KR102430708B1

KR102430708B1 - 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법 및 이를 이용한 코팅 구조물

Info

Publication number: KR102430708B1
Application number: KR1020210094142A
Authority: KR
Inventors: 왕홍래; 손영준; 유요한; 이인행; 변인섭; 구경승; 한진우; 이용수; 변재호
Original assignee: (주)코미코
Priority date: 2021-07-19
Filing date: 2021-07-19
Publication date: 2022-08-10
Also published as: CN115637407A; TW202305168A; US20230021394A1

Abstract

본 발명은 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법 및 이를 이용한 코팅 구조물에 관한 것으로, 모재 상에 1차로 저경도의 코팅층을 형성하고, 1차 형성된 코팅층 상에 2차로 고경도의 코팅층을 형성하는 2 스텝의 코팅 방식을 통하여, 모재 상에 코팅된 코팅막 자체에 걸리는 응력에 의한 스트레스를 제어하여 대면적 코팅에 있어서도 박리가 없는 고밀도의 코팅층을 형성할 수 있는 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법 및 이를 이용한 코팅 구조물에 관한 것이다.

Description

대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법 및 이를 이용한 코팅 구조물{METHOD FOR LARGE SURFACE COATING BASE ON CONTROL OF THIN FILM STRESS AND COATING STRUCTURE USEOF}

본 발명은 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법 및 이를 이용한 코팅 구조물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 플라스마 또는 강한 부식성 분위기에서도 내식성을 갖도록 대면적 모재의 표면을 코팅하는 데 있어서, 코팅막에 걸리는 스트레스를 제어하여 박리가 없는 코팅층을 형성할 수 있는 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법 및 이를 이용한 코팅 구조물에 관한 것이다.

반도체 소자, 디스플레이 소자 등과 같은 집적회로 소자는 고밀도 플라즈마 환경의 챔버 내에서 식각 및 증착 공정 통해 제조된다. 이때 고밀도 플라즈마 환경의 식각 공정을 수행하는 장치는 챔버 내부에서 플라즈마에 노출되는 부품에 플라즈마에 의한 식각이 발생할 수 있다.

또한, 반도체 고집적화를 위하여 3D 형태의 반도체를 제조할 때는 단시간에 특정 부위를 빠르게 식각해 제거해야 하므로 강한 부식성을 가지는 에칭액이 사용되며, 이와 같은 에칭액에 의해 챔버 내부의 부품에 부식이 발생할 수 있다.

이와 같이, 고밀도 플라스마 또는 강한 부식성 분위기 하에서는 챔버 내부 부품이 식각 및 부식되면서 이로 인한 응집물이 떨어져 나가 제조중인 집적회로 소자를 오염시키는 문제가 발생하기 때문에 챔버 내 부품에 내식성 코팅막을 형성할 필요가 있었다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 선행기술로서, 한국공개특허공보 10-2017-0021103(2017.02.27. 공개일)는, i) 모재를 제공하는 단계, ii) 모재 위 에 Y₂O₃-x (0<x<1)을 포함하는 씨드층을 형성하는 단계, iii) 씨드층 위에 Y₂O₃-x (1<x<3)를 포함하는 고속 증착층 을 형성하여 코팅막을 제공하는 단계, 및 iv) 코팅막을 열처리하는 단계를 포함하는 반도체 제조용 챔버의 코팅막 제조방법을 개시하고 있다.

또한, 한국등록특허공보 10-1961411(2019.03.22. 공고일)는, i) 모재를 제공하는 단계, ii) APS 또는 SPS에 의해 Zr₂O 또는 Y₂O₃을 포함하는 버퍼층을 모재 위에 제공하는 단계, 및 iv) 또 다른 APS 또는 또 다른 SPS에 의해 YAG를 포함하는 코팅층을 버퍼층 위에 제공하는 단계를 포함하는 대면적 OLED 패널 제조용 챔버의 코팅 방법을 개시하고 있다.

