KR20200067781A - CVD를 이용한 TaC 코팅층의 제조방법 및 그를 이용하여 제조한 TaC의 물성 - Google Patents

CVD를 이용한 TaC 코팅층의 제조방법 및 그를 이용하여 제조한 TaC의 물성 Download PDF

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Abstract

본 발명은 불순물 함량이 특별히 낮은 TaC 소재를 포함하는 재료의 제조방법 및 그로부터 형성된 TaC 재료에 관한 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따르는 불순물 함량이 적은 TaC 재료의 제조방법은, 모재를 준비하는 단계; 및 상기 모재의 표면에 1600 ℃ 내지 2500 ℃의 온도에서 TaC 코팅층을 형성하는 단계;를 포함한다.

Description

CVD를 이용한 TaC 코팅층의 제조방법 및 그를 이용하여 제조한 TaC의 물성{MANUFACTURING METHOD FOR CARBONIZED TANTALUM COATING LAYER USING CHEMICAL VAPOR DEPOSITION AND PROPERTY OF CARBONIZED TANTALUM USING THE SAME}
본 발명은 불순물 함량이 특별히 낮은 TaC 소재를 포함하는 재료의 제조방법 및 그로부터 형성된 TaC 재료에 관한 것이다.
모재 표면에 여러 종류의 소재로 된 박막을 도입하여, 재료의 내마모성, 내식성 등을 향상시키는 연구는 다방면으로 진행되고 있다. 그 중, 탄화탄탈(TaC) 코팅은내열성, 내마모성 및 내가스에칭성 등에 있어서 기존의 박막 재료에 비해 우수한 특징을 가지기 때문에, 특히 관심이 집중되고 있다. 최근 들어, TaC 코팅층을 탄소 재료에 형성한 탄화탄탈 피복 탄소 재료가 반도체용 단결정 제조장치 부재, 정밀 공작기, 엔진용 부품 등 다양한 산업 현장에서 사용되고 있다.
이 때 형성되는 TaC 코팅층은, 모재와의 부착력에 있어서 종종 문제가 되어왔다. 따라서, 최근 탄소 모재 상에 부착력을 증가시키면서 표면 경도를 높게 유지하기 위한 TaC 박막 코팅 방법에 대해 다방면의 연구가 이어져 왔다.
또한, 이와 같이 제조된 TaC 코팅층으로부터 TaC 재료를 확보하여 별도의 독립된 소재로 활용하는 방안들이 연구되고 있다.
한편, 최근에는 TaC 소재를 포함하는 코팅층의 경도 또는 표면 내마모성의 물성을 제어하고 나아가 내식성, 내마모성을 향상시킬 수 있는 기술에 관심이 집중되고 있다. 이 때, TaC 소재의 내부에 포함된 불순물의 함량은 TaC 소재 고유의 높은 내식성, 높은 내마모성 등의 특성을 구현하는데 있어서 장애가 되어 왔다. 따라서, TaC 소재를 제조한 후, 내부의 불순물을 제거하는 공정에 대한 연구가 진행되어 왔으나, 이는 추가적인 공정을 필요로 하여 제품의 생산성을 떨어뜨리는 원인이 되었다.
