KR20180055043A - ta-C 복합 코팅층, ta-C 복합 코팅층 제조 장치 및 이를 이용한 제조방법 - Google Patents

ta-C 복합 코팅층, ta-C 복합 코팅층 제조 장치 및 이를 이용한 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주석 또는 게르마늄이 도핑된 ta-C 복합 코팅층, 상기 ta-C 복합 코팅층 제조 장치 및 상기 장치를 이용한 ta-C 복합 코팅층 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 구체적으로는 탄소와 결합이 가능하면서 탄소보다 원자 반경이 커서 잔류 응력 저감이 가능한 주석 또는 게르마늄을 도핑한 ta-C 복합 코팅층, 상기 ta-C 복합 코팅층을 진공 여과 아크법으로 제조하는 방법 및 상기 ta-C 복합 코팅층 제조 장치에 관한 것이다. 따라서 본 발명은 ta-C 복합 코팅층의 기계적 물성이 유지되고 잔류 응력이 저감되며 복합 코팅층의 두께가 향상된 특성이 있다.

Description

ta-C 복합 코팅층, ta-C 복합 코팅층 제조 장치 및 이를 이용한 제조방법{ta-C composite coating layer, apparatus for manufacturing ta-C composite coating layer and method for manufacturing using the same}
본 발명은 ta-C 복합 코팅층, ta-C 복합 코팅층 제조 장치 및 이를 이용한 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 주석 또는 게르마늄이 도핑된 ta-C 복합 코팅층, 상기 ta-C 복합 코팅층 제조 장치 및 상기 장치를 이용한 ta-C 복합 코팅층 제조방법에 관한 것이다.
다이아몬드상 탄소(Diamond-like Carbon, DLC) 박막은 비정질 고상 탄소 박막의 일종이다. 상기 다이아몬드상 탄소 박막은 다이아몬드와 유사한 높은 경도, 윤활성, 내마모성, 전기 절연성, 화학적 안정성 및 광학적 특성을 가지고 있으며, 표면이 매우 평활하고 저온에서 합성할 수 있다는 점 때문에 매우 다양한 분야에서 활용되고 있는 코팅 재료이다.
상기 다이아몬드상 탄소 박막은 탄소를 이온화 시킨 후, 이를 가속시켜 기판에 증착하여 합성하며, 이러한 합성방법으로는 기체상의 탄소원(carbon source)을 사용하는 화학기상증착법(Chemical Vapor deposition) 또는 고체상의 탄소원을 사용하는 스퍼터링법이 대표적이다.
다이아몬드상 탄소 박막의 구조는 다이아몬드나 흑연과는 달리 비정질이며, 그 물리 화학적 특성이 넓은 범위에 걸쳐 있으며, 박막 내의 결합 형태는 sp3 혼성결합과 sp2 혼성결합이 혼재되어 있다. sp3/sp2 분율은 다이아몬드상 탄소 박막의 기계적 물성을 크게 좌우하는데, 다이아몬드 결합인 sp3 분율이 높을수록 더욱 다이아몬드와 유사한 물성을 갖게 된다.
상기 다이아몬드상 탄소 박막의 종류 중 비정질이고, 수소를 함유하지 않으며, 원자 결합 형태가 주로 사면체 구조를 갖는 다이아몬드상 탄소 박막 구조를 초경질 다이아몬드상 탄소(tetrahedral amorphous carbon, ta-C) 박막이라 칭한다. 이러한 ta-C 박막은 다이아몬드상 탄소 박막의 장점을 갖는 동시에 다이아몬드에 필적하는 우수한 기계적 물성을 보이기 때문에 각광받고 있는 코팅 재료이다.
그러나, 상기 다이아몬드상 탄소 박막의 경우, 박막의 구조나 기계적 물성이 잔류 응력과 매우 밀접한 관계를 가지고 있다는 것이 이미 알려져 있다. 특히, ta-C 박막의 경우, 기계적 물성이 매우 높기 때문에 잔류 응력 또한 매우 높다. 또한, 종래의 증착 기술로 합성된 초경질 다이아몬드상 탄소 박막은 잔류 응력이 높은 문제로 박막의 두께가 2 μm 이상으로 증착하기 어려운 문제점이 있었다.
이러한 높은 잔류 응력은 박막의 기판과의 접착력을 저하시키고 기판으로부터의 박리를 초래한다. 따라서 ta-C 박막의 우수한 기계적 물성을 유지하면서 잔류 응력을 낮추는 방법은 그 응용 분야를 확대하는 데 있어서 매우 중요하다.
종래의 ta-C 박막의 잔류 응력을 감소시키는 방법으로는 바이어스 조절로 인하여 연질층 및 다층 구조 형성시키는 방법, 열처리를 통하여 다층 박막을 형성시키는 방법 또는 제삼원소(텅스텐 또는 티타늄 등)를 첨가하는 방법 등이 있다.
그러나 이러한 방법들은 잔류 응력을 감소시켜 접착력을 증대시킬 수는 있지만, 잔류 응력이 감소되면 박막의 구조가 열화되고, 이에 따라 박막의 기계적 물성도 함께 저하되는 문제점이 있었다. 또한, 다층 박막 내에 바이어스 조절이나 열처리 등을 통해 형성된 연질층은 다른 경질층보다 훨씬 낮은 물성을 갖기 때문에 부분적인 파괴나 마모가 발생하여 전체적으로 보호층으로서의 신뢰성을 떨어뜨리는 문제점이 있었다.
따라서, 기계적 물성이 유지되면서 잔류 응력이 감소된 2 μm 두께 이상의 ta-C 박막을 3차원 기판에 제조하는 방법에 대한 기술개발이 요구되고 있는 실정이다.
