KR20080109316A

KR20080109316A - 질소가 함유된 디엘씨 코팅방법

Info

Publication number: KR20080109316A
Application number: KR1020070057476A
Authority: KR
Inventors: 김성완; 김상권; 조용기; 유세훈; 최은석
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2008-12-17
Also published as: KR100891540B1

Abstract

본 발명은 박막 코팅시 분체 생성을 방지하여 표면조도와 마찰계수 및 밀착력과 경도를 향상시킬 수 있도록 한 질소가 함유된 플라즈마 화학기상증착에 의한 박막 코팅방법 및 그 제품에 관한 것이다.

이를 위해, 기재 표면을 활성화하고 잔류 유기물을 제거하기 위한 반응가스 를 챔버 내부에 투입하여 기재 표면을 전처리하고, 챔버 내부에 DLC층과의 밀착성 향상을 위해 N₂를 포함한 반응가스를 투입하여 질화처리하므로 기재 표면에 나노화된 하지층을 형성하며, 챔버 내부에 내식성과 윤활성 향상을 위한 반응가스와 함께 NH₃를 투입하여 DLC층을 코팅하는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 따라, DLC층 코팅 이전에 질소에 의한 고밀도 질화처리를 수행하므로 경도가 우수한 하지층이 형성되고, 미량 첨가되는 NH₃를 통해 DLC생성조건에서 반응 생성물에 의한 분체를 생성하지 않아 생산성이 우수하고 제품의 불량률을 현저하게 떨어뜨리며, 표면조도와 마찰계수 및 밀착력을 향상시켜 우수한 윤활성능을 확보할 수 있고, 기재의 경도를 향상시킬 수 있는 효과도 있다.

DLC, 질소, 질화, 암모니아, 분체.

Description

질소가 함유된 디엘씨 코팅방법 및 그 제품{Nitrogen contained-DLC(Diamond like carbon) film manufacturing method and Products}

도 1a, 1b는 종래의 DLC 코팅기술을 통해 코팅된 기재 표면에 분체가 생성된 사진,

도 2a, 2b는 종래의 DLC 코팅기술을 통해 코팅된 기재 표면에 스크래치 테스트 결과를 나타낸 사진,

도 3은 종래의 DLC 코팅기술을 통해 코팅된 기재의 마모 테스트에 의한 마찰계수를 나타낸 사진,

도 4a, 4b는 종래의 DLC 코팅기술을 통해 코팅된 기재의 밀착력 테스트 결과를 나타낸 사진,

도 5는 종래의 DLC 코팅기술을 통해 코팅된 기재의 밀착력 테스트에서 스퍼터링 시간 변화에 따른 결과를 나타낸 사진,

도 6은 본 발명에 사용된 코팅장치를 개략적으로 도시한 모식도,

도 7은 본 발명의 질소가 함유된 DLC 코팅방법에 일실시예를 순차적으로 나열한 블록도,

도 8은 도 7의 코팅방법을 통해 코팅된 구조를 개략적으로 도시한 사시도,

도 9는 본 발명의 질소 여부를 확인하기 위해 XPS 분석결과를 나타낸 그래프 선도 및 표,

도 10은 본 발명의 질소 여부를 확인하기 위해 라만 분석결과를 나타낸 그래프선도,

도 11a, 11b는 본 발명에 의한 DLC층 코팅공정에서 5%중량부의 NH₃를 첨가한 경우의 건식 및 습식 마찰 실험결과를 도시한 사진,

도 12a, 12b는 본 발명에 의한 DLC층 코팅공정에서 2.5%중량부의 NH₃를 첨가한 경우의 건식 및 습식 마찰 실험결과를 도시한 사진,

도 13a, 13b는 본 발명에 의한 DLC층 코팅공정에서 1.3%중량부의 NH₃를 첨가한 경우의 건식 및 습식 마찰 실험결과를 도시한 사진,

도 14는 본 발명에 의한 건식 및 습식 마찰실험 결과와 기존의 DLC 코팅기술에 의한 마찰실험 결과를 비교하여 나타낸 표,

도 15는 본 발명에 의해 코팅된 기재에 경도 압자에 의한 결합력 테스트와, 스크레치 테스트에 의한 결과를 각각 나타낸 사진,

도 16은 본 발명에 의해 코팅된 다른 기재에 경도 압자에 의한 결합력 테스트와, 스크레치 테스트에 의한 결과를 각각 나타낸 사진,

도 17은 본 발명에 의해 코팅된 실제 제품 사진,

도 18은 본 발명에 의해 코팅된 다른 실제 제품 사진.

