취성 박막 코팅층은 금속재료나 고분자 재료의 수명 연장을 위한 보호층으로 사용되어져 왔다. 이러한 취성 박막 코팅층의 대표적인 재료는 TiN, TiCN, TiAlN, DLC 및 초격자(super lattice)를 이용한 나노 크기의 단위를 갖는 다층박막 등이 있다. 취성 박막 코팅의 성능을 최대로 구현하기 위해 가장 중요한 문제는 ...
취성 박막 코팅층은 금속재료나 고분자 재료의 수명 연장을 위한 보호층으로 사용되어져 왔다. 이러한 취성 박막 코팅층의 대표적인 재료는 TiN, TiCN, TiAlN, DLC 및 초격자(super lattice)를 이용한 나노 크기의 단위를 갖는 다층박막 등이 있다. 취성 박막 코팅의 성능을 최대로 구현하기 위해 가장 중요한 문제는 박막 자체의 특성 향상 뿐 아니라 무엇보다도 박막과 기판간의 우수한 접착력이다. 접착력 향상을 위해 기판 표면 개질, 플라즈마 밀도 조절, 잔류 응력 조절, 중간층 삽입등의 많은 연구들이 진행되어 왔다. 가장 오랫동안 그리고 가장 널리 응용 연구된 TiN을 본 연구의 취성 박막 코팅층으로 선택하였으며 3 종류의 세라믹 기판을 이용하여 증착하였다. TiN은 높은 탄성계수와 경도, 우수한 내마모, 내부식성등의 특성으로 인해 베어링이나 공구강 등의 산업용 재료의 보호층으로 오랜 기간 사용되어져 왔으며 최근에는 반도자 소자의 확산방지막, 산화방지막 및 다층 박막 코팅구조에서 계면 접착력을 향상시키는 중간층등의 기능성 코팅 재료 및 밝은 노란색 광택으로 인한 귀금속의 장식용품 코팅 재료로 많이 응용되고 왔다. 취성 박막층의 파괴 기구는 몇 가지 제안되고 있지만 아직까지 확정되지 않고 있다. 코팅층과 기판층 모두가 불투명한 특성으로 인해 계면에서 발생하는 초기 균열의 발생 및 전파 과정을 정확히 분석할 수 없기 때문이다. 본 연구는 최근 주목받고 있는 세라믹 기판 시스템에서 취성 박막 코팅층의 파괴 기구를 분석하고 취성 박막 코팅층의 접착력의 최적화를 통해 코팅된 Si_(3)N_(4)의 산업적 응용 가능성에 대한 연구를 수행하였다. Part Ⅰ. in-situ 관찰을 통한 TiN이 코팅된 사파이어의 파괴 기구 분석 사파이어 기판은 열적, 기계적 안정성 및 투명한 광학적 성질로 인해 SOI, 펨토레이저, VLSI, IC등의 기판 재료로 사용되어 왔다. TiN이 코팅된 사파이어는 TiN의 우수한 전기전도도 및 사파이어 기판의 열적 안정성으로 인해 고온용 디바이스의 전극재료로 연구되고 있으며, 또한 상업적으로 사용되는 TiN이 코팅된 금속재료의 계면에서의 파괴 기구 분석을 위한 모델 재료로 적합하다. TiN 코팅은 높은 이온화율과 치밀한 박막을 증착할 수 있는 PVD 이온 플레이팅 방법을 이용하여 (112 ̄0) 사파이어 기판 위에 증착하였다. 사파이어 기판은 거칠기 R_(a) = 0.003 ㎛로 조절하였으며 TCE등을 이용한 세정 단계를 거쳐 표면 이물질을 제거한 후 증착하였다. 선행 연구를 통해 공정변수를 최적화시켰으며 증착 시간을 일정하게 조절하여 TiN 두께를 700 nm로 유지시켰다. TiN은 SEM 단면 사진으로 분석한 결과 균일한 주상 (columnar) 구조를 이루고 있었다. TiN은 높은 결정성과 <111> 방향으로의 우선 배향성을 보였으며 주상구조와 우선 배향성은 FCC 구조를 갖는 TiN 박막의 성장시의 자유에너지를 최소로 하기 위한 것으로 분석된다. 나노 압입으로 증착된 TiN의 기계적 특성인 경도와 탄성계수를 측정한 결과, 각각 26.2±1.4 GPa 와 560±5.4GPa를 갖는 우수한 TiN 박막이 형성되었다. TiN과 기판 사이의 계면의 파괴의 시작점을 관찰하기 위해 스크래치 접착력 시험과 수직하중 인가 실험시의 in-situ 용 광학 장비를 설계 및 제작하여 TiN 박막의 파괴과정을 관찰하였다. 스크래치 시험은 표준적으로 사용하는 조건인 하중인가 속도 100N/min 과 시편 이동 속도 10 mm/min를 유지하였다. 하중을 일정속도로 증가 시키면서 TiN 박막이 기판과 분리되는 양상 및 하중의 크기를 관찰하였다. 