KR20110026712A - 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤 및 그 제조방법 - Google Patents

다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철강 소재의 피스톤 본체에 탄화수소(CnH2n)와 수소(H2)를 반응가스로 사용하여 플라즈마 처리에 의해 다이아몬드상 카본 박막을 코팅시킨 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤 및 그 제조방법에 관한 것이다.
상기와 같은 본 발명에 의해 제조된 피스톤은 장기간 사용시에도 피스톤 소재의 미세조직에 변화가 없이 높은 경도를 유지하고, 특히 습도가 낮은 조건에서도 윤활성능이 우수하여 굴삭기, 대형크레인 등과 같은 회전용 중장비의 동력을 전달하는 유압펌프의 중요 부품인 피스톤으로의 사용에 적합한 것이 장점이다.
다이아몬드상 카본 박막, 피스톤, 초음파 세척, 산처리, 수소 에칭, 아르곤 세정, 중간층 증착

Description

다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤 및 그 제조방법{Piston coated diamond like carbon thin film and Method of manufacturing the same}
본 발명은 철강 소재의 피스톤 본체에 탄화수소(CnH2n)와 수소(H2)를 반응가스로 사용하여 플라즈마 처리에 의해 다이아몬드상 카본 박막을 코팅시킴으로써, 장기간 표면처리한 피스톤의 사용시에도 피스톤 소재의 미세조직에 변화가 없이 높은 경도를 유지하고, 특히 습도가 낮은 조건에서도 윤활성능이 우수하여 굴삭기, 대형크레인 등과 같은 회전용 중장비의 동력을 전달하는 유압펌프의 중요 부품인 피스톤으로의 사용에 적합한 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 유압펌프는 전기모터, 내연기관 등과 같은 주동력원으로부터 생성된 기계에너지를 유압에너지로 변환시키는 중요한 장치로써, 중장비용, 전차용 등으로 사용되고 있으며 유압을 이용하여 장비를 동작시키는 중요한 장치로써 작은 크기의 제품으로 큰 동력을 만들어내는 목적에 사용된다. 특히, 중장비의 중량물에 대하여 상하이동 및 좌우회전 시 부드러운 동작과 함께 큰 동력을 만들어 내어 안전하고 정확한 동작을 구성하게 한다.
이와 같이 굴삭기, 대형크레인 등과 같은 회전용 중장비의 동력을 전달하는 중요 부품인 피스톤 펌프의 부품들은 국내 몇 업체에서 제작하여 공급하고 있지만 국내에서 제작된 부품들은 즉, 피스톤을 사용하기 전에는 도 1a의 사진(100배 확대한 광학현미경사진)에 나타난 바와 같이 질화층이 뚜렷하게 관찰되고 있지만 사용 시간이 경과함에 따라 도 1b의 사진(100배 확대한 광학현미경사진)에 나타난 바와 같이 질화층이 없어지는 양상을 알 수 있다. 피스톤 펌프 구동시 내부에서 발생하는 열에 의해서 피스톤 소재의 내부 조직이 변화하고 있음을 알 수 있고, 이 조직의 변화에 따라 최초에 보유하고 있던 경도가 손실되어 내마모성이 저하되며, 최종적으로 펌프의 효율이 떨어지는 현상이 발생하게 되므로 장기간 사용이 불가능한 점 등의 문제점을 가지고 있다. 따라서 보쉬렉스로스(독일), 가와사키 또는 우찌다(일본) 등에서 수입하여 굴삭기, 대형크레인 및 군용 전차 등의 중장비에 적용하고 있는 실정으로 해외기술 의존도가 높은 제품으로 핵심부품의 국산화 개발이 시급한 상황이다.
