KR20230065436A - 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막의 제조방법 및 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막 - Google Patents
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Abstract
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 합금 타겟 분말의 결정화 제어를 통해 나노 크기의 결정립 크기를 갖는 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막 제조방법 및 이에 따라 제조된 합금막을 제공하는 것이다. 본 발명은 고엔트로피 합금을 분말화하여 분말 타겟을 제조하는 단계; 및 상기 분말 타겟을 기판 상에 스퍼터링하여 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막의 제조방법이다.
Description
본 발명은 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막의 제조방법 및 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막에 관한 것이다.
기존 마그네트론 스퍼터링에 사용되는 하이엔트로피 분말 타겟은 각 원소의 분말을 비율에 맞게 배합하여 제작된 분말 타겟을 사용한다. 분말 타겟을 사용하는 마그네트론 스퍼터링의 경우, 높은 기계적 물성의 박막을 증착하기 위해 높은 인가 전력 조건이 요구되는데, 이때 발생하는 전자의 충돌에 의한 기판 및 박막 표면 온도의 상승에 의해 정확한 입자의 크기 제어가 불가능하며, 입자 크기 미세화에 한계성을 지니는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 합금 타겟 분말의 결정화 제어를 통해 나노 크기의 결정립 크기를 갖는 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막 제조방법 및 이에 따라 제조된 합금막을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예는 고엔트로피 합금을 분말화하여 분말 타겟을 제조하는 단계; 및 상기 분말 타겟을 기판 상에 스퍼터링하여 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막의 제조방법이다.
상기 고엔트로피 합금은 Al(알루미늄), Cr(크롬), Fe(철), Ni(니켈), Co(코발트), Ti(티타늄), Mo(망간), Y(이트륨), Ta(탄달륨), V(바나듐) 및 W(텅스텐)으로 이루어진 군에서 선택된 4종 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 고엔트로피 합금은 Al, Cr, Fe 및 Ni로 이루어지고, 상기 Al, Cr, Fe 및 Ni의 함량은 5~35 원자%일 수 있다.
상기 분말화는 아토마이징법에 의해 수행될 수 있다.
상기 기판은 스퍼터링 시 온도가 150~450℃일 수 있다.
상기 나노 결정질은 BCC 및 B2 상으로 이루어질 수 있다.
상기 나노 결정질은 크기가 20nm 이하인 결정립이 균일하게 분포될 수 있다.
상기 합금막의 비커스 경도(HV)는 1100 이상이고, 경도(Gpa)는 12Gpa 이상이고, 탄성계수(GPa)는 170 GPa이상일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 비정질과 나노 결정질을 포함하고, 상기 나노 결정질은 크기가 20nm 이하인 결정립이 균일하게 분포된 것인, 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막이다.
상기 비정질 및 나노 결정질은, Al(알루미늄), Cr(크롬), Fe(철), Ni(니켈), Co(코발트), Ti(티타늄), Mo(망간), Y(이트륨), Ta(탄달륨), V(바나듐) 및 W(텅스텐)으로 이루어진 군에서 선택된 4종 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 비정질 및 나노 결정질은 Al(알루미늄), Cr(크롬), Fe(철) 및 Ni(니켈)로 이루어지고, 상기 Al, Cr, Fe 및 Ni의 함량은 5~35 원자%일 수 있다.
상기 나노 결정질은 BCC 및 B2 상으로 이루어질 수 있다.
본 발명은 Al(알루미늄), Cr(크롬), Fe(철) 및 Ni(니켈) 분말 타겟이 아닌, 고엔트로피 합금(AlCrFeNi) 분말 타겟을 사용하고, 합금 분말 타겟이 스퍼터링되는 기판의 온도를 제어함으로써, 20nm 이하의 결정립 크기를 가지는 비정질 및 나노 결정질 합금막을 제조하고, 이에 따라 합금막의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
도 1(a)는 고엔트로피 분말 타겟과, 고엔트로피 합금 분말을 나타낸 도면이고, 도 1(b)는 기판 상에 증착된 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막의 HRTEM(High-resolution transmission electron microscopy) 사진이다.
도 2는 본 발명의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 3a는 기판의 온도가 25℃인 경우에 증착된 비정질 박막의 TEM(transmission electron microscopy)이고, 도 3b는 기판의 온도가 200℃인 경우에 증착된 비정질 및 나노결정질을 포함하는 박막의 TEM(transmission electron microscopy)이다.
