KR100732198B1 - Ｄｌｃ 코팅장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속이나 비금속 소재로 만든 각종 공구/부품/금형 등의 모재 표면에 다이아몬드 유사 카본필름 층을 형성할 때, 플라즈마 이온주입법과 플라즈마 화학기상 증착법을 함께 적용함으로써 모재와 다이아몬드 유사 카본필름 층 사이의 접착력이 획기적으로 향상되도록 한 ＤＬＣ 코팅방법 및 코팅장치에 관한 것이다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 ＤＬＣ 코팅방법은 아르곤(Argon)을 이용하여 발생시킨 플라즈마로 모재의 표면을 세정하는 세정단계 와; 상기 세정단계의 이후 단계로서 플라즈마 화학기상 증착법으로 모재의 표면에 코팅층을 형성하는 증착단계 와; 상기 증착단계의 이후 단계로서 상기 코팅층이 형성된 모재에 플라즈마 이온을 주입하여 모재의 표면 하부로부터 상기 코팅층에 걸쳐 이온혼합층을 형성하는 이온주입단계 ; 및 상기 이온주입단계의 이후 단계로서 상기 이온혼합층 상에 플라즈마 화학기상 증착법으로 ＤＬＣ필름 층을 형성하는 ＤＬＣ 코팅단계 ; 가 실시되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 ＤＬＣ 코팅방법이 수행 가능한 일 실시예의 ＤＬＣ 코팅장치는 모재를 얹어 놓을 스테이지가 구비된 진공챔버 와; 진공챔버에 접속되어 상기 진공챔버의 내부를 진공으로 유지시키는 진공유닛 과; 상기 진공챔버의 내부로 가스물질을 공급하는 질량흐름제어유닛 과; 상기 진공챔버의 내부에 플라즈마를 형성하 는 플라즈마생성기 와; 상기 스테이지에 고전압 펄스를 인가하는 펄스생성기 및 상기 각 부의 동작을 제어하는 PLC(Programmable Logic Controller) 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

저온공정, 내마모성, 내부식성, 방청성, 내피로성, 표면경도 향상, 윤활 특성, 내약품성, 마찰력 감소, 내구성, 치수 정밀도, 박리특성 향상, 의료기기, 정밀금형, 자동차부품, 항공부품, ＤＬＣ 코팅, 플라즈마 이온주입, 플라즈마, 화학기상증착, 아르곤 세정

Description

ＤＬＣ 코팅장치{Facility for coating the 3-dimensional member with Diamond-Like Carbon Film by Plasma CVD combined with Plasma Ion Implantation}

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 ＤＬＣ 코팅방법의 작업공정도.

도 2는 본 발명의 일 예에 따른 ＤＬＣ 코팅장치의 개략 구성도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 모재의 표면에 ＤＬＣ필름 층을 형성해 나가는 작업과정을 나타낸 모식도.

[도면 부호의 설명]

10… 진공챔버 12… 게이지

21… 스로틀밸브 22… 메인밸브

23… 진공펌프 24… 포라인밸브

25… 러핑밸브 26… 릴리즈밸브

27… 로터리펌프 28… 배관

30… 질량흐름제어유닛 40… 플라즈마생성기

50… 펄스생성기 60… PLC

70… 벤트라인 80… 스테이지

100… 모재 200… 코팅층

300… 이온혼합층 400… ＤＬＣ필름 층

본 발명은 금속이나 비금속 소재로 만든 각종 공구/부품/금형 등의 모재 표면에 다이아몬드 유사 카본필름 층(Diamond-Like Carbon Film:“ＤＬＣ필름 층”라 함)을 형성하여, 모재의 내구성/내마모성/윤활성 등을 향상시키는 방법에 관한 것이다.

더욱 구체적으로는, 모재의 표면에 다이아몬드 유사 카본필름 층을 형성할 때, 플라즈마 이온주입법과 플라즈마 화학기상 증착법을 혼용함으로써 모재와 다이아몬드 유사 카본필름 층 사이의 접착력이 크게 향상되도록 한 ＤＬＣ 코팅방법 및 코팅장치에 관한 것이다.

일반적으로, ＤＬＣ필름 층에 의해 표면이 보호된 모재는 다른 방법에 의해 표면이 보호된 경우보다 우수한 경도/윤활성/내마모성/마찰특성/내식성 등을 나타내기 때문에 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 그러나 상기 ＤＬＣ필름 층은 탄화물이 포함되지 않은 모재-예컨대, 금속소재-에는 잘 접착되지 않으므로 박리가 쉽게 일어나는 문제점이 있다.

