KR20040087221A

KR20040087221A - 플라즈마 이온 주입법을 이용한 금속 제품의 내마모성향상 방법

Info

Publication number: KR20040087221A
Application number: KR1020030021500A
Authority: KR
Inventors: 강석환; 전중환; 김홍수; 김용진; 송병길; 안영진
Original assignee: (주) 유니플라텍
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2004-10-13
Also published as: KR100533070B1

Abstract

본 발명은 플라즈마 이온 주입법을 이용하여 금속 제품의 내마모성을 향상시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 진공 챔버 내의 지지대에 상기 금속 제품을 위치시키는 단계, 상기 진공 챔버에 진공 상태를 형성하고, 상기 금속 제품 표면을 플라즈마 에칭하여 클리닝하는 단계, 상기 클리닝된 금속 제품 표면에 가스 플라즈마 소스를 작동시켜 가스 이온을 주입하는 단계, 상기 가스 이온이 주입된 금속 제품 표면에 금속 플라즈마 소스를 작동시켜 금속 이온을 주입하는 단계, 상기 가스 플라즈마 소스와 상기 금속 플라즈마 소스를 동시에 작동시켜 가스 및 금속 혼합 이온을 발생시키는 단계, 상기 금속 제품 표면에 상기 혼합 이온을 코팅하는 단계, 및 진공 상태를 해제하고 상기 금속 제품을 반출하는 단계를 포함한다.

본 발명은 인쇄 회로 기판 가공용 공구나 초경 정밀 금형 등과 같은 금속 제품의 내마모성을 향상시켜 그 수명을 2배 이상 증가시킨다.

Description

플라즈마 이온 주입법을 이용한 금속 제품의 내마모성 향상 방법{Method for increasing wear-resistibility of metal products using plasma ion implantation method}

본 발명은 플라즈마 이온 주입법을 이용하여 인쇄 회로 기판 가공용 공구, 특수 렌즈 제작용 초경 금형 등의 금속 제품의 내마모성을 향상시키는 방법에 관한 것이다.

인쇄 회로 기판(printed circuit board: PCB)의 고집적화, 그 재단 및 천공 속도의 증가 등 고속도강 공구의 사용 환경이 더욱 가혹해짐에 따라, 마이크로 드릴(Micro-drill), 라우터(Router) 등과 같은 인쇄 회로 기판 가공 공구류도 원재료인 WC-Co 서멧(tungsten carbide-cobalt cermet)만으로는 충분한 내마모성을 발휘하기 어렵게 되었다.

비구면 렌즈와 같은 특수 정밀 렌즈의 경우, 프레스 금형을 사용하여 600℃ 이상의 온도에서 성형시킨다. 이때 금형의 재질은 마이크로 드릴이나 라우터와 같은 WC이며 표면 조도가 0.05㎛, 형상 정도가 20㎛ 이내의 초정밀 금형이다. 현재 물리 기상 증착(physical vapor deposition: PVD) 기술로 내마모 코팅 및 이형성 코팅을 시행하여 수명을 늘리고자 하고 있으나, 코팅층의 벗겨짐이나 표면 조도의 변형 등의 문제점을 갖고 있어 충분한 수명을 발휘하기 힘들다.

기존의 초경 피막 제조 기술은 크게 물리 기상 증착 기술과 화학 기상 증착(chemical vapor deposition: CVD) 기술로 양분되며, 피막의 종류와 용도에 따라 적합한 기술을 채택하게 된다. 이러한 기술들은 고체, 기체, 액체 상태로 존재하는 물체에 전기적 에너지를 인가하여 플라즈마(Plasma) 상태로 만들어 주게 되는데, 플라즈마는 높은 에너지를 갖고 있어 화학적 반응을 유도하거나 코팅 소재를 합성하는데 유리하다.

TiN, TiC, TiCN, TiAlN 등의 초경 코팅에는 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)이나 음극 아크 이온 도금(cathodic arc ion plating)과 같은 물리 기상 증착 기술이 유리하며, DLC(diamond like carbon), c-BN(cubic-boron nitride) 등의 코팅에는 화학 기상 증착 기술이 적합하다고 생각된다.