스크래치 시험을 in-situ 과정으로 관찰한 결과, TiN이 코팅된 사파이어는 TiN 코팅층이 기판층에서 벗겨지는 임계하중(critical load, L_(c)) 직전에서 기판으로 사용된 사파이어 표면에서 직선 형태의 변형 쌍정 (deformation twin)이 발생하여 TiN과 사파이어의 계면을 분리시키는 것임을 관찰하였다. 한편, 수직하중 실험을 in-situ로 관찰한 결과, 스크래치 시험 결과와 유사하게 하중인가 도중에 임계 하중과 유사한 15 N에서 직선형의 쌍정이 발생하고 하중을 제거하는 과정에서 TiN 박막이 기판과 분리된다는 사실을 알아냈다. 사파이어 기판 표면에 발생하는 변형 쌍정은 나노 압입과 수직하중 실험을 통해 쌍정의 방향성과 사파이어의 결정면간의 관계를 계산하여 rhombohedral 쌍정과 basal 쌍정이 복합적으로 작용하는 것으로 분석되었다. 즉 TiN이 코팅된 사파이어는 하중 인가시에 생기는 사파이어 기판의 쌍정을 통한 소성 변형이 TiN 박막의 파괴를 야기함을 in-situ 관찰을 통하여 분석하였다. Part Ⅱ. TiN이 코팅된 유리의 구조적 안정성 평가 TiN이 코팅된 유리는 TiN이 빛을 반사할 때와 투과할 때 다른 색깔 보이는 특성을 이용하여 건축물의 외부 유리의 코팅재료로 이용되고 있으며, TiN의 우수한 적외선 파장 범위의 열 반사율을 이용한 자동차의 열 차단용 유리 및 태양전지로의 연구가 진행되고 있으며 사파이어와 같이 투명한 특성으로 인해 산업용으로 많이 사용된 TiN이 코팅된 금속의 파괴 기구 분석을 위한 모델 재료로 적합하다. 사파이어 기판에 비해 TiN 코팅층과 탄성 계수 불일치가 매우 큰 차이를 보인다. 동일하게 이온 플레이팅 방법으로 TiN을 증착하였으며 TiN의 증착 시간을 조절하여 1 ~ 5 ㎛ 두께를 범위를 갖는 TiN을 증착하였다. 스크래치 접착력 시험으로 얻은 접착강도는 TiN의 두께가 상대적으로 낮은 1, 2 ㎛의 경우 상대적으로 높은 (25 N 이상) 접착 강도를 보인 반면 두께가 3 ㎛ 이상에서는 낮은 (15 N 이하)의 접착 강도를 나타냈다. 이것은 증착과정에서 생긴 TiN 박막 자체의 균열로 인한 것으로, 일정 두께 이상에서는 TiN 입자 크기가 성장하여 입자 사이의 공극이 감소하면서 잔류응력이 증가하기 때문인 것으로 분석되었다. 접착력 시험과 수직하중 실험시의 모든 과정을 in-situ로 관찰한 결과, 하중을 제거하면서 유리 기판 표면에 발생하는 방사균열(radial cracking)이 TiN 코팅과 기판의 분리를 야기시키는 것임을 알아 냈다. 스크래치 시험과 수직 하중 실험이 유사한 결과가 나왔는데 이것은 수평방향으로의 하중이 수직 방향에 비해 상대적으로 작기 때문인 것으로 사료된다. 즉 스크래치 시험을 단순화시켜 고려함 시편 내의 한 지점에 대한 하중의 인가와 제거로 생각할 수 있고 따라서 접착력 시험이 수직하중 실험과 유사한 결과가 나온 것으로 분석된다. 한편, FEM전산 모사를 통해 반경 200 ㎛의 다이아몬드 콘으로 하중 인가시의 응력분포를 계산할 결과, 25 N 이상에서 유리 기판에 유리의 소성 변형을 야기시키는 7 GPa 이상의 전단응력이 인가되는 것을 확인하였다. 하중을 제거하는 과정에서 잔류응력이 완화되면서 비커스 압자와 같이 날카로운 표면을 갖는 경우처럼 방사균열이 발생하는 것으로 분석된다. TiN이 코팅된 유리에서 TiN 박막의 파괴도 TiN이 코팅된 사파이어와 유사하게 유리 기판의 소성 변형을 통한 방사균열인 것으로 관찰되었다. Part Ⅲ. Si_(3)N_(4) 미세구조가 TiN이 코팅된 Si_(3)N_(4)의 접착 강도에 미치는 영향 Si_(3)N_(4)는 고강도, 높은 탄성계수, 경도등의 우수한 특성으로 가스 터빈, 디젤 엔진, 베어링등의 분야에 응용되는 대표적 구조 세라믹스이다. 하지만 높은 마찰계수로 인해 마모가 심하게 발생하는 환경에서는 그 응용성에 제한을 받아왔다. 이러한 점을 극복하기 위해 낮은 마찰계수를 갖는 내마모 재료인 TiN을 표면에 증착하여 그 응용성에 대한 연구를 수행하였다. 