KR20120011050A - 기계 시스템에 적용하기 위해 높은 마찰동력학적 성능을 갖는 마이크로기계 부품 코팅 방법 - Google Patents
기계 시스템에 적용하기 위해 높은 마찰동력학적 성능을 갖는 마이크로기계 부품 코팅 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은
- 코팅될 기재 (4) 부품을 제공하는 단계; 및
- 상기 부품에 다이아몬드 코팅 (1) 이 제공되는 단계를 포함하는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품의 코팅 방법에 있어서,
- 상기 다이아몬드 코팅 (1) 은 반응 챔버에서 CVD 에 의해 제공되고,
- CVD 증착중, 성장 프로세스의 마지막 부분 중, 반응 챔버 내에 있는 탄소 함량의 제어된 변화가 제공됨으로써, 표면 부근에서 sp2/sp3 탄소 (2) 결합의 변화를 제공하는 것을 특징으로 하는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품의 코팅 방법에 관한 것이다.
- 코팅될 기재 (4) 부품을 제공하는 단계; 및
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- CVD 증착중, 성장 프로세스의 마지막 부분 중, 반응 챔버 내에 있는 탄소 함량의 제어된 변화가 제공됨으로써, 표면 부근에서 sp2/sp3 탄소 (2) 결합의 변화를 제공하는 것을 특징으로 하는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품의 코팅 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 표면 거칠기의 감소 및 마찰동력학적 성능의 향상을 제공하기 위해서, 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트의 마이크로기계 부품 코팅 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트에 해당하는 마이크로기계 부품에 관한 것이다. 본 발명은 마이크로기계 시계 무브먼트, 특히 이스케이프먼트 휠 (escapement wheel) 및 팔레트 (pallet) 및 다른 마찰 관련 부품의 실현에 사용될 수 있다.
마이크로기계 부품에 대한 기술적 요구는 성장중이다. 최상위 정밀도 이외에, 기계 시스템에서의 최상위 에너지 효율, 윤활유의 가능한한 긴 수명 및 완벽한 부재를 제공하고자 하는 필요가 존재한다.
최근 수년 동안, 이러한 주제를 다룬 수많은 문헌들이 출판되고 있다. 기재된 접근법들은 사용된 재료의 제한에 기인하여 대부분 완벽한 해결책을 전달하지 못하고 일부 문제만을 충족한다.
기계 가공 (다이 절단 또는 형상 절단) 에 의해 제조된 마이크로기계 부품은 2 개의 주요한 문제점을 나타낸다. 먼저, 이들 부품은, 고가이거나 값비싼 제조 공구에 대한 투자를 필요로 하기 때문에 대량 생산시에만 경제적으로 유리하다. 다음으로, 이러한 프로세스는 ± 5 마이크로미터인 정확도 수준을 갖는 프로세스의 기술적 제한에 도달한다는 것이다.
이에 의해, 수개의 대안의 접근법들이 문헌에서 논의되고 있다. 가장 유망한 아이디어중 하나는, 최상위 정밀도를 얻고, 심지어 기계 가공 기술의 결과물들을 훨씬 초과하는 실리콘 웨이퍼로부터 마이크로기계 부품을 에칭하는 것에 관한 것이다. 공차는 서브마이크로미터 범위로 감소될 수 있지만, 수명은 희생된다: 실제로는, 이러한 부품의 연마 마모 뿐만 아니라 기계적 강도가 윤활유가 없을 때에는 요구를 충촉시키지 못하는 것으로 나타나 있었다. 이러한 문제의 일 해결책으로는 EP 특허 제 1 904 901 에 개시되어 있으며, 상기 문헌에서, 마이크로기계 부품의 표면을 산소로 처리함으로써, 강도와 수명은 연장될 수 있었지만, 그러나 궁극적인 해결책은 얻지 못하였다.
