KR20130076420A - 경질 코팅층과 그 형성방법 - Google Patents

경질 코팅층과 그 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 경질 코팅층과 그 형성방법에 관한 것으로, 기판을 세척하는 단계; 상기 세척된 기판을 진공 설비에 장착하고, 상기 진공 설비 내부를 진공시키는 단계; 상기 기판을 청정시키는 단계; 상기 기판에 빗각으로 빗각 코팅층을 형성하는 단계; 상기 빗각 코팅층 형성 후에 바이어스 전압을 인가하여 상기 기판과 수직으로 상기 빗각 코팅층 상에 수직 코팅층을 형성하는 단계; 를 포함하는 경질 코팅층 형성방법을 제공하여, 경질 코팅층을 빗각으로 형성함과 동시에 수직으로 형성시킴으로써 경질 코팅층이 고경도의 기계적 물성을 갖도록 할 수 있는 효과가 있다.

Description

경질 코팅층과 그 형성방법{HARDNESS COATING LAYER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 경질 코팅층과 그 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 빗각으로 코팅층을 형성한 후에 수직으로 코팅층을 형성한 주상구조를 갖는 경질 코팅층과 그 형성방법에 관한 것이다.
일반적으로 경질 코팅은 질화물, 탄화물, 산화물 등 코팅층의 조성을 변화시키거나 이종 물질을 첨가하여 기계적 특성을 향상시키는 기술이다. 또한, 코팅층 내에 나노 크기의 결정 구조를 형성시키거나 수 nm의 두께로 서로 다른 조성을 갖는 물질로 다층의 코팅층을 형성하여 기계적 특성을 향상시키는 방법이 최근 각광을 받고 있다.
그러나, 상기의 방법은 코팅 공정이 용이하지 않으며 공정변수 제어가 까다로운 문제가 있었고, 경도가 향상되더라도 쉽게 부서지는 단점이 있었다.
본 발명의 실시예들은 경질 코팅층의 구조를 변화시켜 기계적 특성을 향상시킨 형태가 변화된 경질 코팅층을 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 기판을 세척하는 단계; 상기 세척된 기판을 진공 설비에 장착하고, 상기 진공 설비 내부를 진공시키는 단계; 상기 기판을 청정시키는 단계; 상기 기판에 빗각으로 빗각 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 빗각 코팅층 형성 후에 바이어스 전압을 인가하여 상기 기판과 수직으로 상기 빗각 코팅층 상에 수직 코팅층을 형성하는 단계; 를 포함하는 경질 코팅층 형성방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 빗각 코팅층 및 수직 코팅층은 다층으로 이루어질 수 있고, 상기 빗각 코팅층은 경사진 방향이 2회 이상 반대 방향으로 변할 수 있드며, 상기 빗각 코팅층 및 수직 코팅층은 질화 티타늄으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 기판은 알코올과 아세톤으로 초음파 세척될 수 있으며, 상기 진공 설비 내부의 진공은 10-8 torr 이하로 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 빗각 코팅층 및 수직 코팅층의 형성은 아르곤 가스를 상기 진공 설비에 주입하여 진공도가 2x10-2 torr 내지 2x10-4 torr 에 이를 때 수행되는 것을 특징으로 하며, 상기 빗각의 크기는 10~80°일 수 있으며, 상기 전기장의 인가는 200V 이하의 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 기판 상에 상기 기판에 경사진 방향으로 형성되는 빗각 코팅층 및 상기 빗각 코팅층 상에 상기 기판에 수직으로 형성되는 수직 코팅층이 형성되는 경질 코팅층이 제공될 수 있다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 빗각 코팅층 및 수직 코팅층은 다층으로 이루어질 수 있으며, 상기 빗각 코팅층은 경사진 방향이 2회 이상 반대 방향으로 변할 수 있으며, 상기 빗각 코팅층 및 수직 코팅층은 질화 티타늄으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예들은 경질 코팅층을 빗각으로 형성함과 동시에 수직으로 형성시킴으로써 경질 코팅층이 고경도의 기계적 물성을 갖도록 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기판에 형성된 경질 코팅층의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 경질 코팅층의 구조에 따른 경도 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 경질 코팅층의 공정 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 진공 코팅 설비의 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 위주로 설명한다.