한편, 상기와 같이 고물성이 요구되어지는 피스톤과 같은 부품을 표면처리하기 위한 소재로서, 다이아몬드상 카본(Diamond Like Carbon, 이하 'DLC'라 한다) 박막이 알려져 있으며, 이와 같은 다이아몬드상 카본(DLC) 박막은 비정질 카본 박막의 하나로서 다이아몬드와 유사한 높은 경도, 윤활성, 내마모성, 화학적 안정성, 전기절연성, 그리고 광학적 투과성을 가지고 있는 재료를 말한다. 수소를 함유한 경우에는 구조적 특성을 강조한 수소함유 비정질 카본이라는 이름이 사용되기도 하며, 최근 이러한 FVA (Filtered Vacuum Arc)법으로 제조된 초경질-다이아몬드상 카본 박막은 sp3 분율이 매우 높고, 거의 다이아몬드에 가까운 기계적 물성 및 밀도 등의 특성으로 인해 ta-C(tetrahedral amorphous carbon) 혹은 a-D(amorphous diamond)라고 불리고 있으며, 특히 습도가 낮은 조건에서의 윤활성도 뛰어나 우주산업용 기계부품의 윤활코팅에 적합하다는 평가를 받고 있는 바와 같이 대표적인 고윤활 고경도 물질로 분류된다.
상기와 같은 특성을 갖는 다이아몬드상 카본 박막은 그 특이한 구조와 우수한 물리화학적 성질로 인해 많은 연구자들의 관심을 끌어 왔다. 다이아몬드상 카본 박막의 구조는 다이아몬드나 흑연과는 달리 비정질이며, 따라서 그 물리 화학적 특성이 넓은 범위에 걸쳐 있다. 박막 내의 결합 형태는 카본의 경우 sp3, sp2, sp1 혼성결합이 모두 가능하므로 단일결합뿐 아니라 이중, 삼중 결합이 섞여 있다. 이러한 점에서 다이아몬드상 카본 박막은 같은 족인 Si의 비정질 재료보다 복잡한 결합구조를 가지고 있는데, 합성조건에 따라 이러한 결합형태의 비율을 파악하는 것이 박막구조와 특성의 이해를 위해 매우 중요하다.
따라서, 상기에서 상술한 바와 같은 다이아몬드상 카본을 피스톤 소재의 표면에 형성시키는 방법에 대한 다양한 기술들이 연구개발되고 있으며, 이와 같은 기술을 적용시킨 특허로서, 국내 공개특허공보 특2002-0055500호는 피스톤의 표면이 유압 발생과정에서의 왕복운동으로 인하여 마찰 및 마모 등에 의한 표면손상으로 유압 발생장치의 오작동을 유발하게 되므로 이를 개선하기 위한 방안으로 피스톤의 표면에 아르곤 분위기에서 바이아스를 사용하여 스퍼터 세척하는 1단계와, 아르곤과 실레인의 혼합 분위기에서 바이아스 로 중간층을 증착하는 2단계 및 탄화수소 가스를 도입하고 바이아스를 -300∼-600V로 하여 상기의 피스톤에 다이아몬드상 카본 필름을 1.0∼10㎛의 두께로 코팅하는 3단계의 과정을 거치는 것을 특징으로 하는 유압발생장치 피스톤의 다이아몬드상 카본 필름 코팅 방법이 알려져 있고, 그리고 국내 공개특허공보 제2005-0010481호에 연소 엔진에 사용되는, 특히 물을 분사하는 제어 또는 분사 밸브의 실린더부 내의 고압 피스톤용 피스톤에 있어서, 상기 피스톤의 표면 영역에는 그루브 및 마모 방지 보호층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤으로 상기 마모 방지 보호층은 다이아몬드형 탄소(DLC) 또는 한 가지 이상의 세라믹 물질, 특히 Al2O3, SiO2, TiN 등의 물질 중 한 가지를 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더부 내의 고압 피스톤용 피스톤이 알려져 있지만 상기와 같은 특허들의 경우에는 다아아몬드상 카본 박막을 합성하는 조건에 따라 박막의 주요물성인 경도에 큰 차이가 발생하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 방안으로 피스톤의 표면처리시 전처리 공정에서 삼염화에틸렌(Trichloroethylene, TCE)을 이용한 1차 초음파 세척과, 에틸알코올을 이용한 2차 초음파 세척을 실시한 다음 5% 질산용액을 사용하여 피스톤 표면에 미세한 부식현상이 유발되도록 산처리를 실시함으로써, 피스톤 표면에 중간층의 증착력을 향상시켜 피스톤 소재와 다이아몬드상 카본 박막의 부착력이 향상될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤 및 그 제조방법을 제공함을 과제로 한다.
