초록 ▼

본 과제는 일본 기계기술 연구소와 국제공동 연구사업을 3년간 행하였다.1). 1차년도 1차년도에는 내마모성 향상을 위한 박막의 종류와 증착방식을 검토하였고, 이런 검토결과, 고경질박막으로는 DLC 박막과 Diamond 박막의 내마모 특성이 가장 좋은 것으로 판명되었다. 따라서, 이러한 고경질의 박막을 증착시킬 수 있는 장치와 증착방식을 고려하여, 1차적으로는 DLC 박막을 증착할 수 있는 RF PECVD 장치를 개발하고, 개발된 장치를 이용하여 DLC 박막을 합성하므로서 그 장치의 성능을 평가하고자 하였다. 즉 증착된 DLC 박막

본 과제는 일본 기계기술 연구소와 국제공동 연구사업을 3년간 행하였다.1). 1차년도 1차년도에는 내마모성 향상을 위한 박막의 종류와 증착방식을 검토하였고, 이런 검토결과, 고경질박막으로는 DLC 박막과 Diamond 박막의 내마모 특성이 가장 좋은 것으로 판명되었다. 따라서, 이러한 고경질의 박막을 증착시킬 수 있는 장치와 증착방식을 고려하여, 1차적으로는 DLC 박막을 증착할 수 있는 RF PECVD 장치를 개발하고, 개발된 장치를 이용하여 DLC 박막을 합성하므로서 그 장치의 성능을 평가하고자 하였다. 즉 증착된 DLC 박막의 증착특성과 물질특성을 함께 평가한다면, 장치에 대한 성능평가와 아을러 증착조건도 확립할 수 있을 것으로 기대되었다. 이를 위해, 내마모용 박막제조는 개발된 RF PECVD를 이용하여 반응가스로 메탄(CH₄ methane)을 사용하여 얻고자 하였다. 얻어진 박막이 과연 고경질의 박막인지를 알아보기 위해, 먼저 박막의 증착특성(반응가스 압력, DC self-bias, 증착속도)을 조사하였고, 또한 증착된 박막이 비정질의 탄소박막인지를 확인하기 위해 분광분석(Raman, FTIR)을 행하고자 하였으며, 얻어진 박막의 내마모성을 평가하기 위해 왕복동 및 pin-on-disk의 Tribometer를 이용하였다.2). 2차년도 박막증착 특성과 물질특성을 이론적으로 유추해보기 위해서는 전자온도와 전자밀도같은 플라즈마 특성을 알아내는 것이 중요하므로, 본 연구의 2차년도에서는 개발된 장치에 의해 발생되는 플라즈마의 특성이 어떠한지를 알아보기 위해, 이론적인 CVD modelling을 설정하여 이를 computer simulation과정을 통하여 규명하고자 하였고, 내마모 특성이 좋은 Diamond 박막을 얻을 수 있다면, 이 또한 제품의 상업화에 중요한 기술을 제공하므로, 플라즈마 jet CVD 장치를 개발하여 고경질의 Diamond 박막을 얻고자 하는 방편으로 위탁수행하고자 하였다. 이러한 최적의 증착조건이 확보된 기반기술이 확보된다면, 본 연구의 사업목표인 고경질 박막을 증착하는 표면개질공정을 이용하여 내마모성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대되기 때문이다. 만일, 상기와 같은 기반기술이 확보된다면, 상업적인 제품의 응용이 조속히 이루어질 것이다. 한편 최적의 증착조건에서 얻어진 박막의 마찰 마모특성이 증착조건과는 어떠한 관계가 있는지를 알아보기 위해, 즉 마찰마모특성과 DLC 박막내의 수소량, 박막의 경도, Rupture load 및 내부응력사이의 관계를 조사하기 위해 1차년도에서 행한 방법과 동일한 방법으로 DLC 박막의 Tribology 특성을 평가하고자 하였고, 실제로 DLC 박막이 적용되는 분위기인 습도분위기와 다른 가스분위기에서는 이러한 Tribology 특성의 변화가 어떻게 일어나는가를 알아보고자 여러 가지 분위기에서 DLC 박막의 마찰마모실험을 행하였다. 또한 마찰마모된 Track은 비접촉표면형상측정기를 이용하여 2·3차원적으로 측정하였고, Ball의 표면은 EPMA로 분석을 행함으로서 마모된 흔적이 물리화학적으로 어떻게 변화되는가를 알 수 있으므로 이들에 대한 정보를 얻고자 하였다.3). 3차년도 3차년도에서는 이와 같은 1·2차년도의 연구결과를 토대로하여 실제로 이용되고 있는 제품의 내구성 향상을 목적으로 연구를 수행하고자 하였다. 이를 위해 본 연구에 의해 얻어진 기술을 적용시키기 위하여 먼저 item을 선정하였고, 선정된 제품의 내마모성과 마찰특성 등 내구성을 향상시키기 위하여 새로운 증착방식인 MC-PECVD 방식을 개발하였고, 개발된 방식을 이용하여 실제 제품인 복사기용 OPC상에 DLC 박막을 증착시키는 연구를 수행하고자 하였다. 그리고, 이렇게 증착된 박막의 내구성과 복사성능을 평가하기 위해 역시 Tribometer를 이용하여 마찰 및 마모 특성을 평가하고자 하였고, 복사성능을 평가하기 위해 실제의 복사기에 박막이 증착된 OPC를 장착시켜 image관찰 등을 행하는 Field test를 하고자 하였다.