일본 등록특허 제4022048호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 ta-C 코팅층의 기계적 물성, 잔류 응력, 코팅층의 두께 및 기판의 형상에 대한 한계를 극복하면서 제조될 수 있는 ta-C 복합 코팅층, 상기 복합 코팅층 제조 장치 및 상기 장치를 이용한 ta-C 복합 코팅층 제조방법을 제공하는 것이다. 구체적으로는 탄소와 결합이 가능하면서 탄소보다 원자 반경이 커서 잔류 응력 저감이 가능한 주석 또는 게르마늄을 도핑한 ta-C 복합 코팅층, 상기 복합 코팅층을 진공 여과 아크법으로 제조하는 ta-C 복합 코팅층 제조방법 및 상기 ta-C 복합 코팅층 제조 장치를 제공하는 것을 일목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 주석 또는 게르마늄이 도핑된 ta-C를 포함하고, 잔류 응력이 1.5 GPa 내지 2 GPa인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 ta-C 복합 코팅층의 경도는 40 GPa 내지 45 GPa인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 ta-C 복합 코팅층의 주석 또는 게르마늄의 함유량은 5 at% 내지 15 at%인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 일실시예는 그라파이트에 주석 또는 게르마늄이 도핑된 타겟을 준비하는 준비 단계, 상기 타겟을 포함하는 여과 아크 소스 장치에 전원을 인가하여 아크 방전을 형성하는 아크 방전 형성 단계, 상기 아크 방전으로 인해 상기 타겟이 이온화되어 타겟 이온이 형성되는 이온 형성 단계 및 상기 타겟 이온이 3차원 기판 상에 증착되어 주석 또는 게르마늄이 도핑된 ta-C 코팅층이 형성되는 코팅층 형성 단계를 포함하는 ta-C 복합 코팅층 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 타겟에 주석 또는 게르마늄의 함유량이 5 at% 내지 15 at%인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 ta-C 복합 코팅층의 잔류 응력이 1.5 GPa 내지 2 GPa인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 ta-C 복합 코팅층의 균열 및 박리가 일어나지 않는 임계 두께는 5 μm 내지 7.3 μm인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 ta-C 복합 코팅층의 경도는 40 GPa 내지 45 GPa인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조방법일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 일실시예는 그라파이트 타겟을 포함하는 여과 아크 소스 장치에 전원을 인가하여 아크 방전을 형성하는 아크 방전 형성 단계, 상기 아크 방전으로 인해 상기 타겟이 이온화되어 탄소 이온이 형성되는 탄소 이온 형성 단계, 주석 또는 게르마늄 타겟을 포함하는 RF 스퍼터링 장치에 전원을 인가하여 주석 또는 게르마늄이 이온화되어 주석 또는 게르마늄 이온이 형성되는 스퍼터링 단계 및 상기 탄소 이온 및 주석 또는 게르마늄 이온이 3차원 기판 상에 증착되어 주석 또는 게르마늄이 도핑된 ta-C 코팅층이 형성되는 코팅층 형성 단계를 포함하는 ta-C 복합 코팅층 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 스퍼터링으로 형성되는 주석 또는 게르마늄 이온의 양이 5 at% 내지 15 at%인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 제조방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 ta-C 복합 코팅층의 잔류 응력이 1.5 GPa 내지 2 GPa인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 ta-C 복합 코팅층의 균열 및 박리가 일어나지 않는 임계 두께는 5 μm 내지 7.3 μm인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 ta-C 복합 코팅층의 경도는 40 GPa 내지 45 GPa인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조방법일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 일실시예는 증착챔버 내에 위치하되, 3차원 기판을 포함하는 기판부, 반응챔버 내에 위치하되, 그라파이트에 주석 또는 게르마늄이 도핑된 타겟을 포함하고, 이온화된 타겟 이온을 형성하는 여과 아크 소스 장치부, 반응챔버 내에 위치하되, 상기 여과 아크 소스 장치부에서 형성된 상기 타겟 이온이 상기 증착챔버 내의 3차원 기판까지 이동되는 이동 경로를 제공하는 이동관, 반응챔버 내에 위치하되, 상기 이동관을 통해 이동되는 물질 중 비이온화된 타겟 입자를 자력에 의해 이동관 내벽측에 집속되게 하는 자력 생성부 및 반응챔버 내에 위치하되, 상기 이동관 내에 상기 비이온화된 타겟 입자의 이동을 저지시킬 수 있는 필터판으로 구성된 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조 장치를 제공한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 일실시예는 증착챔버 내에 위치하되, 3차원 기판을 포함하는 기판부, 반응챔버 내에 위치하되, 그라파이트 타겟을 포함하고, 이온화된 탄소 이온을 형성하는 여과 아크 소스 장치부, 반응챔버 내에 위치하되, 주석 또는 게르마늄 타겟을 포함하고, 이온화된 주석 또는 게르마늄 이온을 형성하는 RF 스퍼터링 장치부, 반응챔버 내에 위치하되, 상기 탄소 이온 및 주석 또는 게르마늄 이온이 상기 증착챔버 내의 3차원 기판까지 이동되는 이동 경로를 제공하는 이동관, 반응챔버 내에 위치하되, 상기 이동관을 통해 이동되는 물질 중 비이온화된 타겟 입자를 자력에 의해 이동관 내벽측에 집속되게 하는 자력 생성부 및 반응챔버 내에 위치하되, 상기 이동관 내에 상기 비이온화된 타겟 입자의 이동을 저지시킬 수 있는 필터판으로 구성된 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 RF 스퍼터링 장치부에서 형성된 주석 또는 게르마늄 이온이 상기 그라파이트 타겟에 증착된 후 아크 방전으로 인해 형성된 탄소 이온 및 주석 또는 게르마늄 이온이 3차원 기판에 증착되어 ta-C 복합 코팅층을 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조 장치일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 RF 스퍼터링 장치부에서 형성된 주석 또는 게르마늄 이온이 상기 이동관에서 상기 탄소 이온과 혼합된 후 상기 3차원 기판에 증착되어 ta-C 복합 코팅층을 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조 장치일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 주석 또는 게르마늄은 탄소와 결합이 가능하고 탄소보다 원자 반경이 커서 ta-C 복합 코팅릉의 잔류 응력을 저감시킬 수 있다. 이에 따라 주석 또는 게르마늄이 도핑된 ta-C 복합 코팅층의 경도는 40 GPa 이상으로 종래의 ta-C 코팅층의 경도와 유사한 수준의 기계적 물성을 나타낼 수 있으며, 잔류 응력이 2 GPa 이하 수준으로 저감될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 그라파이트 타겟에 주석 또는 게르마늄 이온을 증착된 후 아크 방전으로 탄소 이온 및 주석 또는 게르마늄 이온이 3차원의 복잡한 형상을 가지는 기판 상에 증착시켜 2 μm 이상의 ta-C 복합 코팅층을 고르게 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 주석 또는 게르마늄 타겟을 포함하는 RF 스퍼터링 장치부가 그라파이트 아크 방전이 발생하는 반응챔버에 설치된 ta-C 복합 코팅층 제조 장치로 3차원의 복잡한 형상을 가지는 기판 상에 2 μm 이상의 ta-C 복합 코팅층을 고르게 형성할 수 있다.
특히, 본 발명의 일실시예에 따르면, 그라파이트에 주석 또는 게르마늄이 도핑된 타겟을 포함하는 ta-C 복합 코팅층 제조 장치로 3차원의 복잡한 형상을 가지는 기판 상에 2 μm 이상의 ta-C 복합 코팅층을 고르게 형성할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 ta-C 복합 코팅층 제조방법을 모식적으로 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 ta-C 복합 코팅층 제조방법을 모식적으로 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 ta-C 복합 코팅층 제조 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 ta-C 복합 코팅층 제조 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 ta-C 복합 코팅층이 증착된 3차원 기판을 나타내는 이미지이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
이하, ta-C 복합 코팅층에 대하여 설명한다.
ta-C(Tetrahedral amorphous carbon, 초경질 다이아몬드상 탄소)는 비정질이고, 수소를 함유하지 않으며, 원자 결합 형태가 주로 사면체 구조를 갖는 다이아몬드상 탄소 중 하나이다. ta-C 코팅층의 경우, 다이아몬드상 탄소의 성질로 인해 기계적 물성이 매우 높기 때문에 잔류 응력 또한 매우 높다.
본 발명은 탄소와의 결합 특성이 유지되는 주석 또는 게르마늄이 도핑된 ta-C 복합 코팅층을 제공할 수 있다.
주석(Sn)은 주기율표 상에서 탄소(C)와 동일한 족에 위치하며 원자반경이 1.45 Å(1×10-10 m)인 전이금속이며, 게르마늄(Ge)은 주기율표 상에서 탄소(C)와 동일한 족에 위치하며 원자반경이 1.25 Å인 전이금속이다.
