KR102284890B1 - 적외선 광학렌즈 보호용 ta-C 보호막 및 이의 코팅방법 - Google Patents

적외선 광학렌즈 보호용 ta-C 보호막 및 이의 코팅방법 Download PDF

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Abstract

적외선 광학렌즈 보호용 ta-C(tetrahedral amorphous carbon) 보호막으로서, Si가 4 at% 내지 20 at% 도핑된 ta-C 보호막이 개시된다. 본 발명의 일 측면에서 제공되는 ta-C 보호막은 경도 및 마찰계수가 향상되며, 응력이 감소되어 두꺼운 후막으로 형성될 수 있으며, 적외선 투과도가 향상되는 효과가 있다.

Description

적외선 광학렌즈 보호용 ta-C 보호막 및 이의 코팅방법{ta-C protective film for infrared optical lens protection and its coating method}
본 발명은 적외선 광학렌즈 보호용 ta-C 보호막 및 이의 코팅방법에 관한 것이다.
다이아몬드상 카본(Diamond-like carbon, 이하 DLC라 한다) 박막은 높은 경도, 내마모성, 윤활성, 평활한 표면조도 등의 뛰어난 기계적 특성과 전기절연성, 화학적 안정성 그리고 높은 광학적 투과성을 갖고 있어 산업적으로 다양하게 사용되고 있다.
현재까지 대부분의 탄소계 박막은 반응기체로서 탄화수소계를 사용하는 RF-CVD, 스퍼터링 및 이온빔 증착 공정이 주를 이루고 있고, 아르곤과 아세틸렌 가스 등을 이용하여 DLC를 코팅하는 장치가 국내 공개특허 제10-2011-0115291호에 게시되어 있다.
그런데, 이러한 DLC 형성 방식은 수소의 영향에 의한 박막의 물성변화를 초래하므로 최근에는 고체상의 카본을 이용하여 수소가 함유되지 않은 박막의 코팅에 관심이 증대되고 있다. DLC에서 수소 함유는 큰 문제점의 하나로 수소 함유를 원천적으로 배제한다는 것은 큰 의미를 가진다.
CVD나 PVD와 같은 종래의 화학적, 물리적 증착방법은 수소 함유와 상관없이 적외선 투과율이 평균 10% 정도 감소하며, 보호막의 경도가 높지 않다는 단점이 있다. 또한, 도 1에 나타난 바와 같이 부착력과 광학특성을 고려하여 다층 구조로 형성되므로 막이 두껍고(1 ㎛ 이상) 코팅공정이 복잡해져 공정효율이 감소된다.
이와 달리 진공아크증착법은 다른 물리적 증착방법에 비해 발생되는 이온의 에너지가 높고, 이온화율이 높으며 또한 이온 플럭스(flux)가 높기 때문에 sp3/sp2 분율이 높아 다이아몬드에 가까운 높은 경도와 밀도를 가지며, 기판과의 부착력이 좋고 투과성이나 굴절률 등의 광학적 특성이 우수하며, 열적 안정성이 높은 DLC 박막을 증착할 수 있다. 또한, 단층으로 코팅이 가능하여 박막 형성이 가능하다. 진공아크증착법으로 증착된 DLC 박막을 비정질 다이아몬드 박막 또는 ta-C(tetrahedral amorphous carbon) 박막이라 부른다.
진공아크증착법은 카본 소스로 고상의 흑연을 사용하므로 수소함유를 원천적으로 방지할 수 있으며, 분위기 가스 주입을 통해 제 3의 원소를 쉽게 첨가할 수 있다는 장점을 갖는다.
그러나 진공아크증착법은 이온화된 입자 이외에도 비이온화된 마이크론 크기의 거대입자가 보호막으로 들어가 막질을 저하시키는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 자기장을 이용하여 거대입자를 여과하는 자장여과아크(filtered cathodic vacuum arc, FCVA) 방식의 진공아크증착법이 개발되었다.
