[논문]Laser patterning된 DLC 박막의 Tribology 특성연구

이지석; 김동준; 신동철; 김태규

doi:10.12656/jksht.2020.33.1.25

Laser patterning된 DLC 박막의 Tribology 특성연구
A Study on Tribology Characteristics of Laser Patterned DLC Thin Films 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.33 no.1, 2020년, pp.25 - 32

이지석 (부산대학교 나노융합기술학과) , 김동준 (부산대학교 나노융합기술학과) , 신동철 (거제대학교 기계공학과) , 김태규 (부산대학교 나노메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the tribology of laser patterned DLC thin film was studied. DLC thin films were coated by RF-PECVD to improve the durability of tungsten carbide (WC) materials. DLC thin films have high hardness and low friction characteristics. Dot and line patterning was processed on the surface of DLC thin film with femtosecond laser, and the coefficient of friction was improved. As a result of ball on disk abrasion test, the hardness and friction coefficient of DLC thin films were much better than that of WC material. The friction coefficient of DLC thin film with dot patterning and line patterning showed better results. The excellent performance of the laser patterned DLC coating is appeared to reduce the coefficient of friction due to the reduction of surface contact area.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Geometry and size of tungsten carbide specimen.
표 Table 1. Chemical composition of tungsten carbide specimen wt. (%)
표 Table 2. Buffer layer and DLC thin film deposition conditions using RFCVD
그림 Fig. 2. Adhesion test of DLC thin film by scratch tester.
그림 Fig. 3. Raman spectrum of DLC thin film.
그림 Fig. 4. Schematics of non pattern (A) dot (B) and line (C) pattern with specimes.
그림 Fig. 5. Single pulse ablation threshold of DLC thin film in air, Semi logarithm plot of ablated diameters as a function of the fluence at 300 fs, 1030 nm.
그림 Fig. 6. Photo of specimen grip with rotating Jig.
그림 Fig. 7. Optical microscope image (50×) of DLC surface with laser patterning.
그림 Fig. 8. Vickers hardness results of tungsten carbide and DLC specimen.
그림 Fig. 9. Average friction coefficient of various type specimens.
그림 Fig. 10. Wear area results of dot pattern DLC film by a profilometer.
그림 Fig. 11. Wear area results of line pattern DLC film by a profilometer.
그림 Fig. 12. Wear volume of various type specimens.
표 Table 3. Measured value Wear width and Wear depth
그림 Fig. 13. Wear track abrasion shape of dot specimen by an optical microscope.
그림 Fig. 14. Wear track abrasion shape of dot specimen by an optical microscope.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 현재 산업분야에 많이 사용하는 초경합금 소재에 RF-PECVD(radio frequencyplasma enhanced chemical vapor deposition)법으로 DLC 박막을 증착하여 다이아몬드와 유사한 고경도, 저 마찰 특성을 얻고자 하였다. 또한 극 초단펄스 레이저(ultra femtosecond pulse laser)를 이 용하여 점(dot)과 선(line) 형상의 마이크로 패터닝을 DLC 박막 표면에 조사하여 엠보싱형의 패턴 가공을 제작하였다[4, 5].
10, 11과 같이 원형이 아닌 불균일한 형상일 때는 식 (1)을 사용하여 계산하면 마모면적의 오차가 발생한다. 본 연구에서는 형상측정기 프로파일로미터를 이용하여 마모 폭(wear width), 마모 깊이(wear depth)을 정밀측정하여 마모면적(wear area)을 계산하여 마모부피 즉, 마모량을 계산하는 방법이다. Table 2는 형상 측정기를 이용하여 마모면적(A)을 측정하고 식 (1)에 대입하여 마모부피 즉, 마모량을 계산하였다.