이러한 실시예는 본 발명에 따른 일실시예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현할 수 있으므로, 본 발명의 권리범위는 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다 할 것이다.
본 발명에 따른 실시예는 기판에 빗각 코팅층과 수직 코팅층을 형성함으로써 경도를 향상시키는데, 이하에서는 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 경질 코팅층의 공정 순서도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 진공 코팅 설비의 개략도이다.
본 발명에 따른 실시예에서 경질 코팅층을 형성하기 위하여 먼저 기판(substrate)(10)을 세척(S10)하고, 상기 세척한 기판(10)을 진공 설비(100)에 장착하고, 상기 진공 설비(100) 내부를 진공(S20)으로 만든 다음 기판(10)을 청정(S30)시킨다. 이후에 상기 청정된 기판(10) 상에 코팅을 형성하는데, 본 발명에 따른 실시예에서는 기판(10) 상에 경사지도록 기판 홀더(120)를 회전시켜 코팅을 실시한다.
상기 코팅에 의해 기판(10) 상에 빗각 코팅층(20)이 형성(S40)되고, 상기 빗각 코팅층(20)의 형성이 완료되면 바이어스 전압을 인가하여 상기 기판(10)과 수직으로 상기 빗각 코팅층(20) 상에 수직 코팅층(30)이 형성(S50)되도록 한다. 즉, 상기 빗각 코팅층(20) 상에 수직 코팅층(30)을 형성함으로써 구조를 변화시킨다. 상기 수직 코팅은 영률(Young's Modulus)과 경도를 향상시키기 위한 목적으로 실시하고, 빗각 코팅은 취성(brittleness)을 향상시켜 잘 부서지지 않도록 하기 위한 목적으로 실시한다.
이때, 상기 빗각 코팅층(20)과 수직 코팅층(30)은 다층으로 형성될 수 있으며, 특히 상기 빗각 코팅층(20)은 지그재그(zigzag) 형상 또는 < 형상과 같이 빗각 코팅층(20)의 경사진 방향이 2회 이상 반대 방향으로 변하도록 형성할 수 있는데, 상기 지그재그 형상 또는 < 형상은 기판(10)을 지지하는 기판 홀더(120)를 회전시킴으로써 가능하다.
본 발명에 따른 실시예에서 빗각 코팅층(20)과 수직 코팅층(30)으로 형성하는 이유는 바이어스 전압을 인가함으로써 조직이 달라지도록 하기 위함이다. 그리고, 빗각 코팅층(20)과 수직 코팅층(30)을 2회 이상 반복하여 형성할 수 있는데, 상기 빗각 코팅층(20)과 수직 코팅층(30)의 적층 형태는 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기판에 경질 코팅층이 형성된 모습을 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다수의 경질 코팅층 및 이들의 경도를 나타내는 그래프이다.
본 발명에 따른 실시예에서는 코팅층의 원료로 질화 티타늄(TiN)을 사용하였으나, 이는 일 실시예에 불과하고 지르코늄이나 TiAl과 같은 질화물 및 탄화물 등에도 사용 가능하다.