한편, 렌즈와 같은 광학제품에는 표면에서 반사되어 소멸되는 빛의 양을 줄여 렌즈를 통과하는 빛의 양을 증대시키기 위해 표면에 무반사(AR; anti-reflection) 보호막이 형성된다. 이러한 무반사 보호막은 경도가 낮아 외부에 노출될 경우 쉽게 스크래치가 발생되는 문제점이 있다. 따라서 스크래치 방지를 위해 통상적으로 유리 소재의 커버가 사용되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2011-0115291호: DLC 코팅장치
본 발명의 일 측면에서의 목적은 우수한 광학적, 기계적 성질을 가지는 적외선 광학렌즈 보호용 ta-C 보호막 및 이의 코팅방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서
적외선 광학렌즈 보호용 ta-C(tetrahedral amorphous carbon) 보호막으로서,
Si가 4 at% 내지 20 at% 도핑된 ta-C 보호막이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 측면에서
적외선 광학렌즈 보호용 ta-C 보호막 코팅방법으로,
Si를 포함하는 기체를 공급하면서 상기 광학렌즈에 ta-C 보호막을 형성하는 단계를 포함하고, 형성된 ta-C 보호막은 Si가 4 at% 내지 20 at% 도핑된
적외선 광학렌즈 보호용 ta-C 보호막 코팅방법이 제공된다.
나아가, 본 발명의 또 다른 측면에서
상기 ta-C 보호막이 형성된 적외선 광학렌즈가 제공된다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 ta-C 보호막은 적외선 투과도가 향상되는 효과가 있으며, 경도 및 마찰계수가 향상되어 렌즈의 표면 스크래치 등이 줄어서 내구성이 향상되며, 응력이 감소되어 두꺼운 후막으로 형성될 수 있다
도 1은 본 발명의 일 실시예에서 ta-C 보호막을 형성하기 위하여 사용되는 자장여과아크 방식의 코팅장치를 나타낸 것이고,
도 2는 본 발명의 일 실험예에 따라, Si 함량에 따른 ta-C 보호막의 경도 변화를 나타낸 것이고,
도 3은 본 발명의 일 실험예에 따라, Si 함량에 따른 ta-C 보호막의 투과도 변화를 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명의 일 실험예에 따라, Si 함량에 따른 ta-C 보호막의 투과도 변화를 특정 파장대에서 확대하여 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명의 일 실험예에 따라, 상이한 기판에 따른 적외선 투과도 변화를 나타낸 것이고,
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실험예에 따라, Si 함량에 따른 ta-C 보호막의 마찰계수 변화를 나타낸 것이고,
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실험예에 따라, Si 함량에 따른 ta-C 보호막의 표면조도를 나타낸 것이고,
도 10은 본 발명의 일 실험예에 따라, Si 함량에 따른 ta-C 보호막의 표면 결함을 보여주는 이미지이고,
도 11은 본 발명의 일 실험예에 따라, Si 도핑된 ta-C 보호막의 열처리 후의 표면 결함을 보여주는 이미지이고,
도 12는 본 발명의 일 실험예에 따라, Si 함량에 따른 ta-C 보호막 표면의 산화철 발생여부를 확인할 수 있는 이미지이고,
도 13은 본 발명의 일 실험예에 따라, 자장여과가 없는 아크 방식으로 형성한 ta-C 보호막의 표면조도를 나타내는 이미지이고,
도 14는 본 발명의 일 실험예에 따라, 자장여과아크 방식으로 형성하되, TMS를 주입하지 않은 ta-C 보호막의 표면조도를 나타내는 이미지이고,
도 15는 본 발명의 일 실험예에 따라, 자장여과아크 방식으로 형성하며, TMS를 주입한 ta-C 보호막의 표면조도를 나타내는 이미지이다.
본 발명은 여러 변경을 가할 수 있으며 이에 따라 다양한 실시예가 나올 수 있는 바, 특정 실시예를 하단에 제시하고 상세하게 설명하고자 한다.
또한 특별히 정의가 되지 않은 본 명세서에서의 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자 모두에게 이해가 가능한 의미로 사용할 수 있을 것이다.