ＤＬＣ필름 층의 박리를 억제하거나 완화하는 방법으로는 ⑴ 공정온도를 높여 ＤＬＣ필름 층의 잔류 응력을 감소시키는 방법과 ⑵ ＤＬＣ필름 층의 계면접착력을 증진시키는 방법 중 하나가 이용되는데, 본 발명은 이들 방법 중에서도 특히 계면접착력을 증진시키는 새로운 방법에 관한 것이다.

계면접착력의 증진방법과 관련하여, 종래에는 ① 모재 표면을 유기용매로 세정한 다음 CVD 증착장치/PVD 증착장치에 모재를 설치하여 ＤＬＣ 코팅을 하거나 ② CVD 증착장치/PVD 증착장치에 장착한 모재의 표면을 아르곤으로 스퍼터링하여 표면을 활성화한 다음 ＤＬＣ 코팅을 하는 방법이 사용되었다.

그러나 이러한 예비공정에 의해서도 충분한 계면접착력은 얻기가 힘들기 때문에, 최근에는 모재와 ＤＬＣ필름 층 사이에, 이들과의 화학적 친화력이 우수한 물질로 중간층을 형성하는 방법이 많이 이용되고 있다.

하지만, 중간층의 구성물질로서 주로 사용되는 실리콘은 취성이 강해 외부 충격에 의해 상기 중간층이 쉽게 파괴될 가능성이 있고, 티타늄은 높은 산화력으로 인하여 상기 중간층 내에 이산화티탄의 형태로 존재할 가능성이 있어 접착력이 저하될 우려가 있다.

더욱이, ＤＬＣ 코팅에 사용되는 종래의 CVD 증착장치는 공정온도가 800℃∼1100℃에 달하기 때문에 모재가 금속소재인 경우에나 적용할 수 있고, 모재의 모양 변화와 치수변화가 심한 단점이 있다. 이에 반해, PVD 증착장치는 공정온도가 200℃∼500℃ 정도여서 CVD 증착장치에 비해 모양과 치수의 안정성이 높고 비금속도 작업이 가능한 이점은 있지만, ＤＬＣ필름 층이 모재의 표면에 단순히 쌓여 있는 퇴적(堆積)구조여서 여전히 ＤＬＣ필름 층의 박리에 대한 문제가 있고 공정 여건상 복잡한 3차원 형상의 물품에 적용하기 어려운 단점이 있다.

본 발명은 CVD 증착장치나 PVD 증착장치에 의해 수행되던 종래 ＤＬＣ 코팅공정의 여러 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서 ① 종래 PVD 증착장치보다도 낮은 공정온도에서 운전되어 모재의 모양변화/치수변화가 거의 없고 ② ＤＬＣ 코팅 시 플라즈마 이온주입법과 플라즈마 화학기상 증착법을 함께 적용함으로써 ＤＬＣ필름 층의 계면접착력이 종래보다 크게 향상되어 박리 문제가 없으며 ③ 코팅과정에서 모재 주변에 형성된 플라즈마 쉬쓰의 이온유도작용에 의해 복잡한 형상의 3차원 물체도 균일한 두께로 코팅이 가능하고 ④ ＤＬＣ 코팅된 모재에 대해 사후적으로 표면처리를 하거나 열처리를 할 필요가 없는 ＤＬＣ 코팅방법 및 코팅장치를 제공함에 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 ＤＬＣ 코팅방법은, 예를 들면 특허청구범위 제1항에 기재된 바와 같이, 모재가 설치된 진공챔버 내에 가스물질을 주입 한 후 플라즈마에 의해 모재의 표면을 개질하는 방법에 있어서, 플라즈마 화학기상 증착법으로 모재의 표면에 코팅층을 형성하는 증착단계 와; 증착단계의 이후 단계로서 상기 코팅층이 형성된 모재에 플라즈마 이온을 주입하여 모재의 표면 하부로부터 상기 코팅층에 걸쳐 이온혼합층을 형성하는 이온주입단계 와; 이온주입단계의 이후 단계로서 상기 이온혼합층 상에 플라즈마 화학기상 증착법으로 ＤＬＣ필름 층을 형성하는 ＤＬＣ 코팅단계 ; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

이때, 바람직하게는 특허청구범위 제2항에서 청구되는 바와 같이 증착단계의 실시 이전( 세정단계 )에, 아르곤(Argon)을 이용하여 발생시킨 플라즈마로 모재의 표면을 세정하는 것이다. 이러한 구성에 의하면, 증착단계에서 성막되는 코팅층과 모재 표면 간의 계면접착력을 높일 수 있으므로 박리문제가 크게 완화될 수 있다.