또한, 한국등록특허공보 10-2259919(2021.06.01. 공고일)는, i) SiC, SiO₂ 및 Al₂O₃로 이루어 진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 모재를 제공하는 단계, ii) 모재 위에 SiOx (0.1≤x≤2) 또는 AlOy (0.1≤y≤1.5)를 포함하는 제1 코팅층부를 제공하는 단계, iii) 제1 코팅층부 위에 YOz (0.1≤z≤1.5)를 포 함하는 제2 코팅층부를 제공하는 단계, iv) 제1 코팅층부와 제2 코팅층부를 반복하여 적층한 적층체를 제공하는 단계, 및 v) 적층체를 열처리하여 제1 코팅층부와 제2 코팅층부 상호간의 고상 반응에 의해 결정질의 단일층으로 된 코팅층을 제공하는 단계를 포함하는 챔버 코팅 방법을 개시하고 있다.

상기 선행기술문헌들은 모재 상에 1차 및 2차로 코팅층을 형성하여 플라스마 또는 강한 부식성 분위기에 대해서도 내식성을 가진 코팅재를 제조하도록 하는 기술을 개시하고 있다. 상기와 같은 종래의 코팅 방법은 일반적으로 작은 시편단위로 코팅을 진행할 경우 코팅된 박막 자체적인 응력이 거의 없어 박리가 발생하는 등의 불안전한 코팅이 대부분 이루어 지지 않는 편이나, 챔버내 기판, 윈도우 등과 같은 대면적 코팅이 필요한 부품에 적용하여 세공(pore)이 없는 고밀도의 막을 대면적으로 코팅 할 경우, 코팅막 자체에 인장 또는 압축 응력이 걸려 코팅된 막의 외부에서 특별한 외력이 가해지지 않더라도 자체적으로 코팅막이 손상되는 문제가 발생하는 한계가 있었다.

상기와 같은 실정에 따라, 본 발명은 코팅된 막에 자체적으로 걸리는 인장 또는 압축 응력으로 인한 의한 스트레스를 제어하여, 박리가 없는 고밀도의 코팅막을 형성시킬 수 있는 새로운 코팅 방법 및 이를 이용한 코팅 구조물을 제시하고자 한다.

한국공개특허공보 10-2017-0021103(2017.02.27. 공개일) 한국등록특허공보 10-1961411(2019.03.22. 공고일) 한국등록특허공보 10-2259919(2021.06.01. 공고일)

