[논문]무전해 도금 코팅 공정을 이용한 은 박막의 두께 변화에 따른 트라이볼로지 특성

이현대; 김대은

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.2.219

무전해 도금 코팅 공정을 이용한 은 박막의 두께 변화에 따른 트라이볼로지 특성
Tribological Characteristics of Silver Electroless-Plating Process According to Thicknesses Variation 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.37 no.2, 2013년, pp.219 - 225

초록
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본 연구에서는 무전해 도금 코팅방법을 이용하여 생성한 Ag 박막의 기계적 특성을 고찰하였다. 이 코팅방법은 화학적 반응을 통해 금속박막을 기판 위에 형성할 수 있는 공정으로써 비교적 간단하고 경제적이며 전기도금과 비교했을 때 도체뿐만 아니라 부도체에도 적용할 수 있다는 유리한 장점이 있다. 따라서 반도체에서부터 기계부품에 이르기까지 산업전반에 걸쳐 다양하게 적용되고 있는 코팅방법이다. 본 연구에서는 무전해 도금 공정의 변수에 따라 형성되는 Ag 박막의 기계적 특성을 파악하는데 중점을 두었다. 특히, 무전해 도금방법을 이용해 제작한 코팅 시편에 대해 도금시간에 따른 거칠기 및 두께에 대한 분석을 실시하였으며 AFM, SEM, Tribotester 와 같은 장비를 이용하여 트라이볼로지적 특성을 규명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the tribological characteristics of silver films that were deposited on a glass substrate by electroless plating were investigated. The electroless-plating method has many notable advantages. It is easy and economical to obtain solid films using this coating process, and it can be applied to both nonconducting and conducting substrates. In this study, silver was selected as the electroless-plating material because it is one of the most common materials used as a solid lubricant. The mechanical properties of silver electroless-plated specimens were investigated for various coating conditions. The thickness of the coating could be controlled by varying the electroless-plating time. The properties of the coatings were investigated using AFM, SEM, and a tribotester.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

무전해 도금방법은 다른 박막 증착 방법인 화학 기상 증착법(CVD), 물리 기상 증착법(PVD), sputtering 과⁽⁵⁾같은 방법과는 달리 비교적 고가 장비에 대한 의존도가 낮고 경제적이며 산업 전반에 다목적으로 사용되는 방법이다. ⁽⁶⁾ 이에 은박막 재료의 특성과 우수한 코팅방법을 활용하여 다양한 조건에서의 특성에 대해 분석하고자 하였다.
본 연구는 무전해 도금을 이용하여 증착한 은 박막의 효과와 기계적 특성에 대해 분석하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다. 먼저 무전해 도금 시간이 증가함에 따라 두께와 grain size 가 함께 증가 하였다.
본 연구에서는 은 박막의 효과와 특성을 트라이볼로지적 관점에서 알아보기 위해서 무전해 도금으로 제작된 시편과 도금되지 않은 유리 시편을 준비하였고 이런 4 가지 시편에 대해 우선적으로 마찰 실험을 진행하였다. 이 실험을 하기 위해 사용된 장비는 CETR 사의 UMT-2 마찰 시험기이며 Fig.
또 다른 방법인 기체상 윤활(VPL)⁽³⁾은 액체를 미립자 형태로 기체화시켜 표면에 흡착 시키므로 인해 작은 양으로 액체 윤활제와 같은 높은 효율을 내고자 연구되고 있다. 앞서 언급한 방법과는 달리 본 연구에서는 다양한 조건에서도 활용도가 높고 고체윤활제로 사용되고 있는 은에 대해 기초 연구를 진행하였다. 특히, 본 연구에서는 소프트 재질 중의 하나인 은의 박막 형성을 위해 무전해 도금방법을 채택하였다.