그리고 본 발명은 쳄버 내에 피스톤을 장입한 다음 박막형성공정에서 피스톤 표면에 수소를 사용하여 에칭처리를 실시함으로써, 수소에칭에 의해 식각처리된 피스톤의 표면에 다이아몬드상 카본 박막 코팅층의 부착력을 높여 장기간 사용시에도 피스톤 본체의 미세조직에 변화가 없이 고경도를 유지할 수 있고, 다이아몬드상 카본 박막의 특성에 의해 습도가 낮은 조건에서도 고윤활성을 유지할 수 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤 및 그 제조방법을 제공함을 다른 과제로 한다.
또한 본 발명은 중간층의 증착시 HMDSO(hexamethyldisiloxane) 용액을 사용 하여 쳄버의 진공압을 이용하여 중간층을 증착시킴으로써, 위험성이 높고 다루기가 어려운 SiH4를 사용하는 종래의 방법과는 달리 안전성을 확보한 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤 및 그 제조방법을 제공함을 또 다른 과제로 한다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명은 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤의 제조방법에 있어서,
상기 피스톤은 초음파 세척 및 산처리의 전처리 공정과,
상기에서 전처리한 피스톤은 쳄버 내에 장입한 다음 수소 에칭, 아르곤 세정, 중간층 증착 및 다이아몬드상 카본 박막 코팅의 박막형성공정,
을 거치는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤의 제조방법을 과제 해결 수단으로 한다.
그리고 본 발명은 상기의 방법에 의해 피스톤의 표면에 다이아몬드상 카본 박막이 코팅되어진 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤을 다른 과제 해결 수단으로 한다.
단, 본 발명에서 상기 초음파 세척은 삼염화에틸렌(Trichloroethylene, TCE) 을 이용한 1차 초음파 세척과, 에틸알코올을 이용한 2차 초음파 세척의 2단계 초음파 세척을 실시하고,
상기 산처리는 5% 질산용액에 피스톤을 5~10 초간 침지시켜 처리하며,
그리고 상기 수소 에칭, 아르곤 세정, 중간층 증착 및 다이아몬드상 카본 박막 코팅의 4단계로 이루어진 박막형성공정은 쳄버 내의 온도를 200℃로 유지하는 것이 바람직하며,
상기 수소 에칭은 쳄버내의 기체를 배기하여 압력이 10-5~10-6Torr가 유지되도록 한 다음, 다시 4×10-2Torr의 수소(H2) 분위기에서 20~30분간 600W의 RF 플라즈마를 이용하여 피스톤의 소재 표면을 에칭하고,
상기 아르곤 세정은 쳄버내의 기체를 배기하여 압력이 10-5~10-6Torr가 유지되도록 한 다음, 다시 3×10-2Torr의 아르곤(Ar) 분위기에서 40~60분간 600W의 RF 플라즈마를 이용하여 세정하며,
상기 중간층 증착은 쳄버내의 기체를 배기하여 압력이 10-5~10-6Torr가 유지되도록 한 다음, 다시 10-2Torr의 HMDSO(hexamethyldisiloxane) 분위기에서 10~20분간 600W의 RF 플라즈마를 이용하여 피스톤 표면에 중간층을 증착시키고,
상기 다이아몬드상 카본 박막 코팅은 쳄버내의 기체를 배기하여 압력이 10- 5~10-6Torr가 유지되도록 한 다음, 다시 4×10-2Torr의 탄화수소(CnH2n+2) 20~30 부피%와 수소(H2) 70~80부피%의 분위기에서 120~180분간 600W의 RF 플라즈마를 이용하여 다이아몬드상 카본 박막 코팅하고,
상기 탄화수소(CnH2n)는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄과 같은 탄화수소류 중에서 1종 또는 그 이상을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기의 과제 해결 수단에 따라 본 발명에 의해 제조된 피스톤은 장기간 사용시에도 피스톤 소재의 미세조직에 변화가 없이 높은 경도를 유지하고, 특히 습도가 낮은 조건에서도 윤활성능이 우수하여 굴삭기, 대형크레인 등과 같은 회전용 중장비의 동력을 전달하는 유압펌프의 중요 부품인 피스톤으로의 사용에 적합한 것이 장점이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면인 도 2 내지 도 3b에 의거하여 상세히 설명하며, 상기의 각 도면에서 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 병기한다. 한편, 각 도면 및 상세한 설명에서 피스톤을 표면처리하는 기술의 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략히 하거나 생략하였다.
