[논문]Cu 첨가가 Mo-Cu-N 코팅의 미세구조와 기계적 특성에 미치는 영향

김수빈; 윤혜원; 이한찬; 문경일; 홍현선

doi:10.5695/jkise.2019.52.4.227

Cu 첨가가 Mo-Cu-N 코팅의 미세구조와 기계적 특성에 미치는 영향
Effects of Cu Addition on Microstructural and Mechanical Properties of Mo-Cu-N Coatings 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.52 no.4, 2019년, pp.227 - 232

김수빈 (성신여자대학교 청정융합과학과) , 윤혜원 (한국생산기술연구원 열처리그룹) , 이한찬 (한국생산기술연구원 열처리그룹) , 문경일 (한국생산기술연구원 열처리그룹) , 홍현선 (성신여자대학교 청정융합과학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Mo-N based coatings have been studied for enhancing mechanical characteristics of thin films. In the case of Mo-X-N coatings, the microstructure and mechanical properties can be affected by the addition of the third element. In this work, Mo-Cu-N coatings were successfully fabricated with varying the Cu content from 4.5 at% to 31 at% by the co-sputtering method. Thus, properties of the coatings were analyzed by EDS, SEM, XRD, AFM, nano indentation and scratch test techniques. From observed results, MoxN bonds were made in a nitrogen atmosphere and Cu elements were present at grain boundaries. In addition, coatings with the Cu content above 14 at% had a Cu3N peak in the XRD results. Thus, it is suggested that the formation of Cu3N phase affected the microstructure and mechanical properties of Mo-Cu-N coatings. Mechanical properties of Mo-Cu-N coatings were found to be relatively better at Cu content of about 12 at%.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Composition of Mo-Cu-N Coatings with various sputter powers of Cu Target analyzed by EDS
표 Table 1. Experimental conditions for Mo-Cu-N depositions
그림 Fig. 2. XRD patterns of Mo-Cu-N coatings with different Cu contents
그림 Fig. 3. Surface and Cross image of Mo-Cu-N Coatings with various Cu contents (a) 4.5 at%, (b)7.5 at%, (c)12 at%, (d)14 at%, (e)16.5 at%, (f)20.4 at%, (g)26.3 at%, (h)30.8 at%
표 Table 2. Cu and Mo content of Mo-Cu-N coatings
그림 Fig. 4. The 3D AFM images (500nm × 500nm) of Mo-Cu-N coatings (a) 4.5 at%, (b)7.5 at%, (c)12 at%, (d)14 at%, (e)16.5 at%, (f)20.4 at%, (g)26.3 at%, (h)30.8 at%
그림 Fig. 5. Micro hardness and Elastic modulus of Mo-Cu-N coatings with various Cu contents.
그림 Fig. 6. Scratch test Results of Mo-Cu-N coatings with various Cu contents.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 co-sputter 방식으로 다양한 Cu 함량을 갖는 Mo-Cu-N 박막을 제작하였고, Cu의 함량이 Mo-Cu-N 박막에 미치는 영향을 확인하기 위해 미세구조와 기계적 특성을 비교 분석하였다. 증착 된 Mo-Cu-N 박막은 SEM, XRD, AFM 및 Nano-indentation 분석을 통해 박막의 미세구조와 기계적 특성을 비교하였다.

제안 방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용 하여 Mo타겟의 전력은 고정시키고 Cu 타겟의 전력을 변화시키면서 다양한 Cu 함량(약 4.5 at% -31 at%)을 가진 Mo-Cu-N 박막을 제작하였고 미세 구조 및 기계적 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 co-sputter 방식으로 다양한 Cu 함량을 갖는 Mo-Cu-N 박막을 제작하였고, Cu의 함량이 Mo-Cu-N 박막에 미치는 영향을 확인하기 위해 미세구조와 기계적 특성을 비교 분석하였다. 증착 된 Mo-Cu-N 박막은 SEM, XRD, AFM 및 Nano-indentation 분석을 통해 박막의 미세구조와 기계적 특성을 비교하였다.

