KR101293106B1 - 경도 및 마모성이 우수한 복합 질화물 코팅막 및 그 제조 방법 - Google Patents

경도 및 마모성이 우수한 복합 질화물 코팅막 및 그 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101293106B1
KR101293106B1 KR1020110049905A KR20110049905A KR101293106B1 KR 101293106 B1 KR101293106 B1 KR 101293106B1 KR 1020110049905 A KR1020110049905 A KR 1020110049905A KR 20110049905 A KR20110049905 A KR 20110049905A KR 101293106 B1 KR101293106 B1 KR 101293106B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
coating film
nitride coating
transition metal
composite nitride
metal
Prior art date
Application number
KR1020110049905A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20120131615A (ko
Inventor
오윤석
양영환
김형태
김성원
이성민
김경자
Original Assignee
한국세라믹기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국세라믹기술원 filed Critical 한국세라믹기술원
Priority to KR1020110049905A priority Critical patent/KR101293106B1/ko
Publication of KR20120131615A publication Critical patent/KR20120131615A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101293106B1 publication Critical patent/KR101293106B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641—Nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
    • C23C14/325—Electric arc evaporation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/54—Controlling or regulating the coating process

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

비정질의 매트릭스 구조를 갖는 비금속 또는 비전이금속과 나노입자를 갖는 전이 금속이 혼재하는 3차원적 미세 구조를 갖는 복합 조직으로 형성함으로써, 기계 부품의 경도 및 마모성을 향상시킬 수 있는 복합 질화물 코팅막 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 복합 질화물 코팅막 제조 방법은 (a) 증착 챔버 내에 장착되는 모재의 표면에 비대칭 마그네트론 스퍼터링으로 비금속 또는 비전이금속을 증착하여 피막을 형성하는 단계; 및 (b) 상기 증착 챔버 내에서, 상기 모재의 표면에 형성된 피막의 입계 또는 입내에 DC 스퍼터링 또는 아크 이온 플레이팅으로 전이 금속을 주입하여 복합 코팅막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

