 종래의 경질코팅막과 본 발명에 따른 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막의 미세경도를 비교하여 나타난 도면이며,

도 9는 본 발명에 의해 증착된 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막내의 Si 첨가함량에 따른 미세경도 변화를 나타난 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

21 : 챔버 22 : 구동모터

23 : 회전축 24 : 로터리 펌프

25 : 러핑밸브 26 : 가스 주입구

27 : 클라이요 펌프 28 : 메인 밸브

31 : 지지홀더 32 : 스퍼터 건

33 : 아크 건 40 : 유성기어

Claims (4)

1. 아크 이온 플래팅(arc ion plating)법과 스퍼터(sputter)법을 통해 금형, 공구 등의 표면에 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막을 증착하는 방법에 있어서,

   상기 시편이 설치된 챔버내에 진공을 가하고 가열하는 제1 단계와,

   상기 챔버내에 Ar가스를 유입하고 바이어스를 인가하여 상기 시편을 세정하는 제2 단계와,

   상기 챔버내로의 Ar가스 유입을 차단하고 상기 챔버내를 재차 진공을 가하고 가열하는 제3 단계와,

   상기 챔버내에 Ar가스 및 N2가스를 유입하고 바이어스를 인가하는 제4 단계와,

   상기 아크 이온 플래팅법을 사용하는 Ti-Al 합금 타겟(target)과 상기 스터퍼법을 사용하는 Si 타겟에 전원을 각각 인가하여 상기 시편의 표면에 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막을 증착하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막의 증착방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 시편이 상기 챔버내에서 공전 및 자전을 동시에 행하는 기판에 안착된 상태에서 상기 제1 단계 내지 상기 제5 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막의 증착방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 시편이 상기 챔버내에서 공전 또는 자전하는 기판에 안착된 상태에서 상기 제1 단계 내지 상기 제5 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막의 증착방법.
4. 제1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제5 단계에서, 상기 챔버내에 설치된 시편의 다방향에서 상기 TiAl 타겟 및 상기 Si 타겟에 전원을 인가하여 3차원 입체코팅을 행하는 것을 특징으로 하는 Ti-Al-Si-N계 경질코팅막의 증착방법.