KR100626406B1

KR100626406B1 - 내산화성 및 내마모성이 우수한 ＴｉＡｌＮ계 다층 경질박막

Info

Publication number: KR100626406B1
Application number: KR1020040104422A
Authority: KR
Inventors: 백영준; 박종극
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2006-09-21
Also published as: KR20060065321A

Abstract

본 발명은 내산화성 및 내마모성이 우수한 TiAlN계 다층 경질박막에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 Al 함량이 서로 다른 TiAlN 막이 다층으로 적층되어 경도 값이 40 GPa 이상으로 조절된 초경도의 단위층(A)과, Al 함량이 70% 이상으로 높아 내산화성이 뛰어난 TiAlN 막이 단층으로 적층된 25 ∼ 30 GPa 경도의 단위층(B)이 일정 두께 비율로 반복적으로 적층된 층 구조를 이루고 있음으로써, 내마모성과 내산화성을 동시에 증진시킴은 물론 기존 피복 코팅박막에 비해 높은 경도 값을 갖는 새로운 미세구조의 TiAlN계 다층 경질박막에 관한 것이다.

복합 적층 박막, TiAlN, 경도, 내산화성, 내마모성

Description

내산화성 및 내마모성이 우수한 ＴｉＡｌＮ계 다층 경질박막{TiAlN-based multi-layer hard film with high wear and oxidation resistance}

도 1은 본 발명에 따른 TiAlN계 다층박막의 층 구조를 나타내는 모식도이다.

도 2는 다층박막을 증착하기 위한 물리적 기상 증착(physical vapor deposition) 스펏터링 장치의 개략도이다.

<도면의 부호 설명>

1 : 챔버 2 : 타겟 스퍼터링용 건(GUN)

3 : 지그(jig) 시스템 4 : 증착용 기판

5 : 타겟 플라즈마

일반적으로 자동차 부품 등 기계구조물에 사용되는 소재의 강도가 향상됨에 따라 이를 원하는 형상으로 가공하는 절삭공구의 성능의 향상도 필수적으로 요구된다. 또한, MEMS(Microelectromechanical systems) 등의 미세 기계 구조물, 하드디스크 드라이브 등의 전자제품의 구동 접촉 강도 및 내구성이 매우 중요하게 대두되고 있다. 절삭공구의 성능 및 미세 정밀 구동부품의 성능은 표면 강도에 의해 결정되며, 바로 이러한 표면강도를 향상시킬 수 있는 가장 일반적인 방법이 경도 등의 기계적 특성이 우수한 막의 피복방법이다. 특히 절삭공구의 경우 피복막의 성능은 절삭공구의 성능을 결정하는 가장 중요한 기술적인 문제이다.

통상적으로 절삭공구는 공구강, 초경합금, 서멧, 세라믹 등 경도와 인성이 우수한 재료를 중심으로 제작되어 왔다. 그러나 절삭성능 향상에 한계를 보이 고 또한 복합적인 성능의 구현을 위하여 이러한 모재 위에 Ti 등의 IV-A족 원소를 기반으로 하는 탄화물이나 질화물의 피복층을 물리증착법(PVD: Physical Vapor Deposition)이나 화학증착법(CVD: Chemical Vapor Deposition) 방법으로 코팅한 경질막 피복 절삭공구가 현재 일반적으로 사용되어지고 있다.

최근 이들 IV-A족 원소의 질화물 특히 TiN에 Al원소를 첨가한 TiAlN 피복층이 피복층의 경도 및 내산화성 향상에 탁월한 성능을 보여 기존의 피복공구를 대치하고 있으며 많은 연구 및 응용이 진행되고 있다. 이는 Al의 우수한 내산화 특성을 이용한 것으로, 경도를 감소시키지 않으면서 내산화성을 향상시키기 위한 최적의 Al의 첨가 조성이 존재하게 된다.

