KR920002708B1 - TiN의 플라즈마 화학증착방법 - Google Patents

TiN의 플라즈마 화학증착방법 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

TiN의 플라즈마 화학증착방법
제1도는 본 발명 방법에 사용되는 플라즈마 화학증착장치의 일예를 보인 개략도.
제2도는 제1도의 반응로에 대한 확대도.
제3도는 본 발명에 의해 제조된 제품의 TiN 코팅층(A)과 일반적인 화학증착법에 의해 제조된 제품의 TiN 코팅층(B)을 비교하여 보인 주사전자 현미경사진.
본 발명은 각종 절삭공구의 수명과 절삭특성을 개선하기 위하여 그 표면에 보호피막으로서 TiN을 코팅하는 방법에 관한 것으로, 특히 TiN의 플라즈마 화학증착을 통하여 공구자체의 기계적 성질을 변화시킴이 없이 비교적 저온에서 공구의 표면에 TiN 박막을 증착시키기 위한 TiN의 플라즈마 화학증착방법에 관한 것이다.
최근, 절삭가공기술이 고속도화 및 고정밀화됨에 따라 이에 상응하는 우수한 내마모성, 인성, 고온안정성 및 내구성을 갖는 절삭공구가 요구되고 있다.
그런데, 이와같은 성질들을 단일재료의 형태로서 얻기에는 그 한계가 있기 때문에 단일재료로 이루어진 모재의 표면에 모재와는 별도 재질의 내마모성 보호피막을 코팅하여 위의 성질을 부여하는 여러형태의 공구코팅방법이 개발되고 있다.
이같은 코팅방법의 일예로 화학증착법을 통하여 초경합금공구와 세라믹공구의 표면에 TiN을 코팅하는 방법이 널리 사용되고 있으나, 화학증착법에 의한 TiN 박막의 형성을 위해서는 1000℃ 이상의 높은 반응 온도가 요구되기 때문에 1000℃ 이상의 고온에서 열적열화되는 재질로 이루어진 공구에 대해서는 사용할 수가 없다는 문제점이 있다.
특히, 초경합금공구에 비해 그 종류가 다양하고 많은 물량을 차지하고 있는 고속도강 및 고합금강등으로 이루어진 강재공구에 있어서는, 이러한 공구강에 TiN 보호피막 형성을 위하여 1000℃ 이상으로 가열하는 경우에는 모재가 상변태를 일으켜 조직변화 및 이에 따른 기계적성질 저하가 초래되는 한편으로 본래의 치수가 변화되는 문제점이 있어 화학증착법을 통한 강제공구강의 TiN 코팅은 불가능한 것으로 알려져 있다.
한편, 상기 고온반응을 필요로 하는 화학증착법 이외의 방법으로 증착온도 500℃ 이하의 비교적 저온에서 TiN 코팅이 가능한 물리증착법(physical vapor deposition)이 알려져 있으며, 현재 물리증착법을 이용하여 강재공구의 표면에 TiN 박막을 코팅한 각종 제품이 생산되고 있으나, 이러한 물리증착법은 화학증착법에 비해 대량생산에 어려움이 있으며 또한 복잡한 형상의 공구에는 균일한 두께로 TiN을 코팅하는데 어려움이 따른다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 종래의 일반적인 화학증착법이 안고 있는 문제점을 감안하여 증착반응온도를 낮추기 위한 방편으로 강재공구의 TiN 코팅시 플라즈마를 부에너지원으로 사용하여 증착반응물을 활성화시킴으로써 대략 500℃의 온도에서 TiN의 증착이 가능하도록 한 TiN의 플라즈마 화학증착방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 공구의 제조과정중 한 공정인 템퍼링(Tempering)과정을 TiN 코팅과정으로 대체함으로써 코팅후에 재열처리공정을 배제한 TiN의 플라즈마 화학증착방법에 있다.
일반적으로 강제공구의 제조시에는 일단 경화되지 않은 풀림상태에서 소정형태로 가공한 후 소입열처리를 통하여 경화시키고, 이후 템퍼링열처리를 행하여 소입열처리에 의한 응력제거 및 석출등에 의한 2차경화를 유발하여 사용하게 된다.
