KR20040022639A - 탄소계 물질 박막 형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 탄소계 물질 박막 형성방법은 미소공음극 방전(micro-hallow emission) 또는 이온빔활성증착(IBAD)을 이용하여 물체 표면에 다이아몬드상탄소(DLC) 및 질화탄소(C3N4) 박막을 형성함으로써, 의학용 임플란트 재료나 신소재로 사용할 수 있는 박막형성 방법에 관한 것이다.
본 발명은 진공상태에서 입사시킨 탄소계물질로부터 미소공음극 방전을 이용하여 탄소이온 플라즈마를 생성하고 여기서 생성한 탄소이온 플라즈마를 피코팅물체에 가압시킴으로써 탄소계물질 박막을 형성하는 특징과, 진공상태에서 탄소원을 기화시키는 동시에 가스 이온빔을 조사하여 증착종에 추가의 에너지를 부가하는 이온빔어시스트 증착(Ion beam assist deposition, IBAD)하여 탄소계물질 박막을 형성하는 특징이 있다.
이러한 본 발명은 의료용 임플란트 재료의 피막형성은 물론 건식세정, 저온메탈코팅, 폴리머/고무(Rubber) 표면 접착성개선, 섬유표면개질 등 다양한 분야에 적용할 수 있어, 탄소계 물질 가공기술 발전에 기여할 것으로 기대된다.

Description

탄소계 물질 박막 형성방법{The generation method of thin coating film by carbon system material}
본 발명은 신소재 공정기술에 관한 것으로, 자세하게는 미소공음극 방전(micro-hallow emission) 또는 이온빔활성증착(IBAD, Ion Beam Assisted Deposition)을 이용하여 물체 표면에 다이아몬드상탄소(Diamond-Like Carbon, 이하 'DLC') 및 질화탄소(C3N4,Carbon Nitride) 박막을 형성함으로써, 의학용 임플란트 재료나 신소재로 사용할 수 있는, 탄소계 물질 박막 형성방법을 제시한 것이다.
신소재(advanced materials, 新素材)란 종래에 없던 새로운 성능이나 용도를 가지게 된 소재다. 이러한 신소재 산업은 기술의 도약뿐만 아니라 그 자체가 새로운 산업을 일으키고 부가가치를 높여주는 효과가 있다.
이러한 신소재는 전자·전기제품을 비롯하여 자동차·선박·항공기 등은 물론, 다양한 의학기구 등 거의 모든 분야에 적용되는 산업이다. 따라서 첨단산업의 발전과 필요불가결한 관계에 있다고 할 것이다.
이와 같이 신소재산업은 계속적으로 새로운 것을 창조해 내는 것이 중요하며, 이런 중요성을 인식하고 있는 세계 유수의 많은 연구소나 기관에서 신소재를 개발하기 위한 노력을 계속하고 있다.
따라서 새로운 가공기술을 제시하기 위한 본 발명은, 미소공음극 방전(micro-hallow emission) 또는 이온빔활성증착(IBAD, Ion Beam Assisted Deposition)을 이용하여 물체 표면에 다이아몬드상탄소(Diamond-Like Carbon, 이하 'DLC') 박막을 형성함으로써, 의학용 임플란트 재료나 신소재로 사용할 수 있는, 탄소계 물질 박막 형성방법에 대한 기술을 제공하기 위한 것이다.
도 1는 본 발명의 일실시예에 따른 미소공음극(microhallow)에서의 탄소계 물질 박막 형성방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 미소공음극의 구조도.