*도면중 주요 부호에 대한 설명*

10 : 기재 20 : 하지층

30 : DLC층 40 : 챔버

41 : 진공펌프 42 : 가스 인입장치부

43 : 파워서플라이 P10 : 스퍼터링공정

P20 : 하지층 형성공정 P30 : DLC층 코팅공정

본 발명은 DLC 코팅방법 및 그 제품에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박막 코팅시 분체 생성을 방지하여 표면조도와 마찰계수 및 밀착력, 경도 등을 향상시킬 수 있도록 한 질소가 함유된 DLC 코팅방법 및 그 제품에 관한 것이다.

일반적으로, 산업용 제품, 특히 자동차용 부품은 대부분 제조 후 장기간 사용하게 되는 제품으로써, 제품이 마모되거나 윤활성의 저하시 소음과 연료손실 등이 발생하고, 연료의 리크 문제와 더불어 효율이 떨어지게 되는 중대한 결함으로 이어질 수 있게 된다.

이를 바꾸어 설명하면, 엔진부분의 윤활성 향상과 표면층의 압축응력 향상시, 회전체의 강성이 증가하여 동력전달을 극대화시킬 수 있게 되고, 제품 경량화 작업시 전체 동력 발생과 제품의 사용 효율에 지대한 영향을 미치게 된다. 이에, 캠샤프트, 타펫, 연료분사노즐 및 브란쟈 등과 같은 주요 자동차 부품에 대해서 내구 특성과 윤활 특성 등을 확보하기 위해 상당한 연구와 개발이 진행되고 있다.

한편, DLC(Diamond Like Carbon)코팅의 경우, 내화학성, 윤활성 등과 함께 비교적 높은 코팅 경도를 갖게 되므로, 그 특성을 활용할 경우 부품의 기계적 특성을 향상시킬 수 있게 된다. 그러나 상기한 DLC코팅은 제조공정이 복잡하고, 생산단가가 비싸 적용이 어려우며, 무엇보다 적용되는 소재가 제한된다는 큰 단점이 있었다.

또한, 대부분의 DLC 코팅 제작 공정이 Arc Ion Plating, Ion Implantation, Magnetic sputtering법 등으로 제작됨으로, 공정 내에서 코팅이 이온의 직진성에 영향을 받아 코팅도 방향성을 가진다는 문제가 있다. 이에, 상기한 문제를 해결하기 위해, 제품의 형상이 복잡한 경우에는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법으로 DLC 코팅을 수행하고 있으나, 밀착력과 수명에 있어서 문제점이 대두되고 있고, 외국에 비해 국내의 PECVD법 기술력은 다소 미비한 실정에 있다.

즉, 일본에서 공지된 DLC 코팅 기술의 경우, 코팅층의 밀착력과 제품 수명 저하의 문제점을 해결하기 위해 DLC층 코팅 직전에 Si층을 0.1~1㎛ 정도 우선 코팅하는 공정이 있으며, 일본의 공지된 다른 DLC 기술의 경우도 Si을 넣기 위해 프로판가스와 TMS(Tetra Methyl Silane, 테트라메틸실렌)가스를 첨부하여 코팅을 하기도 한다.

그러나, 상기한 종래의 DLC 코팅 기술들은 고진공에서 스퍼터링하여 표면의 흡착력을 증가시켜 밀착력을 증가시키는 것으로 설명하고 있으나, 공정 제어에 어려움이 있고, 특히 TMS가 분위기 가스와 반응하여 분체를 다량 형성시켜 클러스터를 만들며 이것이 제품의 표면에 내려 앉아 제품의 불량요인으로 작용하는 문제점이 있다. 즉, 기존의 PECVD 공정의 경우 제품이 들어있는 챔버 내에서 플라즈마를 발생시킬 때에, 첨가되는 가스와의 반응으로 분체가 발생하고 이것이 제품의 표면에 앉아 제품의 코팅불량 혹은 밀착력과 품질이 낮아지게 되는 것이다.