이같은 강재공구 제조공정에 있어 행해지는 템퍼링열처리 온도는 약 500℃ 정도로서, 이 템퍼링온도는 본 발명의 플라즈마 화학증착온도와 대략 동일한 범주의 온도범위에 속하기 때문에 본 발명에 의하면 공구의 템퍼링열처리 과정을 TiN 코팅과정과 병행할 수 있다는 장점이 있다.
이와같은 본 발명 방법을 첨부도면을 통하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
제1도는 본 발명 방법을 수행하는데 사용되는 증착장치의 일예를 개략적으로 도시한 구조설명도로서, 도시된 바와 증착장치는 크게 가스공급계, 증착반응로, 진공계 및 R.F 발생기(Radio Frequency Generator)로 이루어진다.
먼저, 가스공급계는 N2, H2및 Ar등의 가스를 반응로 내부로 공급하기 위한 것으로 가스실린더(도면 미도시)와 상기 각 개스의 유로에 설치되어 반응기체의 유량을 조절하는 밸브(1) 및 유량조절기(2)와 상온에서 액체상태인로부터 TiCl4로부터 TiCl4기체를 얻기위한 TiCl4버블리(bubbler)(3)로 구성된다.
유량조절기(2)를 통과한 기체는 기체혼합실(4)을 거쳐 반응로(5)내부로 유입되는데, 이때 사용되는 H2, N2및 Ar은 모두 99.999%이며, 이들중에서 Ar은 반응로(5)를 세척해 내기위한 퍼징(purging)과 플라즈마의 안정화를 위하여 사용되며 나머지 H2및 N2는 증착반응에 참여하게 된다.
한편 TiCl4기체는 Ar 기체를 운반기체로 하여 TiCl4용액에서 버블링(bubbling)시킴으로써 얻어지는데, 이때 TiCl4용액의 온도는 0℃, 버블러(3)의 압력은 50Torr로 유지되며 유입되는 Ar 기체의 유량을 조절하여 유입되는 TiCl4의 양이 조절되도록 구성된다.
다음, 진공계는 반응로(5)내부에서 TiN 코팅진행중 많은 양의 기체흐름에도 저압을 유지시켜 주기위한 부스터(booster)진공펌프(6)와 로터리진공펌프(7)로 이루어지는데, TiN 코팅진행중의 증착반응로(5)의 압력은 피라니(pirani) 진공압력계로 측정하여 부스터진공펌프(6)전방에 구비된 보조기체관으로 유입되는 N2기체의 유량조절을 통하여 조절된다.
그리고, 플라즈마 발생을 위하여 사용되는 R.F 발생기(8)의 전방에는 RF 파워의 분산효율(dissipation efficiency)를 높이기 위하여 반응로(5)와의 사이에 매칭네트웍(matching network)(9)이 설치된다.
마지막으로, 본 발명의 TiN 코팅을 위한 플라즈마 화학장치의 가장 중요한 구성으로서 증착반응이 실제로 행해지는 반응로(5)는 플래너커패시티브(planar capacitive)형의 플라즈마 화학증착로로서 그 구체적인 구성은 제2도에 도시된 바와 같다.
이같은 반응로(5)는 그 상부덮개의 중앙부를 관통하여 외부로는 매칭네트웍(9)과 결합되고 내부로는 그 하단부에 캐소드(10)가 결합된 RF 파워커넥터(11)가 설치되며 캐소드(10)의 아래쪽으로는 내부에 열선(12)을 갖는 애노드(13)가 위치하며, 그 애노드(13)의 상면으로는 피증착물(14)이 놓이며 중앙으로는 반응로(5) 하부의 혼합가스유입구(15)로부터 유입된 기체를 진공계로 배출하기 위한 배기관(16)이 형성되며, 그 양측편 하부로는 전선(17) 및 열전대(18)가 구비되고, 반응로(5)의 일측면상에는 내부의 증착상태 관찰을 위한 투시창(19)이 형성되어 있다.
이와같이 구성된 반응로(5)는 RF 파워가 인가되는 캐소드(10)의 경우 직경 150mm의 스테인레스강으로 이루어지며, 전기적으로 접지상태에 있는 애노드(13)는 1kW 용량의 열판(Hot Plate)이 사용되는데 애노드(13)상에 위치하는 피증착물(14)은 열판으로부터 전도되는 열에 의하여 증착온도에 이르기까지 가열되도록 구성되어 있다.