대상 데이터

본 실험은 Mo, Cu 3-inch 타겟을 사용하여 다양한 전력 (0.125 kW, 0.15 kw, 0.175 kW, 0.20 kW, 0.225 kW, 0.25 kW, 0.275 kW, 0.30 kW)에서 co-sputter 방식으로 Mo-Cu-N 박막을 증착 하였다. Sputter 공정은 2 cm × 2 cm Si wafer, SCM415 원형 시편 위에서 진행되었다. 표 1에 실험조건을 정리하였다.

이론/모형

그림 3은 Cu 함량에 따른 Mo-Cu-N 박막의 표면 및 단면을 주사전자현미경으로 분석한 결과이다. 정확한 결정립 크기 확인을 위하여 XRD 결과를 바탕으로 Williamson hall 법으로 결정립 크기를 확인하였다[16]. 그 결과 Cu 함량이 4.

성능/효과

이후 Cu가 증가함에 따라 10 GPa까지 미세 경도가 감소하였다. Cu 전력 증가로 인한 Cu 원소의 이동성 증가 및 Cu 3 N(111) 상의 형성은 Mo-Cu-N 박막의 치밀도 변화를 발생시키고, 이는 박막의 미세경도 값에 영향을 미치는 것으로 확인된다. 보고된 바에 의하면 Cu₃N상의 미세경도는 평균 약 3.
표 2에 Cu 및 Mo 타겟에 인가된 전력에 따른 Mo-Cu-N 코팅 층의 Cu 함량 및 Mo 함량을 기준으로 시편을 분류하였다. Cu 타겟의 전력이 증가할수록 Cu 함량이 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. Cu 타겟의 전력을 0.
그림 6은 Mo-Cu-N 박막의 밀착력 특성을 알아보기 위해 스크래치 테스터를 이용하여 분석을 진행한 결과이다. Cu 함량이 약 4.5 at%, 7.5 at%, 12 at% 로 증가할 때, 각각 14.6 N, 15.6 N 및 14.3N 에서 박리가 발생되었다. 반면, Cu 함량이 14 at% 이상일 때, 11 N 이하에서 박리가 확인되었다.
Mo-Cu-N 박막의 XRD 분석 결과 낮은 Cu 함량의 Mo-Cu-N 박막(<12 at%)은 질소분위기 하에서 Mo_xN 상을 형성하고, 고용되지 않은 Cu 원소는 Mo_xN의 결정립계에 존재하는 것이 확인되었다. 반면, 높은 함량의 Cu가 포함된 Mo-Cu-N 박막 (Cu 14~30 at%)에서는 Cu₃N 상이 형성되었다.
반면, 높은 함량의 Cu가 포함된 Mo-Cu-N 박막 (Cu 14~30 at%)에서는 Cu₃N 상이 형성되었다. Nano-indentation 및 스크레치 테스트 결과를 통해 Cu₃N의 형성은 Mo-Cu-N 박막의 미세 구조와 물리적 특성에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. Cu 14 at% 이상 포함된 Mo-Cu-N 박막에서 1.
정확한 결정립 크기 확인을 위하여 XRD 결과를 바탕으로 Williamson hall 법으로 결정립 크기를 확인하였다[16]. 그 결과 Cu 함량이 4.5 at%인 박막부터 Cu 함량이 16.5 at%인 박막에서 평균적으로 약 8 nm 결정립을 가지는 것이 확인되었다. 이러한 10 nm 이하의 결정립 미세화 현상은 Cu 원소의 첨가의 영향으로 사료된다.
이결과를 통해 낮은 Cu 함량의 Mo-Cu-N 박막(<12at%)은 높은 Cu 함량의 Mo-Cu-N 박막 (14~30at%)에 비해 밀착력 특성이 우수한 것으로 확인되었다. 위 결과들을 통해, 특정 Cu 함량 (12 at%)을 갖는 Mo-Cu-N 박막에서 기계적 특성이 우수한 것을 확인할 수 있었으며, 특정 Cu 함량 이상의 Cu 첨가는 Mo-Cu-N 코팅의 기계적 특성을 저해시키는 것을 알 수 있다.
반면, Cu 함량이 14 at% 이상일 때, 11 N 이하에서 박리가 확인되었다. 이결과를 통해 낮은 Cu 함량의 Mo-Cu-N 박막(<12at%)은 높은 Cu 함량의 Mo-Cu-N 박막 (14~30at%)에 비해 밀착력 특성이 우수한 것으로 확인되었다. 위 결과들을 통해, 특정 Cu 함량 (12 at%)을 갖는 Mo-Cu-N 박막에서 기계적 특성이 우수한 것을 확인할 수 있었으며, 특정 Cu 함량 이상의 Cu 첨가는 Mo-Cu-N 코팅의 기계적 특성을 저해시키는 것을 알 수 있다.
그림 4는 Cu 함량에 따른 Mo-Cu-N 박막의 표면 조도를 측정한 결과이다. 표면 조도 분석 결과, MoCu-N 코팅 층에 Cu 함량이 일정 이상 증가하면 표면 조도가 낮아지는 연관성을 확인했다. 그림 3에서 확인된 박막의 표면 이미지 관찰 결과와 마찬가지로 Cu 함량이 12 at% 일 때 4.

