KR102094304B1 - 표면 처리 방법 및 이를 이용한 세라믹 구조물 - Google Patents
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Abstract
표면 처리 방법에 있어서, 모재에 제1 경도를 갖는 저경도 세라믹 코팅막을 형성하고, 상기 저경도 세라믹 코팅막의 상부 표면을 플라즈마 토치를 이용하여 플라즈마 처리하여, 상기 저경도 세라믹 코팅막의 상부를 상기 제1 경도보다 높은 제2 경도를 갖는 세라믹 코팅막으로 전환시킨다. 이어서, 상기 세라믹 코팅막의 상부 표면을 연마하여 그 상부 표면이 0.05 내지 1.00 ㎛의 표면 거칠기를 갖도록 한다.
Description
본 발명은 표면 처리 방법 및 이를 이용한 세라믹 구조물에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 플라즈마 처리 공정에 사용되는 모재의 표면을 처리하는 표면 처리 방법 및 상기 표면 처리 방법을 이용한 세라믹 구조물에 관한 것이다.
반도체 제조 공정에서 사용되는 CF4 및 SF6 등과 같은 불소 계열의 공정 가스를 이용하여 고효율을 위한 플라즈마를 이용하여 기판에 대한 공정이 수행되고 있다.
이때 상기 플라즈마에 노출된 부품에 대한 식각이 발생할 수 있다. 따라서 상기 부품의 수명이 단축될 수 있다. 또한 상기 부품이 공정 부산물을 포집하는 효과가 줄어드는 문제가 발생함으로써 상기 공정 부산물이 비산되어 공정 부분으로 함입되어 공정 처리재의 고장이 발생하는 문제점이 있다. 이에 세라믹, 알루미늄(Al), 쿼츠(Quartz), 아노다이징으로 구성되어 있는 모재에 Y2O3, Al2O3 등을 플라즈마 스프레이 코팅하여, 장비를 보호하고 높은 절연성과 적절한 표면 거칠기를 부여하여 반도체 공정을 안정화와 교체주기의 증가 효과를 가지게 되었다.
하지만, 점점 더 가혹해지는 공정 조건으로 인해 식각된 이물질과 공정 부산물들이 공정 처리재의 고장을 야기하는 것을 고려하여 상대적으로 우수한 플라즈마 대한 내식성을 갖는 표면 처리재가 요구되고 있다.
(특허 문헌1) KR10-0820987 B1
본 발명의 목적은 모재가 개선된 플라즈마 내식성을 갖도록 표면 처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 상기 표면 처리 방법을 이용하여 제조된 세라믹 구조물을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 표면 처리 방법에 있어서, 모재에 제1 경도를 갖는 저경도 세라믹 코팅막을 형성하고, 상기 저경도 세라믹 코팅막의 상부 표면을 플라즈마 토치를 이용하여 플라즈마 처리하여, 상기 저경도 세라믹 코팅막의 상부를 상기 제1 경도보다 높은 제2 경도를 갖는 고경도 세라믹 코팅막으로 전환시킨다. 이후, 상기 고경도 세라믹 코팅막의 상부 표면을 연마하여 그 상부 표면이 0.05 내지 1.00 ㎛의 표면 거칠기를 갖도록 한다. 여기서, 상기 제2 경도는 상기 제1 경도는 보다 20 내지 50% 높은 값을 갖는다. 또한, 상기 고경도 세라믹 코팅막은 1% 이하의 기공률을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 토치를 이용하여 플라즈마 처리하기 위하여, 상기 플라즈마 토치의 단부 및 상기 저경도 세라믹 코팅막 사이의 이격 거리를 3 내지 7㎝로 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 고경도 세라믹 코팅막으로 전환시키는 단계 이전, 상기 저경도 세라믹 코팅막에 대하여 1차 열처리 공정이 추가적으로 수행될 수 있다. 또한 상기 고경도 세라믹 코팅막의 상부 표면을 연마한 후 상기 고경도 세라믹 코팅막에 대하여 추가적으로 2차 열처리하는 공정이 추가적으로 수행될 수 있다. 여기서, 상기 1차 열처리 공정 및 상기 2차 열처리 공정은 상기 모재가 세라믹일 경우 100 내지 1,200℃의 온도 조건에서 수행되며, 상기 모재가 알루미늄 또는 쿼츠일 경우 100 내지 600℃의 온도 조건에서 수행될 수 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 표면 처리 방법에 있어서, 모재에 제1 경도를 갖는 저경도 세라믹 코팅막을 형성하고, 상기 저경도 세라믹 코팅막을 1차 열처리한다. 이어서, 상기 저경도 세라믹 코팅막의 상부 표면을 플라즈마 토치를 이용하여 플라즈마 처리하여, 상기 저경도 세라믹 코팅막의 상부를 상기 제1 경도보다 높은 제2 경도를 갖는 고경도 세라믹 코팅막으로 전환시킨다. 상기 고경도 세라믹 코팅막의 상부 표면을 연마한다.