Al의 적정 조성을 결정하는 기술로서 일본국 특개소 62-56565호 및 63-255358호를 들 수 있다. 상기 두 특허에서는 Al의 첨가 범위를 5∼60% 정도로 국한하고 있는 바, 이는 PVD 공정상 Ti와 Al의 이온화율의 차이에 의해 기인하는 것으로 기존의 아크법으로는 이 범위 이상의 Al 첨가가 힘든 것으로 나타나 있다. 그러나, Al의 내산화 특성이 나타나기 위해서는 적어도 60% 이상의 Al 함유가 필요하다. 이러한 내용은 일본국 특개평 2-194159호에서 나타나 있는데, Al 양이 56% 이하에서는 내산화성 증가효과가 미미하고, 반대로 75% 이상이 되면 경도의 감소를 피할 수 없다고 밝히고 있다. Al 함량 증가에 따른 경도의 감소는 일본금속학회지(57권 8호, 919쪽, 1993년), 표면과 코팅 기술(Surface and Coatings Technology, 94-95권, 603-609쪽, 1997년) 및 표면과 코팅 기술(Surface and Coatings Technology, 120-121권, 438-441쪽, 1999년) 등에 개시되어 있다. 따 라서, TiN에 첨가되는 최적의 Al의 함량 조절은 절실히 필요하다.

한편, 이러한 Al 함량 증가에 따른 경도 감소의 단점을 보완하고자 한국등록특허 제10-0305885호에서는 Al의 함량을 80%로 증가시키고 피복층의 집합조직을 (100)에서 (111)로 변화시켜 경도의 감소를 줄이는 방법을 제안하였다. 그러나 근본적으로 Al 함량 증가에 따른 경도의 감소는 TiN에 비해 AlN의 경도 값이 낮기 때문으로 집합조직 방향의 변화로는 그 한계가 있는 것이 명확하게 나타난다.

이러한 한계를 극복하기 위하여 일본등록특허 제2979921호에서는 nm 두께의 서로 다른 박막의 적층으로 인한 격자왜에너지(coherency strain energy) 효과를 이용하여 Al 함량 증가에 따른 경도의 감소를 방지하고 전체적으로 Al의 함량을 높여 내산화 특성을 향상시키는 시도를 하였다. Ti_xAl_1-xN 층과 Ti_yAl _1-yN 층을 수 nm 두께로 반복 적층시키되, Ti 대비 전체 Al 함량을 50% 이상으로 유지하게 되면 고 함량의 Al에 의한 내산화 효과와 나노 적층에 의한 경도의 상승효과를 기대할 수 있다. 이러한 방법은 다음과 같은 미세구조와 경도의 상관관계에 근거를 두고 있다. 일반적으로 재료의 경도에 큰 영향을 주는 것이 Hall-Petch 이론으로 잘 알려진 입자의 크기이다. 이는 계면에서의 전위(dislocation) 전이를 방해하는 효과에 기인한다. 따라서 같은 조성을 가지고 있어도 피복층의 미세구조를 조절하는 방법에 의하여 다른 특성의 손상을 주지 않고 경도의 증가를 기대할 수 있다.

그러나 근본적으로 내산화 특성은 Al이 다량 함유된 층의 두께에 의존한다. 즉, Ti가 전혀 포함되지 않은 AlN 막이 내산화성이 가장 우수하다. 따라서 경도의 큰 감소 없이 내산화 특성을 향상시키기 위해서는 보다 적극적인 미세구조의 설계가 필요하다.

이에 본 발명에서는 첨부도면 도 1에 나타낸 바와 같이, Al 조성이 서로 다른 nm 두께의 TiAlN 막이 반복 적층한 피복층을 한 단위층(A)으로 적층하고, 그 위에 Al의 함량이 70% 이상 되는 수십 nm 두께의 TiAlN 피복층을 다른 하나의 단위층(B)으로 적층하는 미세구조 변경을 시도하였고, 경도는 단위층(A)이 보상하고 내산화성은 단위층(B)이 보상하도록 하고, 또한 단위층(A)과 단위층(B)의 상대 두께 조절에 의해 경도와 내산화성의 설계가 가능한 TiAlN계 다층박막을 제조함으로써 본 발명을 완성하게 되었다. 경도를 담당하는 단위층(A)의 경우 Al 조성이 서로 다른 TiAlN의 다층 적층막일 수도 있고, 또는 TiAlN과 주기율표상의 다른 Ⅳ-A족 원소의 질화물 또는 탄화물이 추가로 반복 적층된 막이 될 수도 있는데, 기본적으로 단위층(A)은 경도가 40 GPa 이상 되는 초경도 나노적층 박막을 기본으로 한다. 내산화 특성을 담당하는 단위층(B)의 경우 Al 함량이 70% 이상 되는 TiAlN 단일막으로 구성되나, 요구되는 특성에 따라 내산화 특성이 가장 우수한 AlN 막이 채택될 수도 있다. 이는 적용되는 환경에 따라 경도와 내산화성의 범위가 정해지므로, 요구되는 경도와 내산화성의 범위 내에 따라 각 막의 종류 및 두께가 결정된다.