그러나 이는 본 발명은 하단에 기술될 특정한 실시예에만 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 다른 균등물과 변형 예들이 있을 수 있으며, 본 명세서에서 제시하는 실시예는 가장 바람직한 실시예일 뿐이다.
본 발명의 일 측면에서
적외선 광학렌즈 보호용 ta-C(tetrahedral amorphous carbon) 보호막으로서,
Si가 4 at% 내지 20 at% 도핑된 ta-C 보호막이 제공된다.
이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 ta-C 보호막을 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 ta-C 보호막은 Si(규소)이 4 at% 이상 도핑될 수 있으며, 바람직하게는 4 at% 내지 20 at% 도핑될 수 있고, 더 바람직하게는 6 at% 내지 20 at% 도핑될 수 있고, 더욱 바람직하게는 7 at% 내지 18 at% 도핑될 수 있다.
Si이 상기 함량으로 도핑될 경우, 응력 완화, 경도, 마찰 특성, 적외선 투과도 등의 효과가 충분히 개선될 수 있다는 점에서 바람직하다.
일 실시예에서, 상기 ta-C 보호막은 20 GPa 이상의 경도를 가질 수 있다.
즉, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 ta-C 보호막은 ta-C:Si 구조를 통하여 기존의 Si 함유된 DLC 막에 비하여 높은 경도를 가지므로, 향상된 내식성을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 ta-C 보호막은 0.6 ㎛ 내지 2.0 ㎛의 두께로 형성될 수 있다. 더 바람직하게는 0.7 ㎛ 내지 1.8 ㎛, 더욱 바람직하게는 0.8 ㎛ 내지 1.5 ㎛일 수 있다.
상기 두께가 0.6 ㎛ 이상인 경우, 우수한 내구성 특성을 확보할 수 있다는 점에서 바람직하고, 상기 두께가 2.0 ㎛ 이하인 경우, 응력을 충분히 제어하여 막 형성이 잘 이루어진다는 점에서 바람직하다.
상기 두께 범위로 막을 형성하기에는 내부 응력에 의하여 막 형성이 어렵다는 문제점이 있었으나, 본 발명에서는 Si을 도핑함으로써 내부 응력을 제어할 수 있는 바, 비교적 두꺼운 막을 형성할 수 있다.
또한, 상기 ta-C 보호막은 적외선 광학렌즈 보호용 ta-C 보호막일 수 있다.
상기 적외선 광학렌즈는 칼코지나이드 또는 저마늄 소재로 형성된 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 ta-C 보호막은 2 ㎛ 내지 12 ㎛ 파장의 적외선에 대하여 40% 이상의 투과율을 가질 수 있다.
보다 상세하게는 2.5 ㎛ 내지 3.5 ㎛ 및 6 ㎛ 내지 12 ㎛ 파장의 적외선에 대하여 50% 이상의 투과율을 가질 수 있다.
이에 따라, 적외선 광학렌즈에 상기 ta-C 보호막을 코팅하여 적외선 투과도를 향상시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 ta-C 보호막은 Si 도핑에 의하여 굴절률이 변화할 수 있다. 상기 굴절률은 1 내지 3일 수 있고, 보다 상세하기는 1.3 내지 2.5일 수 있다.
상기 ta-C 보호막에서 Si 도핑량이 증가함에 따라 굴절률이 낮아질 수 있으며, 적외선 투과도가 향상될 수 있다. 상기 ta-C 보호막에서 Si가 20 at% 초과하여 도핑될 경우, 굴절률이 증가하여 적외선 투과도가 감소할 수 있다.
바람직하게는 Si 도핑량이 7.7 at% 이상인 경우, Si wafer에 비하여 5 ㎛ 내지 12 ㎛ 파장대에서 적외선 투과도가 우수할 수 있다.
상기 범위에서 Si 도핑량이 증가함에 따라 Si-C 결합 비율이 증가할 수 있으며, 그 결과 적외선 투과도가 증가할 수 있다.
Si가 20 at% 초과하여 도핑될 경우 오히려 Si-C 결합 비율이 감소할 수 있으며, 그 결과 적외선 투과도가 감소할 수 있다.
또한, 상기 ta-C 보호막은 Si 도핑에 따라 마찰계수가 향상될 수 있다.
