한국표면공학회지 J. Kor. Inst. Surf. Eng.
Vol. 44, No. 2, 2011.
doi: 10.5695/JKISE.2011.44.2.060
<연구논문>
기판 바이어스 DC 전원의 종류와 반응가스 분압비가 3성분계 B-C-N 코팅막의 합성과 마찰 특성에 미치는 영향
정다운a, 김두인b, 김광호a,b*
a부산대학교 재료공학과, b부산대학교 하이브리드소재 솔루션 국가핵심연구센터
Effects of DC Substrate Bias Power Sources and Reactant Gas Ratio on Synthesis and Tribological Properties of Ternary B-C-N Coatings
DaWoon Jeonga, Doo-In Kimb, Kwang-Ho Kima,b*
a
School of Materials Science and Engineering, Pusan National University, Busan 609-735, Korea
b
National Core Research Center for Hybrid Materials Solution, Pusan National University, Busan 609-735, Korea
(Received March 29, 2011; revised April 26, 2011; accepted April 29, 2011)
Abstract
Ternary B-C-N coatings were deposited on Si(100) wafer substrate from B
4C target by RF magnetron sput- tering technique in Ar+N
2+CH
4gas mixture. In this work, the effect of reactant gas ratio, CH
4/(N
2+CH
4) on the composition, kinds and amounts of bonding states comprising B-C-N coatings were investigated using two different bias power sources of continuous and unipolar DCs. In addition, the tribological properties of coatings were studied with the composition and bonding state of coating. It was found that the substrate bias power had an effect on chemical composition, and all of the obtained coatings were nearly amorphous.
Main bonding states of coatings were revealed from FTIR analyses to be h-BN, C-C, C-N, and B-C. The amount of C-C bonging mainly increased with increase of the reactant gas ratio. From our studies, both C-C and h-BN bonding states improved the tribological properties but B-C one was found to be harmful on those. The best coating from tribological points of view was found to be BC
1.9N
2.3composition.
Keywords: B-C-N, RF magnetron sputtering, Bonding characteristics, Tribological properties
1. 서 론
원자 크기가 아주 작은 3가지 원소인 B, C, N 원 소들은 결합거리가 짧아서 강한 공유결합에 의해 높은 경도를 가질 것으로 예측되며 따라서 B-C-N 계 코팅막은 오래 전부터 관심의 대상이었다1). 특 히, 고경도 코팅막으로서 다이아몬드(sp3 결합), DLC (Diamond-like Carbon, sp3+sp2결합), 입방정상의 질 화붕소(cubic boron nitride, c-BN, sp3 결합) 코팅막 들은 활발한 연구가 되어왔으며, 높은 경도 및 우
수한 내마모특성 등을 갖는 것으로 보고 되어진 다1-3). 또한, 다이아몬드의 경우, 고경도의 특성을 가지나 고온에서 철계 금속과의 큰 반응성이 단점 으로 알려져 있고, c-BN은 다이아몬드 다음으로 높 은 경도를 가지는 물질로서, 고온에서 화학적 안정 성이 높고 철계 금속과의 반응하지 않는 장점을 가 지고 있으나 높은 잔류응력으로 인해 모재와의 낮 은 밀착력이 문제점으로 인식되고 있다. 그 외에도 CxNy(carbon-nitride)4), B4C5), 육방정상의 질화붕소 (hexagonal boron nitride, h-BN, sp2)6) 등이 연구되 어지고 있으며, 이와 같은 구조 코팅막 소재는 B- C-N계 중 단일성분계 및 이성분계 코팅막들로서 근
*Corresponding author. E-mail : [email protected]
래에 다양한 코팅공정에 의하여 코팅막의 미세구조 및 기계적 특성에 대한 연구가 진행되어져 왔다. 최 근에는 3성분계 B-C-N 화합물 코팅막에 대한 관심 이 증가하고 있다. 그 이유로서 상기에 제시된 단 일성분계 및 이성분계 코팅막들의 장점들을 동시에 가질 수 있는 다기능성 코팅막(multi-functional coating)의 구현에 관심이 있기 때문이다. 최근 고 성능 부품 및 소재가 요구됨에 따라 고경도는 물론 이고, 화학 안정성, 우수한 밀착력 등 다양한 특성 을 동시에 가지는 다기능성 코팅막이 요구되고 있 다. 한편, 고경도의 관점에서부터 저마찰의 관점으 로 연구개발의 초점이 이동하고 있는 추세이다.
