KR101944906B1 - 가속도 센서축 분해능 향상을 위한 저가 초박형 크롬 도핑 탄소봉 - Google Patents

가속도 센서축 분해능 향상을 위한 저가 초박형 크롬 도핑 탄소봉 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가속도 센서축 분해능 향상을 위한 저가 초박형 크롬 도핑 탄소봉에 관한 것으로, 지지대인 플라스틱 봉; 및 플라스틱 봉에 형성되는 크롬 도핑 탄소 코팅층을 포함하는 크롬 도핑 탄소봉을 제공한다.

Description

가속도 센서축 분해능 향상을 위한 저가 초박형 크롬 도핑 탄소봉{Low cost ultrathin chromium doped carbon rod for enhancing the resolution on the axis of acceleration sensor}
본 발명은 크롬 도핑 탄소 코팅층의 고탄성과 내구성 특성 구현 및 풍향 풍속계로 사용되는 가속도 센서의 분해능 향상을 위한 저가의 초박형 크롬 도핑 탄소봉에 관한 것이다.
기존 탄성을 보유한 봉(지지대)을 제조하는 방법에서는, 주로 유리섬유 또는 탄소 섬유 등을 통쇠라는 맨드릴(mandrel)에 입혀 전기로의 높은 온도를 이용하여 유리섬유 또는 탄소섬유가 통쇠에 잘 부착되도록 함으로써, 통쇠의 강도에 의한 내구성과 유리섬유 또는 탄소섬유가 갖는 고탄성을 동시에 유지할 수 있다. 제작 공정에서 보듯이, 내구성과 고탄성을 유지하는 공정은 복잡하고 고가의 소재들을 사용하기 때문에, 제조 단가가 매우 높다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 방안으로 코팅 공정을 제시하였으며, 소재의 특성을 잘 재현할 수 있는 금속 도핑 탄소 소재를 선택하였다.
본 발명의 목적은 크롬 도핑된 탄소 박막을 플라스틱 봉에 코팅함으로써, 내구성과 고탄성을 유지하여 가속도 센서를 지지하고 분해능을 향상시킨 초박형 크롬 도핑 탄소봉을 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위해, 지지대인 플라스틱 봉; 및 플라스틱 봉에 형성되는 크롬 도핑 탄소 코팅층을 포함하는 크롬 도핑 탄소봉을 제공한다.
본 발명에서 크롬 도핑 탄소 코팅층의 두께는 150±50 nm일 수 있다.
본 발명에서 크롬 도핑 탄소 코팅층은 비대칭 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 제작된 것일 수 있다.
본 발명에서 크롬 도핑 탄소 코팅층은 타켓으로 4±1인치 흑연과 크롬을 사용하고, 플라스틱 봉과 타겟까지의 거리는 6±2 cm로 고정하며, 플라스틱 봉은 15±5 rpm의 속도로 회전시키고, 증착전 챔버의 초기 진공도는 5×10-4 Pa 이하를 유지하며, 순도 99 내지 99.999%의 아르곤을 스퍼터링 가스로 사용하고, 증착 공정 압력은 0.31±0.1 Pa로 설정하며, 흑연 타겟의 직류 파워 밀도는 25±5 W/㎠로 고정하고, 크롬 타겟의 직류 파워 밀도는 5±2 W/㎠로 고정하여 제작된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 크롬 도핑 탄소봉은 플라스틱 봉 및 크롬 도핑 탄소 코팅층 사이에 10±2 nm 두께의 탄소 접착층을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에서 크롬 도핑 탄소 코팅층의 성장속도는 73 내지 102 nm/min, 크롬 농도는 11.4 내지 23.5%, 표면 거칠기는 1.4 내지 3.6 nm, 마찰계수는 0.1 내지 0.4, 경도는 16 내지 33 GPa, 탄성계수는 180 내지 298 GPa, 접촉각은 86 내지 110도, 비저항 최소값은 6.4×10-4 Ohm·cm일 수 있다.
