[논문]곡면 커버 글라스용 금형 코팅을 위한 CVD-SiC 기반 세라믹 복합체의 두께에 따른 특성 연구

김경호; 정성민; 이명현; 배시영

doi:10.5695/jkise.2019.52.6.310

곡면 커버 글라스용 금형 코팅을 위한 CVD-SiC 기반 세라믹 복합체의 두께에 따른 특성 연구
Thickness Dependence of CVD-SiC-Based Composite Ceramic for the Mold of the Curved Cover Glass 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.52 no.6, 2019년, pp.310 - 315

김경호 (한국세라믹기술원 에너지환경본부) , 정성민 (한국세라믹기술원 에너지환경본부) , 이명현 (한국세라믹기술원 에너지환경본부) , 배시영 (한국세라믹기술원 에너지환경본부)

Abstract ▼ AI-Helper

The use of a silicon carbide (SiC)-based composite ceramic layer for the mold of a curved cover glass was demonstrated. The stress of SiC/VDR/graphite-based mold structure was evaluated via finite element analysis. The results revealed that the maximum tensile stress primarly occured at the edge region. Moreover, the stress can be reduced by employing a relatively thick SiC coating layer and, therefore, layers of various thicknesses were deposited by means of chemical vapor deposition. During growth of the layer, the orientation of the facets comprising the SiC grain became dominant with additional intense SiC(220) and SiC(004). However, the roughness of the SiC layer increased with increasing thickness of the layer and. Hence, the thickness of the SiC layer needs to be adjusted by values lower than the tolerance band of the curved cover glass mold.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Schematic illustration of chemical vapor deposition equipment for SiC coating.
그림 Fig. 3. An exmaple of stress distribution of (a) three dimensional cylindrical model and (b) two dimensional structure.
그림 Fig. 2. (a) Structure of SiC/VDR/graphite layer and (b) corresponding two dimensional mesh model.
표 Table 1. Parameter values used in stress simulation
그림 Fig. 4. Plot of maximum tensile stress as a function of (a) radius and (b) thickness in the SiC-coated mold.
그림 Fig. 5. (a-c) Top view and (d-f) cross-sectional view of SEM images for Sample A(VDR), Sample B (CVD), and Sample C (CVD), respectively.
그림 Fig. 6. XRD 2theta scan of Sample A (VDR), Sample B (CVD), Sample C (CVD).
그림 Fig. 7. Cross-sectional EDX mapping image for (a) Sample A (VDR), (b) Sample B (CVD), (c) Sample C (CVD) and (d) plot of the composition for Si and C elements.
그림 Fig. 8. Raman spectra of Sample A (VDR), Sample B (CVD), and Sample C (CVD).
그림 Fig. 9. Roughness distribution of Sample A (VDR), Sample B (CVD), and Sample C (CVD).

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 곡면 커버 글라스를 위한 금형의 코팅층으로 사용되기 위해 흑연 표면에 부착력이 향상된 VDR 기반 탄화규소 조성층을 증착시키고, CVD를 이용하여 SiC 박막 두께에 따른 표면 특성 분석을 통해 금형의 내구성을 더욱 향상시킬 수 있는 코팅층에 대하여 보고한다.