도 4은 고엔트로피 합금 분말 타겟을 이용하여 제조된 합금막인 실시예 1 내지의 5의 XRD 결과이다.
도 5는 일반 분말 타겟을 이용하여 제조된 합금막인 비교예 1 내지 3의 XRD 결과이다.
도 2는 본 발명의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 3a는 기판의 온도가 25℃인 경우에 증착된 비정질 박막의 TEM(transmission electron microscopy)이고, 도 3b는 기판의 온도가 200℃인 경우에 증착된 비정질 및 나노결정질을 포함하는 박막의 TEM(transmission electron microscopy)이다.
도 4은 고엔트로피 합금 분말 타겟을 이용하여 제조된 합금막인 실시예 1 내지의 5의 XRD 결과이다.
도 5는 일반 분말 타겟을 이용하여 제조된 합금막인 비교예 1 내지 3의 XRD 결과이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1(a)는 고엔트로피 분말 타겟과, 고엔트로피 합금 분말을 나타낸 도면이고, 도 1(b)는 기판 상에 증착된 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막의 HRTEM(High-resolution transmission electron microscopy) 사진이다.
본 발명자들은 Al, Cr, Fe 및 Ni 분말을 타겟으로 사용하는 경우와 달리 도 1(b)와 같이, 고엔트로피 합금(AlCrFeNi) 분말 타겟을 사용하고, 합금 분말 타겟이 스퍼터링되는 기판의 온도를 제어함으로써, 20nm 이하의 결정립 크기를 가지는 비정질 및 나노 결정질 합금막이 제조되고, 이에 따라 합금막의 기계적 물성이 증가된다는 것을 확인하고, 본 발명에 이르게 되었다.
이하 본 발명을 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명은 고엔트로피 합금을 분말화하여 분말 타겟을 제조하는 단계; 및 상기 분말 타겟을 기판 상에 스퍼터링하여 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막의 제조방법이다.
상기 고엔트로피 합금을 분말화하여 분말 타겟을 제조하는 단계에서, 상기 고엔트로피 합금은 Al(알루미늄), Cr(크롬), Fe(철), Ni(니켈), Co(코발트), Ti(티타늄), Mo(망간), Y(이트륨), Ta(탄달륨), V(바나듐) 및 W(텅스텐)으로 이루어진 군에서 선택된 4종 이상으로 이루어질 수 있고, 각 원자의 함량은 각각 5~35 원자%일 수 있다.
예컨대, AlCrFeNi, AlCrCoFeNi, AlCrFeNiTi, AlCrFeNiMo, AlCrFeNiMoY, MoNbTaVW일 수 있다.
바람직하게는 상기 고엔트로피 합금을 분말화하여 분말 타겟을 제조하는 단계에서, 상기 고엔트로피 합금은 Al, Cr, Fe 및 Ni로 이루어진 AlCrFeNi일 수 있으며, 상기 Al, Cr, Fe 및 Ni의 함량은 각각 5~35 원자%일 수 있고, 바람직하게는 각각 15~30 원자%일 수 있고, 더욱 바람직하게는 원자%가 동일할 수 있다.
상기 Al, Cr, Fe 또는 Ni의 함량이 5 원자% 미만이거나, 35 원자%를 초과하면, 합금막의 기계적 물성의 향상 정도가 저조거나, 나노 결정질에 균일하게 분포된 결정립의 크기가 20nm를 초과할 수 있다.
본 발명에서 상기 분말화는 아토마이징법에 의해 수행될 수 있으며, 구체적으로 Al, Cr, Fe 및 Ni로 이루어진 고엔트로피 합금을 제조한 후, 상기 고엔트로피 합금을 융해시켜 금속 융해물을 제조한 후, 융해물을 분출시키면서 아르곤 가스 등과 같은 불활성 가스를 상기 분출된 융해물에 분무함으로써 상기 금속 융해물을 급냉시켜 고엔트로피 합금 분말을 형성할 수 있다.
본 발명에서 제조된 합금 분말은 구형일 수 있으며, 평균 입도는 100~120㎛일 수 있다. 상기 분말의 평균 입도가 상기 범위 이내인 경우, 합금막의 형성이 용이할 수 있다.
상기 분말 타겟을 기판 상에 스퍼터링하여 비정질 합금막을 형성하는 단계에서, 상기 스퍼터링은 마그네트론 스퍼터링일 수 있다.