제안 방법

2. 레이저를 이용하여 Dot Pattern간의 피치를 50 um로 pattering 가공하여 마모시험을 진행하였다. 시험 결과 Dot pattern의 마찰계수 값이 0.
DLC 증착을 위해서 시편을 진공 챔버 홀더에 장착한 후 초기진공을 5×10−5Torr로 배기하였고, 이후 파워 400 W, 진공 4×10−2Torr에서 20분간 Ar 55 sccm으로 Plasma 30분간에칭공정을 진행하였다.
DLC 코팅박막에 레이저 Patterning한 시편을 마모시험한 후 마모트랙 부분을 광학 현미경을 통하여 분석하였다. Fig.
Line 형태의 Pattern들은 1 m/s의 속도로 진행하며 Patterning을 실시하였다. Laser patterning의 조건은 ftheta telecentric lens(f=100 mm) 광학계를 사용하였으며, Galvano Scanner(IntelliSCAN III, ScanLab)를 이용하여 DLC 표면에 정밀 Patterning을 하였다. Line pattern의 모양의 피치간격은 50 μm, Dotpattern의 피치간격도 50 μm로 하였고, Patterning깊이는 150 μm로 가공하였다.
그 후 공정으로 초경합금 기판상에 DLC 증착된 시편상에 Laser Patterning을 실시하였다. 극초단파레이저(femtosecond laser)의 주파수를 1030 nm의 파장대로 가공하였으며, Pulse width는 300 fs로, Repetition rate는 25 kHz, Scan speed는 1 m/s의 속도로 Dot과 Line 형태로 Patterning을 실시하였다.
그 후 아세틸렌(C2H2) 75 sccm, Ar 15sccm을 주입하여 진공압력을 5×10−2Torr로 유지하여, RF power를 350 w로 인가하고 90분간 DLC박막을 증착하였다.
또한 극 초단펄스 레이저(ultra femtosecond pulse laser)를 이 용하여 점(dot)과 선(line) 형상의 마이크로 패터닝을 DLC 박막 표면에 조사하여 엠보싱형의 패턴 가공을 제작하였다[4, 5]. 그리고 Ball on Disk 형식의 건식 마모시험을 대기조건 상태에서 실시하였으며, 마이크로 패턴의 밀도와 형태에 따른 마찰계수와 마모 특성 변화를 조사하고자 하였다.
그 후 공정으로 초경합금 기판상에 DLC 증착된 시편상에 Laser Patterning을 실시하였다. 극초단파레이저(femtosecond laser)의 주파수를 1030 nm의 파장대로 가공하였으며, Pulse width는 300 fs로, Repetition rate는 25 kHz, Scan speed는 1 m/s의 속도로 Dot과 Line 형태로 Patterning을 실시하였다. Dot 형태의 Pattern은 한 자리에 레이저를 20번 반복 주사하여 Patterning을 하였다.
따라서 본 연구에서는 현재 산업분야에 많이 사용하는 초경합금 소재에 RF-PECVD(radio frequencyplasma enhanced chemical vapor deposition)법으로 DLC 박막을 증착하여 다이아몬드와 유사한 고경도, 저 마찰 특성을 얻고자 하였다. 또한 극 초단펄스 레이저(ultra femtosecond pulse laser)를 이 용하여 점(dot)과 선(line) 형상의 마이크로 패터닝을 DLC 박막 표면에 조사하여 엠보싱형의 패턴 가공을 제작하였다[4, 5]. 그리고 Ball on Disk 형식의 건식 마모시험을 대기조건 상태에서 실시하였으며, 마이크로 패턴의 밀도와 형태에 따른 마찰계수와 마모 특성 변화를 조사하고자 하였다.
이 소재에 표면경도와 마찰계수 특성이 우수한 DLC 박막 코팅을 실시하였다. 또한, DLC 박막 표면에 극초단파 레이저를 이용하여 dot과 line의 두 가지 형상의 Pattern 가공을 실시하고 마모시험을 실시하여 Tribology 특성을 조사하였다. 이상의 결과에서 다음과 같은 결론을 얻었다.
6과 같이 완전한 수평을 유지되게 한 후 고정하였다. 마모시험 조건은 하중 1N, 마모거리 5000 m, 마모속도는 120 rpm, Wear track의 반경은 7 mm, 대기상태에서 마모시험을 진행하였다. 이때 상대재료인Ball은 φ3인 알루미나 볼 소재를 사용하였다.
식 (1)은 Ball on disk 마모시험에서 이론적인계산법으로 마모트랙부의 마모부피(마모량)를 계산하는 식이다. 본 연구에서는 마모부피(마모량)를 G-99테스트 방법의 일환인 형상측정기 프로파일로미터(profilometer)를 이용하여 마모면적을 정확하게 측정하고 마모거리를 곱하여 마모부피를 정확하게 계산하였다[8, 9].
시험편 표면을 정밀 연마가공 후DLC 박막을 1.5 μm 두께로 증착하고, 극 초단 펄스레이저를 이용하여 점(dot)과 선(line) 형상의 엠보싱(concave) 마이크로 패터닝 가공순서로 제작하였다.
초경합금 소재는 산업분야의 절삭, 금형가공 공구, 광산공구, 성형공구 및 정밀기계 부품 등에 많이 쓰이는 소재이다. 이 소재에 표면경도와 마찰계수 특성이 우수한 DLC 박막 코팅을 실시하였다. 또한, DLC 박막 표면에 극초단파 레이저를 이용하여 dot과 line의 두 가지 형상의 Pattern 가공을 실시하고 마모시험을 실시하여 Tribology 특성을 조사하였다.
증착된 DLC 박막의 표면경도 시험기(CSM(instrument, NHTXl)는 Nano Indentation tester를 사용하여 측정하였다. 하중은 전자기적 방법 또는 정전기적 방법으로 측정되며, 압입깊이는 변위센서(displacement sensor)가 사용된다.
본 연구에서는 DLC 박막을 RF-CVD법을 이용하여 초경합금 기판 상에 증착하였다. 초경합금 기판을 경면연마 한 후 알콜과 아세톤으로 각각 20분간 초음파 세정을 실시하였다. DLC 증착을 위해서 시편을 진공 챔버 홀더에 장착한 후 초기진공을 5×10⁻⁵Torr로 배기하였고, 이후 파워 400 W, 진공 4×10⁻²Torr에서 20분간 Ar 55 sccm으로 Plasma 30분간에칭공정을 진행하였다.
하중은 전자기적 방법 또는 정전기적 방법으로 측정되며, 압입깊이는 변위센서(displacement sensor)가 사용된다. 초경합금 원재와 증착된 DLC 박막에 대해서 경도와 탄성계수를 측정하였다. 비커스 경도시험(vickers hardness tester)인덴터는 대면각 136°인 삼각뿔 형 팁을 사용하며, 작용하중을 압흔의 표면적으로 나누어 비커스경도 값으로 나타낸다.
측정결과 마모시험에서 마찰계수와 마모량은 Ball on disk마모시험기(CSM instruments, TRIBO-X)로 측정하였다. 이 때 측정된 마찰계수 결과는 Fig.
한편, 마모시험을 실시하여 마찰계수와 동시에 마모부피(마모량)를 측정하였다. 마모량의 계산법으로 는 마모 시 발생하는 마모분(debris)의 부피를 측정하는 방법, 마모 전, 후의 시편의 무게 측정의 비교법, 마모트랙부의 마모면적 측정법과 이론적 계산법등이 있다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 초경합금의 화학적 조성은 Table 1과 같고, 시험편의 형상 및 크기는 Fig. 1과 같이 제작하였다. 시험편 표면을 정밀 연마가공 후DLC 박막을 1.
이때 상대재료인Ball은 φ3인 알루미나 볼 소재를 사용하였다.