도 1a는 상기와 같이 고진공에서 DLC 코팅한 경우의 제품 표면을 확대한 사진으로, 표면에 분체가 생성된 것을 확인할 수 있고, 심하게는 도 1b와 같이 수많은 분체가 생성될 수도 있는 것이다.

이처럼, 분체가 형성되면 제품의 밀착력 평가와 마모 시험시 표면에서 코팅막이 부서지고 뜯겨져 나가게 되어 성능이 떨어지는 결과를 보이게 되는데, 이것이 분체가 생성되면 품질이 급격히 나쁘게 되는 주요 원인으로 작용하는 것이다.

이에, 도 2a, 2b에서는 기존의 PECVD를 통해 코팅된 막을 스크래치 테스트한 이미지를 도시한 것으로, 분체 주변에서 막이 뜯기고 부서지게 되는 것을 확인할 수 있다.

아울러, 도 3은 기존의 PECVD를 통한 코팅막의 밀착력을 테스트하기 위해 건식분위기에서의 마모 실험 결과를 도시한 것으로, 마찰계수가 높아 윤활특성이 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 4a, 4b는 경도 압자에 의한 결합력 평가 결과를 나타낸 것으로, 크랙이 발생하거나 밀착력이 좋지 않아 주변이 벗겨지게 되는 것을 확인할 수 있다.

이에, 상기한 경도 압자 테스트 결과의 문제점을 해결하기 위해 공정 중의 스퍼터링 시간을 변화시킨 후, 다시 밀착력 테스트를 수행하였으나, 도 5와 같이 스퍼터링 시간 변화는 밀착력 향상에 영향을 미치지 못함을 확인할 수 있었다.

아래의 표 1은 일반적으로 사용되고 있는 DLC 코팅기술의 종류와 그 특징 및 적용예상 부품 등을 참고적으로 기재한 것이다.

막종	성막방법	막경도 (Hv)	최대두께 (㎛)	최고사용 온도,℃	특징	적용부품
DLC (a-C:H)	PACVD	2,500	10	350	내소착성,내하중성, 내마모성이 양호 상대 공격성이적음	피스톤링, 캠샤프트, 로크암, 엔진벨브 (티탄), 밸브리프트, 피스톤핀, 커넥션로드 (티탄제), 연료분사 펌프부품
Me-DLC (Me-C:H)	PVD (Sputtering)	1,000 ~ 1,500	30	300	내소착성, 내하중성, 내마모성이 양호 인성,충격성이 강함 상대재 공격이 적음	기어,랙, 밸브리프트, 피스톤링, 엔진밸브 (티탄), 피스톤핀, 커넥션로드(티탄), 연료분사펌프부품
DLC-Si (a-C:H:Si)	PACVD	1,000	10	350	경변성이양호 내소착성,내하중성 내마모성이 양호	Clutch plate (Drive plate)
ta-C (CNx)	PVD (Sputtering)	4,500	3	500	내소착성,내하중성, 내마모성이 양호	밸브리프트