따라서, 본 발명은 막의 미세구조 변경에 의해 내마모성과 내산화성이 향상된 TiAlN계 다층 경질박막을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 Ti_xAl_1-xN(0≤x＜0.5)과 Ti_yAl_1-yN(0.5≤y≤1)이 다층으로 적층되어 경도 값이 40 GPa 이상으로 조절된 단위층(A)과, Ti_zAl_1-zN(0≤z≤0.3)의 단일층으로 적층된 25 ∼ 30 GPa의 경도 값을 갖는 단위층(B)이 반복적으로 적층된 구조를 이루고 있는 내산화성 및 내마모성이 우수한 TiAlN계 다층 경질박막을 그 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 기존의 TiAlN계 다층 경질박막의 미세 구조변경에 의해 기존 코팅박막에 비해 높은 경도 값을 갖으면서도 내마모성과 내산화성을 동시에 증진시키는 효과를 얻게되는 새로운 미세구조의 TiAlN계 다층 경질박막에 관한 것이다.

본 발명에 따른 TiAlN계 다층 경질박막은 경도를 보상하는 단위층(A)와 내산화성을 보상하는 단위층(B)로 구성된다.

경도를 보상하는 단위층(A)은 Al의 함량 50%를 기준으로, 한층은 Al 함량이 50% 이상인 Ti_xAl_1-xN(0≤x＜0.5)층과 Al 함량이 50% 미만인 Ti_yAl_1-yN(0.5≤y≤1)층이 반복 적층되어 있으며, 이러한 층 구조에 의해 단위층(A)은 경도 값이 40 GPa 이상 보다 바람직하게는 40 ∼ 60 GPa 범위의 초경도 막으로 조절될 수 있다. 이러한 막의 경도는 두 막간의 Al 함량의 차이가 증가할수록 두 막 사이의 격자상수 및 탄성율의 차이가 증가하여 경도 값이 보다 증가하게 된다. 또한, 필요에 따라서는 TiAlN 단위막과 주기율표상의 다른 Ⅳ-A족 원소의 질화물 또는 탄화물 막을 추가로 반복 적층할 수도 있는 바, 이 경우도 기본적으로 단위층(A)의 경도가 40 GPa 이상 되는 초경도 나노적층 박막을 기본으로 한다. 단위층(A)을 구성하는 각 단일막의 두께는 수 nm 정도이다.

내산화성을 보상하는 단위층(B)은 Al 함량이 70% 이상으로 높은 TiAlN 단일막으로 구성되며, 단위층(B)의 경도 값은 25 ∼ 30 GPa 범위이다.

본 발명에 따른 TiAlN계 다층 경질박막을 구성하게 되는 단위층(A)과 단위층(B)의 두께는 각각 수십 ∼ 수백 nm의 범위이며, 상기 단위층(A)과 단위층(B)이 반복 적층된 막의 전체 두께가 0.5 ∼ 10 ㎛ 범위이며, 이는 응용의 성격에 의해 결정된다. 이러한 A층과 B 층의 적층막의 특성은 다음과 같이 예측될 수 있다.

우선 경도를 보면 각층의 두께가 수십 nm 이상인 경우 복합 적층의 경우 경도는 아래 수학식 1에 의해 결정된다.

상기 수학식 1에서, H는 복합층의 경도를 나타내고, H_a는 A층의 경도를 나타내고, H_b는 B층의 경도를 나타내고, T_a는 A층의 두께를 나타내고, T_b는 B층의 두께를 나타낸다.

따라서 경도 40 GPa인 단위층(A)과 경도 26 GPa인 단위층(B)이 동일 두께로 적층되었을 경우 복합층의 경도는 약 33 GPa로 계산된다. 단위층(B)의 삽입에 의해 경도 값의 감소를 가지고 왔으나, 이 값 역시 일반적인 TiAlN 박막의 최대 경도 값인 30 GPa보다 높은 것을 알 수 있다.