경도 및 마모성이 우수한 복합 질화물 코팅막 및 그 제조 방법{COMPLEX NITRIDE COATING FILM WITH EXCELLENT HARDNESS AND ABRATION RESISTANCE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 복합 질화물 코팅막 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비정질의 매트릭스 구조를 갖는 비금속 또는 비전이금속과 경질 나노입자를 갖는 전이 금속이 혼재하는 3차원적 미세 구조를 갖는 복합 조직으로 형성함으로써, 기계 부품의 경도 및 마모성을 향상시킬 수 있는 복합 질화물 코팅막 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
플라즈마 표면처리 기술은 공구, 금형, 자동차 및 기계 부품에 널리 활용되고 있다. 이러한 플라즈마 표면처리 기술은 마모, 마찰, 부식 및 고온 산화와 같은 열악한 공정 조건이 적용되는 모든 제품의 제조 공정에서 표면보호 및 제품신뢰성 향상을 위해 필수적인 생산기반기술로 적용되고 있다.
이러한 플라즈마 표면처리 기술은 물리 증착(Physical Vapor Deposition, PVD), 플라즈마 보조 화학 증착(Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition, PACVD), 플라즈마 용사 코팅, 플라즈마 확산 등 여러 가지로 분류될 수 있으며, 이 중 플라즈마 확산을 제외한 코팅이 전체 산업적 응용의 약 80% 이상을 점유하고 있다.
최근 국제적인 제품경쟁력 향상과 더불어 고도의 제품신뢰성 및 부품 적용을 위해 나노구조 및 조성 최적화를 통해 다중물성의 확보 및 가혹한 공정 환경의 변화에서도 지능적인 적용이 가능하여야 하므로 그 중요성이 더욱 부각되고 있다.
그 결과, 선진국을 중심으로 한 21세기 플라즈마 나노구조 코팅 기술은 제품기능 향상을 위한 최종 마무리 공정기술 개념으로부터 제품의 고 신뢰성 확립을 위한 초기 설계요소중의 핵심 공정기술로 전환되어 새로운 개념의 고기능 표면처리 기술개발이 매우 활발히 연구되고 있다.
특히, 자동차의 경우 국내 생산은 1999년 기준 약 4백만 대로 국제적인 에너지 절감 규제에 따른 연료효율증대 및 2004년부터 공해유발 표면처리 부품의 수출 규제가 시작됨에 따라 고기능 엔진 부품 및 6가 Cr 등 기존 공해 유발 습식도금 대체를 위한 무공해 플라즈마 표면처리 기술 연구가 매우 시급한 실정이다.
그러나, 현재까지 국내의 플라즈마 기술 관련 연구지원은 반도체 및 전자산업에 국한되어 기술개발 지원 미흡은 물론 연구 인력의 심각한 취약 상태로 체계적이고 장기적인 기술개발 기반 구축이 절실히 요구되고 있다.
이와 같이 국내의 플라즈마 표면처리 연구는 단편적인 기술개발 수준에 있어 공정 기초 및 박막합성 이론 등의 기반 취약으로 장기간에 걸친 이론적 확립과 더불어 차세대형 플라즈마 표면처리 기술개발이 절실히 요구된다.
본 발명의 목적은 기계 부품의 표면에 복합 조성을 갖는 비금속(혹은, 비전이금속)-전이금속 복합 질화물 코팅막을 형성함으로써 경도 및 마모성을 향상시킬 수 있는 복합 질화물 코팅막을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조되는 비금속(혹은, 비전이금속)-전이금속 복합 질화물 코팅막을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 경도 및 마모성이 우수한 비금속(혹은, 비전이금속)-전이금속 복합 질화물 코팅막 제조 방법은 (a) 증착 챔버 내에 장착되는 모재의 표면에 비대칭 마그네트론 스퍼터링으로 비금속 또는 비전이금속을 증착하여 비금속 피막을 형성하는 단계; 및 (b) 상기 증착 챔버 내에서, 상기 모재의 표면에 형성된 비금속 피막의 입계 또는 입내에 DC 스퍼터링 또는 아크 이온 플레이팅으로 전이 금속을 주입하여 복합 질화물 코팅막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 경도 및 마모성이 우수한 비금속(혹은, 비전이금속)-전이금속 복합 코팅막은 모재의 표면에 비금속 또는 비전이금속을 비대칭 마그네트론 스퍼터링으로 증착하여 형성된 비금속 피막의 입계 또는 입내에 전이 금속을 DC 스퍼터링 또는 아크 이온 플레이팅으로 주입시켜 형성되는 복합 질화물 코팅막으로서, 상기 복합 질화물 코팅막은 비정질 매트릭스 구조에 나노입자가 혼재하는 3차원적 미세 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 