초경 피막 코팅에 국한하여 생각해 볼 때 국내에서는 물리 기상 증착 기술이 보다 널리 보급되어 있으며, 화학 기상 증착의 경우는 일부 표면 처리 업체에서 DLC, BN 등의 코팅에 활용하고 있기는 하지만 그 저변이 매우 좁다. 물리 기상 증착 기술의 경우에도 코팅층의 밀착성이나 기계적 성질 등 품질 수준이 아직 미흡하여 고속 절삭 공구류와 같은 가혹한 조건에서 사용되는 부품을 처리하기에는 충분치 못하며, 주로 장식용 그리고 그다지 가혹하지 않은 환경에서 사용되는 기계 부품 등에 주로 적용하고 있는 실정이다.

초경 코팅막의 벗겨짐을 방지하기 위해 WC 초경 합금강과 초경 코팅막 사이에 접착층을 형성시키거나, 이온 빔(Ion Beam)을 사용하여 표면을 활성화시켜주기도 하지만, 두 방법 모두 모재와 코팅층 간에 서로 다른 재질의 분리면이 존재하여 접착력에 한계가 있어 금속 제품의 사용 수명이 길지 못하다는 문제가 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 인쇄 회로 기판 가공용 공구류나 정밀 금형 등과 같은 금속 제품의 내마모성을 향상시켜 그 수명을 2배 이상 증가시킬 수 있는 플라즈마 이온 주입법을 이용한 금속 제품의 내마모성 향상 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 기본 개념을 설명하기 위한 도면

도 2는 본 발명에 이용되는 혼합 이온 발생 장치를 도시한 도면

도 3은 본 발명의 방법을 이용하여 금속 제품 표면에 형성된 복합층의 일 예를 도시한 도면

도 4는 아킹이 발생하여 손상된 공구의 날카로운 표면을 촬영한 사진

도 5는 아킹이 발생하지 않아 손상되지 않은 공구의 날카로운 표면을 촬영한 사진

도 6은 본 발명이 적용된 마이크로 드릴을 이용하여 홀 가공이 끝난 인쇄 회로 기판 단면의 주사 전자 현미경 사진

도 7은 본 발명이 적용된 라우터의 날카로운 표면을 촬영한 사진

도 8은 본 발명이 적용되지 않은 라우터와 적용된 라우터로 50m 가공한 후의 인쇄 회로 기판의 단면 비교 사진

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

1: 금속 제품(타겟) 2: 이온 주입층

4: 제1 코팅층 6: 제2 코팅층

8: 제3 코팅층 10: 진공 챔버

20: 고전압 펄서 22: 플라즈마 쉬쓰

30: 가스 플라즈마 소스 32: 가스 이온

40: 금속 플라즈마 소스 42: 금속 이온

50: 지지대 60: 그리드

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 플라즈마 이온 주입법을 이용한 금속 제품의 내마모성 향상 방법은 금속 제품의 표면에 플라즈마 이온을 주입시켜 내마모성을 향상시키는 방법에 있어서, 진공 챔버 내의 지지대에 상기 금속 제품을 위치시키는 단계, 상기 진공 챔버에 진공 상태를 형성하고, 상기 금속 제품 표면을 플라즈마 에칭하여 클리닝하는 단계, 상기 클리닝된 금속 제품 표면에 가스플라즈마 소스를 작동시켜 가스 이온을 주입하는 단계, 상기 가스 이온이 주입된 금속 제품 표면에 금속 플라즈마 소스를 작동시켜 금속 이온을 주입하는 단계, 상기 가스 플라즈마 소스와 상기 금속 플라즈마 소스를 동시에 작동시켜 가스 및 금속 혼합 이온을 발생시키는 단계, 상기 금속 제품 표면에 상기 혼합 이온을 코팅하는 단계, 및 진공 상태를 해제하고 상기 금속 제품을 반출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