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 박막 코팅 이 전에 질소를 이용한 고밀도 질화처리를 수행하므로 경도가 우수한 하지층이 형성되고, 플라즈마 내에서 미량 첨가되는 NH₃가 독특한 반응을 유발하여 DLC생성조건에서 반응 생성물에 의한 분체 형성을 방지하여 표면조도와 마찰계수 및 밀착력이 우수하고, 내식성을 갖도록 한 질소가 함유된 DLC 코팅방법 및 그 제품을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 박막 코팅 공정 중에 첨가되는 질소와 탄소와의 결합에 의해 높은 경도의 박막 생성을 유도하고 그로 인해 제품 성능을 향상시킬 수 한 질소가 함유된 DLC 코팅방법 및 그 제품을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 박막 코팅방법은, 기재 표면을 활성화하고 잔류 유기물을 제거하기 위한 반응가스를 챔버 내부에 투입하여 기재 표면을 전처리하는 스퍼터링공정과; 상기 챔버 내부에 DLC층과의 밀착성 향상을 위해 N₂를 포함한 반응가스를 투입하여 고진공 고밀도에서 질화처리함으로써, 상기 기재 표면에 나노화된 하지층을 형성하는 하지층 형성공정과; 상기 챔버 내부에 내식성과 윤활성 향상을 위한 반응가스와 함께 NH₃를 투입하여 상기 하지층 표면에 분체가 발생하지 않고 경도가 향상된 DLC(Diamond Like Carbon)층을 제조하는 DLC층 코팅공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 박막 코팅방법에 의해 제조되는 박막 코팅기재는, 플라즈마 전처리에 의해 표면이 활성화되고 잔류 유기물이 제거된 기재와; 상기 기재 표면에 DLC층과의 밀착성 향상을 위해 N₂를 이용하여 질화처리한 하지층과; 상기 하지층 표면에 내식성과 이형성 및 윤활성 향상과 함께 분체를 발생하지 않으면서 경도 향상을 위해 코팅된 DLC층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 질소가 함유된 DLC 코팅방법은, 스퍼터링공정(P10)과, 하지층 형성공정(P20)과, DLC층 코팅공정(P30)으로 구성된다.

먼저 스퍼터링공정(P10)에서는 기재(10) 표면을 활성화하고 잔류 유기물을 제거하기 위한 반응가스를 챔버(40) 내부에 투입하여 기재(10) 표면을 전처리하게 된다.

도 6 내지 도 8을 통해 보다 상세하게 설명하면, 챔버(40) 내부에 코팅하고자 하는 기재(10)를 장입한 후, 진공펌프(41)를 이용하여 챔버(40) 내부의 압력을 10^-3~1×10^-4torr 사이로 유지시키고, 챔버(40) 내부의 온도를 300℃ 이하로 유지시킨 상태에서 가스 인입장치부(42)를 통해 상기 챔버(40) 내부에 Ar과 H₂과 같은 반응가스를 투입하는데, 이때 상기 Ar 500sccm, H₂ 500sccm으로 1:1의 비율로 투입하는 것이 적절하다.

그리고, 상기 기재(10)에는 파워서플라이(43)를 통해 펄스형 바이어스 전압을 인가하여 30~60분 동안 플라즈마를 생성 유지함으로써, 상기 플라즈마 내에서 화학적 반응을 일으켜 기재(10) 표면을 활성화(에칭)하는 동시에 유기세정에 의해 처리하지 못한 기재(10) 표면의 잔류 유기물을 제거(크리닝)하게 된다.

하지층 형성공정(P20)에서는 상기 챔버(40) 내부에 DLC층(30)과의 밀착성 향상을 위해 N₂를 포함한 반응가스를 투입하여 고진공 고밀도에서 질화처리함으로써, 상기 기재(10) 표면에 나노화된 하지층(20)을 형성한다.

보다 상세하게 설명하면, 상기한 스퍼터링공정(P10) 이 후, 챔버(40)의 압력을 0.05~0.1torr로 승압 유지시키고, 온도를 500℃로 승온 유지시키며, 전압을 상기 스퍼터링공정(P10) 상태로 그대로 유지시킨 채, 상기 챔버(40) 내부에 N₂ 100sccm, H₂ 300sccm으로 1:3의 비율로 투입하면서 60~120분 동안 상기 기재(10) 표면에 밀착력 향상을 위한 하지층(20)을 코팅한다. 이때, 상기 챔버 내부는 고진공 상태를 유지하고 내부에 N₂를 투입함으로써, 기재(10) 표면을 나노화된 상태로 질화처리할 수 있게 된다.

DLC층 코팅공정(P30)에서는 상기 챔버(40) 내부에 내식성과 이형성 및 윤활성 향상을 위한 반응가스와 함께 NH₃를 투입하여 상기 하지층(20) 표면에 분체가 발생하지 않고 경도가 향상된 DLC(Diamond Like Carbon)층을 코팅한다.