마찰공학적 성능은 기계 시스템에 특별한 오일을 사용함으로써 향상될 수 있었지만, 건식 작동 시스템에 대한 요구를 희생해야 한다.
최장 수명은 강으로 만들어진 고전적인 기계가공된 부품에 의해 이루어지지만, 이러한 시스템은 고정밀도에 대한 시스템의 한계에 도달하고 추가 윤활되어야 한다.
윤활 시스템의 또다른 문제점은, 무브먼트를 청소하고 재윤활을 실시해야 하는 빈번한 서비스 간격이 필요하다는 것이다. 이에 의해, 작동 사이클이 제한되고, 추가 비용이 발생한다. 시간이 흐름에 따라 오일의 특성을 잃어버리게 되는 사용된 오일의 에이징에 기인하여, 이러한 서비스 간격이 필요하다.
하나의 시스템으로 이러한 요구사항 모두를 만족시키기 위한 수개의 접근법이 착수되고 있다.
EP0732635B1 에는, 마이크로기계 부품이 실리콘 웨이퍼로부터 에칭처리되고 이후 다이아몬드 막으로 코팅되는 접근법에 대해 기술하고 있다. 이러한 방법을 통해 얻어진 다이아몬드 막은 400 nm 보다 높은 표면 거칠기를 갖는다. 따라서, 이러한 막은, 다이아몬드 코팅된 부품이 미끄럼 접촉 적용 분야에 사용된다면 후속의 폴리싱 처리를 필요로 한다.
EP1233314 는 이스케이프먼트 휠과 앵커를 갖는 기계적 이스케이프먼트를 포함하는 시계용의 기계적 시계태엽 조립체를 개시하는데, 이스케이프먼트 휠의 기능적 요소는 그의 작동면 상에 DLC (diamond like carbon) 코팅이 적어도 부분적으로 코팅된다. DLC 는 높은 sp2 함량 (30 ~ 100 %) 을 가지며, 효과적인 마모 방지 적용에 경도가 충분치 못한 비정질 탄소이다.
EP1622826 는, 제 1 표면과 제 2 표면을 포함하는 마이크로기계 부품을 개시하는데, 이들 표면은 서로에 대해 실질적으로 수직하며, 제 1 및/또는 제 2 표면은 적어도 부분적으로 다이아몬드로 구성된다.
US 5308661 는, 바이어스 전압의 기재로의 인가없이 연속한 다이아몬드 막의 후속 증착을 위해 기재 위에 균일하게 높은 핵생성 사이트 밀도를 제공하는 탄소 코팅 기재의 전처리 프로세스를 개시한다.
EP1182274A1 는 조립 (coarse grained) 굵은 결정립의 (마이크로미터 레지메(regime)) 다이아몬드 코팅이 기계가공 공구에 증착되고 후속하여 플라즈마 프로세스에 의해 처리되는 다이아몬드의 후처리 방법을 개시한다. 이러한 후처리의 목적은 sp3-혼성화 다이아몬드 코팅의 상부 층의 sp2-혼성화 탄소 종으로의 분해 (degradation) 이다. 표면으로부터 돌출하는 굵은 결정립 사이의 "표면 밸리 (valley)" 를 채워 더 평탄한 표면이 얻어지는 것이 예상된다. 이러한 방법의 결과, 막은 sp2 혼성화 비정질 탄소의 수백 나노미터의 상부층인 막의 상부에 조립 sp3 다이아몬드를 갖는다. 상부층은 비교적 연질이며, 고 마찰을 포함하는 적용분야에서 빠르게 마모될 것이다.
전술한 모든 해결책은 0.05 미만의 마찰 계수를 나타내는 마이크로기계 부품이 제공하는 문제를 단지 부분적으로 해결할 수 있었지만, 예컨대, 시계산업에서 요구되는 대규모 생산은 못하게 되었다.