본 발명에서 주석 또는 게르마늄은 탄소와 동일한 족에 위치하는 원소이기 때문에 탄소와 유사한 전자 배치로 인해 유사한 특성을 나타낼 수 있는 특징으로, ta-C 복합 코팅층에서 탄소와의 결합 특성이 유지될 수 있다. 또한, 주석 또는 게르마늄은 0.7 Å 원자반경을 갖는 탄소보다 원자반경이 크기 때문에, 탄소에 도핑되면 탄소 격자 팽창이 일어나 탄소가 받는 잔류 응력을 줄일 수 있다. 특히, 탄소보다 원자반경이 0.5 Å 이상 큰 원소에서 잔류 응력 저감이 보다 효과적일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 ta-C 복합 코팅층의 잔류 응력이 1.5 GPa 내지 2 GPa일 수 있고, 경도는 40 GPa 내지 45 GPa일 수 있다.
본 발명의 ta-C 복합 코팅층은 도핑되어 있는 주석 또는 게르마늄으로 인해 종래의 ta-C 코팅층의 7 GPa 이상의 잔류 응력에서 1.5 GPa 내지 2 GPa 수준으로 저감될 수 있다. 또한, 종래의 ta-C 코팅층의 기계적 물성인 경도값은 40 GPa 내지 45 GPa 였는데, 본 발명의 ta-C 복합 코팅층은 상기 기계적 물성이 그대로 유지될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 주석 또는 게르마늄이 도핑된 ta-C 복합 코팅층의 경도는 43 GPa이고, 잔류 응력은 1.6 GPa일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, ta-C 복합 코팅층의 주석 또는 게르마늄의 함유량이 5 at% 내지 15 at%일 수 있다. 주석 또는 게르마늄의 함유량이 5 at% 미만일 경우에는 주석 또는 게르마늄이 도핑되면서 나타나는 ta-C 복합 코팅층의 잔류 응력 저감 효과를 충분히 구현하기 어려울 수 있어 바람직하지 않고, 15 at% 초과일 경우에는 ta-C 복합 코팅층의 기계적 물성이 저하될 수 있어 바람직하지 않다.
예를 들어, 본 발명의 ta-C 복합 코팅층의 주석 또는 게르마늄의 함유량은 15 at%일 수 있다.
이하, ta-C 복합 코팅층 제조방법에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 ta-C 복합 코팅층 제조방법을 모식적으로 보여주는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 ta-C 복합 코팅층 제조방법은 그라파이트에 주석 또는 게르마늄이 도핑된 타겟을 준비하는 준비 단계(S101), 상기 타겟을 포함하는 여과 아크 소스 장치에 전원을 인가하여 아크 방전을 형성하는 아크 방전 형성 단계(S102), 상기 아크 방전으로 인해 상기 타겟이 이온화되어 타겟 이온이 형성되는 이온 형성 단계(S103) 및 상기 타겟 이온이 3차원 기판 상에 증착되어 주석 또는 게르마늄이 도핑된 ta-C 코팅층이 형성되는 코팅층 형성 단계(S104)를 포함하는 ta-C 복합 코팅층 제조방법을 포함할 수 있다.
먼저, 그라파이트에 주석 또는 게르마늄이 도핑된 타겟을 준비한다(S101).
그라파이트(graphite)는 탄소 여섯 개로 이루어진 고리가 연결된 판상의 2차원 그래핀(graphene)이 적층되어 있는 구조를 가진 탄소계 물질로서, sp2 혼성결합을 포함하고 있다.
sp2 혼성결합은 원소의 전자 분포를 나타내는 확률 함수인 오비탈(orbital)에서 s오비탈 1 개와 p오비탈 2 개가 혼성되어 전자배치를 이루고 있는 결합이다.
본 발명의 그라파이트는 ta-C 복합 코팅층을 제조하기 위한 전구체로 사용될 수 있다.
주석(Sn)은 주기율표 상에서 탄소(C)와 동일한 족에 위치하며 원자반경이 1.45 Å(1×10-10 m)인 전이금속이며, 게르마늄(Ge)은 주기율표 상에서 탄소(C)와 동일한 족에 위치하며 원자반경이 1.25 Å인 전이금속이다.
본 발명에서 주석 또는 게르마늄은 탄소와 동일한 족에 위치하는 원소이기 때문에 탄소와 유사한 전자 배치로 유사한 특성을 나타낼 수 있는 특징으로, ta-C 복합 코팅층이 제조될 때 탄소와의 결합 특성이 유지될 수 있다. 또한, 주석 또는 게르마늄은 0.7 Å 원자반경을 갖는 탄소보다 원자반경이 크기 때문에, 탄소에 도핑되면 탄소 격자 팽창이 일어나 탄소가 받는 잔류 응력을 줄일 수 있다. 특히, 탄소보다 원자반경이 0.5 Å 이상 큰 원소에서 잔류 응력 저감이 보다 효과적일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 타겟에 주석 또는 게르마늄의 함유량이 5 at% 내지 15 at%일 수 있다. 주석 또는 게르마늄의 함유량이 5 at% 미만일 경우에는 주석 또는 게르마늄이 도핑되면서 나타나는 ta-C 복합 코팅층의 잔류 응력 저감 효과를 충분히 구현하기 어려울 수 있어 바람직하지 않고, 15 at% 초과일 경우에는 ta-C 복합 코팅층의 기계적 물성이 저하될 수 있어 바람직하지 않다.
예를 들어, 본 발명의 타겟에서 주석 또는 게르마늄의 함유량은 15 at%일 수 있다.
그 다음으로는, 그라파이트에 주석 또는 게르마늄이 도핑된 타겟을 포함하는 여과 아크 소스 장치에 전원을 인가하여 아크 방전을 형성한다(S102).
여과 아크 소스 장치를 이용한 확산 코팅 방법 중 하나인 진공 여과 아크법은 아크 방전을 일으켜서 확산 코팅할 수 있는 방법이다.
구체적으로, 진공 아크는 높은 전류 및 낮은 전압에서의 전기 방전으로, 방전에 의해 이온화된 전극 물질로 이루어진 플라즈마를 통하여 전류가 흐르게 된다. 이러한 진공 아크를 이용하여 음극 표면의 임의의 아주 작은 점이 음극 점(Cathode Spot: 방전에 의해 전류가 흐르는 위치)으로 작용하여 전류가 흐르기 시작하고, 이로 인하여 전기 저항 열이 발생한다. 이 때 발생된 극소 부분의 열이 음극 물질을 녹이면서 플라즈마가 초음속으로 반대 극으로 발사되어 증착이 수행된다. 그러나, 음극이 녹으며 발생하는 대형 미립자(Macro Particle)는 증착 결과물의 품질을 저하시키는 문제가 있으며, 이를 해결하기 위하여 다양한 거대입자 제거방법들이 제안되고 있다. 특히, 자장필터를 이용하여 거대입자를 제거하는 장치 구성이 포함된 여과 아크 소스(Filtered vacuum arc source)장치를 이용할 경우 거대입자를 효과적으로 제거하고 증착을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 그라파이트 및 주석 또는 게르마늄을 포함하는 타겟에 아크 방전이 가해지면 탄소의 결정구조가 변화하면서 그라파이트 및 주석 또는 게르마늄 전구체로 주석 또는 게르마늄이 도핑된 ta-C 복합 코팅층을 제조할 수 있다.
ta-C(Tetrahedral amorphous carbon, 초경질 다이아몬드상 탄소)는 비정질이고, 수소를 함유하지 않으며, 원자 결합 형태가 주로 사면체 구조를 갖는 다이아몬드상 탄소 중 하나이다. 상기 ta-C는 sp3/sp2 혼성결합을 갖고 있어, sp2 혼성결합을 갖고 있는 탄소계 물질인 그라파이트에 고온 및 고압의 공정을 가하면 생성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 sp2 혼성결합을 갖고 있는 그라파이트를 포함하는 타겟의 물질이 sp3/sp2 혼성결합을 갖는 ta-C로 결합구조가 변화하려면 강력한 에너지가 가해져야 하는데, 상기 에너지는 본 발명에서 아크 방전을 이용하여 생성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 여과 아크 소스 장치는 30 V 내지 60 V 전압 및 10 A 내지 20 A인 전류로 설정된 공정 조건으로 수행될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.
