KR101151252B1 - Ｄｌｃ 코팅에 의한 내마모성 전도체 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기전도성과 내마모성을 모두 구비하여야 하는 프로우브 등과 같은 제품에 사용될 수 있는 내마모성 전도체를 DLC 코팅으로 제공하고자 하는 것으로, 본 발명에 따르면, 프로우브 등의 기재에 Au 와 같이 전기전도도가 우수한 금속을 도금 등으로 코팅하고 DLC 박막을 5 내지 10 nm로 코팅하여 DLC 박막의 점착성을 확보하면서도 Au의 전기전도도를 그대로 유지하게 하여 내구성 있는 프로우브를 간편하고도 생산성 높은 공정으로 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 이온 플레이팅 방법에 의한 DLC 코팅을 실행하며, DLC 박막의 두께 제어는, 그라파이트 타겟으로부터 이온을 발생시키는 단위시간당 이온 방출 횟수와 코팅 시간을 제어하는 식으로 구현하였다.

Description

ＤＬＣ 코팅에 의한 내마모성 전도체 및 그 제조방법{An Abrasion Resistance Conductor And A Manufacturing Method thereof By DLC Coating}
본 발명은 프로우브 등에 응용할 수 있는, 내마모성 및 전도성을 모두 구비한 내마모성 전도체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 프로우브와 같이 빈번하게 전기 접촉을 필요로 하여 내마모성과 전도성을 모두 필요로 하는 기재의 내마모성을 향상시키기 위하여 DLC 코팅으로 프로우브 등의 기재 단부를 처리하여 제조하는 내마모성이 우수한 전도체 기재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
전기전도성이 있으면서도 접촉 등에 따른 내마모성이 우수해야 하는 경우가 산업 상 요구될 수 있으며, 구리, 은, 금 등의 전기전도성이 우수한 금속들의 경우, 비교적 무른 금속으로 내마모성이 그다지 좋지 못하다. 또한, 다이아먼드와 같이 내마모성에서 최상의 특성을 나타내는 비금속의 경우는 전기전도성이 없다. 따라서 양자를 모두 구비하여야 하는 경우 특별한 처리가 필요하다.
전기전도성과 내마모성이 모두 구비될 필요가 있는 것으로 프로우브(probe)를 예로 들 수 있다.
프로우브(probe)는 여러 가지 검사장비에 사용되고 있음은 익히 알려진 바이고, 특히 화소(pixel) 검사에 사용되는 프로우브는 측정 빈도가 높아 쉽게 마모되어 새것으로 자주 교체하고 있는 실정이다.
현재 프로우브의 단부는 Cu로 코팅되어 있으며, 이는 프로우브의 특성상 전기전도성이 높아야 하기 때문에 전도성이 우수하다는 이유로 인한 선택이나, Cu는 쉽게 마모되기 때문에 프로우브의 수명이 짧다는 단점을 지닌다.
또한, 프로우브와 같은 공구의 단부에 코팅할 경우 PVD, CVD, PECVD 등의 여러 가지 코팅 방법이 있을 수 있으며, 내마모성을 위한 코팅으로 DLC(Dimond-Like-Carbon) 코팅이 있다.
DLC는 다이아먼드 및 흑연과 달리 정해진 결정 구조를 갖지 않는 비정질 물질로 sp1, sp2, sp3 혼성 결합이 섞여있는 구조로 아몰퍼스(amorphous) 구조이나 경도, 내부식성 및 내마모성이 다이아먼드와 비슷해 DLC(Dimond-Like-Carbon)라 불리운다. 이러한 DLC 코팅은 비정질의 탄소계 신소재로 플라즈마 중의 탄소 이온이나 활성화된 탄화수소 분자를 전기적으로 가속하여 높은 운동에너지로 충돌시킴으로써 박막을 형성하도록 하는 PECVD, 스퍼터링, 이온 플레이팅 방법으로 구현되고 있으며, 그 외에도 레이저 연마(ablation), FVA(Filtered Vacuum Arc) 등의 방법이 사용된다. 상기에서 나열한 각각의 DLC 코팅 방법은 서로 다른 장단점을 나타내고 있다.
FVA의 경우 비교적 우수한 점착성을 보이나 잔류 응력이 높다는 단점이 있고, 그외 방법으로 DLC로 다층막을 코팅할 경우, 밀착력이 떨어지는 문제가 있다.
이에 대해, DLC 코팅으로 막을 입힐 경우, 벗겨짐 현상을 방지하기 위해, DLC와 친화력이 있는 버퍼층을 추가하는 등의 시도가 이루어지고 있다.