이론/모형

본 연구에서는 DLC 박막을 RF-CVD법을 이용하여 초경합금 기판 상에 증착하였다. 초경합금 기판을 경면연마 한 후 알콜과 아세톤으로 각각 20분간 초음파 세정을 실시하였다.

성능/효과

1. 초경합금 소재의 표면에 고경도 저 마찰 특성이 우수한 DLC코팅을 실시하여 마모시험한 결과 DLC코팅 시편의 마찰계수가 월등하게 낮아지는 것을 확인할 수 있었고, 경도도 1.7배 향상됨을 알 수 있었다.
3. DLC 표면에 Line Patterning하고, 마모시험을 진행한 시험결과 마찰계수 값이 0.087로, Dotpattern 결과 보다 더 낮은 마찰계수가 나타남을 확인 할 수 있었다. 이는 피치나 pattern의 형상이 마찰계수를 낮아지게 하는 요인으로 판단되고Patterning으로 인한 표면 접촉 면적이 감소하여 마찰계수가 낮아지는 것으로 판단된다.
141로 측정되었다. Dotpattern DLC 박막에 대한 평균마찰계수는 0.093, Line pattern DLC 박막의 평균마찰계수는 0.087로 측정되었으며, Line pattern DLC 박막이 가장 우수한 마찰특성을 나타냄을 확인할 수 있었다. 시험결과에서 알 수 있듯이 DLC 박막 표면의 마찰계수는 초경합금 기판보다 무려 81.
이것은 DLC 박막이 마찰계수향상에 큰 역할을 하며, 대기상태나 진공상태에서도DLC 박막의 마찰계수 효과가 우수하다는 사실은 이 미 널리 알려져 있다. 또한 DLC 박막부에 Dotpattern과 Line pattern 한 경우도 마찰계수가 초경합금 기판보다 각각 87.7%와 88.5%의 감소하여Pattering 한 경우의 마찰계수가 월등히 우수한 결과를 나타냄을 확인 할 수 있었다. 또한, 이 결과는 Patterning 하지 않은 DLC 박막의 마찰계수 보다 더 우수한 결과를 나타내는데 참고문헌[7]에서 제시한 결과와 같은 경향을 나타내고 있다.
또한, Dot patterning, Linepatterning한 DLC 박막의 마모면적은 각각16.8 μm2, 39.1 μm2 값의 우수한 값으로 나타났고, 초경합금이나 Non pattern DLC 박막보다도 월등히 적은 마모면적을 나타냄을 알 수 있었다.
레이저를 이용하여 Dot Pattern간의 피치를 50 um로 pattering 가공하여 마모시험을 진행하였다. 시험 결과 Dot pattern의 마찰계수 값이 0.093, Patterning을 하지 않은 DLC의 마찰 계수 값은 0.141로 나타났다. 이는 Dot 형태의 Pattern이 마찰계수가 향상시키는 요인으로 판단된다.
087로 측정되었으며, Line pattern DLC 박막이 가장 우수한 마찰특성을 나타냄을 확인할 수 있었다. 시험결과에서 알 수 있듯이 DLC 박막 표면의 마찰계수는 초경합금 기판보다 무려 81.4%나 작게 나타남을 확인 할 수가 있었다. 이것은 DLC 박막이 마찰계수향상에 큰 역할을 하며, 대기상태나 진공상태에서도DLC 박막의 마찰계수 효과가 우수하다는 사실은 이 미 널리 알려져 있다.
14는 Line patternDLC 박막에 대해서 패턴위로 Ball wear에 의해서 발생한 Wear track을 광학현미경으로 관찰하였다. 이 결과 dot pattern이 Line pattern보다 마모가 훨씬 적게 일어남을 알 수 있었다. 이는 Wear area나 wear volume의 결과와 같은 결과값이다.
8은 Nano Indentation 시험에 의한 초경합금 기판과 DLC 박막표면의 비커스 경도값을 나타낸 결과이다. 초경합금 기판의 경도 값은 Hv2,540이고, 초경합금 기판 상에 증착된 DLC 박막의 경도 값은 Hv4,338로 측정되어 표면경도가1.7배 향상됨을 알 수 있었다.