보다 상세하게 설명하면, 상기한 하지층 형성공정(P20) 이 후, 챔버(40) 내부의 압력을 1.8~2torr로 유지시키고, 온도와 전압을 상기 하지층 형성공정(P20) 상태로 유지시킨 채, 상기 챔버(40) 내부에 Ar 100~400sccm과 H₂ 400sccm과 탄화수소계 화합물과 TMS 5~10sccm 및 NH₃를 투입하여 하지층(20) 표면에 DLC층(30)을 코팅한다.

여기서, 상기 탄화수소계 화합물로는 C₂H₂, CH₄, C₆H₆ 등이 사용될 수 있으나, CH₄가 사용되는 것이 적절하고, 약 200~1000sccm이 투입된다. 그리고, 상기 NH₃는 상기 탄화수소계 화합물의 투입량에 대비하여 약 1.3~5%중량부 만큼 투입되는 것으로 5~100sccm이 투입된다.

이와 같이 코팅되는 DLC에 대해 간략하게 살펴보면, DLC는 1970년경 미국의 한 과학자에 의해 흑연을 원료로 Ion-beam 증착법에 의해 carbon막을 생성케 되었 는데 다이아몬드와 매우 유사한 성질을 갖음으로 해서 DLC(Diamond Like Carbon)라고 하게 되었다.

이러한, DLC는 Amorphous 구조로서 구조적으로는 다이아몬드 결정과는 다르지만 특성적으로는 다이아몬드와 매우 가까운 물질이다. 아울러 상기한 DLC가 종래의 TiN, TiCN 등의 경질막과 비교시 현저하게 다른 점은, 마찰계수가 매우 낮은 표면을 갖는 것이라 할 수 있다.

한편, 상기한 플라즈마 전처리공정(P10)과, 중간층 코팅공정(P20)과, DLC층 코팅공정(P30) 전반에 걸쳐 사용되는 펄스형 바이어스 전압으로는 DC, Pulse DC, RF를 모두 포함하게 되는데, 상기한 펄스형 바이어스 전압은 주파수, Duty, 양전압의 3개 변수를 가변하여 유지할 수 있게 된다.

여기서, 상기 주파수(펄스 주파수)는 기본적으로 음전압의 펄스를 주기적으로 내보내는 시간에 따른 파형의 수를 의미하고, Duty는 동 주파수에 음전압 및 양전압의 인가시간을 의미하는 것으로, 특히 Pulsed DC 전원의 경우에는 인가 주파수 1kHz~1000kHz 범위 내에서 변화하여 음전압의 폭인 Duty 변화를 주어 공정을 실시할 수 있고, 그 이상의 주파수에서도 공정의 실시가 가능하다.

그리고, 절연체막인 상기 DLC층(30)을 코팅하기 위해서는 대칭 및 비대칭 펄스를 인가해야 하고 비대칭 펄스는 0~500V 범위의 양전압을 변화하여 공정을 실시하며, 그 이상의 양전압을 인가할 수 있다.

한편, 상기와 같은 질소가 함유된 DLC 코팅방법에 의해 코팅되는 코팅기재는 기재(10) 표면에 하지층(20)과 DLC층(30)이 증착되어 구성된다.

도 8을 통해 설명하면, 기재(10)는 산업용 부품들 중 특히, 윤활성과 내식성 및 내구성이 필요한 주요 자동차 부품에 적용되는 것으로, 사용되는 기재(10) 특성 및 종류에 따라 알루미늄 또는 스테인리스 스틸과 같은 철계의 재질로 성형될 수 있다.

이러한, 상기 기재(10)는 스퍼터링에 의해 표면이 활성화되어 소정의 식각 깊이가 조성되고, 표면은 잔류 유기물이 제거된 상태가 된다.

