KR20140028581A

KR20140028581A - 멀티레이어 코팅층 및 코팅방법

Info

Publication number: KR20140028581A
Application number: KR1020120095122A
Authority: KR
Inventors: 홍웅표; 강혁; 여인웅; 최광훈
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2014-03-10
Also published as: US20140065394A1; KR101449116B1; US20160333462A1; DE102013206534A1

Abstract

TiN으로 조성된 제1코팅층과 TiAgN으로 조성된 제2코팅층이 반복적으로 교대되도록 적층되어 형성된 멀티레이어 코팅층 및 그 코팅방법이 소개된다.

Description

멀티레이어 코팅층 및 코팅방법 {MULTI COATING LAYER AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 엔진 구동부품 등의 코팅재로서 내구성과 저마찰성 및 내열성을 모두 만족할 수 있는 멀티레이어 코팅층 및 코팅방법에 관한 것이다.

엔진 구동부품 등의 코팅재로서 현재 사용되는 DLC는 내구성은 만족하나 내열성이 부족한 단점이 있다. 이를 극복하기 위한 방안으로 TiAgN 코팅재가 제시되고 있으나 TiAgN 코팅재의 경우 저마찰 및 내열특성은 우수하지만, Soft metal인 Ag의 함량이 증가함에 따라 저마찰 특성이 향상됨에도 불구하고 경도 특성이 저하되어 열악한 내구특성을 지니는 문제가 있어 상용화가 어려운 상황이다.

이러한 TiAgN의 경우 물리기상증착(PVD, Physical Vapor Deposition)장비를 이용하여 제조가 가능한데, 모재의 표면에 일정 온도의 분위기에서 질소가스를 분위기 가스로 하고, Ti타겟과 Ag타겟을 이용하여 표면에 플라즈마의 형성에 의한 TiAgN 코팅층을 형성하는 방안이 가장 유력할 것이다.

하지만, 이러한 TiAgN 코팅층의 경우 종래에 참고할 수 있는 공지기술이 전혀 존재하지 않을뿐더러, Ag의 첨가에도 불구하고 저마찰특성은 향상되지만 내구성과 내열성이 확보되지 않는 문제가 있었던 것이다.

물리기상증착(PVD, Physical Vapor Deposition)장비에 관하여는 다양한 기술들이 제시된 일반적인 기술분야에 해당하는바, 일 예로 KR10-2010-0001086 A을 살펴보면 어떠한 원리에 의한 증착 방식인지를 쉽게 알 수 있다.

본 발명은 이러한 물리기상증착(PVD, Physical Vapor Deposition)장비를 이용한 코팅재와 코팅방법으로써 TiAgN 코팅층이면서도 저마찰성 뿐만 아니라 내구성과 내열성을 모두 만족할 수 있는 코팅층을 제공하기 위한 목적이 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR

10-2010-0001086

A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, TiAgN 코팅층이면서도 저마찰성 뿐만 아니라 내구성과 내열성을 모두 만족할 수 있는 멀티레이어 코팅층 및 코팅방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 멀티레이어 코팅층은, TiN으로 조성된 제1코팅층과 TiAgN으로 조성된 제2코팅층이 반복적으로 교대되도록 적층되어 형성된다.

상기 제1코팅층과 제2코팅층은 각각 20~300nm의 두께로 형성될 수 있다.

상기 제1코팅층과 제2코팅층은 총 10~30층이 되도록 반복적으로 적층될 수 있다.

코팅층을 이루는 전체 원자 중 Ag는 7~20at%일 수 있다.

상기 멀티레이어 코팅층을 제조하는 코팅방법은, 물리기상증착(PVD, Physical Vapor Deposition)장비와 Ti타겟, Ag타켓 및 N₂가스를 이용한 코팅방법으로서, 분위기 가스로 N₂가스를 주입하고 Ti타겟에 전류를 인가하여 모재의 표면에 TiN으로 조성된 제1코팅층을 코팅하는 제1코팅단계; 분위기 가스로 N₂가스를 주입하고 Ti타겟과 Ag타겟에 모두 전류를 인가하여 TiAgN으로 조성된 제2코팅층을 코팅하는 제2코팅단계; 및 상기 Ag타겟에 인가하는 전류의 ON/OFF를 반복함으로써 제1코팅층과 제2코팅층이 반복적으로 교대되도록 적층하는 적층단계;를 포함한다.