도 3는 미소공음극에서 방전이 일어나는 상태를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 이온빔어시스트 증착공정을 이용한 탄소계 물질 박막 형성방법을 설명하기 위한 도면.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
110 : 미소공음극(microhallow cathode)장치
110a : 양극(애노드)
110c : 미소공음극(micro-hallow cathode)
110h : 미소공극(micro hallow)
110i : 유전체(insulator)
120 : RF전원
130 : 제1공극관
140 : 제2공극관
150, 550 : 임플란트재료
510 : 증착소스공급체
520 : 이온소스공급체
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 탄소계 물질 박막 형성방법은,
진공상태에서 입사시킨 탄소계물질로부터 미소공음극 방전을 이용하여 탄소이온 플라즈마를 생성하고 상기 생성한 탄소이온 플라즈마를 피코팅물체에 가압시킴으로써 탄소계물질 박막을 형성하는 것을 특징으로 하며,
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 탄소계 물질 박막 형성방법은,
진공상태에서 탄소원을 기화시키는 동시에 가스 이온빔을 조사하여 증착종에 추가의 에너지를 부가하는 이온빔어시스트 증착(Ion beam assist deposition, IBAD)하여 탄소계물질 박막을 형성하는 특징이 있다.
이하 첨부된 도면 등을 참조하여 본 발명의 탄소계 물질 박막 형성방법을 자세히 설명한다.
다이아몬드상탄소(Diamond-Like Carbon;DLC, 이하 'DLC')나 질화탄소(Carbon Nitride, C3N4)는 생물학적으로 친화성이 있는 탄소, 산소, 질소로만 이루어져 화학적으로 매우 안정할 뿐 아니라 기계적 강도 및 윤활특성이 다른 물질에 비해 월등히 우수하므로 생리학적, 면역학적 안정성과 내구성이 요구되는 치과재료용 임플란트(implant) 재료로 아주 적합한 물질이라 할 수 있다.
이러한 DLC는 높은 경도와 낮은 마찰계수, 화학적 안정성과 전기저항성이 크며, 광학적으로 투명한 특성을 가지고 있다. 따라서, 전술한 바와 같이 치과 재료용 임플란트(implant)에 필요로 하는 기계적, 화학적 특성을 만족할 수 있으며, 기존의 산화티탄(티탄디옥사이드, TiO2) 막을 사용하였을 경우에 발생하는 티타늄(Ti)의 탈박(dissolution) 현상이 거의 발생하지 않는다. 또한, 높은 투과도와 기계적 특성 때문에 요구되어지는 박막의 두께를 감소시킬 수 있으며, 다이아몬드 결합을 하므로 높은 밀도로 인한 미세구조가 치밀하므로 불침투성이 커서 투과에 의해 발생하는 부식을 방지하는 데도 좋다.
DLC에서는 sp3/sp2결합의 비를 향상시킴으로써 투과도와 기계적, 구조적 특성이 다이아몬드에 근접시키는 것이 중요하며, 종래에는 높은 sp3/sp2결합비를 가지는 DLC의 합성을 위하여 음극방전(cathodic arc)나 레이저융제(laser ablation)와같은 증착종의 에너지와 유동(flux)이 높은 증착방법이 사용되어져 왔다.
그러나 후술하겠지만 본 발명에서는, 플라즈마의 밀도와 전자의 온도가 높은 미소공음극 플라즈마(Microhollow cathode plasma)를 이용하여 저온에서 높은 sp3/sp2결합비를 가지는 DLC 박막 형성이 가능하다.
아울러 본 발명에서는 이온빔을 이용하여 증착종을 활성시키는 이온빔어시스트증착(Ion beam assist deposition, IBAD)을 통해서도 우수한 DLC 박막 합성이 가능하다.
또한 본 발명에서는 탄소계 물질로 질화탄소(C3N4) 및 비정질 질화탄소를 이용하여 탄소계 물질에 의한 박막을 형성하게 된다.
이러한 질화탄소(Carbon Nitride, C3N4)는 DLC에 비견되는 기계적 강도와 제반특성을 가지고 있을 뿐만 아니라, DLC에서와 같은 생체재료 또는 박막재료로서의 특성 또한 우수하다. 이 역시 후술하겠지만 본 발명에서는 이러한 질화탄소(C3N4)를 탄소계 물질에 의한 박막형성재료로 사용되는 예를 보여주게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미소공음극(microhallow)에서의 탄소계 물질 박막 형성방법을 설명하기 위한 도면이다. 본 발명에서는 탄소계 물질로 DLC(다이아몬드상탄소)와 질화탄소(Carbon Nitride, C3N4)를 이용하는 예를 중심으로 설명한다.