여기서, 상기 고경도 세라믹 코팅막을 추가적으로 2차 열처리한다. 또한, 상기 모재에 대하여 블라스트 처리하는 공정이 더 수행될 수 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 세라믹 구조물은 모재, 상기 모재 상에 형성되며, 제1 경도를 갖는 저경도 세라믹 코팅막 및 상기 저경도 세라믹 코팅막 상에 형성되며 상기 제1 경도보다 20 내지 50% 높은 제2 경도를 갖고, 0.05 내지 1.00㎛의 표면 거칠기를 갖는 고경도 세라믹 코팅막을 포함한다. 여겨서, 상기 고경도 세라믹 코팅막은 상기 저경도 세라믹 코팅으로부터 플라즈마 토치 처리 공정을 통하여 변환될 수 있다. 또한, 상기 모재 및 상기 저경도 세라믹 코팅막 사이의 밀착력이 10MPa 이상일 수 있다. 그리고 상기 고경도 세라믹 코팅막은 1%이하의 기공률을 가질 수 있다. 여기서, 상기 저경도 세라믹 코팅막 및 상기 고경도 세라믹 코팅막이 이트리아(Y2O3)로 이루어질 경우, 상기 제1 경도는 400 내지 450 HV를 가지며 상기 제2 경도는 540 내지 650 HV를 가지며, 상기 저경도 세라믹 코팅막 및 상기 고경도 세라믹 코팅막이 알루미늄 산화물(Al2O3)로 이루어질 경우, 상기 제1 경도는 700 내지 750 HV를 가지며 상기 제2 경도는 850 내지 960 HV를 가지며, 상기 저경도 세라믹 코팅막 및 상기 고경도 세라믹 코팅막이 YAG로 이루어질 경우, 상기 제1 경도는 600 내지 650 HV를 가지며 상기 제2 경도는 780 내지 920 HV를 가질 수 있다. 또한, 상기 저경도 세라믹 코팅막은 50 내지 490㎛의 두께를 갖고 상기 고경도 세라믹 코팅막은 10 내지 50㎛의 두께를 가질 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 처리 방법에 있어서 플라즈마 토치를 이용하여 저경도 세라믹 코팅막의 상부 표면을 플라즈마 처리함으로써 저경도 세라믹 코팅막의 상부를 고경도를 갖는 고경도 세라믹 코팅막으로 변환시킬 수 있다. 따라서 상기 플라즈마 처리 공정은 상기 상부에 잔류하는 불안정한 입자를 제거하고 상부 내에 존재하는 미세 크랙을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 세라믹 코팅막이 증가된 경도 및 고밀도의 치밀한 조직을 가질 수 있다. 그리고, 고경도 세라믹 코팅막에 대한 연마 공정이 수행되어 표면 거칠기가 감소되어 상기 고경도 세라믹 코팅막이 플라즈마에 노출될 경우 상기 플라즈마와의 반응 면적이 감소될 수 있다. 따라서, 상기 고경도 세라믹 코팅막이 상기 플라즈마에 의하여 손상되는 현상이 억제될 수 있다. 한편, 상기 플라즈마 토치를 이용하여 상기 고경도 세라믹 코팅막을 형성하기 하기 전, 상기 저경도 세라믹 코팅막을 제1 온도에서 1차 열처리하는 공정이 추가적으로 수행되어 상기 모재 및 상기 저경도 세라믹 코팅막 사이의 밀착력이 증가할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 처리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 구조물을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 구조물을 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 표면 처리 방법 및 이를 이용한 세라믹 구조물에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
표면 처리 방법
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 처리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 처리 방법에 있어서, 먼저 모재를 준비한다(S110). 상기 모재는 세라믹, 알루미늄(Al) 또는 쿼츠(quartz)로 이루어질 수 있다.
이어서, 상기 모재 상에 저경도 세라믹 코팅막을 형성한다(S130). 상기 저경도 세라믹 코팅막은 예를 들면 이트리아(Y2O3), YAG(yttrium-aluminium garnet), 지르코늄산화물(ZrO2), 알루미늄 산화물, Gd2O3, Yb2O3, YF3 또는 이들 중 적어도 두 개의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 저경도 세라믹 코팅막은 대기 플라즈마 스프레이(Atmospheric Plasma Spray; APS) 코팅 공정으로 형성될 수 있다.
