KR101743019B1 - 고온 내산화성이 우수한 초경도 탄화붕소 박막, 그 박막을 이용하는 절삭 공구 및 그 박막의 제조방법 - Google Patents

고온 내산화성이 우수한 초경도 탄화붕소 박막, 그 박막을 이용하는 절삭 공구 및 그 박막의 제조방법 Download PDF

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Abstract

고온 내산화성이 우수한 초경도 탄화붕소 박막은, 탄화붕소층과 탄화규소층이 교대로 반복적으로 적층된 구조를 갖는다. 이에 따라, 탄화붕소 박막의 고온 내산화성이 향상되어 절삭 공구 등 내마모 공구의 코팅 재료로 사용 가능하다.

Description

고온 내산화성이 우수한 초경도 탄화붕소 박막, 그 박막을 이용하는 절삭 공구 및 그 박막의 제조방법{HIGH TEMPERATURE OXIDATION RESISTANT BORON CARBIDE THIN FILM, CUTTING TOOLS USING THE THIN FILM AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 고온 내산화성이 우수한 초경도 탄화붕소 박막, 그 박막을 이용하는 절삭 공구 및 그 박막의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄화붕소 박막의 고온 내산화성을 개선시키기 위한 미세구조 설계에 관한 것이다.
산업분야에서 사용되고 있는 소재가 고강도화됨에 따라 이를 가공하는데 사용되는 절삭 공구의 성능 향상이 중요한 기술적인 문제로 대두되고 있다. 현재 절삭 공구는 초경이나 고속도강 소재 위에 경도 등 기계적 물성이 우수한 박막을 코팅하여 사용하고 있는데, 현재 가장 많이 사용하고 있는 박막소재는 TiAlN을 기반으로 한 소재이다.
TiAlN을 기반으로 하는 소재는 경도는 약 30 GPa 에 해당하고 내산화성이 우수하여 많이 응용되고 있다. 그러나, 이 경도값으로는 산업적인 요구를 충족시키기에 미흡하여, 보다 경도값이 높은 소재의 개발이 필요한 현실이다.
탄화붕소 물질은 다이아몬드, 입방정질화붕소 다음으로 경도가 높은 재료로, 온도증가에 따른 경도의 감소가 작아 1100 oC 이상의 고온에서는 오히려 최고의 경도를 보이는 재료이다[선행기술문헌의 비특허문헌 1]. 따라서, 탄화붕소 물질은 우수한 기계적 물성으로 인해, 절삭 공구, 하드디스크의 보호막, 방탄 소재 등의 응용을 비롯하여, 반도체적인 특성을 이용한 beta-voltaic cell, 열전소자, 중성자 검출기 등에 응용 되고 있다.
한편, 탄화붕소 물질을 다양하게 활용하기 위해서 박막형태의 제작이 필요하다. 최근, 탄화붕소막의 증착에 관한 연구가 많이 진행되어 왔는데, 박막의 경우는 대부분 비정질 형태의 결정구조를 갖는 것으로 알려져 있다. 그러나, 이들 박막의 경도는 40 GPa의 초경도 값을 갖는다는 보고도 있어, 이 박막을 절삭 공구 등 내마모 박막으로 유용하게 활용할 수 있는 가능성을 보여준다. 또한, 앞에서 설명한 바와 같이 고온 경도가 현존 재료 중 가장 높아 접촉온도가 높은 절삭이나 마모부분에서의 응용이 매우 효과적일 것으로 기대된다.
그러나, 탄화붕소는 600 oC 이상에서 산화가 급격히 진행되는 것으로 알려져 있으며, 또한 붕소 산화물이 그 온도에서 액상으로 존재하고, 기화도 용이하게 일어나는 성질이 있어 산소를 포함한 고온 분위기에서는 사용이 불가능하게 되는 결정적인 문제점을 가지고 있다[선행기술문헌의 비특허문헌 2].
KR특2003-0034304 A
J. M. Wheeler, J. Micjler, Rev. Sci. Inst. 84 (2013) 101301-101311 H.T. Tsou, W. Kowbel, Carbon 33 (1995) 1289-1292
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 산화에 대한 취약성을 개선하고 우수한 경도를 유지하는 고온 내산화성이 우수한 초경도 탄화붕소 박막을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 고온 내산화성이 우수한 초경도 탄화붕소 박막을 이용하는 절삭 공구를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 고온 내산화성이 우수한 초경도 탄화붕소 박막을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 초경도 탄화붕소 박막은, 탄화붕소(BC)층과 탄화규소(SiC)층이 교대로 반복적으로 적층된 구조를 갖는다.
