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문제 정의
- 본 논문에서는 함정용 전자광학추적장비의 열영상센서부 전면창에서 필연적으로 발생하는 표면 박리 현상을 해결하기 위해 실리콘 박막의 표면 박리에 직접적으로 영향을 미치는 요소가 염수임을 확인하고 이에 대한 개선 방안으로 DLC 박막을 제시하였으며 시험을 통해 표면 박리 현상이 최소화됨을 확인하였다. 또한 전자광학추적장비의 전면창에 적용함으로써 박막 물질로써의 가능성을 제시하였다.
- 본 논문에서는 함정용 전자광학추적장비의 열영상센서부 전면창에서 필연적으로 발생하는 표면 박리 현상을 해결하기 위해 실리콘 박막의 표면 박리에 직접적으로 영향을 미치는 요소가 염수임을 확인하고 이에 대한 개선 방안으로 DLC 박막을 제시하였으며 시험을 통해 표면 박리 현상이 최소화됨을 확인하였다. 또한 전자광학추적장비의 전면창에 적용함으로써 박막 물질로써의 가능성을 제시하였다.
- 본 논문에서는 함정용 전자광학추적장비의 전면창에 주로 사용되는 실리콘 박막의 표면 박리 문제를 해결하기 위해 군사규격을 바탕으로 주요 원인을 식별하고 DLC 박막을 대체 재질로 제안하였다. 또한 DLC 박막의 내구성을 검증하기 위해 전자주사현미경과 원자간력현미경을 통해 표면을 분석하였고 음향방출법을 활용하여 표면 박리 정도를 분석하였다.
제안 방법
- 이에 대한 검증을 위해 통제단계에서는 Figure 7과 같이 동일한 조건에서 제작된 실리콘 박막과 DLC 박막을 함정에 탑재되는 전자광학추적장비에 장착하여 해상 환경에서 염수에 대한 내구성 시험을 실시하였다. 5 %의 염수에 동일한 두께로 증착되어진 실리콘과 DLC 박막을 넣고 약 6개월 동안 표면에서 발생하는 박리현상을 육안으로 관찰하였다. 시험온도는 상온에서 수행하였고, 용액의 농도를 조절하기 위해 5일마다 농도를 확인하였다.
- 박막에 포함된 실리콘 함유 농도는 아르곤에 포함된 실란의 비율을 조정에 조절하였다. DLC 박막의 실리콘 함량은 실란과 아르곤의 가스 비에 의하여 조절 및 제어 되었으며, 아르곤과 메탄가스가 혼합된 상태에서 0에서 4vol %를 가지는 실란의 유량에 따라 조절하였다. 이때, 실란의 vol.
- Figure 3은 음향 방출법을 통해 염수의 농도를 조절함에 따라 실리콘 박막의 박리 발생 정도를 확인한 자료이다. 각각의 박막에 대해 AE sensor의 사이에 AE 신호 감쇠를 최소화하기 위해 점성이 높은 그리스를 접촉매질로써 사용하였으며, 사용 중 발생하는 열화손상에 의해 동반 발생된 탄성파의 안정적 계측을 위해 지그를 사용하여 압착 고정하였다. AE sensor를 통해 얻어진 AE 신호는 높은 S/N비를 위해 Pre-amplifier를 통해 40 dB 증폭되었으며, 데이터 수집 및 저장을 위해 사용하였다.
- 동일한 두께로 증착되어진 실리콘과 DLC 박막에 대해 AFM 장비를 contact mode로 조절하고 1 ㎛ × 1 ㎛ 범위에서 표면 거칠기를 측정하였다. 각각의 샘플에 대해 측정을 3회씩 수행하였고 평균 거칠기 값을 비교하였다. 실리콘 박막은 염수에 의해 표면 박리 및 핀홀 현상이 발생하여 위치에 따른 표면의 높이가 일정하지 않으며 표면 거칠기(Surface Roughness, SR) 또한 82.