상기 대기 플라즈마 스프레이 코팅 공정에 있어서, 가스를 공급하는 노즐의 단부 및 모재 사이의 이격 거리는 8 내지 18cm 로 조절될 수 있다. 상기 이격 거리가 8cm 미만의 경우, 플라즈마 열원에 모재가 충분한 시간 동안 노출되지 못한 상태에서 세라믹 분말이 모재와 충돌하게 되어 비용융 상태의 세라믹 분말이 모재의 표면에 증착하여 상기 저경도 세라믹 코팅막 내의 기공률이 증가하는 문제가 발생하는 반면에, 상기 이격 거리가 18cm 초과의 경우, 플라즈마에 의하여 용융된 세라믹 분말이 용융된 상태에서 상기 모재에 도달하기까지 열 손실이 발생함에 따라 코팅 증착율이 악화되고 나아가 접착력이 감소하는 문제가 발생할 수 있다.
상기 저경도 세라믹 코팅막은 100 내지 500㎛의 두께로 형성될 수 있다. 상기 저경도 세라믹 코팅막이 100㎛ 미만의 두께를 가질 경우, 상기 세라믹 구조물을 포함하는 플라즈마 식각 장치를 이용하여 플라즈마 식각 공정이 수행될 경우 상기 저경도 세라믹 코팅막이 식각되어 모재의 노출이 발생할 수 있다. 한편, 상기 저경도 세라믹 코팅막이 500㎛ 초과의 두께를 가질 경우 저경도 세라믹 코팅막 내에 존재하는 상대적으로 높은 잔류 응력에 의해 모재에 대한 접착력이 감소되어 후속하는 플라즈마 토치 공정에서 상기 저경도 세라믹 코팅막이 모재로부터 박리될 수 있으며, 상기 세라믹 구조물이 지나치게 두꺼워져서 상기 플라즈마 식각 공정 중 플라즈마 체적의 변화가 발생하거나 균일성이 악화될 수 있다.
상기 저경도 세라믹 코팅막은 제1 경도를 갖는다. 상기 저경도 세라믹 코팅막이 이트리아(Y2O3)를 포함할 경우, 상기 제1 경도는 예를 들면, 400 내지 450 HV(비커스 경도)를 가질 수 있다. 또한, 상기 저경도 세라믹 코팅막은 2 내지 10%의 기공률을 가질 수 있다. 또한, 상기 저경도 세라믹 코팅막은 2 내지 8 ㎛의 표면 거칠기를 가질 수 있다.
이어서, 상기 저경도 세라믹 코팅막의 상부 표면에 대하여 플라즈마 토치를 이용하여 플라즈마 처리하여 상기 저경도 세라믹 코팅막의 상부를 제2 경도를 갖는 고경도 세라믹 코팅막으로 변환시킨다(S150). 즉, 상기 플라즈마 처리 공정을 통하여 상기 저경도 세라믹 코팅막의 상부를 재용융시켜 상기 상부에 잔류하는 불안정한 입자를 제거하고 상부 내에 존재하는 미세 크랙을 감소시킬 수 있다.
여기서, 상기 저경도 세라믹 코팅막 및 상기 고경도 세라믹 코팅막은 상호 동일한 물질로 이루어 짐에도 불구하고 상기 제2 경도는 상기 제1 경도보다 높다. 예를 들면, 상기 저경도 세라믹 코팅막 및 상기 고경도 세라믹 코팅막이 이트리아(Y2O3)로 이루어질 경우, 상기 제1 경도는 400 내지 450 HV를 가질 경우 상기 제2 경도는 540 내지 650 HV를 가질 수 있다. 상기 저경도 세라믹 코팅막 및 상기 고경도 세라믹 코팅막이 알루미늄 산화물(Al2O3)로 이루어질 경우, 상기 제1 경도는 700 내지 750 HV를 가질 경우 상기 제2 경도는 850 내지 960 HV를 가질 수 있다. 또한, 상기 저경도 세라믹 코팅막 및 상기 고경도 세라믹 코팅막이 YAG로 이루어질 경우, 상기 제1 경도는 600 내지 650 HV를 가질 경우 상기 제2 경도는 780 내지 920 HV를 가질 수 있다.
따라서, 플라즈마 토치를 이용한 플라즈마 처리 공정을 통하여 상기 제2 경도는 상기 제1 경도보다 약 20 내지 50% 범위에서 높은 값을 가질 수 있다. 상기 제2 경도는 상기 제1 경도 대비 20 % 미만의 높은 값을 가질 경우, 상기 고경도 세라믹 코팅막에 대한 내식성의 개선 효과가 적다. 한편, 상기 제2 경도는 상기 제1 경도 대비 50 % 초과의 높은 값을 가질 경우, 과도한 플라즈마 처리로 인하여 상기 고경도 세라믹 코팅막 및 상기 저경도 세라믹 코팅막 간의 응력차 증가로 인하여 상기 고경도 세라믹 코팅막 또는 상기 저경도 세라믹 코팅막에 크랙이 발생할 수 있다.