후속연구

특히, 질소 분위기에서는 Mo-N와 Cu 입자로 상 분리가 가능하여 경질 입자상과 연질 입자상의 물성을 동시에 보유한 나노코팅 층을 형성할 수 있는 특징이 있다. MoX-N계 코팅의 경우 제 3의 원소의 함량에 따라 코팅의 미세구조 및 물리적 특성이 크게 달라지기 때문에 이에 영향을 미치는 공정변수에 대한 체계적인 연구가 필요하다. 현재까지 낮은 함량의 Cu (<14 at%)가 Mo-Cu-N 박막에 미치는 영향에 대해서는 보고가 된 반면 높은 함량의 Cu가 Mo-Cu-N 박막에 미치는 영향에 대한 연구는 미흡하다.
이러한 결과는 추후 물리적 특성 향상을 위해 제 4원소(X)가 첨가된 Mo-Cu-X-N 박박 제작 시 기초 조사 데이터로 사용할 수 있으며, 지속적인 공정 가스 비와 증착 시간 조절에 관한 연구를 통하여 최적의 박막 증착 조건을 도출할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Mo-N 코팅 막의 특징은?	현재 기계부품의 물성과 내구성 향상을 위해서 모재 표면에 Ti-N, Cr-N, Mo-N과 같은 전이금속 계 질화물 박막을 증착하고 있다. 특히 Mo-N 코팅 막은 Ti-N, Cr-N과 비교하여 낮은 마찰계수, 높은 경도, 우수한 내 마모 특성 등의 특징을 가진다[1]. 따라서 최근 Mo-N 코팅 막의 제조 방법과 특성 분석에 대한 연구가 국내외에서 진행되고 있다[2-7].
	본 논문에서 마그네트론 스퍼터링 방법을 통해 연구를 진행한 결과, 어떠한 특성이 박막에 영향을 미치는가?	87 nm으로 급격한 표면조도 감소 및 11.1 GPa 으로 경도 감소가 확인되며, 이는 연성특성을 가진 Cu의 증가와 Cu3N상의 형성이 Mo-Cu-N 박막에 영향을 미치는 것으로 볼 수 있다.
	Mo-Si-N코팅은 Mo-N 코팅에 비해 어떠한 장점을 가지고 있는가?	Mo-Al-N 코팅[8]은 Mo-N 박막의 경도를 향상시 키기 위해 연구되었는데, Mo-Al-N(Al <20 at%)에서 벌크 형태의 Mo-N 보다 약 두 배 이상의 경도 값을 보였다. Mo-C-N코팅[9]과 Mo-Si-N 코팅[10] 또한 Mo-N 박막의 경도를 향상시키기 위해 연구 되었으며, Mo-Si-N코팅은 Mo-N 코팅보다 좋은 부식 특성과 높은 내 산화성을 보였다. Mo-Cu 합금계는 원소 간 고용도가 거의 없기 때문에 코팅 시나노 복합체 형성이 용이하다[11].

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저자의 다른 논문 :

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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