본 발명의 실시예에서, 상기 탄화붕소층과 상기 탄화규소층은 각각 나노미터(nm)의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 탄화규소층은 상기 탄화붕소층의 산화 방지층의 역할을 할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 초경도 탄화붕소 박막은, 적어도 40 GPa이상의 초경도 값을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 탄화붕소층은 비정질 형태의 결정구조를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 초경도 탄화붕소 박막은, 절삭 공구 또는 내마모 공구의 코팅 재료로 사용될 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 절삭 공구는, 상기 특징을 가지는 초경도 탄화붕소 박막을 코팅층으로 이용한다.
상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 초경도 탄화붕소 박막의 제조방법은, 기판 상에 탄화붕소(BC)층을 증착하는 단계; 상기 탄화붕소층 상에 탄화규소층(SiC)을 증착하는 단계; 및 상기 탄화붕소층을 증착하는 단계 및 상기 탄화규소층을 증착하는 단계를 반복하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 탄화붕소층을 증착하는 단계 및 상기 탄화규소층을 증착하는 단계는, 상기 탄화붕소층과 상기 탄화규소층을 각각 나노미터(nm) 두께로 증착할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 탄화붕소층을 증착하는 단계 및 상기 탄화규소층을 증착하는 단계는, 비대칭 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 탄화붕소층을 증착하는 단계 및 상기 탄화규소층을 증착하는 단계는, 기판의 회전속도를 조절하여 상기 탄화붕소층과 상기 탄화규소층의 두께를 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 탄화붕소층을 증착하는 단계 및 상기 탄화규소층을 증착하는 단계는, 증착조건은 증착압력 3 mtorr, 타겟출력 직류전원 200 W, 기판 바이어스 전압 -100 V인 및 증착온도는 250 oC 이상 450 oC 이하의 범위일 수 있다.
이와 같은 고온 내산화성이 우수한 초경도 탄화붕소 박막은, 탄화붕소 박막의 기능을 개선시키기 위한 미세구조 설계에 관한 것으로, 내산화성이 우수한 탄화규소 박막을 수 나노미터(nm)의 두께로 탄화붕소 박막과 반복 적층하여 산화를 억제하고 동시에 탄화붕소가 갖는 경도를 유지할 수 있다. 이에 따라, 내산화성이 향상된 탄화붕소 박막은 절삭 공구 등의 내마모 박막으로 응용할 수 있다. 또한, 절삭 공구의 경우 절삭이 진행되는 동안 박막의 마모에 의해 노출된 박막의 새로운 표면의 대기 중 노출에 의해 산화를 지속적으로 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화붕소 박막의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 탄화붕소 박막의 증착온도에 따른 경도변화를 나타내는 도표이다.
도 3은 탄화붕소층과 탄화규소층을 적층하여 복합화시킨 박막의 단면투과전자현미경 사진이다.
도 4는 대기 중 승온에 따른 박막의 중량변화를 나타내는 곡선이다.
도 5는 단일층 두께 변화에 따른 박막의 경도 변화를 나타내는 도표이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화붕소 박막의 단면도이다.
본 발명에 따른 탄화붕소(BC) 박막은 내마모 박막으로 응용하기 위해 문제가 되는 산화에 대한 취약성을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 내산화성이 우수한 탄화규소(SiC) 박막과의 복합구조화를 통하여 산화에 대한 취약성을 개선하고, 탄화붕소의 우수한 경도는 유지할 수 있는 내산화성이 우수한 탄화붕소 기반의 박막을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 탄화붕소 박막(10)은 기판(11) 상에 경도가 우수한 탄화붕소층(12)과 내산화성이 우수한 탄화규소층(13)이 반복 적층되어 형성된다.
즉, 다수개의 탄화붕소층(12a, 12b, 12c)의 사이마다 탄화규소층(13a, 13b, 13c)이 각각 형성되어, 상기 탄화붕소층(12a, 12b, 12c)과 상기 탄화규소층(13a, 13b, 13c)이 교번적인 다층복합막을 형성한다.