상기와 같이 버퍼층을 추가하는 경우, DLC의 밀착력은 향상될 수 있으나, 코팅층의 두께가 전체적으로 증가하게 되어 프로우브와 같이 전기전도성을 유지하여야 하는 공구에의 코팅에서는 전기전도성을 나쁘게 하는 또 다른 문제를 유발하게 된다.
따라서, 종래 기술들은 전기전도성과 내마모성을 모두 구비한 프로우브 등의 내마모성 전도체 및 그 제조 방법을 제공하지 못한다.
따라서, 본 발명의 목적은 전기전도성과 내마모성을 모두 갖춘 내마모성 전도체 및 그 제조 방법을 제공하고 프로우브 등에 적용하도록 하는 것이다.
본 발명은, 내마모성 전도체를 제작함에 있어서,
기재 단부에 Au, Ag 또는 Pt 층을 적층 하는 단계; 및
그라파이트 타겟으로부터 이온을 방출시켜 Au, Ag 또는 Pt 층이 적층 된 상기 기재 단부에 DLC 층을 코팅하는 단계;를 포함하고,
상기 DLC 층을 코팅하는 단계는,
그라파이트 타겟으로부터 이온을 발생시키는 단위시간당 이온 방출 횟수와 코팅 시간을 제어하여 DLC 층의 두께를 제어하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성 전도체의 제조 방법을 제공할 수 있다.
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또한, 본 발명은, 상기 DLC 층을 코팅하는 단계는,
그라파이트 타겟을 음극으로 하여 전원의 - 전압을 인가하고, 상기 그라파이트 타겟의 상부로부터 이격 되게 제1 양극을 배치하여 전원의 + 전압을 인가하며, 상기 음극과 제1 양극 사이에 제1 커패시터를 게재하고,
상기 제1 양극과 DLC 층을 코팅하고자 하는 목적물 사이에 제2 양극을 배치하여 전원의 + 전압을 인가하고, 상기 음극과 제2 양극 사이에 제2 커패시터를 게재하고,
상기 음극의 전원과의 전기 접촉 횟수를 제어하여 그라파이트 타겟으로부터 이온을 방출시키는 단위시간당 이온 방출 횟수를 제어하는 것을 특징으로 하는 내마모성 전도체의 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 DLC 층을 코팅하는 단계는, 상기 제1 커패시터의 정전용량 보다 상기 제2 커패시터의 정전용량을 더 크게 하는 것을 특징으로 하는 내마모성 전도체의 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 DLC 층을 코팅하는 단계는, 상기 제2 커패시터는 다수의 커패시터를 병렬 연결하여 구성하는 것을 특징으로 하는 내마모성 전도체의 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 DLC 층을 코팅하는 단계는,
상기 음극의 전원과의 전기 접촉 횟수를 소정의 수치로 제어하여 고정하고 코팅 시간을 변동 제어하여 DLC 층의 두께를 제어하는 것을 특징으로 하는 내마모성 전도체의 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 DLC 층을 코팅하는 단계는,
DLC 층의 두께를 5 내지 10 nm로 적층 하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 내마모성 전도체의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 DLC 층을 코팅하는 단계는,
상기 음극의 전원과의 전기 접촉 횟수를 3 내지 20 Hz로 제어하고, DLC 층을 목적물에 코팅하는 시간을 1 분 내지 2 분으로 하는 것을 특징으로 하는 내마모성 전도체의 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 DLC 층을 코팅하는 단계는,
상기 DLC 층을 코팅하고자 하는 목적물을 회전시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성 전도체의 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 플라즈마를 발생시키기 위한 이온 건(gun);
상기 이온 건 내부에 배치되어 전원의 - 극이 접속되는 타겟;
상기 타겟의 상부에 타겟과 이격 되게 배치되는 제1 양극;
상기 제1 양극보다 타겟과 더욱 멀리 이격 되게 배치되는 제2 양극;
상기 제1 양극과 음극 사이에 게재되는 제1 커패시터;
상기 제2 양극과 음극 사이에 게재되는 제2 커패시터; 및
상기 음극의 전원에의 전기 접촉을 제어하는 구동 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성 전도체의 제조 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 제1 커패시터보다 상기 제2 커패시터의 정전용량이 더 큰 것을 특징으로 하는 내마모성 전도체의 제조 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 제2 커패시터는 다수의 커패시터를 병렬 연결로 구성하는 것을 특징으로 하는 내마모성 전도체의 제조 장치를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면 전기전도성과 내마모성이 모두 우수한 내마모성 전도체를 간편하고 저렴한 생산비를 통해 얻을 수 있으며, 특히, 프로우브와 같이 전기 접촉이 잦은 제품에 응용되어 제품의 수명을 연장하여 소모품 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, DLC 코팅에서 DLC 층의 박막 두께를 용이하게 제어할 수 있으므로 전도체 위에 입힌 DLC 코팅의 점착성이 유지되면서 전도성이 소실되지 않는 DLC 박막 두께를 간편하게 최적화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 제작될 수 있는 내마모성 전도체의 구성을 보여주는 개념적인 단면도이다.
