KR20010111100A - 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 정보기록 디스크 성형용스탬퍼지지금형 및 그 제조방법 - Google Patents

다이아몬드상카본 필름이 코팅된 정보기록 디스크 성형용스탬퍼지지금형 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 정보기록 디스크 성형용 스탬퍼지지금형 및 그 제조방법에 관한 것으로, 디스크에 일정한 형상을 전이하는 스탬퍼와, 상기 스탬퍼와 밀착되어 있으며 스탬퍼의 하부에서 스탬퍼를 지지하는 스탬퍼지지금형과, 상기 스탬퍼 상부에 일정한 공간을 두고 위, 아래로 이동가능한 프레스금형과, 상기 스탬퍼의 주변에 형성되어 있고 스탬퍼 및 스탬퍼지지금형과 밀착되어 있는 링을 포함하여 구성되는 정보기록 디스크성형장치에 있어서, 상기 스탬퍼지지금형은 스탬퍼와 맞닿는 표면상에 비정질 실리콘층이 형성되어 있고 상기 비정질 실리콘층 위에는 경도가 높은 제1 다이아몬드상카본 필름을 형성하고 상기 제1 다이아몬드상카본 필름 위에는 경도가 낮은 제2 다이아몬드상카본 필름이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 정보기록 디스크 성형용 스탬퍼지지금형 및 이를 제조하기 위한 방법을 제공한다.

Description

다이아몬드상카본 필름이 코팅된 정보기록 디스크 성형용 스탬퍼지지금형 및 그 제조방법{STAMPER-SUPPORTING MOLD COATED WITH DIAMOND-LIKE CARBON FILM FOR MOLDING DATA-RECORDING DISKS AND ITS MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 정보기록 디스크 성형용 스탬퍼지지금형 및 그 제조방법에 관한 것이다.
CD, CD-ROM, DVD, MD, 광자기디스크 등 정보기록용 디스크의 성형장치에서 사용되는 스템퍼(stamper)는 성형공정이 반복됨에 따라 표면이 손상되기 쉽다.
도 1은 디스크의 성형을 위한 금형장치의 예를 보여주고 있다. 정보기록용 디스크 제조금형은 스탬퍼(1)와, 스탬퍼를 지지하는 스탬퍼지지금형(2)과, 스탬퍼지지금형의 반대측에서 전후로 이동하는 프레스금형코아(3)로 구성되어 있으며, 스템퍼의 주변에는 링(4)이 존재함으로써 이들 4개의 부품이 밀폐된 성형공간을 형성한다. 성형공정에서 이 밀폐공간 내에 플라스틱(5)을 장입하여 가압 성형함으로써, 성형과 동시에 스탬퍼의 형상을 전이하는 공정이 동시에 이루어진다. 이 공정에서 스템퍼는 기록하고자 하는 정보를 가지고 있는 핵심부품으로서, 본 공정의 생산성을 향상시키기 위해서는 스탬퍼를 지지하고 있는 스탬퍼지지금형(2)이 스템퍼(1)에 손상을 가하지 않도록 보호하기 위한 조치를 강구하여야 한다. 스템퍼에 손상이 발생하면, 고가의 스템퍼를 교체시켜야 하며, 이에 따른 비용의 증가와 생산성의 감소가 생산비를 증가시킨다.
스탬퍼지지금형(2)은 탄소강을 열처리하여 표면 경도를 향상시킨 재질을 사용하는데, 스템퍼와 맞닿는 면을 정밀연마를 실시하여 성형공정중 스탬퍼의 손상을억제하도록 하고 있다. 이러한 정밀연마는 성형공정 중의 열에 의해 스탬퍼의 팽창과 수축이 일어나면서 스탬퍼지지금형의 표면과 스탬퍼의 뒷면간에 일어나는 마찰에 의한 스탬퍼의 손상을 억제하기 위한 조치이지만, 스탬퍼지지금형과 스팸퍼간의 마찰계수가 커서 정밀연마만으로는 스탬퍼의 손상을 충분히 억제하지 못하고 있다. 더구나, 스탬퍼와 스탬퍼지지금형 간에는 높은 압력이 인가되므로 스탬퍼 표면의 손상이 발생할 수 있을 뿐 아니라, 심한 경우 스탬퍼의 균열이 발생할 수도 있어서 성형되는 디스크의 표면에 균열의 흔적이 전이되기까지 한다. 따라서, 스탬퍼의 내마모성을 향상시키기 위하여 스탬퍼와 맞닿는 스탬퍼지지금형의 표면에 TiN 등을 코팅하여 어느 정도의 개선효과를 얻을 수 있었으나, 스탬퍼 표면의 손상을 억제하거나 스탬퍼지지금형과 스탬퍼간의 윤활성을 얻기에는 충분치가 않다.