DLC를 이용한 탄소계 물질 박막은 탄소이온(C-)을 증착시켜 형성하는 박막으로, 탄소이온(C-)의 증착과정시 증착에너지를 조절하여 DLC박막의 특성을 변화시키게 된다.
도 1과 같이 DLC박막을 형성하기 위한 시스템은 미소공음극장치(110)에 RF전원(120)을 인가한 상태에서, 제1공극관(130)에서는 DLC박막의 재료 즉 메탄(CH4)가스를 공급하게 되고 제2공극관(140)에는 DLC박막을 입히고자 하는 의료용 임플란트(150)를 세워두게 된다.
즉 미소공음극장치(microhallow, 110)에 약 14Mhz 정도의 RF전원(120)을 공급한 상태에서, 제1공극관(130)에서 메탄(CH4)가스를 투입시키게 된다.
여기서 메탄(CH4)가스는 흑연(graphite, 그래파이트)을 미소공음극(micro hallow chthode)에 입혀 형성하고 이렇게 형성한 미소공음극을 작동시킴으로써 탄소이온이나 플라즈마가 발생되도록 하는 방법도 있으나, 미소공음극이 닳은 경우에는 새로운 전극으로 교체해 주어야 하는 등 문제가 있어 이러한 방법은 거의 사용하지 않는다.
이렇게 투입된 메탄(CH4)가스는 중간의 미소공음극 구간(110)에서 수소성분이 날아가고 탄소성분은 탄소이온(C-)이 되어 플라즈마 형태로 제2공극관(140)으로 이동하게 되며, 제2공극관(140)에 세워둔 의료용 임플란트재료(150)의 표면은 DLC박막이 형성된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 미소공음극의 구조도이고, 도 3은 미소공음극에서 방전이 일어나는 상태를 보인 것이다.
미소공음극(micro-hallow cathode) 구조란 아주 미소한(수 ㎛대) 공극(hallow)을 많은 수로 형성하고 있으며, 이러한 공극들이 하나의 극이 되는 방전구조를 의미한다.
도시한 바와 같이, 미소공음극 구조는 상부(한쪽)에 양극(애노드, 110a)이 형성되어 있고, 그 반대편은 미소공음극(micro-hallow cathode, 110c)이 위치하고 있다. 그리고 미소공음극(110c)의 표면에는 유전체(insulator, 110i)가 도포됨으로써 유전장벽 방전(dielectric barrier discharge) 개념의 구조를 취하고 있다. 따라서 이러한 미소공극(micro hallow, 110h)은 유전체(110i)를 도포함으로써 그 내부는 물리적 크기가 더욱 줄어든 미소공극(micro hallow, 110h)을 형성하게 된다.
이러한 미소공음극 구조에 있어서 각 미소공극(110h) 내에 존재하는 전자는 미소공음극(110c)과 양극(110a)에 인가되어 상호 대칭적으로 존재하는 음극 강하에 의해 가속되며, 이 과정에서 미소공극(110h) 내부의 전자는 강한 진동을 일으키게 되고, 결국 이렇게 됨으로써 내부의 중성 상태 기체를 이온화(ionization) 및 여기(excitation)시키게 된다. 따라서 양극(110a)의 표면에 형광물질을 도포시키는 경우 형광이나 발광의 효율이 상승한다.
결국 본 실시예에 있어서 미소공음극(110c)의 미소공극(110h)에서 방출되는 전자는 도 2의 [A]와 같이 최초 방사후에, 도 2의 [B]와 같이 전자 진동(electron oscillation)을 일으킴으로써 미소공음극 구조내의 플라즈마 밀도를 크게 증가되며, 미소공극(110h) 내에서의 플라즈마 밀도를 높이는 작용을 하게 된다.
그리고 이러한 미소공음극 구조에서는 도 3과 같이, 미소공음극(110c)과 양극(110a) 사이에 강하게 전자진동이 형성되어 강한 방전이 발생함을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 이온빔어시스트 증착공정을 이용한 탄소계 물질 박막 형성방법을 설명하기 위한 도면이다.