Si 도핑량이 4 at% 이상인 경우, 보다 상세하게는 6 at% 이상인 경우, 도핑되지 않은 ta-C 보호막에 비하여 마찰계수가 낮아진다.
Si 도핑량이 20 at% 초과하는 경우, 마칠계수 실험 사이클이 10000 싸이클 이상 수행되는 이후부터는 다시 마찰 계수가 높아질 수 있다.
Si 도핑량이 4 at% 미만인 경우, 금속 물질과의 마찰 발생으로 인하여 금속 산화물이 형성될 수 있다. 이에 따라 마찰계수가 큰 폭으로 변할 수 있다.
상기 ta-C 보호막은 Si 도핑과 무관하게 표면조도가 유사할 수 있다.
상기 ta-C 보호막은 Si 도핑에 따라 표면 결함을 억제할 수 있다.
상기 ta-C 보호막은 우수한 내열성을 가질 수 있다.
상기 ta-C 보호막은 자장여과아크 방식의 진공아크증착법에 의하여 형성될 수 있다.
상기 ta-C 보호막은 구체적으로 흑연소재의 타겟체에 스파크를 발생시켜 플라즈마화된 이온을 생성하는 단계; 상기 플라즈마화된 이온 중 비이온화된 입자를 자력에 의해 제거하는 단계; 및 Si를 포함하는 기체를 공급하면서 광학렌즈에 ta-C 보호막을 형성하는 단계;를 포함하는 제조방법을 통하여 형성될 수 있다.
상기 ta-C 보호막은 흑연소재의 타겟체에 스파크를 발생시켜 플라즈마화된 이온을 생성하는 아크 플라즈마 발생부; 플라즈마화된 이온을 코팅대상인 광학렌즈까지 이송되는 이송경로를 제공하는 이송관; 상기 이송관을 통해 이송되는 물질 중 비이온화된 입자를 자력에 의해 내벽측에 집속되게 하는 자력 생성부; 및 상기 이송관 내에 상기 비이온화된 입자의 이송을 저지시킬 수 있도록 형성된 적어도 하나의 필터판;을 포함하는 자장여과아크 방식의 코팅장치를 이용하여 형성될 수 있다.
이와 같은 자장여과아크 방식의 진공아크증착법을 이용하는 경우, 비이온화된 마이크론 크기의 거대입자가 보호막으로 들어가 막질을 저하시키는 문제를 해결할 수 있다는 점에서 바람직하다.
또한, 자장여과아크방식을 이용하는 경우, sp3 분율이 높으며, 수소가 없는 무수소 비정질 탄소 보호막을 형성할 수 있기 때문에, 자장여과아크방식을 사용하지 않는 경우에 비하여 높은 경도의 ta-C 보호막을 형성할 수 있다.
또한, 자장을 활용하여 조대입자를 여과시킴으로써, 기존의 코팅에 비하여 향상된 표면조도의 보호막을 형성할 수 있다. 즉, 자장여과에 의하여 조대입자가 제거되어 매끄러운 표면조도를 달성할 수 있으며, 이에 적외선 소재의 투과율을 향상시킬 수 있다.
반면, 자장여과가 없는 아크 방식의 코팅을 이용하는 경우, 표면에 조대입자가 많아 적외선 소재의 투과율을 향상시키기 어려울 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서
적외선 광학렌즈 보호용 ta-C 보호막 코팅방법으로,
Si를 포함하는 기체를 공급하면서 상기 광학렌즈에 ta-C 보호막을 형성하는 단계를 포함하고, 형성된 ta-C 보호막은 Si가 4 at% 내지 20 at% 도핑된
적외선 광학렌즈 보호용 ta-C 보호막 코팅방법이 제공된다.
이하, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 ta-C 보호막 코팅방법을 상세히 설명하되, 앞서 ta-C 보호막에 대하여 설명한 부분은 중복하여 설명하지 않고 생략한다.