본 발명은 상기된 과제를 해결하기 위해 창작된 것으로, 플라스마 또는 강한 부식성 분위기에서도 내식성을 갖도록 하는 코팅층을 모재 상에 형성하는 데 있어서, 모재 상에 코팅된 막의 자체적으로 걸리는 응력에 의한 스트레스를 제어하여 대면적 코팅에 있어서도 박리가 없는 고밀도의 코팅층을 형성할 수 있는 코팅 방법을 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 코팅 방법을 이용하여 제조되는 코팅 구조물을 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법은, 모재를 제공하는 단계; 상기 모재 상에 소정 속도로 무기물 입자를 증착시켜 제1 경도를 갖는 저경도의 제1 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 코팅층을 형성할 때 보다 낮은 속도로 상기 제1 코팅층 상에 무기물 입자를 증착시켜 제2 경도를 갖는 고경도의 제2 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시예로서, 상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층은, 플라즈마 화학 기상 증착, 스퍼터링 증착 또는 전자빔 증착에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시예로서, 상기 무기물 입자는, Al, Y, Ti, W, Zn, Si, Mo, Mg 및 이들의 조합으로부터 선택되는 금속의 산화물, 불화물, 불화 산화물, 질화물, 산화질화물 및 탄화물 중 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시예로서, 상기 모재의 직경은 10 내지 80 cm이고, 면적 78.5 내지 5,024 cm²인 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시예로서, 상기 모재는, Al, Y, W, Zn, Si, Mo, 쿼츠(Quartz) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 금속의 산화물, 불화물, 불화 산화물, 질화물 산화질화물 및 탄화물 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시예로서, 상기 제1 코팅층과 제2 코팅층 형성시 공정온도는 100 내지 600 ℃인 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시예로서, 상기 제1 코팅층은 2 내지 5 Å/sec의 증착속도로 형성하고, 상기 제2 코팅층은 0.5 내지 1.5 Å/sec의 증착속도로 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시예로서, 상기 제1 코팅층 형성 시 이온보조장치에 인가되는 전력은 200 내지 750 W이고,상기 제2 코팅층 형성 시 인가되는 전력은 800 내지 1500 W인 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시예로서, 상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층 형성시 사용되는 가스는 Ar, O₂ 및 N₂ 중 하나 이상이며, 상기 가스 사용량은 5 내지 100 sccm인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 구조물은, 모재 상에 무기물 입자를 증착시켜 5 내지 8 GPa의 경도를 갖는 저경도의 제1 코팅층; 및 상기 제1 코팅층 상에 무기물 입자를 증착시켜 10 내지 13 GPa 경도를 갖는 고경도의 제2 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시예로서, 상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층의 전체 두께는, 1 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시예로서, 상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층은, 동일한 결정상을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시예로서, 상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층은,큐빅상의 결정상을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시예로서, 상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층을 포함하는 복합 코팅 구조물 전체 두께에서 상기 제2 코팅층의 두께 범위는 80 내지 90 % 인 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시예로서, 상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층을 포함하는 복합 코팅 구조물의 XRD 결정화 비율은 80 내지 84% 인 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시예로서, 상기 제1 코팅층의 접착력은 10 내지 13 N이고, 상기 제2 코팅층의 접착력은 6 내지 8 N인 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시예로서, 상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층의 복합 코팅 구조물의 경도는 8 내지 13 GPa이고, 접착력은 9 내지 13 N인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 플라스마 또는 강한 부식성 분위기에서도 내식성을 갖도록 하는 코팅층을 모재 상에 형성하는 데 있어서, 모재 상에 1차로 저경도의 코팅층을 형성하고, 1차 형성된 코팅층 상에 2차로 고경도의 코팅층을 형성하는 방식으로 2층의 복합 구조 코팅 구조물을 형성함으로써, 모재 상에 코팅된 코팅막 자체에 걸리는 응력에 의한 스트레스를 제어하여 대면적 코팅에 있어서도 전면 및 부분박리가 발생하지 않는 고밀도의 코팅층을 형성할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법에 대해 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 구조물에 대해 설명하기 위한 예시 단면 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 구조물의 코팅 두께비 별 물성 데이터이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 구조물의 코팅 두께비 별 SEM 이미지 및 박막 표면 이미지이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법 및 이를 이용한 코팅 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.

본 발명에서 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 명세서상에 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 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법에 대해 설명하기 위한 흐름도이다.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법은 다음과 같다.

먼저 모재를 준비한다(S101). 상기 모재는 Al, Y, W, Zn, Si, Mo, 쿼츠(Quartz) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 금속의 산화물, 불화물, 불화 산화물, 질화물 산화질화물 및 탄화물 중 하나 이상을 포함한다.

이어, 상기 준비된 상기 모재 상에 소정 속도로 무기물 입자를 증착시켜 제1 경도를 갖는 저경도의 제1 코팅층을 형성한다(S102). 상기 무기물 입자는 Al, Y, Ti, W, Zn, Si, Mo, Mg 및 이들의 조합으로부터 선택되는 금속의 산화물, 불화물, 불화 산화물, 질화물, 산화질화물 및 탄화물 중 하나 이상을 포함한다.

또한, 상기 제1 코팅층을 형성할 때 보다 낮은 속도로 상기 제1 코팅층 상에 무기물 입자를 증착시켜 제2 경도를 갖는 고경도의 제2 코팅층을 형성한다(S103).

상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층은 플라즈마 화학 기상 증착, 스퍼터링 증착 또는 전자빔 증착 등을 포함하는 증착 방법을 통해 형성될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 코팅 방법을 이용하여 박리가 발생하지 않는 대면적 코팅막을 형성할 수 있다. 본 발명에서 상기 대면적이란 코팅 면적이 78.5 Cm²이상인 것을 의미하며, 본 발명에서 이와 같은 코팅 방법을 적용하여 박리 없는 코팅막을 형성하는 것이 가능한 모재의 직경은 10 내지 80 cm이고, 면적 78.5 내지 5,024 cm²이다.