가설 설정

3. An exmaple of stress distribution of (a) three dimensional cylindrical model and (b) two dimensional structure.

제안 방법

상기와 같이 EDX 맵핑을 통한 조성 분석을 하는 경우 조성의 존재 유무에 따른 분포는 확인은 가능하나 원소의 정량 분석은 단위 면적당 차지하는 비율로 진행되는 방식으로 인해 정확성은 매우 떨어진다. SiC 코팅층의 두께가 변화하였다면, 이에 따른 광학적 특성이 변화할 수 있기 때문에 그림 8에서 라만분석을 실시하였다. 대조군인 VDR 시료는 1580 cm^-1 부근에서 G(Graphite) 피크, 1340 cm^-1 부근에서 D(Diamond) 피크를 나타내었다.
SiC 성장 온도는 1300°C, 압력은 20 Torr로 유지시켰다. SiC 코팅층의 두께를 조절하기 위하여 Sample B는 1시간, Sample C는 8시간 동안 성장을 진행하였다. 성장된 코팅층의 두께 및 미세구조는 전계 방사 전자현미경 (Field-emission scanning electron microscopy,FE-SEM)을 통해 관찰하였다.
계산의 효율화를 위하여 2차원 축대칭모델을 적용하여 σ3=0, σ31=σ23=0 일 때 유한요소해석을 하였다.
곡면 커버 글라스를 위한 금형의 코팅층으로 사용되기 위한 SiC/VDR 복합세라믹 코팅층의 물성을 확인하였다. SiC/VDR/흑연의 구조를 가정한 유한요소 해석을 통해 코팅층의 직경이 커질수록 가장자리에서 높은 인장 응력이 발생하는 것을 확인하였고, 이를 완화하기 위해서 두꺼운 SiC 코팅층이 유효할 수 있음을 확인하였다.
그림 1은 본 실험에서 사용된 CVD 시스템의 개략도이다. 반응로(reactor)의 구조는 저항가열을 통한 열벽(hot wall) 수평형 전기로방식을 채택하였다. 성장시 이용한 전구체는 MTS(Sigma-Aldrich, 미국)를 버블링(bubbling) 하여 사용하였다.
SiC/VDR/흑연의 구조를 가정한 유한요소 해석을 통해 코팅층의 직경이 커질수록 가장자리에서 높은 인장 응력이 발생하는 것을 확인하였고, 이를 완화하기 위해서 두꺼운 SiC 코팅층이 유효할 수 있음을 확인하였다. 실험적으로 VDR 시료 위에 CVD를 이용하여 각각 다른 두께의 SiC코팅층을 형성하였다. 1300°C의 성장 온도에서 성장시간이 지날수록 성장두께가 증가함에 따라 코팅층의 SiC(220) 및 SiC(004)면이 안정화되는 배향특성을 보였다.
우선, 흑연 위에 증착되는 코팅층에 대한 응력 변화를 확인하기 위하여 COMSOL 시뮬레이터를 이용하여 유한요소 모델링 및 해석을 진행하였다. 그림 2(a)는 흑연, VDR 기반 Si 코팅층, SiC 코팅층에 대한 구조도이며, 그림 2(b)는 2차원 구조도에 대한 메쉬 구성을 나타낸다.
이 때 순도 99%이상의 Si 파우더를 박스형 소결로(furnace)에 장입하여 반응온도 1300°C, 반응시간 30분, Ar 분위기에서의 반응압력 10--1 Torr의 조건으로 반응을 진행하였다.
이러한 응력 해석 결과를 기반으로 기존의 VDR 코팅층에 다양한 두께의 SiC 코팅층을 CVD를 이용하여 증착하였다. 그림 5는 VDR 위에 성장된 SiC 코팅층의 단면 및 표면에서의 전자현미경 사진이며, 그림 5(a-c)의 내부 이미지는 실제 성장된 SiC 코팅층의 카메라 사진이다.
표면의 거칠기는 조도기로 측정되었으며, 광학적 특성은 라만분광법(Raman spectroscopy)을 이용하여 측정하였다. 증착된 SiC 코팅층 결정 배향성은 엑스선회절(X-ray diffraction, XRD)을 통해 확인하였다.

대상 데이터

SiC 코팅층의 두께가 변화하였다면, 이에 따른 광학적 특성이 변화할 수 있기 때문에 그림 8에서 라만분석을 실시하였다. 대조군인 VDR 시료는 1580 cm^-1 부근에서 G(Graphite) 피크, 1340 cm^-1 부근에서 D(Diamond) 피크를 나타내었다. 특히 G피크의 강도가 높았으며, SiC에 해당하는 녹색 점선 부군의 피크는 매우 약하게 나타났다.
성장된 시료는 25 mm × 25 mm × 5 mm 크기의 VDR 시료를 사용하였다.
반응로(reactor)의 구조는 저항가열을 통한 열벽(hot wall) 수평형 전기로방식을 채택하였다. 성장시 이용한 전구체는 MTS(Sigma-Aldrich, 미국)를 버블링(bubbling) 하여 사용하였다. 이 때 수소가스를 MTS와 1:1로 혼합하여 반응로 내부로 운반 시켰다.
이 때 수소가스를 MTS와 1:1로 혼합하여 반응로 내부로 운반 시켰다. 시료의 지지대는 약 30^o 기울어진 흑연 소재를 사용하였다. 성장된 시료는 25 mm × 25 mm × 5 mm 크기의 VDR 시료를 사용하였다.