상기 마그네트론 스퍼터링은, 스퍼터링 장치 내부로 고엔트로피 합금 분말 타겟과 반응성이 있는 가스를 도입하지 않고 불활성 가스, 예를 들어 Ar과 같은 가스를 1~40sccm 주입하고, 100~500W 범위의 인가 전력을 공급하고, 공정 중 챔버압력은 1~20mTorr을 유지하면서 수행될 수 있으며, 상기 마그네트론 스퍼터링을 통한 증착 시간은 0.1~2시간일 수 있다.
상기와 같은 실시 조건 내에서 분말 타겟을 용이하게 기판 상에 증착하여 합금막을 형성할 수 있으며, 형성된 합금막의 두께는 0.1~2㎛일 수 있다.
도 3a는 기판의 온도가 25℃인 경우에 증착된 비정질 박막의 TEM(transmission electron microscopy)이고, 도 3b는 기판의 온도가 200℃인 경우에 증착된 비정질 및 나노결정질을 포함하는 박막의 TEM(transmission electron microscopy)이다.
도 3을 참조하면, 본 발명은 스퍼터링 시 기판의 온도를 제어함으로써, 비정질 및 나노 결정질을 모두 포함하는 박막을 제조할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에서 상기 고엔트로피 분말 합금 타겟이 증착되는 기판은, 상기 스퍼터링 시 온도가 150~450℃일 수 있으며, 바람직하게는 200~400℃일 수 있고, 상기 범위에서 증착됨으로써, 비정질 및 나노 결정질을 모두 포함할 수 있다.
상기 스퍼터링 시 기판의 온도가, 150℃ 미만이면, 비정질 박막만 형성되어, 박막의 강도가 저하될 수 있으며, 450℃를 초과하면, 나노 결정질 박막이 형성되나, 결정립의 크기가 20nm를 초과하게 되고, 이에 따라 박막의 경도가 저하될 수 있다.
또한, 상기 나노 결정질은 BCC 및 B2 상으로 이루어질 수 있다. 상기 BCC 상은 정육면체의 꼭짓점과가운데에 입자가 배위되어 있는 공간 구조인 체심입방격자(Body Centered Cubic, BCC)로서, 본 발명에서 상기 BCC 상은 disordered BCC 상일 수 있다. 또한, 상기 B2 상은 CsCl 타입으로, ordered BCC 상일 수 있으며, BCC상에서 B2상의 변환은 Al 원자가 disordered BCC 상에서 중심 위치를 우선적으로 차지할 때 이루어질 수 있다.
본 발명에서 상기 나노 결정질은 크기가 20nm 이하인 결정립이 균일하게 분포된 것일 수 있으며, 바람직하게는 크기가 10nm 이하인 결정립이 균일하게 분포된 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는 크기가 8nm 이하인 결정립이 균일하게 분포된 것일 수 있으며, 가장 바람직하게는 크기가 1~8nm인 결정립이 균일하게 분포된 것일 수 있다. 상기 결정립의 크기가 20nm를 초과하면, 결정 크기 증가로 인해 합금막의 경도가 저하될 수 있다.
본 발명의 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막은, Al(알루미늄), Cr(크롬), Fe(철) 및 Ni(니켈) 분말 타겟이 아닌, 고엔트로피 합금(AlCrFeNi) 분말 타겟을 사용하고, 합금 분말 타겟이 스퍼터링되는 기판의 온도를 제어함으로써, 20nm 이하의 결정립 크기를 가지는 비정질 및 나노 결정질 합금막을 제조함으로써, 합금막의 기계적 물성이, Al(알루미늄), Cr(크롬), Fe(철) 및 Ni(니켈) 분말 타겟을 사용하는 경우보다 향상될 수 있으며, 구체적으로, 합금막의 비커스 경도(HV)는 1100 이상일 수 있으며, 바람직하게는 1150~1300일 수 있다.
또한, 본 발명의 합금막의 경도(Gpa) 및 탄성계수(GPa)는 12Gpa 이상 및 170 GPa이상일 수 있으며, 바람직하게는 12~14 Gpa 및 170~180 Gpa일 수 있다. 상기 경도 및 탄성계수 값이 12Gpa 및 160 Gpa 미만이면, 외부 압력이 가해질 시 수축 및 파괴가 발생할 수 있으며, 14Gpa 및 180 Gpa를 초과하면 경직성으로 인하여 막 표면에 크랙이 발생할 수 있어, 상기 범위가 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예는 비정질과 나노 결정질을 포함하고, 상기 비정질과 나노 결정질은 Al, Cr, Fe 및 Ni로 이루어지고, 상기 나노 결정질은 크기가 20nm 이하인 결정립이 균일하게 분포된 것인, 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막이다.