기판의 소성 변형 정도가 TiN 박막과 기판간의 접착력을 좌우하여 TiN의 파괴를 결정하는 주요인이라는 모델 기판 재료에서 얻은 결론을 바탕으로 Si_(3)N_(4) 기판의 소성 변형 특성을 조절하기 위해 Si_(3)N_(4)의 미세구조를 제어하였으며 TiN 코팅된 Si_(3)N_(4)의 최적 접착 특성 구현을 위한 Si_(3)N_(4)의 미세구조를 분석하였다. Si_(3)N_(4) 기판은 초기 분말 입자의 크기와 상 분율 및 소결 온도를 조절하여 미세구조를 변화시켰다. 미세구조는 입자 크기, 비대칭으로 성장한 과대 입자들의 평균 장경비, 소결 후의 α 상과 β 상의 비율등을 정량적으로 측정하였다. 미세구조를 조절하여 동일한 화학 조성을 갖지만 다른 기계적 특성을 갖는 Si_(3)N_(4) 기판을 제조하였으며 기계적 특성은 파괴인성, 탄성계수, 경도등을 측정하여 다양한 미세구조가 기계적 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. Si_(3)N_(4) 입자는 입자크기 대비용으로 α 상이 95 %를 지닌 미세한 0.3 ㎛와 동일 상분율을 갖는 조대한 입자 1.0 ㎛를 이용하였다. 한편 α 상과 β 상의 분율 효과를 분석하기 위해 β 상이 95%를 지닌 3.0 ㎛ 입자등 3가지 다른 초기 입자를 이용하였고, Y_(2)O_(3), Al_(2)O_(3), MgO를 각각 5, 2, l wt% 소결 조제로 첨가하여 가압소결 방법으로 소결하였다. 소결 온도는 각각 1600, 1700, 1800℃로 변화시켜 미세구조를 제어하였다. 제조된 Si_(3)N_(4)의 기계적 특성 분석 결과, 파괴 인성은 4~6 PMa^(1/2) 범위의 값을 보였다. α 입자를 사용한 Si_(3)N_(4)는 소결 온도가 증가할수록 더 높은 파괴 인성을 보였으며 β 입자를 사용한 경우는 소결온도와 무관하게 일정한 값을 보였다. 한편, 탄성계수는 310 ~ 330 GPa를 범위를 나타냈으며 β 상이 증가할수록 점차 낮아지는 경향을 보였다. 조대한 α 상 입자로 소결한 Si_(3)N_(4)가 가장 높은 탄성계수를 보였으며 최대온도인 1800℃에서는 초기 분말이 β인 입자로 소결했을 때의 탄성계수인 310 GPa의 일정한 값에 이르렀다. 이러한 요인은 고온안정상인 β 분율이 온도가 증가하면서 점점 많아지고 α 상에 비해 상대적으로 강도가 약하고 탄성계수가 낮은 β 상이 고온에서 대부분 존재하기 때문인 것으로 분석된다. 또한 경도 역시 온도가 증가하면서 상대적으로 무른 β 상의 분율 증가로 경도가 감소하고 있으며 16 ~ 22 GPa 범위를 보였다. 소결 온도가 낮을수록 α 상의 비율이 높을수록 더 높은 경도를 나타냈다. Si_(3)N_(4)의 소성 거동 특성 분석을 위해 Hertzian 구형 압입 실험을 행하였다. 반경 1.98 mm의 WC 볼을 이용하여 하중 500 ~ 3500N을 l00N 간격으로 가하고 Si_(3)N_(4) 표면에 변형이 발생하는 하중(P_(y))과 표면에 원형 균열을 발생시키는 하중(P_(c))를 측정하여 외부 하중에 따른 Si_(3)N_(4)의 소성 특성을 측정하였다. TiN을 코팅한 후의 접착력 시험 결과, TiN이 코팅된 모든 Si_(3)N_(4)에서 80 N 이상의 매우 높은 접착 강도 특성을 보였으며 80 ~ 140 N의 접착 강도를 보였다. 상업적으로 사용되는 WC-Co 기판을 동일한 과정으로 TiN을 코팅하여 측정한 결과, 접착 강도가 85±5N을 나타내었다. 따라서, TiN이 코팅된 Si_(3)N_(4)의 산업적 응용 가능성이 높이 기대되며, 140 N의 가장 높은 접착강도를 보인 Si_(3)N_(4)는 가장 작은 입자 크기와 α 상이 많은 미세구조를 보였다. 또한 접착강도는 Si_(3)N_(4) 기판의 여러 기계적 특성 중에서 경도 및 소성 특성을 나타낸 P_(y) 값과 가장 유사한 경향성을 보였다. 이러한 결과는 Part Ⅲ, Ⅳ에서 얻은 기판의 소성 특성이 취성 박막 코팅층의 접착 강도에 큰 영향을 주는 것을 확증한다. 본 연구 결과를 바탕으로, TiN이 코팅된 Si_(3)N_(4)의 최적 접착 특성을 위해서는 경도 및 소성 특성이 우수한 Si_(3)N_(4) 기판이 요구되며 이를 위해 가장 적합한 Si_(3)N_(4)는 평균 입자 크기가 작고, α 상이 많은 미세구조임을 제시한다.