본 발명에 따른 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤의 제조방법을 첨부된 도면인 도 2 내지 도 3b를 중심으로 상세히 설명하면 아래의 내용과 같다.
본 발명에 첨부된 도면인 도 2는 본 발명에 따른 다이아몬드상 카본 박막을 피스톤에 코팅하는 공정과정을 나타낸 공정도에 관한 것이다.
본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤의 제조방법에 있어서,
상기 피스톤은 초음파 세척 및 산처리의 전처리 공정과,
상기에서 전처리한 피스톤은 쳄버 내에 장입한 다음 수소 에칭, 아르곤 세정, 중간층 증착 및 다이아몬드상 카본 박막 코팅의 박막형성공정,
을 거쳐 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤이 제조되어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 적용되는 피스톤의 소재는 SACM645인 것이 바람직하며, 그리고 피스톤 표면처리에 적용되는 다이아몬드상 카본(DLC) 박막은 비정질 카본 박막의 하나로서 다이아몬드와 유사한 높은 경도, 윤활성, 내마모성, 화학적 안정성, 전기절연성 및 광학적 투과성을 갖는 재료로서, 거의 다이아몬드에 가까운 기계적 물성 및 밀도 등의 특성으로 인해 ta-C(tetrahedral amorphous carbon) 혹은 a- D(amorphous diamond)라고 불리고 있으며, 대표적인 고윤활 고경도 물질로 분류되고 있다.
이하, 본 발명에 따른 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤의 제조방법을 각 공정별로 상세히 설명하면 아래의 내용과 같다.
먼저 전처리 공정에서 상기 초음파 세척은 피스톤의 가공단계에서 피스톤 본체의 표면에 흡착된 가공유를 제거하기 위한 단계로서, 삼염화에틸렌(Trichloroethylene, TCE)을 이용한 1차 초음파 세척과, 연이어 에틸알코올을 이용한 2차 초음파 세척의 2단계 초음파 세척을 실시하는 것이 바람직하다.
상기에서 초음파 세척은 통상적으로 5분간 실시하는 것이 바람직하며, 초음파 세척시간은 상기에서 한정한 시간에만 반드시 한정되지 않고, 피스톤의 보체 표면에 묻어있는 이물질의 양에 따라 적절히 조정되어 질 수 있다. 초음파 세척이 과할 경우 삼염화에틸렌(TCE) 중에서 표면 부식이 일어난다.
그리고 본 발명에서 산처리는 초음파 세척시 피스톤 본체의 표면에서 제대로 제거되지 않은 이물질의 제거와 함께 피스톤 본체 표면에 미세한 부식현상이 발생하도록 하여 코팅층과의 부착력을 높일 수 있도록 하는 공정이다. 본 공정에서 산처리는 5% 질산용액에 피스톤을 5~10 초간 침지시켜 처리하는 것이 바람직하다. 상 기에서 산처리 시간이 5초 미만이 될 경우에는 피스톤 표면에 부착된 이물질이 완전 제거되지 않거나 또는 피스톤 표면이 부식되지 않을 우려가 있으며, 산처리 시간이 10초를 초과할 경우에는 피스톤 표면에 부착된 이물질이 완전히 제거되지만 피스톤 표면이 과부식되어 도리어 코팅층의 부착력이 저하될 우려가 있다.
그리고 본 발명에서 수소 에칭, 아르곤 세정, 중간층 증착 및 다이아몬드상 카본 박막 코팅의 4단계로 이루어진 박막형성공정은 13.56MHz의 RF 플라즈마를 이용한 RF-CVD법을 이용하였다. 그리고 상기 4단계로 이루어진 박막형성공정은 모두 쳄버 내의 온도를 200℃로 유지하였으며, 저진공(~10-3Torr) 배기를 위해 로타리펌프와, 고진공(10-3~10-6Torr)을 위한 터보펌프를 각각 사용하였다. 그리고 순수가스의 농도를 높이기 위해 각 공정마다 터보펌프를 이용하여 고진공 배기하였다.