이온 주입(ion implantation) 기술은 기존의 이온 빔 또는 고전압 바이어스(high voltage bias)를 이용하여 고속도의 이온을 발생시켜 타겟(target)의 표면에 충돌시켜 침투시키는 방법이 사용되고 있다. 기존의 이온 주입은 ICP(Inductance Coupled Plasma), 핫 필라멘트(Hot Filament), 마이크로파(Microwave) 등을 이용해 C⁺, N⁺, Si⁺, H⁺등의 가스 상태의 이온을 발생시켜 타겟 표면에 충돌시키는 가스 이온 주입과, 아크(Arc), 스퍼터(Sputter) 등을 사용하여 Ti⁺, Al⁺, Cr⁺, Cu⁺등의 금속 이온을 발생시켜 주입시키는 금속 이온 주입으로 양분되어 있다.

본 발명은 ICP, 핫 필라멘트 등과 같은 가스 플라즈마 소스와 스퍼터, 아크 등과 같은 금속 플라즈마 소스를 결합하여 가스 이온 주입과 금속 이온 주입, 그리고 금속, 가스 혼합물의 코팅을 동시에 처리할 수 있다.

가스 이온 주입은 그 자체로 WC 초경 합금강에 경화층을 형성시켜 줄 수 있을 뿐만 아니라, TiN, TiAlN, CrN 등과 같은 초경 금속 이온 주입이 잘 일어나도록 표면을 활성화시켜 반응성을 향상시키고, 이 물질들을 코팅할 경우 코팅층이 벗겨지지 않도록 표면에 시드(Seed)층을 형성시켜 준다. 가스 이온 주입만으로 원하는 내화학, 내열, 초경 등의 특성을 내기 힘든 경우가 있다. 이 경우에는 금속 이온 주입을 병행하여 원하는 특성을 부여하는 혼합층을 형성하게 한다.

또한 빔 라인이 아닌 3차원으로 생성된 플라즈마 상태에서 이온들이 전 방향으로 가속되기 때문에 직진성을 가진 기존 빔 라인 이온주입에서는 불가능한 3차원 이온 주입이 가능하다.

도 1은 본 발명의 기본 개념을 설명하는 것이다. 이를 참조하면, 진공 챔버(10)에 타겟(1)을 장입한 후 고전압 펄서(High voltage pulser; 20)를 이용하여 전기장을 형성한다. 펄스가 가해지는 동안 타겟(1) 주위에 역동적인 플라즈마 쉬쓰(plasma sheath; 22)가 형성되고, 마이너스 고압 펄스가 가해진 타겟(1)이 직접 플라즈마 안에 있는 양이온을 끌어당기게 된다. 이것은 자연스럽게 타겟(1)의 모든 면에 대하여 가장 이상적인 입사각인 수직으로 작용하게 되어, 그 전압에 상응하는 에너지를 가진 이온이 빠른 속도로 타겟(1)에 충돌함으로써 그 표면 내로 수천ANGSTROM(옹스트롱) 깊이로 들어가 표면 경화를 일으키게 된다.

도 2는 가스 이온(32)을 발생시키는 가스 플라즈마 소스(gas plasma source; 30)와 금속 이온(42)을 발생시키는 금속 플라즈마 소스(metal plasma source; 40)를 결합한 혼합 이온 발생 장치이다. 가스 이온(32)과 금속 이온(42)은 각기 다른 특성을 갖고 있어 이 두 종류의 이온을 혼합하면 원하는 특성을 가지는 표면층을형성해 줄 수 있다.

혼합 이온 주입은 이온 주입에 의한 표면 경화층만 형성시켜 주는 것이 아니라 가스, 금속 이온(32, 42)의 혼합을 통해 복합적인 기능을 부여해 줄 수 있다. 가스 및 금속 이온 주입은 모재의 경화층 및 활성화층을 형성시켜 주며, 가스와 금속의 복합(Ion-Mixing)은 내마모성, 윤활성, 내열성, 내화학성과 같은 복합 기능을 가진 혼합층을 형성할 수 있도록 한다.