본 발명의 목적은, 상술한 바와 같이 탄소 모재와 부착력이 우수하면서도, 고경도를 지닌 우수한 물성의 TaC 재료를 제조하면서, 특별한 추가적인 공정 없이도 TaC 소재의 고유의 물성이 잘 구현되도록 낮은 불순물 함량을 가지는 TaC 재료를 제조하는 방법을 제공하기 위함이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르는 불순물 함량이 적은 TaC 재료의 제조방법은, 모재를 준비하는 단계; 및 상기 모재의 표면에 1600 ℃ 내지 2500 ℃의 온도에서 TaC 코팅층을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 TaC 코팅층을 형성하는 단계는, 상기 모재 상에 CVD 방식으로 Ta 전구체 및 C 전구체를, 각각 또는 혼합하여, 분사하여 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 Ta 전구체 및 C 전구체는 기상 또는 고상인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 모재를 준비하는 단계는, 열팽창계수가 4.0×10-6/℃ 내지 7.0×10-6/℃ 인 모재를 준비하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 모재를 준비하는 단계는, 다공성 구조의 모재를 준비하는 것이고, 상기 TaC 코팅층을 형성하는 단계는, 상기 모재 표면의 기공 내에 TaC가 침투되어, 상기 모재의 표면 내측에 TaC 침투 영역을 형성하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르는 불순물 함량이 적은 TaC 재료는, 모재 및 TaC 코팅층을 포함하고, 상기 TaC 코팅층은 Ta 및 C를 제외한 다른 성분을 1200 ppm 이하로 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 TaC 재료는 본 발명의 일 실시예에 따르는 제조방법으로 제조된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 1600 ℃ 이상에서 융점을 가지는 원소 주기율표상 4족, 5족 및 6족에 해당하는 전이금속 불순물 원소들의 농도의 합은 1 ppm 내지 1000 ppm 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 원소 주기율표의 4족, 5족 및 6족에 해당하지 않는 불순물 원소들의 농도의 합은 1 ppm 내지 7 ppm 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 TaC 재료의 표면 경도는, 15 GPa 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 우수한 부착력을 갖는 높은 경도의 불순물이미량 포함된 TaC 재료를 제공할 수 있다. 본 발명에서 제공하는 TaC 재료는 불순물 함량이 적어, 별도의 불순물 정제 공정을 필요로 하지 않으며, 본래의 TaC 소재 자체의 고유의 물성이 그대로 구현되어 보다 높은 내식성, 내마모성이 구현되는 재료를 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따르는, 불순물 함량이 적은 TaC 재료의 제조방법의 각 단계를 나타내는 순서도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에서 이용 가능한, 다공성 구조가 형성된 모재의 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 다공성 구조가 형성된 모재(110)에 TaC가 함침되어, 상기 모재의 표면 상에 TaC 코팅층(120)이 형성되고, 상기 모재의 표면 내측에 TaC 함침 영역(130)이 형성된 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예로 제조된 TaC 재료의 XRD 분석 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 TaC 재료의 제조방법 및 TaC 재료의 실시예들을 상세히 설명한다. 아래 설명하는 실시예 및 도면들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 또한, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이 는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 설명이 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
일반적으로 TaC 재료를 형성하는 공정에서 사전에 설계되는 것은, 형성되는 TaC 소재의 순도를 얼마만큼 높일 수 있을 것인가, CVD 방식으로 TaC 재료를 형성하는 과정에서 모재를 무엇으로 선정할 것인가, 모재 상에 코팅해서 사용할 것인가 모재와 분리해서 사용할 것인가 등이 있다.
본 발명은 상기 여러 문제들에 있어서, TaC 소재의 순도를 높여 내식성 및 내마모성이 향상된 TaC 재료를 제조하는 방법을 제공하면서, 모재 상에 코팅해서 사용할 수도 있고 모재와 분리해서 사용할 수도 있는 TaC 재료를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에서는 TaC에 대해서 중점적으로 설명하고 있으나, 그 외에 NbC, ZrC, HfC도 단순히 주입 가스만을 변경하고 유사한 공정을 이용함으로써, 불순물이 낮아지도록 제조할 수 있다.
본 발명의 일 측면에서는 불순물 함량이 적은 TaC 재료의 제조방법을 제공한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따르는, 불순물 함량이 적은 TaC 재료의 제조방법의 각 단계를 나타내는 순서도이다. 아래에서는 도 1을 참조하여, 불순물 함량이 적은 TaC 재료의 제조방법의 각 단계를 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따르는 불순물 함량이 적은 TaC 재료의 제조방법은, 모재를 준비하는 단계(S10); 및 상기 모재의 표면에 1600 ℃ 내지 2500 ℃의 온도에서 TaC 코팅층을 형성하는 단계(S20);를 포함한다. 본 발명에서 TaC 코팅층은 탄탈륨(Ta) 및 탄소(C)를 주성분으로 함유하는 어떠한 재료도 포함될 수 있다.