본 발명에서 수소 에칭(H2 etching)은 쳄버내의 기체를 배기하여 압력이 10-5~10-6Torr가 유지되도록 한 다음, 다시 4×10-2Torr의 수소(H2) 분위기에서 20~30분간 600W의 RF 플라즈마를 이용하여 피스톤의 소재 표면을 에칭하는 것이 바람직하다.
이때 피스톤이 수소(H2) 플라즈마에 상기에서 한정한 시간 미만을 노출시킬 경우에는 피스톤의 표면이 제대로 식각되지 않을 우려가 있고, 상기에서 한정한 시간을 초과하여 노출시킬 경우에는 식각률이 높아져 표면이 손상되게 된다. 또한 쳄버 내의 온도는 200℃를 유지하여 피스톤 표면에 화학적으로 흡수되는 수소를 최소화 하였다.
그리고 본 발명에서 아르곤 세정(Ar Cleaning)은 쳄버내의 기체를 배기하여 압력이 10-5~10-6Torr가 유지되도록 한 다음, 다시 3×10-2Torr의 아르곤(Ar) 분위기에서 40~60분간 600W의 RF 플라즈마를 이용하여 세정하는 것이 바람직하다.
이때 피스톤이 아르곤(Ar) 플라즈마에 상기에서 한정한 시간 미만 노출시킬 경우에는 반응챔버 기판의 세정효과가 약할 우려가 있고, 상기에서 한정한 시간을 초과할 경우에는 아르곤 유량과 플라즈마 처리 시간이 길어지게 되면 오히려 기판의 표면상태를 나쁘게 하여 접착력을 떨어뜨릴 우려가 있다.
또한 본 발명에서 중간층(Interlayer) 증착은 쳄버내의 기체를 배기하여 압력이 10-5~10-6Torr가 유지되도록 한 다음, 다시 10-2Torr의 HMDSO(hexamethyldisiloxane) 분위기에서 10~20분간 600W의 RF 플라즈마를 이용하여 피스톤 표면에 중간층을 증착시키는 것이 바람직하다.
본 공정은 흔히 다이아몬드상 카본 박막을 코팅시키는 방법의 중간층으로 사용되는 실란(SiH4)의 경우 위험성이 높고 다루기가 어려움을 감안하여, 액화 상태인 HMDSO 용액을 쳄버의 진공압을 이용, 기체흐름제어장치(MFC)로 적정량을 기화시키는 방법을 사용하였다.
상기 공정은 다이아몬드상 카본 박막의 접착력을 향상시켜주는 박막의 중간층을 형성시키는 공정으로써, 플라즈마의 반응 시간이 상기에서 한정한 시간 미만이 될 경우에는 재료 표면에 균일한 중간층을 얻을 수가 없으며, 플라즈마의 반응 시간이 상기에서 한정한 시간을 초과할 경우에는 쳄버내의 오염이 심각해질 우려가 있다.
본 발명에서 피스톤의 표면에 형성시키는 중간층의 두께는 0.2~0.6㎛인 것이 바람직하며, 중간층의 두께는 상기의 두께에만 반드시 한정하는 것이 아니고, 소비자의 요구나 또는 제조자의 필요에 따라 적절히 조정되어질 수 있다.
그리고 본 발명에서 다이아몬드상 카본 박막 코팅(DLC Coating)은 쳄버 내의 기체를 배기하여 압력이 10-5~10-6Torr가 유지되도록 한 다음, 다시 4×10-2Torr의 탄화수소(CnH2n+2) 20~30 부피%와 수소(H2) 70~80부피%의 분위기에서 120~180분간 600W 의 RF 플라즈마를 이용하여 다이아몬드상 카본 박막 코팅하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 탄화수소(CnH2n)가 20 부피% 미만이 될 경우에는 다이아몬드상 카본 박막이 충분히 코팅되지 않을 우려가 있고, 탄화수소(CnH2n)가 30 부피%를 초과할 경우에는 과코팅현상이 발생하여 부착력을 떨어뜨릴 우려가 있다.
