KR20190061901A - 원자층 증착법에 의한 산화알루미늄 인터페이스 층이 주기적으로 삽입된 고경도 코팅막 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 고경도 코팅막을 형성함에 있어, 장기간의 사용환경에도 불구하고 고경도 특성과 내부식 특성을 유지할 수 있는새로운 코팅막의 구성과 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라, 본 발명은, 고경도 코팅을 실시하고자 하는 모재에 CrN층을 PVD법에 의해 형성한 다음, Al₂O₃층을 ALD에 의해 형성한 CrN/Al₂O₃층을 단위구조로 하여, CrN/Al2O3층이 3회 이상 반복되어 있는 다층코팅막을 제공하였다. 즉, 기존 PVD-CrN/ALD-Al2O3/PVD-CrN 코팅막의 장기사용에 따른 고경도 및 내부식 특성의 성능저하 문제를 개선하고자 한 것이다.

Description

원자층 증착법에 의한 산화알루미늄 인터페이스 층이 주기적으로 삽입된 고경도 코팅막 및 그 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR HARD COATINGS WITH A PERIODIC ATOMIC LAYER DEPOSITED Al2O3 INTERLAYERS}

본 발명은 내부식성과 기계적 물성이 향상된 고경도 코팅막을 제조하는 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, CrN 코팅층에 원자층 증착법에 의한 Al₂O₃층이 주기적으로 삽입된 고경도 및 고내식성 코팅막을 제조하는 방법에 관한 것이다.

고경도 코팅은 다양한 산업에 광범위하게 적용되고 있다. 예를 들면, 절삭, 포밍, 캐스팅 공구와 같이 내구성을 요하는 경우, 경도 향상과 화학적 열적 안정성을 향상시켜 공구의 수명연장과 성능 향상을 위해 고경도 코팅을 실시한다. 특히, 최근 CrAlN, CrSiN, CrAlSiN, TiAlN, TiSiN, TiAlSiN 과 같은 3가지 이상의 원소들이 혼합되어 제조되는 다성분계 질화물계 고경도 코팅막은 높은 경도와 함께, 우수한 내부식성 및 내산화성을 가져 기계가공 분야에 사용되는 공구 및 장치의 수명향상을 위한 보호막으로 그간 널리 연구 및 사용 되어져 왔다.

위와 같은 다성분계 고경도 코팅막의 경우, 일반적으로 아크이온플레이팅, 스퍼터링과 같은 PVD (Physical Vapor Deposition) 공정에 의하여 증착되어져 왔다. 그러나, PVD 공정에 의한 고경도 코팅은 대게 고유의 결함을 보이며, 상기 결함은 기둥형 그레인(columnar grain) 구조, 핀홀, 구멍, 불연속체 등으로 나타나며, 내식성 특성에 악영향을 미칠 수 있다. 특히, 기판 내지 모재가 스틸계 활성 합금이거나 마모-부식 과정에서 사용 중일 경우, 이러한 결함에 의한 부식이 쉽게 일어나게 되는 문제점을 가지고 있다.

최근 국내 등록특허 제10-1659232호에서는 고경도 코팅막의 내식성 특성이 강화된 코팅막을 제조하기 위해, 모재에 CrN을 PVD로 코팅하고 중간에 ALD로 Al₂O₃를 나노 두께로 코팅하여 CrN 이 나타내는 결함을 원자층 단위로 치밀하게 메꾼 후, 다시 CrN을 PVD로 코팅하는 방법을 제시하였다. 상기 코팅막은 고경도를 유지하며 내식성을 크게 향상시킬 수 있지만, 오랜 사용 시간이 지나더라도 상기 고경도 특성 및 내식성을 보장하는 데는 한계가 있다.

따라서 본 발명의 목적은 다성분계 고경도 코팅막을 형성함에 있어, 오랜 사용 시간 동안 고경도 특성과 내식성을 보장할 수 있는 새로운 코팅막 구조와 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적에 따라, 본 발명은, 고경도 코팅을 실시하고자 하는 모재에 PVD법에 의한 CrN층과 ALD로 증착한 Al₂O₃ 층이 주기적으로 반복되어 있는 코팅막을 제공하였다.