한편, 상기 제1 코팅층과 제2 코팅층을 포함하는 코팅 구조물의 전체 두께는 1 내지 20 ㎛ 까지 안정적으로 코팅 가능하며, 상기 제1 코팅층은 제1 코팅층과 제2 코팅층을 포함하는 전체 코팅 구조물의 두께의 5 내지 50% 까지 조절하여 코팅하며, 상기 제2 코팅층은 전체 코팅 구조물의 두께의 50 내지 95% 까지 조절하여 코팅한다. 즉, 상기 제1 코팅층과 제2 코팅층의 두께비는 1:1 내지 1:19 까지 조절 가능하다.

또한, 상기 제1 코팅층과 제2 코팅층 형성시 공정온도는 100 내지 600 ℃ 범위이며, 더욱 바람직하게는 100 내지 300 ℃ 공정온도를 갖는다.

한편, 상기한 바와 같이, 본 발명에서 상기 제1 코팅층은 저경도의 코팅층으로 형성되고, 제2 코팅층은 고경도의 코팅층으로 형성된다. 이와 같이 각 코팅층의 경도를 달리 하여 각 코팅층을 형성하는 방법으로서, 본 발명은 증착속도(Deposition rate)를 달리하는 방법을 사용한다.

참고로, 높은 증착속도에서는 코팅층의 경도는 낮아지고 접착력은 높아지고, 낮은 증착속도에서는 코팅층의 경도(Hardness)는 높아지고 접착력(Adhesion)은 낮아지는 효과가 있다.

이에 따라, 본 발명은 제1 코팅층 증착시 2 내지 5 Å/sec 범위의 증착속도로 코팅층을 형성한다.

여기서, 상기 제1 코팅층 증착시 증착속도가 2 Å/sec 미만일 경우 코팅층의 경도 증가 및 접착력 하락으로 인해 향후 고경도의 제2 코팅층을 형성한다고 하더라도 박리가 발생할 가능성이 매우 높아진다. 또한, 증착속도가 5 Å/sec 를 초과할 경우 접착력 테스트시 코팅된 박막이 너무 물러서, 기판과 제2 코팅층 사이에서의 접착제 역할을 충분히 소화하지 못하고 코팅 구조물 전체가 들뜨며 박리가 발생할 가능성이 매우 높다. 또한, 제1 코팅층의 경도가 너무 낮을 경우 제2 코팅층과의 2중 구조에서의 전체 경도가 떨어지는 문제가 발생한다.

또한, 본 발명은 상기와 같이 저경도의 제1 코팅층을 형성한 이후, 제2 코팅층 증착시에는 0.5 내지 1.5 Å/sec 범위의 증착속도로 코팅층을 형성한다.

여기서, 상기 제2 코팅층 증착시 증착속도가 0.5 Å/sec 미만일 경우, 코팅속도가 너무 낮아 생산성이 떨어지는 문제가 있다. 또한, 증착속도가 1.5 Å/sec를 초과할 경우 제1 접착층과 유사한 경도를 가지는 코팅층이 형성되어 본 발명이 가지는 2중 구조의 코팅층이 가지는 장점을 얻지 못한다.

한편, 본 발명에 따른 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법은, 각 코팅층의 경도를 조절하여 형성하는 데 있어서, 상기와 같은 증착속도 외에도 코팅층 형성시 이온보조장치에 인가되는 전력을 조절하는 방법을 사용할 수도 있다. 인가되는 전력이 낮을수록 코팅층의 경도는 낮아지고, 인가되는 전력이 높을수록 코팅층의 경도는 높아진다.

본 발명에서는 제1 코팅층 형성시의 인가되는 이온보조장치의 전력은 200 내지 750 W이고, 더욱 바람직하게는, 500 내지 700 W의 전력을 인가한다.