본 발명의 다른 측면에서 제공되는 ta-C 보호막 코팅방법은
적외선 광학렌즈에 ta-C 보호막을 형성 시, Si를 포함하는 기체를 공급하면서 보호막을 형성함에 따라, Si가 도핑된 ta-C 보호막을 형성할 수 있다.
상기 ta-C 보호막은 Si가 4 at% 내지 20 at% 도핑된다.
일 실시예에서, 상기 코팅방법은 자장여과아크(filtered cathodic vacuum arc) 방식의 진공아크증착법으로 수행될 수 있다.
상기 자장여과아크 방식의 진공아크증착법은 구체적으로 흑연소재의 타겟체에 스파크를 발생시켜 플라즈마화된 이온을 생성하는 단계; 상기 플라즈마화된 이온 중 비이온화된 입자를 자력에 의해 제거하는 단계; 및 Si를 포함하는 기체를 공급하면서 광학렌즈에 ta-C 보호막을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 자장여과아크 방식의 진공아크증착법은 흑연소재의 타겟체에 스파크를 발생시켜 플라즈마화된 이온을 생성하는 아크 플라즈마 발생부; 플라즈마화된 이온을 코팅대상인 광학렌즈까지 이송되는 이송경로를 제공하는 이송관; 상기 이송관을 통해 이송되는 물질 중 비이온화된 입자를 자력에 의해 내벽측에 집속되게 하는 자력 생성부; 및 상기 이송관 내에 상기 비이온화된 입자의 이송을 저지시킬 수 있도록 형성된 적어도 하나의 필터판;을 포함하는 자장여과아크 방식의 코팅장치를 이용하여 수행될 수 있다.
상기 자장여과아크 방식의 코팅장치는 다양한 형태를 가질 수 있으며, 예를 들어, Double bend의 형태, 90도 꺾인 형태, 45도 꺾인 형태 등의 다양한 형태로 존재할 수 있다. 꺾인 각도 및 모양에 따라서 표면조도가 변할 수 있으며, 이를 조절하여 최적의 표면조도를 얻을 수 있다.
이와 같은 자장여과아크 방식의 진공아크증착법을 이용하는 경우, 비이온화된 마이크론 크기의 거대입자가 보호막으로 들어가 막질을 저하시키는 문제를 해결할 수 있다는 점에서 바람직하다.
또한, 자장여과아크방식을 이용하는 경우, sp3 분율이 높으며, 수소가 없는 무수소 비정질 탄소 보호막을 형성할 수 있기 때문에, 자장여과아크방식을 사용하지 않는 경우에 비하여 높은 경도의 ta-C 보호막을 형성할 수 있다.
또한, 자장을 활용하여 조대입자를 여과시킴으로써, 기존의 코팅에 비하여 향상된 표면조도의 보호막을 형성할 수 있다. 즉, 자장여과에 의하여 조대입자가 제거되어 매끄러운 표면조도를 달성할 수 있으며, 이에 적외선 소재의 투과율을 향상시킬 수 있다.
반면, 자장여과가 없는 아크 방식의 코팅을 이용하는 경우, 표면에 조대입자가 많아 적외선 소재의 투과율을 향상시키기 어려울 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 Si를 포함하는 기체는 테트라메틸실레인(Tetramethylsilane, TMS)일 수 있다. 상기 테트라메틸실레인은 Si-CH4 구조가 완전히 분해되지 않은 상태로 -CHX dangling bond의 형태로 도핑될 수 있으며, 이에 따라 표면 에너지를 낮추고 이를 통하여 화학적 반응을 줄여 표면의 저마찰 특성을 달성할 수 있다.
또한, 테트라메틸실레인 가스를 주입하여 코팅을 실시함으로써, 표면조도가 더욱 향상될 수 있다.
또한, 스퍼터링과 같은 Si를 도핑하는 다른 방법의 경우, 추가적인 스퍼터 장치 등을 필요로 하는 바, 공정이 복잡해지고 장비 비용이 증가하는 단점이 있지만, TMS 등의 Si를 포함하는 기체를 이용한 도핑의 경우, 기존의 자장여과아크공정 장비를 이용 시, 가스만 주입하면 바로 공정을 수행할 수 있어, 공정 시간의 증가가 없으며, 장비 비용의 증가 또한 없다는 장점이 있다.
