KR20140077354A - ＴｉＡｇＮ 코팅층, 코팅방법 및 코팅장비 - Google Patents

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Abstract

표면조도가 0.05~0.1㎛인 모재에 플라즈마 코팅방식에 의해 코팅되며, 질소 분위기가스와 Ti소스 온의 상태에서, 주기적으로 Ag소스를 온/오프하여 형성되는 TiAgN 코팅층, 코팅방법 및 코팅장비가 소개된다.

Description

ＴｉＡｇＮ 코팅층, 코팅방법 및 코팅장비 {TiAgN COATING LAYER, TiAgN COATING METHOD AND TiAgN COATING APPARATUS}
본 발명은 챔버내 지그 회전 속도 조절과 코팅전 모재의 조도 조절을 통해 TiAgN코팅 단층 내부의 결정립 크기를 50~100nm으로 나노복합화시켜 저마찰 및 내열특성을 동시 구현시키며, 양산성을 증대시킬 수 있는 TiAgN 코팅층, 코팅방법 및 코팅장비에 관한 것이다.
현재 엔진 구동부품 등의 코팅재로 사용되는 DLC의 부족한 내열특성을 극복한 신규의 TiAgN코팅재의 경우, 저마찰 및 내열특성은 우수함을 알아내었다. 하지만 Ag 함량이 증가함에 따라 저마찰 특성은 향상되지만 경도 특성은 저하되어 열악한 내구특성을 지니게 된다.
이는 새로운 TiAgN/TiN 다층 코팅재 제작을 통해 극복 가능하지만, 다층 코팅재 제작시 TiAgN코팅 단층 내부에 TiN(내열)/Ag(저마찰)층이 불연속 되어 저마찰 특성과 내열특성이 동시에 구현되지 못하는 문제가 있었다. 또한, 하이브리드 PVD를 이용함에 따른 양산성 부재의 문제가 존재하였다.
따라서, 본 발명에서는 TiAgN/TiN 다층 코팅재 제작 시 1) 챔버 내 지그 회전 속도 조절 2) 코팅전 모재의 조도 조절을 통해 TiAgN코팅 단층 내부의 결정립 크기를 50~100nm으로 나노복합화 시켜 저마찰 및 내열특성을 동시 구현시키며, 양산성을 증대시키는데 그 목적이 있다.
종래의 KR10-2011-0016347 A "전자 물질막의 형성 방법 및 이를 적용한 전자소자의 제조 방법 및 장치"는 "스퍼터링을 기반으로 하는 전자, 전기 소자용도의 박막의 형성방법에 관해 기술된다. 기판이나 기판상에 형성된 하부 적층 또는 구조물을 플라즈마에 의한 손상으로부터 보호할 수 있으면서도 양질의 전기/물질적 특성을 가지는 막질을 얻을 수 있다. 대상물질로서는 도전성, 반도체, 저항성 물질이 포함될 수 있으며, ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 TCO(Transparent Conductive Oxide) 물질이 포함될 수 있다. 증착법은 스퍼터링에 의한 단위 전자 물질막 또는 단위 전극층 형성과 비반응성 원소로부터 얻어진 중성 입자빔에 의한 단위 전자 물질막 또는 전극층의 표면처리를 포함한다"를 제시한다.
그러나 상기와 같은 기술에 의하더라도, TiAgN/TiN 다층 코팅재를 제작하는 기술은 공지되지 않았으며, 이를 내열과 저마찰의 특성을 동시에 구현하는 기술도 제시되지 않았었다.
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 10-2011-0016347 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 챔버내 지그 회전 속도 조절과 코팅전 모재의 조도 조절을 통해 TiAgN코팅 단층 내부의 결정립 크기를 50~100nm으로 나노복합화시켜 저마찰 및 내열특성을 동시 구현시키며, 양산성을 증대시킬 수 있는 TiAgN 코팅층, 코팅방법 및 코팅장비를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 TiAgN 코팅방법은, 플라즈마 코팅방식을 이용한 TiAgN 코팅방법으로서, 모재표면의 조도를 0.05~0.1㎛로 가공하는 가공단계; 및 챔버에 질소가스를 주입하고 Ti소스를 온하며, Ag소스를 주기적으로 온/오프하여 TiAgN을 코팅하는 코팅단계;를 포함한다.
상기 코팅단계는 모재를 사이에 두도록 Ti소스와 Ag소스를 마주보게 배치할 수 있다.
상기 코팅단계는 모재를 고정한 지그를 회전시키며 코팅할 수 있다.
상기 코팅단계는 모재를 고정한 지그를 20~50 rpm으로 회전시키며 코팅할 수 있다.
상기 코팅단계는 Ag소스를 30~240초 주기로 온/오프할 수 있다.
본 발명의 TiAgN 코팅층은, 표면조도가 0.05~0.1㎛인 모재에 플라즈마 코팅방식에 의해 코팅되며, 질소 분위기가스와 Ti소스 온의 상태에서, 주기적으로 Ag소스를 온/오프하여 형성된다.
본 발명의 TiAgN 코팅장비는, 플라즈마 코팅방식을 이용한 TiAgN 코팅장비로서, 표면조도가 0.05~0.1㎛인 모재가 장착된 지그; 분위기가스로서 질소가스가 주입되는 주입부; Ti소스 및 Ag소스; 및 코팅시 질소가스를 주입하고 Ti소스를 온하며 주기적으로 Ag소스를 온/오프하는 제어부;를 포함한다.
상기 Ti소스 및 Ag소스는 지그를 사이에 두고 마주보도록 배치할 수 있다.
상기 제어부는 지그를 20~50 rpm으로 회전시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 TiAgN 코팅층, 코팅방법 및 코팅장비에 따르면, 나노 복합화에 의한 각 층간 불연속성 제거로 인하여 TiAgN/TiN 다층 코팅재의 밀착 특성 및 저마찰/내열 특성을 30% 이상 향상시킬 수 있다.
또한, 대량 생산이 난이한 하이브리드 PVD공정 없이 기존 코팅 공정을 통한 나노복합화가 가능하여 TiAgN 코팅층의 저마찰/내열특성을 극대화시키며, 현 양산 공정을 이용하여 대량 생산이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 TiAgN 코팅장비를 나타낸 도면.
도 2 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 TiAgN 코팅층의 조직도.