상기 고경도 세라믹 코팅막은 고밀도의 치밀한 조직을 가질 수 있다. 즉, 상기 플라즈마 처리 공정에 있어서, 상기 고경도 세라믹 코팅막은 1% 이하의 기공률을 가질 수 있다. 상기 고경도 세라믹 코팅막은 1% 초과의 기공률을 가질 경우, 상기 고경도 세라믹 코팅막은 상기 기공에 의하여 증가된 표면적을 가짐에 따라 내식성 향상의 효과가 저하될 수 있다.
또한, 상기 고경도 세라믹 코팅막은 2 내지 5 ㎛의 표면 거칠기를 가질 수 있다. 따라서, 상기 고경도 세라믹 코팅막이 증가된 경도 및 고밀도의 치밀한 조직을 가짐에 따라 상기 고경도 세라믹 코팅막이 플라즈마에 노출될 경우 상기 고경도 세라믹 코팅막에 대한 플라즈마 손상이 억제될 수 있다. 또한, 상기 고경도 세라믹 코팅막은 10 내지 50㎛의 두께를 가질 수 있으며, 반면에 상기 플라즈마 처리 공정을 통하여 상기 저경도 세라믹 코팅막은 50 내지 490㎛의 두께로 감소할 수 있다.
상기 고경도 세라믹 코팅막이 10㎛ 미만의 두께를 갖도록 플라즈마 토치 처리 공정이 수행될 경우, 단계 S130에서 형성된 저경도 세라믹 코팅막이 상대적으로 높은 표면 거칠기를 갖기 때문에 저경도 세라믹 코팅막 및 상기 플라즈마 토치 간의 이격 거리가 일정하지 않아 상기 저경도 세라믹 코팅막의 상부 표면이 부분적으로 용융되지 않을 수 있다. 따라서, 세라믹 구조물이 불균일한 두께의 고경도 세라믹 코팅막을 가짐으로써 균일하고 우수한 내플라즈마 특성을 갖는 세라믹 구조물을 구현할 수 없다. 한편, 상기 고경도 세라믹 코팅막이 50㎛ 초과의 두께를 갖도록 가혹한 조건하에서 플라즈마 토치 처리 공정이 필요하며, 이로써 상기 저경도 세라믹 코팅막 및 상기 고경도 세라믹 코팅막의 계면에 존재하는 잔류 응력이 크게 증가함에 따라 상기 고경도 세라믹 코팅막이 상기 저경도 세라믹 코팅막으로부터 박리될 수 있다.
상기 플라즈마 처리 공정에 있어서, 공급 가스는 아르곤 가스, 헬륨 가스, 질소 가스 또는 수소 가스를 포함할 수 있다. 또한, 상기 플라즈마를 발생시키기 위한 전류는 약 600 A로 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 처리 공정은 상기 플라즈마 토치의 단부 및 상기 저경도 세라믹 코팅막의 상부 표면 간의 이격 거리는 3 내지 7㎝로 유지될 수 있다. 특히, 상기 이격 거리는 4㎝일 수 있다. 상기 이격 거리가 3㎝ 미만일 경우, 상기 플라즈마 토치로부터 발생하는 플라즈마에 대하여 상기 모재가 직접적으로 노출되어 변형이 발생할 수 있으며 또한 플라즈마 열원이 저경도 세라믹 코팅막 및 모재 사이의 계면에 충격을 가하여 상기 저경도 세라믹 코팅막이 상기 모재로부터 박리될 수 있다. 반면에, 상기 이격 거리가 7㎝를 초과할 경우, 상기 플라즈마 토치로부터 발생하는 플라즈마 열원이 상기 저경도 세라믹 코팅막의 상부에 효과적으로 도달되지 못함으로써 상기 저경도 세라믹 코팅막에 대한 경도 개선의 효과가 저하될 수 있다.
이어서, 상기 고경도 세라믹 코팅막의 상부 표면을 연마하여 그 상부 표면이 0.05 내지 1.00 ㎛의 표면 거칠기를 가질 수 있도록 한다(S160). 상기 연마 공정을 통하여 표면 거칠기가 감소되어 상기 고경도 세라믹 코팅막이 플라즈마에 노출될 경우 상기 플라즈마와의 반응 면적이 감소될 수 있다. 따라서, 상기 고경도 세라믹 코팅막이 상기 플라즈마에 의하여 손상되는 현상이 억제될 수 있다.