앞서 설명한 자장여과아크 방식의 코팅을 이용하고, TMS 가스를 이용하는 경우, 조대입자 제거 효과와 Si 도핑에 의한 투과율 향상 효과를 모두 얻을 수 있으며, 이에 의한 시너지 효과를 통하여 최적의 적외선 투과율 향상도를 얻을 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서 상기 ta-C 보호막이 형성된 적외선 광학렌즈가 제공된다.
상기 ta-C 보호막이 형성된 적외선 광학렌즈는 적외선 투과도가 우수하면서도 내식성, 마찰 특성 등이 우수할 수 있다.
이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
<실시예>
도 1의 자장여과아크(filtered cathodic vacuum arc) 방식의 코팅장치를 이용하여, Si wafer 상에 테트라메틸실레인(Tetramethylsilane, TMS) 기체를 0, 3, 3.8, 4.6, 5.4, 7.0, 12.0 sccm의 유량으로 공급하며, ta-C 코팅을 실시하였다. bias 전압은 150 V로 설정하였다.
코팅 전, 표면 세정 및 수분 제거를 위하여, 40 - 50 sccm의 유량의 Ar 가스를 활용하여 60분간 75 V의 bias 전압으로 선형 이온빔 기반의 에칭을 실시하였다.
흑연 타겟의 아크 플라즈마를 활용한 탄소 코팅을 실시하였으며, 자장여과아크 방식을 활용하여 무수소 공정이 될 수 있도록 진행하였다. 또한, 자장여과아크 방식을 이용하여, 조대입자를 제거함으로써 향상된 표면조도를 달성할 수 있도록 제조하였다.
각 TMS 가스 공급 유량에 따른 구체적인 코팅 조건은 아래의 표 1와 같다.
가스유량
(sccm)		 Si원자비
(at%)		 증착속도
(nm/min)		 코팅소요시간
(1㎛, min)		 작동압력
(Torr)		 코팅두께
(㎛)		 결과
0 - 3.70 270 8.0×10-5 - 박리
3.0 4.7 6.72 150 1.4×10-4 956 진행성
박리
3.8 6.1 7.53 130 1.7×10-4 969 OK
4.6 6.8 8.33 120 2.2×10-4 1.038 OK
5.4 7.7 9.14 110 2.8×10-4 ~1 OK
7.0 17 10.76 95 5.1×10-4 ~1 OK
12.0 19.7 15.83 60 1.5×10-3 ~1 OK
즉, 공급되는 TMS 가스 유량이 3.0 sccm 이하인 경우, 응력에 의하여 박리가 발생함을 확인할 수 있으며, 그 이상인 경우 1 ㎛ 수준의 막이 충분히 잘 형성됨을 확인할 수 있다.
<실험예 1> 경도 분석
실시예의 보호막에 대하여, Berkovich tip을 활용한 Nano indentation 방식으로 경도 분석을 실시하였으며, 수직하중 30 mN 및 최대 압입깊이 120 nm 내지 150 nm의 조건으로 측정하였다. 측정한 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, Si 도핑 후에도 최소 20 GPa 이상의 경도를 유지하여, 일반적인 Si 도핑된 DLC 보호막에 비하여 높은 경도를 가지는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2> 적외선 투과성 분석
실시예의 보호막에 대하여, 적외선 투과영역의 파장대(2 ㎛내지 12 ㎛)를 중심으로 적외선 투과성을 FT-IR (Fourier Transform Infrared)를 활용하여 분석하였으며, 분석 후, Quarter-wave를 기반으로 각 Si 도핑량에 따른 굴절률을 계산하여 도시하였다. 이에 대한 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.
Si 도핑에 따라 굴절률이 감소하는 경향을 보여, Si 도핑을 통하여 약 1.5 내지 2.4의 굴절률 범위에서 ta-C 굴절률 조절이 가능함을 알 수 있다.