취성 박막 코팅층은 금속재료나 고분자 재료의 수명 연장을 위한 보호층으로 사용되어져 왔다. 이러한 취성 박막 코팅층의 대표적인 재료는 TiN, TiCN, TiAlN, DLC 및 초격자(super lattice)를 이용한 나노 크기의 단위를 갖는 다층박막 등이 있다. 취성 박막 코팅의 성능을 최대로 구현하기 위해 가장 중요한 문제는 박막 자체의 특성 향상 뿐 아니라 무엇보다도 박막과 기판간의 우수한 접착력이다. 접착력 향상을 위해 기판 표면 개질, 플라즈마 밀도 조절, 잔류 응력 조절, 중간층 삽입등의 많은 연구들이 진행되어 왔다. 가장 오랫동안 그리고 가장 널리 응용 연구된 TiN을 본 연구의 취성 박막 코팅층으로 선택하였으며 3 종류의 세라믹 기판을 이용하여 증착하였다. TiN은 높은 탄성계수와 경도, 우수한 내마모, 내부식성등의 특성으로 인해 베어링이나 공구강 등의 산업용 재료의 보호층으로 오랜 기간 사용되어져 왔으며 최근에는 반도자 소자의 확산방지막, 산화방지막 및 다층 박막 코팅구조에서 계면 접착력을 향상시키는 중간층등의 기능성 코팅 재료 및 밝은 노란색 광택으로 인한 귀금속의 장식용품 코팅 재료로 많이 응용되고 왔다. 취성 박막층의 파괴 기구는 몇 가지 제안되고 있지만 아직까지 확정되지 않고 있다. 코팅층과 기판층 모두가 불투명한 특성으로 인해 계면에서 발생하는 초기 균열의 발생 및 전파 과정을 정확히 분석할 수 없기 때문이다. 본 연구는 최근 주목받고 있는 세라믹 기판 시스템에서 취성 박막 코팅층의 파괴 기구를 분석하고 취성 박막 코팅층의 접착력의 최적화를 통해 코팅된 Si_(3)N_(4)의 산업적 응용 가능성에 대한 연구를 수행하였다. Part Ⅰ. in-situ 관찰을 통한 TiN이 코팅된 사파이어의 파괴 기구 분석 사파이어 기판은 열적, 기계적 안정성 및 투명한 광학적 성질로 인해 SOI, 펨토레이저, VLSI, IC등의 기판 재료로 사용되어 왔다. TiN이 코팅된 사파이어는 TiN의 우수한 전기전도도 및 사파이어 기판의 열적 안정성으로 인해 고온용 디바이스의 전극재료로 연구되고 있으며, 또한 상업적으로 사용되는 TiN이 코팅된 금속재료의 계면에서의 파괴 기구 분석을 위한 모델 재료로 적합하다. TiN 코팅은 높은 이온화율과 치밀한 박막을 증착할 수 있는 PVD 이온 플레이팅 방법을 이용하여 (112 ̄0) 사파이어 기판 위에 증착하였다. 사파이어 기판은 거칠기 R_(a) = 0.003 ㎛로 조절하였으며 TCE등을 이용한 세정 단계를 거쳐 표면 이물질을 제거한 후 증착하였다. 선행 연구를 통해 공정변수를 최적화시켰으며 증착 시간을 일정하게 조절하여 TiN 두께를 700 nm로 유지시켰다. TiN은 SEM 단면 사진으로 분석한 결과 균일한 주상 (columnar) 구조를 이루고 있었다. TiN은 높은 결정성과 <111> 방향으로의 우선 배향성을 보였으며 주상구조와 우선 배향성은 FCC 구조를 갖는 TiN 박막의 성장시의 자유에너지를 최소로 하기 위한 것으로 분석된다. 나노 압입으로 증착된 TiN의 기계적 특성인 경도와 탄성계수를 측정한 결과, 각각 26.2±1.4 GPa 와 560±5.4GPa를 갖는 우수한 TiN 박막이 형성되었다. TiN과 기판 사이의 계면의 파괴의 시작점을 관찰하기 위해 스크래치 접착력 시험과 수직하중 인가 실험시의 in-situ 용 광학 장비를 설계 및 제작하여 TiN 박막의 파괴과정을 관찰하였다. 스크래치 시험은 표준적으로 사용하는 조건인 하중인가 속도 100N/min 과 시편 이동 속도 10 mm/min를 유지하였다. 하중을 일정속도로 증가 시키면서 TiN 박막이 기판과 분리되는 양상 및 하중의 크기를 관찰하였다. 스크래치 시험을 in-situ 과정으로 관찰한 결과, TiN이 코팅된 사파이어는 TiN 코팅층이 기판층에서 벗겨지는 임계하중(critical load, L_(c)) 직전에서 기판으로 사용된 사파이어 표면에서 직선 형태의 변형 쌍정 (deformation twin)이 발생하여 TiN과 사파이어의 계면을 분리시키는 것임을 관찰하였다. 