상기 Al, Cr, Fe 및 Ni의 함량은 각각 5~35 원자%일 수 있고, 바람직하게는 각각 15~30 원자%일 수 있고, 더욱 바람직하게는 원자%가 동일할 수 있다. 상기 Al, Cr, Fe 또는 Ni의 함량이 5 원자% 미만이거나, 35 원자%를 초과하면, 합금막의 기계적 물성의 향상 정도가 저조거나, 나노 결정질에 균일하게 분포된 결정립의 크기가 20nm를 초과할 수 있다.
본 발명에서 상기 나노 결정질은 크기가 20nm 이하인 결정립이 균일하게 분포된 것일 수 있으며, 바람직하게는 크기가 10nm 이하인 결정립이 균일하게 분포된 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는 크기가 8nm 이하인 결정립이 균일하게 분포된 것일 수 있으며, 가장 바람직하게는 크기가 1~8nm인 결정립이 균일하게 분포된 것일 수 있다. 사익 결정립의 크기가 20nm를 초과하면, 결정 크기 증가로 인해 합금막의 경도가 저하될 수 있다.
상기 나노 결정질은 BCC 및 B2 상으로 이루어질 수 있으며, 이에 대한 설명은 앞서 설명한 바와 동일하여 이하 생략한다.
본 발명의 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막은, Al(알루미늄), Cr(크롬), Fe(철) 및 Ni(니켈) 분말 타겟이 아닌, 고엔트로피 합금(AlCrFeNi) 분말 타겟을 사용하고, 합금 분말 타겟이 스퍼터링되는 기판의 온도를 제어함으로써, 20nm 이하의 결정립 크기를 가지는 비정질 및 나노 결정질 합금막을 제조함으로써, 합금막의 기계적 물성이, Al(알루미늄), Cr(크롬), Fe(철) 및 Ni(니켈) 분말 타겟을 사용하는 경우보다 향상될 수 있으며, 구체적으로, 합금막의 비커스 경도(HV)는 1100 이상일 수 있으며, 바람직하게는 1150~1300일 수 있다.
또한, 본 발명의 합금막의 경도(Gpa) 및 탄성계수(GPa)는 12Gpa 이상 및 170 GPa이상일 수 있으며, 바람직하게는 12~14 Gpa 및 170~180 Gpa일 수 있다. 상기 경도 및 탄성계수 값이 12Gpa 및 160 Gpa 미만이면, 외부 압력이 가해질 시 수축 및 파괴가 발생할 수 있으며, 14Gpa 및 180 Gpa를 초과하면 경직성으로 인하여 막 표면에 크랙이 발생할 수 있어, 상기 범위가 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 구체적인 실시예를 들어 설명한다.
실시예 1
먼저, 순도 99.9% 이상의 Al, Cr, Fe 및 Ni 금속을 준비한다. 이후, 각 금속을 25원자%로 혼합하여 아르곤(Ar)이 혼합된 가스 분위기에서 아크용해 후 흡입 주입 (suction casting)으로 제조하여 지름 3mm 및 길이 50mm인 합금을 제조하였다.
이후, 제조된 AlCrFeNi 합금을 아토마이징 법을 이용하여 합금 분말을 제조하였다. 상기 AlCrFeNi 합금을 용해시켜 금속 용해물을 제조한 후, 고압의 아르곤 가스 등의 불활성 기체를 분출된 금속 용해물에 분무함으로써, 급냉시켜 합금 분말을 제조하였으며, 이때 냉각속도는 약 103K/sec 이상이다. 제조된 고엔트로피 합금 분말은 구형으로 형성되었으며, 입도는 100~120㎛이다.
기판의 온도를 25℃(RT)로 조절한 후, 제조된 고엔트로피 합금 분말을 타겟으로 하여 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 1~2㎛ 두께의 합금막을 제조하였다. 이때, 상기 마그네트론 스퍼터링은 Ar 가스를 5sccm 주입하고, 300W의 인가 전력을 공급하고, 1시간 동안 증착하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 마그네트론 스퍼터링 되는 기판의 온도를 100℃로 조절한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 합금막을 제조하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 마그네트론 스퍼터링 되는 기판의 온도를 200℃로 조절한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 합금막을 제조하였다.
실시예 4
상기 실시예 1에서 마그네트론 스퍼터링 되는 기판의 온도를 300℃로 조절한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 합금막을 제조하였다.