여과 아크 소스 장치의 전압이 30 V 또는 아크 전류가 10 A 미만일 경우에는 아크 방전의 에너지가 목표치에 도달하지 않아, 그라파이트가 ta-C로 결정구조가 변화하는데 충분한 에너지가 가해지지 않아 바람직하지 않다. 또한 여과 아크 소스 장치의 전압이 60 V 또는 전류가 30 A 초과일 경우에는 타겟에 무리한 에너지가 가해져서 타겟이 손상될 수 있어 바람직하지 않다.
예를 들어, 본 발명의 여과 아크 소스 장치는 50 V 전압 및 20 A 전류로 가동될 수 있다.
그 다음으로는, 아크 방전으로 인해 그라파이트에 주석 또는 게르마늄이 도핑된 타겟이 이온화되어 타겟 이온을 형성한다(S103).
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 아크 방전에 의한 에너지가 그라파이트에 주석 또는 게르마늄이 도핑된 타겟에 가해져 탄소 이온 및 주석 또는 게르마늄 이온을 포함하는 타겟 이온이 형성될 수 있다.
그 다음으로는, 타겟 이온이 3차원 기판 상에 증착되어 주석 또는 게르마늄이 도핑된 ta-C 코팅층을 형성한다(S104).
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 타겟이 그라파이트 및 주석 또는 게르마늄으로 혼합되어 있기 때문에, 기판에 증착될 수 있는 이온이 탄소 및 주석 또는 게르마늄으로 혼재되어 있어서 기판이 3차원 형태로 존재하더라도 주석 또는 게르마늄이 도핑된 ta-C 코팅층을 고르게 형성할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 기판은 자동차용 피스톤 링일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 ta-C 복합 코팅층의 잔류 응력이 1.5 GPa 내지 2 GPa일 수 있고, 균열 및 박리가 일어나지 않는 임계 두께가 5 μm 내지 7.3 μm일 수 있으며, 경도는 40 GPa 내지 45 GPa일 수 있다.
종래의 ta-C 코팅층의 잔류 응력은 7 GPa 이상으로 잔류 응력으로 인해 코팅층의 증착이 2 μm 이하로 제한되었다.
본 발명의 ta-C 복합 코팅층은 도핑되어 있는 주석 또는 게르마늄으로 인해 잔류 응력이 1.5 GPa 내지 2 GPa 수준으로 저감될 수 있고, 잔류 응력이 저감됨에 따라 복합 코팅층의 증착 두께가 2 μm 이상으로 향상될 수 있다. 또한, 종래의 ta-C 코팅층의 기계적 물성인 경도값은 40 GPa 내지 45 GPa 였는데, 본 발명의 ta-C 복합 코팅층은 상기 기계적 물성이 그대로 유지될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 ta-C 복합 코팅층 제조방법으로 제조된 ta-C 복합 코팅층의 경도는 43 GPa이고, 잔류 응력은 1.6 GPa이며, 균열 및 박리가 일어나지 않는 임계 두께는 5.3 μm일 수 있다.
이하, 상기에서 전술한 ta-C 복합 코팅층 제조방법과 다른 ta-C 복합 코팅층 제조방법에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 ta-C 복합 코팅층 제조방법을 모식적으로 보여주는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 ta-C 복합 코팅층 제조방법은 그라파이트 타겟을 포함하는 여과 아크 소스 장치에 전원을 인가하여 아크 방전을 형성하는 아크 방전 형성 단계(S201), 상기 아크 방전으로 인해 상기 타겟이 이온화되어 탄소 이온이 형성되는 탄소 이온 형성 단계(S202), 주석 또는 게르마늄 타겟을 포함하는 RF 스퍼터링 장치에 전원을 인가하여 주석 또는 게르마늄이 이온화되어 주석 또는 게르마늄 이온이 형성되는 스퍼터링 단계(S203) 및 상기 탄소 이온 및 주석 또는 게르마늄 이온이 3차원 기판 상에 증착되어 주석 또는 게르마늄이 도핑된 ta-C 코팅층이 형성되는 코팅층 형성 단계(S204)를 포함할 수 있다.
먼저, 그라파이트 타겟을 포함하는 여과 아크 소스 장치에 전원을 인가하여 아크 방전을 형성한다(S201).
여과 아크 소스 장치를 이용한 확산 코팅 방법 중 하나인 진공 여과 아크법은 아크 방전을 일으켜서 확산 코팅할 수 있는 방법이다.
본 발명의 실시예에 있어서, 그라파이트를 포함하는 타겟에 아크 방전이 가해지면 탄소의 결정구조가 변화하면서 그라파이트 전구체로 ta-C를 제조할 수 있다.
본 발명의 그라파이트는 ta-C 복합 코팅층을 제조하기 위한 전구체로 사용될 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 sp2 혼성결합을 갖고 있는 그라파이트를 포함하는 타겟의 물질이 sp3/sp2 혼성결합을 갖는 ta-C로 결합구조가 변화하려면 강력한 에너지가 가해져야 하는데, 상기 에너지는 본 발명에서 아크 방전을 이용하여 생성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 여과 아크 소스 장치는 30 V 내지 60 V 전압 및 10 A 내지 20 A인 전류로 설정된 공정 조건으로 수행될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.
여과 아크 소스 장치의 전압이 30 V 또는 전류가 10 A 미만일 경우에는 아크 방전의 에너지가 목표치에 도달하지 않아, 그라파이트가 ta-C로 결정구조가 변화하는데 충분한 에너지가 가해지지 않아 바람직하지 않다. 또한 여과 아크 소스 장치의 전압이 60 V 또는 전류가 30 A 초과일 경우에는 타겟에 무리한 에너지가 가해져서 타겟이 손상될 수 있어 바람직하지 않다.
예를 들어, 본 발명의 여과 아크 소스 장치는 50 V 전압 및 20 A 전류로 가동될 수 있다.
그 다음으로는, 상기 아크 방전으로 인해 상기 타겟이 이온화되어 탄소 이온을 형성한다(S202).
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 아크 방전에 의한 에너지가 그라파이트 타겟에 가해져 탄소 이온이 형성될 수 있다.
그 다음으로는, 주석 또는 게르마늄 타겟을 포함하는 RF 스퍼터링 장치에 전원을 인가하여 주석 또는 게르마늄이 이온화되어 주석 또는 게르마늄 이온을 형성한다(S203).
주석(Sn)은 주기율표 상에서 탄소(C)와 동일한 족에 위치하며 원자반경이 1.45 Å(1×10-10 m)인 전이금속이며, 게르마늄(Ge)은 주기율표 상에서 탄소(C)와 동일한 족에 위치하며 원자반경이 1.25 Å인 전이금속이다.