한편, 상술한 본 발명의 ＤＬＣ 코팅방법이 효과적으로 실시 가능한 일 예의 ＤＬＣ 코팅장치는 첨부된 도 2와 본원의 특허청구범위 제5항에 기재된 내용으로부터 알 수 있듯이, 모재를 얹어 놓을 스테이지가 구비된 진공챔버 와; 진공챔버에 접속되어 상기 챔버의 내부를 진공으로 유지시키는 진공유닛 과; 상기 진공챔버에 접속되어 챔버의 내부로 가스물질을 공급하는 질량흐름제어유닛 과; 진공챔버에 접속되어 상기 챔버 내에 플라즈마를 생성하는 플라즈마생성기 와; 스테이지에 (고전압) 펄스를 인가하는 (고전압) 펄스생성기 및 상술한 각 부(진공유닛, 질량흐름제어유닛, 플라즈마생성기, 펄스생성기)의 동작을 제어하는 PLC 로 구성될 수 있다.

여기서, 상기 스테이지는 수은슬립링요소를 개재하여 상기 진공챔버의 내부 바닥에 회전 가능한 구조로 설치될 수 있는데 이러한 구성에 의하면 복잡한 형상의 3차원 물체에 더욱 균일한 두께의 ＤＬＣ필름 층을 형성할 수 있다. (청구항 6)

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ＤＬＣ 코팅장치로 3차원 물체의 표면에 ＤＬＣ필름 층을 형성하는 방법에 대해 설명한다.

바람직한 실시예

첨부된 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ＤＬＣ 코팅방법의 작업공정도이고, 도 2는 도 1의 ＤＬＣ 코팅방법이 수행 가능한 일 예의 ＤＬＣ 코팅장치를 개략적으로 나타낸 구성도이며, 도 3은 도 1에 표시된 각각의 (단위) 공정이 완료된 직후의 모재 표면 상태를 도식화한 모식도이다.

도 2에서 보듯이 본 실시예의 ＤＬＣ 코팅장치는 모재(100)를 지지하는 스테이지(80)가 진공챔버(10)의 내측 바닥에 설치되어 있고 코팅작업 시 상기 스테이지를 통해 모재에 고전압 펄스를 인가하는 펄스생성기(50)가 진공챔버의 바깥쪽에서 스테이지(80)에 접속되어 있다.

또한, 상기 스테이지(80)와 마주보는 형태로 진공챔버(10)의 상면 내측에 플라즈마생성기(40)가 설치되어 있다. 진공챔버의 측면에는 게이지(12)와 벤트라인(70)이 설치되어 있고 상기 진공챔버(10)의 내부로 가스물질을 설정된 공급량에 따라 공급하는 질량흐름제어유닛(30)이 접속되어 있다.

또한, 상기 진공챔버에는 내부를 진공 상태로 유지하는 진공유닛이 접속되어 있는데 이 진공유닛은 도면에 나타낸 바와 같이 스로틀밸브(21), 메인밸브(22), 진공펌프(23), 포라인밸브(24), 러핑밸브(25), 릴리즈밸브(26), 로터리펌프(27), 배관(28) 등으로 구성될 수 있다.

또한, 상술한 각 부의 동작을 제어할 수 있도록 컴퓨터와 유사한 구성으로 제작된 PLC(Programmable Logic Controller: 60)가 각 구성요소와 전기적으로 접속되어 있다. 여기서, 상기 PLC는 컴퓨터(PC)로 대체되거나 컴퓨터와 함께 조합되어 사용될 수 있다.

더욱 구체적으로, 본 실시예의 진공챔버(10)는 지름 500㎜×길이 500㎜의 원통형 압력용기로 제작되었으며, 진공챔버의 내부압력을 30분 이내에 5×10^-6 Torr에 도달되게 하는 진공유닛이 사용되었다.