데이터처리

SiC 코팅층의 두께를 조절하기 위하여 Sample B는 1시간, Sample C는 8시간 동안 성장을 진행하였다. 성장된 코팅층의 두께 및 미세구조는 전계 방사 전자현미경 (Field-emission scanning electron microscopy,FE-SEM)을 통해 관찰하였다. 표면의 거칠기는 조도기로 측정되었으며, 광학적 특성은 라만분광법(Raman spectroscopy)을 이용하여 측정하였다.

이론/모형

SiC 코팅은 두 가지 방법, 즉 VDR법과 CVD법으로 진행하였다. Sample A의 경우 흑연 블록 위에 VDR법을 이용하여 SiC층을 형성시켰다.
성장된 코팅층의 두께 및 미세구조는 전계 방사 전자현미경 (Field-emission scanning electron microscopy,FE-SEM)을 통해 관찰하였다. 표면의 거칠기는 조도기로 측정되었으며, 광학적 특성은 라만분광법(Raman spectroscopy)을 이용하여 측정하였다. 증착된 SiC 코팅층 결정 배향성은 엑스선회절(X-ray diffraction, XRD)을 통해 확인하였다.

성능/효과

1300°C의 성장 온도에서 성장시간이 지날수록 성장두께가 증가함에 따라 코팅층의 SiC(220) 및 SiC(004)면이 안정화되는 배향특성을 보였다.
보다 정량적인 해석을 위해서 그림 3(b)와 같이 증착층의 단면에 대하여 응력 변화를 확인하였다. SiC 코팅층의 표면을 기준으로 중앙에서는 압축응력, 모서리 부근에서는 인장응력이 강하게 작용함을 확인하였다. 그림 4은 코팅 소재의 크기 및 두께에 따라 나타나는 응력의 변화를 보여주는 그래프이다.
곡면 커버 글라스를 위한 금형의 코팅층으로 사용되기 위한 SiC/VDR 복합세라믹 코팅층의 물성을 확인하였다. SiC/VDR/흑연의 구조를 가정한 유한요소 해석을 통해 코팅층의 직경이 커질수록 가장자리에서 높은 인장 응력이 발생하는 것을 확인하였고, 이를 완화하기 위해서 두꺼운 SiC 코팅층이 유효할 수 있음을 확인하였다. 실험적으로 VDR 시료 위에 CVD를 이용하여 각각 다른 두께의 SiC코팅층을 형성하였다.
VDR의 미세구조는 1 µm 이하의 둥근 그레인(grain)들로 구성된 반면, CVD를 통한 SiC 코팅층은 점차피라미드 모양의 면(facet)으로 발달되는 것을 확인하였다.
그러나, 약 50 µm 두께의 SiC 코팅층을 성장시키면 표면 조도값이 ~1 µm에 육박함을 확인하였다.
그러나, 약 50 µm 두께의 SiC 코팅층을 성장시키면 표면 조도값이 ~1 µm에 육박함을 확인하였다. 따라서, SiC/VDR 복합세라믹 코팅층의 효율적인 활용을 위하여 금형의 공차 범위 내에서 SiC 코팅층의 두께가 제어될 필요성이 있음을 확인하였다.
이 때, VDR 층의 두께는 5 µm, 반지름의 크기는 50 µm로 고정하였다. 따라서, 코팅층의 두께가 얇아질수록 박막의 응력차에 의한 파괴가 쉽게 일어날 수 있으므로, 일정 두께 이상의 코팅층을 성장시키는 것이 유리함을 확인하였다.
이러한 결과는 그림 5의 표면 전자현미경 사진에서 관측된 결과와 잘 일치한다. 또한, CVD의 성장시간을 증가시키게 되면 조도의 최소 및 최대 분포가 점차 커지는 것을 확인하였다. 이를 통해 볼 때, 곡면 커버 글라스를 위한 금형의 SiC 코팅 소재는 내마모성을 향상시킬 수 있으나 성형된 글라스의 표면 거칠기 감소를 위하여 CVD 성장 두께를 일정 수준 이하로 제어시켜 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
육안을 통해 볼 때, VDR 코팅층은 거울면과 유사한 은색 빛을 띠며, CVD를 통한 SiC 코팅층의 두께가 증가됨에 따라 점점 회색 빛을 띠게 됨을 확인하였다.
이 때, SiC 코팅층의 두께는 1 µm, VDR 층의 두께는 5 µm로 고정하였다. 이를 통해, 샘플의 넓이가 커지면 최대 인장응력이 서서히 증가하여 모서리 근방에서 코팅층이 쉽게 벗겨지거나, 외부 충격에 대한 파손이 쉽게 발생할 수 있음을 확인하였다. 한편, SiC 코팅층의 두께를 1, 10, 100 µm로 증가시키면 그림 4(b)에서 보여지는 바와 같이 인장응력은 201.
대조군인 VDR 시료는 1580 cm^-1 부근에서 G(Graphite) 피크, 1340 cm^-1 부근에서 D(Diamond) 피크를 나타내었다. 특히 G피크의 강도가 높았으며, SiC에 해당하는 녹색 점선 부군의 피크는 매우 약하게 나타났다. 반편, CVD1과 CVD2 시료에서는 성장시간이 증가됨에 따라 G 및 D 피크는 거의 관측 되지 않았다.
평균 조도값을 볼 때 VDR(0.21 µm), CVD(0.54 µm), CVD2(1.0 µm)로 점차 표면 거칠기가 증가 하는 것을 확인하였다.