최근 공개된 일본특허 특개평 10-202668에서는 스팸퍼의 뒷면에 다이아몬드상 카본필름을 코팅하여 스탬퍼 표면의 손상을 개선시킨 디스크 성형방법을 제시하고 있다. 그러나, 스탬퍼의 뒷면에 코팅하기 위해서는 스탬퍼를 세척하고 진공챔버내에 장입하여야 하는데 이러한 스탬퍼의 조작(handling)과 코팅 과정에서 고가인 스탬퍼의 정보기록층에 손상이 가해질 위험이 매우 높다. 또한, 스탬퍼의 코팅시 온도 상승에 의한 스탬퍼의 손상을 억제하기 위하여 냉각장치를 구비해야 하는 등 복잡한 코팅장치가 필요하게 된다.
따라서 본 발명 목적은 정보기록 디스크 성형장치의 스탬퍼 표면의 손상을 억제시키고 스탬퍼지지금형과 스탬퍼간의 윤활성이 매우 우수하여 스탬퍼의 수명이연장되고, 따라서 제조되는 디스크의 품질이 저하되지 않도록 하는데 있다.
도 1은 정보기록 디스크 성형 금형장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 사용된 합성장비의 모식도.
도 3은 본 발명에 의해 코팅된 금형의 사진.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
1:스탬퍼 2:스탬퍼지지금형
3:프레스금형코아 4:링
11:챔버 13:가스공급부
16:전원공급계 17:진공계
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 디스크에 일정한 형상을 전이하는 스탬퍼(stamper)와, 상기 스탬퍼와 밀착되어 있으며 스탬퍼의 하부에서 스탬퍼를 지지하는 스탬퍼지지금형과, 상기 스탬퍼 상부에 일정한 공간을 두고 위, 아래로 이동가능한 프레스금형과, 상기 스탬퍼의 주변에 형성되어 있고 스탬퍼 및 스탬퍼지지금형과 밀착되어 있는 링을 포함하여 구성되는 정보기록 디스크성형장치에 있어서, 상기 스탬퍼지지금형은 스탬퍼와 맞닿는 표면상에 비정질 실리콘(Si)층이 형성되어 있고 상기 비정질 실리콘층 위에는 경도가 높은 제1 다이아몬드상카본 필름을 형성하고 상기 제1 다이아몬드상카본 필름 위에는 경도가 낮은 제2 다이아몬드상카본 필름이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 정보기록 디스크 성형용 스탬퍼지지금형을 제공한다.
상기 제1 다이아몬드상카본 필름은 경도가 10 ~ 40GPa 이고, 필름의 두께가 1 ~ 10㎛ 이며, 상기 제2 다이아몬드상카본 필름은 경도가 10GPa 미만이고, 필름의 두께가 0.01 ~ 2㎛ 이며, 상기 비정질 실리콘층의 두께는 5 ~ 100nm으로 한다.
또한, 본 발명은 챔버 내의 음극 위에 금형을 위치시킨 후 챔버를 진공이 되도록 펌핑하고, 챔버에 방전가스를 공급하고 방전가스를 고주파 방전시켜 상기 금형의 표면을 건식 세척하고, 챔버에 SiH4을 공급하고 고주파로 방전시켜 상기 금형 표면에 비정질 실리콘(Si)층을 코팅하고, 챔버에 탄화수소화합물을 공급하고 고주파 방전시켜 상기 금형위에 형성된 비정질 Si 층 위에 경도가 높은 제1 다이아몬드상카본 필름을 코팅하고, 상기 제1 다이아몬드상카본 필름 위에 경도가 낮은 제2 다이아몬드상카본 필름을 코팅하는 단계를 포함하여 이루어지는 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 정보기록 디스크 성형용 스탬퍼지지금형 제조방법을 제공한다.