3성분계 B-C-N 코팅막은 이러한 다기능성을 구현 할 수 있는 관심 받고 있는 물질계이나[,8) 아직 연 구개발은 초보적인 단계에 머무르고 있다9,10). 화학 적 기상 증착(CVD: chemical vapor deposition)법11) 과 물리적 기상 증착(PVD: physical vapor deposition) 법과 같은 다양한 방법을 이용하여 B-C-N 코팅막 합성에 대한 연구가 진행되었으나 대부분 낮은 경 도 값을 가지는 것으로 보고되고 있다12,13). 물리적 기상 증착법 중에서는 RF스퍼터링(radio frequency sputtering)법14)이 주로 사용되었으며, 이온빔증착 (IBAD: ion beam assisted deposition)법15), 레이저 증착(PLD: pulsed laser deposition)법16) 등을 이용한 연구가 계속 진행되고 있다. 그러나, 현재까지 3개 의 모든 원소가 동시에 결합된 B-C-N 코팅막 합성 은 보고된 바 없으며17), RF 스퍼터링을 사용하여 BN 타겟으로 Ar과 CH4 분위기에서 B-C-N 코팅막 을 증착한 경우 탄소상과 질화붕소상으로 상분해가 일어났으며, 비정질 탄소 또는 비정질 질화붕소로 이루어진 나노 복합체 구조(nano-composite)의 가능 성이 제기된 바 있다. 현재까지 3성분계 B-C-N 코 팅막 연구는 시작 단계이며, 바이어스 전압의 크기 가 육방정상, 입방정상 BN의 결정 구조 형성과 핵 생성 기구에 미치는 영향에 관한 연구가 주로 이루 어졌을 뿐이고18,19), 마찰 특성 등에 대한 연구는 거 의 없는 실정이다.
본 논문에서는 RF 스퍼터링(RF sputtering) 법을 사용하여 3성분계 B-C-N 코팅막을 합성할 때, 두 가지 종류의 바이어스 전원인 연속 DC, 유니폴라 (unipolar) DC를 사용하여 각각의 바이어스 전원의 변화가 코팅막 합성에 미치는 영향과, 반응가스 분 압비의 변화가 박막의 조성과 결합특성에 미치는 기본 영향을 살펴보고자 하였다. 또한, 코팅막내에 존재하는 결합특성의 종류와 양이 최종적인 마찰 및 마모 특성에 미치는 영향에 대해 연구하고자 하 였다.
2. 실험 방법
2.1 박막의 제조
본 연구에서는 RF 스퍼터링법을 이용하여 3성분 계 B-C-N 코팅막을 실리콘 웨이퍼 위에 증착하였 다. 본 연구에서 사용된 장치의 개략도는 그림 1에 묘사되었다. B-C-N 코팅막의 증착을 위하여 B4C (99.5%) 타겟은 챔버의 좌측 스퍼터 건에 설치되었 으며, 수직 시편 지지대는 타겟으로부터 75 mm 거 리에 위치되었으며 25 rpm의 속도로 회전되었다. 증 착공정에서 Ar(99.999%) 가스는 B4C 스퍼터 타겟 근처로 직접 유입되었고, N2(99.999%)와 CH4
(99.999%)가 혼합된 가스는 시편 지지대 근처로 분 사되었다. 증착온도는 250oC로 일정하게 유지하였 다. 기판 표면의 불순물을 제거하기 위하여, 먼저 기판을 30분간 아세톤 및 알코올을 이용하여 초음 파 세척을 실시한 후, 진공 챔버 내에서 −600 V의 바이어스(bias) 전압을 이용하여 7 mTorr의 Ar 분 위기에서 5분간 이온 세정(ion bombardment)과정을 거친 후 증착을 진행하였다. 먼저 각 반응가스의 분 압이 조성에 미치는 영향을 관찰하기 위해 반응가 스 분압비, CH4/(N2+CH4)를 0-100%까지 변화시켰 으며, 또한 바이어스 전원의 종류에 따른 영향을 고 찰하기 위해 각각의 분압조건에서 연속 DC와 유니 폴라 DC 각각 −150 V 세기일 때 비교 증착하였다.
연속 DC의 경우 일정 전압이 유지되며, 유니폴라 DC의 경우 한 Duty 사이클의 60% 동안만 전압이 인가되도록 설정되었다. 본 연구에서 실시한 B-C- N 코팅막의 증착 조건을 표 1에 나타내었다.
Fig. 1. Schematic diagram of deposition system using
RF magnetron sputtering technique.
