KR101270282B1 - 저마찰 코팅 필름 및 그 제조방법 - Google Patents

저마찰 코팅 필름 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저마찰 특성을 나타내는 코팅 필름에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, BCxNy, x=1.5~2.3, y=2.3~2.9로 된 균일한 표면 조도, 내마모성 및 저마찰성 코팅 필름을 제공할 수 있다.

Description

저마찰 코팅 필름 및 그 제조방법{Low friction Coating Film And Manufacturing Thereof}
본 발명은 저마찰 특성을 나타내는 코팅 필름에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 B-C-N을 소정의 조성비로 하는 코팅 필름 및 그 제조방법에 관한 것이다.
기계부품이나 공구, 기구 등의 물품은 대부분 접촉, 지지 등의 상대 운동을 하면서 상호작용을 하기 때문에 표면에 다양한 형태의 손실 발생이 많아 내마모성 필름을 코팅하여 그 수명을 연장한다. 그에 따라 B-N으로 조성한 코팅 필름, DLC 코팅 필름 등이 부품의 표면처리에 종종 사용되어 왔다. 또한, 부품의 용도에 따라서는 고 경도뿐만 아니라 저마찰계수를 갖는 것이 필요한 경우도 있다. 이와 같이 원하는 물성을 두루 갖춘 코팅 필름을 형성하기 위해서는 대개 다층 박막을 형성한다. 기존에 경질 피막을 형성함에 있어 B-C를 포함한 층을 다층 박막에 포함시켜 제작하고 있고, 더러는 서로 조성이 다른 두 종류의 층을 교대 반복 적층 하여 경질 피막을 형성하고 있다. 이러한 고경도 저마찰 특성을 갖는 코팅 필름을 다층으로 형성함은 제작공정상 단층 필름을 형성하는 것에 비해 어려우며, 층간 박리가능성이 있어 문제된다.
또한, 코팅 필름이 저마찰 특성을 갖추어도 코팅 필름의 표면 조도가 나쁘면 적용범위가 좁아질 수 있어 코팅 필름의 균일한 조도를 갖추는 것도 필요 요건이 될 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은 저마찰 특성을 갖는 균일한 조도의 새로운 조성의 코팅 필름과 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은, BCxNy, x=1.0~2.5, y=2.0~3.0으로 된 내마모성 및 저마찰성 코팅 필름을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, BCxNy, x=1.5~2.3, y=2.3~2.9로 된 내마모성 및 저마찰성 코팅 필름을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, B와 C가 화학적으로 결합된 B-C 타겟을 이용하고,
N2, Ar 및 탄화수소 가스를 혼입하여 RF 스퍼터링 방법으로 모재에 BCxNy, x=1.0~2.5, y=2.0~3.0으로 된 내마모성 및 저마찰성 코팅 필름을 제작하는 것을 특징으로 하는 코팅 필름 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, B4C 타겟을 이용하고,
N2, Ar 및 탄화수소 가스를 혼입하여 RF 스퍼터링 방법으로 모재에 BCxNy, x=1.0~2.5, y=2.0~3.0으로 된 내마모성 및 저마찰성 코팅 필름을 제작하는 것을 특징으로 하는 코팅 필름 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, B와 C가 화학적으로 결합된 B-C 타겟을 이용하고,
N2, Ar 및 탄화수소 가스를 혼입하여 RF 스퍼터링 방법으로 모재에 BCxNy, x=1.5~2.3, y=2.3~2.9로 된 내마모성 및 저마찰성 코팅 필름을 제작하는 것을 특징으로 하는 코팅 필름 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, B4C 타겟을 이용하고,
N2, Ar 및 탄화수소 가스를 혼입하여 RF 스퍼터링 방법으로 모재에 BCxNy, x=1.5~2.3, y=2.3~2.9로 된 내마모성 및 저마찰성 코팅 필름을 제작하는 것을 특징으로 하는 코팅 필름 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 코팅 필름 제조방법에 있어서, 탄화수소는 CH4이고, Ar:N2:CH4=55:5~0:0~5, 바람직하게는, 55:3~2:2~3으로 혼입하는 것을 특징으로 하는 코팅 필름 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 코팅 필름 제조방법에 있어서, 상기 모재에 인가하는 전압은 DC(continuous DC)인 것을 특징으로 하는 코팅 필름 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, B-C-N으로 된 저마찰의 코팅 필름을 균일한 조도로 제작할 수 있어, 각종 기계부품에 널리 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 저마찰 코팅 필름의 제작장치를 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 저마찰 코팅 필름의 제작공정에서 가스조성 및 인가 바이어스 종류에 따른 코팅 필름의 조성을 보여주는 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 DC 바이어스를 인가하여 제작된 조성비를 달리한 B-C-N 코팅 필름의 화학결합을 조사한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 단일극(unipolar) DC 바이어스를 인가하여 제작된 조성비를 달리한 B-C-N 코팅 필름의 화학결합을 조사한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 DC 바이어스를 인가하여 제작된 조성비를 달리한 B-C-N 코팅 필름의 마찰계수를 조사한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 단일 극(unipolar) DC 바이어스를 인가하여 제작된 조성비를 달리한 B-C-N 코팅 필름의 마찰계수를 조사한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 조성비를 달리하여 제작된 B-C-N 코팅 필름의 구조를 보여주는 SEM 사진이다.