또한, 제2 코팅층 형성시 인가되는 이온보조장치의 전력은 800 내지 1500 W 이며, 더욱 바람직하게는, 900 내지 1000 W의 전력을 인가한다.

또한, 상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층 형성시 사용되는 가스는 Ar, O₂ 및 N₂ 중 하나 이상이며, 상기 가스 사용량은 5 내지 100 sccm 까지 조절하며 사용 가능하다.

상기와 같은 방법을 통해 제조되는 제1 코팅층 및 제2 코팅층은 동일한 큐빅(cubic)상의 결정상을 가진다. 제1 코팅층과 제2 코팅층의 결정상을 동일하게 형성시켜 제1 코팅층 및 제2 코팅층의 경도가 변화되어도 두 층의 접착력이 더욱 증가하게 된다. 두 층간의 결정상이 상이할 경우, 격자 간 격자 미스매칭(lattice mismatching) 이 일어나, 두 층 사이의 경계면을 기점으로 박리가 일어날 가능성이 커지게 된다.

한편, 본 발명에 있어서 상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층의 복합 코팅 구조물의 최적 두께 비율로서, 상기 제1 코팅층은 전체 코팅 구조물의 두께의 10 내지 20 % 이고, 상기 제2 코팅층은 전체 코팅 구조물의 두께의 80 내지 90 % 인 것이 바람직하다. 즉, 최적의 제1 코팅층과 제2 코팅층의 두께비는 1:9 내지 1:4 범위이다.

상기와 같이, 최적의 두께비로 제1 코팅층 및 제2 코팅층의 복합 코팅 구조물을 형성하였을 때, 상기 복합 코팅 구조물의 전체 XRD 결정화 비율은 80 내지 84% 이다. 코팅층 전체의 XRD 결정화 비율이 80 미만이 되면 코팅층의 전체 경도가 다소 낮아질 우려가 있고, XRD 결정화 비율이 84를 초과할 경우 결정 간의 결정 입계(Grain Boundary)가 많아져 이에 따라 모재와 코팅층 간의 접착력보다 코팅층의 내부 응력이 커켜 제1 코팅층의 박리가 일어날 수 있다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 방법을 이용하여 제1 코팅층은 5 내지 8 GPa의 경도로 형성하고, 상기 제2 코팅층은 10 내지 13 GPa로 형성하며, 상기 제1 코팅층의 접착력은 10 내지 13 N로 형성하고, 상기 제2 코팅층의 접착력은 6 내지 8 N로 형성한다.

상기와 같이, 최적의 두께비로 제1 코팅층 및 제2 코팅층의 복합 코팅 구조물을 형성하였을 때, 상기 복합 코팅 구조물의 경도는 8 내지 13 GPa가 되도록 하고, 접착력은 9 내지 13 N이 되도록 한다.

대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 구조물

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 구조물에 대해 설명하기 위한 단면 예시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 구조물은, 모재상에 저경도의 제1 코팅층이 형성되고, 제1 코팅층 상에 고경도의 제2 코팅층이 형성되어 있는 구조를 가진다.

이때, 상기 모재는 Al, Y, W, Zn, Si, Mo, 쿼츠(Quartz) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 금속의 산화물, 불화물, 불화 산화물, 질화물 산화질화물 및 탄화물 중 하나 이상을 포함한다.

또한, 상기 제1 코팅층 및 제 2 코팅층은 Al, Y, Ti, W, Zn, Si, Mo, Mg 및 이들의 조합으로부터 선택되는 금속의 산화물, 불화물, 불화 산화물, 질화물, 산화질화물 및 탄화물 중 하나 이상을 포함하는 무기물 입자를 이용하여 형성된다.

또한, 상기 제1 코팅층과 제2 코팅층을 포함하는 코팅 구조물의 전체 두께는 1 내지 20 ㎛ 이며, 상기 제1 코팅층은 제1 코팅층과 제2 코팅층을 포함하는 전체 코팅 구조물의 두께의 5 내지 50% 이고, 상기 제2 코팅층은 전체 코팅 구조물의 두께의 50 내지 95% 이다. 즉, 상기 제1 코팅층과 제2 코팅층의 두께비는 1:1 내지 1:19 로 형성된다.

