KR101429645B1 - 경질 코팅층 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

기판상에 경질 코팅층의 형성방법이 개시된다. 본 발명에 의한 경질 코팅층의 형성방법은 진공챔버 내에 비활성 가스와 반응성 가스가 혼합된 가스분위기에서, 아크 소스를 이용하여 TiAl 합금을 증발시켜 기판상에 경질 코팅층을 형성하는 방법에 있어서, 기판상에 금속성분으로 이루어진 접착층을 형성하고, 상기 진공챔버 내에 질소가스를 주입하여 TiAlN 코팅층을 형성하되, 주입되는 질소의 유량을 2단계로 조절하여 제1층이 제2층보다 높은 유량에서 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

경질 코팅층 및 그 제조방법{HARD COATING LAYER AND METHOD FOR FORMING THE SAME}

본 발명은 경질 코팅층의 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판상에 코팅층 구성과 유량의 정밀제어를 통해 경도가 높고 밀착력이 우수한 경질 코팅층 및 그 제조방법에 관한 것이다.

진공코팅에 의해 경질피막을 제조하는 방법에는 물리증착과 화학증착 방법이 있다. 물리증착에 의한 경질피막의 제조에는 스퍼터링과 아크 증착이 주로 이용되는데 이중에서 스퍼터링은 불활성 가스 분위기에서　타겟에 고전압을 인가하여 플라즈마 방전을 유도한 후 플라즈마에 존재하는 불활성 가스 이온이 타겟에 충돌하여 타겟 원자를 떼어낸 후 용기에 들어있는 반응성 가스 (질소, 산소, 또는 아세틸렌 등)와 반응시켜 기판에　박막을 증착하는 방법이다.

아크 증착은 타겟에 아크를 발생시킨 후 발생된 아크를 타겟에 구속시키면 이 아크 덩어리가 타겟 표면을 이동하면서 타겟 물질을 떼어내어 기판에 증착하는 기술로 스퍼터링과 마찬가지로 반응성 가스를 주입하면 고경도의 경질 박막이 형성된다.

진공코팅에 의한 경질 코팅으로 가장 먼저 실용화된 것은 질화티타늄이다. 질화티타늄은 고경도 및 내마모성이 우수하여 공구의 표면처리는 물론 기계부품이나 금형 등에 코팅하여 수명 및 성능향상을 이루었다.

질화티타늄과 더불어 널리 사용된 코팅이 질화크롬이다. 1990년 이후에는 티타늄과 알루미늄으로 이루어진 합금 타겟을 이용한 TiAlN 코팅이 실용화되어 특히 절삭공구의 수명과 성능향상에 획기적인 전기를 마련하였다.

물리증착 기술 중 경도가 25GPa 이상으로 매우 높은 물질을 코팅하는 데는 아크증착 기술이 널리 이용되고 있다. 이는 고경도의 코팅 물질일수록 박막의 응력이 증가하여 밀착력이 저하되고 따라서 스퍼터링과 같은 방법을 이용할 경우 피막의 신뢰성이 저하되기 때문이다.

특히 TiAlN, TiCrN, CrAlN, TiSiN와 같은 2원계 물질이나 TiAlSiN, TiCrSiN 등과 같은 3원계 물질의 코팅에는 아크증착이 필수적이다.

2원계 물질계 중에서 가장 먼저 실용화된 TiAlN은 티타늄과 알루미늄의 함량에 따라 다양한 조성의 코팅이 존재한다. 우선 Ti-50at.%Al를 비롯하여 Ti-25at.%Al와 Ti-75at.%Al의 합금 타겟이 널리 이용되고 있고 그 이외의 성분도 일부 실용화되어 있다.

국내에서 출원된 특허의 내용을 보면 TiAlN 코팅층은 조성 변화에 따라 경도가 변화하는데 Al의 함량이 27at.%인 경우 약 34.5GPa의 경도를 보이며 73at.%인 경우 약 26.7GPa의 경도를 갖는다(출원번호: 10-2004-0104422). TiAlN 코팅층의 알루미늄 함량이 높아지면 코팅층의 경도가 감소하는 경향을 보인다.

TiAlN 코팅은 공구 분야에 가장 많이 사용되지만 반도체(출원번호: 10-2005-0088712), 금형(출원번호: 10-2008-0026899), 임플란트(출원번호: 10-2009-0058164) 등 다양한 분야에 이용 또는 가능성을 확인하고 있다.

TiAlN 코팅은 물리증착 중에서도 음극 아크 증착 방법이 가장 널리 이용되고 있는데 이는 아크 증착 방법이 코팅의 밀착력과 경도 등의 특성을 모두 만족시켜 주기 때문이다.