- 기판은 실리콘 4 inch 웨이퍼이며 1 cm × 1 cm의 크기로 절단하여 사용하였다. 기판은 RCA 세척을 하고 TCE(trichloro-ethylene), 아세톤, 메탄올에서 각각 10분간 초음파 세척 후 D.I. water에서 5분간 초음파 세척을 하였다. 기판은 반응성 스퍼터링 장치에 있는 반응관의 하부 전극에 올려놓고 반응관을 닫고 로터리 펌프를 사용하여 10분 동안 0.
- 전자광학추적장비 전면창에서 발생하는 박리 및 부식 현상을 해결하기 위해 실리콘 박막의 표면 박리에 직접적으로 영향을 미치는 요소들을 군사규격을 토대로 선정하여 내구성 시험을 실시하였다. 내구성 시험을 위해 선정된 항목은 총 9개 항목으로 접착력, 강한 문지름, 온-습도, 염수분무 #1, 염수분무 #2, 증류수 용해성, 열 충격, 끓는 소금물 시험이며 군사규격에서 요구하는 조건을 기준으로 시험 환경을 구성하였다. Table 2와 3은 실리콘 박막의 내구성 시험 항목 및 시험 방법에 대해 나열한 자료이다.
- 동일한 두께로 증착되어진 실리콘과 DLC 박막에 대해 AFM 장비를 contact mode로 조절하고 1 ㎛ × 1 ㎛ 범위에서 표면 거칠기를 측정하였다.
- Figure 4는 실리콘 박막과 DLC 박막을 이용하여 일정 기간 동안 염수를 분무한 후, 표면 변화를 주사전자 현미경을 통해 관찰한 자료이다. 동일한 두께로 증착되어진 실리콘과 DLC 박막에 대해 실버 코팅을 실시하였고 배율은 10만 배로 확대하였다. SEM 장비로 관찰한 결과, 실리콘 박막은 염수에 의해 표면 균열이 발생하며 불규칙적으로 표면이 벗겨지는 현상을 확인하였다.
- 이때 최소 분해가능 온도차는 높은 흑체 온도에서 측정한 분해가능 온도차에서 낮은 흑체 온도에서 측정한 분해가능 온도차를 뺀 값에 1/2를 곱한 값이다. 따라서 코팅 박막에 따른 평균 투과율 감소가 시스템 성능을 표현하는 최소분해가능 온도차에 어떤 영향을 미치는 지는 직접 확인해 보기 위해, 전자광학추적장비를 준비한 후 실리콘 박막과 DLC 박막이 각각 적용된 열영상센서부 전면창을 장착하였다. 또한 시험에 영향을 미칠 수 있는 환경적 요소를 동일시하고 전자광학추적장비를 최소분해가능 온도차 전용 시험장비에 고정하여 전면창이 시험치구(빛 전달)와 일치될 수 있도록 하였다.
- 본 논문에서는 함정용 전자광학추적장비의 전면창에 주로 사용되는 실리콘 박막의 표면 박리 문제를 해결하기 위해 군사규격을 바탕으로 주요 원인을 식별하고 DLC 박막을 대체 재질로 제안하였다. 또한 DLC 박막의 내구성을 검증하기 위해 전자주사현미경과 원자간력현미경을 통해 표면을 분석하였고 음향방출법을 활용하여 표면 박리 정도를 분석하였다. 이를 통해 DLC 박막이 전자광학추적장비의 전면창 재질로서 적합성을 확인하였다.
- 따라서 코팅 박막에 따른 평균 투과율 감소가 시스템 성능을 표현하는 최소분해가능 온도차에 어떤 영향을 미치는 지는 직접 확인해 보기 위해, 전자광학추적장비를 준비한 후 실리콘 박막과 DLC 박막이 각각 적용된 열영상센서부 전면창을 장착하였다. 또한 시험에 영향을 미칠 수 있는 환경적 요소를 동일시하고 전자광학추적장비를 최소분해가능 온도차 전용 시험장비에 고정하여 전면창이 시험치구(빛 전달)와 일치될 수 있도록 하였다. 다음으로 4개의 막대 표적이 화면에 전시되면 육안을 통해 분해되는 정도를 Figure 9와 같이 분석하였다.