특히, 다이아몬드가 코팅된 실리콘을 사용하는 경우, 전술한 해결책은 다음과 같은 문제들을 유발하였다: 다이아몬드 코팅의 미세결정질 구조 때문에, 다이아몬드가 코팅된 마이크로기계 부품은 종종 높은 초기 마찰 계수를 나타낸다. 이러한 높은 초기 마찰 계수는 시스템의 수명중 처음 몇 시간동안 마이크로기계 시스템의 효율을 심각하게 제한한다.
수백 나노미터를 초과하는 거칠기를 갖는 표면은, 낮은 마찰계수를 수월하게 가질 수 없는 것으로 잘 알려져 있다. 게다가, 기계 시스템에 조대한 다이아몬드 막을 사용하려면, 아주 매끄러운 상대 부분이 필요하다. 이와 같은 경우, 거친 다이아몬드 막은 그에 대응하는 상대 부분을 연마하여 시스템의 아주 빠른 연마 마모 및 시스템의 파손을 유발한다.
이론상, 상이한 거칠기 모듈이 특별한 조건에 맞아들어가 이에 따라 낮은 마찰 계수를 만드는 특별한 경우가 상정가능하다. 그러나, 각각의 단일 결정립 상의 압력은 너무 높아 결정립의 파괴 및/또는 상호결합을 유발한다. 이에 의해, 기계 시스템은 그의 특성을 빠르게 잃게되어 마찰 계수가 높아지게 되고 이에 의해 시스템이 방해를 받게 된다. 코팅의 파손후, 전체 시스템이 붕괴되고 그리고/또는 전체 시계를 파괴시킬 수 있다.
다이아몬드 코팅 후의 폴리싱 및 그와 함께 마이크로기계 부품의 표면 평활화로 제안된 해결책은, 고비용, 저효율 및 본질적인 기술적 이유 (가장 중요한 기능적 표면이, 웨이퍼에 장착될 때 기계 폴리싱이 접근 불가능한 마이크로기계 부분의 플랭크인 점) 때문에 실패하였다. 웨이퍼로부터 부분들을 제거한 후에 폴리싱하는 것은, 마이크로기계 부품의 수가 다수이며 소형이라는 이유로 쉽지 않고 또한 경제적이지 못하다. 또한, 마이크로기계 부품을 포함하는 다이아몬드 코팅된 와이퍼의 플라즈마 에칭에 의한 해결책도, 가장 중요한 영역인 부품의 플랭크 (상기 참조) 상에서의 특별한 플라즈마 폴리싱의 불균일성 때문에, 실패하였다.
더 작은 결정 크기 (수백 나노미터) 를 사용한 접근법은 더 작은 치수에서 유사한 문제점을 겪었다. 예컨대, 플랭크의 플라즈마 에칭은, 이 공정이 주로 결정립계에 작용하여 비등방성 방식으로 표면을 에칭하기 때문에 실행불가하다.
게다가, 에칭 처리의 비등방성은 수개의 파라미터에서 발생할 수 있다. 에칭의 효율은 다이아몬드 결정의 결정학상 배향에 강하게 의존한다. 다이아몬드 이외의 기재 (대부분의 경우 실리콘) 에서 성장한 다이아몬드막이 결정학상 배향의 혼합을 나타내기 때문에, 에칭이 불균일하여 다이아몬드의 표면 거칠기를 감소시키는 것 대신에 심지어 다이아몬드의 표면 거칠기를 증가시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일반적인 목적은 장수명과 함께 마찰공학적인 고성능을 제공하는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품을 제공할 수 있는 프로세스를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은, 서비스 간격을 감소시킨 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품을 제공할 수 있는 프로세스를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 다른 것들중에서 마모와 마찰을 감소시킨 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품을 제공할 수 있는 프로세스를 제공하는 것이다.
이러한 목적은, 청구범위에서 규정된 바와 같은, 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품의 코팅 프로세스 및 마이크로기계 시스템용 마이크로기계 부품 때문에 달성된다.