또한 중적외선 영역인 5 ㎛ 내지 8 ㎛ 파장 영역에서, Si 함량이 늘어날 수록, 17 at%의 Si 함량까지는 투과도가 향상되는 것을 확인할 수 있으며, 이보다 많은 Si이 도입될 경우, 굴절률이 다시 증가하면서 적외선 투과도가 감소함을 확인할 수 있다.
<실험예 3> Ge 상에 코팅함에 따른 적외선 투과도 분석
적외선 투과성을 가지는 Si외의 소재 중 군수용 렌즈 소재로 활용도가 높은 Ge 상에 적용 가능 여부 판단을 위해 동일한 Si 도핑된 ta-C 보호막을 적용하여 적외선 투과도 평가를 진행하였다.
TMS 주입량은 5.4 sccm으로 고정하여 약 7.7 at%의 Si 도핑량을 달성할 수 있도록 공정을 수행하였으며, 1 ㎛ 두께의 막을 성막하여 분석하였다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 순수한 Ge에 비하여 코팅 시 적외선 투과도가 47% 가량 증가하는 바, Si 기판 외에도 Ge와 같은 적외선 광학렌즈 소재 상에도 코팅을 통하여 적외선 투과율을 높일 수 있다.
또한 Si 도핑에 따라 흡수되는 fingerprint 영역은 확인되지 않았다.
<실험예 4> 마찰계수 분석
실시예의 보호막에 대하여, Pin-on-disc의 방식을 활용하여 마찰계수 측정 실험을 수행하고, 수직하중을 인가한 상태에서 샘플이 고정되어있는 하부 판을 회전시켜 수평 방향으로 작용하는 힘을 측정함으로써 마찰계수를 계산하였다. 그 결과를 도 6 및 도 7에 나타내었다.
도 7에 나타낸 바와 같이 TMS의 유량이 5.4 sccm(Si 약 7.7 at%) 이상인 경우, 약 1000회의 Running in period 후에 0.1 이하의 마찰계수를 가지며, ta-C 대비 낮은 마찰계수를 가진 다는 것을 확인할 수 있었다.
다만, TMS 유량이 12.0 sccm(Si 약 20 at%)인 경우, 매우 짧은 Running in period와 저마찰 특성을 나타내지만, 10,000 cycles 이후부터 마찰계수가 다시 증가하는 경향을 보였다.
또한, 표면의 모폴로지를 분석하여 도 12에 나타내었다. 마찰계수 확인 실험 시, TMS 유량이 4.6 이하에서 COF가 큰 폭으로 변화하게 되는데, 이는 실험과정에서의 SUJ2 ball과의 마찰 발생으로 인한 산화철 Tribo-film이 형성되기 때문이다.
즉, TMS 유량이 4.6 이하에서 산화철의 흔적을 관찰할 수 있으나, TMS 주입량이 증가함에 따라 산화철 발생이 감소하는 바, TMS 유량이 5.4 이상에서는 산화철의 흔적 관찰이 불가능하며, Tribo film의 성분은 Si-O 일 수 있다.
<실험예 5> 표면조도 측정
실시예의 보호막에 대하여 접촉식 표면조도 측정장치를 활용하여 ISO 1997 규격시험을 수행함으로써 표면조도를 측정하여 도 8 및 도 9에 나타내었다.
도 8의 #1-1, #1-2는 Si 도핑량이 0 at%, #2-1, #2-2는 Si 도핑량이 4.7 at%, #3-1, #3-2는 Si 도핑량이 6.1 at%, #4-1, #4-2는 Si 도핑량이 7.7 at%, #5-1, #5-2는 Si 도핑량이 17 at% 인 경우의 표면조도 실험 결과를 의미한다.
TMS를 공급하지 않은 경우에는 박리 발생으로 조도 측정을 수행하지 못했으나, 그 외의 TMS 주입 후의 표면조도는 기존 실험결과와 유사한 것으로 확인되었다.
또한, ta-C 보호막 제조 공정 별로 표면조도를 관찰하여, 도 13 내지 도 15에 나타내었다.
도 15는 본 발명의 일 실시예와 같이, 자장여과아크 방식을 이용하며, TMS 가스를 주입하여 형성한 ta-C 보호막으로, 조대입자가 전혀 없으므로 매끄러운 표면조도를 달성할 수 있음을 알 수 있다.