즉, PVD법을 통해 첫 번째 CrN 코팅 증착후 ALD법으로 Al₂O₃ Interlayer를 증착한 이후 다시 PVD법에 의한 두 번째 CrN 코팅을 형성하여 활용하는 고경도 코팅막 및 제조방법의 단점을 개선하고자 한 것이다.

즉, 본 발명은,

모재의 보호를 위하여, 고경도 및 내부식성을 가지는 코팅막을 형성하는 경우에 있어서, 장기간 사용하더라도 고경도 특성 및 내부식 특성이 유지할 수 있는 코팅막을 형성하기 위해서,

CrN층을 PVD 방법으로 형성하고, 이어 CrN 표면상에 Al₂O₃층을 ALD(atomic layer deposition)에 의해 형성한 구조를 3회 이상 반복하여, 장기간 사용에 따른 마찰 및 마모에 의해 표면이 일부 손상되더라도 고경도 특성 및 내부식 특성이 유지할 수 있는 것을 특징으로 하는 CrN/Al₂O₃층이 3회 이상 주기적으로 반복된 다층 코팅 막 형성방법을 제공한다.

상기에 있어서, CrN/Al₂O₃ 층이 주기적으로 반복되어 있는 다층 코팅막에서 Al₂O₃ 코팅층의 두께는 1 내지 100nm로 삽입되고, CrN 층은 0.3um 내지 1um 로 형성되는 것을 특징으로 하는 코팅 막 형성방법을 제공한다.

본 발명은, 모재;

상기 모재 위에 적층된 CrN층과 상기 CrN층 위에 ALD로 적층된 Al₂O₃층으로 된 CrN/Al₂O₃층이 3회 이상 반복 적층된 코팅층;을 구비한 고경도 내구성 공구 또는 장치 부품을 제공한다.

도1과 같이 종래의 PVD법을 통해 첫 번째 CrN 코팅 증착후 ALD법으로 Al₂O₃ Interlayer를 증착한 이후 다시 PVD법에 의한 두 번째 CrN 코팅을 형성하여 활용하는 고경도 코팅막의 경우, 마찰 및 마모환경에서의 사용 시간이 길어짐에 따라 표면에 드러난 CrN 층이 마찰 마모에 따라 점차적으로 소모되면, 1 내지 100nm 두께로 ALD법에 의해 형성된 Al₂O₃ 층은 낮은 경도와 내마모성으로 인하여 도2에 나타낸 바와 같이 쉽게 파손되게 되며, 이에 따라 고경도 특성과 내부식성의 특성을 유지할 수 없게 된다.

본 발명에 따르면, CrN층을 PVD 방법으로 형성하고, 이어 CrN 표면상에 Al₂O₃층을 ALD(atomic layer deposition)에 의해 형성한 구조를 3회 이상 반복함으로서, 코팅막 사용에 따라 첫 번째 층이 벗겨지더라도 아래에 반복되어 형성되어 있는 CrN/Al₂O₃ 구조에 의하여 고경도 및 내부식성이 일정하게 유지되므로 장기 사용에 따른, 고경도 및 내부식성 특성을 유지할 수 있다.

이로써 CrN/Al₂O₃ 층이 3회 이상 반복되어 구성된 다층코팅막은 장기간 사용하더라도 고경도 및 내부식성을 유지할 수 있어, 각종 공구나 전극체 등의 교체 주기를 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 CrN/Al₂O₃ 층이 3회 이상 반복되어 구성된 다층코팅막은 장기 사용에 따라 박막의 일부 손실이 일어나더라도, 초기의 우수한 고경도 특성 및 내부식성을 유지할 수 있다.

도 1은 종래의 PVD법을 통해 첫 번째 CrN 코팅 증착후 ALD법으로 Al₂O₃ Interlayer를 증착한 이후 다시 PVD법에 의한 두 번째 CrN 코팅을 형성하여 활용하는 고경도 코팅막의 구조를 나타낸다.
도 2는 종래의 PVD법을 통해 첫 번째 CrN 코팅 증착후 ALD법으로 Al₂O₃ Interlayer를 증착한 이후 다시 PVD법에 의한 두 번째 CrN 코팅을 형성하여 활용하는 고경도 코팅막을 장기간 사용함에 따라 파손에 의해 ALD법에 의한 Al₂O₃ interlayer의 손실이 일어난 경우의 코팅막 구조를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 CrN층을 PVD 방법으로 형성하고, 이어 CrN 표면상에 Al₂O₃층을 ALD(atomic layer deposition)에 의해 형성한 구조를 3회 이상 반복된 코팅막의 구조를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 CrN층을 PVD 방법으로 형성하고, 이어 CrN 표면상에 Al₂O₃층을 ALD(atomic layer deposition)에 의해 형성한 구조를 3회 이상 반복된 코팅막을 장기간 사용함에 따라 파손에 의해 ALD법에 의한 Al₂O₃ interlayer의 손실이 일어난 경우의 코팅막 구조를 나타낸다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

