[논문]광통신용 글라스렌즈 성형 금형의 이형성 코팅에 관한 연구

정운조; 조재철

doi:10.5370/kiee.2017.66.6.962

광통신용 글라스렌즈 성형 금형의 이형성 코팅에 관한 연구
A Study on the Anti-Stiction Coating of Glass Lens Mold for Optical Communication 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.66 no.6, 2017년, pp.962 - 967

정운조 (Dept. of Information Telecommunications, Chosun College of Science & Technology) , 조재철 (Dept. of Electrical Engineering, DongShin University)

Abstract ▼ AI-Helper

The Diamond-Like-Carbon (DLC) coating is a new carbon-based amorphous material. Carbon ions in the plasma are electrically accelerated and collide with the substrate to form a thin film. This film has similar properties to diamonds such as high surface hardness, low coefficient of friction, corrosion resistance and durability that do not react with acids and bases. Also, since there is no thermal deformation, it can be printed at room temperature. and coated on almost all materials such as paper, polymer, ceramics and various metals even aspheric lens it is possible to mirror surface coating with excellent surface roughness. In this paper, we have analyzed the DLC film formed by Filtered Arc Ion Plating (Filtered AIP) process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 가장 치밀한 DLC 층을 구현할 수 있는 Filtered Vacuum Arc 법[3-4]과 가장 뛰어난 부착력을 얻을 수 있는 Ion Plating 법의 장점을 모두 갖는 Filtered Arc Ion Plating (Filtered AIP) 공정[5-6]으로 광통신용으로 사용이 가능한 글라스 렌즈 금형의 표면 개질용 코팅 특성을 분석하고자 하였다.
DLC 코팅이 비구면 렌즈 성형용 코어에 적용되기 위해서는 대단히 낮은 표면 조도(Roughness) 값이 요구된다. 본 연구에서는 약 10[nm] (Ra) 이하의 표면조도 값을 목표로 하였는데, 측정결과 이보다 훨씬 뛰어난 약 3[nm] 이하의 Ra 값을 얻을 수 있었으며 그림 6, 그림 7에 나타내었다. 따라서 본 연구에서 개발된 DLC 코팅은 광통신용 글라스렌즈로 적합하다고 할 수 있다.

제안 방법

광통신용으로 사용이 가능한 글라스 렌즈 금형을 Filtered Arc Ion Plating(Filtered AIP) 공정으로 성막하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 DLC 박막을 형성하면서 동시에 DC bias를 기판에 인가하여 부착력 향상을 시도하였으며, 코팅층의 부착력 측정은 Scratch Tester (REVETEST-RST, Swiss)를 사용하여 동일한 샘플에 대하여 반복 측정하였고, 이때 인가된 DC bias는 0 ~ -150[V]로 하였다. 가장 뛰어난 부착력은 그림 3에 나타내었듯이 -125[V] 바이어스하에서 40[N]의 부착력을 가짐을 알 수 있었다.
본 연구에서는 기판의 표면 불순물을 제거하기 위해 WC 기판을 실온에서 약 10[min] 동안 HNO₃에 담근 후 deionized water로 세척하고 다시 NaOH에 1일 정도 담갔다가 deionized water로 세척한 뒤 acetone과 ethanol을 이용한 표면 세척 후 마지막으로 초음파 세척기로 60[℃] 온도에서 30[min] 세척하였다. 세척 완료 후 대류 오븐에서 충분히 건조시킨 후 기판을 장착하여 Filtered AIP System(Iysis, I60F4, 한국)을 사용하여 DLC coating을 하였다.
에 담근 후 deionized water로 세척하고 다시 NaOH에 1일 정도 담갔다가 deionized water로 세척한 뒤 acetone과 ethanol을 이용한 표면 세척 후 마지막으로 초음파 세척기로 60[℃] 온도에서 30[min] 세척하였다. 세척 완료 후 대류 오븐에서 충분히 건조시킨 후 기판을 장착하여 Filtered AIP System(Iysis, I60F4, 한국)을 사용하여 DLC coating을 하였다.
시료의 경도를 분석하기 위해 모든 조건은 동일하게 하고 deposition time만 40[min], 50[min], 150[min]으로 변화시켜 시료를 제작하여 분석하였으며, 사용된 기기는 Nano Indentor (MTS사, G200, XP Berkovich Tip, diamond, 20nm radius)이었으며 이를 사용하여 측정된 경도의 변화를 그림 4에 나타내었다. 이 결과로부터 deposition time을 40[min], 50[min], 150[min] 변화시킨 결과 평균 경도는 각각 43.