또한, 본 실시예의 ＤＬＣ 코팅장치에서는 바이어스 피크전압: 50㎸, 피크전류: 50A, 최대 폭: 10㎲, 최대 상승시간: 1.5㎲, 최대 주파수: 1000㎐의 범위 안에서 펄스가 인가되도록 펄스 파워 서플라이를 구성하였으며, 플라즈마소스로 핫 필라멘트를 사용하였다. 여기서, 핫 필라멘트 이외의 RF나 ＥＣＲ 마이크로 웨이브도 플라즈마소스로 사용될 수 있다.

또한, 질량흐름제어유닛을 통해 진공챔버의 내부로 공급되는 가스물질로는 각각의 단위공정에서 사용되는 Ar, CH₄, C₂H₂, C₆H₆, C₇H₈, Si(CH₃)₄ 등이 이용되었다.

또한, 전력으로는 3상 220V의 10㎾ 전력이 사용되었다. 아울러, 지름 약 300㎜의 원판 형태로 제작된 스테이지에는 과열을 방지하기 위해 분(分)당 10∼20ℓ의 냉각수가 흐르는 냉각장치를 연결시켜 놓았다.

그 결과, 본 실시예에 따른 ＤＬＣ 코팅장치는 전체 규격이 1500㎜×1400㎜×1700㎜ 정도가 되었다.

도 1에서 보듯이 본 실시예의 ＤＬＣ 코팅장치에서는 모두 4번의 작업공정을 거쳐 ＤＬＣ코팅이 이루어지는데 각 단위공정(작업)에서의 내부압력은 1×10^-4 Torr∼2×10^-2 Torr로 유지되고, 공정온도는 200℃ 미만으로 유지된다.

우선, 금속으로 만든 공구/부품/금형 등의 모재(100)를 진공챔버(10)의 스테이지(80)에 지지시킨 상태에서, 상기 진공챔버의 일측에 접속되어 있는 질량흐름제어유닛(30)을 통해 진공챔버의 내부로 아르곤(Ar)가스를 주입한 후 플라즈마를 발생시켜 바이어스 전압 7∼15㎸, 펄스 폭 5∼10㎲, 주파수 100∼1000㎐의 조건 하에서 중간에너지 수준으로 모재 표면을 세정한다. ( 세정단계 ) 이와 같이 하면 모재에 붙어 있던 유기물이 제거되고, 플라즈마에 의해 모재 표면이 활성화된다.

이어서 상기 질량흐름제어유닛(30)을 통해 진공챔버의 내부로 새로운 가스물 질을 도입하되 메탄/아세틸렌/벤젠/톨루엔/티타늄/규소/탄화규소 계열 중에서 선택된 가스물질을 도입한 다음 바이어스 전압 2∼8㎸, 펄스 폭 10∼100㎲, 주파수 100∼1000㎐의 조건 하에서 저에너지 수준으로 모재 표면에 플라즈마 화학증착법으로 코팅층(200)을 형성한다. ( 증착단계 ) 이와 같이 하면, 플라즈마에 의해 가스물질로부터 유리된 탄소나 티타늄 또는 규소 이온이 상기 세정단계에서 활성화된 모재 표면에 수 나노(nano) 수준의 초박막 형태로 균일하게 코팅되며, 이때의 계면접착력은 매우 높은 수준으로 유지된다.

이어서, 진공챔버의 내부에 메탄을 주입한 후 바이어스 전압 20∼50㎸, 펄스 폭 5∼10㎲, 주파수 100∼1000㎐의 조건 하에서 고에너지 수준으로 모재에 이온을 주입한다. ( 이온주입단계 ) 이와 같이 하면 모재를 감싸고 있는 듯한 모습의 플라즈마 쉬쓰 쪽으로 탄소 이온이 거의 수직으로 입사되어 에너지가 높은 탄소 이온의 경우에는 모재 속까지 파고들고 에너지가 낮은 탄소 이온의 경우에는 코팅층 위에 퇴적됨으로써 전체적으로 모재의 표면 하부에서 코팅층에 이르는 이온혼합층(300)이 형성된다.

이후, 진공챔버의 내부에 메탄/아세틸렌/벤젠/톨루엔 계열의 물질 중에서 선택된 어느 한 종류의 가스물질을 주입한 후 바이어스 전압 2∼8㎸, 펄스 폭 10∼100㎲, 주파수 100∼1000㎐의 조건 하에서 저에너지 수준으로 이온혼합층(300)의 표면에 플라즈마 화학증착법으로 다이아몬드 유사 카본필름 층(400: ＤＬＣ필름 층 )을 형성한다. ( ＤＬＣ 코팅단계 ) 이와 같이 하면, 탄소 이온을 주성분으로 하는 이온혼합층 위에 다시 탄소 계열의 ＤＬＣ필름 층이 적층된 형태가 되어 코팅층 사이의 밀착력이 매우 높게 나타난다.