본 발명에 따른 초박형 크롬 도핑 탄소봉은 크롬 도핑된 탄소 박막을 플라스틱 봉에 코팅함으로써, 내구성과 고탄성을 유지하여 가속도 센서를 지지하고 분해능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 크롬 도핑 탄소 코팅층을 포함하는 탄소봉(지지대)의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 크롬 도핑 탄소 코팅층의 제조장치이다.
도 3은 본 발명에 따른 스퍼터링 방법에 의해 제작된 약 150 nm 두께의 크롬 도핑 탄소 코팅층의 FESEM 표면 및 단면 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 스퍼터링 방법에 의해 제작된 약 150 nm 두께의 크롬 도핑 탄소 코팅층에 포함되어 있는 크롬 비율을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 스퍼터링 방법에 의해 제작된 크롬 도핑 탄소 코팅층의 비저항 및 표면 접촉각을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 스퍼터링 방법에 의해 제작된 약 150 nm 두께의 크롬 도핑 탄소 코팅층의 탄성계수 및 경도 값을 나타낸 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명은 상세하게 설명한다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 크롬 도핑 탄소봉은 안쪽에서부터 바깥쪽으로 플라스틱 봉(지지대), 탄소 접착층, 크롬 도핑 탄소 코팅층 등으로 구성될 수 있다.
플라스틱 봉은 지지대 역할을 하며, 원통형의 봉 형상으로 이루어질 수 있고, 통상의 플라스틱으로 구성될 수 있다. 플라스틱 봉의 크기는 적절하게 설정할 수 있다.
탄소 접착층은 플라스틱 봉과 크롬 도핑 탄소 코팅층 사이에 형성되고, 플라스틱 봉과 크롬 도핑 탄소 코팅층 사이의 부착력을 개선하는 역할을 하며, 탄소 재료를 코팅하여 형성할 수 있고, 10±2 nm의 두께를 가질 수 있다.
크롬 도핑 탄소 코팅층은 고탄성과 내구성을 유지하고 가속도 센서의 분해능을 향상시키는 역할을 하며, 플라스틱 봉 또는 탄소 접착층에 크롬 도핑 탄소 소재를 코팅하여 형성할 수 있다. 크롬 도핑 탄소 코팅층의 두께는 150±50 nm일 수 있다. 코팅층 두께에 따라 물성이 달라질 수 있으며, 상술한 두께 범위에서 우수한 물성을 나타낼 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 크롬 도핑 탄소 코팅층의 제조장치를 나타낸 것으로, 크롬 도핑 탄소 코팅층은 플라스틱 봉 위에 비대칭 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 제작할 수 있다. 도 2는 비대칭 마그네트론 스퍼터링 장치(Unbalanced magnetron sputtering device)로서, 챔버의 내부 중앙에는 플라스틱 봉이 홀더에 장착되고, 홀더는 회전 지그에 장착되며, 회전 지그는 챔버 상단에 설치된 모터에 의해 구동되고, 회전 지그의 회전에 의해 플라스틱 봉이 회전한다. 챔버의 내부 좌측 벽에는 크롬 타켓이 장착되고, 크롬 타켓은 전원과 연결된다. 챔버의 내부 우측 벽에는 흑연 타켓이 장착되고, 흑연 타켓은 전자석 코일과 연결되며, 전자석 코일은 내부 전자석 코일과 2개의 외부 전자석 코일로 구성된다. 챔버의 하단에는 메인 밸브 및 고진공용 터보 펌프가 설치되고, 터보 펌프는 포어라인(foreline)과 연결되며, 포어라인에는 포어라인 밸브가 설치된다. 챔버의 우측 하부에는 러핑(roughing)라인이 연결되고, 러핑라인에는 러핑 밸브가 설치되며, 러핑라인의 말단부에는 저진공용 로터리 펌프가 설치된다. 포어라인과 러핑라인은 로터리 펌프 부근에서 합류할 수 있다. 챔버의 좌측 상부에는 스퍼터링 가스용 가스라인이 연결된다.