이하에서 본 발명의 각 단계를 상세히 설명한다.

먼저, 진공 챔버(10) 내의 지지대(50)에 금속 제품(1)을 위치시킨다. 상기 금속 제품의 예로서 인쇄 회로 기판 가공용 공구, 특수 정밀 유리렌즈나 특수 정밀 플라스틱 렌즈 제작용 WC 초경 금형 등을 들 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 인쇄 회로 기판 가공용 공구의 예로는 마이크로 드릴, 라우터, 엔드밀(endmill) 등이 있다. 상기 공구의 경우 초음파 세척조 안에서 산세와 수세 과정을 거쳐 유분과 같은 불순물을 제거한 다음 상기 지지대(50)에 위치시키는 것이 바람직하다. 상기 진공 챔버(10)는 10^-6Torr 이상의 진공을 유지시켜 줄 수 있는 것이 바람직하다.

다음에, 상기 진공 챔버(10)에 진공 상태를 형성하고, 상기 금속 제품(1) 표면을 플라즈마 에칭(plasma etching)하여 클리닝(cleaning)한다. 이러한 클리닝 방법 중의 하나로 스퍼터 클리닝(sputter cleaning)이 있는데 이 때 수kV 정도의 전압이 인가된다. 진공 상태는 10^-4Torr 정도가 바람직하며, 상기 플라즈마 에칭을 통해 남아있는 불순물들을 모두 제거하게 된다.

이후에, 상기 클리닝된 금속 제품(1) 표면에 가스 플라즈마 소스(30)를 작동시켜 가스 이온(32)을 주입한다. 상기 가스 플라즈마 소스의 예로서 ICP, 핫 필라멘트, 마이크로파 등을 들 수 있으며, 상기 가스 이온의 예로서 N₂ ⁺, C⁺, NH₃ ⁺, Ar⁺, O₂ ⁺등을 들 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

상기 금속 제품(1)에 펄스 형태의 (-) 전하의 고전압(보통 수십kV 정도)을 인가하여 주며, 질소, 아르곤 등의 가스를 주입해 줌과 동시에 가스 플라즈마 소스(30)를 통해 고주파(보통 수백kHz)의 전원을 인가하여 준다. 고주파로 인해 이온화된 질소 또는 아르곤과 같은 가스 이온은 (+)전하를 갖고 있어 (-)전하를 가진 금속 제품(1) 표면으로 가속하게 된다. 가속된 이온은 금속 제품(1) 표면에 부딪혀 안으로 침투하게 되는데, 이때 격자 변형 및 압축 잔류 응력이 발생하여 표면의 크랙이나 깨짐을 방지해 주게 되어, 표면은 경화되게 된다.

또한 경화된 표면은 그 자체로도 금속 제품(1)의 내마모성을 증가시켜줄 뿐만 아니라, 금속 제품(1) 표면에 충분한 활성화 에너지를 갖게 하고 표면을 활성화시켜, 그 위에 TiAlN, DLC 등과 같은 초경 코팅막들이 충분한 접착력을 가지고 형성되게 한다.

다음에, 상기 가스 이온(32)이 주입된 금속 제품(1) 표면에 금속 플라즈마 소스(40)를 작동시켜 금속 이온을 주입한다. 상기 금속 플라즈마 소스(40)의 예로서 스퍼터, 아크 등을 들 수 있으며, 상기 금속 이온의 예로서 Ti⁺, Al⁺, Cr⁺, Cu⁺,Ni⁺등을 들 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 금속 플라즈마 소스(40)로부터 생성된 금속 이온(42)들이 금속 제품(1) 표면으로 가속되게 되어 금속 주입층을 형성시켜 주게 되고 이 주입층은 초경 금속 코팅층에 높은 접착력을 제공해 준다.