한편, 상술한 ＤＬＣ코팅단계의 완료 시 벤트라인(70)을 열어 진공압력을 해제한 다음 상기 진공챔버의 일측에 마련해 놓은 도어(미도시)를 통해 모재를 꺼냄으로써 ＤＬＣ코팅공정의 모든 작업이 완료된다.

아래 표 1은 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 ＤＬＣ코팅공정과 종래 PVD법 간의 차이점을 대비한 비교표로 마찰계수와 내마모성 및 공정온도 면에서 본 발명이 매우 우수한 것임을 알 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 ＤＬＣ코팅공정에 의하면 모재의 표면을 중에너지의 아르곤으로 세정한 후 저에너지의 플라즈마 화학증착법으로 코팅층을 증착하고 이어서 고에너지의 플라즈마 이온주입법으로 탄소 이온을 모재에 침투시켜 이온혼합층을 형성한 후 다시 저에너지의 플라즈마 화학증착법을 적용하여 ＤＬＣ필름 층을 형성함으로써 계면접착력이 매우 높고 박리 문제가 전혀 없는 매우 우수한 ＤＬＣ필름 층을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 ＤＬＣ코팅공정은 종래 PVD 증착장치보다도 낮은 공정온도에서 운전되므로 모재의 모양안정성과 치수안정성이 매우 높다.

또한, 모재 주변에 형성되는 플라즈마 쉬쓰의 유도작용에 의해 복잡한 형상의 3차원 물체에도 ＤＬＣ필름 층을 용이하게 형성할 수 있고 층 두께도 균일하게 할 수 있다.

또한, 코팅층 사이의 계면접착력을 향상시키기 위한 사후 표면처리나 열처리가 전혀 필요 없으므로 전체 작업공수가 줄어들어 비용이 절감되는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 모재에 플라즈마 이온을 주입하여 모재의 표면 하부로부터 이온혼합층을 형성하는 이온주입단계 및 상기 형성된 이온혼합층 상에 플라즈마 화학기상 증착법에 의해 ＤＬＣ필름 층을 형성하는 ＤＬＣ 코팅단계로 이루어지는 DLC 코팅방법에 있어서,

   상기 이온주입단계 이전 단계로서,

   플라즈마 화학기상 증착법으로 모재의 표면에 코팅층을 형성하는 증착단계를 추가함으로써 상기 이온주입단계에서 모재의 표면 하부로부터 코팅층에 걸쳐 이온혼합층이 형성될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 ＤＬＣ 코팅방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 증착단계의 이전 단계로서,

   아르곤(Argon)을 이용하여 발생시킨 플라즈마로 상기 모재의 표면을 세정하는 세정단계가 실시되는 것을 특징으로 하는 ＤＬＣ 코팅방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 세정단계는

   진공챔버의 내부에 아르곤 가스가 주입된 상태에서 바이어스 전압 7∼15㎸, 펄스 폭 5∼10㎲, 주파수 100∼1000㎐의 조건 하에 실시되는 것을 특징으로 하는 ＤＬＣ 코팅방법.
4. 제1항 또는 제2항 또는 제3항에 있어서,

   A) 상기 증착단계 는

   진공챔버의 내부에 메탄/아세틸렌/벤젠/톨루엔/티타늄/규소/탄화규소 계열의 물질 중에서 선택된 어느 한 종류의 가스물질이 주입된 다음 바이어스 전압 2∼8㎸, 펄스 폭 10∼100㎲, 주파수 100∼1000㎐의 조건 하에 실시되고,

   B) 상기 이온주입단계 는

   진공챔버의 내부에 메탄가스가 주입된 상태에서 바이어스 전압 20∼50㎸, 펄스 폭 5∼10㎲, 주파수 100∼1000㎐의 조건 하에 실시되며,

   C) 상기 ＤＬＣ 코팅단계 는

   진공챔버의 내부에 메탄/아세틸렌/벤젠/톨루엔계열의 물질 중에서 선택된 어느 한 종류의 가스물질이 주입된 상태에서 바이어스 전압 2∼8㎸, 펄스 폭 10∼100㎲, 주파수 100∼1000㎐의 조건 하에 실시되는 것을 특징으로 하는 ＤＬＣ 코팅방법.
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