본 발명에서 다이아몬드상 카본 박막 생성을 위해 사용하는 탄화수소(CnH2n)는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄과 같은 탄화수소류 중에서 1종 또는 그 이상을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하며, 메탄(CH4)인 것이 더욱 바람직하다.
본 공정에서 수소(H2)의 경우 탄화수소에서 분해되는 카본을 플라즈마와 더불어 가속화 시켜 우수한 막을 생성하기 위한 지지체 역할로 플라즈마 내 탄화수소 이온 에너지(Ion Energy) 활성화로 사용한다.
또한 본 공정에서 다이아몬드상 카본 박막 합성시 압력은 4×10-2Torr이고, 600W의 RF 플라즈마를 사용하였다. 쳄버내 초기 온도가 상온일 경우, 플라즈마의 반응열로 시간이 지남에 따라 100℃ 가까이 상승함을 감안하여, 쳄버내 온도를 200℃로 일정하여 유지하였다. 다이아몬드상 카본 박막 코팅층의 두께는 합성 시간을 조절하여 그 두께를 조절할 수 있다.
또한 본 발명에서 플라즈마의 반응시간이 상기에서 한정한 시간 미만이 될 경우에는 피스톤의 표면에 균일한 다이아몬드상 카본 박막 코팅층을 얻을 수가 없으며, 상기에서 한정한 시간을 초과하게 될 경우에는 과코팅현상이 발생하여 부착력을 떨어뜨릴 우려가 있다.
본 발명에서 피스톤의 표면에 형성시키는 다이아몬드상 카본 박막 코팅층의 두께는 0.2~0.6㎛인 것이 바람직하며, 다이아몬드상 카본 박막 코팅층의 두께는 상기의 두께에만 반드시 한정하는 것이 아니고, 소비자의 요구나 또는 제조자의 필요에 따라 적절히 조정되어질 수 있다.
상기와 같은 방법에 의해 다이아몬드상 카본 박막이 코팅된 피스톤은 장기간 사용시에도 피스톤 소재의 미세조직에 변화가 없이 높은 경도를 유지하고, 특히 습도가 낮은 조건에서도 윤활성능이 우수하여 굴삭기, 대형크레인 등과 같은 회전용 중장비의 동력을 전달하는 유압펌프의 중요 부품인 피스톤으로의 사용에 적합하다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 아래에서 상세히 설명하되, 본 발명의 기술적 구성이 아래의 실시예에 의해서만 반드시 한정되는 것은 아니다.
1. 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤의 제조
(실시예 1)
가. 전처리 공정
성형 가공한 피스톤(SACM645)을 삼염화에틸렌(TCE)을 이용한 1차 초음파 세척과, 에틸알코올을 이용한 2차 초음파 세척을 각각 5분간씩 실시한 다음 5% 질산용액에 피스톤을 5 초간 침지시켜 피스톤의 표면에 묻어 있는 이물질들을 제거하였다.
나. 박막형성공정
상기의 방법에 따라 전처리한 피스톤을 쳄버 내에 장입한 다음 쳄버 내의 온도를 200℃로 유지하고, 수소 에칭, 아르곤 세정을 거쳐 0.3㎛ 두께의 중간층을 증착시킨 다음 다이아몬드상 카본 박막 코팅의 공정의 박막형성공정을 실시하여 0.3㎛ 두께의 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤을 제조하였다.
상기 박막형성공정의 조건으로 수소 에칭은 쳄버내의 압력이 10-5Torr가 유지되도록 한 다음 4×10-2Torr의 H2 분위기에서 30분간 600W의 RF 플라즈마를 이용하여 피스톤의 소재 표면을 에칭하였고,
아르곤 세정은 쳄버내의 압력이 10-5Torr가 유지되도록 한 다음, 3×10-2Torr의 Ar 분위기에서 60분간 600W의 RF 플라즈마를 이용하여 세정하였으며,
중간층 증착은 쳄버내의 압력이 10-5Torr가 유지되도록 한 다음, 10-6Torr의 HMDSO 분위기에서 20분간 600W의 RF 플라즈마를 이용해 피스톤 표면에 중간층을 증착시켰고,
다이아몬드상 카본 박막 코팅은 쳄버내의 압력이 10-5Torr가 유지되도록 한 다음, 메탄(CH4) 30 부피%와 수소(H2) 70부피%의 4×10-2Torr 분위기에서 180분간 600W의 RF 플라즈마를 이용하여 다이아몬드상 카본 박막 코팅하였다.