아크 증착으로 TiAlN을 코팅할 경우 피막내에 존재하는 Ti과 Al의 성분 함량에 증착 조건에 따라 달라지며 따라서 피막의 특성 또한 달라지게 된다. 특히 코팅 중에 주입하는 질소 가스의 유량에 따라 경도나 밀착력 그리고 신뢰성이 크게 달라지게 된다. 따라서 이러한 코팅층의 구성과 제조 방법에 따라 그 특성이 현저히 달라지게 된다. 이를 부가하여 설명하면 다음과 같다.

TiAlN 코팅은 질소 유량이 증가함에 따라 경도가 달라지는데 유량에 따라 경도가 급격히 증가하여 특정 유량이 되면 경도가 최대값을 보이다가 다시 급격히 감소한 후 점차 높아져 일정 유량 이상에서는 거의 일정한 값을 보인다.

경도가 일정해지는 유량은 통상 경도가 최대일 때의 유량에 비해 약 2배 정도이며 이때의 경도는 최대값의 80-85%를 보인다. 앞서 설명한대로 경도가 높으면 응력에 의해 코팅층의 밀착력이 떨어짐은 물론 유량의 제어 범위가 좁으면 상업적으로 적용하는데 문제가 있게 된다. 따라서 상업적으로는 최대 경도값의 85% 수준의 유량을 이용하기 때문에 최대의 경도 특성을 살리지 못하는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 진공 챔버 내에 비활성 가스와 반응성 가스가 혼합된 분위기에서 아크 소스를 이용하여 TiAl 합금을 증발시켜 이루어지는 경질 코팅층 제조 방법에 있어서, 금속성분으로 이루어진 접착층을 제조하고 질소 가스를 주입하여 TiAlN 코팅층을 제조하되 질소 유량을 2단계로 조절하여 제1층과 제2층으로 구성하고 제1층이 제2층 보다 높은 유량에서 제조되는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층 형성방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 기판상에 경질 코팅층을 형성하는 방법은 진공챔버 내에 비활성 가스와 반응성 가스가 혼합된 가스분위기에서, 아크 소스를 이용하여 TiAl 합금을 증발시켜 기판상에 경질 코팅층을 형성하는 방법에 있어서, 기판상에 금속성분으로 이루어진 접착층을 형성하고, 상기 진공챔버 내에 질소가스를 주입하여 TiAlN 코팅층을 형성하되, 주입되는 질소의 유량을 2단계로 조절하여 제1층이 제2층보다 높은 유량에서 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 TiAl 합금 타겟의 성분은 Ti-50at%Al 이고, 형성된 TiAlN코팅층에 존재하는 Al의 비율은 15-25at% 일 수 있다.

상기 제1층의 형성시 주입되는 질소의 유량은 제2층의 형성시에 비하여 1.5-2.5배일 수 있다.

상기 제1층의 X-선 회절피크는 (200)면의 우선 배향을 가지며, 상기 제2층의 X-선 회절피크는 (111)면의 우선 배향을 가질 수 있다.

상기 제2층의 형성시 진공챔버 내에 주입되는 질소가스의 유량(Y; 단위: SCCM)와 코팅층의 증착율(X; 단위:㎛/min)은 다음의 관계식, Y=100·X+b (여기서, b는 상수)을 만족할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의한 경질 코팅층은 상술한 방법에 의해 형성된다.

본 발명에 의하면, 화합물 피막을 형성함에 있어 코팅층의 구성과 가스 유량의 제어를 통해 코팅층의 경도 및 신뢰성 지수를 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 의해 형성된 경질 코팅층은 밀착력이 우수할 뿐만 아니라, 피막의 경도가 매우 높음으로써 기계나 공구의 수명을 증진시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 기판상에 경질 코팅층을 형성하기 위한 코팅 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 방법에 의해 형성된 경질 코팅층의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 방법에 의해 형성된 코팅층의 경도변화를 도시한 그래프이다.

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 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 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, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 기판상에 경질 코팅층의 형성방법에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명은 아크 증착 장치를 이용하여 기판상에 TiAlN 코팅층을 제조함에 있어 TiAl 합금 타겟을 이용하고 아르곤과 질소가 혼합된 분위기에서 아크를 발생시키고 질소 유량을 제어하여 2층으로 제조하되 제1층의 질소 유량이 제2층의 질소유량에 비해 1.5-2.5배로 제어하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층을 제공한다.

앞에서 설명한대로 TiAlN 코팅은 합금의 성분은 물론 질소의 함량에 따라 그 특성이 달라지며 특히 경도가 높은 제2층의 경우는 성분비의 범위가 좁아서 TiAl 타겟의 증착율과 질소 유량의 비율이 매우 중요하게 된다.