후속연구

4. 따라서 산업에 주로 사용되는 부품 중 저 마찰, 고경도 특성을 요구하는 부품에 DLC코팅을 적용하고 최적 형상의 Pattern을 설계하고 가공한다면 습동부의 마찰계수를 최소화하여 부품의 내구수명 향상과 에너지효율을 올릴 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레이저 가공에서의 임계 값은 무엇인가?	특히, Patterning시 레이저 가공이 시작되는 임계값을 정확히 알아내는 것이 매우 중요하다. 임계 값이란 인가되어지는 레이저의 펄스 에너지를 집중된 레이저빔의 면적으로 나눈 값으로 레이저빔의 진행시 빔 사이즈를 정확히 알아야 정밀 Pattern이 가능하다[6]. 가공되어지는 Ablation의 내경과 외경을 측정한 후 x축은 Fluence, 그리고 y축은 지름을 제곱한 값을 기준하여 표시하여 나타낸다.
	WC-Co계 초경합금은 무엇인가?	높은 경도로 인한 내 마모 특성이 우수하고 내열성이 뛰어나 금형(punch & die), 베어링(bearing), 롤(roll), 게이지(gauge) 및 건설용 드릴비트(drill bit) 등에 많이 사용되는 소재이고, 실린더와 같은 습동부나 정밀 기계부품 분야에도 널리 활용되고 있다[2]. 1929년 독일의 K,Schroter에 의해 초경합금(WC)과 코발트(Co)를 주성분으로 하는 초경합금이 개발된 이래 금속절삭용 소재로 WC-Co계 초경합금의 수요가 급증하고 있다. 이는 WC-Co계 초경합금이 기존의 고속도공구강(high speed steel; HSS)에 비해 경도가 높고 내구성이 우수하여 고속절삭이 가능하다.
	WC-Co계 초경합금이 기존의 고속도공구강(high speed steel; HSS)에 비해 경도가 높고 내구성이 우수하여 고속절삭이 가능한 이유는?	이는 WC-Co계 초경합금이 기존의 고속도공구강(high speed steel; HSS)에 비해 경도가 높고 내구성이 우수하여 고속절삭이 가능하다. 이는 공업용 다이아몬드나 세라믹스, 서멧(cermet) 소재보다 높은 인성특성을 가지고 있기 때문이다[3]. 최근에는 더 높은 표면경도와 마찰계수 특성을 향상시키기 위한 방법으로 건식표면 처리기법인 PVD와 CVD 증착방법으로 초경합금 기판 상에 박막코팅을 많이 응용하고 있다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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T. Roch, V. Weihnacht, H.-J. Scheibe, A. Roch, and A. F. Lasagni : Diamond and Related Materials, 33, (2013) 20-26.

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C. V. Raman and K. S. Krishnan : Nature, 121(3048) (1928) 501.
Kim, Mi-Ru, et al. : Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers 17.4 (2018) 39-46.

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Standard test method for wear testing with a pinon- disk apparatus ASTM G99, 1990.
Laura pena-paras, Luz A. Trejo Montemayor, Salvador Ramirez Cantu, Raul D. Fernandez Corona, Melissa Reyna Reyes, Tribologia (2013) 109-117.

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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