(실시예 2)
실시예 1과 동일한 방법에 의해 전처리를 실시하되, 산처리는 10초간 실시하였으며, 그리고 박막형성공정의 조건은 아래의 내용과 같은 조건에 의해 실시하여 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤을 제조하였다. 중간층 및 다이아몬드상 카본 박막 코팅층의 두께는 상기 실시예 1과 동일한 두께인 0.3㎛를 각각 형성시켰다.
상기 박막형성공정의 조건으로 수소 에칭은 쳄버내의 압력이 10-6Torr가 유지되도록 한 다음 4×10-2Torr의 H2 분위기에서 20분간 600W의 RF 플라즈마를 이용 하여 피스톤의 소재 표면을 에칭하였고,
아르곤 세정은 쳄버내의 압력이 10-6Torr가 유지되도록 한 다음, 3×10-2Torr의 Ar 분위기에서 40분간 600W의 RF 플라즈마를 이용하여 세정하였으며,
중간층 증착은 쳄버내의 압력이 10-6Torr가 유지되도록 한 다음, 10-2Torr의 HMDSO 분위기에서 10분간 600W의 RF 플라즈마를 이용해 피스톤 표면에 중간층을 증착시켰고,
다이아몬드상 카본 박막 코팅은 쳄버내의 압력이 10-6Torr가 유지되도록 한 다음, 메탄(CH4) 30 부피%와 수소(H2) 70부피%의 4×10-2Torr 분위기에서 120분간 600W의 RF 플라즈마를 이용하여 다이아몬드상 카본 박막 코팅하였다.
(비교예 1)
실시예 1의 방법과는 달리 전처리공정에서 초음파 세척은 5초간 실시하고 산처리를 실시하지 않고, 실시예 1과 동일한 방법에 의해 박막형성공정을 실시하여 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤을 제조하였다. 중간층 및 다이아몬드상 카본 박막 코팅층의 두께는 상기 실시예 1과 동일한 두께를 각각 형성시켰다.
(비교예 2)
실시예 2의 방법과 동일한 방법에 의해 전처리 공정을 실시하되, 수소 에칭 을 실시하지 않고, 아르곤 세정을 한 다음 중간층 형성 및 다이아몬드상 카본 박막 코팅의 공정만을 실시하여 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤을 제조하였다. 중간층 및 다이아몬드상 카본 박막 코팅층의 두께는 상기 실시예 2와 동일한 두께를 각각 형성시켰다.
2. 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤의 평가
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2는 스크레치 시험(Scratch Test) 방법에 따라 부착력 시험과 그리고 나노-압입시험(Nano-Indentation Test)의 방법에 따라 경도를 측정한 결과 아래 표 1의 내용과 같다.
시험항목
 실시예 비교예
1 2 1 2
부착력(N) 25 23 18 15
경도(HV) 2,100 2,000 1,800 1,500
상기 표 1의 내용에 나타난 바와 같이 실시예 1, 2는 비교예 1, 2에 비해 부착력 및 경도의 물성이 모두 우수한 것으로 나타났다.
비교예 1이 실시예 1, 2에 비해 부착력이 낮게 나타난 것은 산처리의 전처리 공정을 실시하지 않음에 따른 것으로 추정되며, 비교예 2가 실시예 1, 2에 비해 부착력이 낮게 나타난 것은 실시예 1, 2의 방법과 동일한 방법에 의해 전처리 공정을 실시하였지만 박막형성공정에서 수소 에칭을 실시하지 않음에 따라 피스톤 표면과 중간층의 부착력이 약화되고, 약화된 중간층의 외부에 코팅된 다이아몬드상 카본 박막 코팅층의 부착력도 약화되는 것으로 판단된다.