한편 피복층의 산화는 피복층 표면에서 산소의 확산에 의해 진행된다. 또한 산화 속도는 조성, 온도에 따라 결정되는 산화막의 임계 두께 이상에서는 감소한다.(J. Appl. Phys. 67권, 1542∼1553쪽, 1990년) 따라서 단위층(A)과 단위층(B)이 동일한 경우 단위층(B)의 두께가 두꺼울수록 산화 속도가 늦어진다. 또한 이 경우 단위층(A)과 단위층(B)의 상대 두께의 변화에 의하여 복합층의 경도와 내산화 특성의 조절이 가능하다. 본 발명 역시 적층막의 미세구조 변경에 의하여 기존의 어느 피복층 보다 내산화성 및 경도의 조절이 자유롭고 특성이 우수한 피복층의 제작이 가능하게 된 것이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

본 실시예에 따른 피복층의 코팅은 첨부도면 도 2에 제시한 두개의 타겟(target)이 대향하고 있는 고성능 마그네트론 스펏터링(unbalanced magnetron sputtering) 장치를 사용하였다. 한쪽 타겟(target)은 Al 함량이 25%인 TiAl 합금이고, 다른 한쪽 타겟(target)은 Al 함량이 67%인 TiAl 합금이다. 코팅은 비커스(Vickers) 경도 값이 631 HRC인 SKH 9(AISI M2) 고속도 공구강을 1 ㎛ 다이아몬드 페이스트(diamond paste)까지 연마한 기판 위에 DC 타겟 파워를 이용하여 이루어졌다. 이때, 챔버(Chamber) 내부 진공을 1.0×10^-6 torr 이하의 베이스 압력(base pressure)까지 얻은 다음, 기판에 -500 V를 30분 동안 인가하여 Ar 플라즈마를 이용하여 기판 클리닝(cleaning) 실시한 후, Al 함량이 25%인 TiAl 합금 타겟을 이용 TiAl 버퍼 층(TiAl buffer layer), TiAlN 베이스 층(base layer), 다층막 순으로 증착하였다. 아르곤과 질소를 이용하여 증착 중의 챔버 내 반응 기체의 압력을 2 ∼ 8 mtorr로 조정하고 기판 온도는 300 ℃로 유지한 상태에서 기판에 -150 V의 바이어스 전압을 인가하면서 막 전체의 두께가 2 ∼ 3 ㎛이 되도록 증착을 하였다.

다음 표 1에는 모재가 장착된 지그(jig)의 회전 없이 코팅된 단일막의 조성과 경도 값을 나타내었다. 타겟(target)의 조성에 따라 코팅된 TiAlN 피복층의 Al 함량은 다음 표 1에 제시된 바와 같다.

상기 표 1에서 확인되듯 이들 TiAlN 단일막의 경도는 Al 함량에 크게 의존한다. 특히 Al이 73% 함유된 TiAlN 막의 경도는 26.7 GPa로 낮은 것을 알 수 있 다.

실시예 2

본 실시예에서는 상기 실시예 1에서 사용한 코팅 조건을 적용하고 지그(jig)를 공전 자전시켜 두 조성의 TiAlN 막이 교대로 반복 증착된 막을 형성하였다. 지그(jig)의 공전 회전 속도를 1∼3회/분으로 조절하여 단층막의 두께는 2 ∼ 6 nm 내외로 조절하였다.

다음 표 2에는 다층막 주기(각각 단일막 두께의 합)에 따른 경도의 변화를 나타내었다.

상기 표 2에 따른 다층 박막의 경우, 상기 표 1에 제시된 단일막에 비교하여 볼 때 경도 값이 증가하고 있음을 알 수 있다. 전반적으로 다층막의 특정 주기에서 경도가 높아지는 경향을 보이고 있다. 특히 주기가 3.7 nm인 경우 단일막의 경도 값 보다 높은 약 40 GPa의 경도를 보여주고 있다. 이러한 결과는 반복 적층에 의한 계면의 전위(dislocation)의 전이를 저해하는 효과에 의해 경도의 큰 향상을 보여주는 결과라 하겠다.

실시예 3

본 실시예는 본 발명이 특징으로 하는 내마모성 및 내산화성이 보상된 경질 다층박막을 제조한 예이다.

상기 실시예 2의 조건에서 나노두께로 적층된 Ti_0.73Al_0.27N-Ti_0.27Al _0.73N 막 (단위층 (A))을 40 nm가 되게 코팅한 후, 지그(jig)를 멈추고 Ti_0.27Al_0.73N 막 (단위층 (B))을 40 nm 적층한 후 다시 지그(jig)를 회전시켜 단위층 (A)을 40 nm 적층하고, 다시 지그(jig)를 정지시켜 단위층 (B)을 40 nm 적층하는 공정을 반복하여 전체 피복층의 두께가 약 2 ㎛ 되는 다층 박막을 형성하였다.