목차 Contents

• 제 1 장 서론...17
• 제 2 장 이론 및 문헌적인 배경...19
• 2-1. 플라즈마의 정의와 일반특성...19
• 2-2. R.F. 방전의 특징...22
• 2-3. CH₄플라즈마 중의 반응기구...27
• 2-4. DLC 박막의 증착방법...35
• 제 3 장 PECVD 장치의 성능평가...51
• 3-1. PECVD의 설계 ㆍ제작...51
• 3-2. DLC 박막 증착실험...55
• 3-3. 증착막 특성평가 실험...59
• 3-4. 실험결과 및 고찰...61
• 3-4-1. 성장속도...61
• 3-4-2 경도(Micro-Vickers Hardness : Hv)...67
• 3-4-3. Scratch 시험...73
• 3-4-4. 증착막의 물질동정...76
• 3-5. 다이아몬드박막 증착실험...79
• 3-5-1. 열플라즈마 발생 및 다이아몬드 합성장치...79
• 3-5-2. 다이아몬드합성 방법...79
• 3-5-3. 결과 및 고찰...83
• 3-5-3-1. 메탄과 수소농도비에 따른 실험결과...83
• 3-5-3-2. 기판의 온도에 따른 증착실험결과...89
• 3-6. 결 론...93
• 제 4 장 DLC 박막의 증착조건 최적화...95
• 4-1. CVD 모델링 확립 및 S/W 개발...95
• 4-1-1. PECVD 의 반응 및 증착기구...97
• 4-1-2. 플라즈마 CVD모델링...103
• 4-2. 최적조건 규명을 위한 DLC박막 증착 실험...135
• 4-3. DLC박막의 특성 평가실험...138
• 4-4. 실험결과 및 고찰...145
• 4-4-1. DLC 박막증착막 특성...145
• 4-4-1-1. 성장속도...145
• 4-4-1-2. 내부응력(Internal Stress)...149
• 4-4-1-3. Scratch 시험...156
• 4-4-1-4. FTIR 및 Raman 분석...161
• 4-4-2. DLC 박막의 Tribology특성 평가...165
• 4-4-2-1. Tribology특성평가 실험장치 제작...165
• 4-4-2-2. DLC 박막의 Tribology특성(마찰ㆍ마모특성)평가...173
• 4-5. 결 론...221
• 제 5 장. 보호막으로서의 DLC 박막응용연구...225
• 5-1. Item 선정동기...225
• 5-2. 서 론...225
• 5-2-1. 연구 동향...225
• 5-2-2. 연구 동기...227
• 5-2-3. 연구 내용...229
• 5-3. 이 론...229
• 5-3-1. 광도전 이론...229
• 5-3-2. 레이저 프린터용 감광체의 특성...239
• 5-4. MC-PECVD 방식의 설계ㆍ제작 및 성능평가...242
• 5-4-1. 장치의 설계ㆍ제작...243
• 5-4-2. 성능 평가...243
• 5-5. 실험 방법...247
• 5-5-1. 증착 실험...247
• 5-5-2. 박막 특성평가...248
• 5-6. 실험 결과 및 검토...249
• 5-6-1. MC-PECVD의 특성...249
• 5-6-1-1. DC self-bias...249
• 5-6-1-2. 망전극 number에 따른 성막두께의 변화...249
• 5-6-1-3. 거리(H)에 따른 증착특성 변화...252
• 5-6-2. 내마모 향상용 DLC 박막 증착...252
• 5-6-2-1. 증착막 두께...256
• 5-6-2-2. 박막의 경도(Hv)...256
• 5-6-2-3. 박막의 표면 전기저항...260
• 5-6-2-4. Raman 분광분석...262
• 5-6-2-5. FTIR 분광분석...265
• 5-6-3. DLC 보호막의 Tribology 특성...268
• 5-6-3-1. 마찰계수 평가...268
• 5-6-3-2. OPC 기판과의 접착력 평가...271
• 5-6-3-3. 내마모성 평가...271
• 5-6-4. 실제 복사를 통한 image 평가...281
• 5-7. 결 론 및 향후과제...285
• 제 6 장 연구총론...291
• 참고문헌...293