그리고, 상기 기재(10) 표면에는 DLC층(30)과의 밀착성 향상을 위해 N2를 이용하여 고밀도에서 질화처리함으로써, 나노 상태의 하지층(20)이 형성된다. 또한, 상기 하지층(20) 표면에는 내식성과 이형성 및 윤활성 향상과 함께 분체가 발생되지 않고 경도가 향상된 DLC층(30)이 코팅된다. 여기서, 상기 DLC층(30)은 대략 0.5~1㎛의 두께로 증착 코팅이 된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 질소가 함유된 DLC 코팅방법을 이용하여 기재(10)에 DLC층(30)을 코팅하기 위해서는, 먼저 챔버(40) 내부에 스퍼터링을 위한 반응가스를 투입하여 기재(10) 표면을 활성화(에칭)시키고, 세정(유기세정)에 의해 처리하지 못한 기재(10) 표면의 잔류 유기물을 제거한다.

상기한 스퍼터링 이 후, 상기 챔버(40) 내부에 밀착력 확보를 위한 반응가스를 투입하되, 고밀도에서 질화처리하여 기재(10) 표면에 나노 상태의 하지층(20)을 형성함으로써, DLC층(30)과의 밀착력을 향상시키는 조건을 갖추게 된다.

그리고, 상기한 하지층(20) 형성 이 후에는, 상기 챔버(40) 내부에 반응가스를 투입하여 상기 하지층(20) 표면에 DLC층(30)을 코팅하게 됨으로써, 상기 DLC층(30)을 통해 제품은 윤활성과 밀착성 및 내식성의 특성을 발휘하게 된다.

이처럼, 상기한 방법을 통해 DLC층(30)이 코팅된 코팅기재는 NH₃의 가스 반응에 의해 첨가된 질소가 DLC층(30) 내에서 C-N결합을 만들게 됨으로써, 코팅기재의 경도를 약 1800~2000Hv로 향상시킬 수 있고, 또한 낮은 수치의 마찰계수를 확보하여 우수한 윤활성능을 발휘할 수 있게 된다.

이에, 상기한 DLC층(30)에 질소 존재 여부를 확인하기 위해 도 9에 도시된 XPS(형광전자분석) 분석결과를 살펴보면, 질소 및 탄소의 분석 결과 질소가 발견되고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 도 10에 도시된 라만분석 결과를 살펴보면, G, D peak 이 외에, 질소(N) peak가 관찰되는 것을 볼 때에, DLC층(30) 내에 질소가 함유됨을 확인 할 수 있다.

아울러, NH₃의 함량에 따른 건식과 습식분위기에서의 마찰 마모시험 결과를 각각 살펴보면, 먼저 도 11a는 건식분위기에서 5%중량부의 NH₃를 첨가한 경우의 마찰 실험 결과이고, 도 11b는 습식분위기에서 5%중량부의 NH₃를 첨가한 경우의 마찰 실험 결과를 나타낸 것으로, 마찰 계수가 매우 낮고 기재(10) 표면에 분체가 전혀 없이 매끄러운 것을 볼 수 있다. 다만, 건식 마모 실험의 경우 미세한 마모흔이 나타남을 알 수 있다.

다음으로, 도 12a는 건식분위기에서 2.5%중량부의 NH₃를 첨가한 경우의 마찰 실험 결과이고, 도 12b는 습식분위기에서 2.5%중량부의 NH₃를 첨가한 경우의 마찰 실험 결과를 나타낸 것으로, 건식 마모시 약간의 마모흔적이 나타나긴 하나, 여전히 마찰계수가 매우 낮게 나타남을 확인할 수 있다.

그리고, 도 13a는 건식분위기에서 1.3%중량부의 NH₃를 첨가한 경우의 마찰 실험 결과이고, 도 13b는 습식분위기에서 1.3%중량부의 NH₃를 첨가한 경우의 마찰 실험 결과를 나타낸 것으로, 마모흔이 매우 적으며, 마찰계수 역시 매우 낮은 것을 확인할 수 있다.

도 14는 상기와 같은 본 발명에 의한 DLC 코팅층의 마찰 마모 실험 결과와 일반적인 PECVD에 의한 기존 DLC 코팅층의 마찰 마모 실험 결과를 대비한 것을 표로 정리한 것으로, 건식분위기에서의 실험 결과를 살펴보면 기존의 DLC 코팅층에 비해 본 발명의 NH3를 함유한 DLC 코팅층의 평균 마찰계수가 매우 낮게 나타남을 확인할 수 있다. 다만, 습식분위기에서 실험 결과는 기존의 DLC 코팅층과 본 발명의 DLC 코팅층의 마찰 계수가 큰 차이점을 보이지 않고 있으나, 이는 오일을 이용한 실험 특성상 오일의 마찰계수가 본래 낮은 데에서 비롯된 것에 불과하다.