본 발명에서 주석 또는 게르마늄은 탄소와 동일한 족에 위치하는 원소이기 때문에 탄소와 유사한 전자 배치로 인해 유사한 특성을 나타낼 수 있는 특징으로, ta-C 복합 코팅층이 제조될 때 탄소와의 결합 특성이 유지될 수 있다. 또한, 주석 또는 게르마늄은 0.7 Å 원자반경을 갖는 탄소보다 원자반경이 크기 때문에, 탄소에 도핑되면 탄소 격자 팽창이 일어나 탄소가 받는 잔류 응력을 줄일 수 있다. 특히, 탄소보다 원자반경이 0.5 Å 이상 큰 원소에서 잔류 응력 저감이 보다 효과적일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 스퍼터링으로 형성되는 주석 또는 게르마늄 이온의 양이 5 at% 내지 15 at%일 수 있다. 주석 또는 게르마늄의 이온의 양이 5 at% 미만일 경우에는 주석 또는 게르마늄이 도핑되면서 나타나는 ta-C 복합 코팅층의 잔류 응력 저감 효과를 충분히 구현하기 어려울 수 있어 바람직하지 않고, 15 at% 초과일 경우에는 ta-C 복합 코팅층의 기계적 물성이 저하될 수 있어 바람직하지 않다.
예를 들어, 본 발명의 스퍼터링으로 형성되는 주석 또는 게르마늄 이온의 양은 15 at%일 수 있다.
RF 스퍼터링은 스퍼터링의 한 종류로서, 활성된 입사 입자들의 충돌에 의한 타겟의 입자 방출로 이루어지는 증착 방법이다. RF 스퍼터링은 저온 및 저비용으로 공정을 수행할 수 있고, 두께 조절이 우수하며, 소스(source) 물질의 조성비와 동일한 조성비를 가지는 층이 형성되는 특성을 갖는다.
예를 들어, 본 발명의 RF 스퍼터링은 주석 또는 게르마늄 타겟에 에너지를 가해서 주석 또는 게르마늄 이온이 방출되게 하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 주석 또는 게르마늄이 도핑된 ta-C 복합 코팅층을 제조하기 위해서는 상기 방출된 주석 또는 게르마늄 이온이 3차원 기판에 도달하기 전에 탄소 이온과 혼합되어야 한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 주석 또는 게르마늄 이온을 탄소 이온과 혼합시키는 방법으로는 스퍼터링된 주석 또는 게르마늄 이온이 그라파이트 타겟에 증착된 후, 상기 주석 또는 게르마늄 이온이 증착된 그라파이트 타겟에 아크 방전을 형성하여 탄소 이온 및 주석 또는 게르마늄 이온이 혼합된 이온을 형성하는 방법으로 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 주석 또는 게르마늄 이온을 탄소 이온과 혼합시키는 방법으로는 주석 또는 게르마늄 이온을 그라파이트 타겟에서 방출된 탄소 이온이 존재하는 공간으로 스퍼터링 시켜 탄소 이온 및 주석 또는 게르마늄 이온이 혼합된 이온을 형성하는 방법으로 수행될 수 있다.
그 다음으로는, 탄소 이온 및 주석 또는 게르마늄 이온이 3차원 기판 상에 증착되어 주석 또는 게르마늄이 도핑된 ta-C 코팅층을 형성한다(S204).
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 탄소 이온 및 주석 또는 게르마늄 이온이 기판에 도달하기 전에 미리 혼합되어 있기 때문에, 기판에 증착될 수 있는 이온이 탄소 및 주석 또는 게르마늄으로 혼재되어 있어서 기판이 3차원 형태로 존재하더라도 주석 또는 게르마늄이 도핑된 ta-C 코팅층을 고르게 형성할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 기판은 자동차용 피스톤 링일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 ta-C 복합 코팅층의 잔류 응력이 1.5 GPa 내지 2 GPa일 수 있고, 균열 및 박리가 일어나지 않는 임계 두께가 5 μm 내지 7.3 μm일 수 있으며, 경도는 40 GPa 내지 45 GPa일 수 있다.
종래의 ta-C 코팅층의 잔류 응력은 7 GPa 이상으로 잔류 응력으로 인해 코팅층의 증착이 2 μm 이하로 제한되었다.
본 발명의 ta-C 복합 코팅층은 도핑되어 있는 주석 또는 게르마늄으로 인해 잔류 응력이 1.5 GPa 내지 2 GPa 수준으로 저감될 수 있고, 잔류 응력이 저감됨에 따라 복합 코팅층의 증착 두께가 2 μm 이상으로 향상될 수 있다. 또한, 종래의 ta-C 코팅층의 기계적 물성인 경도값은 40 GPa 내지 45 GPa 였는데, 본 발명의 ta-C 복합 코팅층은 상기 기계적 물성이 그대로 유지될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 ta-C 복합 코팅층 제조방법으로 제조된 ta-C 복합 코팅층의 경도는 43 GPa이고, 잔류 응력은 1.6 GPa이며, 균열 및 박리가 일어나지 않는 임계 두께는 5.3 μm일 수 있다.
이하, ta-C 복합 코팅층을 제조하기 위한 장치에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 ta-C 복합 코팅층 제조 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 있어서, ta-C 복합 코팅층 제조 장치는 증착챔버(11) 내에 위치하되, 3차원 기판(12)을 포함하는 기판부(13), 반응챔버(14) 내에 위치하되, 그라파이트에 주석 또는 게르마늄이 도핑된 타겟(15)을 포함하고, 이온화된 타겟 이온을 형성하는 여과 아크 소스 장치부(16), 반응챔버(14) 내에 위치하되, 상기 여과 아크 소스 장치부(16)에서 형성된 상기 타겟 이온이 상기 증착챔버(11) 내의 3차원 기판(12)까지 이동되는 이동 경로를 제공하는 이동관(17), 반응챔버(14) 내에 위치하되, 상기 이동관(17)을 통해 이동되는 물질 중 비이온화된 타겟 입자를 자력에 의해 이동관(17) 내벽측에 집속되게 하는 자력 생성부(18) 및 반응챔버(14) 내에 위치하되, 상기 이동관 내에 상기 비이온화된 타겟 입자의 이동을 저지시킬 수 있는 필터판(19)으로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 ta-C 복합 코팅층 제조 장치로 ta-C 복합 코팅층이 제조되는 과정은 먼저 반응챔버(14) 내에 위치하되, 그라파이트에 주석 또는 게르마늄이 도핑된 타겟(15)을 포함하고, 이온화된 타겟 이온을 형성하는 여과 아크 소스 장치부(16)로 아크 방전을 형성한다. 상기 타겟(15)에서 타겟 이온이 발생하고, 상기 타겟 이온이 이동관(17)에 의해 이동된다. 이 때 비이온화된 타겟 입자는 자력 생성부(18)에 의해 이동관(17) 내벽측에 집속되고 필터판(19)를 통해 이동이 저지된다. 이온화된 상기 타겟 이온이 3차원 기판(12)까지 이동되어 증착되어 제조된다.
이하, 각 구성요소별로 상술하기로 한다.
증착챔버(11) 내에는 기판부(13)가 구비되어 있을 수 있다.
기판부(13)은 증착챔버(11) 내에 위치하되, 3차원 기판(12)을 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다. 기판부(13)는 ta-C 복합 코팅층을 형성하고자 하는 3차원 기판(12)에 음의 전압을 인가할 수 있다.
반응챔버(14) 내에는 타겟(15), 여과 아크 소스 장치부(16), 이동관(17), 자력 생성부(18) 및 필터판(19)가 구비되어 있을 수 있다.
여과 아크 소스 장치부(16)는 그라파이트에 주석 또는 게르마늄이 도핑된 타겟(15)을 포함하고, 상기 타겟(15)에 아크 방전을 발생시켜 타겟 이온을 생성할 수 있다.