구체적으로, 크롬 도핑 탄소 코팅층은 타켓으로 4±1인치 흑연과 크롬을 사용하고, 플라스틱 봉과 타겟까지의 거리는 6±2 cm로 고정하며, 플라스틱 봉은 15±5 rpm의 속도로 회전시키고, 증착전 챔버의 초기 진공도는 5×10-4 Pa 이하를 유지하며, 순도 99 내지 99.999%의 아르곤을 스퍼터링 가스로 사용하고, 증착 공정 압력은 0.31±0.1 Pa로 설정하며, 흑연 타겟의 직류 파워 밀도는 25±5 W/㎠로 고정하고, 크롬 타겟의 직류 파워 밀도는 5±2 W/㎠로 고정하여 제작된 것일 수 있다. 상술한 수치범위는 우수한 물성의 크롬 도핑 탄소 코팅층을 제조하기 위해 최적으로 설정된 범위이다.
본 발명에서 크롬 도핑 탄소 코팅층의 성장속도는 73 내지 102 nm/min, 바람직하게는 87 내지 98 nm/min일 수 있다. 크롬 농도는 11.4 내지 23.5%, 바람직하게는 16 내지 21%일 수 있다. 표면 거칠기는 1.4 내지 3.6 nm, 바람직하게는 1.7 내지 2.5 nm일 수 있다. 마찰계수는 0.1 내지 0.4, 바람직하게는 0.15 내지 0.25일 수 있다. 경도는 16 내지 33 GPa, 바람직하게는 23 내지 30 GPa일 수 있다. 탄성계수는 180 내지 298 GPa, 바람직하게는 220 내지 270 GPa일 수 있다. 접촉각은 86 내지 110도, 바람직하게는 93 내지 100도일 수 있다. 비저항 최소값은 6.4×10-4 Ohm·cm일 수 있다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
[실시예]
1. 실험 방법
크롬 도핑 탄소 코팅층을 플라스틱 봉에 DC 비대칭 마그네트론 스퍼터링(UBMS) 장치를 통해 각각 약 4인치 직경의 크롬(99.95%) 및 순수(99.99%) 흑연 타켓을 사용하여 증착하였다. 크롬 도핑 탄소 코팅층의 증착 전에 플라스틱 봉을 아세톤, 메탄올 및 증류수로 각각 10분 동안 세척하였다. 기저 압력 및 작동 압력은 각각 5×10-4 Pa 및 0.31 Pa로 유지하였으며, 고순도 아르곤을 스퍼터링 가스로 이용하였다. 플라스틱 봉과 타겟까지의 거리는 6 cm로 고정하였으며, 균일한 증착을 위해 플라스틱 봉을 15 rpm의 속도로 일정하게 회전시켰다. 흑연 타겟의 직류 파워 밀도는 25 W/㎠, 크롬 타겟의 직류 파워 밀도는 5 W/㎠로 설정하였다. 크롬 도핑 탄소 코팅층은 0 내지 -300 V 범위의 다양한 음(negative)의 DC 바이어스(bias) 전압을 이용하여 두께 약 150 nm으로 증착하였다.
크롬 도핑 탄소 코팅층의 두께 및 표면 특성은 FESEM(field emission scanning electron microscope; XL-40aFEG, 10 kV) 및 AFM(atomic force microscope; NITECH, SPM 400, Si-DF40 팁을 이용한 접촉 모드에서 작동)을 이용하여 측정하였다. 구조 특성 평가는 라만 스펙트로스코피(Raman spectroscopy; JASCO, MRS-300; 532.01 nm의 여기 파장 및 3.5 mW의 레이저 파워)를 이용하여 수행하였다. 크롬 도핑 탄소 코팅층의 경도(hardness), 탄성계수(elastic modulus) 및 마찰계수(friction coefficient)는 나노-인덴터(MTS; Nano-indenter II), 스크래치 테스터(scratch tester; J&L Tech; JLST 022)(스크래치 스피드(v): 0.2 mm/s, 스크래치 거리: 10 mm)를 이용하여 각각 측정하였다. 표면 에너지는 물 접촉각 측정 장치(SEO 300A; 물 액적 3 ㎕)를 이용하여 측정하였다.