한편, 수직하중 실험을 in-situ로 관찰한 결과, 스크래치 시험 결과와 유사하게 하중인가 도중에 임계 하중과 유사한 15 N에서 직선형의 쌍정이 발생하고 하중을 제거하는 과정에서 TiN 박막이 기판과 분리된다는 사실을 알아냈다. 사파이어 기판 표면에 발생하는 변형 쌍정은 나노 압입과 수직하중 실험을 통해 쌍정의 방향성과 사파이어의 결정면간의 관계를 계산하여 rhombohedral 쌍정과 basal 쌍정이 복합적으로 작용하는 것으로 분석되었다. 즉 TiN이 코팅된 사파이어는 하중 인가시에 생기는 사파이어 기판의 쌍정을 통한 소성 변형이 TiN 박막의 파괴를 야기함을 in-situ 관찰을 통하여 분석하였다. Part Ⅱ. TiN이 코팅된 유리의 구조적 안정성 평가 TiN이 코팅된 유리는 TiN이 빛을 반사할 때와 투과할 때 다른 색깔 보이는 특성을 이용하여 건축물의 외부 유리의 코팅재료로 이용되고 있으며, TiN의 우수한 적외선 파장 범위의 열 반사율을 이용한 자동차의 열 차단용 유리 및 태양전지로의 연구가 진행되고 있으며 사파이어와 같이 투명한 특성으로 인해 산업용으로 많이 사용된 TiN이 코팅된 금속의 파괴 기구 분석을 위한 모델 재료로 적합하다. 사파이어 기판에 비해 TiN 코팅층과 탄성 계수 불일치가 매우 큰 차이를 보인다. 동일하게 이온 플레이팅 방법으로 TiN을 증착하였으며 TiN의 증착 시간을 조절하여 1 ~ 5 ㎛ 두께를 범위를 갖는 TiN을 증착하였다. 스크래치 접착력 시험으로 얻은 접착강도는 TiN의 두께가 상대적으로 낮은 1, 2 ㎛의 경우 상대적으로 높은 (25 N 이상) 접착 강도를 보인 반면 두께가 3 ㎛ 이상에서는 낮은 (15 N 이하)의 접착 강도를 나타냈다. 이것은 증착과정에서 생긴 TiN 박막 자체의 균열로 인한 것으로, 일정 두께 이상에서는 TiN 입자 크기가 성장하여 입자 사이의 공극이 감소하면서 잔류응력이 증가하기 때문인 것으로 분석되었다. 접착력 시험과 수직하중 실험시의 모든 과정을 in-situ로 관찰한 결과, 하중을 제거하면서 유리 기판 표면에 발생하는 방사균열(radial cracking)이 TiN 코팅과 기판의 분리를 야기시키는 것임을 알아 냈다. 스크래치 시험과 수직 하중 실험이 유사한 결과가 나왔는데 이것은 수평방향으로의 하중이 수직 방향에 비해 상대적으로 작기 때문인 것으로 사료된다. 즉 스크래치 시험을 단순화시켜 고려함 시편 내의 한 지점에 대한 하중의 인가와 제거로 생각할 수 있고 따라서 접착력 시험이 수직하중 실험과 유사한 결과가 나온 것으로 분석된다. 한편, FEM 전산 모사를 통해 반경 200 ㎛의 다이아몬드 콘으로 하중 인가시의 응력분포를 계산할 결과, 25 N 이상에서 유리 기판에 유리의 소성 변형을 야기시키는 7 GPa 이상의 전단응력이 인가되는 것을 확인하였다. 하중을 제거하는 과정에서 잔류응력이 완화되면서 비커스 압자와 같이 날카로운 표면을 갖는 경우처럼 방사균열이 발생하는 것으로 분석된다. TiN이 코팅된 유리에서 TiN 박막의 파괴도 TiN이 코팅된 사파이어와 유사하게 유리 기판의 소성 변형을 통한 방사균열인 것으로 관찰되었다. Part Ⅲ. Si_(3)N_(4) 미세구조가 TiN이 코팅된 Si_(3)N_(4)의 접착 강도에 미치는 영향 Si_(3)N_(4)는 고강도, 높은 탄성계수, 경도등의 우수한 특성으로 가스 터빈, 디젤 엔진, 베어링등의 분야에 응용되는 대표적 구조 세라믹스이다. 하지만 높은 마찰계수로 인해 마모가 심하게 발생하는 환경에서는 그 응용성에 제한을 받아왔다. 이러한 점을 극복하기 위해 낮은 마찰계수를 갖는 내마모 재료인 TiN을 표면에 증착하여 그 응용성에 대한 연구를 수행하였다. 기판의 소성 변형 정도가 TiN 박막과 기판간의 접착력을 좌우하여 TiN의 파괴를 결정하는 주요인이라는 모델 기판 재료에서 얻은 결론을 바탕으로 Si_(3)N_(4) 기판의 소성 변형 특성을 조절하기 위해 Si_(3)N_(4)의 미세구조를 제어하였으며 TiN 코팅된 Si_(3)N_(4)의 최적 접착 특성 구현을 위한 Si_(3)N_(4)의 미세구조를 분석하였다. Si_(3)N_(4) 기판은 초기 분말 입자의 크기와 상 분율 및 소결 온도를 조절하여 미세구조를 변화시켰다. 