상기 탄화붕소층(12a, 12b, 12c)과 상기 탄화규소층(13a, 13b, 13c)의 각 층의 두께는 나노미터(nm) 수준의 범위를 가질 수 있다. 그러나, 각 층의 두께가 동일하여야 하는 것은 아니며, 탄화붕소층과 탄화규소층의 두께가 동일하여야 하는 것도 아니다. 탄화붕소층과 탄화규소층의 각 층은 필요에 따라 조절 가능할 것이다.
상기 탄화붕소 박막은 경도가 우수하나, 600 oC 이상의 고온에서 산화가 급격히 진행되고, 붕소 산화물이 그 온도에서 액상으로 존재하고, 기화도 용이하게 일어나는 성질이 있어 산소를 포함한 고온 분위기에서는 사용이 불가능하다.
이에, 상기 탄화규소층(13)이 상기 탄화붕소층(12)을 코팅하여 상기 탄화붕소층(12)의 산화를 방지하는 산화 방지층의 역할을 한다. 탄화규소층과 탄화붕소층이 각각 단일층으로만 형성된 경우 절삭 등 마모가 진행되는 환경에서 내마모 박막은 지속적으로 제거되므로, 산화 방지층인 탄화 규소층도 제거되어 산화방지 역할을 못하게 된다.
본 발명에서는 이러한 문제를 나노미터(nm) 두께의 탄화붕소층(12)과 탄화규소층(13)을 반복적으로 적층함으로써, 지속적으로 탄화규소층(13)이 마모 중에 노출되게 하여 마모가 진행되는 동안 탄화붕소층(12)의 산화 방지층의 역할을 지속할 수 있게 한다.
예를 들어, 도 1에 도시된 탄화붕소 박막(10)을 코팅층으로 하는 절삭 공구에서 최상층의 탄화규소층(13c)은 탄화붕소층(12c)의 산화를 방지하고, 탄화규소층(13c)과 탄화붕소층(12c)이 마모되면, 그 아래층의 탄화규소층(13b)이 탄화붕소층(12b)의 산화를 방지한다. 마찬가지로, 탄화규소층(13b)과 탄화붕소층(12b)이 마모되면, 그 아래층의 탄화규소층(13a)이 탄화붕소층(12a)의 산화를 방지하게 된다.
도 1에서는 탄화붕소층(12a), 탄화규소층(13a), 탄화붕소층(12b), 탄화규소층(13b), 탄화붕소층(12c), 탄화규소층(13c)의 순서로 도시되어 있으나, 탄화규소층, 탄화붕소층, 탄화규소층, 탄화붕소층 순으로 증착될 수도 있고, 두 층이 반복되어 증착되기만 하면 그 순서와 반복횟수는 필요에 따라 조절할 수 있다. 다만, 탄화붕소 박막(10)이 절삭 공구 또는 내마모 공구의 코팅층으로 사용되는 점을 고려할 때 최상층은 탄화규소층으로 형성하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명에서는 탄화붕소(BC)의 우수한 기계적 물성은 그대로 유지하면서 내산화성이 우수한 탄화규소(SiC)의 물성을 융합하기 위하여 두 소재의 반복증착을 통한 복합구조화를 시도하였다. 이러한 방법은 절삭 공구의 경우 절삭이 진행되는 동안 박막의 마모에 의해 노출된 박막의 새로운 표면의 대기 중 노출에 의한 산화를 지속적으로 방지할 수 있는 장점이 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화붕소 박막(10)의 산화 방지에 대한 본 발명의 내용을 구체적으로 살펴보기로 한다.
본 발명에 따른 초경도 탄화붕소 박막을 생성하기 위한 일 실시예를 설명하면, 비대칭 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하여 탄화붕소 박막을 증착할 수 있다. 예를 들어, 소결된 직경 약 5 cm의 탄화붕소 타겟을 사용할 수 있고 증착조건은 다음과 같다. 증착압력 약 3 mtorr, 타겟출력 직류전원 약 200 W, 기판 바이어스 전압 약 -100 V, 증착온도 상온 약 450 oC.
도 2는 상기 조건에서 증착한 탄화붕소 박막의 경도를 증착온도 변화에 따라 측정한 것이다. 증착온도는 각각 250 oC, 300 oC, 350 oC, 400 oC 및 450 oC로 설정하였다.