본 발명에서는 상기 제 1층 형성시는 제2층의 형성시 보다 질소의 유량을 1.5-2.5배로 하는 것이 바람직하다. 그 이유는 제1층의 형성에 있어서는 질소 유량의 변화에 따라 TiAlN 코팅층의 특성이 민감하게 변하지 않고 제2층 대비 1.5-2.5배로 할 경우 원하는 특성을 충분히 발현하기 때문이다. 그러나 1.5배 이하일 경우나 2.5배 이상이 되면 경도가 낮아지거나 피막의 밀착력이 떨어지는 단점이 있다.

본 발명에서는 실험을 거듭하여 이들의 상관관계를 찾아내고 Y=100·X+b의 관계식을 도출하였다. 여기서 Y는 진공챔버 내에 주입하는 질소가스의 유량으로 단위는 SCCM (Standard Cubic Centimeter Per Minute)이고 X는 코팅층의 증착율이며 단위는 ㎛/min이며 b는 상수로 시스템의 차이를 보정해주는 값이다.

상기 시스템 차이는 진공증착 장치는 물론 타겟과 기판 사이의 거리 등 공정 조건의 차이를 의미하며, b값은 코팅 장치에 따라 달라질 수 있는데 본 발명의 경우 b의 값은 10으로 산출되었다.

이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명은 아크 증착 소스가 부착된 통상의 아크 증착 장치에서 이루어진다. 도 1은 본 발명을 설명하기 위한 코팅 장치의 개략도이다. 장치의 구성을 보면 진공 챔버(1)내의 옆면에 아크 소스(2)가 부착되어 있고 진공 챔버(1) 내부에는 타겟(3)과 기판(4) 그리고 기판(4)을 지지하기 위한 기판홀더(5)가 설치되어 있다.

그 외에 아크 증착 공정에 사용되는 가스를 주입하기 위한 가스 도입구(9)와 아크 소스(2)에 전원을 인가하기 위한 아크 전원(6) 및 기판에 전압을 인가하기 위한 바이어스 전원(7) 구비되어 있다.

가스 도입구(9)에는 아르곤과 함께 반응성 가스인 질소와 아세틸렌, 산소 가스 등을 주입하도록 되어 있으며 아르곤 가스는 기판(4)의 청정과 함께 아크를 유도하기 위해 사용한다.

기판 홀더(5)는 기판 회전장치(8)를 이용하여 필요한 경우 기판의 회전이 가능하다. 또한 진공도를 측정하고 제어하는 진공 게이지(10)가 부착되어 있다.

본 발명의 목적을 이루기 위한 박막(코팅층) 제조 순서를 설명하면 다음과 같다.

우선, 아크 소스(2)에 타겟(3)을 설치하고 기판(4)을 장착한 다음 진공펌프(미도시)를 이용하여 배기 시킨다. 진공도가 10^-5 토르 이하가 되면 아르곤 가스를 주입하여 진공도가 7 x 10^-4 Torr가 되도록 조절한 다음 아크 소스에 70A의 전류를 발생시킨 후 바이어스 전원(7)에 전압을 인가하여 기판(4)을 청정시킨다.

기판(4)의 청정이 끝나면 질소 가스를 주입하여 TiAlN 코팅층을 제조한다. 코팅층은 접착층과 제1코팅층 그리고 제2코팅층의 구성된다.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀 더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

<실시예: 경질 코팅층의 형성방법>

도 1은 본 발명에 의한 경질 코팅층을 형성하기 위한 코팅 장치의 개략도이다. 도 2는 본 발명에 의해 형성된 경질 코팅층의 구성도이고 도 3은 형성된 코팅층의 경도변화 그래프이다.

발명예 1은 본 발명에 의한 방법으로 TiAlN 코팅층을 제조한 경우이다.

발명예1에 사용된 기판(4)은 크기가 10 x 10 cm이고 두께가 1mmT인 스테인리스 강판이었고 타겟(3)은 Ti-50at.%Al 합금 타겟을 이용하였다. 기판(4)은 진공 챔버(1)에 장착하기 전 아세톤과 알코올을 이용한 초음파 세척을 통해 전처리를 거쳤다.

전처리를 거친 시편은 진공 챔버(1)의 내부에 설치된 기판 홀더(5)에 부착시키고, 티타늄 타겟(4)을 장착한 다음 진공펌프(미도시)를 이용하여 배기시켰다. 진공도가 10^-5 토르 이하가 되면 기판(4)의 청정을 위해 가스 도입구(9)를 통해 아르곤 가스를 80SCCM 주입하여 진공도가 7×10^-4 토르가 되도록 조절한 다음 아크 전원에 70A의 전류를 흘려 플라즈마를 발생시킨 후 바이어스 전원(7)에 400 V의 전압을 인가하여 5분간 기판을 청정시켰다.