미세구조는 입자 크기, 비대칭으로 성장한 과대 입자들의 평균 장경비, 소결 후의 α 상과 β 상의 비율등을 정량적으로 측정하였다. 미세구조를 조절하여 동일한 화학 조성을 갖지만 다른 기계적 특성을 갖는 Si_(3)N_(4) 기판을 제조하였으며 기계적 특성은 파괴인성, 탄성계수, 경도등을 측정하여 다양한 미세구조가 기계적 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. Si_(3)N_(4) 입자는 입자크기 대비용으로 α 상이 95 %를 지닌 미세한 0.3 ㎛와 동일 상분율을 갖는 조대한 입자 1.0 ㎛를 이용하였다. 한편 α 상과 β 상의 분율 효과를 분석하기 위해 β 상이 95%를 지닌 3.0 ㎛ 입자등 3가지 다른 초기 입자를 이용하였고, Y_(2)O_(3), Al_(2)O_(3), MgO를 각각 5, 2, l wt% 소결 조제로 첨가하여 가압소결 방법으로 소결하였다. 소결 온도는 각각 1600, 1700, 1800℃로 변화시켜 미세구조를 제어하였다. 제조된 Si_(3)N_(4)의 기계적 특성 분석 결과, 파괴 인성은 4~6 PMa^(1/2) 범위의 값을 보였다. α 입자를 사용한 Si_(3)N_(4)는 소결 온도가 증가할수록 더 높은 파괴 인성을 보였으며 β 입자를 사용한 경우는 소결온도와 무관하게 일정한 값을 보였다. 한편, 탄성계수는 310 ~ 330 GPa를 범위를 나타냈으며 β 상이 증가할수록 점차 낮아지는 경향을 보였다. 조대한 α 상 입자로 소결한 Si_(3)N_(4)가 가장 높은 탄성계수를 보였으며 최대온도인 1800℃에서는 초기 분말이 β인 입자로 소결했을 때의 탄성계수인 310 GPa의 일정한 값에 이르렀다. 이러한 요인은 고온안정상인 β 분율이 온도가 증가하면서 점점 많아지고 α 상에 비해 상대적으로 강도가 약하고 탄성계수가 낮은 β 상이 고온에서 대부분 존재하기 때문인 것으로 분석된다. 또한 경도 역시 온도가 증가하면서 상대적으로 무른 β 상의 분율 증가로 경도가 감소하고 있으며 16 ~ 22 GPa 범위를 보였다. 소결 온도가 낮을수록 α 상의 비율이 높을수록 더 높은 경도를 나타냈다. Si_(3)N_(4)의 소성 거동 특성 분석을 위해 Hertzian 구형 압입 실험을 행하였다. 반경 1.98 mm의 WC 볼을 이용하여 하중 500 ~ 3500N을 l00N 간격으로 가하고 Si_(3)N_(4) 표면에 변형이 발생하는 하중(P_(y))과 표면에 원형 균열을 발생시키는 하중(P_(c))를 측정하여 외부 하중에 따른 Si_(3)N_(4)의 소성 특성을 측정하였다. TiN을 코팅한 후의 접착력 시험 결과, TiN이 코팅된 모든 Si_(3)N_(4)에서 80 N 이상의 매우 높은 접착 강도 특성을 보였으며 80 ~ 140 N의 접착 강도를 보였다. 상업적으로 사용되는 WC-Co 기판을 동일한 과정으로 TiN을 코팅하여 측정한 결과, 접착 강도가 85±5N을 나타내었다. 따라서, TiN이 코팅된 Si_(3)N_(4)의 산업적 응용 가능성이 높이 기대되며, 140 N의 가장 높은 접착강도를 보인 Si_(3)N_(4)는 가장 작은 입자 크기와 α 상이 많은 미세구조를 보였다. 또한 접착강도는 Si_(3)N_(4) 기판의 여러 기계적 특성 중에서 경도 및 소성 특성을 나타낸 P_(y) 값과 가장 유사한 경향성을 보였다. 이러한 결과는 Part Ⅲ, Ⅳ에서 얻은 기판의 소성 특성이 취성 박막 코팅층의 접착 강도에 큰 영향을 주는 것을 확증한다. 본 연구 결과를 바탕으로, TiN이 코팅된 Si_(3)N_(4)의 최적 접착 특성을 위해서는 경도 및 소성 특성이 우수한 Si_(3)N_(4) 기판이 요구되며 이를 위해 가장 적합한 Si_(3)N_(4)는 평균 입자 크기가 작고, α 상이 많은 미세구조임을 제시한다.