스탬퍼와 접촉되어 마찰이 일어나는 스탬퍼지지금형의 표면에 다이아몬드상 카본필름과의 접착력을 증진시키기 위한 접합층을 형성하고, 접합층 위에 윤활성과 내마모성이 우수한 다이아몬드상카본 필름을 코팅함으로써 스탬퍼의 내구성을 증진시킬 수 있다.
다이아몬드상카본(diamond-like carbon: DLC) 필름은 다이아몬드와 유사한 물리화학적 특성을 가진 고상 카본 필름의 하나로서, 합성온도가 낮고 표면이 평활하며 물성의 제어가 용이하다는 장점을 가지고 있다. 특히 표면에너지가 매우 낮아서 이종물질과의 이형성이 우수하고 화학적 안정성이 뛰어나다는 장점을 가지고 있다. 또한, 내마모성 및 윤활특성도 뛰어나 내마모성 고체윤활제로의 활용가능성이 매우 높은 재료이다. 따라서, 드릴등 가공용 공구뿐 아니라 컴퓨터 하드 디스크, 비디오 헤드 및 헤드드럼등 많은 분야에서 활용되고 있는 재료이다.
다이아몬드상카본 필름은 합성 조건에 따라 매우 광범위한 물성을 갖고 있다. 예를 들어, 필름의 경도는 기판에 도달하는 탄소 함유입자의 에너지에 따라 7 ~ 70GPa 까지 변화시킬 수 있다. 다이아몬드상카본 필름의 경우 경도 증가에 따라 내마모성도 함께 증가하지만 기판인 강재와 필름의 마찰계수는 0.1 ~ 0.2를 유지한다. 따라서 본 발명에서는 스탬퍼를 보호하기 위해서 스탬퍼에 제1층으로서 경도가 높은 다이아몬드상카본 필름을 1 ~ 10㎛의 두께로 코팅한 뒤, 제2층으로서 경도가낮은 다이아몬드상카본 필름을 0.01 ~ 2㎛의 두께로 코팅함으로써 스탬퍼에 높은 내마모성과 윤활성을 부여한다. 상기 제1층 및 제2층의 두께가 너무 커지면 잔류응력이 커지므로 안정한 코팅이 어렵다. 다이아몬드상카본 필름의 경도는 제1층의 경우 10 ~ 40GPa가 적당한데, 필름의 두께에 있어서와 마찬가지로, 경도가 너무 커지면 잔류 응력이 높아져서 안정한 필름을 형성시키는데 어렵기 때문이다. 제2층은 내마모성보다는 윤활성을 부여하기 위한 것이므로 경도가 10GPa 미만이 적당하다.
다이아몬드상카본 필름의 합성을 위해서는 탄소이온을 형성시키고, 이들 이온이 높은 에너지를 가지고 합성되는 표면에 충돌하도록 하여야 하는데, 플라즈마 CVD법, 스퍼터링법, 이온빔 합성법, 레이저 어블레이션등 다양한 방법과 이들 방법이 조합된 합성기술 등이 사용되고 있다.
본 발명의 실시예에서 다이아몬드상카본 필름의 합성방법으로는 플라즈마 CVD법을 주로 사용하였다. 그러나, 본 발명의 범위가 이 방법에만 국한되는 것은 아니다. 표면이 평활하고 윤활특성과 내마모성이 우수한 다이아몬드상 카본필름을 합성할 수 있는 모든 방법이 본 발명의 목적에 맞게 사용될 수 있다.
이하 도면을 참조하며 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명에서 사용된 합성장치의 모식도이다. 합성장치는 크게 합성 챔버(11), 진공계(17), 가스공급부(13), 13.56 MHz의 고주파(RF) 전원공급계(16) 등 크게 네 부분으로 나누어져 있다. 필름이 합성되는 금형(15)은 챔버(11) 내의 음극(14)에 위치하게 되는데, 금형(15)의 높이에 의한 플라즈마의 왜곡을 방지하기 위해 금형의 표면과 음극의 표면 높이가 일치되도록 음극을 설계한다. 도면부호 12는 고주파에 의해 발생된 플라즈마를 나타낸다.