반면 도 13은 자장여과가 없는 아크 방식으로 ta-C 보호막을 형성한 것이고, 도 14는 자장여과아크 방식으로 보호막을 형성하되 TMS 가스를 주입하지 않은 것인데, 두 가지 경우 모두 표면에 조대입자가 형성되어 표면조도가 좋지 못함을 알 수 있다. 이와 같은 경우, 적외선 소재의 투과율을 향상시키는 데에 사용하기에 부적합하다.
<실험예 6> 표면 결함 확인
실시예의 보호막에 대하여 표면의 결함을 관찰하여 도 10 및 도 11에 나타내었다.
도 10에서 TMS 가스 주입량에 따른 표면 결함을 광학 현미경으로 관찰하여 분석하였다. 표면에 결함이 존재하는 경우, 까만 점들이 표면에 찍혀야 하나, TMS 가스 주입량이 3 sccm 내지 12 sccm인 경우, 주입량에 관계 없이 결함이 거의 없음을 확인할 수 있었다.
도 11은 5.4 sccm의 TMS 가스 주입량에 대하여, 500℃ 열처리 및 600℃ 열처리 후의 표면 결함을 보여주는 이미지이다. 그 결과 열처리 후에도 표면 결함이 거의 발생하지 않는 바, 우수한 내열성을 가짐을 확인할 수 있었다.

Claims (10)

  1. 적외선 광학렌즈 보호용 ta-C(tetrahedral amorphous carbon) 보호막으로서,
    두께가 0.6 ㎛ 내지 2.0 ㎛이고,
    Si가 7 at% 내지 18 at% 도핑된 ta-C 보호막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 ta-C 보호막은 20 GPa 이상의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 ta-C 보호막.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적외선 광학렌즈는 칼코지나이드 또는 저마늄 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 ta-C 보호막.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 ta-C 보호막은 2 ㎛ 내지 12 ㎛ 파장의 적외선에 대하여 40% 이상의 투과율을 갖는 것을 특징으로 하는 ta-C 보호막.
  6. 적외선 광학렌즈 보호용 ta-C 보호막 코팅방법으로,
    Si를 포함하는 기체를 공급하면서 상기 광학렌즈에 ta-C 보호막을 형성하는 단계를 포함하고, 형성된 ta-C 보호막은 두께가 0.6 ㎛ 내지 2.0 ㎛이고, Si가 7 at% 내지 18 at% 도핑된,
    적외선 광학렌즈 보호용 ta-C 보호막 코팅방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 ta-C 보호막 코팅방법은 자장여과아크(filtered cathodic vacuum arc) 방식의 진공아크증착법으로 수행되며,
    상기 코팅방법은
    흑연소재의 타겟체에 스파크를 발생시켜 플라즈마화된 이온을 생성하는 단계;
    상기 플라즈마화된 이온 중 비이온화된 입자를 자력에 의해 제거하는 단계; 및
    Si를 포함하는 기체를 공급하면서 광학렌즈에 ta-C 보호막을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 ta-C 보호막 코팅방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 Si를 포함하는 기체는 테트라메틸실레인(Tetramethylsilane, TMS)인 것을 특징으로 하는 ta-C 보호막 코팅방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 ta-C 보호막 코팅방법은
    흑연소재의 타겟체에 스파크를 발생시켜 플라즈마화된 이온을 생성하는 아크 플라즈마 발생부;
    플라즈마화된 이온을 코팅대상인 광학렌즈까지 이송되는 이송경로를 제공하는 이송관;
    상기 이송관을 통해 이송되는 물질 중 비이온화된 입자를 자력에 의해 내벽측에 집속되게 하는 자력 생성부; 및
    상기 이송관 내에 상기 비이온화된 입자의 이송을 저지시킬 수 있도록 형성된 적어도 하나의 필터판;
    을 포함하는 자장여과아크 방식의 코팅장치를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 ta-C 보호막 코팅방법.
  10. 제1항의 ta-C 보호막이 형성된 적외선 광학렌즈.
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