20 ~ 40℃의 상온에서 고체상으로 안정한 ⅢA ~ ⅥA족에 속하는 비전이금속 또는 기체 안정상 비금속과, 상기 비금속 또는 비전이금속에 비하여 경도가 높고 질화물 형성이 용이한 ⅢB ~ ⅥB족에 속하는 전이금속이 혼재하는 3차원적인 미세 조직을 갖는 복합 조직으로 이루어지는 복합 질화물 코팅막을 기계 부품의 표면에 형성함으로써, 기계 부품의 경도 및 마모성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비금속(혹은 비전이금속)-전이금속 복합 질화물 코팅막을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비금속(혹은 비전이금속)-전이금속 복합 질화물 코팅막을 나타낸 단면 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비금속(혹은 비전이금속)-전이금속 복합 질화물 코팅막을 나타낸 평면 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비금속(혹은 비전이금속)-전이금속 복합 질화물 코팅막을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비금속(혹은 비전이금속)-전이금속 복합 질화물 코팅막의 제조 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 경도 및 마모성이 우수한 비금속(혹은 비전이금속)-전이금속 복합 질화물 코팅막 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비금속(혹은 비전이금속)-전이금속 복합 코팅막을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 도시된 복합 질화물 코팅막(120)은 모재(110)의 표면에 형성된다. 모재(110)는 금속, 세라믹 재질 등일 수 있다. 구체적으로, 모재(110)는 공구, 금형, 자동차, 기계 부품 등일 수 있으나, 이는 일 예에 불과한 것으로, 이 밖에도 다양한 부품이 적용될 수 있다.
이때, 복합 질화물 코팅막(120)은 모재(110)의 표면에 비금속 또는 비전이금속을 비대칭 마그네트론 스퍼터링으로 증착하여 형성된 피막의 입계 또는 입내에 존재 가능한 전이 금속을 DC 스퍼터링 또는 아크 이온 플레이팅으로 주입시켜 기 투입되는 질소(N)를 포함하는 기체상 비금속과의 화학적 결합에 의하여 형성될 수 있다.
이러한 복합 코팅막(120)은 비정질 매트릭스(matrix) 구조에 나노입자가 혼재하는 3차원적 미세 구조를 갖는다.
상기 비금속은 ⅢA ~ ⅥA족에 속하는 비금속이 이용될 수 있다. 구체적으로, 비금속은 질소(N), 탄소(C), 붕소(B) 및 산소(O) 중 하나 이상이 이용될 수 있다. 비전이금속은 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 게르마늄(Ge) 및 주석(Sn) 중 하나 이상이 이용될 수 있으며, 보다 바람직하게는 실리콘(Si)을 제시할 수 있다.
상기 전이 금속은 ⅢB ~ ⅥB족에 속하는 전이 금속이 이용될 수 있다. 구체적으로, 전이 금속은 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 및 란탄족(La) 원소 중 하나 이상이 이용될 수 있으며, 보다 바람직하게는 티타늄(Ti)을 제시할 수 있다.
이때, 복합 질화물 코팅막(120)은 0.1 ~ 50㎛의 두께를 가질 수 있다. 만일, 복합 질화물 코팅막(120)의 두께가 0.1㎛ 미만일 경우에는 그 두께가 너무 얇아 경도 및 마모성의 향상 효과가 미미할 수 있다. 반대로, 복합 질화물 코팅막(120)의 두께가 50㎛를 초과할 경우에는 코팅의 안정성에 대한 문제와 한계치 이상의 경도 및 마모성의 향상 효과 없이 제조 비용만 상승시키는 문제가 있다.
전술한 본 발명에 따른 복합 질화물 코팅막(120)은 대략 20 ~ 40℃의 상온에서 고체상 또는 기체상으로 안정한 ⅢA ~ ⅥA족에 속하는 비금속 또는 비전이금속과, 상기 비금속 또는 비전이금속에 비하여 경도가 높고 질화물 형성이 용이한 ⅢB ~ ⅥB족에 속하는 전이금속이 혼재하는 복합 조직으로 형성된다.
이 경우, ⅢA ~ ⅥA족에 속하는 비금속 또는 비전이금속은 비대칭 마그네트론 스퍼터링에 의하여, 비정질 또는 비금속의 수 nm 이하의 매우 작은 입자의 매트릭스(matrix) 상을 형성하여 복합 질화물 코팅막(120)의 인성을 증대시킬 뿐만 아니라, 구조적으로 안정화시키는 역할을 한다. 한편, ⅢB ~ ⅥB족에 속하는 전이 금속은 경질 입자를 형성하여 복합 질화물 코팅막(120)의 경도 저하를 막고 강도를 유지하는 데 큰 기여를 한다.