제안 방법

이때 가해준 하중은 30 mN 으로 2 mm/sec 의 속도로 1200 cycle 을 운동시켰다. 또한, 신뢰성 있는 데이터를 확보하기 위하여 섭씨 28 도, 습도 34 %와 class 100 의 고정된 조건에서 시편당 3 번씩 반복 실험하였다.
마지막으로 AFM 장비를 이용하여 Fig. 5 와 같은 표면의 형태와 거칠기에 대해 분석하였다. 이 3 가지 시편의 center line average 와 peak to valley 거칠기는 Fig.
본 연구는 무전해 도금을 이용하여 증착한 은 박막의 효과와 기계적 특성에 대해 분석하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다. 먼저 무전해 도금 시간이 증가함에 따라 두께와 grain size 가 함께 증가 하였다. 또한, 거칠기의 경우 center line average 의 변화는 미소했으나 Peak to valley 거칠기는 점차 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.
무전해 도금방법으로 유리(Soda lime glass) 시편에 은 박막을 증착하기 전에 Fig. 1 에서 보이듯이 oxidation, sensitization, activation 과 같은 3 가지 전처리 과정을 수행하였다. 무전해 도금을 하기 위해서는 전처리 과정이 중요하다.
본 연구에서는 은 박막의 효과와 특성을 트라이볼로지적 관점에서 알아보기 위해서 무전해 도금으로 제작된 시편과 도금되지 않은 유리 시편을 준비하였고 이런 4 가지 시편에 대해 우선적으로 마찰 실험을 진행하였다. 이 실험을 하기 위해 사용된 장비는 CETR 사의 UMT-2 마찰 시험기이며 Fig. 6 과 같이 왕복 직선 운동을 하는 마찰 실험을 진행하였다. 사용된 상대 면으로는 stainless steel 304 재질의 지름 1.
앞서 언급한 방법과는 달리 본 연구에서는 다양한 조건에서도 활용도가 높고 고체윤활제로 사용되고 있는 은에 대해 기초 연구를 진행하였다. 특히, 본 연구에서는 소프트 재질 중의 하나인 은의 박막 형성을 위해 무전해 도금방법을 채택하였다. 무전해 도금방법은 다른 박막 증착 방법인 화학 기상 증착법(CVD), 물리 기상 증착법(PVD), sputtering 과⁽⁵⁾같은 방법과는 달리 비교적 고가 장비에 대한 의존도가 낮고 경제적이며 산업 전반에 다목적으로 사용되는 방법이다.

대상 데이터

본격적인 무전해 은도금을 진행하기 위해 Table 2 와 같이 은 용액과 환원액 2 가지 용액을 준비하였다. 첫 번째는 은 용액으로 질산은 0.
6 과 같이 왕복 직선 운동을 하는 마찰 실험을 진행하였다. 사용된 상대 면으로는 stainless steel 304 재질의 지름 1.6 mm 볼을 선택하였다. 이때 가해준 하중은 30 mN 으로 2 mm/sec 의 속도로 1200 cycle 을 운동시켰다.

이론/모형

5 nm, 46 nm, 76 nm 정도가 되는 것을 확인할 수 있었다. 두 번째 grain size 에 대해서는 X-ray diffraction(XRD)을 이용하여 분석하여 나온 값을 peak-fitting procedure 를 거처 식(1)을 이용하여 Table 3 과 같은 그레인의 크기 값을 계산할 수 있었다.