도 5 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 TiAgN 코팅층의 효과를 나타낸 그래프.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 TiAgN 코팅층, 코팅방법 및 코팅장비에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 TiAgN 코팅장비를 나타낸 도면이고, 도 2 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 TiAgN 코팅층의 조직도이며, 도 4 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 TiAgN 코팅층의 효과를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 TiAgN 코팅층은 TiN의 내열성과 Ag의 저마찰성을 모두 구현하기 위한 것으로서, 기본적으로 플라즈마 코팅방법에 의해 제작된다.
구체적으로, 본 발명의 TiAgN 코팅층은, 표면조도가 0.05~0.1㎛인 모재에 플라즈마 코팅방식에 의해 코팅되며, 질소 분위기가스와 Ti소스 온의 상태에서, 주기적으로 Ag소스를 온/오프하여 형성된다.
즉, 모재의 표면을 다소 거칠게 함으로써 복합 레이어화가 일어나도록 하는 것이다. 그리고, 질소 분위기가스와 Ti소스 온의 상태에서, 주기적으로 Ag소스를 온/오프하여 형성한다.
한편, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 TiAgN 코팅장비를 나타낸 도면으로서, 본 발명의 TiAgN 코팅장비는, 플라즈마 코팅방식을 이용한 TiAgN 코팅장비로서, 표면조도가 0.05~0.1㎛인 모재가 장착된 지그(300); 분위기가스로서 질소가스가 주입되는 주입부(400); Ti소스(100) 및 Ag소스(200); 및 코팅시 질소가스를 주입하고 Ti소스를 온하며 주기적으로 Ag소스를 온/오프하는 제어부(500);를 포함한다.
그리고, 상기 Ti소스 및 Ag소스는 지그를 사이에 두고 마주보도록 배치할 수 있다. 또한, 상기 제어부는 지그를 20~50 rpm으로 회전시킬 수 있다. 따라서, 이러한 구성에 의해 본 발명의 코팅층을 다수의 모재에 형성하여 생산성을 향상시킬 수 있는 것이다.
한편, 아래의 표는 본 발명의 실시예에 관한 공정조건이다.
Figure pat00001
상기 실시예의 조건하에 따른 본 발명의 TiAgN 코팅방법은, 플라즈마 코팅방식을 이용한 TiAgN 코팅방법으로서, 모재표면의 조도를 0.05~0.1㎛로 가공하는 가공단계; 및 챔버에 질소가스를 주입하고 Ti소스를 온하며, Ag소스를 주기적으로 온/오프하여 TiAgN을 코팅하는 코팅단계;를 포함한다.
물론, 공정 전의 과정으로써 히팅, 클리닝 버퍼링 등의 과정을 거칠 수 있다. 버퍼링은 이온소스를 이용한 Ti 버퍼를 형성하는 것으로서 최종적으로 형성하고자하는 기능성 코팅층인 TiAgN의 밀착력을 향상시키고자 하는 목적으로 진행되며, 모재의 Bias 전압을 높여 시험편 모재에 임플란트될 수 있도록 한다.
한편, 상기 코팅단계는 모재를 사이에 두도록 Ti소스와 Ag소스를 마주보게 배치할 수 있다. 또한, 상기 코팅단계는 모재를 고정한 지그를 회전시키며 코팅할 수 있으며, 코팅단계는 모재를 고정한 지그를 20~50 rpm으로 회전시키며 코팅할 수 있다.
또한, 상기 코팅단계는 Ag소스를 30~240초 주기로 온/오프할 수 있다.
즉, 질소가스의 분위기하에 Ti 아크소스를 온하고, 일정 주기마다 Ag 스퍼터소스를 온/오프하여 복합적인 TiAgN 코팅층을 형성하는데, 여기서 모재의 표면조도를 0.05~0.1㎛로 함으로써 불연속적인 코팅층이 형성되어, TiN / TiAgN 레이어화에 따른 내열특성 / 저마찰특성의 공존불가 문제를 해결한 것이다.
도 2 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 TiAgN 코팅층의 조직도로서, 도 4의 경우 모재조도 0.001㎛에 지그회전 15 rpm의 경우로서 TiN / TiAgN 레이어화가 두드러짐을 알 수 있다. 또한, 도 5의 경우 모재조도 0.001㎛에 지그회전 20 rpm의 경우로서 다소 레이어가 무너졌음을 알 수 있다.
특히, 도 6은 모재조도 0.001㎛에 지그회전 15 rpm의 경우로서 레이어가 없이 불연속적인 TiAgN 복합 코팅층이 형성되었음을 알 수 있다. 따라서, TiAgN 코팅층의 경우 모재조도 0.05~0.1㎛에 지그회전 20~50 rpm의 상황에서 가장 불연속의 효과가 큼을 알 수 있다.
한편, 도 5 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 TiAgN 코팅층의 효과를 나타낸 그래프로서, 도 5의 경우에서도 모재조도 0.05~0.1㎛의 범위에서 경도와 저마찰의 특성이 가장 잘 나타남을 알 수 있다.
또한, 도 6의 경우에서 볼 수 있듯이, 지그회전 20~50 rpm의 상황에서 경도와 저마찰의 특성이 가장 잘 나타남을 알 수 있다.
한편, 도 7은 기존 다층 코팅층(모재조도 0.001㎛에 지그회전 15 rpm)과 본 발명의 실시예의 경우를 비교한 것으로서, 상온과 고온에서 모두 저마찰의 특성이 우수함을 나타낸다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 TiAgN 코팅층, 코팅방법 및 코팅장비에 따르면, 나노 복합화에 의한 각 층간 불연속성 제거로 인하여 TiAgN/TiN 다층 코팅재의 밀착 특성 및 저마찰/내열 특성을 30% 이상 향상시킬 수 있다.
또한, 대량 생산이 난이한 하이브리드 PVD공정 없이 기존 코팅 공정을 통한 나노복합화가 가능하여 TiAgN 코팅층의 저마찰/내열특성을 극대화시키며, 현 양산 공정을 이용하여 대량 생산이 가능하다.
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.
100 : Ti소스 200 : Ag소스
300 : 지그 400 : 주입부
500 : 제어부