다이아몬드상카본 필름의 코팅의 일례는 다음과 같다. 진공계를 사용하여 챔버 내의 압력을 105Torr이하까지 펌핑한 뒤, 방전가스로서 아르곤(Ar)을 공급하면서 아르곤의 고주파 방전을 이용하여 압력 4 mTorr, 8 W/cm2의 조건에서 60분간 금형의 표면을 건식 세척하였다. 건식 세척 후 더욱 필름의 접착력을 증진시키기 위해서 합성개스를 SiH4로 바꾸고 합성압력 20 mTorr, 0.3 W/cm2의 조건에서 2분간 약 50 nm의 비정질 Si 층을 접착력 증진층으로 합성하였다.
플라즈마 CVD에 의한 다이아몬드상카본 필름의 합성을 위해서는 여러가지 탄화수소 화합물을 사용할 수 있는데, 본 발명에서는 합성속도가 빠르고 필름 특성조절이 용이한 벤젠을 이용하였다. 벤젠 이외에도 메탄, 에탄, 아세틸렌 등을 이용할 수도 있다. 합성압력은 10 mTorr로 고정시켰으며, 합성온도는 20℃에서 50℃까지 변화시켰고, 고주파 전력밀도는 0.05에서 1.5 W/cm2까지 변화시켜 가며 제1 및 제2 다이아몬드상카본 필름을 합성하였다. 합성을 위하여 인가되는 고주파 전력밀도가 증가할수록 필름내의 수소 함량은 감소하면서, 필름의 밀도와 경도 그리고 잔류응력은 단조 증가하였으나 온도의 변화에 대하여는 필름의 특성이 무관하였다. 본 실시예에서는 전력밀도가 증가함에 따라 필름의 특성이 폴리머성에서 다이아몬드성으로 변화하였다.
다이아몬드상카본 필름이 코팅된 금형을 정보기록용 디스크 성형공정에 사용한 결과, 스탬퍼에 높은 경도의 제1 다이아몬드상카본 필름만을 코팅한 경우에는 성형공정이 진행됨에 따라 스탬퍼의 뒷면에 손상이 관찰되었지만, 낮은 경도의 제2 다이아몬드상카본 필름도 코팅한 경우에는 300,000회의 동작에서도 스탬퍼의 손상은 관찰되지 않았다.
도 3은 이상의 플라즈마 CVD법으로 코팅된 스탬퍼지지금형을 보여주는 사진이다.
코팅된 필름의 두께는 실시예에 따라서 1에서 4㎛로 조절하였다. 스크래치 테스트(scratch test)로 시험한 코팅층의 접착력은 30N 이었다. 베어링볼(Bearing ball)에 대한 코팅층의 마찰계수는 고주파 전력밀도와 무관하게 0.1 에서 0.2 사이의 값을 가지고 있었다.
이러한 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 금형을 디스크의 성형공정에 적용한 결과, 최적의 코팅조건에서 스탬퍼의 수명을 현저히 향상시키는 효과가 있는 것을 확인할 수 있었다.
TiN이 코팅된 금형과 본 발명에 의한 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 금형을 정보기록용 디스크 성형공정에 사용하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 스탬퍼의 수명은 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 경우 250,000에서 300,000회가 되었으며, 이는 TiN이 코팅된 경우의 30,000에서 50,000회에 비해 6배에서 10배 정도의 수명증가효과가 확인되었다. 또한, 성형된 디스크의 품질을 조사한 결과, TiN이 코팅된 경우에는 스템핑 횟수에 따라 단조감소하는 경향을 보였으나, 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 경우에는 스탬퍼의 수명 동안 디스크품질의 저하가 전혀 관찰되지 않았다.