상기 고경도 세라믹 코팅막이 0.05 ㎛ 미만의 표면 거칠기를 갖도록 연마할 경우, 상기 연마 공정에 필요한 시간 및 비용이 지나치게 증가하고 상기 고경도 세라믹 코팅막에 손상이 발생할 수 있다. 한편, 상기 고경도 세라믹 코팅막이 1 ㎛ 초과의 표면 거칠기를 갖도록 연마할 경우, 상기 고경도 세라믹 코팅막의 표면적이 지나치게 넓어 플라즈마에 노출되는 공정에서 손상이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 토치를 이용하여 상기 고경도 세라믹 코팅막을 형성하기 하기 전, 상기 저경도 세라믹 코팅막을 제1 온도에서 1차 열처리하는 공정이 추가적으로 수행될 수 있다(S140). 상기 1차 열처리 공정이 수행됨에 따라 상기 모재 및 상기 저경도 세라믹 코팅막 사이의 밀착력이 증가할 수 있다. 예를 들면 상기 1차 열처리 공정이 수행되기 전 상기 모재 및 상기 저경도 세라믹 코팅막 사이의 밀착력은 약 8MPa일 경우, 상기 1차 열처리 공정이 수행된 후 상기 밀착력은 약 10 내지 11MPa로 증가할 수 있다. 이로써 후속하여 상기 고경도 세라믹 코팅막에 대한 연마 공정이 수행될 경우, 상기 모재로부터 상기 저경도 세라믹 코팅막이 박리되는 것이 억제될 수 있다. 또한, 만약 상기 1차 열처리 공정 이전 상기 플라즈마 토치 처리 공정이 수행에 될 경우 상기 저경도 세라믹 코팅막의 표면에 집중적으로 열이 가해짐에 따라 모재 및 저경도 세라믹 코팅막 사이의 열팽창의 차이로 인하여 상기 세라믹 코팅막에 크랙이 발생할 수 있으나, 본 발명의 실시예들과 같이 상기 플라즈마 토치 처리 공정 이전에 상기 1차 열처리 공정이 수행되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 1차 열처리 공정 및 플라즈마 토치 처리 공정 후에 연마 공정이 수행됨에 따라 상기 고경도 세라믹 코팅층이 플라즈마 토치 처리 공정에서의 플라즈마에 의한 증가된 표면 거칠기가 감소될 수 있다.
한편, 상기 제1 온도는 상기 모재 및 상기 저경도 세라믹 코팅막의 특성 변화가 발생하지 않는 조건 하에서 상대적으로 고온에 해당할 수 있다. 상대적으로 높은 고온의 상기 제1 온도 하에서 상기 모재 및 상기 저경도 세라믹 코팅막이 상기 제1 온도에서 팽창 및 수축 현상이 발생함에 따라 상기 모재 및 상기 저경도 세라믹 코팅막 사이의 계면에 앵커(Anchor) 효과가 발생함으로써 상기 모재 및 상기 저경도 세라믹 코팅막의 밀착력이 증가할 수 있다.
예를 들면, 상기 모재가 세라믹으로 이루어질 경우 상기 제1 온도는 100 내지 1,200℃의 범위일 수 있으며, 바람직하게 제1 온도는 1,100℃일 수 있다. 이 경우, 상기 제1 온도가 1,200℃를 초과할 경우, 열에 의한 소결 현상이 발생하여 모재에 크랙과 같은 파손이 발생할 수 있는 반면에, 상기 제1 온도가 100℃ 미만일 경우, 상기 모재 및 상기 저경도 세라믹 코팅막에 대한 열팽창이 거의 발생하지 않으므로 밀착력이 개선되지 않는다.
한편, 상기 모재가 알루미늄 또는 쿼츠로 이루어질 경우 상기 제1 온도는 100 내지 600℃의 범위일 수 있다. 또한 상기 1차 열처리 공정은 예를 들면 1 내지 10 시간동안 수행될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 온도가 600℃를 초과할 경우, 모재의 변형 또는 파손과 같은 손상이 발생할 수 수 있는 반면에, 상기 제1 온도가 100℃ 미만일 경우, 상기 모재 및 상기 저경도 세라믹 코팅막에 대한 열팽창이 거의 발생하지 않으므로 밀착력이 개선되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 고경도 세라믹 코팅막에 대한 연마 공정 후 상기 고경도 세라믹 코팅막을 제2 온도에서 2차 열처리하는 공정이 추가적으로 수행될 수 있다. 상기 플라즈마 토치 처리 공정에서 상기 플라즈마에 노출된 부분과 미노출된 부분에서의 수축 및 팽창의 차이로 인하여 잔류 응력이 발생할 수 있으므로 상기 제2 열처리 공정은 상기 플라즈마 토치 공정에서 발생할 수 있는 결합력의 감소를 개선할 수 있으며 나아가, 상기 고경도 세라믹 코팅막의 표면 에너지를 감소시켜 상기 표면을 안정화 시킬 수 있다. 또한 상기 2차 열처리 공정은 예를 들면 1 내지 10 시간동안 수행될 수 있다.