이에 따라,
- 코팅될 기재 부품을 제공하는 단계; 및
- 상기 부품에 다이아몬드 코팅이 제공되는 단계를 포함하고,
- 다이아몬드 코팅은 반응 챔버에서 CVD 에 의해 제공되고,
- CVD 증착중, 성장 프로세스의 마지막 부분 중, 반응 챔버 내에 탄소 함량의 제어된 변화가 제공됨으로써, 표면 부근에서 sp2/sp3 탄소 결합의 변화를 제공하는 것을 특징으로 하는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품의 코팅 방법이 제공된다.
sp2-혼성화 부품 때문에, 윤활 효과가 달성되어 마찰 계수의 추가 감소가 유발된다. 동시에, 표면 거칠기의 감소는 마찰 공학적 성능의 향상을 유발한다. 다이아몬드 막 또는 DLC 막의 상부에서 sp2-혼성화 탄소의 단일 표면층은, 이러한 층 또는 막이 낮은 경도에 기인하여 빠르게 마모되고 그에 따라 기계 시스템의 수개의 사이클 내에서 제거될 것이기 때문에 동일한 결과를 전달할 수 없다는 것에 중요하게 주목한다. 게다가, sp2-혼성화 층의 sp3-혼성화 매트릭스로의 부착은, 도 3 에 도시된 바와 같이 sp2-혼성화 탄소 함량이 점진적으로 변화할 때 더 양호하다.
유리한 실시형태에 있어서, 변화는 다이아몬드 층에서의 탄소 함량의 증가이다. 이러한 증가는 탄소 함유 반응 가스, 예컨대 메탄 등의 비율을 증가시킴으로써 이루어진다.
추가의 실시형태에 있어서, 상기 탄소 함량의 증가는 추가의 탄소 함유 가스, 예컨대 아세틸렌 등을 추가함으로써 이루어진다.
또한, 추가의 실시형태에 있어서, 상기 탄소 함량의 증가는 프로세싱 반응 챔버 내에서의 온도 및/또는 압력을 증가시킴으로써 이루어진다.
또다른 실시형태에 있어서, 상기 탄소 함량의 증가는 프로세싱 반응 챔버 내에 기체 상태의 질소를 추가함으로써 이루어진다.
추가의 유리한 실시형태에 있어서, 상기 탄소 함량의 증가는 수소를 아르곤(또는 다른 원소, 예컨대 질소) 으로 대체 (수소 함량의 100 % 까지) 함으로써 이루어진다.
또한, 추가의 유리한 실시형태에 있어서, 상기 탄소 함량의 증가는 적어도 하나의 희가스 (즉, 네온, 헬륨, 크립톤 또는 제논) 를 추가함으로써 이루어진다.
변형예에서, 상기 탄소 함량의 증가는 격자 왜곡 (lattice distortion) 에 의해 이루어진다.
또다른 변형예에서, 상기 탄소 함량의 증가는 후처리, 예컨대 플라즈마 또는 레이저 처리 등에 의해 이루어진다.
변형예에서, 후처리는 다이아몬드 표면의 터미네이션으로 구성되고, 상기 터미네이션은 수소, 할로겐, 금속, 전기 전도성 광물/유기 분자 또는 단백질로 구성된 군으로부터 선택된 원소를 사용하는 것이 제공된다.
또다른 변형예에서, 후처리는, 스티킹 특성을 감소시키기 위해서 다이아몬드의 상부에 금속 함유 화합물을 추가하여 구성된다.
유리한 변형예에서, CVD 단계 후, 결정립 크기는 감소된다 (이는 표면 거칠기의 감소를 가능케함).
본 발명은, 전술한 방법에 의해 얻어지는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품을 제공한다. 유리한 실시형태에서, 표면 층은 sp2 혼성화 탄소 함량의 점진적인 증가를 갖는다.