본 발명은 TaC 재료를 제조하는 과정에서 모재 상에 TaC 코팅층을 형성함으로써 TaC 재료를 형성하며, 이 때 TaC 코팅층을 형성하는 단계를 1600 ℃ 이상의 고온에서 수행함으로써 TaC 코팅층 내의 불순물 함량을 최소화할 수 있다.
1600 ℃ 이상의 고온에서 TaC 코팅층을 형성하면, 융점이 낮은 불순물들이 모두 제거되는 효과가 있다. 이로써 고품질의 TaC 재료가 확보되는 효과가 있다. 이와 같은 방식으로 확보된 순도가 높은 TaC 재료는 반도체 및 에피텍셜 공정에서 효과적으로 활용될 수 있다. 불순물이 높은 함량으로 TaC 코팅층 내에 잔류할 경우, 결함을 발생시키고 도핑 농도에 영향을 주며, 최종적으로 TaC 소재로 구현하고자 하는 물성에도 영향을 미칠 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 TaC 코팅층을 형성하는 단계는, 상기 모재 상에 CVD 방식으로 Ta 전구체 및 C 전구체를, 각각 또는 혼합하여, 분사하여 수행되는 것일 수 있다.
Ta 전구체 및 C 전구체 외에 수소 가스, 불활성 가스 등 CVD 공정 과정에서 필요로 되는 추가적인 가스를 분사함으로써 상기 TaC 코팅층을 형성하는 단계가 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 Ta 전구체 및 C 전구체는 기상 또는 고상인 것일 수 있다.
일 예로서, TaC 코팅층을 형성하는 단계에서, CVD 방식에 의해 TaC 코팅층이 형성되고 난 후, 1600 ℃ 이상의 온도에서 추가적인 열처리하는 단계가 수행될 수 있다. 이 때, 상기 열처리하는 단계가 수행됨으로써 형성된 TaC 코팅층이 안정화되고, 불순물이 추가적으로 제거되면서 더욱 고순도의 TaC 재료를 확보할 수 있다.
상기 열처리하는 단계의 온도는 2200 ℃ 이하인 것일 수 있다. 상기 열처리하는 단계의 온도는 바람직하게는 2000 ℃ 이하인 것일 수 있다.
일 예로서, 상기 모재는, 평균 기공율이 5 부피% 내지 20 부피% 또는 70 부피% 내지 90 부피%인 것일 수 있으며, 필요한 용도에 따라 둘 중 선택하여 사용할 수 있다. 상기 평균 기공율이너무 낮을 경우, TaC 코팅층이 모재 상에 효과적으로 형성되지 않거나 TaC 코팅층 형성 중에 코팅층이 모재로부터 분리되는 문제 또는 표면 경도가 낮게 형성되는 문제가 생길 수 있으며, 너무 높을 경우 모재의 내구성이 떨어지거나, 표면 조도가 높아지거나 TaC 코팅층 표면이 거칠게 형성되는 문제가 생길 수 있다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에서 이용 가능한, 다공성 구조가 형성된 모재(110)의 단면도이다.
상기 탄소 모재는, 그라파이트를 포함하여 탄소를 주성분으로 한 모재는 무엇이든 포함될 수 있다. 상기 탄소 모재 상에 TaC 코팅층이 형성되면, 상기 기공으로 TaC 성분이 함침되어 함침 영역이 생성될 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 다공성 구조가 형성된 모재(110)에 TaC가 함침되어, 상기 모재의 표면 상에 TaC 코팅층(120)이 형성되고, 상기 모재의 표면 내측에 TaC 함침 영역(130)이 형성된 구조를 나타내는 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 모재를 준비하는 단계는, 열팽창계수가 4.0×10-6/℃ 내지 7.0×10-6/℃ 인 모재를 준비하는 것일 수 있다.