Claims (9)

  1. 플라즈마 코팅방식을 이용한 TiAgN 코팅방법으로서,
    모재표면의 조도를 0.05~0.1㎛로 가공하는 가공단계; 및
    챔버에 질소가스를 주입하고 Ti소스를 온하며, Ag소스를 주기적으로 온/오프하여 TiAgN을 코팅하는 코팅단계;를 포함하는 TiAgN 코팅방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅단계는 모재를 사이에 두도록 Ti소스와 Ag소스를 마주보게 배치하는 것을 특징으로 하는 TiAgN 코팅방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅단계는 모재를 고정한 지그를 회전시키며 코팅하는 것을 특징으로 하는 TiAgN 코팅방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅단계는 모재를 고정한 지그를 20~50 rpm으로 회전시키며 코팅하는 것을 특징으로 하는 TiAgN 코팅방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅단계는 Ag소스를 30~240초 주기로 온/오프하는 것을 특징으로 하는 TiAgN 코팅방법.
  6. 표면조도가 0.05~0.1㎛인 모재에 플라즈마 코팅방식에 의해 코팅되며, 질소 분위기가스와 Ti소스 온의 상태에서, 주기적으로 Ag소스를 온/오프하여 형성된 것을 특징으로 하는 TiAgN 코팅층.
  7. 플라즈마 코팅방식을 이용한 TiAgN 코팅장비로서,
    표면조도가 0.05~0.1㎛인 모재가 장착된 지그;
    분위기가스로서 질소가스가 주입되는 주입부;
    Ti소스 및 Ag소스; 및
    코팅시 질소가스를 주입하고 Ti소스를 온하며 주기적으로 Ag소스를 온/오프하는 제어부;를 포함하는 TiAgN 코팅장비.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 Ti소스 및 Ag소스는 지그를 사이에 두고 마주보도록 배치된 것을 특징으로 하는 TiAgN 코팅장비.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어부는 지그를 20~50 rpm으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 TiAgN 코팅장비.
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