상기 분위기 가스로는 N₂가스와 Ar가스를 이용할 수 있다.

상기 Ti타겟은 스퍼터소스유닛에 장착하고 Ag타켓은 아크소스유닛에 장착하여 전류를 인가할 수 있다.

상기 스퍼터소스유닛에는 1~2.5A의 전류를 인가할 수 있다.

상기 아크소스유닛에는 50~200A의 전류를 인가할 수 있다.

상기 모재에는 바이어스전압을 인가할 수 있다.

상기 바이어스전압은 100~250V일 수 있다.

상기 물리기상증착 장비의 챔버 내 공정온도는 300~450℃일 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 멀티레이어 코팅층 및 코팅방법에 따르면, 기존 TiAgN 단층 코팅재 대비하여 경도 특성이 40% 향상(TiAgN 단층은 10~12GPa, 본 발명의 코팅재는 15~25GPa)되고, 400℃이상의 고온 환경 하에서도 TiAgN 단층 대비 내열 특성이 30% 향상되며, DLC 및 기존 TiAgN 단층 코팅재를 대체하여 엔진 구동 부품 등에서 내구 특성 강화를 통한 연비 및 내구성 향상을 이룰 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레이어 코팅층의 구성도.
도 2는 도 1에 도시된 멀티레이어 코팅층의 전자현미경 확대도.
도 3 내지 4는 도 1에 도시된 멀티레이어 코팅층의 두께와 적층수에 관한 효과를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레이어 코팅방법의 순서도.
도 6 내지 7은 도 5에 도시된 멀티레이어 코팅방법을 수행하는 단계를 나타낸 도면.
도 8 내지 10은 도 5에 도시된 멀티레이어 코팅방법의 효과를 나타내는 그래프.
도 11은 TiAgN 단일층과 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레이어 코팅층의 경도차이를 나타낸 그래프.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 멀티레이어 코팅층 및 코팅방법에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레이어 코팅층의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 멀티레이어 코팅층의 전자현미경 확대도로서, 본 발명의 멀티레이어 코팅층은, TiN으로 조성된 제1코팅층(30)과 TiAgN으로 조성된 제2코팅층(40)이 반복적으로 교대되도록 적층되어 형성된다.

이러한 코팅층은 기본적으로 PVD 장비에 의해 형성될 수 있는데, 단순히 TiAgN 단일층으로 코팅하는 것이 아니라, TiN을 교대로 적층함으로써 필요한 저말찰성 외에 내구성과 내열성을 동시 확보할 수 있도록 하는 것이다.

도 2는 도 1에 도시된 멀티레이어 코팅층의 전자현미경 확대도로서, 모재의 위에 Ti와 TiN으로 구성된 버퍼층을 먼저 형성하고, 그 위에 제1코팅층과 제2코팅층이 번갈아가며 교대로 형성됨을 알 수 있다. 버퍼층은 모재에의 코팅이 잘 이루어지도록 Ti를 implantation하는 과정이다.

구체적으로, 상기 제1코팅층(30)과 제2코팅층(40)은 각각 20~300nm의 두께로 형성할 경우 가장 효과가 극대화된다. 도 3은 멀티레이어 코팅층의 두께와 효과를 나타낸 그래프로서, 도면에서 볼 수 있듯이, 각 코팅층의 두께가 20~300nm의 사이 지점에서 고경도와 저마찰의 특성을 동시에 보여줌을 알 수 있다.

또한, 상기 제1코팅층(30)과 제2코팅층(40)은 총 10~30층이 되도록 반복적으로 적층되도록 함이 바람직한데, 도 4에서 볼 수 있듯이, 총 층의 개수가 10~30층이 되는 지점에서 고경도와 저마찰의 특성을 동시에 보여줌을 알 수 있다.

또한, 상기 제1코팅층(30)과 제2코팅층(40)을 이루는 전체 원자 중 Ag는 7~20at%의 범위에서 함유될 수 있도록 함이 바람직한데, 이는 Ag타겟의 증착시간 내지 전류를 조절하여 이룰 수 있고, 최소한 7at% 이상이 되어야 저마찰의 특성을 얻을 수 있으며 20at% 이상일 경우 경도의 저하가 발생되기 때문이다.

