DLC 박막의 트라이볼로지 특성

(1) 표면 특성

DLC 박막의 트라이볼로지 특성을 확인하기 위해 가장 먼저 박막의 표면 특성을 평가하였다. 아래 그림은 Si 기판 상에 제조 된 DLC 막의 두께 변화에 따른 표면 FESEM 이미지를 보여준다. PECVD 장치로 제작되어진 DLC 박막은 일반적으로 균일하고 부드러운 표면을 나타낸다. 두께가 증가할수록 박막 표면의 변화는 많아 보이지 않지만 확대되어진 표면에서는 작은 사이즈의 입자(Grain)가 다소 증가된 경향을 보이며, 이러한 특성의 박막이 성장 시 박막 내 밀도가 증가되었다는 것을 유추할 수 있다. 결론적으로 DLC 박막의 증착시간의 증가는 플라즈마 내 탄소와 수소이온(Carbon Ions)들의 활동성을 증가시키고 박막의 성장을 위한 결합의 증가 뿐만 아니라 박막 표면에서의 이온 충돌의 증가로 인해 부드럽고 균일한 표면에 기인한다고 할 수 있다. 차후 구조적 특성에서 이러한 이온들의 충돌에너지는 박막 표면의 온도상승과 DLC 박막내 sp³ 비율의 변화와도 관련되어질 것이라 판단된다 [12,13].

(a) 20nm DLC

(b) 40nm DLC

Fig. 8. FESEM surface images of DLC films with the various film thicknesses: (a) 20, (b) 40, (c) 60, and (d) 80 nm.

(c) 60nm DLC

(d) 80nm DLC

Fig. 8. FESEM surface images of DLC films with the various film thicknesses: (a) 20, (b) 40, (c) 60, and (d) 80 nm. (continued)

(2) 표면거칠기 특성

그림 9는 AFM에 의해 측정되어진 다양한 두께의 DLC 박막의 RMS(Root Mean Squares) 표면 거칠기 3D 이미지와 표면 거칠기 값의 변화를 나타낸다.

PECVD 장치를 사용하여 제작된 DLC 필름의 표면 형태는 부드럽고 균일한 표면을 확인하였고[9,10], 박막의 두께가 증가함에 따라 표면 거칠기 값이 0.70nm에서 0.94nm로 증가한 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 박막이 성 장하는 동안 플라즈마 내 탄소와 수소 이온 결합이 증가하였고, 박막 표면에 서 일어나는 이온 충돌의 증가에 의해 박막 표면의 작은 크기의 입자(Grain) 수의 증가가 표면 거칠기 증가에 기여했다고 판단된다[5,6].

20 40 60 80 100

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

R m s s u rf a c e r o u g h n e s s ( n m )

Film thickness (nm)

Fig. 9. Rms surface roughness values of DLC films as a function of the film thickness.

(a) 20 nm DLC (b) 40 nm DLC

(c) 60 nm DLC (d) 80 nm DLC

Fig. 10. Surface images of DLC films with the various film thicknesses:

(a) 20, (b) 40, (c) 60, and (d) 80 nm.

(3) 경도 및 탄성계수 특성

그림 11 및 12는 각각 PECVD 장치로 제작되어진 DLC 박막의 두께 변화에 따 라 측정되어진 경도 및 탄성 계수 값의 변화를 나타낸다. DLC 박막의 두께가 증 가함에 따라 박막의 경도와 탄성계수 값은 증가하였고, 경도와 탄성계수의 최대값 은 DLC 박막의 두께가 100nm 일 때 각각 약 14GPa 과 210GPa을 나타내었다. 이 러한 결과는 DLC 박막의 경도와 탄성계수 값은 박막의 두께가 증가함에 따라 박 막의 밀도가 더욱 치밀해짐을 나타내며, 또한 박막 내 포함되어진 sp³ 비율이 증가 됨을 의미한다. 다시 말해 박막의 두께를 증가시키기 위해 증착 시간을 증가시키는 것은 탄소와 수소의 결합 비유를 향상시키고, 플라즈마 내 이온들에 의해 박막 표 면에서 일어나는 이온들의 충돌 증가로 인해 박막의 밀도가 치밀해져 경도와 탄성 계수 값의 증가에 기여했다고 판단된다[12,13].

20 40 60 80 100 4

6 8 10 12 14 16 18

Film thickness (nm)

H ar d n es s (G P a)

Fig. 11. The change of hardness value in DLC film as a function of the film thickness.

20 40 60 80 100

120 140 160 180 200 220 240

Film thickness (nm)

E la s ti c m o d u lu s ( G P a )

Fig. 12. The change of elastic modulus value in DLC film as a function of the film thickness.

(4) 마찰계수 특성

그림 13은 PECVD 장치로 제작되어진 DLC 박막의 두께 변화에 따라 측정되어 진 마찰계수 값의 변화를 나타낸다. DLC 박막의 마찰계수 계수 값은 두께가 증가 함에 따라 다소 증가하는 경향을 나타내었고, 박막의 두께가 증가함에 따라 0.017 에서 0.013까지 변화하였다. 이러한 결과는 DLC 박막이 두께가 증가됨에 따라 박 막의 밀도가 더욱 치밀해짐은 확인되었지만, FESEM과 AFM의 표면특성에서 확인 할 수 있듯이 약간 거칠어진 표면 특성으로 인해 초기 측정되어지는 마찰계수 값 이 약간 높게 시작하기 때문일 것이라 판단되어지며 박막 내 탄소와 수소가 결합 되어 나타내어지는 sp³ 비율의 변화에 영향을 받았을 것이라 사료된다[12,13].

20 40 60 80 100

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030

C o e ff ic ie n t o f F ri c ti o n

Film thickness (nm)

Fig. 13. The change of friction coefficient value in DLC film as a function of the film thickness.

(5) 접촉각 특성

그림 14 및 15는 PECVD 장치로 제작되어진 DLC 박막의 두께 변화에 따라 측 정되어진 접촉각의 이미지와 접촉각 값의 변화를 나타낸다. DLC 박막의 접촉각 값은 두께가 증가함에 따라 다소 감소하는 경향을 나타내었고, 박막의 두께가 증가 함에 따라 86^o에서 84^o까지 변화하였다. 박막 표면에서 박막의 두께가 증가함에 따 라 접촉각의 크기는 많은 변화를 일으키지는 않았다. 그러나 접촉각 크기가 다소 감소한 이유는 박막의 표면에서 친수성을 나타내는 sp³의 비율의 증가 때문일 것 이라고 판단되어진다. 일반적으로 DLC 박막의 sp³/sp² 비율에 따라 박막 표면은 친수성과 소수성을 나타낸다. DLC 박막의 가장 큰 특성은 소수성을 나타내기 때 문에 박막의 표면 보호와 자가 세정을 위한 소재로 사용되어진다. 그림 15는 제작 되어진 DLC 박막의 경우 높은 접촉각 특성을 나타내었으며, 표면보호와 자가 세 정 기능의 반사방지 코팅 소재로써 그 응용 가능성이 높다는 것을 확인할 수 있다.

(a) 20 nm DLC (86°±1°) (b) 40 nm DLC (85°± 1°)

(c) 60 nm DLC (85°±0.5°) (d) 80 nm DLC (84°±1°) Fig. 14. Contact angle images of DLC films with the various film

20 40 60 80 100 75

80 85 90 95

C o n ta ct a n g le (

)

Film thickness (nm)

Fig. 15. The change of contact angle in DLC film as a function of the film thickness.

3. DLC 박막의 광학적, 구조적 특성