본 발명에 따르면, 고윤활 내마모 특성의 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 금형을 정보기록 디스크 성형장치에 사용함으로써 최적의 코팅조건에서 스탬퍼의 수명을 현저히 향상시킬 뿐만 아니라 스탬퍼의 수명이 다하기까지는 제조된 디스크의 품질이 저하되지 않는다. 또한 다이아몬드상카본 필름의 우수한 내식성으로 인하여 스탬퍼지지금형의 내부식성을 향상시킬 수 있다. 따라서 디스크 성형공정의 생산성을 증가시킬 수 있다. 또한 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 금형은 다이아몬드상카본 필름을 제거한 뒤 다시 코팅하여 재생이 가능하여 비용감소의 효과를 얻을 수 있다.

Claims (10)

  1. 디스크에 일정한 형상을 전이하는 스탬퍼(stamper)와, 상기 스탬퍼와 밀착되어 있으며 스탬퍼의 하부에서 스탬퍼를 지지하는 스탬퍼지지금형과, 상기 스탬퍼 상부에 일정한 공간을 두고 위, 아래로 이동가능한 프레스금형과, 상기 스탬퍼의 주변에 형성되어 있고 스탬퍼 및 스탬퍼지지금형과 밀착되어 있는 링을 포함하여 구성되는 정보기록 디스크성형장치에 있어서, 상기 스탬퍼지지금형은 스탬퍼와 맞닿는 표면상에 비정질 실리콘(Si)층이 형성되어 있고 상기 비정질 실리콘층 위에는 경도가 높은 제1 다이아몬드상카본 필름을 형성하고 상기 제1 다이아몬드상카본 필름 위에는 경도가 낮은 제2 다이아몬드상카본 필름이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 정보기록 디스크 성형용 스탬퍼지지금형.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 다이아몬드상카본 필름은 경도가 10 ~ 40GPa 이고, 필름의 두께가 1 ~ 10㎛ 인 것을 특징으로 하는 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 정보기록 디스크 성형용 스탬퍼지지금형.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 다이아몬드상카본 필름은 경도가 10GPa 미만이고, 필름의 두께가 0.01 ~ 2㎛ 인 것을 특징으로 하는 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 정보기록 디스크 성형용 스탬퍼지지금형.
  4. 제1항에 있어서, 상기 비정질 실리콘층의 두께는 5 ~ 100nm인 것을 특징으로 하는 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 정보기록 디스크 성형용 스탬퍼지지금형.
  5. 챔버 내의 음극 위에 금형을 위치시킨 후 챔버를 진공이 되도록 펌핑하고,
    챔버에 방전가스를 공급하고 상기 방전가스를 고주파 방전시켜 상기 금형의 표면을 건식 세척하고,
    챔버에 SiH4을 공급하고 고주파로 방전시켜 상기 금형 표면에 비정질 실리콘(Si)층을 코팅하고,
    챔버에 탄화수소화합물을 공급하고 고주파 방전시켜 상기 금형위에 형성된 비정질 Si 층 위에 경도가 높은 제1 다이아몬드상카본 필름을 코팅하고, 상기 제1 다이아몬드상카본 필름 위에 경도가 낮은 제2 다이아몬드상카본 필름을 코팅하는 단계를 포함하여 이루어지는 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 정보기록 디스크 성형용 스탬퍼지지금형 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 건식 세척 단계는 압력 4 mTorr, 고주파 전력밀도 8 W/cm2의 조건에서 이루어지는 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 정보기록 디스크 성형용 스탬퍼지지금형 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 비정질 실리콘 층 코팅단계는 압력 20 mTorr, 고주파전력밀도 0.3 W/cm2의 조건에서 이루어지는 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 정보기록 디스크 성형용 스탬퍼지지금형 제조방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 다이아몬드상카본 필름 코팅단계는 압력 10 mTorr, 온도 20℃ ~ 50℃, 고주파 전력밀도는 0.05 ~ 1.5 W/cm2의 조건에서 이루어지는 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 정보기록 디스크 성형용 스탬퍼지지금형 제조방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 탄화수소화합물은 벤젠, 메탄, 에탄, 아세틸렌 중의 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 정보기록 디스크 성형용 스탬퍼지지금형 제조방법.
  10. 제5항에 있어서, 상기 방전가스는 아르곤(Ar)인 것을 특징으로 하는 다이아몬드상카본 필름이 코팅된 정보기록 디스크 성형용 스탬퍼지지금형 제조방법.
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