이러한 멀티레이어 코팅층을 형성하기 위한 멀티레이어 코팅방법은, 물리기상증착(PVD, Physical Vapor Deposition)장비와 Ti타겟, Ag타켓 및 N₂가스를 이용한 코팅방법으로서, 분위기 가스로 N₂가스를 주입하고 Ti타겟에 전류를 인가하여 모재의 표면에 TiN으로 조성된 제1코팅층을 코팅하는 제1코팅단계(S100); 분위기 가스로 N₂가스를 주입하고 Ti타겟과 Ag타겟에 모두 전류를 인가하여 TiAgN으로 조성된 제2코팅층을 코팅하는 제2코팅단계(S200); 및 상기 Ag타겟에 인가하는 전류의 ON/OFF를 반복함으로써 제1코팅층과 제2코팅층이 반복적으로 교대되도록 적층하는 적층단계(S300);를 포함한다.

구체적으로, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레이어 코팅방법의 순서도이고, 도 6 내지 7은 도 5에 도시된 멀티레이어 코팅방법을 수행하는 단계를 나타낸 도면으로서, 기본적으로는 분위기 가스로 N₂가스를 주입하고 Ti타겟에 전류를 인가하여 모재의 표면에 TiN층을 형성하고 그와 동시에 시간간격을 두고 Ag타겟에 인가하는 전류의 ON/OFF를 반복함으로써 ON시 TiAgN층이 코팅되고 OFF시 TiN층이 코팅되도록 함으로써 결국 모재의 표면에 TiN층과 TiAgN층이 반복 교대되도록 적층하는 것이다.

세부적인 시험 조건으로는, 먼저 진공형성단계로서, 챔버 내 진공을 형성시켜 분위기 내 불순물의 영향을 최소화하여 코팅층 특성 향상시킨다. 1차 로타리 펌프를 이용해 10-3Torr까지 진공도를 형성시킨 후 2차 TMP(Turbo Molecular Pump)를 통해 5X10-5Torr의 진공도를 유지한다.

그 후 히팅과정으로써, 고온에서의 질소(N)의 반응/결합이 원활하게 진행되도록 유도하기 위해 300℃ 이상으로 온도가 유지되도록 설정한 후 히팅 유지시간은 40min이상으로 하여 코팅하고자 하는 시험편의 표면과 내부 온도분포 균일화한다.

그리고 클리닝 과정으로써, 시험편 표면상에 존재하는 이물질 제거하여 코팅층 특성 향상시키기 위해 시험편을 초음파 세척기를 이용하여 에탄올과 아세톤으로 세척 후 챔버 내에서 이온건을 이용하여 20min이상 표면을 식각 및 클리닝한다.

그리고 버퍼층 형성으로써, 모재와 TiAgN 간 격자상수 차이를 감소시켜 코팅층 계면간의 접합 강도를 향상시키기 위해 아크 이온플레이팅 방법으로 질소 분위기 내 아크 소스를 이용하여 Ti를 반응시켜 TiN층을 0.1mm이하로 증착시킨다.

그 후 멀티레이어의 증착과정으로써 TiAgN 및 TiN 코팅층을 교대로 반복 증착하기 위해 코팅 챔버 내 분위기가스로 Ar가스를 유입하여 Ag원소의 스퍼터링이 가능하도록 하며, 질소 가스(N2)를 유입하여 TiN 합성이 이루어지도록 한다. 이때 코팅처리를 하고자 하는 대상물에 바이어스 전압을 인가하여, 증착효율을 높이도록 하며, Ti 타겟이 장착된 아크 건과 Ag타겟이 장착된 스퍼터 건에 각각 전원을 인가하며, Ag소스를 On/Off 함으로써 TiAgN 및 TiN 코팅층을 교대로 증착하는 것이다.

구체적으로, 상기 분위기 가스로는 N₂가스와 Ar가스를 이용함으로써 TiN층의 증착과 Ag원소의 스퍼터링이 가능하도록 한다.

그리고 상기 Ti타겟은 스퍼터소스유닛에 장착하고 Ag타켓은 아크소스유닛에 장착하여 전류를 인가함으로써 좀 더 효과적으로 빨리 제조하며 동시에 정밀하게 Ti의 함유정도와 표면을 제어할 수 있게 된다.