이동관(17)은 여과 아크 소스 장치부(16)에 의해 반응챔버(14)에서 타겟(15)으로부터 발생된 타겟 이온을 3차원 기판(12)까지 이동되는 이동 경로를 제공할 수 있다.
자력 생성부(18)는 이동관(17)을 통해 이동되는 물질 중 비이온화된 타겟 입자를 자력에 의해 이동관(17) 내벽측에 집속되게 할 수 있다.
필터판(19)은 이동관(17) 내에 이동관의 연장 방향을 가로지르는 방향으로 설치되어 비이온화된 타겟 입자의 이동을 저지시킬 수 있다.
이하, 상기에서 전술한 ta-C 복합 코팅층 제조 장치와 다른 ta-C 복합 코팅층 제조 장치에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 ta-C 복합 코팅층 제조 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 있어서, ta-C 복합 코팅층 제조 장치는 증착챔버(21) 내에 위치하되, 3차원 기판(22)을 포함하는 기판부(23), 반응챔버(24) 내에 위치하되, 그라파이트 타겟(25)을 포함하고, 이온화된 탄소 이온을 형성하는 여과 아크 소스 장치부(26), 반응챔버(24) 내에 위치하되, 주석 또는 게르마늄 타겟을 포함하고, 이온화된 주석 또는 게르마늄 이온을 형성하는 RF 스퍼터링 장치부(31), 반응챔버(24) 내에 위치하되, 상기 탄소 이온 및 주석 또는 게르마늄 이온이 증착챔버(21) 내의 3차원 기판(22)까지 이동되는 이동 경로를 제공하는 이동관(27), 반응챔버(24) 내에 위치하되, 상기 이동관(27)을 통해 이동되는 물질 중 비이온화된 타겟 입자를 자력에 의해 이동관(27) 내벽측에 집속되게 하는 자력 생성부(28) 및 반응챔버(24) 내에 위치하되, 상기 이동관 내에 상기 비이온화된 타겟 입자의 이동을 저지시킬 수 있는 필터판(29)으로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 ta-C 복합 코팅층 제조 장치로 ta-C 복합 코팅층이 제조되는 과정은 먼저 주석 또는 게르마늄 타겟을 포함하는 RF 스퍼터링 장치부(31)로 에너지를 발생시켜 주석 또는 게르마늄 이온을 그라파이트 타겟(25)에 증착시킨다. 이후, 반응챔버(24) 내에 위치된 상기 주석 또는 게르마늄 이온이 증착된 그라파이트 타겟(25)을 포함하는 여과 아크 소스 장치부(26)로 아크 방전을 형성하여 상기 타겟(25)에서 탄소 이온 및 주석 또는 게르마늄 이온을 발생시킨다. 이후, 상기 탄소 이온 및 주석 또는 게르마늄 이온이 이동관(27)으로 이동된다. 이 때 비이온화된 탄소 입자 및 주석 또는 게르마늄 입자는 자력 생성부(28)에 의해 이동관(27) 내벽측에 집속되고 필터판(29)를 통해 이동이 저지된다. 이온화된 상기 탄소 이온 및 주석 또는 게르마늄 이온이 3차원 기판(22)까지 이동되어 증착되어 제조된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 ta-C 복합 코팅층 제조 장치로 ta-C 복합 코팅층이 제조되는 과정은 먼저 반응챔버(24) 내에 위치된 그라파이트 타겟(25)을 포함하는 여과 아크 소스 장치부(26)로 아크 방전을 형성하여 상기 타겟(25)에서 탄소 이온이 발생한다. 이 때 주석 또는 게르마늄 타겟을 포함하는 RF 스퍼터링 장치부(31)에 에너지를 가해져서 주석 또는 게르마늄 이온을 상기 탄소 이온이 존재하는 공간으로 스퍼터링 시켜 탄소 이온 및 주석 또는 게르마늄 이온이 혼합된 이온을 형성한다. 이후, 상기 탄소 이온 및 주석 또는 게르마늄 이온이 이동관(27)으로 이동된다. 이 때 비이온화된 탄소 입자는 자력 생성부(28)에 의해 이동관(27) 내벽측에 집속되고 필터판(29)를 통해 이동이 저지된다. 이온화된 상기 탄소 이온 및 주석 또는 게르마늄 이온이 3차원 기판(22)까지 이동되어 증착되어 제조된다.
이하, 각 구성요소별로 상술하기로 한다.
증착챔버(21) 내에는 기판부(23)가 구비되어 있을 수 있다.
기판부(23)은 증착챔버(21) 내에 위치하되, 3차원 기판(22)을 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다. 기판부(23)는 ta-C 복합 코팅층을 형성하고자 하는 3차원 기판(22)에 음의 전압을 인가할 수 있다.
반응챔버(24) 내에는 타겟(25), 여과 아크 소스 장치부(26), 이동관(27), 자력 생성부(28), 필터판(29) 및 RF 스퍼터링 장치부(31)가 구비되어 있을 수 있다.
여과 아크 소스 장치부(26)는 그라파이트 타겟(25)을 포함하고, 상기 타겟(25)에 아크 방전을 발생시켜 타겟 이온을 생성할 수 있다.
이동관(27)은 여과 아크 소스 장치부(26)에 의해 반응챔버(24)에서 타겟(25)으로부터 발생된 타겟 이온을 3차원 기판(22)까지 이동되는 이동 경로를 제공할 수 있다.
자력 생성부(28)는 이동관(27)을 통해 이동되는 물질 중 비이온화된 타겟 입자를 자력에 의해 이동관(27) 내벽측에 집속되게 할 수 있다.
필터판(29)은 이동관(27) 내에 이동관의 연장 방향을 가로지르는 방향으로 설치되어 비이온화된 타겟 입자의 이동을 저지시킬 수 있다.
RF 스퍼터링 장치부(31)은 주석 또는 게르마늄 타겟을 포함하고, 상기 타겟에 RF 전원을 인가하여 주석 또는 게르마늄 이온을 생성할 수 있다.
이하, 본 발명의 제조예 및 실험예를 기재한다. 그러나, 이들 제조예 및 실험예는 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아님을 명시한다.
[제조예 1]
ta -C 복합 코팅층 제조
1-1. 그라파이트-주석 타겟 제조
코크스를 10 μm 이하로 분쇄한 후 분말 입자의 평균이 3 μm인 주석 분말 10 at%를 함께 혼합한 후 기계적 혼합 방법을 이용하여 50 rpm으로 4 시간 동안 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물에 바인더를 첨가하여 1차 형상을 가공하였다. 상기 1차 형상을 1000 ℃에서 5 시간 동안 열처리하여 바인더를 제거하고 1차 소성체를 형성하였다. 상기 1차 소성체를 2500 ℃에서 200 시간 동안 열처리하여 주석이 함유된 그라파이트-주석 타겟을 제조하였다.
1-2. ta-C 복합 코팅층 제조
그라파이트-주석 타겟을 여과 아크 소스 장치부에 장착한 후 50 V 전압 및 20 A 전류를 가하여 아크 방전을 발생시켜 탄소 및 주석 이온을 형성한다. 상기 이온들을 피스톤 링 기판에 증착시켜 ta-C 복합 코팅층을 제조하였다.
[제조예 2]
상기 제조예 1에서 주석 분말의 함량을 10 at% 대신 5 at%로 조절한 것을 제외하고는 동일하게 수행하여 ta-C 복합 코팅층을 제조하였다.