도 2를 참조하면, 증착온도에 따라 변화 경향은 관찰되지 않고, 증착온도와 관계 없이 약 40 GPa의 높은 값을 가지는 것을 알 수 있다. X 선 회절과 투과전자현미경의 전자회절 분석결과 증착된 박막은 비정질구조를 보였다. 따라서, 비교적 낮은 증착온도에서도 절삭 공구에 사용 가능한 경도값을 갖는 막을 증착할 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고온 내산화성이 우수한 초경도 탄화붕소 박막의 효과를 검증하기 위해, 소결된 탄화규소 타겟을 탄화붕소 타겟과 병렬배치하고 기판을 회전하여 두 층이 반복 증착되도록 하였다. 상기 기판은 실리콘 기판일 수 있다. 또한, 상기 기판의 회전속도를 조절하여 증착되는 각층의 두께를 조절할 수 있다.
도 3은 단일층 두께를 10 nm로 하여 증착한 복합다층막의 단면 투과전자현미경사진이다. 도 3을 참조하면, 두 개의 층이 반복적으로 증착되어 있고, 회절결과에서 확인할 수 있는 바와 같이 생성된 박막은 비정질구조를 가지고 있음을 알 수 있다.
도 4는 Thermal gravity analysis(TGA 분석) 방법을 이용하여 건조공기(dry air) 상태에서 온도를 올리면서 박막의 무게변화를 측정한 것이다. 산화가 진행되면 무게가 증가하게 되므로, 박막의 무게가 증가에 비례하여 산화 정도를 측정할 수 있다.
도 4를 참조하면, 탄화붕소(BC)는 약 600 oC 이상에서 급격히 무게가 증가하는 반면, 복합막의 경우는 1200 oC까지 무게 증가가 거의 관찰되지 않는다. 따라서, 탄화규소(SiC) 다층 복합화에 의해 고온에서의 산화가 급격히 감소됨을 확인할 수 있고, 이러한 산화 방지효과는 실험 범위의 단일막 두께의 변화에 무관함을 확인할 수 있다.
증착된 복합다층막의 단일층 두께(도 5의 x축 두께는 단일층 두께2에 해당)에 따른 경도 변화는 도 5와 같다.
도 5를 참조하면, 동일 조건에서 증착한 탄화붕소의 경도는 약 36 GPa로 측정되었다. 경도는 층의 두께 증가에 따라 다소 증가하였다가 감소하는 것으로 보이나, 측정오차를 고려하면 거의 변화가 없다고 판단할 수 있다. 또한, 탄화붕소의 경도값(약 40 GPa)과 유사한 값을 보이고 있다. 따라서, 다층화에 따른 경도 감소는 미약한 것으로 분석된다.
이러한 복합막의 경우 사용중 마모가 진행되어 코팅막의 새로운 표면이 지속적으로 노출되는 환경에서 그 성능이 지속적으로 유지될 것을 예상할 수 있다. 탄화붕소층이 마모에 의해 소멸되면 그 아래 위치한 탄화규소층이 노출되어 재차 산화 방지막의 역할을 하게 되므로, 경도는 유지하면서 마모진행 중 지속적인 산화방지 역할을 할 수 있게 된다.
또한, 절삭조건이나 마모조건에 따라 마모속도가 달라지므로 그에 맞게 구성층의 두께를 조정하여 최적의 내마모 성능을 구현할 수 있게 된다. 따라서, 나노크기의 두께층의 적합한 설계를 통하여 최적의 내마모 성능을 보이는 코팅층의 구현이 가능하게 된다.