도 2는 본 실시예에 따라 DLC 층(300)을 프로우브 등의 목적물에 코팅하는 장치의 개략도를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 코팅 장치를 보여주는 사진이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따라 제작될 수 있는 내마모성 전도체의 구성을 보여주는 개념적인 단면도이다.
전기전도성과 내마모성을 모두 구비하게 하려는 기재(100)의 단부를 Au로 도금하여 Au 층으로 된 전도성 도금막(200)을 형성하고 Au 층 위에 내마모성이 뛰어나면서도 Au 층의 전도성을 소실시키지 않고 유지할 수 있는 두께의 DLC 층(300)을 코팅한 구성을 나타낸다.
프로우브 등의 기재(100)에 코팅될 전기전도성이 우수한 물질로는 Au 뿐만 아니라 Ag, Pt 등을 들 수 있으며 이들은 모두 귀금속에 속해 값이 비싸므로 가격 경쟁력을 유지할 수 있는 정도의 두께(예를 들면, 10 내지 50 nm)로 코팅하고 코팅 방법도 제한이 없으며 가장 저렴한 도금 방법을 이용함이 바람직하다.
본 실시예에서 사용한 DLC층(300)의 코팅 방법은 후술하는 바와 같이 이온 건을 이용한 이온 플레이팅을 변형한 것으로 DLC 층(300)의 박막의 점착성을 우수하게 하려면 어느 정도 막 두께가 두꺼워야 하나 너무 두꺼우면 전기전도성 도금층인 Au 층의 전도성 도금막(200)과 피접촉물로부터 상당 간격을 두게 되어 전기전도성을 상실할 수 있다. 따라서, 본 발명자들은 전기전도성과 DLC 층(300)의 점착성 간의 양립을 위해 막 두께를 최적화하려는 노력을 거듭한 끝에 DLC 층(300)의 두께를 5 내지 10 nm로 하는 것이 가장 바람직하다는 사실을 찾아냈다.
따라서, 전기전도성과 내마모성을 모두 구비해야 하는 프로우브의 단부는 Au 와 같은 전도성이 우수한 금속 도금층 위에 5 내지 10 nm 의 DLC 층을 코팅하여 제작함이 바람직하다.
도 2는 본 실시예에 따라 DLC 층(300)을 프로우브 등의 목적물에 코팅하는 장치의 개략도를 보여주는 단면도이고 도 3은 그에 대한 사진이다.
본 실시예의 경우, 상기 목적물에는 전기전도도가 우수한 Au, Ag, Pt 등의 금속이 도금되어 있는 상태이다.
본 발명에 따른 DLC 코팅 방법은, 10-3 torr 내외의 저 진공의 챔버 내에서 그라파이트 타겟에 수천 암페어의 고 전류를 흘려 그라파이트 타겟으로부터 이온을 방출시키고 방출된 이온 플럭스(ion flux)를 목적물에 도달하도록 이온 플럭스의 경로를 유도하는 양극을 배치하여 목적물에 DLC 층(300)을 코팅하는 것으로, 이온 건을 사용한 이온 플레이팅 방법의 일종이다.
상술한 바와 같이, DLC층(300)의 두께 제어가 원하는 특성인 전기전도성과 점착성 내지는 내마모성을 모두 구비하게 하는 지를 좌우하므로 본 실시예의 DLC 코팅 방법 및 그에 따른 구현 장치는 DLC 층의 두께 제어를 간편하고도 정밀하게 하도록 설계하였다.
이온 건(500) 내부에 그라파이트 타겟(550)을 위치시키고 이를 음극(555)으로 하여 전원(900)의 마이너스(-) 단자에 연결한다. 상기 음극(555)에 전압 인가를 위한 전기 접촉부를 스위치(600)로 나타내었고, 전기 접촉을 단위 시간당 소정의 횟수로 제어할 수 있는 스위치 구동 수단(650)을 설치한다. 본 실시예의 경우 전기 접촉부를 모터 회전으로 제어하였다.