한편, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비금속(혹은 비전이금속)-전이금속 복합 질화물 코팅막을 나타낸 단면 사진이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비금속(혹은 비전이금속)-전이금속 복합 질화물 코팅막을 나타낸 평면 사진이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 모재의 표면 상부에 비금속(혹은 비전이금속)-전이금속 복합 질화물 코팅막이 형성된다. 이때, 비금속-전이금속 복합 질화물 코팅막은 비정질의 매트릭스 구조를 갖는 비금속 또는 비전이금속과 나노입자를 갖는 전이 금속이 혼재하는 3차원적 미세 구조를 갖는 복합 조직으로 형성되는 것을 알 수 있다. 도 2 및 도 3에서는 비금속(혹은 비전이금속)-전이금속 복합 질화물 코팅막이 Ti-Si-N의 복합 조성으로 이루어진 것을 도시하였다. 그러나, 이는 일 예에 불과하며, 이 밖에도 다양한 복합 조성을 가질 수 있다.
이러한 복합 질화물 코팅막은 비대칭 마그네트론 스퍼터링과 아크 이온 플레이팅을 동시에 적용하는 하이브리드 PVD 타입을 적용하는 것에 의하여 형성될 수 있다.
이에 대해서는 하기에 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비금속(혹은 비전이금속)-전이금속 복합 질화물 코팅막을 나타낸 순서도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비금속(혹은 비전이금속)-전이금속 복합 질화물 코팅막의 제조 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 도시된 비금속(혹은 비전이금속)-전이금속 복합 질화물 코팅막 제조 방법은 비금속 피막 형성 단계(S210) 및 복합 질화물 코팅막 형성 단계(S220)를 포함한다.
비금속 피막 형성 단계
비금속 피막 형성 단계(S210)에서는 증착 챔버(200) 내에 장착되는 모재(210)에 비대칭 마그네트론 스퍼터링으로 실리콘과 같은 고체상 비금속 또는 비전이금속을 증착하여 비금속 피막을 형성한다.
이때, 상기 비금속 피막은 도 5에 도시된 바와 같은 복합코팅설비, 예를 들어 하이브리드 PVD 시스템(Hybrid Physical Vapor Deposition System)을 이용하는 것에 의하여 제조될 수 있다.
상기 하이브리드 PVD 시스템은 중심부에 모재(210)를 고정하는 지그(215, jig)를 구비할 수 있다. 이때, 지그(215)는 자전 및 공전의 회전 가능한 형태로 구비될 수 있으며, 필요에 따라 복수의 모재(210)를 동시 작업이 가능하도록 함으로써 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
이때, 모재(210)는 금속, 세라믹 재질 등일 수 있다. 구체적으로, 모재(210)는 공구, 금형, 자동차 부품, 기계 부품 등일 수 있으나, 이는 일 예에 불과한 것으로, 이 밖에도 다양한 부품이 적용될 수도 있다.
한편, 도 5에서는 하나의 지그(215)에 3개의 모재(210)가 장착되는 것을 도시하였으나, 이는 일 예에 불과할 뿐, 지그(215)의 수와 모재(210)의 수는 다양한 형태로 변경될 수 있다. 또한, 지그(215)가 중심 회전축을 중심으로 고정되는 것처럼 보일 수 있으나, 증착 챔버(200) 내에서 자유롭게 이동이 가능한 형태로 장착될 수도 있다.
한편, 상기 하이브리드 PVD 시스템은 증착 챔버(200)의 주변으로 비대칭 마그네트론 스퍼터링 장치(201), DC 스퍼터링 장치(202), 아크 이온 플레이팅 장치(203), 가스 공급 탱크(204) 등이 장착될 수 있다. 이들 중, DC 스퍼터링 장치(202) 및 아크 이온 플레이팅 장치(203) 중 어느 하나는 필요에 따라 생략될 수 있다.
이와 같은 장치들은 증착 챔버(200)와 개별적으로 연결되는 형태로 장착될 수 있다. 이러한 형태는 소스 제공을 위한 순서 및 기타 여건에 따라서 자유롭게 변형할 수 있으며, 이들의 각 배치는 다양한 형태로 변경될 수 있다.
여기서, 스퍼터링을 위한 공급 가스로는 아르곤(Ar), 질소(N) 중 어느 하나 또는 하나 이상의 혼합 가스가 이용될 수 있다. 이러한 공급 가스는 가스 공급 탱크(204)와 증착 챔버(200) 사이에 배치되는 가스유량제어기(205, MFC)에 의하여 공급 유량 및 공급 속도가 제어될 수 있다.