2. 결과 및 토의
음의 DC 바이어스 전압의 함수로서 크롬 도핑 탄소 코팅층의 성장속도를 측정한 결과, 전압이 0에서 -300 V로 증가할수록, 크롬 도핑 탄소 코팅층의 성장속도가 73 nm/min에서 102 nm/min로 증가하였다. 이 결과는 높은 DC 바이어스 전압이 플라즈마 밀도 증가에 따라 이온과 기체 분자의 충돌(collision)을 개선한 것을 나타낸다. 그 결과, 음의 DC 바이어스 전압이 증가할수록, 크롬 도핑 탄소 코팅층의 성장속도가 증가하였다.
도 3은 0 내지 -300 V의 음의 DC 바이어스 전압에서 플라스틱 봉에 제작된 크롬 도핑 탄소 코팅층의 표면 및 단면 FESEM 이미지를 나타낸다. 높은 음의 DC 바이어스 전압을 이용하여 성장된 크롬 도핑 탄소 코팅층은 표면에 큰 입자를 나타냈고 단면 이미지에서 더욱 콤팩트하고 선명한 칼럼 구조를 나타냈다. 따라서, 크롬 도핑 탄소 코팅층의 입자 및 칼럼 구조의 크기는 음의 DC 바이어스 전압이 증가할수록 증가하였다. 운동에너지의 개선은 DC 바이어스 전압을 증가시킴으로써 증가한 것으로 설명될 수 있다. 운동에너지의 증가는 코팅층 성장 중에 플라스틱 봉의 리스퍼터링(resputtering) 및 이온 충격(ion bombardment)의 향상에 기인하였다. 이러한 결과는 금속-도핑 탄소층의 결정화도와 관련되고, DC 바이어스 전압의 증가는 크롬 도핑 탄소 코팅층의 크롬 및 탄소 매트릭스의 결정화도 개선에 기여하였다.
도 4는 EDS(energy-dispersive X-ray spectroscopy)를 통해 측정된 탄소 및 크롬 농도를 나타낸다. DC 바이어스 전압이 증가함에 따라, 코팅층의 크롬 농도는 11.4%에서 23.5%로 증가하였다. 크롬 도핑 탄소 코팅층의 크롬 농도 증가는 코팅층 성장 중에 플라스틱 봉에 도달하는 이온화된 크롬 이온들의 증가와 관련될 수 있다.
다양한 DC 바이어스 전압을 이용하여 제작된 크롬 도핑 탄소 코팅층의 RMS(root mean square) 표면 거칠기 및 마찰계수를 측정한 결과, UBMS를 이용하여 증착된 크롬 도핑 탄소 코팅층은 매끄럽고 균일한 표면 형태를 가졌다. 그러나, DC 바이어스 전압이 증가함에 따라, RMS 표면 거칠기는 3.6 nm에서 1.4 nm로 급격히 감소하였다. 또한, DC 바이어스 전압이 증가함에 따라, 마찰계수도 감소하였다. 이러한 결과는 이온 충격 및 리스퍼터링의 결과로서 설명될 수 있다. 코팅층 성장 중에, 아르곤 및 크롬 이온들은 음의 DC 바이어스 전압으로 인해 코팅층 표면으로 충돌하였고, 높은 음의 DC 바이어스 전압은 이온 충격을 증가시켰다. 이온 충격은 코팅층의 표면 거칠기를 최소화하였고, 음의 DC 바이어스 전압은 코팅층에서 나노결정 형성 및 칼럼 구조의 진행에 기여하였다.