본 발명은 초경도 값을 갖는 탄화붕소 박막의 내산화성을 향상시켜 고온에서 사용 가능한 절삭 공구 코팅 등 내마모 코팅으로의 응용을 가능하게 해준다. 또한, 절삭시 예상되는 탄화붕소 박막의 산화층 표면에서 대기중 수분과 반응하여 생기는 극히 얇은 붕산막의 낮은 마찰계수로 내마모 윤할 코팅으로의 응용도 가능한 효과를 주게 된다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에서 제공하는 초경도 탄화붕소 박막 구조는 절삭 공구 및 내마모 공구의 코팅 재료로 적용될 수 있다. 코팅 절삭 공구는 자동차, 항공기, 반도체 등의 소재 및 부품 가공에 사용에 다양하게 사용될 수 있다. 절삭 공구 시장 성장률은 연 10 % 성장률을 보이며, 초경 및 고속도강 절삭 공구 국내 생산량은 2조 4천억원(수출: 1조 6천억원)에 육박한다(2012년 기준, 출처: 한국 절삭 공구 협동조합). 이 중 70 %가 코팅 공구에 해당하며, 현재 국내외를 막론하고 제품에 적용되는 코팅 재료는 대부분 TiAlN 기반 재료인 점을 감안할 때, 현장 적합성이 검증될 경우 코팅공구의 성격상 50 % 이상 대체 가능할 것으로 기대된다.
10: 탄화붕소 박막 11: 기판
12: 탄화붕소층 13: 탄화규소층

Claims (12)

  1. 탄화붕소(BC)층과 탄화규소(SiC)층이 교대로 반복적으로 적층된 구조를 갖고,
    제1 탄화붕소(BC)층, 제1 탄화규소(SiC)층, 제2 탄화붕소(BC)층, 제2 탄화규소(SiC)층의 순서로 적층된, 초경도 탄화붕소 박막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탄화붕소층 및 제2 탄화붕소층과 상기 제1 탄화규소층 및 제2 탄화규소층은 각각 1 이상 내지 10 이하의 나노미터(nm)의 두께를 갖는, 초경도 탄화붕소 박막.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탄화붕소층 및 제2 탄화규소층은 각각 상기 제1 탄화규소층 및 제2 탄화붕소층의 산화 방지층의 역할을 하는, 초경도 탄화붕소 박막.
  4. 제1항에 있어서,
    적어도 40 GPa이상의 초경도 값을 갖는, 초경도 탄화붕소 박막.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탄화붕소층 및 제2 탄화붕소층은 비정질 형태의 결정구조를 갖는, 초경도 탄화붕소 박막.
  6. 제1항에 있어서,
    절삭 공구 또는 내마모 공구의 코팅 재료로 사용하는, 초경도 탄화붕소 박막.
  7. 제1항 내지 제5항의 어느 하나의 항에 따르는 초경도 탄화붕소 박막을 코팅층으로 이용하는 절삭 공구.
  8. 기판 상에 제1 탄화붕소(BC)층을 증착하는 단계;
    상기 제1 탄화붕소층 상에 제1 탄화규소층(SiC)을 증착하는 단계;
    상기 제1 탄화규소층(SiC)에 제2 탄화붕소층을 증착하는 단계; 및
    상기 제2 탄화붕소층 상에 제2 탄화규소층(SiC)을 증착하는 단계를 포함하는, 초경도 탄화붕소 박막의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 탄화붕소층 및 제2 탄화붕소층을 증착하는 단계 및 상기 제1 탄화규소층 및 제2 탄화규소층을 증착하는 단계는,
    상기 제1 탄화붕소층 및 제2 탄화붕소층과 상기 제1 탄화규소층 및 제2 탄화규소층을 각각 1 이상 내지 10 이하의 나노미터(nm) 두께로 증착하는, 초경도 탄화붕소 박막의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제1 탄화붕소층 및 제2 탄화붕소층을 증착하는 단계 및 상기 제1 탄화규소층 및 제2 탄화규소층을 증착하는 단계는,
    비대칭 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하는, 초경도 탄화붕소 박막의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 탄화붕소층 및 제2 탄화붕소층을 증착하는 단계 및 상기 제1 탄화규소층 및 제2 탄화규소층을 증착하는 단계는,
    기판의 회전속도를 조절하여 상기 제1 탄화붕소층 및 제2 탄화붕소층과 상기 제1 탄화규소층 및 제2탄화규소층의 두께를 조절하는, 초경도 탄화붕소 박막의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제1 탄화붕소층 및 제2 탄화붕소층을 증착하는 단계 및 상기 제1 탄화규소층 및 제2 탄화규소층을 증착하는 단계는,
    증착조건은 증착압력 3 mtorr, 타겟출력 직류전원 200 W, 기판 바이어스 전압 -100 V인 및 증착온도는 250 oC 이상 450 oC 이하의 범위인, 초경도 탄화붕소 박막의 제조방법.
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