실시예 5
상기 실시예 1에서 마그네트론 스퍼터링 되는 기판의 온도를 400℃로 조절한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 합금막을 제조하였다.
비교예 1
먼저, 순도 99.9% 이상의 Al, Cr, Fe 및 Ni 금속 분말을 준비한다. 이후, 각 금속을 25원자%로 혼합하여, 일반 분말을 제조한다.
기판의 온도를 25℃(RT)로 조절한 후, 제조된 일반 분말을 타겟으로 하여 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 1~2㎛ 두께의 합금막을 제조하였다. 이때, 상기 마그네트론 스퍼터링은 Ar 가스를 5sccm 주입하고, 300W의 인가 전력을 공급하고, 1시간 동안 증착하였다.
비교예 2
상기 비교예 1에서 마그네트론 스퍼터링 되는 기판의 온도를 100℃로 조절한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 합금막을 제조하였다.
비교예 3
상기 비교예 1에서 마그네트론 스퍼터링 되는 기판의 온도를 200℃로 조절한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 합금막을 제조하였다.
실험예 1
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 합금막의 결정립 크기 및 상의 종류를 하기와 같은 방법으로 측정하고 이에 대한 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
도 4은 고엔트로피 합금 분말 타겟을 이용하여 제조된 합금막인 실시예 1 내지의 5의 XRD 결과이고, 도 5는 일반 분말 타겟을 이용하여 제조된 합금막인 비교예 1 내지 3의 XRD 결과이다.
[측정방법]
결정립 크기 : X선 회절 분석(XRD)에서 우선성장 피크의 반치폭(FWHM)을 기준으로 쉘러식(Scherrer equation)을 사용하여 측정함
상기 반치폭은, X선 회절 분석에서 나타난 우선성장 피크의 반값 폭을 의미할 수 있으며, 쉘러 식 (Scherrer equation)은 하기 반응식 1로 표시되는 식을 의미함
[반응식 1]
Scherrer equation : 결정립 크기(nm) = 0.9 x ( λ/ ( B x cosθ))
λ는 X선 회절분석의 측정 파장이고, B는 우선성장 피크의 반치폭(rad)이며, θ는 우선성장 피크의 angle 값(rad)을 의미함
상의 종류 : X선 회절 분석(XRD) 결과를 토대로 투과전자현미경 (TEM: Transmission electron microscope) 분석을 진행함
| 구분 | 결정립 크기(nm) | 상의 종류 |
| 실시예 1 | - | 비정질 |
| 실시예 2 | - | 비정질 |
| 실시예 3 | 6.008 | BCC/B2 |
| 실시예 4 | 7.103 | BCC/B2 |
| 실시예 5 | 7.802 | BCC/B2 |
| 비교예 1 | 34.295 | BCC/B2 |
| 비교예 2 | 37.264 | BCC/B2 |
| 비교예 3 | 37.209 | BCC/B2 |
상기 본원발명의 표 1을 참조하면, 기판의 온도가 200~400℃인 실시예 3 내지 5의 경우, 결정립의 크기가 8nm 이하인 것을 확인할 수 있으며, 상의 종류가 BCC 및 B2 상을 모두 포함하고 있는 것을 확인할 수 있으나, 기판의 온도가 150℃ 이하인 실시예 1 및 2는 나노 결정질이 형성되지 않은 것을 확인할 수 있다.
한편, 고엔트로피 합금 분말이 아닌, 일반 분말을 사용한 경우인 비교예 1 내지 3은 BCC 및 B2 상을 모두 포함하고 있으나, 나노 결정질의 결정립 크기가, 34 내지 37nm로 실시예 3 내지 5 대비 매우 큰 것을 확인할 수 있다.
실험예 2
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 합금막의 경도(Hardness, HIT), 탄성계수(elastic modulus, EIT) 및 비커스 경도(HVIT)를 하기와 같은 방법으로 측정하고 이에 대한 결과를 하기 표 2에 기재하였다.