한편, 상기 스퍼터소스유닛에는 1~2.5A의 전류를 인가하는 것이 바람직한데, 이는 도 8에서 볼 수 있듯이, Ti타겟의 경우 1~2.5A의 전류를 인가하는 경우가 저마찰과 고경도의 특성을 동시 만족할 수 있기 때문이다.

또한, 상기 아크소스유닛에는 50~200A의 전류를 인가하는 것이 바람직한데, 이는 도 9에서 볼 수 있듯이, Ag타켓의 경우 50~200A의 전류를 인가하는 경우가 저마찰과 고경도의 특성을 동시 만족할 수 있기 때문이다.

한편, 상기 모재에는 바이어스전압을 인가하여 증착효율을 높이고, 바이어스전압은 100~250V으로 함이 바람직하다. 도 10은 바이어스 전압에 따른 효과를 나타낸 그래프로서, 바이어스전압은 100~250V으로 함이 저마찰과 고경도의 특성을 동시 만족할 수 있기 때문이다.

그리고, 상기 물리기상증착 장비의 챔버 내 공정온도는 300~450℃으로 함으로써 고온에서 질소의 반응/결합이 원활하게 되어 공정효율이 상승되고 적절한 질소의 함유가 가능하게 한다.

추가적으로, 도 11은 TiAgN 단일층과 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레이어 코팅층의 경도차이를 나타낸 그래프로서, 이를 살펴보더라도 본 발명의 멀티레이어 코팅층은 기존의 TiAgN 단층 코팅재 대비하여 경도 특성이 40% 이상 증가하는 것으로서 매우 현저한 경도특성의 차이를 보이며, 또한, 적절한 Ag의 함유를 통하여 원하는 저마찰의 특성을 가짐은 앞서 살핀 바와 같다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10 : 모재 20 : 버퍼층
30 : 제1코팅층 40 : 제2코팅층

Claims

TiN으로 조성된 제1코팅층(30)과 TiAgN으로 조성된 제2코팅층(40)이 반복적으로 교대되도록 적층되어 형성된 멀티레이어 코팅층.
청구항 1에 있어서,
상기 제1코팅층(30)과 제2코팅층(40)은 각각 20~300nm의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 멀티레이어 코팅층.
청구항 1에 있어서,
상기 제1코팅층(30)과 제2코팅층(40)은 총 10~30층이 되도록 반복적으로 적층된 것을 특징으로 하는 멀티레이어 코팅층.
청구항 1에 있어서,
상기 제1코팅층(30)과 제2코팅층(40)을 이루는 전체 원자 중 Ag는 7~20at%인 것을 특징으로 하는 멀티레이어 코팅층.
물리기상증착(PVD, Physical Vapor Deposition)장비와 Ti타겟, Ag타켓 및 N₂가스를 이용한 코팅방법으로서,
분위기 가스로 N₂가스를 주입하고 Ti타겟에 전류를 인가하여 모재의 표면에 TiN으로 조성된 제1코팅층을 코팅하는 제1코팅단계(S100);
분위기 가스로 N₂가스를 주입하고 Ti타겟과 Ag타겟에 모두 전류를 인가하여 TiAgN으로 조성된 제2코팅층을 코팅하는 제2코팅단계(S200); 및
상기 Ag타겟에 인가하는 전류의 ON/OFF를 반복함으로써 제1코팅층과 제2코팅층이 반복적으로 교대되도록 적층하는 적층단계(S300);를 포함하는 멀티레이어 코팅방법.
청구항 5에 있어서,
상기 분위기 가스로는 N₂가스와 Ar가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 멀티레이어 코팅방법.
청구항 5에 있어서,
상기 Ti타겟은 스퍼터소스유닛에 장착하고 Ag타켓은 아크소스유닛에 장착하여 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 멀티레이어 코팅방법.
청구항 7에 있어서,
상기 스퍼터소스유닛에는 1~2.5A의 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 멀티레이어 코팅방법.
청구항 7에 있어서,
상기 아크소스유닛에는 50~200A의 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 멀티레이어 코팅방법.
청구항 5에 있어서,
상기 모재에는 바이어스전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 멀티레이어 코팅방법.
청구항 10에 있어서,
상기 바이어스전압은 100~250V인 것을 특징으로 하는 멀티레이어 코팅방법.
청구항 5에 있어서,
상기 물리기상증착 장비의 챔버 내 공정온도는 300~450℃인 것을 특징으로 하는 멀티레이어 코팅방법.