도 8은 본 발명에 따라 제작된 조성비를 달리한 B-C-N 코팅 필름에 대해 강철구로 마모테스트를 거친 후 표면 모폴로지(morphology)를 나타낸 사진이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 저마찰 코팅 필름의 제작장치를 나타내며, RF 스퍼터링을 이용하여 소정 기판에 저마찰 코팅 필름을 입히고 있는 장치 개략도이다.
본 발명의 B-C-N(붕소-탄소-질소) 코팅 필름을 제작하기 위해, B-C 조성의 타겟, 바람직하게는, B4C로 된 타겟을 사용하며, 상기 타겟의 순도는 높을수록 바람직하며, 본 실시예에서는 99.5 % 인 것을 사용하였다. 즉, B-C-N 코팅 필름의 B와 C는 상기 고체 타깃으로부터 제공하고, N은 질소 가스로, 부족한 C는 탄화수소 가스로 진공 챔버 내로 도입하여 공급한다.
상기 B4C 타겟을 장착한 진공 챔버는 10-5 내지 10-7 torr의 고진공으로 진공화하며, CH4 등의 탄화수소 가스와 질소 가스 및 아르곤 가스를 진공 챔버 내로 도입하여 스퍼터링을 수행할 경우, 작업 압력은 수 mTorr로 유지하게 한다. 혼합가스의 조성비는 Ar:N2:CH4=55:5~0:0~5로 변화시켜가며 실험한 결과, 55:3~2:2~3으로 함이 원하는 물성을 나타내는 코팅 필름을 형성할 수 있음을 밝혔다. 따라서 혼합가스 조성비는 그와 같이 조절하는 것이 바람직하다.
기판은 본 실시예의 경우 Si으로 하였으나 이외에도 저마찰 특성을 요하는 다른 모재를 기판으로 할 수 있다. 상기 기판은 타겟과 적정 거리를 두는 지점에 배치하며, 50 내지 100 mm, 바람직하게는 75 mm 정도로 할 수 있다.
또한, 상기 기판에 인가하는 바이어스 전압은 DC(continuous DC)의 경우 -150 V 내외, 단일극성 DC(unipolar DC)의 경우 역시 -150 V 내외로 할 수 있다.
RF 스퍼터(Radio Frequency Sputter) 방법을 실시하기 위해 인가하는 스퍼터 전력은 350 W 내외로 할 수 있고, 증착 온도는 200 내지 400 ℃, 바람직하게는 250 내지 300 ℃ 정도로 유지할 수 있다.
증착 시간은 특별한 제한이 없고 필요로 하는 코팅 필름의 두께에 따라 조정할 수 있으나, 본 실시예에서는 25 분 정도로 실시하였다.
이와 같이 하여, B-C-N 코팅 필름을 제작할 수 있으며, 제작된 B-C-N 코팅 필름에 대해 각각의 코팅 조건에 따른 물성을 측정한다.
아래 표 1은 본 발명의 일실시예에 대한 코팅 공정 조건을 나타낸다.
기본압력( Base pressure ) 1.5*10 -5 torr
작업압력( Working pressure ) 4 mtorr
기판의 바이어스 전압( Substrate bias voltage ) Continuous DC (-150v)
Unipolar DC (-150v)
CH 4 /( N 2 + CH 4 ) 가스 조성비( gas ratio ) 0~100 %
타겟( Target material ) B 4 C ( purity 99.5%)
스퍼터 파워( Sputter power ) 350 W
증착 시간( Deposition time ) 25 min
증착 온도( Deposition temperature ) 250 ℃
기판 회전속도( Substrate rotation speed ) 25 rpm
기판과 타겟간 거리( Distance
between target and substrate ) 		75 mm
도 2는 기판의 바이어스 전압을 각각 DC와 단일극성 DC로 하였을 때, 혼합가스의 조성비 Ar:N2:CH4 변화에 따라 형성된 B-C-N 코팅 필름의 조성을 나타낸다. 즉, 혼합가스의 조성비 Ar:N2:CH4 변화에 따라 코팅 필름의 조성은 크게 좌우되며, 바이어스 전압의 형태에 의해서도 C와 N의 조성비가 달라짐을 알 수 있다. 이와 같이 제작한 시료들에 대해 B-C-N 코팅 필름의 화학결합을 조사하여, 도 3과 4에 나타내었고, BN1.5, BC1.5N3.1, BC13.7, BC1.9N2.3, BC0.2N3, BC3.5N2.5, BC2.3N2.8, BC8.3C0.5와 모재인 Si의 마찰계수를 측정하여, 도 5 및 도 6에 나타내었다.
도 5 및 6을 통해, BC1.9N2.3의 경우가 가장 저마찰계수를 나타낸다는 것을 알 수 있다.
또한, 각 시료에 대한 구조를 SEM 사진으로 본 결과를 도 7에 나타내었고, 이를 통해서도 BC1.9N2.3의 경우가 가장 균일한 표면 조도를 나타냄을 알 수 있다.
또한, 각 시료에 대해 강철구를 이용한 내마모성 시험을 하여 그에 따른 시료들의 표면 모폴로지를 도 8에 나타내었으며, 여기에서도 BC1.9N2.3의 경우가 가장 내마모성 특성이 우수하다는 것을 알 수 있다.
결론적으로 BCxNy, x=1.0~2.5, y=2.0~3.0, 바람직하게는 BCxNy, x=1.5~2.3, y=2.3~2.9로 된 코팅 필름이 저마찰 특성과 균일한 표면 조도를 갖는다고 할 수 있으며, 이와 같은 특성의 코팅 필름은 마찰이 발생하는 다양한 부품의 표면에 널리 응용될 수 있음을 예측할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 B-C-N 코팅 필름은 고온에서도 변형되지 않고 잘 견디는 내열특성이 있어, 종래 고온에 취약한 DLC 필름에 비해, 고온에서 동작하는 자동차 엔진 피스톤 등의 부품에도 적용가능하다.
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.
도면부호 없음.