상기 모재의 열팽창계수는 모재와 상기 모재 상에 형성된 TaC 코팅층 간의 부착력을 결정하는데 중요한 요인이 된다. TaC 코팅층의 열팽창계수를 고려할 때, TaC 소재의 열팽창계수와 차이가 크지 않도록 모재를 준비하면, 본 발명의 TaC 코팅층과 모재는 단단하게 접착되어 형성될 수 있다. 이 때 모재의 열팽창계수는 4.0×10-6/℃ 내지 7.0×10-6/℃ 인 것일 수 있다. 이로써 TaC를 포함하는 코팅층의 온도변화에 의한 팽창이나 수축이 발생할 때,　탄소 모재와의 사이에서 열응력을 최소화할 수 있고 효과적으로 TaC 코팅층의 부착성이 향상되고, 안정적으로 TaC 코팅층이 모재 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 모재를 준비하는 단계는, 다공성 구조의 모재를 준비하는 것이고, 상기 TaC 코팅층을 형성하는 단계는, 상기 모재 표면의 기공 내에 TaC가 침투되어, 상기 모재의 표면 내측에 TaC 침투 영역을 형성하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에서는 불순물 함량이 적은 TaC 재료를 제공한다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르는 불순물 함량이 적은 TaC 재료는, 모재 및 TaC 코팅층을 포함하고, 상기 TaC 코팅층은 Ta 및 C를 제외한 다른 성분을 1200 ppm 이하로 포함된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 TaC 재료는 본 발명의 불순물 함량이 적은 TaC 재료의 제조방법으로 제조된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 불순물은 TaC 코팅층을 형성하는 과정에서 Ta, C 원료를 통한 경로, Hot zone 및 원료 배관을 통한 경로 등을 통하여 불순물로 유입될 수 있다.
Ta 및 C 가 아닌 다른 원자로 이루어진 상기 불순물들은 TaC 코팅층 내에 포함되어, 반도체 재료로 형성될 시 디펙의 원인이 되거나, 도펀트를 추가할 때 전체적인 조성 함량에 문제를 야기하여 궁극적으로 제품의 성능을 저하시키는 문제를 야기할 수 있다.
본 발명에서는 TaC 코팅층을 1600 ℃ 이상의 고온에서 형성시킴으로써 융점이 낮은 불순물들이 코팅층을 형성하는 과정에서 별도의 추가적인 공정 없이도 제거될 수 있다.
본 발명의 일 예에 따르면, XRD 분석의 X선 회절에 의해 발생하는 (111) 면의 회절 피크값 대비 (200) 면의 회절 피크값의 비가 0.17 이하인 것일 수 있다.
본 발명에서 제공하는 TaC 재료는 상기 TaC 코팅층의 (111) 면의 회절 피크값 / (200) 면의 회절 피크값의 비가 증가할수록 TaC 코팅층의 표면 경도 값이 점차 감소하는 경향을 보인다. 이 때 상기 (111) 면의 회절 피크값 / (200) 면의 회절 피크값의 비가 증가할수록 TaC를 포함하는 코팅층의 표면 경도 값의 감소 폭은 점점 더 크게 나타나게 된다.