도 6은 다양한 음의 DC 바이어스 전압에서 증착된 크롬 도핑 탄소 코팅층의 탄성계수 및 경도 값을 나타낸다. 음의 DC 바이어스 전압이 증가할수록 코팅층의 경도 및 탄성계수가 증가하였고, 최대 경도 및 탄성계수는 각각 약 33 GPa 및 298 GPa이었다. 이러한 결과는 크롬 도핑 탄소 코팅층의 높은 경도 및 탄성계수가 인가된 DC 바이어스 전압 증가에 따라 강한 결합의 sp2 결합 클러스터에 관련됨을 나타낸다. 코팅층 표면에서 이온 충격 및 리스퍼터링의 증가는 코팅층에서 조밀 구조를 형성하는데 기여하였다. 따라서, 강력한 이온의 활성은 DC 바이어스 전압의 인가로 인해 증가하였고, 이로 인해 경도 및 탄성계수가 개선되었다.
다양한 음의 DC 바이어스 전압을 이용하여 제작된 크롬 도핑 탄소 코팅층의 라만 스펙트럼 및 G 피크 위치 변화 그리고 ID/IG 비율을 측정한 결과, 라만(Raman) 스펙트럼의 2개의 가우시안(Gaussian) 커브 피팅(fitting)은 크롬 도핑 탄소 코팅층의 라만 스펙트럼이 2개의 넓은 밴드, 즉 각각 약 1540 cm-1 및 1336 cm-1에서 흑연 G-밴드 및 무질서한(disordered) D-밴드로 구성됨을 나타낸다. 라만 스펙트럼의 가우시안 피팅의 결과는 음의 DC 바이어스 전압이 증가함에 따라 G-피크 위치가 더 높은 파수로 이동하였고 ID/IG 비율이 증가하였음을 나타낸다. 이것은 크롬 도핑 탄소 코팅층의 탄소 매트릭스에서 sp2 결합 분율 및 sp2 결합 클러스터 수의 증가와 관련된다. 그 결과, 높은 음의 DC 바이어스 전압으로 인한 이온 충격 에너지의 증가는 탄소층의 탄소 매트릭스에서 나노-크기의 sp2 결합 클러스터를 형성하였다.
도 5는 음의 DC 바이어스 전압을 증가시켜 제작된 크롬 도핑 탄소 코팅층의 비저항 및 표면 접촉각 변화를 나타낸다. -300 V DC 바이어스 전압에서의 접촉각 값은 약 110도이었고 0 V에서는 86도이었다. DC 바이어스 전압이 증가함에 따라 접촉각은 증가하였고, DC 바이어스 전압이 증가함에 따라 크롬 도핑 탄소 코팅층은 소수성 특성을 나타냈다. 이러한 결과는 크롬 도핑 탄소 코팅층에 인가된 음의 DC 바이어스 전압 증가로 유발된 충격 증가에 의해 설명될 수 있다. 따라서, 이온 충격의 증가는 표면 및 박막 구조를 변화시켰다. 그 결과, 높은 접촉각 값과 대응되는 크롬 도핑 탄소 코팅층의 소수성 특성은 sp2 결합 분율 증가로 인한 박막 표면 거칠기 감소와 관련된다. 도 5는 음의 DC 바이어스 전압의 함수로서 크롬 도핑 탄소 코팅층의 비저항을 나타낸다. 음의 DC 바이어스 전압이 증가함에 따라 크롬 도핑 탄소 코팅층의 비저항은 감소하였고, 최소값은 약 6.4×10-4 Ohm·cm이었다. 탄소계 막의 전도 특성은 탄소 매트릭스에서 흑연-같은 구조에 의존하는데, 이는 탄소 네트워크에서 sp2 결합 클러스터의 존재를 나타낸다.