그리고, RF 파워의 절연을 위하여 증착반응로(5)의 상부덮개는 강화유리로 제작되며, 열판은 칸탈(kantal)열선을 발열체로 한 황동주물히터로서 탈아연현상을 방지하기 위하여 표면은 Ni로 도금한 것을 사용한다.
반응로(5)하부의 기체혼합실(4)에서 혼합된 TiCl4기체와 N2, H2및 Ar 기체는 반응로(5)하부에 형성된 네곳의 혼합가스유입구(15)를 통해 반응로(5)내부로 유입되어 애노드(13)중심부의 배기관(16)을 통하여 진공계를 향해 배출된다.
이상과 같은 본 발명의 플라즈마 화학증착장치를 사용하여 공구의 표면에 TiN의 보호피막을 형성하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 클리닝(cleaning)처리를 행한 절삭공구강 모재를 반응로 내부의 애노드상에 올려놓은 다음 반응로 내부로 Ar 가스를 유입시켜 노내를 충분히 퍼징(purging)하여 잔류외부가스를 완전히 제거하고, 이어서 확산펌프로 반응관내를 청결히 한 연후에 반응가스를 유입시켜 가면서 증착반응온도에 이르기까지 증착 모재를 서서히 가열한다.
다음, 증착반응온도에 도달하게 되면 RF 발생기를 작동시켜 플라즈마를 발생시키고 Ar+H2플라즈마 상태에서 글로우방전클리닝을 수분간 행한 후 TiCl4를 유입시켜 증착을 시작하고, 증착반응이 종료하게 되면 수분간 플라즈마 상태를 유지한 가운데 후처리를 행하고 RF 파워의 공급을 중단시키며, 반응로를 진공상태로 하여서 서냉을 행함으로써 본 발명에 의한 TiN 보호피막이 코팅된 절삭공구가 얻어지게 된다.
이와 같은 플라즈마 화학증착시 각 반응조건과 각 반응조건의 수치한정 이유는 다음과 같다.
○ 증착온도 : 450℃-530℃
플라즈마 화학증착은 기존의 화학증착법에 비해 증착온도를 낮춘다는 장점을 가지고 있는데 본 발명의 TiN 증착에서는 450℃ 이하에서는 증착층이 불량하여 거의 결정성을 가지지 못하며 공기에 노출시킬 경우 심한 부식상태를 나타내었기 때문에 그 하한치를 450℃로 하였고, 530℃ 온도의 상한치를 설정한 이유는 피증착시편인 SKH9등의 고속도강들의 연화온도(softening temperature)가 약 550℃ 정도이므로 이보다 낮은 온도를 택했으며 실제로 530℃ 이상에서는 거의 불순물이 존재하지 않는 양질의 TiN 증착층을 얻었다.
○ 증착압력 : 2-3Torr
본 발명의 TiN 증착에서는 총 반응기체 유입량을 200sccm(standard cubic centimeter per minute)로 하였기 때문에 이정도의 반응기체양에서 가해진 R.F. 파워가 안정한 플라즈마를 형성하기 위한 2-3Torr을 증착압력으로 설정하였다.
○ R.F. 파워밀도 : 2.83-3.5×10-2W/㎤
본 발명의 TiN 증착에서 사용된 비교적 작은 R.F. 파워밀도는 R.F. 파워가 클 경우 불순물은 감소하나 오히려 미소경도, 모재와의 접착력등과 같은 기계적 특성이 감소하게 된다. 따라서 우수한 TiN 증착층을 얻기위해 낮은 R.F. 파워밀도를 설정하였다.
○ 기체입력분율 : TiCl40.01-0.012, N20.20-0.25, H 0.35-0.50, Ar 0.24-0.39
TiN 증착층은 화학양론(stoichiometry)이 Ti와 N이 1 대 1인 조성의 TiN 증착층에서 가장 우수한 기계적 특성을 나타낸다고 보고하고 있다. 증착실험의 결과 위의 기체입력분율을 가질 경우 거의 Ti와 N이 1 대 1인 조성을 가짐을 알 수 있었다. 또한 플라즈마를 안정화시키는 Ar 기체는 총 반응기체 유입량인 200sccm에 대해 실제반응에 참여하는 기체들을 뺀 분율이다.