후속연구

또한, CVD의 성장시간을 증가시키게 되면 조도의 최소 및 최대 분포가 점차 커지는 것을 확인하였다. 이를 통해 볼 때, 곡면 커버 글라스를 위한 금형의 SiC 코팅 소재는 내마모성을 향상시킬 수 있으나 성형된 글라스의 표면 거칠기 감소를 위하여 CVD 성장 두께를 일정 수준 이하로 제어시켜 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	곡면 커버 글라스 제작 공정시 발생하는 문제는?	곡면 커버 글라스 제작 공정은 글라스 커팅(Cutting), 금형(Mold)제작, 성형, 연마, 강화, 그리고 인쇄 및 합지의 순서로 진행된다[2]. 이러한 제작 과정 중에 발생하는 금형의 마모 및 분진은 곡면 글라스의 결함으로 전사될 가능성이 높다. 연마를 통해 성형 단계에서 발생하는 글라스의 표면을 다시 매끄럽게 만들 수 있으나, 이는 공정 단가를 높이는 문제를 유발한다. 따라서, 내구성이 높은 금형 소재의 적용을 통해, 후속 공정에서 발생하는 수율 저하 및 추가 공정발생을 억제할 필요가 있다.
	취약한 내마모성을 보완하기 위한 방법은?	그러나, 흑연은 1~2 사이의 낮은 모스경도를 갖고, 700oC 이상의 고온에서 쉽게 이산화탄소 형태로 쉽게 산화되는 특성을 갖는다. 따라서, 글라스 성형 조건인 고온에서의 취약한 내마모성을 보완하기 위하여 확산침투법(Pack cementation)이나 화학기상침투(Chemical vapor infiltration) 등의 다양한 표면 코팅을 통해 산화를 방지하는 방법들이 사용되어 왔다[5,6]. 이러한 내산화 코팅재료는 흑연과 열팽창계수가 유사하고 열분해 온도가 높으며 내마모성, 내약품성 등이 뛰어난 소재의 적용이 필요하다.
	흑연의 구조는 어떠한가?	현재 산업에서 적용하고 있는 곡면 커버 글라스제작을 위해 보편적으로 사용하는 금형 소재는 흑연(Graphite)이다. 흑연은 탄소 여섯 개의 고리가 연결되어 층을 이룬 모양으로, 수직방향 거리는0.67 nm, 탄소간 결합 길이는 0.142 nm, 단위격자 내에서 격자 상수는 0.2456 nm이다[3]. 흑연은 글라스 성형을 위해서 필요한 최소 온도인 700oC 이상의 온도에서 내열성을 갖는다.

참고문헌 (13)

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상세보기
H. O. Pierson, Handbook of carbon, graphite, diamond, and fullerenes, H. O. Pierson, William Andrew, New York (1993) 59.
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K.-K. Lee, J.-H. Kim, D.-K. Kim, Mechanical properties of chemical vapor deposited SiC coating layer, Journal of the Korean Ceramic Society 43, (2006) 492-497.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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