본 발명에 따른 실시예에서는 코팅 공정 전에 기판(10)을 세척하기 위하여 알코올과 아세톤으로 초음파 세척을 실시하고, 코팅 전에 상기 진공 설비(100) 내부를 진공으로 하는 경우 진공도는 10-8 torr 이하로 한다. 진공 설비(100) 내부를 진공으로 한 다음에는 코팅층을 형성하기 위하여 아르곤 가스를 진공 설비(100) 내에 주입하여 진공도를 높인다. 본 발명에 따른 실시예에서는 2x10-2torr 내지 2x10-4torr의 범위의 진공도가 되면 코팅을 실시한다. 만약, 진공도가 2x10-2torr보다 낮은 경우에는 아크(arc)에 의해 발생된 메탈 이온이 다른 이온 등의 장애물에 의해 방해되어 기판(10)에 도달할 수 없게 되어 증착율(deposition rate)이 낮아지게 되고, 진공도가 2x10-4torr보다 높으면 가스 분자의 숫자가 적어지므로 스퍼터링이 일어날 가능성이 줄어들게 되어 플라즈마 또는 아크가 발생하지 않을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시예의 빗각 코팅층(20)을 형성하기 위한 바이어스 전압은 200V 이하가 바람직한데, 만약 200V보다 크면 이온 가스들이 시편에 가속되어 리스퍼터링(resputtering), 즉 코팅이 아니라 스퍼터링이 일어나므로 200V 이하로 하는 것이 바람직하다.
빗각의 크기(α)는 예각이면 되고 특별히 제한되지 않으나 10~80°가 바람직하다. 상기 코팅층은 쉐도잉 효과(shadowing effect)에 의해 수평으로의 성장은 억제되므로 보통 10°이상의 코팅층이 형성되고, 상기 빗각의 크기가 80°보다 크다면 빗각 코팅층(20)의 경사각이 수직에 가까워져 경도 향상 효과가 미미하므로 빗각의 크기를 상기 범위로 한정한다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 실시예에서는 기판 표면과 수직으로 코팅층이 형성되는 종래 공정과는 달리 빗각 코팅으로 기울어진 코팅층을 형성한다. 상기 빗각 코팅은 코팅층의 구조를 제어하고 다양한 형태의 코팅층 구조를 형성하는데 이용되고 있다. 빗각 코팅으로 가능한 구조로는 지그재그, 나선, 기울어진 기둥 등이 대표적이며 이러한 구조는 일반적인 코팅층과 비교하여 비표면적이 넓기 때문에 가스 센서 등의 응용 분야에 적용이 가능하다. 본 발명에 따른 실시예에서는 코팅층의 구조가 상기 구조를 갖지는 않으며 기울어진 주상구조에 가깝다. 이러한 코팅층의 구조적 변화와 다층구조의 코팅층 형성으로부터 코팅층의 물리적 특성 변화를 기대할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예는 경질 코팅층의 형태설계와 진공 코팅방법을 이용하여 코팅층을 형성할 수 있는 공정으로 구성되는데, 본 발명에 따른 실시예에서 기판(10)은 스테인리스 강판을 사용하였다. 상기 기판(10)을 알코올과 아세톤으로 초음파 세척한 후 진공 설비(100)에 장착하고 터보 분자 펌프(150)와 로터리 베인 펌프(160)를 이용하여 진공 배기를 10-6 torr까지 실시하였다. 진공 배기 후, 아르곤(Ar) 가스를 진공 설비(100) 내부로 주입하여 진공도가 7x10-4 torr에 이르면 티타늄 타겟(140)이 장착되어 있는 음극 아크 소스(130)에 직류 전원을 인가하여 아크를 발생시켜 기판(10)에 약 400 V의 전압을 인가하여 시편 청정을 실시한다.
기판(10) 청정 공정이 종료되면 아르곤 가스와 함께 질소 가스를 주입하여 기판(10) 청정과 동일한 압력에서 질화 티타늄(titanium nitride, TiN) 코팅층을 형성한다. TiN 코팅층 형성시 기판(10)과 음극 아크 소스(130)는 수직을 형성하지 않고 빗각을 이루도록 기판 홀더(120)를 회전시킨 다음 코팅을 실시한다. 빗각(α)의 크기는 45°를 이용하였다. 원하는 두께로 빗각 코팅이 종료되면 기판 홀더(120)는 기울어진 상태에서 기판(10)에 약 100 V의 전압을 인가하여 최상층을 코팅하였다. 원하는 두께의 최상층이 코팅되면 공정을 종료한다.