따라서, 비교예 1, 2는 실시예 1, 2와 비교하여 경도의 물성이 동등하다고 할지라도 부착력이 약하기 때문에 장기간 피스톤을 사용할 경우에는 코팅층의 도막이 벗겨짐에 따라 피스톤의 내구성이 약화되어 장기간 사용할 수 없는 문제점이 발생하게 된다.
본 발명에서 도 3a는 다이아몬드상 카본 박막을 코팅하기 전의 전형적인 철강재료의 형상을 나타내는 피스톤의 외관상태를 찍은 사진이고, 도 3b는 본 발명에 따라 다이아몬드상 카본 박막을 코팅한 실시예 1의 피스톤의 외관상태를 찍은 사진으로 다이아몬드상 카본 박막이 코팅된 후에서는 검은색의 피막이 잘 코팅되어 있음을 확인할 수 있었다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다이아몬드상 카본 박막을 피스톤에 코팅하는 기술을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1a 및 1b는 종래의 일반적인 피스톤을 대상으로 하여 사용하기 전의 피스톤 소재의 미세조직 상태와 사용 후의 피스톤 소재의 미세조직 상태를 광학현미경사진으로 100배 확대하는 찍은 것을 나타낸 사진,
도 2는 본 발명에 따른 다이아몬드상 카본 박막을 피스톤에 코팅하는 공정과정을 나타낸 공정도,
도 3a는 다이아몬드상 카본 박막을 코팅하기 전의 전형적인 철강재료의 형상을 나타내는 피스톤의 외관상태를 찍은 사진,
도 3b는 본 발명에 따라 다이아몬드상 카본 박막을 코팅한 실시예 1의 피스 톤의 외관상태를 찍은 사진에 관한 것이다.

Claims (10)

  1. 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤의 제조방법에 있어서,
    상기 피스톤은 초음파 세척 및 산처리의 전처리 공정과,
    상기에서 전처리한 피스톤은 쳄버 내에 장입한 다음 수소 에칭, 아르곤 세정, 중간층 증착 및 다이아몬드상 카본 박막 코팅의 박막형성공정,
    을 거치는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 초음파 세척은 삼염화에틸렌(Trichloroethylene, TCE)을 이용한 1차 초음파 세척과, 에틸알코올을 이용한 2차 초음파 세척의 2단계 실시를 하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 산처리는 5% 질산용액에 피스톤을 5~10 초간 침지시켜 처리하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 에칭, 아르곤 세정, 중간층 증착 및 다이아몬드상 카본 박막 코팅의 4단계로 이루어진 박막형성공정은 쳄버 내의 온도를 200℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 수소 에칭은 쳄버내의 기체를 배기하여 압력이 10-5~10-6Torr가 유지되도록 한 다음, 다시 4×10-2Torr의 수소(H2) 분위기에서 20~30분간 600W의 RF 플라즈마를 이용하여 피스톤의 소재 표면을 에칭하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤의 제조방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 아르곤 세정은 쳄버내의 기체를 배기하여 압력이 10-5~10-6Torr가 유지되도록 한 다음, 다시 3×10-2Torr의 아르곤(Ar) 분위기에서 40~60분간 600W의 RF 플라즈마를 이용하여 세정하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤의 제조방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 중간층 증착은 쳄버내의 기체를 배기하여 압력이 10-5~10-6Torr가 유지되도록 한 다음, 다시 10-2Torr의 HMDSO(hexamethyldisiloxane) 분위기에서 10~20분간 600W의 RF 플라즈마를 이용하여 피스톤 표면에 중간층을 증착시키는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤의 제조방법.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 다이아몬드상 카본 박막 코팅은 쳄버내의 기체를 배기하여 압력이 10-5~10-6Torr가 유지되도록 한 다음, 다시 4×10-2Torr의 탄화수소(CnH2n+2) 20~30 부피%와 수소(H2) 70~80부피%의 분위기에서 120~180분간 600W의 RF 플라즈마를 이용하여 다이아몬드상 카본 박막 코팅하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 탄화수소(CnH2n)는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄과 같은 탄화수소류 중에서 1종 또는 그 이상을 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤의 제조방법.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9의 방법 중 어느 한 항의 방법에 의해 피스톤의 표면에 다이아몬드상 카본 박막이 코팅되어진 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 카본 박막 코팅 피스톤.
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