한편, 상기와 같이 본 발명은 NH₃ 가스 첨가를 통해 DLC층(30)을 코팅하므로, 공정 중 분체가 형성되지 않아 코팅 표면의 조도가 높고, DLC층(30)과의 우수한 밀착력을 확보할 수 있게 된다. 이에, 도 15와 도 16에서는 본 발명의 밀착력 평가를 위해 각각 다른 공정 조건으로 실험하여, 경도 압자에 의한 결합력 테스트와, 스크레치 테스트한 실험결과 사진(이미지)을 각각 도시하였다.

즉, 도 15에 도시된 실험사진은, 하지층 형성공정(P20)의 조건으로 압력 0.05torr, 온도 500℃ 하에서 N₂ 100sccm, H₂ 300sccm을 투입하여 질화처리하였고, DLC층 코팅공정(P30)의 조건으로 압력 1.8~2torr, 온도 500℃ 하에서 Ar 400sccm, H₂ 400sccm, CH₄ 600sccm, TMS 10sccm, NH₃ 20sccm을 투입하여 DLC층(30)을 코팅하였다.

이러한 조건으로 코팅된 기재(10)에 경도 압자에 의한 결합력 테스트 결과 도시된 바와 같이, 압자 주변이 벗겨지거나 크랙이 발생하지 않고 깨끗한 압흔 이미지를 나타내고 있음을 알 수 있고, 또한 스크레치 테스트 결과 도시된 바와 같이 코팅된 막이 뜯겨지지 않음을 알 수 있는 바, 밀착력이 우수함을 확인할 수 있는 것이다.

아울러, 도 16에 도시된 실험사진은, 하지층 형성공정(P20)의 조건으로 압력 0.05torr, 온도 500℃ 하에서 N₂ 100sccm, H₂ 300sccm을 투입하여 질화처리하였고, DLC층 코팅공정(P30)의 조건으로 압력 1.8~2torr, 온도 500℃ 하에서 Ar 400sccm, H₂ 400sccm, CH₄ 600sccm, TMS 10sccm, NH₃ 10sccm을 투입하여 DLC층(30)을 코팅하였다.

이러한 조건으로 코팅된 기재(10) 역시 경도 압자에 의한 결합력 테스트 결과 도시된 바와 같이, 압자 주변이 벗겨지거나 크랙이 발생하지 않고 깨끗한 압흔 이미지를 나타내고 있음을 알 수 있고, 또한 스크레치 테스트 결과 도시된 바와 같이 코팅된 막이 뜯겨지지 않음을 알 수 있는 바, 밀착력이 우수함을 확인할 수 있는 것이다.

상기한 바와 같은 실험 결과들을 통해, 본 발명은 질화처리를 통한 하지층(20) 형성으로 밀착력이 향상됨은 물론, 이때 반응 생성물에 의한 분체가 전혀 없어 생산성이 우수하고 제품의 불량률을 현저하게 떨어뜨릴 수 있는 장점이 있다.

즉, 도 17은 본 발명에 의해 DLC층(30)이 증착 코팅된 샘플 이미지를 나타낸 것이고, 도 18은 Q/T처리된 제품에 본 발명의 DLC층(30)을 코팅한 실제 제품을 도시한 것으로써, 공정 중 분체의 생성을 방지하여 매끄럽고 광택이 나는 표면을 갖는 제품을 확보할 수 있고, 그에 따라 우수한 성능의 산업 생산 부품을 제조할 수 있는 것이다.

한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

이상에서와 같이 본 발명은, 기재에 DLC층 코팅 이전에 질소에 의한 고밀도 질화처리를 수행하므로 나노크기의 표면 생성물로 표면조도 변화가 거의 없고, 코팅공정시 미량의 NH3가 첨가되어 플라즈마 내에서 독특한 반응을 유발함으로써, 반응 생성물에 의한 분체가 전혀 없어 생산성이 우수하고 제품의 불량률을 현저하게 떨어뜨릴 수 있는 장점이 있고, 특히 표면조도와 마찰계수 및 밀착력을 향상시켜 우수한 윤활성능을 확보할 수 있는 효과가 있다.