- 6 × 10-4 Pa이하까지 배기하였다. 반응관내 플라즈마를 안정화 시킨 후, 기판 표면의 불순물제거를 위하여 10 분간 6.7 Pa분위기에서 10 sccm의 아르곤가스를 사용하여 표면을 전단계 처리하였다. 연구를 위해 사용된 장치의 반응관 부분을 포함한 장치 개략도를 Figure 1에 나타내었다.
- 5 %의 염수에 동일한 두께로 증착되어진 실리콘과 DLC 박막을 넣고 약 6개월 동안 표면에서 발생하는 박리현상을 육안으로 관찰하였다. 시험온도는 상온에서 수행하였고, 용액의 농도를 조절하기 위해 5일마다 농도를 확인하였다.
- 각각의 박막에 대한 표면 구조 및 거칠기, 박리 발생 정도를 분석한 결과, 실리콘 박막에 비해 DLC 박막이 염수에 대해 우수한 내구성을 나타냄을 확인하였다. 이에 대한 검증을 위해 통제단계에서는 Figure 7과 같이 동일한 조건에서 제작된 실리콘 박막과 DLC 박막을 함정에 탑재되는 전자광학추적장비에 장착하여 해상 환경에서 염수에 대한 내구성 시험을 실시하였다. 5 %의 염수에 동일한 두께로 증착되어진 실리콘과 DLC 박막을 넣고 약 6개월 동안 표면에서 발생하는 박리현상을 육안으로 관찰하였다.
- 6 × 10-4 Pa 이하로 유지 하였고, 우선적으로 아르곤 플라즈마를 이용하여 기판을 세척하였다. 이후 RF를 이용하여 발생시킨 메탄/실란 플라즈마를 사용하여 흑연 타겟을 스퍼터링하여 기판에 DLC 박막을 증착하였다. 실험에 사용된 사용 압력과 스퍼터 전원은 각각 10 pa과 150 W로 유지하였다.
- 전자광학추적장비 전면창에서 발생하는 박리 및 부식 현상을 해결하기 위해 실리콘 박막의 표면 박리에 직접적으로 영향을 미치는 요소들을 군사규격을 토대로 선정하여 내구성 시험을 실시하였다. 내구성 시험을 위해 선정된 항목은 총 9개 항목으로 접착력, 강한 문지름, 온-습도, 염수분무 #1, 염수분무 #2, 증류수 용해성, 열 충격, 끓는 소금물 시험이며 군사규격에서 요구하는 조건을 기준으로 시험 환경을 구성하였다.
대상 데이터
- DLC 박막 증착을 위하여 plasma assisted PVD/CVD와 스퍼터링(sputtering) 기술이 혼합된 장비를 사용하였으며, 주로 메탄(CH4)과 실란(SiH4(5 % in Ar)) 혼합 가스의 분해와 아르곤을 사용한 99.99 %의 높은 순도를 가지는 흑연 타겟에 RF 마그네트론 스퍼터링을 이용하였다.
- 기판은 실리콘 4 inch 웨이퍼이며 1 cm × 1 cm의 크기로 절단하여 사용하였다.
- 이후 RF를 이용하여 발생시킨 메탄/실란 플라즈마를 사용하여 흑연 타겟을 스퍼터링하여 기판에 DLC 박막을 증착하였다. 실험에 사용된 사용 압력과 스퍼터 전원은 각각 10 pa과 150 W로 유지하였다.
이론/모형
- 실리콘 박막에 염수의 영향성을 분석하기 위해 재료 특성을 관찰, 평가하는 비파괴 검사 방법인 음향 방출법(Acoustic Emission, AE)을 실시하였다. 음향 방출법은 고체 내에 국부적으로 형성되었던 변형에너지가 급격히 방출되어질 때 발생하는 탄성파를 측정하는 기법으로 고체 내에서 전위의 이동이나 미소균열의 생성 및 성장 등이 대표적인 발생원이 된다.