이후에, 상기 가스 플라즈마 소스(30)와 상기 금속 플라즈마 소스(40)를 동시에 작동시켜 가스 및 금속 혼합 이온(32, 42)을 발생시킨 다음, 상기 금속 제품(1) 표면에 상기 혼합 이온(32, 42)을 코팅한다. 이러한 혼합 이온의 발생 및 코팅 단계는 상기 가스 이온(32) 또는 금속 이온(42)을 바꾸어서 두 번 이상 수행되어 둘 이상의 코팅층을 형성할 수 있다.

이러한 둘 이상의 코팅층의 예가 도 3에 도시되어 있다. 이를 보면 이온 주입층(2)과 3개의 코팅층(4, 6, 8)이 형성되어 있다. 여기서 이온 주입층(2)은 변형 표면층(modified surface layer), 제1 코팅층(4)은 경계층(interface layer), 제2 코팅층(6)은 코팅층(coating layer), 제3 코팅층은 표면층(surface layer)으로 불리기도 한다. 상기 이온 주입층(2)은 모재 경화, 상기 제1 코팅층(4)은 밀착성 부여, 응력 완화, 상기 제2 코팅층(6)은 내마모성 및 치밀성 부여, 상기 제3 코팅층(8)은 초경도성, 윤활성, 내열성 부여의 역할을 한다.

이렇게 혼합 이온 코팅층을 한 층 이상 형성한 다음에 최종층의 표면에 상기 가스 이온(32) 또는 상기 금속 이온(42) 또는 상기 혼합 이온(32, 42)을 주입할 수도 있다.

한편, 상기 금속 제품(1)을 지지대(50)에 위치시킨 다음에, 상기 금속제품(1)으로부터 소정 거리 이격시켜 그리드(grid; 60)를 위치시키는 것이 바람직하다(도 2 참조). 상기 그리드(60)의 재질은 스테인레스나 그와 유사한 금속 재질이 바람직하며, 이러한 그리드를 설치함으로써, 플라즈마 이온 주입의 가장 큰 단점인 날카로운 표면에 전기장이 집중되어 생기는 아킹(Arcing) 현상을 방지할 수 있게 된다.

아킹 현상이 발생되게 되면 도 4와 같이 인쇄 회로 기판 가공용 공구 등의 1mm 이하의 날카로운 표면은 깨져서 분리되기나 열 손상을 받게 된다. 그리드(60)를 설치하게 되면 전기장이 상기 공구의 팁(tip) 주위에 형성되지 않아 아킹 현상을 방지된다. 도 5는 그리드(60)가 설치된 결과 상기 공구의 날카로운 면이 손상 없이 보존된 것을 보여준다.

본 발명을 마이크로 드릴에 적용했을 때, 기존 무처리 제품의 경우 2000hit 가공이 가능하였으나, 본 발명의 경우는 5000hit 가공이 가능하였다. 도 6은 홀(hole) 가공이 끝난 인쇄 회로 기판 단면의 주사 전자 현미경 사진으로서 (a)는 3000hit, (b)는 4000hit, (c)는 4500hit, (d)는 5000hit 가공 후의 마이크로 드릴에 의한 인쇄 회로 기판의 가공면을 보여준다. 이러한 가공면에 대한 시험 항목으로서 스미어(Smear), 버르(Burr), 러프니스(Roughness), 네일헤딩(Nailheading) 등의 불량이 있는데 모든 항목에서 허용치 이내의 결과를 얻었다.

또한 본 발명을 라우터에 적용했을 때에도 아킹 현상 없이 이온 주입이 양호하게 이루어졌음을 알 수 있다(도 7 참조).

그리고 본 발명이 적용된 라우터로 인쇄 회로 기판을 재단했을 때 기존 라우터의 사용 수명이었던 20m 가공 후 인쇄 회로 기판 단면에는 변함이 없었으나, 50m 가공후의 인쇄 회로 기판 단면 사진을 비교해 보면 도 8과 같은 차이가 발생하였다. 여기서 (a)는 기존 무처리 라우터를 사용한 결과이며, (b)는 본 발명이 적용된 라우터를 사용한 결과이다. 따라서 본 발명이 적용된 라우터의 경우 50m 이상 가공이 가능한 것으로 판단된다.

