[논문]음극 아크 증착으로 제조된 AlTiN 박막의 특성

양지훈; 김성환; 송민아; 정재훈; 정재인

doi:10.5695/jkise.2016.49.3.307

[국내논문] 음극 아크 증착으로 제조된 AlTiN 박막의 특성
Properties of AlTiN Films Deposited by Cathodic Arc Deposition 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.49 no.3, 2016년, pp.307 - 315

양지훈 (포항산업과학연구원 소재이용연구그룹) , 김성환 (포항산업과학연구원 소재이용연구그룹) , 송민아 (포항산업과학연구원 소재이용연구그룹) , 정재훈 (포항산업과학연구원 소재이용연구그룹) , 정재인 (포항산업과학연구원 소재이용연구그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

The properties of AlTiN films by a cathodic arc deposition process have been studied. Oblique angle deposition has been applied to deposit AlTiN films. AlTiN films have been deposited on stainless steel (SUS304) and cemented carbide (WC) at a substrate temperature of $500^{\circ}C$. AlTiN films were analyzed by scanning electron microscopy, glow-discharge light spectroscopy, micro-vickers hardness, and nanoindenter. When applying a current of 50 A to the cathodic arc source, it showed that the density of macroparticle of AlTiN films was 5 lower than other deposition conditions. With the increase of the bias voltage applied to the substrate up to -150 V, the density of macroparticle was decreased. The change of the $N_2$ flow rate during coating process made no influence on the film properties. For the multi-layered films, the film prepared at oblique angle of $60^{\circ}$ showed the highest hardness of 28 GPa and $H^3/E^2$ index of 0.18. AlTiN films have been shown a good oxidation resistance up to $800^{\circ}C$.

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AI 본문요약
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문제 정의

음극 아크 증착을 이용하여 공정변수에 따른 AlTiN 박막을 제조하고 그 특성을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

이러한 연구 결과를 바탕으로 본 연구에서는 음극 아크 증착을 이용하여 공정 변수에 따른 AlTiN 박막의 특성을 평가하였다. 특히 음극 아크 증착의 단점인 거대입자의 밀도를 낮추기 위한 공정 도출 그리고 Al 함량이 높은 박막 코팅 시 공정 변수가 내열성에 미치는 영향을 확인하였다. 또한 빗각증착 적용에 의한 박막의 물리적 특성 변화를 분석하였다.
특히 음극 아크 증착의 단점인 거대입자의 밀도를 낮추기 위한 공정 도출 그리고 Al 함량이 높은 박막 코팅 시 공정 변수가 내열성에 미치는 영향을 확인하였다. 또한 빗각증착 적용에 의한 박막의 물리적 특성 변화를 분석하였다.

대상 데이터

기판홀더는 음극 아크 소스와 약 30 cm 거리에 위치해 있다. 타겟 조성은 Al-25at.%Ti과 Al-30at.%Ti 두가지를 사용하였고, 기판은 크기가 75 × 35 mm² 인 스테인리스 강판(SUS304)과 50 × 20 mm²인 초경합금(cemented carbide; WC-10 wt.%Co) 등 두 가지를 사용하였다.

데이터처리

본 논문에서 빗각이 적용 된 다층구조의 표기의 편의를 위해 ‘각도°+ Bias/Bias/Bias/Bias’으로 표현하였으며 Bias는 기판에 인가된 음의 직류 전압을 의미한다. AlTiN 박막의 표면과 단면 형상은 주사전자현미경 (scanning electron microscope; SEM, S-4300SE)과 투과 전자현미경(transmission electron microscopy; TEM)을 이용하여 관찰하였고, 글로우방전분광기(glow discharge light spectroscopy; GDLS)를 이용하여 박막의 성분을 분석하였다. 경도(hardness)는 초미소경도(micro-vickers hardness: Hv) 분석기와 나노인덴터(nanoindenter)로 측정하였다.
AlTiN 박막의 표면과 단면 형상은 주사전자현미경 (scanning electron microscope; SEM, S-4300SE)과 투과 전자현미경(transmission electron microscopy; TEM)을 이용하여 관찰하였고, 글로우방전분광기(glow discharge light spectroscopy; GDLS)를 이용하여 박막의 성분을 분석하였다. 경도(hardness)는 초미소경도(micro-vickers hardness: Hv) 분석기와 나노인덴터(nanoindenter)로 측정하였다. 거대입자 밀도는 이미지프로세싱 프로그램으로 계산하여 분율로 나타내었다[11].
경도(hardness)는 초미소경도(micro-vickers hardness: Hv) 분석기와 나노인덴터(nanoindenter)로 측정하였다. 거대입자 밀도는 이미지프로세싱 프로그램으로 계산하여 분율로 나타내었다[11].