상기 회절 피크값의 비가 0.17을 초과할 경우 TaC 코팅층의 표면 경도가 낮게 형성되어 높은 표면 경도의 소재를 필요로 하는 코팅층이 요구되는 반도체 제조용 장치 등에 적용하기 어려운 문제가 생길 수 있다. 또한 TaC 코팅층의 모재와의 부착력이 감소되고 결정립 간의 경계를 형성하는 결정립계가 증가되어 재료의 균질성을 감소시키는 문제가 생길 수 있다. 한편, 상기 회절 피크값의 비가 0.17을 초과할 경우 피크값의 비가 약간만 상승하더라도 큰 폭으로 표면 경도값이 감소되는 문제가 발생한다. 따라서, 상기 회절 피크값의 비 0.17은 본 발명의 일 측면에 있어서 의미를 가지는 값에 해당하는 것이며 0.17 이하의 상기 회절 피크값을 가지는 TaC를 포함하는 코팅층은 탄소 재료의 높은 표면 경도값을 구현하는데 있어서 중요한 요인이 될 수 있다.
또한, 상기 (111) 면의 회절 피크값 대비 (200) 면의 회절 피크값의 비는 0.01 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, XRD 분석의 X선 회절에 의해 발생하는 피크값 중, (111) 면의 피크값이 최대인 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따르면, XRD 분석의 회절선의 반치폭은 0.15° 이하인 것일 수 있다.
이에 의해, 높은 결정성을 가지면서 TaC 결정립의 평균 크기가 충분히 크도록 형성된 TaC를 포함하는 코팅층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따르면, 평균 결정립 크기가 10 ㎛ 내지 50 ㎛ 인 입자를 포함할 수 있다.
상기 평균 결정립의 크기가 10 ㎛ 미만의 경우 TaC를 포함하는 코팅층의 경도가 일정 수준 미만으로 형성되어 통상적으로 높은 경도의 소재를 필요로 하는 반도체 제조용 장치에 적용하기 어려운 문제가 생길 수 있고, 코팅층의 결정립 크기가 50 ㎛ 를 초과할 경우 결정립 크기를 키우는데 필요로 되는 공정 상의 에너지, 비용이 크게 증가하여 제품의 생산성을 저하시키는 문제가 생길 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 1600 ℃ 이상에서 융점을 가지는 원소 주기율표의 4족, 5족 및 6족에 해당하는 전이금속 불순물 원소들의 농도의 합은 1 ppm 내지 1000 ppm 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 원소 주기율표의 4족, 5족 및 6족에 해당하지 않는 불순물 원소들의 농도의 합은 1 ppm 내지 7 ppm 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 TaC 재료의 표면 경도는, 15 GPa 이상인 것일 수 있다.
본 발명에서 제공하는 TaC 재료는 15 GPa 이상의 고경도 표면 경도를 확보할 수 있다.
이하, 하기 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 그에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
실시예
CVD 기법에 의해, 본 발명의 실시예에서 제공하는 TaC 코팅층을 포함하는 TaC 재료를 복수 개 제조하였다.
본 발명에 따라서, 평균 기공율(15 부피% 이상)을 갖는 탄소 모재들을 준비하였고, 1600 ℃ (특히 2000 ℃) 내지 2500 ℃의 CVD 처리조건에서 Ta 전구체 가스로 TaCl5 및 C 전구체 가스로 탄화수소(Hydro Carbon)를 이용하여 TaC 코팅층을 형성하였다. 이 때, TaC 코팅층의 C/Ta의 조성비는 1.1 : 1 로 조정하였다. 각각의 탄소 모재의 평균 기공율은 수은흡착법으로 측정하였다.
(1) TaC 코팅층 내 불순물 함량의 확인
상기의 조건 하에서 두 개의 불순물 함량이 적은 TaC 재료를 제조하였다(실시예 1 내지 실시예 4).
아래의 표 1 및 표 2는 상기 실시예 1 내지 실시예 4의 TaC 재료에 포함된 불순물의 종류 및 함량을 측정한 값을 나타내고 있다.