상기 비금속 피막 형성 단계(S210)시, 비금속 또는 비전이금속은 대략 13.56MHz의 RF 전원을 인가하거나, 또는 15kHz ~ 10MHz의 펄스(pulsed) DC 전원을 인가하는 것에 의하여 모재(210)의 표면에 증착될 수 있다.
이때, 비금속은 ⅢA ~ ⅥA족에 속하는 비금속이 이용될 수 있다. 구체적으로, 비금속은 질소(N), 탄소(C), 붕소(B) 및 산소(O) 중 하나 이상이 이용될 수 있다. 비전이금속은 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 게르마늄(Ge) 및 주석(Sn) 중 하나 이상이 이용될 수 있으며, 보다 바람직하게는 실리콘(Si)을 제시할 수 있다.
상기 ⅢA ~ ⅥA족에 속하는 비전이금속은 대략 20 ~ 40℃의 상온에서 고체상으로 안정한 원소로, 비대칭 마그네트론 스퍼터링 증착에 의하여, 비정질 또는 수 nm 이하의 매우 작은 입자의 매트릭스(matrix) 상의 비금속 피막을 형성한다.
복합 질화물 코팅막 형성 단계
복합 질화물 코팅막 형성 단계(S220)에서는 증착 챔버(200) 내에서, 상기 모재(210)의 표면에 형성된 비금속 피막의 입계 또는 입내에 DC 스퍼터링 또는 아크 이온 플레이팅으로 티타늄과 같은 전이 금속을 주입하여 비금속(혹은 비전이금속)-전이금속 복합 질화물 코팅막을 형성한다.
이때, 전이 금속은 ⅢB ~ ⅥB족에 속하는 전이 금속이 이용될 수 있다. 구체적으로, 전이 금속은 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 및 란탄족(La) 원소 중 하나 이상 이 이용될 수 있으며, 보다 바람직하게는 티타늄(Ti)을 제시할 수 있다.
여기서, 상기 ⅢA ~ ⅥA족에 속하는 비전이금속은 수 nm 이하의 매우 작은 입자의 매트릭스(matrix) 상을 형성하여 복합 질화물 코팅막의 인성을 증대시키며, 구조적으로 안정화시키는 역할을 하고, ⅢB ~ ⅥB족에 속하는 전이 금속은 경질 입자를 형성하여 복합 질화물 코팅막의 경도 저하를 막고 내마모성 및 강도를 유지하는 데 큰 기여를 한다.
이때, 복합 질화물 코팅막은 0.1 ~ 50㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 만일, 복합 질화물 코팅막(120)의 두께가 0.1㎛ 미만일 경우에는 그 두께가 너무 얇아 경도 및 마모성의 향상 효과가 미미할 수 있다. 반대로, 복합 질화물 코팅막(120)의 두께가 50㎛를 초과할 경우에는 코팅의 안정성에 대한 문제와 한계치 이상의 경도 및 마모성의 향상 효과 없이 제조 비용만 상승시키는 문제가 있다.
상기의 비금속 피막 형성 단계(S210) 및 복합 질화물 코팅막 형성 단계(S220)를 포함하여, 본 발명의 실시예에 따른 비금속(혹은 비전이금속)-전이금속 복합 질화물 코팅막 제조 방법이 종료될 수 있다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 복합 질화물 코팅막은 하이브리드 PVD 시스템을 이용하여 제조됨으로써, 기존의 단일성분 박막이 아닌 다성분계의 박막을 형성함으로써, 다성분계 박막을 구성하는 각 성분이 각자의 기능을 발휘할 수 있게 됨으로써 다양한 기능을 융합적으로 구현할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 복합 질화물 코팅막은 대략 20 ~ 40℃의 상온에서 고체상으로 안정한 ⅢA ~ ⅥA족에 속하는 비금속 또는 비전이금속과, 상기 비금속 또는 비전이금속에 비하여 경도가 높고 질화물 형성이 용이한 ⅢB ~ ⅥB족에 속하는 전이 금속이 혼재하는 3차원적인 미세 조직을 갖는 복합 조직으로 형성됨으로써, 기계 부품의 경도 및 마모성을 향상시킬 수 있게 된다.
여기서, ⅢA ~ ⅥA족에 속하는 비금속 또는 비전이금속은 비정질 또는 비금속의 수 nm 이하의 매우 작은 입자의 매트릭스(matrix) 상을 형성하여 복합 코팅막의 인성을 증대시킬 뿐만 아니라, 구조적으로 안정화시키고, ⅢB ~ ⅥB족에 속하는 전이 금속은 경질 입자를 형성하여 복합 코팅막의 경도 저하를 막고 내마모성 및 강도를 유지시킨다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
110, 210 : 모재 120 : 복합 질화물 코팅막
S210 : 비금속 피막 형성 단계 S220 : 복합 질화물 코팅막 형성 단계
200 : 증착 챔버 201 : 비대칭 마그네트론 스퍼터링 장치
202 : DC 스퍼터링 장치 203 : 아크 이온 플레이팅 장치
204 : 가스 주입 탱크 205 : 가스유량제어기
215 : 지그