마이크로기계 시스템을 위해 제조된 이러한 기계적 부품은, 건식 (비윤활) 조건 하에서 기계 시스템의 작동을 허용하고, 높은 마찰 공학적 성능 (매우 낮은 마찰 계수, 감소된 마모 등) 을 나타내고, 장시간동안 안정적이며, 높은 에너지 효율을 나타낸다.
본 발명의 전술한 다른 목적, 특징, 양태 및 이점은 첨부 도면을 참조하여 예시적 목적이지 제한하고자 하는 목적이 아닌 하기 실시형태의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1 은 다이아몬드의 결정립 크기의 함수로서 (윤활없이 나노결정질 다이아몬드 막 상에서 활주하는) 나노결정질 다이아몬드 막의 평균 마찰 계수를 나타내는 그래프이다.
도 2a 및 도 2b 는 상이한 결정입 크기에 대해 본 발명의 방법에 따라 증착된 다이아몬드 막의 표면 구조의 개략도인데, 결정립 크기가 가장 작을 때 거칠기가 작고, 그에 따라 초기의 마찰 계수가 낮다.
도 3 은 국부적 sp2-분포 함수의 예시를 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5 는 AT399726 에 개시된 방법에 의해 얻어지는 X 선 회절도 및 원자력간 현미경 측정도를 각각 나타낸다.
도 6 은 증착된 다이아몬드 막의 두께의 함수로서 sp3/sp2 함량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2a 및 도 2b 는 상이한 결정입 크기에 대해 본 발명의 방법에 따라 증착된 다이아몬드 막의 표면 구조의 개략도인데, 결정립 크기가 가장 작을 때 거칠기가 작고, 그에 따라 초기의 마찰 계수가 낮다.
도 3 은 국부적 sp2-분포 함수의 예시를 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5 는 AT399726 에 개시된 방법에 의해 얻어지는 X 선 회절도 및 원자력간 현미경 측정도를 각각 나타낸다.
도 6 은 증착된 다이아몬드 막의 두께의 함수로서 sp3/sp2 함량의 변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 수 나노미터 ~ 수 마이크로미터 두께의 나노결정질 다이아몬드 막이 코팅된 마이크로기계 부품에 기초한다. 결정/결정립은 수 나노미터, 바람직하게는 10 나노미터 미만의 크기를 갖는다. 이러한 다이아몬드 막은 0.1 미만, 바람직하게는 0.05 미만, 특별한 경우 (도 1) 에는, 0.03 이하의 마찰 계수를 갖는다. 이러한 나노결정질 다이아몬드 막은 CVD 공정에 의해 생성된다. 특별한 CVD 공정 (참조로 본원에 내재된 AT 399726 B 에 개시됨) 시에, 탄소 함유 가스 종 (예컨대, 메탄) 이 열적으로 활성화되어 다이아몬드 (sp3-혼성화 (hybridised) 탄소), 그래파이트 (sp2-혼성화 탄소) 뿐만 아니라 탄수화물 (carbohydrate) 또는 다른 탄소 종 (sp2- 와 sp3-혼성화 탄소의 혼합물) 으로서 기재에 층착된다. 순수 다이아몬드 층을 얻기 위해서, 제 2 가스 즉, 수소를 사용할 필요가 있다. 또한, 수소 가스 (H2) 는 열적으로 활성화되어 단원자 수소를 유발하며, 이는 중요한 프로세스 단계로서, 활성화 프로세스의 효율은 매우 높고 (50 % 초과), 바람직하게는 75 % 초과이며, 특별한 경우 90 % 이상이 얻어진다. 이러한 방법은 AT399726B 에 개시되어 있다.
이러한 프로세스에 의해, 나노결정질 다이아몬드 코팅 (1)(도 2(a) 및 도 2(b)) 이 실리콘 상에 증착될 수 있고, 8 나노미터 미만 크기의 다이아몬드 결정은 예컨대, 도 2(b) 에서와 같이 10 나노미터 미만의 표면 거칠기를 갖는다.