In this research, the adhesion strength of PVD TiN film film on ceramics was investigated. In order to explore the failure source of TiN film, two kinds of transparent model substrate were chosen. Based on the results of model experiments, TiN coated Si_(3)N_(4) was studied in the context of effect ...
In this research, the adhesion strength of PVD TiN film film on ceramics was investigated. In order to explore the failure source of TiN film, two kinds of transparent model substrate were chosen. Based on the results of model experiments, TiN coated Si_(3)N_(4) was studied in the context of effect of substrate yield properties on the adhesion strength of TiN film. In chapter Ⅲ, the failure mode of PVD TiN film on (112 ̄0) sapphire were investigated by analyzing the adhesion strength and failure mechanism through in-situ observations of the fracture sequence during scratch tests and static normal indentation. TiN was deposited by arc ion plating on (112 ̄0) sapphire and the thickness of the TiN film was controlled to 700 nm. Delamination of TiN film was monitored in-situ from below the contact through a transparent sapphire substrate, using zoom optics mounted into a video imaging sensor. In-situ observation of failure source enables us to detect the failure origin of TiN coating on sapphire. The failure origin of TiN film on (112 ̄0) sapphire was identified as both rhombohedral and basal twinning of the sapphire substrate. Rhombohedral twinning was initiated first and basal twinning ensued. Twinning-induced plastic deformation of the sapphire substrate triggered the initiation of interfacial delamination of the TiN coating. The plastic deformation of the substrate ultimately induced failure of the protective coating. In chapter Ⅳ, TiN film coated soda-lime glass were investigated. The effect of TiN film thickness as well as the effect of elastic mismatch between TiN film and a soda-lime glass was analyzed. Similar to a sapphire substrate, through in-situ observations of the fracture sequence during scratch tests and static normal indentations, failure mechanism was suggested. TiN was deposited by arc ion plating on soda-lime glass substrate and the thickness of TiN film was controlled from 1 ㎛ to 5 ㎛. Sets of static normal indentations at a maximum load from 5 to 30 N at an interval of 5 N was conducted to compare with the results of in-situ observation. The observation with top and bottom view after the indentations clearly demonstrates the failure source of TiN film. The stress distribution during loading with diamond cone indenter with a tip radius of r = 200 ㎛, on TiN coated glass was analyzed by a FEM simulation. The maximum principle shear stress located at just below the surface of glass substrate reached 7 GPa which was reported as critical load to induce plastic deformation of a soda-lime glass. During removal of applied load, the stress relaxation stored in glass substrate provokes the radial cracking on glass substrate. The failure of TiN coated soda-lime glass was originated from the radial cracking of the glass substrate. Radial cracking was initiated during removing applied load. The radial cracking on substrate surface triggered the initiation of interfacial delamination of the TiN coating. It was convinced that the plastic deformation including microcracking and radial cracking of the substrate ultimately induced failure of the protective coating. In chapter Ⅴ, based on the results of model experiments, TiN coated Si_(3)N_(4) was investigated in the context of controlling the yield properties of Si_(3)N_(4) substrate through governing the microstructure of Si_(3)N_(4). The effect of the microstructure of silicon nitride, which was used for a substrate, on the adhesion strength of PVD TiN film on Si_(3)N_(4) was investigated. Silicon nitride substrates with different microstructures were synthesized by controlling the size (fine or coarse), the phase (α or β) of Si_(3)N_(4) starting powder, and sintering temperature. The microstructure of Si_(3)N_(4) was characterized in terms of grain size, aspect ratio of elongated grain, and β-to-α phase ratio. Identical chemical composition but different mechanical properties, such as toughness, elastic modulus, and hardness of Si_(3)N_(4) were obtained from the diverse microstructures. Hertzian indentation was introduced to estimate the yield properties of Si_(3)N_(4), such as critical loads for yield (P_(y)) and for ring cracking (P_(c)). The effect of the microstructure of Si_(3)N_(4) on adhesion strength is discussed. TiN films on Si_(3)N_(4) showed very high adhesion strengths in a range of 80-140 N. Hardness and the P_(y) of Si_(3)N_(4) substrate were primary parameters influencing the adhesion strength of TiN film. Accordingly, the adhesion strength of PVD TiN Film could be controlled by optimum design of the microstructure of Si_(3)N_(4) substrates. Moreover, very high adhesion strength of TiN film on Si_(3)N_(4) increases the potential for the application in the industrial fields.