Claims (18)

  1. (a) 증착 챔버 내에 장착되는 모재의 표면에 비대칭 마그네트론 스퍼터링으로 ⅢA ~ ⅥA족에 속하며, 매트릭스 상을 형성하는 비금속 또는 비전이금속을 증착하여 비금속 피막을 형성하는 단계; 및
    (b) 상기 증착 챔버 내에서, 상기 모재의 표면에 형성된 비금속 피막의 입계 또는 입내에 DC 스퍼터링 또는 아크 이온 플레이팅으로 ⅢB ~ ⅥB족에 속하며, 경질 입자를 형성하는 전이 금속 주입하여 복합 질화물 코팅막을 0.1 ~ 50㎛의 두께로 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 질화물 코팅막 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모재는
    금속 또는 세라믹 재질인 것을 특징으로 하는 복합 질화물 코팅막 제조 방법.
  3. 삭제
  4. 제3항에 있어서,
    상기 비금속은
    실리콘(Si), 질소(N), 탄소(C), 붕소(B) 및 산소(O) 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 복합 질화물 코팅막 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 비전이금속은
    알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 게르마늄(Ge) 및 주석(Sn) 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 복합 질화물 코팅막 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전이 금속은
    티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 및 란탄족(La) 원소 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 복합 질화물 코팅막 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 비전이금속은 실리콘이고,
    상기 전이 금속은 티타늄인 것을 특징으로 하는 복합 질화물 코팅막 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 모재의 표면에 ⅢA ~ ⅥA족에 속하며, 매트릭스 상을 형성하는 비금속 또는 비전이금속을 비대칭 마그네트론 스퍼터링으로 증착하여 형성된 비금속 피막의 입계 또는 입내에 ⅢB ~ ⅥB족에 속하며, 경질 입자를 형성하는 전이 금속을 DC 스퍼터링 또는 아크 이온 플레이팅으로 주입시켜 0.1 ~ 50㎛의 두께로 형성되는 복합 질화물 코팅막으로서,
    상기 복합 질화물 코팅막은 비정질 매트릭스 구조에 나노입자가 혼재하는 3차원적 미세 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 복합 질화물 코팅막.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 모재는
    금속 또는 세라믹 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 복합 질화물 코팅막.
  12. 삭제
  13. 제12항에 있어서,
    상기 비금속은
    실리콘(Si), 질소(N), 탄소(C), 붕소(B) 및 산소(O) 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 복합 질화물 코팅막.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 비전이금속은
    알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 게르마늄(Ge) 및 주석(Sn) 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 복합 질화물 코팅막.
  15. 삭제
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전이 금속은
    티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 및 란탄족(La) 원소 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 복합 질화물 코팅막.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 비전이금속은 실리콘이고,
    상기 전이 금속은 티타늄인 것을 특징으로 하는 복합 질화물 코팅막.
  18. 삭제
KR1020110049905A 2011-05-26 2011-05-26 경도 및 마모성이 우수한 복합 질화물 코팅막 및 그 제조 방법 KR101293106B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110049905A KR101293106B1 (ko) 2011-05-26 2011-05-26 경도 및 마모성이 우수한 복합 질화물 코팅막 및 그 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110049905A KR101293106B1 (ko) 2011-05-26 2011-05-26 경도 및 마모성이 우수한 복합 질화물 코팅막 및 그 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120131615A KR20120131615A (ko) 2012-12-05
KR101293106B1 true KR101293106B1 (ko) 2013-08-12