3. 결론
크롬 도핑 탄소 코팅층은 실온에서 2개의 흑연 및 크롬 타켓을 이용하여 비대칭 마그네트론 스퍼터링 장치를 통해 제작되었다. 크롬 도핑 탄소 코팅층의 마찰, 구조 및 전기 특성에 미치는 음의 DC 바이어스 전압의 효과가 실험적으로 조사되었다. 모든 크롬 도핑 탄소 코팅층은 매끄럽고 균일한 표면을 나타냈고, 음의 DC 바이어스 전압이 증가함에 따라 탄소층의 단면은 더욱 콤팩트하고 선명한 칼럼 특징을 나타냈다. 음의 DC 바이어스 전압이 증가함에 따라 RMS 표면 거칠기는 감소하였고, 탄소층 표면 접촉각은 증가하였다. 음의 DC 바이어스 전압이 증가함에 따라 크롬 도핑 탄소 코팅층의 경도 및 탄성계수는 개선되었으며, 크롬 도핑 탄소 코팅층의 비저항은 감소하였고, 그 최소값은 약 6.4×10-4 Ohm·cm이었다. 이러한 결과는 인가된 음의 DC 바이어스 전압으로 인한 이온 충격 및 리스퍼터링과 관련된다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 지지대인 플라스틱 봉; 및
    플라스틱 봉에 형성된, 두께 150±50 nm인 크롬 도핑 탄소 코팅층; 및
    플라스틱 봉 및 크롬 도핑 탄소 코팅층 사이에 10±2 nm 두께의 탄소 접착층을 추가로 포함하며,
    상기 크롬 도핑 탄소 코팅층은 타켓으로 4±1인치 흑연과 크롬을 사용하고, 플라스틱 봉과 타겟까지의 거리는 6±2 cm로 고정하며, 플라스틱 봉은 15±5 rpm의 속도로 회전시키고, 증착전 챔버의 초기 진공도는 5×10-4 Pa 이하를 유지하며, 순도 99 내지 99.999%의 아르곤을 스퍼터링 가스로 사용하고, 증착 공정 압력은 0.31±0.1 Pa로 설정하며, 흑연 타겟의 직류 파워 밀도는 25±5 W/㎠로 고정하고, 크롬 타겟의 직류 파워 밀도는 5±2 W/㎠로 고정한 조건으로 비대칭 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 스퍼터링시켜서 성장속도 87 내지 98 nm/min로 크롬 도핑 탄소 코팅층을 증착 형성시킨 것이며,
    DC 바이어스 전압 -100V ~ -200V 조건으로 상기 스퍼터링 수행시, 크롬 도핑 탄소 코팅층은 크롬 농도 16 내지 21%, 표면 거칠기 1.7 내지 2.5 nm, 마찰계수 0.15 내지 0.25, 경도 23 내지 30 GPa, 탄성계수 220 내지 270 GPa, 접촉각 93 내지 100도 및 비저항 최소값이 6.4×10-4 Ohm·cm이고,
    상기 비대칭 마그네트론 스퍼터링 장치는
    챔버의 내부 중앙에는 플라스틱 봉이 홀더에 장착되고, 홀더는 회전 지그에 장착되며, 회전 지그는 챔버 상단에 설치된 모터에 의해 구동되고, 회전 지그의 회전에 의해 플라스틱 봉이 회전하며, 상기 챔버의 내부 좌측 벽에는 크롬 타켓이 장착되고, 크롬 타켓은 전원과 연결되며,
    상기 챔버의 내부 우측 벽에는 흑연 타켓이 장착되고, 흑연 타켓은 전자석 코일과 연결되며, 전자석 코일은 내부 전자석 코일과 2개의 외부 전자석 코일로 구성되고,
    상기 챔버의 하단에는 메인 밸브 및 고진공용 터보 펌프가 설치되고, 터보 펌프는 포어라인(foreline)과 연결되며, 포어라인에는 포어라인 밸브가 설치되고,
    상기 챔버의 우측 하부에는 러핑(roughing)라인이 연결되고, 러핑라인에는 러핑 밸브가 설치되며, 러핑라인의 말단부에는 저진공용 로터리 펌프가 설치되고,
    상기 포어라인과 러핑라인은 로터리 펌프 부근에서 합류하며,
    상기 챔버의 좌측 상부에는 스퍼터링 가스용 가스라인이 연결된 것을 특징으로 하는 크롬 도핑 탄소봉.
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