또한, 본 발명에 있어서 상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층의 복합 코팅 구조물의 최적 두께 비율은, 상기 제1 코팅층은 전체 코팅 구조물의 두께의 10 내지 20% 이고, 상기 제2 코팅층은 전체 코팅 구조물의 두께의 80 내지 90% 인 것이 바람직하다. 즉, 최적의 제1 코팅층과 제2 코팅층의 두께비는 1:9 내지 1:4 범위이다.

또한, 본 발명에 따른 코팅 구조물에서 1 코팅층 및 제2 코팅층은 동일한 큐빅(cubic)상의 결정상을 가진다.

상기와 같이, 최적의 두께비로 제1 코팅층 및 제2 코팅층의 코팅 구조물을 형성하였을 때, 상기 코팅 구조물의 전체 XRD 결정화 비율은 80 내지 84 % 이다.

또한, 본 발명에 따른 코팅 구조물에서 상기 제1 코팅층의 경도는 5 내지 8 GPa이고 접착력은 10 내지 13 N이며, 상기 제2 코팅층의 경도는 10 내지 13 GPa이고 접착력은 6 내지 8 N 이다. 또한, 상기와 같이 최적의 두께비로 제1 코팅층 및 제2 코팅층의 복합 구조 코팅막을 형성하였을 때, 상기 복합 구조 코팅막의 경도는 8 내지 13 GPa가 되도록 하고, 접착력은 9 내지 13 N이 되도록 한다.

이하, 본 발명에 따른 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법 및 이를 이용한 코팅 구조물을 하기 실시예를 통해 설명한다. 참고로 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 예시일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

상기 도 1에 따른 코팅 방법을 이용하여 직경 50 Cm² , 면적 2,000 Cm² 의 크기를 가지는 알루미늄산화물 소재의 모재 상에 3.5 Å/sec의 증착속도로 저경도의 제1 코팅층을 형성한 후, 상기 제1 코팅층 상에 1.0 Å/sec의 증착속도로 고경도의 제2 코팅층을 형성하였으며, 각 층의 이온보조 장치 전력은 각각 500 W, 900 W를 인가하며, 상기 제1 코팅층과 제2 코팅층의 두께비가 20 : 80이 되도록 전체 코팅 구조물을 형성하였다. 상기 코팅층 형성에 있어서 전자빔(e-beam) 방식을 사용하였으며 증착물질로는 이트륨 산화물 분말을 사용하였다.

실시예 2

상기 제1 코팅층과 제2 코팅층의 두께비를 10 : 90으로 한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 코팅 구조물을 형성하였다.

비교예 1

상기 제1 코팅층과 제2 코팅층의 두께비를 100 : 0으로 한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 코팅 구조물을 형성하였다.

비교예 2

상기 제1 코팅층과 제2 코팅층의 두께비를 50 : 50로 한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 코팅 구조물을 형성하였다.

비교예 3

상기 제1 코팅층과 제2 코팅층의 두께비를 30 : 70으로 한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 코팅 구조물을 형성하였다.

비교예 4

상기 제1 코팅층과 제2 코팅층의 두께비를 5 : 95로 한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 코팅 구조물을 형성하였다.

비교예 5

상기 제1 코팅층과 제2 코팅층의 두께비를 0 : 100으로 한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 코팅 구조물을 형성하였다.

시험예 1

상기 실시예 1 내지2 및 비교예 1 내지 5에 따라 제조된 코팅 구조물의 경도(Hardness)와 접착력(Adhesion)을 측정하였다. 경도 분석은 Hysitron 社의 Ti-750 모델을 사용하였고, 접착력 분석은 Anton Paar 社의 Micro Scratch를 사용하였다. 측정 결과는 도 3 및 아래 표 1에 나타내었다.