(단위 ppm)
종류 원소 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4
전이금속 Ti족 Ti 6 0.93 4.2 0.4
Zr - 0.1 1.1 -
Hf - - - -
V족 V 29 0.08 0.16 0.12
Nb 0.71 8.1 7.2 6.6
Ta Matrix Matrix Matrix Matrix
Cr족 Cr - - - -
Mo 0.85 45 180 670
W 0.85 40 38 13
Halogen Cl 30 30 30 29
　 　 합 67.41 124.21 260.66 719.12
상기 표 1에서 표기되지 않은 원소들은 GDMS 분석 시, 데이터 상에서 검출되지 않은 물질에 해당하며, In의 경우 GDMS 분석 시 바인더로 사용되므로 상기 표 3의 불순물에서 제외하였다.
상기 표 1에 나타난 실시예 1 내지 실시예 4의 결과를 통해, 1600 ℃ 이상에서 융점을 가지는 원소 주기율표의 4족(Ti계 원소), 5족(V계 원소) 및 6족(Cr계 원소)에 해당하는 전이금속 불순물 원소들의 농도의 합은 1 ppm 내지 1000 ppm 로 확보되는 것을 확인할 수 있었다.,
(단위 : ppm)
원소 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4
B - 0.11 0.05 0.03
Na 0.03 0.35 0.08 0.13
Al - 0.12 0.06 0.15
Si 0.98 1.1 0.95 0.44
K - 0.98 0.41 0.56
S 0.25 0.13 0.08 0.25
Ca - 0.59 0.54 0.47
Fe 1.6 2.8 2.9 2.2
Ni - 0.11 0.13 0.1
Zn 0.36 0.21 0.11 0.36
Total 3.22 6.5 5.31 4.69
반면, 원소 주기율표의 4족, 5족 및 6족에 해당하지 않는 불순물 원소들의 농도의 합은 1 ppm 내지 7 ppm 로 확보되는 것을 확인할 수 있었다. 표 2에 표기되지 않은 불순물 원소들은 GDMS 분석시, 검출되지 않거나 검출 범위 이하로 확인되었다.
(2) XRD 분석 시 피크값의 비와 코팅층 표면 경도 간의 관계 확인
상기의 조건 하에서 형성된 TaC를 포함하는 코팅층의 (111) 면의 회절 피크값 대비 (200) 면의 회절 피크값의 비가 서로 상이하게 형성되도록 본 발명의 제조방법에 따라 복수 개의 실시예를 제조하고, 그와 비교하기 위해 본 발명의 범위에 포함되지 않는 비교예를 제조하고 각각에 대한 표면 경도를 측정하였다.
아래의 표 3는 위에서 제조한 실시예 5 및 실시예 6과 비교예에 대해 측정한 (200)면 / (111)면의 피크값 비와 표면 경도 와의 상관관계를 나타내는 표이다.
(200)면 / (111)면의 피크값 비 표면 경도 (GPa)
비교예 0.76 2.64
실시예 5 0.17 16.31
실시예 6 0.07 16.78
실험 결과 상기 회절 피크값의 비가 0.17을 기준으로 하여 그 전후에서 상기 표면 경도 값이 크게 변화됨을 확인할 수 있었다. 다시 말해, 상기 피크값의 비가 0.17 이하의 경우 TaC를 포함하는 코팅층의 표면 경도 값이 16 GPa 이상의 고경도로 형성되는 반면에 0.17 초과의 경우 상기 피크값의 비가 조금만 증가하더라도 표면 경도 값이 큰 폭으로 감소함을 확인할 수 있었다. 한편, 피크값의 비는 0.1 미만의 구간에서 점점 작아질 수록 표면 경도 값의 증가율은 점점 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 실험 결과를 통해, 상기 회절 피크값의 비와 상기 표면 경도 값간에, 상기 회절 피크값의 비를 변수로 하고 일정 범위의 오차 범위 안에 표면 경도 값이 모두 포함되는 이차함수의 상관관계가 성립함을 확인할 수 있었다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예로 제조된 탄소 재료에 있어서, TaC를 포함하는 코팅층의 XRD 분석 실험 결과를 나타내는 그래프이다. 그래프 상 피크 [1]은 (111)면 피크값이고, 피크 [2]는 (200)면의 피크를 나타낸다.