이와 같이 마이크로 드릴이나 라우터와 같은 공구의 수명이 2배 이상 길어지면 공구의 교체 시간이 감소됨으로써 인쇄 회로 기판 생산 시간이 단축될 뿐만 아니라 공구의 수요 감소로 전체 전자 제품 경쟁력이 크게 향상될 수 있다.

기존의 물리 기상 증착이나 화학 기상 증착의 DLC, TiN, TiAlN 등의 초경 코팅도 이론적인 경도는 증가할 수 있으나, 10만rpm 이상 회전하는 공구의 가혹한 사용 환경으로 인해 초경 피막이 벗겨지거나 공구가 부러질 수 있다. 또한 초경 금형의 경우 600℃ 이상의 작업 온도와 높은 압력이 가해지는 프레스 금형의 압력으로 금형 표면에 손상을 주게 되어 렌즈의 광학적 특성을 변화시키게 된다. 그러나 본 발명의 경우 DLC, TiN, TiAlN 등이 모재에 주입되어 있어, 가혹한 작업 조건에서도 초경 피막이 벗겨지지 않을 뿐만 아니라 모재 그대로의 형상을 유지시켜 금형의 치수 변형을 막게 된다.

또한 마이크로 드릴의 경우 다이아몬드 휠을 사용하여 연마(Resharpening) 과정을 거쳐 4 내지 5회 재사용하고 있는데 물리 기상 증착, 화학 기상 증착과 같은 일반 코팅의 경우 연마가 불가능하여 1회 사용으로 사용 수명을 다하거나, 다이아몬드 휠에 무리를 주어서 가능한 연마 횟수를 줄이기도 한다. 그러나 본 발명의경우 재연마가 가능하여 마이크로 드릴을 4 내지 5회 이상 가공하여 사용할 수 있도록 해준다. 또한 3차원 이온 주입이 가능하여 별도의 장치 없이 복잡한 드릴 날 표면에 균일한 이온 주입이 가능하다.

정밀 금형의 경우에도 무디어진 금형 표면을 제거한 후 금형틀을 다시 세워 사용함으로써 추가 제작 비용을 절약하고 있다. 혼합 이온 주입 기술의 경우 이온 주입층이 0.1㎛ 이하로, 금형을 재가공 연마하는 깊이(약 500㎛)보다 크게 작아 재가공을 가능하게 한다.

본 발명의 혼합 이온 주입 기술은 단일 기능만 부여하는 기존의 단순 표면 처리 기술의 한계를 벗어나, 금속 또는 가스 이온과, 혼합 이온을 선택적으로 이온 주입 또는 코팅해 주는 기술이다. 따라서 기존 물리 기상 증착, 화학 기상 증착, 단순 이온 주입법으로 형성시키기 힘든 혼합층을 형성시켜 줄 수 있어, 인쇄 회로 기판용 공구나 초정밀 금형과 같이 기존 방법이 적용되기 힘든 가혹한 작업용 공구에 적용할 수 있다.

본 발명의 혼합 이온 주입 기술과 기존의 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 이온 주입 기술을 비교하면 하기 표 1과 같다.