이온 건(500) 내부에, 그라파이트 타겟(550)의 윗 쪽으로 제1 양극(560)을 설치하고 전원(900)의 플러스(+) 단자에 연결한다. 또한, 제1 양극(560)과 음극(555) 사이에 정전 용량이 큰 제1 커패시터(700)를 게재한다. 정전 용량은 50 μF 정도의 커패시터를 사용하였다.
제1 양극(560)은 고리형으로 그라파이트 타겟(550)을 둘러쌀 수 있는 정도이거나 그와 비슷한 정도의 직경을 갖도록 구성한다.
또한, 제1 양극(560)보다 더 윗 쪽으로, 즉, 이온 건(500)의 거의 단부에 제2 양극(570)을 설치하고 전원의 + 단자에 연결한다. 제2 양극(570)과 음극(555) 사이에는 제2 커패시터(750)를 게재하며, 제2 커패시터(750)는 제1 커패시터(700)에 비해 훨씬 큰 정전용량을 갖도록 구성한다. 즉, 거의 200 배 큰 정전용량을 갖도록 하며, 본 실시예의 경우, 50 μF의 커패시터를 200 개 병렬 연결하여 구성하였다.
제2 양극(570)도 제1 양극(560)과 마찬가지로 고리형을 사용하며, 그 직경은 제1 양극(560)보다 조금 더 크게 구성하였다.
상기 이온 건(500)으로부터 더 윗 쪽으로 이격 된 지점에 DLC 코팅을 하고자하는 목적물(800)을 설치하며, 상기 목적물(800)의 지지대에 회전축과 회전 구동 수단을 설치하여 회전할 수 있도록 구성한다. 상기 목적물(800)에도 전원의 + 극에 연결하여 코팅 공정에서 바이어스를 걸어 코팅을 효율적으로 하도록 한다.
상술한 장치 구성에 대해 동작을 설명하면 다음과 같다.
그라파이트 타겟(550)으로부터 탄소 이온을 방출하게 하려면 매우 높은 전류를 흘려주어야 하는데, 현실적으로 이러한 전원 장치를 구비하기 어려우므로 수백 볼트 수준의 전압을 인가할 수 있는 전원 장치를 사용하고 정전용량이 큰 커패시터를 게재하여 전기를 축적하였다가 일시에 방전시켜 원하는 수준의 고전류를 인가할 수 있다.
또한, 이러한 충전과 방전 동작은, 커패시터에 전기를 충분히 충전할 수 있는 정도의 충전 시간이 지나면 바로 방전시키고 다시 충전/방전을 반복하는 식으로 실행되어 그라파이트 타겟(550)의 이온 방출에 필요한 에너지를 지속 공급하여야 한다. 따라서, 본 발명자들은 충전/방전 동작을 음극(555)의 전기 접촉의 접촉/탈접촉 동작으로 하기 위해 스위치(600)와 그 구동 수단(650)으로 구성하였다. 좀 더 상세하게는, 모터를 이용하여 1 회전마다 1회 전기 접촉을 하도록 스위치(600)를 구성하여, 3 내지 20 Hz의 전기 접촉을 만들었다. 이는 마치 3 내지 20 Hz의 전기 펄스를 인가하는 것과 같은 결과가 된다.
상기와 같은 동작으로부터 그라파이트 타겟(550)과 제1 양극(560) 사이에 걸리는 전압은 250 내지 600 V, 전류는 200 A 내외가 되어 그라파이트 타겟(550)으로부터 이온이 방출되어 타겟 면의 윗 쪽으로 이격 되어 있는 제1 양극(560) 쪽으로 이온 플럭스가 형성된다. 이온 플럭스를 DLC 코팅하고자 하는 목적물(800) 쪽으로 유도하기 위해 설치된 것이 제2 양극(570)이며, 제2 양극에는 정전용량이 매우 크도록 제2 커패시터(750)를 구성하였으므로, 2000 A 내외의 전류가 흐르게 된다. 따라서, 제1 양극(560) 쪽으로 형성된 이온 플럭스는 강한 전기력을 받아 제2 양극 쪽으로 경로를 잡도록 유도되어 목적물(800)에 DLC 코팅이 실행될 수 있다.
본 발명자들은 DLC 코팅의 박막 두께 제어를 정밀하게 하기 위해, 음극(555)의 전기 접촉/탈접촉 횟수를 구동 수단(650)에 의해 제어하고 소정의 전기 접촉/탈접촉 횟수에 대해 코팅 시간을 제어하여 박막 두께를 제어하였다.
즉, 음극(555)의 전기 접촉/탈접촉 횟수를 3 내지 20 Hz로 하여 20 분간 코팅하면 DLC 박막 두께가 100 nm 가 된다는 것을 측정하여, 이를 게이지 삼아 여러 가지 두께로 코팅하고, 그에 따른 전기전도도와 DLC 박막의 점착성 시험을 하였다.