성능/효과

먼저 무전해 도금 시간이 증가함에 따라 두께와 grain size 가 함께 증가 하였다. 또한, 거칠기의 경우 center line average 의 변화는 미소했으나 Peak to valley 거칠기는 점차 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 이후 무전해 도금을 이용하여 은 코팅된 시편과 유리 시편의 마찰 실험 결과에서 마찰계수의 값이 최대 4 배 이상 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었으며, 시편의 마모분석에서도 30sec(46 nm)동안 무전해 도금된 시편이 가장 좋은 특성을 보였다.
4 정도의 비교적 높은 값을 가지기 시작하였으며 실험의 마지막에는 유리 시편과 비교하여 거의 비슷한 마찰계수 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 초기에 비슷한 마찰계수 값을 나타내는 30 초와 60 초 동안 도금된 시편은 초기값과 후반 최종 0.55 정도의 값을 가지는 것은 비슷하였으나 두 시편의 마찰계수 값이 증가하는 시점이 다르다는 것을 확인할 수 있었다. 각 시편 Fig.
무전해 도금시간에 따라 10 초, 30 초, 60 초 동안 코팅된 시편의 두께는 각각 12.5 nm, 46 nm, 76 nm 정도가 되는 것을 확인할 수 있었다. 두 번째 grain size 에 대해서는 X-ray diffraction(XRD)을 이용하여 분석하여 나온 값을 peak-fitting procedure 를 거처 식(1)을 이용하여 Table 3 과 같은 그레인의 크기 값을 계산할 수 있었다.
나머지 도금되지 않은 유리 시편의 경우 다른 시편들과는 달리 stainless steel 볼의 마모를 유발하는 특성을 보였다. 위 실험의 결과를 종합해 보았을때 은박막의 특성 및 존재의 여부가 마찰 및 마모 실험에 많은 영향을 미친다는 것을 확인하였고, 최적화된 코팅의 두께가 존재한다는 것을 확인 할 수 있었다. 이런 결과는 우수한 특성이 있는 박막 특성을 연구 개발하는 데 도움이 될 것으로 판단 된다.
유리 시편의 경우에는 Fig. 8(a)와 같이 EDS 분석 결과 다른 시편들과는 달리 Fe 성분이 검출되어 볼이 마모되었다는 것을 확인할 수 있었다. 이렇게 마모된 stainless steel 볼이 유리에 흡착되어 2d profile 의 형상이 다른 시편들과는 다르게 나타났다.
9 정도의 높은 값을 초기 상태에서부터 시작하여 실험이 끝나는 시점까지 계속 유지하였다. 은도금 된 3 가지 시편들을 비교해 보았을 때 0.2-0.4 의 초기 마찰계수 값을 나타내며 실험이 진행됨에 따라 값이 점차 증가함을 확인할 수 있었다. 은도금 된 시편 중 10 초 동안 도금된 시편은 초기부터 0.
4 의 초기 마찰계수 값을 나타내며 실험이 진행됨에 따라 값이 점차 증가함을 확인할 수 있었다. 은도금 된 시편 중 10 초 동안 도금된 시편은 초기부터 0.4 정도의 비교적 높은 값을 가지기 시작하였으며 실험의 마지막에는 유리 시편과 비교하여 거의 비슷한 마찰계수 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 초기에 비슷한 마찰계수 값을 나타내는 30 초와 60 초 동안 도금된 시편은 초기값과 후반 최종 0.
또한, 거칠기의 경우 center line average 의 변화는 미소했으나 Peak to valley 거칠기는 점차 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 이후 무전해 도금을 이용하여 은 코팅된 시편과 유리 시편의 마찰 실험 결과에서 마찰계수의 값이 최대 4 배 이상 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었으며, 시편의 마모분석에서도 30sec(46 nm)동안 무전해 도금된 시편이 가장 좋은 특성을 보였다. 이 결과는 은의 고체 윤활특성에서 비롯된다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무전해 도금 코팅방법의 장점은 무엇인가?	본 연구에서는 무전해 도금 코팅방법을 이용하여 생성한 Ag 박막의 기계적 특성을 고찰하였다. 이 코팅방법은 화학적 반응을 통해 금속박막을 기판 위에 형성할 수 있는 공정으로써 비교적 간단하고 경제적이며 전기도금과 비교했을 때 도체뿐만 아니라 부도체에도 적용할 수 있다는 유리한 장점이 있다. 따라서 반도체에서부터 기계부품에 이르기까지 산업전반에 걸쳐 다양하게 적용되고 있는 코팅방법이다.
	무전해 도금방법이란 어떤 방법인가?	특히, 본 연구에서는 소프트 재질 중의 하나인 은의 박막 형성을 위해 무전해 도금방법을 채택하였다. 무전해 도금방법은 다른 박막 증착 방법인 화학 기상 증착법(CVD), 물리 기상 증착법(PVD), sputtering 과(5) 같은 방법과는 달리 비교적 고가 장비에 대한 의존도가 낮고 경제적이며 산업 전반에 다목적으로 사용되는 방법이다. (6) 이에 은박막 재료의 특성과 우수한 코팅방법을 활용하여 다양한 조건에서의 특성에 대해 분석하고자 하였다.
	Micro-Electro-MechanicalSystems 분야에서 마찰로 인한 전력의 손실과 마모로 인한 부품의 파손이 발생하는 이유는 무엇인가?	특히 Micro-Electro-MechanicalSystems(MEMS) 분야에서 마찰로 인한 전력의 손실과 마모로 인한 부품의 파손이 문제로 대두되고 있다. (1~3) 이런 문제점이 발생하는 원인은 접착력, 점성, 내부오염, 높은 온도 및 진공 등 제한적 사용환경에 의해 달라지기 때문이다. (2,4) 지난 수년간 이런 문제를 해결하기 위하여 다양한 연구가 진행 되고 있다.

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