예를 들면, 상기 모재가 세라믹으로 이루어질 경우 상기 제2 온도는 100 내지 1,200℃의 범위일 수 있으며, 바람직하게 제2 온도는 1,100℃일 수 있다. 이 경우, 상기 제2 온도가 1,200℃를 초과할 경우, 열에 의한 소결 현상이 발생하여 모재에 크랙과 같이 파손이 발생할 수 있는 반면에, 상기 제2 온도가 100℃ 미만일 경우, 상기 모재 및 상기 저경도 세라믹 코팅막에 대한 열팽창이 거의 발생하지 않으므로 감소된 결합력이 개선되지 않는다.
한편, 상기 모재가 알루미늄 또는 쿼츠로 이루어질 경우 상기 제2 온도는 100 내지 600℃의 범위일 수 있다. 이 경우, 상기 제2 온도가 600℃를 초과할 경우, 모재의 변형 또는 파손과 같은 손상이 발생할 수 있는 반면에, 상기 제2 온도가 100℃ 미만일 경우, 상기 모재 및 상기 저경도 세라믹 코팅막에 대한 열팽창이 거의 발생하지 않으므로 감소된 결합력이 개선되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 모재에 대하여 블라스트 처리하는 전처리 공정이 추가적으로 수행될 수 있다(S120). 상기 블라스트 처리 공정을 통하여 상기 모재는 2 내지 8㎛의 표면 거칠기를 가질 수 있다.
세라믹 구조물
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 구조물을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 구조물(100)은 모재(110), 저경도 세라믹 코팅막(120) 및 고경도 세라믹 코팅막(130)을 포함한다. 상기 세라믹 구조물(100)은 플라즈마를 이용한 처리 공정, 예를 들면, 플라즈마 식각 장치, 플라즈마 증대 화학기상증착 장치 등에 적용될 수 있다.
상기 모재(110)는 세라믹, 알루미늄(Al) 및 쿼츠(quartz) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 저경도 세라믹 코팅막(120)은 상기 모재(110) 상에 형성된다. 상기 저경도 세라믹 코팅막(120)은 400 내지 450 Hv 범위의 제1 경도를 갖는다. 또한, 상기 저경도 세라믹 코팅막(120)은 2 내지 10%의 기공률을 가질 수 있다. 또한, 상기 저경도 세라믹 코팅막(120)은 2 내지 8 ㎛의 표면 거칠기를 가질 수 있다. 상기 저경도 세라믹 코팅막(120)은 50 내지 490 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 저경도 세라믹 코팅막(120)은 예를 들면 이트리아(Y2O3), YAG(yttrium-aluminium garnet), 지르코늄산화물(ZrO2), 알루미늄 산화물, Gd2O3, Yb2O3, YF3 또는 이들 중 적어도 두 개의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 저경도 세라믹 코팅막(120)은 대기 플라즈마 스프레이(Atmospheric Plasma Spray; APS) 코팅 공정으로 상기 모재(110) 상에 형성될 수 있다.
상기 고경도 세라믹 코팅막(130)은 상기 저경도 세라믹 코팅막(120) 상에 형성된다. 상기 고경도 세라믹 코팅막(130)은 상기 제1 경도보다 높은 제2 경도를 갖는다. 또한, 상기 고경도 세라믹 코팅막(130)은 10 내지 50㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 저경도 세라믹 코팅막(120) 및 상기 고경도 세라믹 코팅막(130)이 이트리아(Y2O3)로 이루어질 경우, 상기 제1 경도는 400 내지 450 HV를 가지며 상기 제2 경도는 540 내지 650 HV를 가질 수 있다. 한편, 상기 저경도 세라믹 코팅막(120) 및 상기 고경도 세라믹 코팅막(130)이 알루미늄 산화물(Al2O3)로 이루어질 경우, 상기 제1 경도는 700 내지 750 HV를 가지며 상기 제2 경도는 850 내지 960 HV를 가질 수 있다. 또한, 상기 저경도 세라믹 코팅막(120) 및 상기 고경도 세라믹 코팅막(130)이 YAG로 이루어질 경우, 상기 제1 경도는 600 내지 650 HV를 가지며 상기 제2 경도는 780 내지 920 HV를 가질 수 있다.
즉, 상기 제2 경도는 상기 제1 경도보다 약 20 내지 50% 범위에서 높은 값을 가질 수 있다. 상기 제2 경도는 상기 제1 경도 대비 20 % 미만의 높은 값을 가질 경우, 상기 고경도 세라믹 코팅막에 대한 내식성의 개선 효과가 적다. 한편, 상기 제2 경도는 상기 제1 경도 대비 50 % 초과의 높은 값을 가질 경우, 과도한 플라즈마 처리로 인하여 상기 고경도 세라믹 코팅막 및 상기 저경도 세라믹 코팅막 간의 응력차 증가로 인하여 상기 고경도 세라믹 코팅막 또는 상기 저경도 세라믹 코팅막에 크랙이 발생할 수 있다.