도 4a는 비교예 1의 TaC를 포함하는 코팅층의 XRD 분석 실험 결과이며, 도 4b는 실시예 5의 TaC를 포함하는 코팅층의 XRD 분석 실험 결과이고, 도 4c는 실시예 6의 TaC를 포함하는 코팅층의 XRD 분석 실험 결과이다.
(2) TaC를 포함하는 코팅층의 평균 결정립 크기와 표면 경도 간의 관계 확인
상기의 조건 하에서 TaC를 포함하는 코팅층의 평균 결정립 크기와 표면 경도 간의 관계를 확인하기 위하여 평균 결정립 크기를 달리 하여 복수 개의 실시예 및 비교예를 제조하고 각각의 경우에 표면 경도를 측정하였다.
이 때, TaC를 포함하는 코팅층의 평균 결정립 크기의 측정은 평균 결정립 크기를 결정하는 표준 테스트 방법인 ASTM E112에 따라 측정하였다.
하기의 표 4는 본 발명의 일 측면에서 제공하는 실시예 7 내지 실시예 10 및 비교예 2에 대해서 측정된 평균 결정립 크기와 표면 경도의 측정값을 나타낸 것이다.
평균 결정립 크기(㎛) 표면 경도(GPa)
비교예 2 6.1 2.64
실시예 7 11.2 15.36
실시예 8 11.6 16.31
실시예 9 17.5 16.11
실시예 10 20.1 16.78
표 4에 제시된 측정값 결과를 통해 평균 결정립 크기가 일정 수준 이상으로 증가하게 되면 표면 경도 값이 크게 상승하는 구간이 존재하는 것을 확인할 수 있다.

Claims (10)

  1. 모재를 준비하는 단계; 및
    상기 모재의 표면에 1600 ℃ 내지 2500 ℃의 온도에서 TaC 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는,
    불순물 함량이 적은 TaC 재료의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 TaC 코팅층을 형성하는 단계는,
    상기 모재 상에 CVD 방식으로 Ta 전구체 및 C 전구체를, 각각 또는 혼합하여, 분사하여 수행되는 것인,
    불순물 함량이 적은 TaC 재료의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 Ta 전구체 및 C 전구체는 기상 또는 고상인 것인,
    불순물 함량이 적은 TaC 재료의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 모재를 준비하는 단계는,
    열팽창계수가 4.0×10-6/℃ 내지 7.0×10-6/℃ 인 모재를 준비하는 것인,
    불순물 함량이 적은 TaC 재료의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 모재를 준비하는 단계는,
    다공성 구조의 모재를 준비하는 것이고,
    상기 TaC 코팅층을 형성하는 단계는,
    상기 모재 표면의 기공 내에 TaC가 침투되어, 상기 모재의 표면 내측에 TaC 침투 영역을 형성하는 것인,
    불순물 함량이 적은 TaC 재료의 제조방법.
  6. 모재 및 TaC 코팅층을 포함하고,
    상기 TaC 코팅층은 Ta 및 C를 제외한 다른 성분을 1200 ppm 이하로 포함하는,
    TaC 재료.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 TaC 재료는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 것인,
    TaC 재료.
  8. 제6항에 있어서,
    원소 주기율표의 4족, 5족 및 6족에 해당하는 전이금속과 Cl 불순물 원소들의 농도의 합은 1 ppm 내지 1000 ppm 인 것인,
    TaC 재료.
  9. 제6항에 있어서,
    원소 주기율표의 4족, 5족 및 6족에 해당하지 않는 불순물 원소들의 농도의 합은 1 ppm 내지 7 ppm 인 것인,
    TaC 재료.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 TaC 재료의 표면 경도는, 15 GPa 이상인,
    TaC 재료.
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