본 발명의 플라즈마 화학증착방법에 의하여 얻어지는 TiN 코팅층은 금빛을 띠며 비커스 경도값은 1900-2000㎏/㎟을 나타낸다.
또한, 증착층내에 잔류하는 염소(chlorine)양을 에너지분산분광법(Energy Dispersive Spectroscopy)에 의한 분석결과 3% 이하인 양질의 증착층임이 확인되었다.
본 발명의 실시예는 다음과 같다.
[실시예]
증착용 기판으로 고속도강 SKH9 재질을 사용하여 아래의 표 1에서와 같은 증착조건하에서 플라즈마 화학증착을 행하였다. 아래의 표 1에서 비교예 1은 일반적인 화학증착법에 의해 TiN을 코팅한 경우이고, 비교예 2는 물리증착법으로 TiN을 코팅한 경우이다.
[표 1]
Figure kpo00001
위의 표 1에서와 같이, 본 발명의 플라즈마 화학증착방법에 의하면 일반적인 화학증착법의 증착온도인 1000℃에 비해 훨씬 낮은 온도인 약 500℃ 부근의 증착 온도에서 화학증착법에 의해 코팅된 TiN 층의 경도값과 대략 동일한 경도값을 나타내는 TiN 층을 증착시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 플라즈마 화학증착방법은 그 증착압력이 3Torr로서 물리증착법의 10-3Torr 및 일반적인 화학증착법의 대기압에 비해 중간의 증착압력을 나타낸다.
3Torr 정도의 증착압력일 때에는 기체의 확산계수가 대기압에 비해 크며, 기체원자의 평균자유행로(mean free path)는 물리증착법의 10-3Torr에서의 50㎜에 비해 본 발명의 3Torr에서는 수 10㎛인 바, 이와 같은 사실로부터 본 발명의 플라즈마 화학증착법을 통해 복잡한 형상의 공구에 균일한 두께로 TiN을 코팅할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 제3도는 본 발명 방법에 의해 제조된 TiN 코팅층과 위의 표 1에 나타난 비교예 1의 일반적인 화학증착법으로 코팅한 TiN 층에 대한 주사전자 현미경사진으로서, 이 비교사진을 통하여 본 발명에 의한 TiN 코팅층이 일반적인 화학증착법을 통해 얻어진 TiN 코팅층에 비해 평활한 표면을 나타냄은 물론 조직도 치밀함을 알 수 있다.
한편, 실시예 3의 증착조건으로 Co계 고속도강 SKH55 재질의 스파이럴베벨기어커터의 표면에 TiN 보호피막을 3㎛의 두께로 증착시켜 절삭시험을 행하였다.
상기 기어커터는 28개를 1조로하여 툴헤드(Tool Head)에 장착하여 사용하는 공구로서 절삭조건은 다음과 같다.
절삭속도 : 28.7m/min
이송 : 1.407㎜/rev
총절삭깊이 : 9㎜
단속절삭(Interrupted Cutting)조건
파삭재 재질 : SCM4OH(HB=143-217㎏/㎟)
아래의 표 2는 위의 절삭시험 결과로서 커터 28개 1조당 가공할 수 있는 기어의 수를 나타낸다.
[표 2]
Figure kpo00002
* : 본 발명에 의한 플라즈마 화학증착법에 의해 TiN이 코팅된 기어커터
* * : 물리증착법으로 TiN이 코팅된 기어커터
위의 표 2에서와 같이 본 발명의 플라즈마 화학증착법을 이용하여 TiN을 코팅한 기어커터는 아무런 코팅을 하지않은 기어커터에 비해 1.5배의 수명증가를 보이고, 물리증착법으로 TiN이 증착된 기어커터는 본 발명기어와 거의 동일한 수명증가를 나타냄을 알 수 있다.

Claims (1)

  1. TiCl4, N2를 반응기체로 사용하고 Ar 기체를 운반기체로 하여 이들 기체를 반응로 내부로 공급하고 RF 파워에 의한 글로우방전으로 피증착물의 표면에 TiN 보호피막을 형성시키는 방법에 있어서, 내부에 열선이 매입됨과 아울러 일측에 열전대가 설치된 애노드의 상면에 피증착물을 위치시킨 상태에서 증착온도 450-530℃, TiCl4/N2=1/20-1/25, 증착압력 2-3Torr의 증착조건으로 TiN의 플라즈마 화학증착방법.
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