한편, 상기 고경도 세라믹 코팅막(130)은 상기 저경도 세라믹 코팅막(120)의 상부로부터 플라즈마 토치 처리 공정을 통하여 변환될 수 있다. 상기 플라즈마 토치 처리 공정을 통하여 상기 저경도 세라믹 코팅막(120)의 상부를 재용융시켜 상기 고경도 세라믹 코팅막(130)이 형성된다. 상기 고경도 세라믹 코팅막(130)은 상기 상부에 잔류하는 불안정한 입자가 제거하고 상부 내에 존재하는 미세 크랙이 감소된 고경도를 가질 수 있다.
또한, 상기 고경도 세라믹 코팅막(130)은 1%이하의 기공률을 가질 수 있다. 상기 고경도 세라믹 코팅막은 1% 초과의 기공률을 가질 경우, 상기 고경도 세라믹 코팅막은 상기 기공에 의하여 증가된 표면적을 가짐에 따라 내식성 향상의 효과가 저하될 수 있다.
따라서, 상기 고경도 세라믹 코팅막(130)이 증가된 경도 및 고밀도의 치밀한 조직을 가짐에 따라 상기 고경도 세라믹 코팅막(130)이 플라즈마에 노출될 경우 상기 고경도 세라믹 코팅막(130)에 대한 플라즈마 손상이 억제될 수 있다.
상기 고경도 세라믹 코팅막(130)은 상기 플라즈마 토치 처리 공정을 통해 2 내지 5 ㎛의 중심선평균값(Ra; center line average), 13 내지 28 ㎛의 십점평균값(ten point median height; Rz), 2.5 내지 6.5의 Ra의 평균값(RMS; Rq) 및 8-40 ㎛의 최대거칠기값(maximum peak to valley roughness height; Ry)에 해당하는 조도를 가질 수 있다.
나아가, 상기 고경도 세라믹 코팅막(130)의 상부 표면에 대하여 추가적으로 연마 공정이 수행될 경우 상기 고경도 세라믹 코팅막(130)은 0.05 내지 1.00 ㎛의 중심선평균값(Ra; center line average), 5 내지 8 ㎛의 십점평균값(ten point median height; Rz), 1.0 내지 1.5의 Ra의 평균값(RMS; Rq) 및 2-4 ㎛의 최대거칠기값(maximum peak to valley roughness height; Ry)에 해당하는 조도를 가질 수 있다.
여기서, 상기 고경도 세라믹 코팅막이 2 ㎛ 미만의 최대거칠기값(Ry)을 갖도록 연마할 경우, 상기 고경도 세라믹 코팅막에 손상이 발생할 수 있다. 한편, 상기 고경도 세라믹 코팅막이 4 ㎛ 초과의 최대거칠기값(Ry)을 갖도록 연마할 경우, 상기 고경도 세라믹 코팅막의 표면적이 지나치게 넓어 플라즈마에 노출되는 공정에서 손상이 발생하여 파티클이 발생할 수 있다.
상기 고경도 세라믹 코팅막(130)은 상대적으로 낮은 표면 거칠기를 가짐에 따라 상기 세라믹 구조물(100)이 플라즈마에 노출될 경우 상기 플라즈마와의 반응 면적이 감소될 수 있다. 따라서, 상기 세라믹 구조물(100)이 상기 플라즈마에 의하여 손상되는 현상이 억제될 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 처리 방법 및 세라믹 구조물에 따르면, 플라즈마 토치를 이용하여 저경도 세라믹 코팅막을 플라즈마 처리함으로써 저경도 세라믹 코팅막의 상부를 고경도를 갖는 세라믹 코팅막으로 변환시킬 수 있다. 따라서 상기 플라즈마 처리 공정은 상기 상부에 잔류하는 불안정한 입자를 제거하고 상부 내에 존재하는 미세 크랙을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 세라믹 코팅막이 증가된 경도 및 고밀도의 치밀한 조직을 가질 수 있다. 그리고, 세라믹 코팅막에 대한 연마 공정이 수행되어 표면 거칠기가 감소되어 상기 세라믹 코팅막이 플라즈마에 노출될 경우 상기 플라즈마와의 반응 면적이 감소될 수 있다. 따라서, 상기 세라믹 코팅막이 상기 플라즈마에 의하여 손상되는 현상이 억제될 수 있다. 한편, 상기 플라즈마 토치를 이용하여 상기 세라믹 코팅막을 형성하기 하기 전, 상기 저경도 세라믹 코팅막을 제1 온도에서 1차 열처리하는 공정이 추가적으로 수행되어 상기 모재 및 상기 저경도 세라믹 코팅막 사이의 밀착력이 증가할 수 있다.