Family

ID=47515401

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110049905A KR101293106B1 (ko) 2011-05-26 2011-05-26 경도 및 마모성이 우수한 복합 질화물 코팅막 및 그 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101293106B1 (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104711527A (zh) * 2013-12-11 2015-06-17 中国科学院大连化学物理研究所 一种磁控溅射低温制备TiN薄膜的方法
KR101635814B1 (ko) * 2014-09-12 2016-07-05 한국세라믹기술원 내소착성이 우수한 금속 압출용 금형 및 그 제조 방법
KR101701440B1 (ko) * 2016-06-07 2017-02-01 (주)디쉬뱅크 플라즈마 하이브리드 코팅장치를 이용한 식기류 제조방법
KR102324147B1 (ko) * 2020-03-25 2021-11-08 영남대학교 산학협력단 금속-그래핀-미세 다공성 흑연질 탄소 복합체 제조 방법, 금속-그래핀-다공성 탄소 복합체 및 이를 포함하는 수소 센서 장치

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030073623A (ko) * 2002-03-12 2003-09-19 김광호 Ｔｉ-Ｓｉ-Ｎ계 경질코팅막의 증착방법
KR20040058650A (ko) * 2002-12-27 2004-07-05 김광호 티아이 에이엘 에스아이 엔계 경질코팅막의 증착방법
KR20060020415A (ko) * 2004-08-31 2006-03-06 부산대학교 산학협력단 씨알-에스아이-엔계 경질코팅막의 증착방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030073623A (ko) * 2002-03-12 2003-09-19 김광호 Ｔｉ-Ｓｉ-Ｎ계 경질코팅막의 증착방법
KR20040058650A (ko) * 2002-12-27 2004-07-05 김광호 티아이 에이엘 에스아이 엔계 경질코팅막의 증착방법
KR20060020415A (ko) * 2004-08-31 2006-03-06 부산대학교 산학협력단 씨알-에스아이-엔계 경질코팅막의 증착방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120131615A (ko) 2012-12-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104002516B (zh) 一种具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/MoS2多层涂层及其制备方法
KR101293106B1 (ko) 경도 및 마모성이 우수한 복합 질화물 코팅막 및 그 제조 방법
CN103757597B (zh) 一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层及其制备方法
CN108396292A (zh) 一种压铸模具用复合涂层及其制备方法
CN106702331B (zh) 一种高温耐磨CrAlSiON基纳米复合涂层及其制备方法和应用
CN108754415A (zh) 一种周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层及其制备方法和应用
CN101518935A (zh) Pvd纳米复合陶瓷涂层螺杆及其制造方法
CN102080207A (zh) 一种DLC/TiAlN/CrN/Cr多层超硬膜涂层及其制备方法
WO2019072084A1 (zh) 一种耐高温硬质复合涂层及其制备方法和涂层刀具
CN103212729B (zh) 一种具有CrAlTiN超晶格涂层的数控刀具及其制备方法
CN105603387A (zh) 氮化硼系复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法
CN106835014A (zh) 一种多元复合硬质涂层制备方法
CN106987800B (zh) 一种周期性多层结构的二硼化钛-二硼化锆涂层及其制备方法和应用
Shishkovsky et al. Chemical and physical vapor deposition methods for nanocoatings
CN104325738A (zh) 一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层及其制备方法
CN105256273A (zh) 一种氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具及其制备方法
CN103938157B (zh) 一种ZrNbAlN超晶格涂层及制备方法
EP3132068B1 (en) Method for producing coated steel components
CN103256142A (zh) 一种节油型Cr-O-N纳米晶复合陶瓷涂层柴油发动机活塞环及制备方法
CN106756833B (zh) 一种高硬度TiCrN/TiSiN纳米多层结构涂层及其制备方法
CN108130507A (zh) 一种表面复合结构抗冲击涂层压铸模具及其制备方法
CN102345091A (zh) 涂层、具有该涂层的被覆件及该被覆件的制备方法
KR102036974B1 (ko) 산소 주입에 의한 CrAlSiON 층이 삽입된 고내식성 CrAlSiN 코팅막의 제조방법 및 그에 따른 다이캐스팅 금형
CN204752842U (zh) 高硬度和高耐磨性TiAlN/ZrSiN纳米结构保护性涂层
US8722180B2 (en) Coated article and method for making said article

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160704

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170724

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180723

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190724

Year of fee payment: 7