상기와 같은 방법으로 단위층 (B)의 두께만 80 nm, 120 nm로 변화시켜 단위층 (A)과 단위층 (B)의 상대 두께를 변화시켰다.

다음 표 3에는 Ti_0.73Al_0.27N-Ti_0.27Al_0.73N(주기: 3.7 ㎚)의 다층 적층된 단위체 (A)와 Ti_0.27Al_0.73N 단일막으로 적층된 단위체 (B)의 두께 비율에 따른 경질 다층박막의 경도 값을 나타내었다.

상기 표 3에 의하면, 단위층 (A)과 단위층 (B)가 반복 적층된 다층박막의 경도 값은 약 31 ∼ 34 GPa 이었고, 단위층 (B)의 두께가 증가함에 따라 다소 감소하는 경향을 보여주나 절대 값의 감소는 그다지 크지 않음을 알 수 있다.

실시예 4.

본 실시예는 본 발명이 특징으로 하는 경질 다층박막의 내산화 특성을 조사하기 위해, 상기 실시예 3에서 제조한 시편을 대기 중에서 800 ℃ 온도에서 1시간 동안 열처리 후 단면부를 현미경으로 관찰하여 산화층의 두께를 측정하였다. 그 결과는 다음 표 4에 나타내었다.

단일막을 비교하였을 때, Al 함량이 큰 단일막은 그 함량이 작은 단일막에 비해 산화층의 두께가 현저히 작음을 알 수 있다. 즉, Al 함량이 큰 경우는 내산화 특성이 우수함을 알 수 있다.

한편, Ti_0.73Al_0.27N-Ti_0.27Al_0.73N 층만으로 구성된 경우 Al 함량이 작은 Ti_0.73Al_0.27N 단일막에 비해 산화속도가 감소되었으나, Al 함량이 많은 Ti_0.27Al_0.73N 단일막에 비해서는 아직도 산화속도가 여전히 크게 나타남을 알 수 있다.

이에 반하여, Ti_0.73Al_0.27N-Ti_0.27Al_0.73N 층에 Ti_0.27Al_0.73N 단일막이 적층된 다층 박막의 경우 산화속도의 감소는 보다 현저함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명이 특징으로 하는 바대로 단위체 (A)층과 단위체 (B)층이 복합 적층된 다층박막은 경도 값의 커다란 감소 없이 내산화성을 현저하게 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

일반적으로 절삭공구용 피복재료에서 요구되는 특성은 경도와 내산화성을 들 수 있다. 절삭공구의 선택은 피삭재의 종류, 절삭이 이루어지는 환경, 절삭조건에 의해 결정되며, 이러한 조건에 따라 절삭공구에서 요구되는 성능의 조정이 이루어져야 한다.

본 발명에서 제시한 TiAlN계 다층 경질박막의 경우 단위층(A)와 단위층(B)의 조성 및 두께 조절에 의한 미세구조 설계에 의해 내마모성과 내산화성을 크게 향상된 효과를 얻고 있다. 따라서, 본 발명에 따라 미세 구조적인 변수를 조절하여 원하는 절삭공구의 물성을 자유자재로 조절하는 것이 가능하다.

Claims

Ti_xAl_1-xN(0≤x＜0.5)과 Ti_yAl_1-yN(0.5≤y≤1)이 다층으로 적층되어 경도 값이 40 GPa 이상으로 조절된 단위층(A)과,

Ti_zAl_1-zN(0≤z≤0.3)의 단일층으로 적층된 25 ∼ 30 GPa의 경도 값을 갖는 단위층(B)이

반복적으로 적층된 구조를 이루고 있는 것임을 특징으로 하는 내산화성 및 내마모성이 우수한 TiAlN계 다층 경질박막.
제 1 항에 있어서,

상기 단위층(A)은 주기율표상의 Ⅳ-A족 원소의 질화물 또는 탄화물 박막이 추가로 적층된 것임을 특징으로 하는 TiAlN계 다층 경질박막.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 단위층(A)을 구성하는 각 단일막의 두께가 수 nm인 것임을 특징으로 하는 TiAlN계 다층 경질박막.
제 1 항에 있어서,

상기 단위층(A)과 단위층(B)의 두께가 각각 수십 ∼ 수백 nm이고, 상기 단위층(A)과 단위층(B)이 반복 적층된 다층 경질박막의 전체 두께가 0.5 ∼ 10 ㎛인 것임을 특징으로 하는 TiAlN계 다층 경질박막.