AT399726B 에 개시된 방법에 의해 얻어진 막의 X 선 회절 및 원자간력 현미경 (Atomic Force Microscopy) 측정이 도 4 및 도 5 에 도시되어 있다.
본 발명의 주 양태는 다이아몬드 막의 성장중, 도 3 에 도시된 바와 같이 기재 (4) 의 표면 부근에서 sp3- 혼성화 층 매트릭스 내의 sp2- 혼성화 탄소 함량 (2) 의 점진적인 증가를 이루기 위해 프로세스가 조절되는 나노결정질 다이아몬트 코팅에 관한 것이다. 도 3 중 우측부분은 UNCD (Ultra Nano Crystalline Diamond) 코팅 (3) 의 입자 경계에서의 sp2 함량의 변화 (evolution)(5) 를 나타낸다.
하기 방법들은 이들 방법으로 제한하지 않고 본 발명의 개념을 포함하는 이러한 점진적인 sp2 농후화를 유도하는 것으로 설명되었다.
성장 프로세스의 마지막에서 메탄 또는 탄소 함유 가스 조성물의 제어 된 증가 또는 추가의 탄소 함유 가스의 추가 : CVD 다이아몬드 성장의 긴 주기 동안, 탄소 함유 반응 가스 (예컨대, 메탄) 의 점진적으로 제어된 증가 또는 추가의 탄소 함유 가스 (예컨대, 아세틸렌) 의 추가는, 예컨대 표면에서 가장 높은 양이 되게 다이아몬드 매트릭스 또는 다이아몬드 벌크 재료 내에서 sp2/sp3 의 비율 또는 다른 국부적 분배 기능들을 변화시킨다.
증착 파라미터 변동 : 97 % 초과 (검출 한도) 의 가장 높은 sp3 함량을 갖는 상기 언급된 프로세스 (AT399726B) 에 따른 나노결정질 다이아몬드의 증착은, 진공 시스템에서의 압력, 필라멘트의 온도, 기재의 온도, 탄소 함유 가스의 가스 흐름, 수소의 가스 흐름 및 필라멘트와 기재 사이의 거리를 포함하는 최적의 파라미터 세트에서 실행된다. 기재의 온도 및/또는 압력의 증가 또는 감소에 기인하여, sp2/sp3 비가 추가로 영향을 받을 수 있다. 이러한 변동은, 표면 가까이에서 점진적인 sp2-농후화를 얻기 위해서 성장 프로세스의 마지막에서 실현되어야 한다.
질소 추가 : 다이아몬드 성장 중, 소정량의 가스 상태의 질소가 반응 챔버에 도입된다. 2 차 핵생성 프로세스 (이미 형성된 것의 성장 대신에, 새로운 다이아몬드 결정립의 성장) 가 향상되고, 이는 단지 수 나노미터 아래로의 결정립 크기의 감소를 유도한다. 결정립이 작을수록 코팅의 거칠기가 작아지며, 또한, sp2-혼성화 탄소의 양이 더 증가된다. 뿐만 아니라 다이아몬드에서 sp2 함량을 증대시키는 다른 프로세스는, sp3 다이아몬드 매트릭스에서 sp2 결정립의 내포 (inclusion) 이다.
아르곤 추가 : 다이아몬드 성장 중, 매우 높은 레벨로의 메탄 농도의 증가 및/또는 아르곤 또는 질소와 같은 다른 원소로의 수소의 100 % 이하의 대체 또한, 동일한 효과를 유발할 수 있다.
다른 원소 추가 : 이것으로 제한하는 것은 아니지만, 임의의 형식의 다른 가스, 예컨대 네온, 헬륨, 크립톤 또는 제논과 같은 희가스가 사용될 수도 있다.
후처리에 의함 : 가스들과 조합하여 잠재적으로, 다이아몬드 표면의 변화 및/또는 그의 조직 내부를 얻을 수 있는 플라즈마 또는 레이저 처리를 포함함.