기술 분류	방법	적용 분야	장점 및 단점
화학 기상 증착	기체, 액체, 고체상의 물체를 화학적인 방법에 의해 증발시켜 원하는 모재에 코팅하는 기술	디스플레이,반도체,초경 코팅 등	ㆍ막의 균일성과 품질이 우수함ㆍ처리 시간 긺, 높은 처리 온도, 유독 가스 발생 우려, 벗겨짐
물리 기상 증착	고체(금속, 비금속)상의 물체를 물리적인 방법에 의해 증발시켜 원하는 모재에 코팅하는 기술	초경 코팅, 장식용 건식 도금, 전자 부품	ㆍ높은 증착 속도, 비교적 단순한 공정ㆍ균일성과 품질이 떨어짐, 대면적 처리 힘듦, 벗겨짐
이온 주입	모재 표면에 원하는 이온(가스 상태)을 높은 에너지로 조사하여 표면 처리하는 기술	반도체, 금속 및 비금속 표면 처리	ㆍ치수 변형 없고 모재에 손상을 주지 않음, 벗겨짐 없음ㆍ공정이 복잡, 고가의 장비가 요구됨, 3차원 표면 처리 불가
혼합 이온 주입	물리 기상 증착, 화학 기상 증착, 이온 주입기술을 혼합하여 금속 및 가스 상태로 존재하는 이온을 선택적으로 주입ㆍ코팅해주는 기술	물리 기상 증착, 화학 기상 증착 적용 분야 외 반도체, 금속 및 기타 비금속 표면 처리	ㆍ다른 표면 처리 기술과 연계하여 사용 가능ㆍ공정이 간단하며 벗겨짐 없음ㆍ복잡한 형상(3차원) 처리 및 대용량 처리에 용이ㆍ재현성 뛰어남

인쇄 회로 기판용 공구에 대한 기존의 표면 처리 기술과 본 발명의 혼합 이온 주입 기술을 적용한 결과가 하기 표 2에 기재되어 있다.

표면 처리 소재	비커스(Vikers)경도(Hv)	장점	단점
WC-Co (원재료)	1000	ㆍ높은 내열, 내부식성	ㆍ낮은 경도와 내마모 특성
TiN 코팅	2200	ㆍ미려한 표면ㆍ응용 분야 넓음	ㆍ400℃ 이상에서 산화ㆍ낮은 접착력
TiCN 코팅	3000	ㆍ높은 경도ㆍ낮은 마찰 계수	ㆍ낮은 산화 온도(350℃ )ㆍ고속도 공구에 적용 불가ㆍ낮은 접착력
TiAlN 코팅	3300	ㆍ높은 경도와 낮은 마찰계수ㆍ내열 특성 우수	ㆍ낮은 접착력ㆍ높은 처리 비용
c-BN 코팅	4000	ㆍ내화학성 우수ㆍ높은 경도	ㆍ합성 조건 매우 복잡ㆍ유독 가스 발생ㆍ낮은 접착력
일반 DLC 코팅	2000~3000	ㆍ윤활 특성 매우 우수(매우 낮은 마찰 계수)ㆍ내열특성 우수	ㆍ높은 응력에 의한 벗겨짐 심함(접착력 약함)
일반 이온주입	2500 이상	ㆍ접착력 매우 우수ㆍ높은 내마모 특성	ㆍ물리 기상 증착, 화학 기상 증착법과 혼용 불가(코팅 기술 적용 불가)ㆍ열 손상, 전기적 손상 가능성
혼합 이온 주입(이온 주입 + DLC, TiN, TiAlN 등)	3000 이상	ㆍ높은 경도ㆍ높은 내마모 특성ㆍ재료별 맞춤 가능(3차원 물체 처리 가능)ㆍ접착력 매우 우수

현미경, 디지털 카메라 등에 사용되는 특수 렌즈(구면, 비구면 초정밀 렌즈 등)를 제작하는데 WC 초경 금형을 사용한다. 일반적으로 고가의 카메라에 들어가는 렌즈는 WC 초경 금형 내에서 600?? 정도의 온도에서 제조된다. 이때 광투과성과 굴절율 등을 고려하면 0.05㎛ 이내의 굴곡 없는 매끄러운 면이 요구된다.

현재 스퍼터링법에 의한 내마모 코팅이 수행되고 있으나 WC 금형과의 접착력이 약해 수명 증가 효과가 미약하다. 또한 코팅에 의한 원 금형의 치수 변형의 문제점이 있다.

본 발명을 구면, 비구면 초정밀 렌즈 금형 등의 WC 초경 금형에 적용하는 경우, N₂, C(DLC: Diamond Like Carbon), Ar 등의 비금속 이온이나 Ti, Al 등의 금속 이온을 주입하게 된다.