[제조예 3]
상기 제조예 1에서 주석 분말의 함량을 10 at% 대신 15 at%로 조절한 것을 제외하고는 동일하게 수행하여 ta-C 복합 코팅층을 제조하였다.
[제조예 4]
상기 제조예 1에서 주석 분말의 함량을 10 at% 대신 20 at%로 조절한 것을 제외하고는 동일하게 수행하여 ta-C 복합 코팅층을 제조하였다.
[제조예 5]
상기 제조예 1에서 주석 분말 대신 게르마늄 분말을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 수행하여 ta-C 복합 코팅층을 제조하였다.
[비교예 1]
ta -C 코팅층 제조
2-1. 그라파이트 타겟 제조
코크스를 10 μm 이하로 분쇄하여 코크스 분말을 제조한 후 상기 코크스 분말에 바인더를 첨가하여 1차 형상을 가공하였다. 상기 1차 형상을 1000 ℃에서 5 시간 동안 열처리하여 바인더를 제거하고 1차 소성체를 형성하였다. 상기 1차 소성체를 2500 ℃에서 200 시간 동안 열처리하여 주석이 함유된 그라파이트 타겟을 제조하였다.
2-2. ta-C 코팅층 제조
그라파이트 타겟을 여과 아크 소스 장치부에 장착한 후 50 V 전압 및 20 A 전류를 가하여 아크 방전을 발생시켜 탄소 및 주석 이온을 형성한다. 상기 이온들을 피스톤 링 기판에 증착시켜 ta-C 코팅층을 제조하였다.
[비교예 2]
ta -C 복합 코팅층 제조
3-1. 그라파이트-실리콘 타겟 제조
코크스를 10 μm 이하로 분쇄한 후 실리콘 분말 10 at%를 함께 혼합한 후 기계적 혼합 방법을 이용하여 50 rpm으로 4 시간 동안 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물에 바인더를 첨가하여 1차 형상을 가공하였다. 상기 1차 형상을 1000 ℃에서 5 시간 동안 열처리하여 바인더를 제거하고 1차 소성체를 형성하였다. 상기 1차 소성체를 2500 ℃에서 200 시간 동안 열처리하여 주석이 함유된 그라파이트-실리콘 타겟을 제조하였다.
3-2. ta-C 복합 코팅층 제조
그라파이트-실리콘 타겟을 여과 아크 소스 장치부에 장착한 후 50 V 전압 및 20 A 전류를 가하여 아크 방전을 발생시켜 탄소 및 주석 이온을 형성한다. 상기 이온들을 피스톤 링 기판에 증착시켜 ta-C 복합 코팅층을 제조하였다.
[실험예 1]
주석의 함량에 따른 ta -C 복합 코팅층의 경도 측정
주석의 함량에 따른 ta-C 복합 코팅층의 경도를 측정하기 위해 비커스 경도기를 이용하여 경도값을 측정하였다. 비커스 경도 측정 방법은 경도를 측정하고자 하는 물질에 피라미드형 다이아몬드 인덴터로 일정 하중을 가해 새겨진 크기를 계산해서, 물질의 단단함을 측정하는 방법이다. 측정된 경도값은 표 1에 도시하였다.
[표 1]
Figure pat00001
표 1을 참조하면, 주석이 도핑된 ta-C 복합 코팅층의 경도값은 주석의 함량이 15 at%일 때까지 유지되다가, 주석의 함량이 20 at% 이상이면 경도값이 저하되는 것을 확인하였다. 이러한 결과로, 본 발명의 ta-C 복합 코팅층 제조방법으로 ta-C 복합 코팅층을 제조하여도 기계적 물성이 유지되지만, 임계 함량 이상 주석이 도핑될 경우 기계적 물성이 오히려 저하되는 것으로 판단할 수 있다.
[실험예 2]
도핑 물질에 따른 ta -C 복합 코팅층의 경도 측정
도핑 물질에 따른 ta-C 복합 코팅층의 경도를 측정하기 위해 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 비커스 경도기를 이용하여 경도값을 측정하였다. 측정된 경도값은 표 2에 도시하였다.
[표 2]
Figure pat00002
표 2를 참조하면, 실리콘, 주석 및 게르마늄으로 도핑된 ta-C 복합 코팅층 경도값은 ta-C 코팅층과 유사한 경도값을 나타내는 것을 확인하였다. 이러한 결과로, 본 발명의 ta-C 복합 코팅층 제조방법으로 ta-C 복합 코팅층을 제조하여도 ta-C 복합 코팅층의 기계적 물성이 유지되는 것을 판단할 수 있다.
[실험예 3]
주석의 함량에 따른 ta -C 복합 코팅층의 잔류 응력 측정
주석의 함량에 따른 ta-C 복합 코팅층의 잔류응력을 측정하기 위해 ta-C 복합 코팅층을 X-선 회절 분석을 이용하여 결정구조를 확인한 후, 상기 X-선 회절분석의 결과로 나타난 피크(peak)의 반치폭을 측정한 값으로 잔류응력을 계산하였고, 이의 값을 표 3에 도시하였다.
[표 3]
Figure pat00003
표 3을 참조하면, 주석이 도핑된 ta-C 복합 코팅층 잔류 응력은 ta-C 코팅층보다 저감되며, 주석의 함량이 높을수록 잔류 응력이 낮아지는 것을 확인하였다. 이러한 결과로, 주석이 도핑된 ta-C 복합 코팅층은 잔류 응력을 저감되는 효과가 있는 것으로 판단할 수 있다.
[실험예 4]
도핑 물질에 따른 ta -C 복합 코팅층의 잔류 응력 측정
도핑 물질에 따른 ta-C 복합 코팅층의 잔류 응력을 측정하기 위해 상기 실험예 3과 동일한 방법으로 잔류 응력을 측정하였고, 이의 값을 표 4에 도시하였다.
[표 4]
Figure pat00004
표 4를 참조하면, 주기율표 상에서 탄소와 동일한 족에 위치하면서 탄소보다 원자반경이 큰 원소로 도핑하면 ta-C 복합 코팅층의 잔류 응력이 저감되는 것을 확인하였다. 또한 주석을 도핑 원소로 사용한 제조예 1 및 게르마늄을 도핑 원소로 사용한 제조예 5의 잔류 응력 저감 정도가 실리콘을 도핑 원소로 사용한 비교예 2보다 큰 폭으로 나타나는 것을 확인하였다. 이러한 결과는, ta-C 복합 코팅층에서 탄소가 받는 응력이 충분히 저감될 수 있는 효과를 나타낼 수 있는 원소는 탄소보다 0.5 Å 이상 큰 원자반경을 갖는 주석 및 게르마늄인 것으로 판단할 수 있다.
[실험예 5]
주석 도핑에 따른 ta -C 복합 코팅층의 균열 및 박리가 일어나지 않는 임계 두께 측정
주석 도핑에 따른 ta-C 복합 코팅층의 균열 및 박리가 일어나지 않는 임계 두께를 측정하기 위해 ta-C 복합 코팅층을 절단하여 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)을 이용하여 분석하였다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 1의 제조방법으로 제조된 ta-C 복합 코팅층이 증착되어 있는 피스톤 링 기판을 나타내는 이미지이다.
도 5를 참조하면, 피스톤 링의 지점 1에서 임계 두께는 5.1 μm, 지점 2에서 임계 두께는 4.9 μm, 지점 3에서 임계 두께는 5.0 μm, 지점 4에서 임계 두께는 4.9 μm이며, 제조예 1의 임계 두께의 평균값은 5.3 μm인 것을 확인하였고, 비교예 1의 임계 두께의 평균값은 1.1 μm인 것을 확인하였다.