성능/효과

본 연구를 통해 음극 아크 소스를 이용하여 AlTiN 박막을 제조할 시 생성되는 거대입자를 현저하게 줄일 수 있는 공정을 도출하였으며, 빗각을 적용하여 제조된 다층구조의 박막 분석을 통해서 물리적 특성을 향상시킬 수 있는 가능성을 확인하였다. 하지만 빗각이 적용된 다층구조 박막의 물성 향상 기구를 이해하기 위해서 다양한 연구와 보다 깊은 고찰이 필요할 것으로 판단되며 향후 이에 대한 추가적인 연구를 진행할 예정이다.

후속연구

3. 60°의 빗각을 적용하여 제조한 다층구조의 AlTiN 박막이 상대적으로 높은 경도와 신뢰성 지수를 보여 빗각이 적용된 다층구조가 기존 박막과 비교하여 박막의 응력을 완화시키고 물성을 증가시켜 절삭공구에 적용한다면 내구성 향상에 기여할 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 음극 아크 소스를 이용하여 AlTiN 박막을 제조할 시 생성되는 거대입자를 현저하게 줄일 수 있는 공정을 도출하였으며, 빗각을 적용하여 제조된 다층구조의 박막 분석을 통해서 물리적 특성을 향상시킬 수 있는 가능성을 확인하였다. 하지만 빗각이 적용된 다층구조 박막의 물성 향상 기구를 이해하기 위해서 다양한 연구와 보다 깊은 고찰이 필요할 것으로 판단되며 향후 이에 대한 추가적인 연구를 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	음극 아크 증착 공정의 장점은?	절삭공구에 경질 피막을 코팅하기 위한 방법에는 화학기상증착(chemical vapor deposition; CVD)과 물리기상증착(physical vapor deposition; PVD)이 대표적이며, 물리기상증착 방법 중 하나인 음극 아크 증착(cathodic arc deposition; CAD)이 최근 경질 피막 코팅에 가장 많이 사용되는 방법이다. 음극 아크 증착 공정은 타 공정에 비해 증착속도가 빠르고 높은 이온화율을 가지고 있기 때문에 반응성 코팅에 유리하고, 박막과 기판의 밀착력이 우수하며 박막의 구조가 치밀하다는 장점을 가지고 있다[4-5]. 하지만 코팅 공정 중 타겟이 국부적으로 용해되어 거대입자가 형성되고 코팅 박막에 증착되어 박막의 특성을 저하시키는 단점[6]을 가지고 있어 이를 해결하기 위한 다양한 연구가 진행 중이다.
	음극 아크 증착 공정의 단점은?	음극 아크 증착 공정은 타 공정에 비해 증착속도가 빠르고 높은 이온화율을 가지고 있기 때문에 반응성 코팅에 유리하고, 박막과 기판의 밀착력이 우수하며 박막의 구조가 치밀하다는 장점을 가지고 있다[4-5]. 하지만 코팅 공정 중 타겟이 국부적으로 용해되어 거대입자가 형성되고 코팅 박막에 증착되어 박막의 특성을 저하시키는 단점[6]을 가지고 있어 이를 해결하기 위한 다양한 연구가 진행 중이다.
	빗각증착이란?	빗각증착(oblique angle deposition; OAD)법은 타겟에서 기화된 증기가 기판과 수직하게 입사하는 일반적인 증착과 달리 기판과 비스듬한 각도로 입사하도록 조절하여 박막을 형성하는 방법이다. 이러한 빗각증착은 박막의 형상이나 조직을 제어하기 위한 공정으로 활용되고 있다.

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