도시한 바와 같이, 이온빔어시스트 증착(IBAD; Ion Beam Assisted Deposistion)과정은 증착하고자 하는 임플란트재료(550)의 맞은편에 증착소스공급체(510)가 위치하고 있고, 그 옆에는 이온빔 형태로 에너지를 전달하는 이온소스공급체(520)가 위치하고 있다. 이러한 이온소스(520)는 증착전 임플란트재료(550)의 표면을 깨끗하게 유지시키거나 청결하게 만드는 효과를 나타내기도 한다.
먼저, 이온소스공급체(520)에서는 이온을 어시스트(assist)하여 에너지를 증가시키는 가운데 탄소소스공급체(510)에서 탄소를 전자소스를 이용하여 기화(evaporation) 기화시킴으로써 임플란트재료(550)의 표면에 DLC 박막을 형성하게 된다.
이때 어시스트(assist)하는 이온으로는 아르곤이온(Ar+), 크립톤이온(Kr+), 제논이온(Xe+) 등과 같은 불활성기체의 이온이 바람직하다. 아울러 이와같이 이온빔어시스트 증착(IBAD)을 이용하는 경우 온도를 높이지 않고 상온에서 간편하게 효율적인 DLC 박막을 형성하는 것이 가능하다.
아울러 본 발명에서는 탄소계 물질로 DLC 뿐만 아니라 질화탄소(C3N4)를 이용해서 탄소계 물질 박막 형성하는 것이 가능하다.
이 경우 전술한 바와 같이, 미소공음극 장치를 이용하는 경우에는 입구에 질소나 암모니아 가스를 주입하고 출구쪽에 임플란트재료를 위치시키므로써 탄소계 물질에 의한 박막 형성이 가능하다.
또한 이온빔어시스트 증착(IBAD)을 이용하는 경우에는 증착소스공급체(510)에서 질화탄소(C3N4) 가스를 주입하고 맞은 편에 임플란트재료를 위치시키므로써 역시 탄소계 물질에 의한 박막 형성이 가능하다.
이러한 본 발명은 상온에서 임플란트 및 박막형성재료의 특성에 맞게 제조공정을 조절하여 생산단가를 낮출 수 있는 획기적인 방법으로, 본 발명은 의료용 임플란트 가공이외에도 건식세정, 저온메탈코팅, 폴리머/고무(Rubber) 표면 접착성개선, 섬유표면개질 등, 본 발명의 기술개념을 바탕으로 다양한 분야로의 적용할 수 있다.
본 발명은 미소공음극 방전과 이온빔어시스트 증착(IBAD)을 이용하여 종래와 같이 온도를 높이거나 특정한 증착조건을 설정함이 없이도 탄소계 물질에 의한 박막 형성이 가능하다.
이러한 본 발명의 기술은 의료용 임플란트 재료의 피막형성은 물론 건식세정, 저온메탈코팅, 폴리머/고무(Rubber) 표면 접착성개선, 섬유표면개질 등 다양한 분야에 적용하는 것이 가능하여, 탄소계 물질 가공기술 발전에 기여할 것이다.

Claims (3)

  1. 진공상태에서 입사시킨 탄소계물질로부터 미소공음극 방전을 이용하여 탄소이온 플라즈마를 생성하고 상기 생성한 탄소이온 플라즈마를 피코팅물체에 가압시킴으로써 탄소계물질 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는, 탄소계 물질 박막 형성방법.
  2. 진공상태에서 입사시킨 탄소계물질로부터 이온빔어시스트 증착(Ion beam assist deposition, IBAD)하여 상기 탄소계물질을 전자빔으로 증발시키면서 이온을 고에너지 상태로 피코팅물체에 보조 증착시킴으로써 탄소계물질 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는, 탄소계 물질 박막 형성방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄소계물질은
    질화탄소(C3N4) 가스인 것을 특징으로 하는, 탄소계 물질 박막 형성방법.
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