No.	코팅층 두께 비율		Total Thickness (μm)	Hardness (GPa)	Adhesion (N)
No.	제1 코팅층 두께(%)	제2 코팅층 두께(%)	Total Thickness (μm)	Hardness (GPa)	Adhesion (N)
비교예 1	100	-	10±1μm	6.64	10.58
비교예 2	50	50		9.05	10.12
비교예 3	30	70		8.87	10.8
실시예 1	20	80		11.64	11.23
실시예 2	10	90		12.15	11.58
비교예 4	5	95		11.3	8.1
비교예 5	-	100		11.09	7.03

상기 도 1 및 표 1에 나타난 바와 같이, 저경도의 제1 코팅층과 고경도의 제2 코팅층의 두께비가 20 : 80 내지 10 : 90의 범위에서 우수한 경도 및 접착력의 물성을 확인하였다.

시험예 2

상기 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 5에 따라 제조된 코팅 구조물의 SEM 이미지와 대면적 코팅 구조물의 표면 이미지를 도 4에 나타내었다.

도 4에 나타난 바와 같이, 고경도의 제2 코팅층만을 형성한 비교예 5의 경우, 기판과 코팅과의 접착력보다 코팅된 박막끼리의 응력이 강하게 작용하여 코팅면 모서리에서부터 박리가 발생되는 현상을 확인할 수 있다. 이와 같이 대면적 코팅시 고경도의 코팅층만을 형성할 경우에는 모서리에서의 박리와 함께 코팅면 전체에서 박리가 발생할 수 있는 문제가 있다.

상기와 같이, 대면적 코팅시 박막에 강하게 걸리는 응력을 해소시키기 위하여 저경도의 제1 코팅층만을 형성한 비교예 1의 경우, 박리는 발생되지 않았으나 경도가 떨어지는 문제가 발생하였다.

100 % 저경도 또는 고경도의 코팅층에서 나타난 문제점을 보완하고자 저경도의 제1 코팅층 및 고경도의 제2 코팅층의 두께 비율을 변화시키며 관찰한 결과,

95 %의 제2 코팅층 적용 시 경도는 다소 상승되었으나 접착력은 다소 낮은 결과를 보였으며, 50 및 70 %의 제2 코팅층 적용 시 접착력은 향상되었으나 경도 향상은 다소 미미한 것으로 나탔다. 80 및 90%의 제2 코팅층 적용 시 경도와 접착력 모두에 있어서 만족할만한 물성상승을 확인 하였으며, 대면적 기판에 코팅 적용 시 박리가 없는 안정적인 코팅이 가능함을 확인하였다.

즉, 저경도의 제1 코팅층과 고경도의 제2 코팅층의 두께비가 20 : 80 내지 10 : 90의 범위에서 박리는 관찰되지 않았으며, 경도 및 접착력도 우수한 결과를 나타내었다.

시험예 3

상기 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 5에 따라 제조된 코팅 구조물의 결정도(Crystallinity)와 비결정도(Amorphous)를 XRD(X-Ray Diffraction) 장비를 이용하여 측정하였다. 측정 결과는 아래 표 2에 나타내었다.

No.	코팅층 두께 비율		Crystallinity (%)	Amorphous (%)
No.	제1 코팅층 두께(%)	제2 코팅층 두께(%)	Crystallinity (%)	Amorphous (%)
비교예 1	100	-	74.5	25.5
비교예 2	50	50	79.3	20.7
비교예 3	30	70	78.5	21.5
실시예 1	20	80	80.6	19.4
실시예 2	10	90	83.4	16.6
비교예 4	5	95	85.6	14.4
비교예 5	-	100	84.1	15.9

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 저경도의 제1 코팅층과 고경도의 제2 코팅층의 두께비가 20 : 80 내지 10 : 90의 범위에서 XRD 결정화 비율이 80 내지 84 범위 이내인 것으로 나타났으며, 이는 저경도의 제1 코팅층과 고경도의 제2 코팅층의 두께비가 20 : 80 내지 10 : 90의 범위에서 전체 코팅 구조물의 경도 및 접착력이 우수한 결과를 가지는 것을 의미한다.