더욱이, DLC층 형성 과정에서 NH₃의 가스 반응에 의해 첨가된 질소가 DLC층 내에서 C-N결합을 만들어 코팅기재의 경도를 가일층 향상시킬 수 있는 효과도 있다.

Claims

기재(10) 표면을 활성화하고 잔류 유기물을 제거하기 위한 반응가스를 챔버(40) 내부에 투입하여 기재(10) 표면을 전처리하는 스퍼터링공정(P10)과;

상기 챔버(40) 내부에 DLC층(30)과의 밀착성 향상을 위해 N₂를 포함한 반응가스를 투입하여 고진공 고밀도에서 질화처리함으로써, 상기 기재(10) 표면에 나노화된 하지층(20)을 형성하는 하지층 형성공정(P20)과;

상기 챔버(40) 내부에 내식성과 윤활성 향상을 위한 반응가스와 함께 NH₃를 투입하여 상기 하지층(20) 표면에 분체가 발생하지 않고 경도가 향상된 DLC(Diamond Like Carbon)층을 코팅하는 DLC층 코팅공정(P30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소가 함유된 DLC 코팅방법.
제 1항에 있어서, 상기 스퍼터링공정(P10)은, 챔버(40) 내부의 압력을 1×10^-3~1×10^-4torr로 유지시키고, 온도를 300℃ 이하로 유지시키며, 상기 챔버(40) 내부에 Ar과 H₂를 1:1의 비율로 투입하되 기재(10)에 펄스형 바이어스 전압을 인가시켜 30~60분 동안 플라즈마를 생성 유지함으로써, 기재(10) 표면을 활성화하고 잔류 유기물을 제거하는 것을 특징으로 하는 질소가 함유된 DLC 코팅방법.
제 1항에 있어서, 상기 하지층 형성공정(P20)은, 챔버(40)의 압력을 0.05~0.1torr로 유지시키고, 온도를 500℃로 승온 유지시키며, 전압을 상기 스퍼터링공정(P10) 상태로 유지시킨 채, 상기 챔버(40) 내부에 N₂와 H₂를 1:3의 비율로 투입하면서 60~120분 동안 상기 기재(10) 표면에 밀착력 향상을 위한 하지층(20)을 코팅하는 것을 특징으로 하는 질소가 함유된 DLC 코팅방법.
제 1항에 있어서, 상기 DLC층 코팅공정(P30)은, 챔버(40)의 압력을 1.8~2torr로 유지시키고, 온도와 전압을 상기 하지층 형성공정(P20) 상태로 유지시킨 채, 상기 챔버(40) 내부에 Ar과 H₂와 탄화수소계 화합물과 TMS 및 NH₃를 투입하여 하지층(20) 표면에 DLC층(30)을 코팅하는 것을 특징으로 하는 질소가 함유된 DLC 코팅방법.
제 4항에 있어서, 상기 DLC층 코팅공정(P30)에서 투입되는 NH₃는 탄화수소계 화합물에 포함된 탄소함량에 대비하여 1.3~5%중량부를 첨가하는 것을 특징으로 하는 질소가 함유된 DLC 코팅방법.
플라즈마 전처리에 의해 표면이 활성화되고 잔류 유기물이 제거된 기재(10)와;

상기 기재(10) 표면에 DLC층(30)과의 밀착성 향상을 위해 N₂를 이용하여 질화처리한 하지층(20)과;

상기 하지층(20) 표면에 내식성과 이형성 및 윤활성 향상과 함께 분체를 발생하지 않으면서 경도 향상을 위해 코팅된 DLC층(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소가 함유된 DLC 코팅기재.
제 6항에 있어서, 상기 DLC층(30)은 그 두께를 0.5~1㎛ 사이로 증착하는 것을 특징으로 하는 질소가 함유된 DLC 코팅기재.