성능/효과
- 동일한 두께로 증착되어진 실리콘과 DLC 박막에 대해 실버 코팅을 실시하였고 배율은 10만 배로 확대하였다. SEM 장비로 관찰한 결과, 실리콘 박막은 염수에 의해 표면 균열이 발생하며 불규칙적으로 표면이 벗겨지는 현상을 확인하였다. 이를 통해 실리콘 박막이 염수에 장기간 노출될 수 있는 해상 환경에는 적합하지 않음을 알 수 있다.
- 각각의 박막에 대한 표면 구조 및 거칠기, 박리 발생 정도를 분석한 결과, 실리콘 박막에 비해 DLC 박막이 염수에 대해 우수한 내구성을 나타냄을 확인하였다. 이에 대한 검증을 위해 통제단계에서는 Figure 7과 같이 동일한 조건에서 제작된 실리콘 박막과 DLC 박막을 함정에 탑재되는 전자광학추적장비에 장착하여 해상 환경에서 염수에 대한 내구성 시험을 실시하였다.
- 각각의 샘플에 대한 응력지수 그래프를 통해 염수의 농도가 높은 조건일수록 변화량이 증가함을 알 수 있는 데, 이를 통해 염수에 의해서 실리콘 박막의 표면에서 크고 작은 균열 및 박리가 발생하였고 박막의 스트레스 수치 또한 증가하였음을 예측할 수 있다.
- Figure 6은 음향방출법을 통해 실리콘 박막과 DLC 박막의 표면 박리 정도를 수치로 나열한 자료이다. 동일한 시간 동안 염수의 농도를 점차 증가시킨 조건에서 각각의 박막을 시험해 본 결과, 염수의 농도가 증가함에 따라 각각의 박막 표면 또한 박리 현상이 증가함을 확인할 수 있다. 실리콘 박막의 경우 최초 염수 시험에서 전체 표면 대비 약 21.
- Figure 2는 염수분무 시험과 염수 용해성 시험을 실시한 실리콘 박막 자료이며 표면 전체적으로 부식 및 박리 현상이 나타남을 알 수 있다. 또한 염수분무 시험에 비해 염수용해성 시험을 실시한 실리콘 박막에서 표면 벗겨짐이 상대적으로 많이 발생하며 염수용해성 시험을 실시하는 시간이 길어질수록 박막 현상이 가속화됨을 확인할 수 있다. 반면 접착력, 문지름 온-습도 시험 등 염수와 관련이 없는 시험의 경우 표면 박리에 직접적인 영향이 가해지지 않음을 알 수 있다.
- 2 %의 표면 박리가 나타났다. 반면 DLC 박막은 최초 시험에서 2.3 %의 표면 박리를 나타냈으며, 염수 농도를 증가시킨 시험에서도 7.1 %로 큰 변화가 없음을 확인하였다.
- 실리콘 박막과 DLC 박막 각각의 평균 투과율이 약 1 % 감소하는 데에 비하여, 최소분해가능 온도차 값은 약 0.9 감소하였으나 전자광학추적장비로 활용함에 있에 큰 문제는 없는 것으로 보아, DLC 박막이 열영상센서부 전면창의 코팅 물질로써 충분히 적용될 수 있음을 확인할 수 있다.
- 각각의 샘플에 대해 측정을 3회씩 수행하였고 평균 거칠기 값을 비교하였다. 실리콘 박막은 염수에 의해 표면 박리 및 핀홀 현상이 발생하여 위치에 따른 표면의 높이가 일정하지 않으며 표면 거칠기(Surface Roughness, SR) 또한 82.5 nm로 상당히 높은 값은 나타냄을 확인하였다. 반면 DLC 박막은 표면 거칠기가 10.