기판(4) 청정이 완료되면 접착층(22)을 형성하는 단계로 바이어스 전압을 100V로 낮춘 다음 TiAl 피막을 5분간 코팅하였다. 접착층(22)은 기판(21)과 코팅층(23, 24)의 밀착력을 증가시키기 위한 목적으로 사용된다. 접착층(22)의 코팅이 완료된 후 가스 도입구(9)를 통해 질소 가스를 주입하여 TiAlN 코팅층을 형성시켰다.

TiAlN 코팅층은 2단계를 통해 이루어졌다. 제1코팅층(23)은 질소 유량을 60SCCM으로 하여 15분간 코팅하고 제2코팅층(24)은 질소 유량을 30SCCM으로 조절한 후 15분간 코팅하여 약 3㎛ 두께의 TiAlN 코팅층을 형성하였다.

제1코팅층(23)과 제2코팅층(24)의 질소 유량을 달리한 이유는 다음과 같다. TiAlN 코팅층은 도 3과 같이 질소유량에 따라 경도에 큰 차이를 보인다. 특히 30SCCM 부근에서 매우 높은 경도를 보이며 60SCCM 부근에서 2번째로 높은 경도 값을 보인다.

경도가 특정 값 이상이 되면 경도 상승에 따른 응력 증가로 탄성계수도 높아지는데 이렇게 되면 코팅층의 밀착력이 떨어지게 된다. 본 발명은 이를 해결하기 위해 경도가 일정 값 이상이 되면서 제어 범위도 넓은 영역을 제1코팅층(23)으로 제조하여 응력을 완화시킨 다음 경도가 최대가 되는 조건에서 제2코팅층(24)을 제조하여 경도를 높임에 의해 코팅층의 수명을 향상시키고자 하였다.

한편 코팅층의 경도가 30SCCM에서 최대를 보이기는 하나 유량범위가 좁아 상업적으로 적용하기가 쉽지 않은 단점이 있는데, 본 발명에서는 이를 해결하기 위해 증발율과 가스 유량과 상관관계인 Y=100·X+b의 관계식을 찾아내어 증발율의 변화에 따라 가스 유량을 제조하는 방법으로 해결하였다.

본 발명의 방법으로 TiAlN을 코팅하며 엑스선 회절 피크에서 제1코팅층(23)은 (200)면의 우선 방위를 보이는 조직을 나타내며 제2코팅층(24)은 (111)면의 우선 방위를 보이는 조직을 보이는 것으로 나타났다.

본 발명의 효과를 설명하기 위해 스크래치 시험기를 이용하여 코팅층의 밀착력을 시험한 결과 Critical Load 값이 50N 이상으로 매우 높게 나타남을 확인하였다. 이로부터 코팅의 신뢰성 지수를 높여 수명향상이 가능하다.

본 발명의 방법으로 경질 코팅을 제조하면 밀착력과 함께 초경도의 피막을 제조할 수 있어 기계나 공구의 수명과 특성 향상에 기여할 것으로 판단된다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 진공 챔버, 2: 아크 소스, 3: 타겟, 4: 기판, 5: 기판 홀더,
6: 아크 전원, 7: 바이어스 전원, 8: 기판 회전장치, 9: 가스 도입구,
10: 진공 게이지, 21: 기판, 22: 접착층, 23: 제1코팅층,
24: 제2코팅층

Claims (6)

1. 진공챔버 내에 비활성 가스와 반응성 가스가 혼합된 가스분위기에서, 아크 소스를 이용하여 TiAl 합금을 증발시켜 기판상에 경질 코팅층을 형성하는 방법에 있어서,
   기판상에 TiAl 금속성분으로 이루어진 접착층을 형성하고, 상기 진공챔버 내에 질소가스를 주입하여 TiAlN 코팅층을 형성하되, 주입되는 질소의 유량을 2단계로 조절하여 제1층이 제2층보다 높은 유량에서 형성되는 것을 특징으로 하는 기판상에 경질 코팅층을 형성하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 TiAl 합금 타겟의 성분은 Ti-50at%Al 이고, 형성된 TiAlN코팅층에 존재하는 Al의 비율은 15-25at% 인 것을 특징으로 하는 기판상에 경질 코팅층을 형성하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1층의 형성시 주입되는 질소의 유량은 제2층의 형성시에 비하여 1.5-2.5배인 것을 특징으로 하는 기판상에 경질 코팅층을 형성하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1층의 X-선 회절피크는 (200)면의 우선 배향을 가지며, 상기 제2층의 X-선 회절피크는 (111)면의 우선 배향을 가지는 것을 특징으로 하는 기판상에 경질 코팅층을 형성하는 방법.
5. 삭제
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 형성되는 경질 코팅층.

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