성능/효과

DLC 박막의 평균 부착력은 -125[V] 바이어스 하에서 40[N] 의 부착력을 가지며, 경도는 20[GPA]이상, 성막된 막의 표면조도는 3[nm]이하, 평균 마찰력은 0.149로 렌즈의 변형을 초래하지 않는 범위의 값을 가졌다. 바이어스 전압의 변화에 대한 박막의 표면상태는 큰 변화를 나타내지 않았으며 박막의 두께 변화는 약 10~20[nm] 정도의 미세한 변화가 있었지만 성형 시 글라스렌즈의 특성에는 별다른 영향이 없을 것으로 판단된다.
DLC(Diamond-Like-Carbon)코팅은 비결정질의 탄소계 신소재로써 플라즈마 중의 탄소이온이 전기적으로 가속하여 기판에 충돌시켜 만들어진 박막 모양의 물질로서 높은 표면 경도와 낮은 마찰계수, 酸이나 염기에 반응하지 않는 내부식성 및 이형성 등 다이아몬드와 비슷한 물성을 가지고 있어 Diamond-Like Carbon이라 한다.[1] 또한 열적 변형 없이 상온에서의 합성이 가능하므로 기판의 제한 없이 종이, polymer, 세라믹스, 각종 금속에 이르기까지 거의 모든 재료에 코팅이 가능하며 비구면 렌즈에도 우수한 표면 조도를 가지는 경면 코팅이 가능하다.[2]
본 연구에서는 약 10[nm] (Ra) 이하의 표면조도 값을 목표로 하였는데, 측정결과 이보다 훨씬 뛰어난 약 3[nm] 이하의 Ra 값을 얻을 수 있었으며 그림 6, 그림 7에 나타내었다. 따라서 본 연구에서 개발된 DLC 코팅은 광통신용 글라스렌즈로 적합하다고 할 수 있다.
본 공정에 사용하는 그라파이트 타겟은 그 재질이 단단하지 않아서 공정횟수가 증가할수록 소모가 심해져 형성되는 박막의 두께에 변화가 있을 수 있다. 따라서, 그림 9에 공정횟수별 DLC 박막의 두께변화를 보였는데, 77.4[nm], 87.3[nm], 101[nm] 등 약 10~20[nm] 정도의 미세한 두께 변화가 관찰되었지만 이는 성형시 광통신용 글라스 렌즈의 특성에는 별다른 영향이 없을 것으로 판단된다.

후속연구

본 논문에서는 글라스렌즈 금형만을 DLC 코팅 대상으로 선정하였지만, 이러한 결과를 활용하면 자동차용 정밀 부품이나 의료용 코팅 등으로도 적용 분야를 확대할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DLC 박막 코팅 시 사용한 기판은 무엇인가?	DLC 박막 코팅 시 사용한 기판은 초경 합금(WC)이며, 기판의 표면 세척 정도는 박막의 성장과 부착력에 큰 영향을 끼치기 때문에 완벽한 세척을 하여야 한다. 불완전한 세척은 막의 부착력 약화, 잔류 기공 클러스터 등의 여러 가지 문제를 발생하게 된다.
	DLC(Diamond-Like-Carbon)코팅의 특징은?	DLC(Diamond-Like-Carbon)코팅은 비결정질의 탄소계 신소재로써 플라즈마 중의 탄소이온이 전기적으로 가속하여 기판에 충돌시켜 만들어진 박막 모양의 물질로서 높은 표면 경도와 낮은 마찰계수, 酸이나 염기에 반응하지 않는 내부식성 및 이형성 등 다이아몬드와 비슷한 물성을 가지고 있어 Diamond-Like Carbon이라 한다.[1] 또한 열적 변형 없이 상온에서의 합성이 가능하므로 기판의 제한 없이 종이, polymer, 세라믹스, 각종 금속에 이르기까지 거의 모든 재료에 코팅이 가능하며 비구면 렌즈에도 우수한 표면 조도를 가지는 경면 코팅이 가능하다.
	DLC 박막 코팅 시, 기판의 불완전한 표면 세척은 어떤 문제를 발생시키는가?	DLC 박막 코팅 시 사용한 기판은 초경 합금(WC)이며, 기판의 표면 세척 정도는 박막의 성장과 부착력에 큰 영향을 끼치기 때문에 완벽한 세척을 하여야 한다. 불완전한 세척은 막의 부착력 약화, 잔류 기공 클러스터 등의 여러 가지 문제를 발생하게 된다.[7]

참고문헌 (9)

Nikkan Kogyo Shimbun, "DLC Deposition Technology", pp.1-34, 2007.
Young Ha, Jun, "Diamond-like Carbon Film", Physics & High Technology, Mar., pp.9-14, 2003.
Soon Sub Park and Jong Ho Won, "A Research on DLC Thin Film Coating of a SiC Core for Aspheric Glass Lens Molding", J. of Korean Society of Precision Eng., Vol. 27, No. 12, pp.28-32, 2010.
F. Sanchette, C. Ducros, T. Schmitt, P. Steyer, A. Billard, "Nanostructured Hard Coatings Deposited by Cathodic Arc Deposition : From Concepts to Applications", Surface & Coatings Technology, 205(2011), 5444-5453.

상세보기
J. Vetter, "60 Years of DLC Coatings : Historical Highlights and Technical Review of Cathodic Arc Process to Synthesize Various DLC Types, and their Evolution for Industrial Applications", Surface & Coatings Technology, 257(2014) 213-240.

상세보기
Min-woo Cheon, Yong-pil Park, Tae-gon Kim, and Ho-shik Lee, "Characterisric of DLC Thin Film Fabricated by FVAS Method on Tungsten Carbide", J. KIEEME, Vol. 24, No. 10, 10, pp.812-816, 2011.
Krishna Seshan, "Handbook of Thin Film Deposition", pp.287-317, 2002.
Hyun Uk Kim, Sang Hwa Jeong, Yong Pil Park, Sang Suk Kim, Hye Jeong Kim and Jeong Ho Kim, "DLC Coating Effect of WC Core Surface for Glass Molding Lens", J. of KIEEME, Vol. 19, No. 11, pp.1050-1054, 2006.
Hyun Uk Kim, Du Hwan Cha, Dong Gil Lee, Sang Suk Kim, Hye Jeong Kim and Jeong Ho Kim, "Optical Properties of Aspheric Glass Lens using DLC Coated Molding Core", Korean J. Opt. Photon (Hankook Kwanghak Hoeji), Vol. 18, No, 5, pp. 362-366, 2007.

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