이러한 결과는, 본 발명의 ta-C 복합 코팅층 제조방법으로 제조된 ta-C 복합 코팅층은 피스톤 링과 같은 3차원 기판 상에서도 균일하게 증착될 수 있는 것으로 판단할 수 있다. 특히 균열 및 박리가 일어나지 않는 임계 두께가 ta-C 코팅층보다 향상된 것으로 보아 주석이 ta-C 복합 코팅층의 균열 및 박리가 일어나는 현상을 감소시켜주는 것으로 판단할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제조예 및 실험예를 참조하면, 3차원의 복잡한 형상을 가지는 기판에 ta-C 코팅층을 제조할 때 탄소와 동일한 족의 원소를 도핑하여 ta-C 복합 코팅층을 제조하면 상기 복합 코팅층의 기계적 물성은 유지되면서 잔류 응력이 저감되고, 증착 두께를 향상시킬 수 있다. 특히, 탄소보다 0.5 Å 이상 큰 원자반경을 갖는 주석 및 게르마늄의 경우, 상기 언급한 효과가 보다 더 우수하며, 특히 주석이 15 at% 함량으로 도핑 되었을 때 유지되는 기계적 물성 및 저감되는 잔류 응력 특성이 우수한 것으로 판단할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
11 : 증착챔버
12 : 3차원 기판
13 : 기판부
14 : 반응챔버
15 : 그라파이트에 주석 또는 게르마늄이 도핑된 타겟
16 : 여과 아크 소스 장치부
17 : 이동관
18 : 자력 생성부
19 : 필터판
20 : 진공챔버
21 : 증착챔버
22 : 3차원 기판
23 : 기판부
24 : 반응챔버
25 : 그라파이트 타겟
26 : 여과 아크 소스 장치부
27 : 이동관
28 : 자력 생성부
29 : 필터판
30 : 진공챔버
31 : RF 스퍼터링 장치부

Claims (17)

  1. 주석 또는 게르마늄이 도핑된 ta-C를 포함하고, 잔류 응력이 1.5 GPa 내지 2 GPa인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 ta-C 복합 코팅층의 경도는 40 GPa 내지 45 GPa인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 ta-C 복합 코팅층의 주석 또는 게르마늄의 함유량은 5 at% 내지 15 at%인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층.
  4. 그라파이트에 주석 또는 게르마늄이 도핑된 타겟을 준비하는 준비 단계;
    상기 타겟을 포함하는 여과 아크 소스 장치에 전원을 인가하여 아크 방전을 형성하는 아크 방전 형성 단계;
    상기 아크 방전으로 인해 상기 타겟이 이온화되어 타겟 이온이 형성되는 이온 형성 단계; 및
    상기 타겟 이온이 3차원 기판 상에 증착되어 주석 또는 게르마늄이 도핑된 ta-C 코팅층이 형성되는 코팅층 형성 단계;를 포함하는 ta-C 복합 코팅층 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 타겟에 주석 또는 게르마늄의 함유량이 5 at% 내지 15 at%인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 ta-C 복합 코팅층의 잔류 응력이 1.5 GPa 내지 2 GPa인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 ta-C 복합 코팅층의 균열 및 박리가 일어나지 않는 임계 두께는 5 μm 내지 7.3 μm인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조방법.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 ta-C 복합 코팅층의 경도는 40 GPa 내지 45 GPa인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조방법.
  9. 그라파이트 타겟을 포함하는 여과 아크 소스 장치에 전원을 인가하여 아크 방전을 형성하는 아크 방전 형성 단계;
    상기 아크 방전으로 인해 상기 타겟이 이온화되어 탄소 이온이 형성되는 탄소 이온 형성 단계;
    주석 또는 게르마늄 타겟을 포함하는 RF 스퍼터링 장치에 전원을 인가하여 주석 또는 게르마늄이 이온화되어 주석 또는 게르마늄 이온이 형성되는 스퍼터링 단계; 및
    상기 탄소 이온 및 주석 또는 게르마늄 이온이 3차원 기판 상에 증착되어 주석 또는 게르마늄이 도핑된 ta-C 코팅층이 형성되는 코팅층 형성 단계;를 포함하는 ta-C 복합 코팅층 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 스퍼터링으로 형성되는 주석 또는 게르마늄 이온의 양이 5 at% 내지 15 at%인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 제조방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 ta-C 복합 코팅층의 잔류 응력이 1.5 GPa 내지 2 GPa인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 ta-C 복합 코팅층의 균열 및 박리가 일어나지 않는 임계 두께는 5 μm 내지 7.3 μm인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조방법.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 ta-C 복합 코팅층의 경도는 40 GPa 내지 45 GPa인 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조방법.
  14. 증착챔버 내에 위치하되, 3차원 기판을 포함하는 기판부;
    반응챔버 내에 위치하되, 그라파이트에 주석 또는 게르마늄이 도핑된 타겟을 포함하고, 이온화된 타겟 이온을 형성하는 여과 아크 소스 장치부;
    반응챔버 내에 위치하되, 상기 여과 아크 소스 장치부에서 형성된 상기 타겟 이온이 상기 증착챔버 내의 3차원 기판까지 이동되는 이동 경로를 제공하는 이동관;
    반응챔버 내에 위치하되, 상기 이동관을 통해 이동되는 물질 중 비이온화된 타겟 입자를 자력에 의해 이동관 내벽측에 집속되게 하는 자력 생성부; 및
    반응챔버 내에 위치하되, 상기 이동관 내에 상기 비이온화된 타겟 입자의 이동을 저지시킬 수 있는 필터판;으로 구성된 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조 장치.
  15. 증착챔버 내에 위치하되, 3차원 기판을 포함하는 기판부;
    반응챔버 내에 위치하되, 그라파이트 타겟을 포함하고, 이온화된 탄소 이온을 형성하는 여과 아크 소스 장치부;
    반응챔버 내에 위치하되, 주석 또는 게르마늄 타겟을 포함하고, 이온화된 주석 또는 게르마늄 이온을 형성하는 RF 스퍼터링 장치부;
    반응챔버 내에 위치하되, 상기 탄소 이온 및 주석 또는 게르마늄 이온이 상기 증착챔버 내의 3차원 기판까지 이동되는 이동 경로를 제공하는 이동관;
    반응챔버 내에 위치하되, 상기 이동관을 통해 이동되는 물질 중 비이온화된 타겟 입자를 자력에 의해 이동관 내벽측에 집속되게 하는 자력 생성부; 및
    반응챔버 내에 위치하되, 상기 이동관 내에 상기 비이온화된 타겟 입자의 이동을 저지시킬 수 있는 필터판;으로 구성된 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조 장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 RF 스퍼터링 장치부에서 형성된 주석 또는 게르마늄 이온이 상기 그라파이트 타겟에 증착된 후 아크 방전으로 인해 형성된 탄소 이온 및 주석 또는 게르마늄 이온이 3차원 기판에 증착되어 ta-C 복합 코팅층을 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조 장치.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 RF 스퍼터링 장치부에서 형성된 주석 또는 게르마늄 이온이 상기 이동관에서 상기 탄소 이온과 혼합된 후 상기 3차원 기판에 증착되어 ta-C 복합 코팅층을 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 ta-C 복합 코팅층 제조 장치.
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