[측정방법]
경도, 탄성계수, 비커스 경도 : Nano-indentation을 통해 측정하였으며 기판의 영향을 피하기 위해 증착된 박막의 10% 두께를 Max depth로 설정하여 측정하였으며, 총 16회 시험 후 이의 평균값을 기재함
| 구분 | 경도(GPa) | 탄성계수(GPa) | 비커스 경도 (Vickers) |
| 실시예 1 | 10.98 | 170.63 | 1017.43 |
| 실시예 2 | 10.93 | 169.4 | 1012.50 |
| 실시예 3 | 12.72 | 172.11 | 1178.54 |
| 실시예 4 | 13.28 | 171.72 | 1225.06 |
| 실시예 5 | 13.73 | 180.81 | 1271.92 |
| 비교예 1 | 11.203 | 166.387 | 1037.571 |
| 비교예 2 | 11.134 | 198.752 | 1031.175 |
| 비교예 3 | 11.100 | 190.71 | 1027.987 |
상기 본원발명의 표 2를 참조하면, 기판의 온도가 200~400℃이고, 결정립의 크기가 8nm 이하인 실시예 3 내지 5의 경우, 경도가 12Gpa 이상, 탄성계수가 160~180 Gpa이고, 비커스 경도가 1178 이상이나, 기판의 온도가 150℃ 이하이고, 나노 결정질이 형성되지 않은 실시예 1 및 2는 경도 및 탄성계수가 11Gpa 이하이고, 비커스 경도가 1017 이하로, 실시예 3 내지 5보다 저조한 것을 확인할 수 있다.
한편, 고엔트로피 합금 분말이 아닌, 일반 분말을 사용하고, 나노 결정질의 결정립 크기가, 34 내지 37nm인 비교예 1 내지 3은 경도가 12 Gpa 이하이거나, 탄성계수가 190 Gpa 이상으로 매우 높고, 비커스 경도는 1027 내지 1037로 실시예 3 내지 5보다 낮은 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 상기 실험예를 참조하면, 고엔트로피 합금(AlCrFeNi) 분말 타겟을 사용하는 경우, Al, Cr, Fe 및 Ni 혼합 분말을 타겟으로 사용하는 경우보다 결정립의 크기가 작고, 이에 따라 탄성계수가 작고, 비커스 경도가 우수한 것을 확인할 수 있다.
또한, 고엔트로피 합금 분말 타겟이 스퍼터링되는 기판의 온도를 제어함으로써, 20nm 이하의 결정립 크기를 가지는 비정질 및 나노 결정질 합금막 제조되고, 이에 따라 합금막의 기계적 물성이 증가되는 것을 확인할 수 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (12)
- 고엔트로피 합금을 분말화하여 분말 타겟을 제조하는 단계; 및
상기 분말 타겟을 기판 상에 스퍼터링하여 박막을 형성하는 단계;
를 포함하는 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 고엔트로피 합금은 Al(알루미늄), Cr(크롬), Fe(철), Ni(니켈), Co(코발트), Ti(티타늄), Mo(망간), Y(이트륨), Ta(탄달륨), V(바나듐) 및 W(텅스텐)으로 이루어진 군에서 선택된 4종 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 고엔트로피 합금은 Al(알루미늄), Cr(크롬), Fe(철) 및 Ni(니켈)로 이루어지고,
상기 Al, Cr, Fe 및 Ni의 함량은 5~35 원자% 인 것을 특징으로 하는 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 분말화는 아토마이징법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 기판은 스퍼터링 시 온도가 150~450℃인 것을 특징으로 하는 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 나노 결정질은 BCC 및 B2 상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 나노 결정질은 크기가 20nm 이하인 결정립이 균일하게 분포된 것을 특징으로 하는 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 합금막의 비커스 경도(HV)는 1100 이상이고, 경도(Gpa)는 12Gpa 이상이고, 탄성계수(GPa)는 170 GPa이상인 것을 특징으로 하는 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막의 제조방법.
- 비정질과 나노 결정질을 포함하고,
상기 나노 결정질은 크기가 20nm 이하인 결정립이 균일하게 분포된 것인,
비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막.
- 제9항에 있어서,
상기 비정질 및 나노 결정질은,
Al(알루미늄), Cr(크롬), Fe(철), Ni(니켈), Co(코발트), Ti(티타늄), Mo(망간), Y(이트륨), Ta(탄달륨), V(바나듐) 및 W(텅스텐)으로 이루어진 군에서 선택된 4종 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막.
- 제9항에 있어서,
상기 비정질 및 나노 결정질은 Al(알루미늄), Cr(크롬), Fe(철) 및 Ni(니켈)로 이루어지고,
상기 Al, Cr, Fe 및 Ni의 함량은 5~35 원자% 인 것을 특징으로 하는 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막.
- 제9항에 있어서,
상기 나노 결정질은 BCC 및 B2 상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 비정질 및 나노 결정질을 포함하는 합금막.
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