본 발명에 따른 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이 여러 가지 형태의 코팅층을 형성하였는데, 비교예로써 기판(10) 상에 단순히 수직 코팅층(30)만을 형성한 경우에는 26GPa 정도의 낮은 경도를 갖는 반면, 기판(10) 상에 지그재그로 빗각 코팅층(20)을 형성한 다음 수직 코팅층(30)을 형성한 경우(샘플 번호 4)의 경도는 34GPa 정도의 경도를 갖는 것으로 샘플 번호 4의 경도가 매우 높은 것을 알 수 있다. 또한, 빗각 코팅층(20)과 수직 코팅층(30)을 반복하여 2회 적층한 경우(샘플 번호 6)에도 30GPa이 넘는 경도를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 상기 샘플 번호 6의 경우와 빗각 코팅층(20)과 수직 코팅층(30)의 적층을 1회만 반복한 경우(샘플 번호 2)와 비교할 때 2회 반복하여 적층한 샘플 번호 6의 경우가 보다 경도가 향상됨을 알 수 있었다.
일반적으로 질화 티타늄의 코팅층의 경도를 30GPa가 넘도록 하는 것이 쉽지 않으나 본 발명에 따른 실시예에서는 코팅층의 경도가 30GPa을 초과하는 질화 티타늄의 코팅층을 형성할 수 있었다.
본 발명에 따른 실시예에서는 기판(10)을 기울여 빗각 코팅을 실시하는 중에 기판(10)에 전기장을 인가하여 기울어져 성장하던 코팅층이 기판(10)에 수직으로 성장하도록 한다. 빗각 코팅법과 전기장 인가를 이용하여 다양한 형태의 경질 코팅층을 형성할 수 있으며 특성을 분석한 결과 빗각 코팅법으로 코팅층을 형성하고 최상층은 전기장을 인가하여 수직한 코팅층 구조를 형성하면 경도와 같은 경질 코팅층의 기계적 특성이 향상됨을 알 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (13)

  1. 기판을 세척하는 단계;
    상기 세척된 기판을 진공 설비에 장착하고, 상기 진공 설비 내부를 진공시키는 단계;
    상기 기판을 청정시키는 단계;
    상기 기판에 빗각으로 빗각 코팅층을 형성하는 단계; 및
    상기 빗각 코팅층 형성 후에 바이어스 전압을 인가하여 상기 기판과 수직으로 상기 빗각 코팅층 상에 수직 코팅층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 경질 코팅층 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빗각 코팅층 및 수직 코팅층은 다층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층 형성방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 빗각 코팅층은 경사진 방향이 2회 이상 반대 방향으로 변하는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층 형성방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 빗각 코팅층 및 수직 코팅층은 질화 티타늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층 형성방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 기판은 알코올과 아세톤으로 초음파 세척되는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층 형성방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 진공 설비 내부의 진공은 10-8 torr 이하로 하는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층 형성방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 빗각 코팅층 및 수직 코팅층의 형성은 아르곤 가스를 상기 진공 설비에 주입하여 진공도가 2x10-2 torr 내지 2x10-4 torr 에 이를 때 수행되는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층 형성방법.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 빗각의 크기는 10~80°인 것을 특징으로 하는 경질 코팅층 형성방법.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 전기장의 인가는 200V 이하의 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층 형성방법.
  10. 기판 상에 상기 기판에 경사진 방향으로 형성되는 빗각 코팅층 및 상기 빗각 코팅층 상에 상기 기판에 수직으로 형성되는 수직 코팅층이 형성되는 경질 코팅층.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 빗각 코팅층 및 수직 코팅층은 다층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 빗각 코팅층은 경사진 방향이 2회 이상 반대 방향으로 변하는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 빗각 코팅층 및 수직 코팅층은 질화 티타늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층.
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