Claims (7)

  1. BCxNy, x=1.0~2.5, y=2.0~3.0으로 된 내마모성 및 저마찰성 코팅 필름.
  2. 제1항에 있어서, BCxNy, x=1.5~2.3, y=2.3~2.9로 된 내마모성 및 저마찰성 코팅 필름.
  3. B와 C가 화학적으로 결합된 B-C 타겟을 이용하고,
    N2, Ar 및 탄화수소 가스를 Ar:N2:탄화수소=55:3~2:2~3으로 혼입하여 RF 스퍼터링(Radio Frequency Sputtering) 방법으로 모재에 BCxNy, x=1.0~2.5, y=2.0~3.0으로 된 내마모성 및 저마찰성 코팅 필름을 제작하는 것을 특징으로 하는 코팅 필름 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, B와 C가 화학적으로 결합된 B-C 타겟을 이용하고,
    N2, Ar 및 탄화수소 가스를 Ar:N2:탄화수소=55:3~2:2~3으로 혼입하여 RF 스퍼터링(Radio frequency Sputtering) 방법으로 모재에 BCxNy, x=1.5~2.3, y=2.3~2.9로 된 내마모성 및 저마찰성 코팅 필름을 제작하는 것을 특징으로 하는 코팅 필름 제조방법.
  5. 제3 또는 4항에 있어서, 상기 B-C 타겟은 B4C 타겟인 것을 특징으로 하는 내마모성 및 저마찰성 코팅 필름 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 탄화수소는 CH4인 것을 특징으로 하는 코팅 필름 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 모재에 인가하는 전압은 DC(continuous DC)인 것을 특징으로 하는 코팅 필름 제조방법.




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