Claims (16)
- 모재에 대기 플라즈마 스프레이(Atomspheric Plasma spray; APS) 코팅 공정을 통하여 제1 경도를 갖는 저경도 세라믹 코팅막을 형성하는 단계;
상기 저경도 세라믹 코팅막의 상부 표면을 플라즈마 토치를 이용하여 플라즈마 처리하여, 상기 저경도 세라믹 코팅막의 상부를 상기 제1 경도보다 높은 제2 경도를 갖는 고경도 세라믹 코팅막으로 전환시키는 단계; 및
상기 고경도 세라믹 코팅막의 상부 표면을 연마하여 그 상부 표면이 0.05 내지 1.00 ㎛의 표면 거칠기를 갖도록 하는 단계를 포함하는 표면 처리 방법. - 제1항에 있어서, 상기 제2 경도는 상기 제1 경도보다 20 내지 50% 높은 값을 갖는 것을 특징으로 하는 표면 처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 고경도 세라믹 코팅막은 1% 이하의 기공률을 갖는 것을 특징으로 하는 표면 처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 토치를 이용하여 플라즈마 처리하는 단계는 상기 플라즈마 토치의 단부 및 상기 저경도 세라믹 코팅막 사이의 이격 거리를 3 내지 7㎝로 조절되는 것을 특징으로 하는 표면 처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 고경도 세라믹 코팅막으로 전환시키는 단계 이전, 상기 저경도 세라믹 코팅막을 1차 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 처리 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 고경도 세라믹 코팅막의 상부 표면을 연마한 후, 상기 고경도 세라믹 코팅막을 추가적으로 2차 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 처리 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 1차 열처리하는 단계 및 상기 2차 열처리하는 단계는 상기 모재가 세라믹일 경우 100 내지 1,200℃의 온도 조건에서 수행되며, 상기 모재가 알루미늄 또는 쿼츠일 경우 100 내지 600℃의 온도 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 표면 처리 방법.
- 모재에 대기 플라즈마 스프레이(Atomspheric Plasma spray; APS) 코팅 공정을 통하여 제1 경도를 갖는 저경도 세라믹 코팅막을 형성하는 단계;
상기 저경도 세라믹 코팅막을 1차 열처리하는 단계;
상기 저경도 세라믹 코팅막의 상부 표면을 플라즈마 토치를 이용하여 플라즈마 처리하여, 상기 저경도 세라믹 코팅막의 상부를 상기 제1 경도보다 높은 제2 경도를 갖는 고경도 세라믹 코팅막으로 전환시키는 단계; 및
상기 고경도 세라믹 코팅막의 상부 표면을 연마하는 단계를 포함하는 표면 처리 방법. - 제8항에 있어서, 상기 연마된 고경도 세라믹 코팅막을 2차 열처리하는 단계를 더 포함하는 표면 처리 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 모재에 블라스트 처리하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 처리 방법.
- 모재;
상기 모재 상에 형성되며, 제1 경도를 갖는 저경도 세라믹 코팅막; 및
상기 저경도 세라믹 코팅막 상에 형성되며 상기 제1 경도보다 20 내지 50% 높은 제2 경도를 갖고, 0.05 내지 1.00㎛의 표면 거칠기를 갖는 고경도 세라믹 코팅막을 포함하는 세라믹 구조물. - 제11항에 있어서, 상기 모재 및 상기 저경도 세라믹 코팅막 사이의 밀착력이 10MPa 이상인 것을 특징으로 하는 세라믹 구조물.
- 제11항에 있어서, 상기 고경도 세라믹 코팅막은 상기 저경도 세라믹 코팅으로부터 플라즈마 토치 처리 공정을 통하여 변환된 것을 특징으로 하는 세라믹 구조물.
- 제11항에 있어서, 상기 고경도 세라믹 코팅막은 1%이하의 기공률을 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹 구조물.
- 제11항에 있어서, 상기 저경도 세라믹 코팅막 및 상기 고경도 세라믹 코팅막이 이트리아(Y2O3)로 이루어질 경우, 상기 제1 경도는 400 내지 450 HV를 가지며 상기 제2 경도는 540 내지 650 HV를 가지며, 상기 저경도 세라믹 코팅막 및 상기 고경도 세라믹 코팅막이 알루미늄 산화물(Al2O3)로 이루어질 경우, 상기 제1 경도는 700 내지 750 HV를 가지며 상기 제2 경도는 850 내지 960 HV를 가지며, 상기 저경도 세라믹 코팅막 및 상기 고경도 세라믹 코팅막이 YAG로 이루어질 경우, 상기 제1 경도는 600 내지 650 HV를 가지며 상기 제2 경도는 780 내지 920 HV를 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹 구조물.
- 제11항에 있어서, 상기 저경도 세라믹 코팅막은 50 내지 490㎛의 두께를 갖고, 상기 고경도 세라믹 코팅막은 10 내지 50㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹 구조물.
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