In this research, the adhesion strength of PVD TiN film film on ceramics was investigated. In order to explore the failure source of TiN film, two kinds of transparent model substrate were chosen. Based on the results of model experiments, TiN coated Si_(3)N_(4) was studied in the context of effect of substrate yield properties on the adhesion strength of TiN film. In chapter Ⅲ, the failure mode of PVD TiN film on (112 ̄0) sapphire were investigated by analyzing the adhesion strength and failure mechanism through in-situ observations of the fracture sequence during scratch tests and static normal indentation. TiN was deposited by arc ion plating on (112 ̄0) sapphire and the thickness of the TiN film was controlled to 700 nm. Delamination of TiN film was monitored in-situ from below the contact through a transparent sapphire substrate, using zoom optics mounted into a video imaging sensor. In-situ observation of failure source enables us to detect the failure origin of TiN coating on sapphire. The failure origin of TiN film on (112 ̄0) sapphire was identified as both rhombohedral and basal twinning of the sapphire substrate. Rhombohedral twinning was initiated first and basal twinning ensued. Twinning-induced plastic deformation of the sapphire substrate triggered the initiation of interfacial delamination of the TiN coating. The plastic deformation of the substrate ultimately induced failure of the protective coating. In chapter Ⅳ, TiN film coated soda-lime glass were investigated. The effect of TiN film thickness as well as the effect of elastic mismatch between TiN film and a soda-lime glass was analyzed. Similar to a sapphire substrate, through in-situ observations of the fracture sequence during scratch tests and static normal indentations, failure mechanism was suggested. TiN was deposited by arc ion plating on soda-lime glass substrate and the thickness of TiN film was controlled from 1 ㎛ to 5 ㎛. Sets of static normal indentations at a maximum load from 5 to 30 N at an interval of 5 N was conducted to compare with the results of in-situ observation. The observation with top and bottom view after the indentations clearly demonstrates the failure source of TiN film. The stress distribution during loading with diamond cone indenter with a tip radius of r = 200 ㎛, on TiN coated glass was analyzed by a FEM simulation. The maximum principle shear stress located at just below the surface of glass substrate reached 7 GPa which was reported as critical load to induce plastic deformation of a soda-lime glass. During removal of applied load, the stress relaxation stored in glass substrate provokes the radial cracking on glass substrate. The failure of TiN coated soda-lime glass was originated from the radial cracking of the glass substrate. Radial cracking was initiated during removing applied load. The radial cracking on substrate surface triggered the initiation of interfacial delamination of the TiN coating. It was convinced that the plastic deformation including microcracking and radial cracking of the substrate ultimately induced failure of the protective coating. In chapter Ⅴ, based on the results of model experiments, TiN coated Si_(3)N_(4) was investigated in the context of controlling the yield properties of Si_(3)N_(4) substrate through governing the microstructure of Si_(3)N_(4). The effect of the microstructure of silicon nitride, which was used for a substrate, on the adhesion strength of PVD TiN film on Si_(3)N_(4) was investigated. Silicon nitride substrates with different microstructures were synthesized by controlling the size (fine or coarse), the phase (α or β) of Si_(3)N_(4) starting powder, and sintering temperature. The microstructure of Si_(3)N_(4) was characterized in terms of grain size, aspect ratio of elongated grain, and β-to-α phase ratio. Identical chemical composition but different mechanical properties, such as toughness, elastic modulus, and hardness of Si_(3)N_(4) were obtained from the diverse microstructures. Hertzian indentation was introduced to estimate the yield properties of Si_(3)N_(4), such as critical loads for yield (P_(y)) and for ring cracking (P_(c)). The effect of the microstructure of Si_(3)N_(4) on adhesion strength is discussed. TiN films on Si_(3)N_(4) showed very high adhesion strengths in a range of 80-140 N. Hardness and the P_(y) of Si_(3)N_(4) substrate were primary parameters influencing the adhesion strength of TiN film. Accordingly, the adhesion strength of PVD TiN Film could be controlled by optimum design of the microstructure of Si_(3)N_(4) substrates. Moreover, very high adhesion strength of TiN film on Si_(3)N_(4) increases the potential for the application in the industrial fields.
주제어
#brittle thin 파괴 현상 취성 박막 코팅
학위논문 정보
저자
김영구
학위수여기관
Korea Advanced Institute of Science and Technology
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