격자 왜곡 (공기 중 또는 제어된 분위기 하에서의 어닐링, UV 조사, X-선, 이온 주입 등)
전술한 상기 해결책에 추가로 또는 대안으로, 기계적 시스템용 UNCD (Ultra Nano Crystalline Diamond) 코팅의 성능은 다음과 같은 후처리에 의해 추가로 향상될 수 있다:
수소, 산소, 불소, 분자, 오일, 왁스 등에 의한 다이아몬드 표면의 터미네이션 (Termination)(댕글링 본드 (dangling bond) 의 포화)
다이아몬드의 상부에의 금속 함유 화합물의 추가는 증착물 (deposit) 의 스티킹 특성 또는 증착을 감소시킨다.
전술한 모든 해결책에 추가하여, 또한, 표면 거칠기를 감소시키기 위해서 결정립 크기를 더 감소시킬 수 있다. 결정립 크기가 더 작을수록, 표면이 더 평활해질 수 있고 (도 2 참조) 이에 따라 마찰공학적 (tribological) 성능 (다른 것들 중에서 마찰 및 마모 계수) 이 추가로 더욱 향상될 수 있다.
전술한 모든 기술에 추가하여, 마찰 원소들의 표면의 적절한 나노구조화에 의해 마찰공학적 성능을 추가로 개선할 수 있다. 이러한 구조화는 기재의 구조화 또는 다이아몬드 코팅 자체의 구조화에 의해 이루어질 수 있다. 기재의 구조화인 경우, 구조화된 표면의 정확한 복제 (replication) 를 허용하기 위해 매우 작은 결정립을 갖는 다이아몬드 코팅을 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 방법들은, 소망하는 sp3/sp2 비를 얻기 위해서 교대로 또는 조합하여 구현될 수 있다.
하기, 표 1 은 시계 무브먼트로의 적용을 위해 낮은 마찰 계수를 갖는 마이크로기계 부품용으로 적층된 다이아몬드 막의 두께 함수로서 sp3/sp2 함량의 변화의 예시를 나타낸다.
| 막 두께 [마이크로미터] | sp3 함량 [%] | sp2 함량 [%] |
| 0.1 | 100 | 0 |
| 0.2 | 100 | 0 |
| 0.3 | 100 | 0 |
| 0.4 | 100 | 0 |
| 0.5 | 100 | 0 |
| 0.6 | 100 | 0 |
| 0.7 | 100 | 0 |
| 0.8 | 100 | 0 |
| 0.9 | 100 | 0 |
| 1 | 100 | 0 |
| 1.1 | 100 | 0 |
| 1.2 | 100 | 0 |
| 1.3 | 100 | 0 |
| 1.4 | 100 | 0 |
| 1.5 | 100 | 0 |
| 1.6 | 100 | 0 |
| 1.7 | 100 | 0 |
| 1.8 | 100 | 0 |
| 1.9 | 100 | 0 |
| 2 | 100 | 0 |
| 2.1 | 100 | 0 |
| 2.2 | 100 | 0 |
| 2.3 | 100 | 0 |
| 2.4 | 100 | 0 |
| 2.5 | 100 | 0 |
| 2.6 | 95 | 5 |
| 2.7 | 90 | 10 |
| 2.8 | 85 | 15 |
| 막 두께 [마이크로미터] | sp3 함량 [%] | sp2 함량 [%] |
| 2.9 | 80 | 20 |
| 3 | 75 | 25 |
| 3.1 | 70 | 30 |
| 3.2 | 65 | 35 |
| 3.3 | 60 | 40 |
| 3.4 | 55 | 45 |
| 3.5 | 50 | 50 |
본 발명은 마이크로기계 시계 무브먼트, 특히 이스케이프먼트 휠 및 팔레트 (pallet) 및 다른 마찰 관련 시스템의 실현에 사용될 수 있다.