먼저, CrN/Al₂O₃ 층이 3회 이상 반복되어 구성된 다층 코팅막의 제조에 대해 도3를 이용하여 설명한다.

모재로서 SUS304 기판을 준비하고 초음파 세정한 다음, Cr 점착층(접착층이라고도 함)을 형성하여 이후 형성될 다층코팅막의 점착성을 강화한다. 세정 방법은 초음파 외에 플라즈마 세정 등 다른 방법을 적용할 수 있다. CrN 층은 아크이온 플레이팅, Sputtering, HiPIMS와 같은 PVD법을 이용하여 0.3 내지 1 um의 두께로 증착한 후, ALD법을 통해 1 내지 100nm두께의 Al₂O₃ Interlayer층을 형성하여 CrN/Al₂O₃ 층을 형성한다. 이어 CrN/Al₂O₃ 층을 형성하는 공정을 3회 이상 반복하되, 반복 회수는 코팅막에 필요한 수명에 따라 횟수를 조절하여 형성한다.

도 3에 CrN/Al₂O₃ 층이 3회 이상 반복되어 구성된 다층 코팅막의 장기 사용에 따라 박막의 손실이 일어난 경우의 구조를 나타내었다. 장기 사용에 따라 CrN 층이 벗겨지더라도 내부에 반복되어 존재하는 ALD-Al₂O₃ interlayer 층이 존재하게 되므로, 고경도 및 내부식성은 유지될 수 있다.

기존에는 모재위에 PVD로 CrN을 형성하고 그 위에 ALD로 형성한 Al₂O₃ 층 위에 다시 PVD로 CrN을 형성한 CrN/Al₂O₃/CrN/모재의 구조로 표면의 CrN 층이 손상되는 경우 얇은 Al₂O₃ 층이 쉽게 파손되어 내부식 및 고경도 특성이 유지되기 어려웠는데, 본 발명에 따르면, CrN/Al₂O₃ 층이 모재 위에 3회이상 반복되어, 표면의 CrN 층이 부식되더라도 코팅층 내부에 Al₂O₃ 층과 CrN층이 남게 되어 고경도 및 내부식 특성이 유지될 수 있다. 다층의 적층막은 사용 중 강합 압력에 의해 내층으로 갈수록 더욱 내구성 강한 치밀한 코팅막으로 작용하여 이러한 방법은 장기간의 수명특성을 가지는 고경도/내부식 코팅막이 필요한 산업 분야에서 매우 유리한 결과를 줄 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

도면 부호 없음.

Claims (3)

1. 모재의 경도, 내부식성, 내마모성 또는 화학적 안정성 중 어느 하나 이상의 물성 향상을 위한 코팅 막을 형성하는 방법에 있어서,
   CrN층을 PVD법으로 형성하고,
   형성된 CrN층 위에 Al₂O₃층을 ALD(atomic layer deposition)에 의해 형성하여 CrN/Al₂O₃층을 단위구조로 하여,
   상기 CrN/Al₂O₃ 단위구조가 3회 이상 반복되는 것을 특징으로 하는 CrN/Al₂O₃/CrN로 된 다층 코팅 막 형성방법.
2. 제1항에 있어서, CrN/Al₂O₃ 단위구조가 3회 이상 반복되어 구성된 다층 코팅막에서 Al₂O₃ 코팅층의 두께는 1 내지 100nm인 것을 특징으로 하는 코팅 막 형성방법.
3. 제1항에 있어서, CriN/Al₂O₃ 단위구조가 3회 이상 반복되어 구성된 다층 코팅막에서 CrN 코팅층의 두께는 0.3 내지 1um인 것을 특징으로 하는 코팅 막 형성방법.
   

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