초록 ▼

취성 박막 코팅층의 정확한 파괴 양상 분석을 목적으로 모델 기판 재료 및 산업적 응용 재료인 질화 규소를 이용하여 성공적으로 TiN 증착하였음.
TiN 증착은 빠른 증착 속도와 우수한 박막 제조가 가능한 음극 이온 플레이팅을 이용하였으며 증착시간을 변화시켜 1-5 μm 범위로 두께를 조절하였으며 기본 물성인 막의 균일성, 미세구조, 표면상태, 거칠기, 잔류응력, 시편 전체의 탄성 계수등을 측정하였음.
스크래치 시험 및 수직하중 인가 실험시의 in-situ 관찰용 광학 장비를 직접 설계 및 제작하였음.
적절한 모델 재

취성 박막 코팅층의 정확한 파괴 양상 분석을 목적으로 모델 기판 재료 및 산업적 응용 재료인 질화 규소를 이용하여 성공적으로 TiN 증착하였음.
TiN 증착은 빠른 증착 속도와 우수한 박막 제조가 가능한 음극 이온 플레이팅을 이용하였으며 증착시간을 변화시켜 1-5 μm 범위로 두께를 조절하였으며 기본 물성인 막의 균일성, 미세구조, 표면상태, 거칠기, 잔류응력, 시편 전체의 탄성 계수등을 측정하였음.
스크래치 시험 및 수직하중 인가 실험시의 in-situ 관찰용 광학 장비를 직접 설계 및 제작하였음.
적절한 모델 재료인 유리와 사파이어를 선정하여 접착력 시험 및 수직하중 실험시 발생하는 코팅층의 초기 균열의 발생 및 전파 과정을 in-situ로 관찰하였으며 그 결과, spatting 현상이 기판의 손상이 발생하여 코팅층이 기판에서 분리되어지는 것을 확인하였음.
In-situ 관찰을 통하여 취성 박막 재료의 접착 강도를 좌우하는 가장 중요한 요인은 기존에 알려진 박막의 두께나 기판층의 경도가 아니라 기판의 yield 특성이며 표면에서는 보이지 않는 균열이 내부 계면 부근의 기판 표면에서 발생하여 성장하는 것임을 관찰하였음.
스크래치 시험과 수직하중 실험은 균열이 발생하는 임계하중, 균열이 생기고 성장하는 과정 및 spalling이 생기는 모양과 시점에서 매우 유사한 특성을 보임.
마모 시험을 통한 내구성 시험시의 마모 기구는 표면 코팅충의 spalling에 의한 것으로 관찰되었으며 따라서 접착력 시험의 임계 하중간과 높은 상관 관계가 예상되며 FEM 해석 결과, 실험 결과와 유사하게 내부 기판 표면에서 가장 큰 응력 집중이 발생하여 본 실험 결과를 뒷받침하였음.
실제 응용재료인 질화규소 기판 위에 증착된 TiN은 스크래치 시험에서 매우 높은 임계하중 값을 보여 그 응용성이 기대됨.

목차 Contents

• 제 1 장 연구개발과제의 개요...16
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 및 연구결과의 위치...18
• 2.1 절 국내외 취성 박막 기술개발 현황...18
• 2.1.1 플라즈마 PVD 원리 및 기술 동향...18
• 2.1.2 플라즈마 CVD의 원리 및 기술 동향...24
• 2.2 절 취성 박막 코팅 재료의 특성 및 응용성...26
• 2.3 절 연구결과가 차지하는 위치...30
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과...32
• 3.1 절 연구 내용 및 과정...32
• 3.1.1 모델 재료 선정...32
• 3.1.2 TiN 증착...32
• 3.1.3 TiN 기본 물성 측정...37
• 3.1.4 접착 강도 측정...39
• 3.1.5 in-situ 관찰용 광학 장비 설계 및 측정...39
• 3.1.6 비커스 경도 측정...42
• 3.1.7 마모 시험...43
• 3.1.8 잔류 응력 측정...47
• 3.1.9 탄성 계수 측정...47
• 3.1.10 FEM 전산 모사...49
• 3.2 절 연구 결과 및 고찰...51
• 3.2.1 TiN 기초 물성 평가...51
• 3.2.1.가. TiN 상...51
• 3.2.1.나. TiN 두께 측정...51
• 3.2.1.다. TiN 구조 및 균일성...56
• 3.2.1.라. TiN 표면 관찰 및 표면 거칠기 측정...56
• 3.2.2 In-situ 파괴 양상 관찰...63
• 3.2.2.가. 모델 재료 Ⅰ: TiN이 코팅된 사파이어의 in-situ 관찰...63
• 3.2.2.나. 모델 재료 Ⅱ: TiN이 코팅된 유리의 in-situ 관찰...73
• 3.2.3 임계 하중 측정...88
• 3.2.3.가. TiN이 증착된 모델 재료의 임계하중 측정...88
• 3.2.3.나. TiN이 증착된 질화 규소의 임계하중 측정...88
• 3.2.4 취성 박막 코팅의 파괴 모드 제안...93
• 3.2.5 비커스 경도 측정...95
• 3.2.6 마모 시험...101
• 3.2.7 잔류 응력 측정...112
• 3.2.8 탄성 계수 측정...115
• 3.2.9 FEM 전산 모사...117
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도...119
• 4.1 절 연구 내용 요약...119
• 4.2 절 연구 목표와의 달성도...121
• 4.3 절 관련분야의 기술발전에의 기여도...121
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획...124
• 5.1 절 추가연구의 필요성...124
• 5.2 절 타연구에의 응용...124
• 제 6 장 연구개발과정에서 수진한 해외과학기술정보...126
• 6.1 절 접착강도에 영향을 주는 요인들...126
• 6.1.1 하중 인가 속도와 스크래치 속도의 영향...130
• 6.1.2 다이아몬드 팁의 곡률 반경의 영향...130
• 6.1.3 다이아몬드 팁의 마모에 의한 영향...133
• 6.1.4 기판 경도 및 코팅층 두께의 영향...133
• 6.1.5 코팅층 표면 거칠기 영향...137
• 6.1.6 증착전의 기판의 표면 거칠기 영향...137
• 6.1.7 마찰력 및 마찰 계수의 영향...137
• 6.2 절 코팅내의 잔류 응력 계산...141
• 6.2.1 XRD 방법...141
• 6.2.2 곡률반경 측정법...143
• 6.3 절 취성 박막 코팅 재료의 파괴 모드 분석...147
• 6.3.1 Interfacial spallation...147
• 6.3.2 Continuous ductile perforation...147
• 6.3.3 Chevron and hertzian cracks...147
• 6.3.4 Forward chevron cracks...149
• 6.3.5 Conformal type buckling cracks...149
• 6.3.6 Cohesive Spoliation...149
• 6.3.7 Large area interfacial spallation...149
• 6.3.8 Hertzian type circular cracks...149
• 6.3.9 Gross interfacial shell-shaped spallation...150
• 6.4 절 마모 시험...153
• 6.4.1 ball on disc...153
• 6.4.2 ball on three plates...153
• 제 7 장 참고문헌...157