도면을 참조하여 전술한 상세한 설명은 예시적인 것이지 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 첨부의 특허범위의 범주 내에 수개의 대안예가 존재한다. 예컨대, 본 발명은 적어도 하나의 부분/부품이 다이아몬드로 코팅될 수 있는 다른 거시적 또는 미시적 기구에서의 마찰공학적 성능의 향상을 위해 사용될 수 있다. 적용 예는 마이크로 전자기계 시스템 (MEMS), 나노 전자기계 시스템 (NEMS), 전기 모터, 특히 마이크로 모터, 펌프, 특히 마이크로 펌프, 진공 시스템, 엔진과 같은 정역학적 및/또는 동력학적 시스템 등이며 본 발명을 벗어나지 않는다.
용어 "포함하는" 은 청구범위에 기재된 것 이외의 다른 원소 또는 단계의 존재를 배제하는 것은 아니다. 단수형으로 표현된 원소 또는 단계는 이러한 원소 또는 단계의 복수형의 존재를 배제하는 것은 아니다. 단지 각각의 종속항들이 각각의 추가의 특징을 규정한다는 사실은 종속항들의 조합에 대응하는 추가의 특징들의 조합을 배제하는 것은 아니다.
Claims (15)
- - 코팅될 기재 (4) 부품을 제공하는 단계; 및
- 상기 부품에 다이아몬드 코팅 (1) 이 제공되는 단계를 포함하는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품의 코팅 방법에 있어서,
- 상기 다이아몬드 코팅 (1) 은 반응 챔버에서 CVD 에 의해 제공되고,
- CVD 증착중, 성장 프로세스의 마지막 부분 중, 반응 챔버 내에 있는 탄소 함량의 제어된 변화가 제공됨으로써, 표면 부근에서 sp2/sp3 탄소 (2) 결합의 변화를 제공하는 것을 특징으로 하는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품의 코팅 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 변화는 반응 챔버 내에 있는 탄소 함량의 증가인 것을 특징으로 하는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품의 코팅 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 탄소 함량의 증가는 탄소 함유 반응 가스의 비율을 증가시킴으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품의 코팅 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 탄소 함량의 증가는 추가의 탄소 함유 가스를 추가함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품의 코팅 방법. - 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄소 함량의 증가는 프로세싱 반응 챔버 내의 온도 및/또는 압력을 증가시킴으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품의 코팅 방법. - 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄소 함량의 증가는 반응 챔버에 가스 상태의 질소를 추가함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품의 코팅 방법. - 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄소 함량의 증가는 수소를 아르곤으로 대체함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품의 코팅 방법. - 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄소 함량의 증가는 적어도 하나의 희가스를 추가함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품의 코팅 방법. - 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄소 함량의 증가는 격자 왜곡에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품의 코팅 방법. - 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄소 함량의 증가는 후처리에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품의 코팅 방법. - 제 2 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
스티킹 특성을 감소시키기 위해서 다이아몬드의 상부에 금속 함유 화합물을 추가하여 구성되는 후처리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품의 코팅 방법. - 제 2 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
다이아몬드 표면의 터미네이션으로 구성된 후처리를 더 포함하고, 상기 터미네이션은 수소, 할로겐, 금속, 전기 전도성 광물/유기 분자 또는 단백질로 구성된 군으로부터 선택된 원소를 사용하여 제공되는 것을 특징으로 하는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품의 코팅 방법. - 제 2 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
CVD 단계 후, 결정립 크기는 감소되는 것을 특징으로 하는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품의 코팅 방법. - 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품에 있어서,
상기 부품은 제 2 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품. - 제 14 항에 있어서,
표면 층은 sp2 혼성화 탄소 함량의 점진적인 증가를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로기계 시스템, 특히 시계 무브먼트용 마이크로기계 부품.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP09160548 | 2009-05-18 | ||
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