- 동일한 시간 동안 염수의 농도를 점차 증가시킨 조건에서 각각의 박막을 시험해 본 결과, 염수의 농도가 증가함에 따라 각각의 박막 표면 또한 박리 현상이 증가함을 확인할 수 있다. 실리콘 박막의 경우 최초 염수 시험에서 전체 표면 대비 약 21.8 %의 표면 박리를 나타냈으나, 염수의 농도를 증가시킨 재시험에서는 약 37.2 %의 표면 박리가 나타났다. 반면 DLC 박막은 최초 시험에서 2.
- Table 4는 실리콘 박막과 DLC 박막의 최소분해가능 온도차에 대한 측정 결과이다. 실리콘 박막의 경우 평균 검출기 도달 에너지양이 약 84.2로 나타나는 반면, DLC 박막은 약 83.3의 수치가 확인되었다. 이는 최소분해가능 온도차의 측정이 검출기에 도달하는 빛에너지의 양에 비례하는 점을 고려하였을 때, 실리콘 박막이 1.
- 실리콘 박막의 표면 박리 및 부식현상의 주요 원인을 도출하기 위해 실험을 실시한 결과, 염수에 의한 표면 박리가 가장 두드러지게 나타남을 확인할 수 있다. Figure 2는 염수분무 시험과 염수 용해성 시험을 실시한 실리콘 박막 자료이며 표면 전체적으로 부식 및 박리 현상이 나타남을 알 수 있다.
- 약 6개월 동안 박막에 나타나는 박리 현상을 확인해본 결과, 실리콘 박막은 측정단계와 동일하게 표면에서 박리 및 핀홀 현상이 발생하여 전면창으로서 활용이 불가하였다. 이를 통해 표적에서 발생되는 열을 감지하는 센서의 전면창에 미세한 표면 박리가 발생함에 따라 전자광학추적장비의 표적 식별 및 추적 기능 또한 저하되리라 추측할 수 있다.
- 이는 최소분해가능 온도차의 측정이 검출기에 도달하는 빛에너지의 양에 비례하는 점을 고려하였을 때, 실리콘 박막이 1.5 ∼ 3 ㎛ 적외선 파장 영역에서 가지는 평균 투과율이 약 1 % 높게 확보됨에 따라 상대적으로 높은 나타나는 결과임을 알 수 있다.
- 또한 DLC 박막의 내구성을 검증하기 위해 전자주사현미경과 원자간력현미경을 통해 표면을 분석하였고 음향방출법을 활용하여 표면 박리 정도를 분석하였다. 이를 통해 DLC 박막이 전자광학추적장비의 전면창 재질로서 적합성을 확인하였다.
- 반면 접착력, 문지름 온-습도 시험 등 염수와 관련이 없는 시험의 경우 표면 박리에 직접적인 영향이 가해지지 않음을 알 수 있다. 이를 통해 전자광학추적장비의 전면창으로 사용되는 실리콘 박막은 염수에 의해 표면 박리 및 부식 현상이 발생하게 됨을 확인하였다.
- 전자광학추적장비 전면창 실리콘 박막에 대한 다양한 시험 군을 통해 박막 표면 박리의 주요 원인은 염수에 의한 것임을 확인하였다. 염수는 전해질로써 염소 이온과 산소의 양이 많고 함정의 주요 운용지인 해상 환경을 고려했을 때, 파도 및 해류 등으로 인한 질량 이동 속도 또한 증가하여 함정을 구성하는 외부 구조용 금속들뿐만 아니라 전자광학장비 전면창에도 직접적인 영향을 미치게 된다.
후속연구
- 전자광학추적장비가 탑재되는 함정은 주로 해상 환경에서 활용되어짐에 따라 외부에 장기간 노출될 수 있다. 따라서 해상 환경에서 직면하게 되는 해수 및 온도 차, 습도 등 장비 운용에 직접적으로 영향을 미치는 위험요소를 식별하여 사전에 최소화할 수 있도록 조사 및 연구 활동이 이루어져야 한다. Table 1은 수개월 동안 전자광학추적장비를 해상 환경에 노출시킴에 따라 전면창 표면에서 발생한 주요 현상의 내역을 정리해 본 자료이다.
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