가스 및 금속 이온 주입에 의해 경화된 금형의 표면층에는 다시 이형성 박막(Pt 계열 등)을 코팅해, 금형과 제품의 탈착성을 좋게 만들어 작업성을 향상시킨다.

본 발명의 혼합 이온 주입 기술은 내마모성 이온이 WC 금형 소재에 침투하여 벗겨짐에 의한 문제를 해결할 수 있어 수명 향상 효과가 클 뿐만 아니라 모재에 변형을 주지 않아 수율을 높일 수 있다.

본 발명은 인쇄 회로 기판 가공용 공구 등과 같은 금속 제품의 내마모성을 향상시켜 그 수명을 2배 이상 증가시킴과 아울러, 이로 인하여 공구 등의 교체 시간을 감소시킴으로써 인쇄 회로 기판 등의 생산 시간을 단축시킬 뿐만 아니라 공구 등의 수요 감소로 전체 제품 경쟁력을 크게 향상시킬 수 있다.

또한 렌즈 성형용 초정밀 금형의 경우, 금형 수명 향상 및 불량 감소, 작업성 향상, 교체 시간 단축 등으로 인하여 특수 정밀 렌즈 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.

이상에서 살펴본 본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims

금속 제품의 표면에 플라즈마 이온을 주입시켜 내마모성을 향상시키는 방법에 있어서,

진공 챔버 내의 지지대에 상기 금속 제품을 위치시키는 단계,

상기 진공 챔버에 진공 상태를 형성하고, 상기 금속 제품 표면을 플라즈마 에칭하여 클리닝하는 단계,

상기 클리닝된 금속 제품 표면에 가스 플라즈마 소스를 작동시켜 가스 이온을 주입하는 단계,

상기 가스 이온이 주입된 금속 제품 표면에 금속 플라즈마 소스를 작동시켜 금속 이온을 주입하는 단계,

상기 가스 플라즈마 소스와 상기 금속 플라즈마 소스를 동시에 작동시켜 가스 및 금속 혼합 이온을 발생시키는 단계,

상기 금속 제품 표면에 상기 혼합 이온을 코팅하는 단계, 및

진공 상태를 해제하고 상기 금속 제품을 반출하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입법을 이용한 금속 제품의 내마모성 향상 방법.
제1항에 있어서,

상기 금속 제품은 인쇄 회로 기판 가공용 공구, 또는 특수 정밀 유리렌즈나 특수 정밀 플라스틱 렌즈 제작용 WC 초경 금형인 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입법을 이용한 금속 제품의 내마모성 향상 방법.
제1항에 있어서,

상기 금속 제품을 위치시키는 단계 다음에,

상기 금속 제품으로부터 소정 거리 이격시켜 상기 금속 제품의 날카로운 부분의 손상을 방지하기 위한 그리드를 위치시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입법을 이용한 금속 제품의 내마모성 향상 방법.
제1항에 있어서,

상기 가스 플라즈마 소스는 ICP, 핫 필라멘트, 및 마이크로파로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, 상기 가스 이온은 N₂ ⁺, C⁺, NH₃ ⁺, Ar⁺, 및 O₂ ⁺로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입법을 이용한 금속 제품의 내마모성 향상 방법.
제1항에 있어서,

상기 금속 플라즈마 소스는 스퍼터 또는 아크이며, 상기 금속 이온은 Ti⁺, Al⁺, Cr⁺, Cu⁺, Pt⁺, Ir⁺및 Ni⁺로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입법을 이용한 금속 제품의 내마모성 향상 방법.
제1항에 있어서,

상기 혼합 이온의 발생 및 코팅 단계가 두 번 이상 수행되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입법을 이용한 금속 제품의 내마모성 향상 방법.
제1항에 있어서,

상기 혼합 이온을 코팅하는 단계 다음에,

상기 코팅에 의하여 생성된 층의 표면에 상기 가스 이온 또는 상기 금속 이온 또는 상기 혼합 이온을 주입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입법을 이용한 금속 제품의 내마모성 향상 방법.