이상으로 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술에 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

100 : 모재
110 : 제1 코팅층
120 : 제2 코팅층

Claims

모재를 제공하는 단계;
상기 모재 상에 2 내지 5 Å/sec의 증착속도로 무기물 입자를 증착시켜 제1 경도를 갖는 저경도의 제1 코팅층을 형성하는 단계; 및
상기 제1 코팅층 상에 0.5 내지 1.5 Å/sec의 증착속도로 무기물 입자를 증착시켜 제2 경도를 갖는 고경도의 제2 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층은,
플라즈마 화학 기상 증착, 스퍼터링 증착 또는 전자빔 증착에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 무기물 입자는,
Al, Y, Ti, W, Zn, Si, Mo, Mg 및 이들의 조합으로부터 선택되는 금속의 산화물, 불화물, 불화 산화물, 질화물, 산화질화물 및 탄화물 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 모재의 직경은 10 내지 80 cm이고, 면적 78.5 내지 5,024 cm²인 것을 특징으로 하는, 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 모재는,
Al, Y, W, Zn, Si, Mo, 쿼츠(Quartz) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 금속의 산화물, 불화물, 불화 산화물, 질화물 산화질화물 및 탄화물 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 코팅층과 제2 코팅층 형성시 공정온도는 100 내지 600 ℃인 것을 특징으로 하는, 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1 코팅층 형성 시 이온보조장치에 인가되는 전력은 200 내지 750 W이고,
상기 제2 코팅층 형성 시 인가되는 전력은 800 내지 1500 W인 것을 특징으로 하는, 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층 형성시 사용되는 가스는 Ar, O₂ 및 N₂ 중 하나 이상이며, 상기 가스 사용량은 5 내지 100 sccm인 것을 특징으로 하는, 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 방법.
제1항 내지 6항, 제8항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조되는 것을 특징으로 하는, 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 구조물.
모재 상에 무기물 입자를 증착시켜 5 내지 8 GPa의 경도를 갖는 저경도의 제1 코팅층; 및
상기 제1 코팅층 상에 무기물 입자를 증착시켜 10 내지 13 GPa 경도를 갖는 고경도의 제2 코팅층을 포함하며,
상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층을 포함하는 복합 코팅 구조물 전체 두께에서 상기 제2 코팅층의 두께 범위는 80 내지 90 % 인 것을 특징으로 하는, 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 구조물.
제11항에 있어서,
상기 모재의 직경은 10 내지 80 cm이고, 면적 78.5 내지 5,024 cm²인 것을 특징으로 하는, 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 구조물.
제11항에 있어서,
상기 모재는,
Al, Y, W, Zn, Si, Mo, 쿼츠(Quartz) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 금속의 산화물, 불화물, 불화 산화물, 질화물 산화질화물 및 탄화물 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 구조물.
제11항에 있어서,
상기 무기물 입자는,
Al, Y, Ti, W, Zn, Si, Mo, Mg 및 이들의 조합으로부터 선택되는 금속의 산화물, 불화물, 불화 산화물, 질화물, 산화질화물 및 탄화물 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 구조물.
제11항에 있어서,
상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층의 전체 두께는,
1 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는, 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 구조물.
제11항에 있어서,
상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층은,
동일한 결정상을 가지는 것을 특징으로 하는, 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 구조물.
제11항에 있어서,
상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층은,
큐빅상의 결정상을 가지는 것을 특징으로 하는, 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 구조물.
삭제
제11항에 있어서,
상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층을 포함하는 복합 코팅 구조물의 XRD 결정화 비율은 80 내지 84% 인 것을 특징으로 하는, 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 구조물.
제11항에 있어서,
상기 제1 코팅층의 접착력은 10 내지 13 N이고,
상기 제2 코팅층의 접착력은 6 내지 8 N인 것을 특징으로 하는, 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 구조물.
제11항에 있어서,
상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층의 복합 코팅 구조물의 경도는 8 내지 13 GPa이고, 접착력은 9 내지 13 N인 것을 특징으로 하는, 대면적 코팅을 위한 박막 스트레스 제어 기반 코팅 구조물.