그에 따라 5 내지 10 nm 두께의 DLC 박막을 코팅하였을 때, DLC 박막 안쪽에 도금된 Au 등의 전기전도성을 유지하면서도 DLC 박막의 점착력 또한 유지하여 내마모성 전도체를 제작할 수 있음을 알았다.
본 실시예에서는 프로우브의 단부에 Au를 10 내지 50 nm로 도금하고 상기한 DLC 코팅 방법으로 DLC 박막을 5 내지 10 nm 입힌 내마모성 프로우브를 제작하였다. 본 발명에 따른 프로우브는 내마모성이 우수하여 수명이 길다는 장점을 갖는다.
그외에도 전기전도성과 내마모성을 모두 구비할 필요가 있는 제품의 제작에 본 발명을 널리 적용할 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
100: 기재 200: 전도성 도금막
300: DLC 층 500: 이온 건
550: 그라파이트 타겟 555: 음극
560: 제1 양극 570: 제2 양극
600: 스위치 650: 구동 수단
700: 제1 커패시터 750: 제2 커패시터
800: 목적물 900: 전원

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 내마모성 전도체를 제작함에 있어서,
    기재 단부에 Au, Ag 또는 Pt 층을 적층 하는 단계; 및
    그라파이트 타겟으로부터 이온을 방출시켜 Au, Ag 또는 Pt 층이 적층 된 상기 기재 단부에 DLC 층을 코팅하는 단계;를 포함하고,
    상기 DLC 층을 코팅하는 단계는,
    그라파이트 타겟으로부터 이온을 발생시키는 단위시간당 이온 방출 횟수와 코팅 시간을 제어하여 DLC 층의 두께를 제어하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성 전도체의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 DLC 층을 코팅하는 단계는,
    그라파이트 타겟을 음극으로 하여 전원의 마이너스(-) 전압을 인가하고, 상기 그라파이트 타겟의 상부로부터 이격 되게 제1 양극을 배치하여 전원의 플러스(+) 전압을 인가하며, 상기 음극과 제1 양극 사이에 제1 커패시터를 게재하고,
    상기 제1 양극과 DLC 층을 코팅하고자 하는 목적물 사이에 제2 양극을 배치하여 전원의 플러스(+) 전압을 인가하고, 상기 음극과 제2 양극 사이에 제2 커패시터를 게재하고,
    상기 음극의 전원과의 전기 접촉 횟수를 제어하여 그라파이트 타겟으로부터 이온을 방출시키는 단위시간당 이온 방출 횟수를 제어하는 것을 특징으로 하는 내마모성 전도체의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 DLC 층을 코팅하는 단계는, 상기 제1 커패시터의 정전 용량보다 상기 제2 커패시터의 정전용량을 더 크게 하는 것을 특징으로 하는 내마모성 전도체의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 DLC 층을 코팅하는 단계는,
    상기 음극의 전원과의 전기 접촉 횟수를 제어하여 고정하고 코팅 시간을 변동 제어하여 DLC 층의 두께를 제어하는 것을 특징으로 하는 내마모성 전도체의 제조 방법.
  7. 제3 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 DLC 층을 코팅하는 단계는,
    DLC 층의 두께를 5 내지 10 nm로 적층 하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 내마모성 전도체의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 DLC 층을 코팅하는 단계는,
    상기 음극의 전원과의 전기 접촉 횟수를 3 내지 20 Hz로 제어하고, DLC 층을 목적물에 코팅하는 시간을 1 분 내지 2 분으로 하는 것을 특징으로 하는 내마모성 전도체의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 DLC 층을 코팅하는 단계는,
    상기 DLC 층을 코팅하고자 하는 목적물을 회전시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성 전도체의 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 플라즈마를 발생시키기 위한 이온 건(gun);
    상기 이온 건 내부에 배치되어 전원의 마이너스(-) 극이 접속되는 타겟;
    상기 타겟의 상부에 타겟과 이격 되게 배치되는 제1 양극;
    상기 제1 양극보다 타겟과 더욱 멀리 이격 되게 배치되는 제2 양극;
    상기 제1 양극과 음극 사이에 게재되는 제1 커패시터;
    상기 제2 양극과 음극 사이에 게재되는 제2 커패시터; 및
    상기 음극의 전원에의 전기 접촉을 제어하는 구동 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성 전도체의 제조 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 커패시터보다 상기 제2 커패시터의 정전용량이 더 큰 것을 특징으로 하는 내마모성 전도체의 제조 장치.
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