2.2 박막의 물성측정
B-C-N 코팅막 내의 B, C, N의 조성비는 경량원 소 검출에 용이한 오제이 전자 분석기(Auger electron spectroscopy: AES, MICROLAB 350)를 이용하였으 며, 표면의 불순물을 제거하기 위해 Ar 에칭을 12초 동안 실시한 후 분석을 실시하였다. B-C-N 코팅막 의 표면 및 단면 형상과 마모 시험 후 마멸면의 형 상을 관찰하기 위해 전계방출형 주사 전자현미경 (field emission-scanning electron microscope: FE- SEM, Hitachi, S-4800)을 사용하였으며, 화학적 결 합상태는 푸리에 변환 적외선 분광법(fourier transformed infrared spectroscopy: FTIR, Bruker A.M GMBH)를 이용하여 분석하였다. IR 스펙트럼 은 한 종류의 결합에도 다양한 진동에 의해 상당히 넓은 주파수 범위의 정보가 나타나는 단점이 있으 나 3성분계 코팅막의 경우에는 다양한 결합과 구조 를 종합적으로 평가하기엔 적합한 방법이다.
본 연구에서 증착된 3성분계 B-C-N 코팅막의 마 찰 및 마모 특성을 관찰하기 위하여 볼온디스크 (ball-on-disk) 마모시험기를 사용하였다. 마찰시험은 직경 6.34 mm의 강구(평균강도 700Hv0.2)를 상대재 로 하여 3 N의 수직하중과 선속도 0.1m/s의 조건으 로, 23oC의 평균 온도와 16~30%의 상대습도의 분 위기에서 행하여졌다. 마모시험 후 마모면의 형상 과 상대 조성은 전계방출형 주사 전자현미경과 에 너지 분산 분광기(energy distribution spectroscopy:
EDS, Horiva EMAX)를 이용하여 분석하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 B-C-N 코팅막의 조성
그림 2는 기판 바이어스 전원으로서 연속 DC와
유니폴라 DC를 적용하였을 경우, 반응가스 분압비, CH4/(N2+CH4)를 0~100%까지 변화시켰을 때, 증착 한 B-C-N 코팅막 내의 B, C, N의 조성변화를 삼 원상태도에 나타낸 것이다. 반응가스 분압비 CH4/ (N2+CH4)를 증가시킴에 따라 연속 DC와 유니폴라 DC의 경우 모두 B-C-N 코팅막 내의 탄소의 함량 이 증가하였고 질소의 함량은 감소하였음을 확인할 수 있다. 또한, 코팅막 내의 보론의 함량도 거의 일 정 비율로 동시에 감소함을 확인할 수 있다. 이는 반응성 가스 CH4를 증가시킴에 따른 탄소 함량의 증가로 인하여 B-C 결합보다 C-C 결합이 많이 형 성되었으며20,21), 상대적인 질소 가스 양의 감소로 B-N 결합이 적어졌기 때문이다. 유니폴라 DC 바이 어스의 경우 반응가스 분압비에 의한 영향은 거의 연속 DC와 유사한 경향을 보였다. 그러나 코팅막 내의 조성에서는 약간의 상이점이 관찰되고 있다.
반응가스 분압비가 일정할 경우 유니폴라 DC는 연 속 DC보다 코팅막 내의 탄소 함량이 약간 더 증가 하였다. 한편, 코팅막내의 B:N의 조성비는 유니폴 라 DC를 사용하였을 경우에 상대적으로 일정한 비 율을 유지함을 알 수 있었다. 유니폴라 DC를 사용 하였을 경우에 안정적으로 일정한 B:N 조성비를 얻 을 수 있었던 이유는, 비전도성 박막 또는 기판에 서 발생할 수 있는 아킹(arching) 현상이 크게 감소 하였기 때문이라고 생각된다22). 유니폴라 DC를 사 용하였을 경우 연속 DC를 사용하였을 경우 보다 코팅막내의 탄소 함량이 다소 증가하게 된 현상은 가스상태의 탄소원자 이동도가 커지기 때문이라고 설명된 바 있다23). 그림 2의 결과를 요약하면, CH4/ (N2+CH4) 반응가스 분압비의 증가에 따라 코팅막 내 탄소 함량은 B, N에 비하여 상대적으로 증가하
Table 1. Typical deposition conditions of B-C-N coatings
by RF magnetron sputtering technique Base pressure 2 × 10
−3Pa Working pressure 0.53 Pa
Substrate bias voltage Continuous DC ( −150 V) Unipolar DC (−150 V) CH
4/(N
2+CH
4) gas ratio 0~100%
Target material B
4C (purity 99.5%)
Sputter power 350 W
Deposition time 25 min
Deposition temperature 250
oC Substrate rotation speed 25 rpm Distance between target and
substrate 75 mm
Fig. 2. Chemical composition map of B-C-N coatings
obtained from various reactant gas ratios, [CH
4/
(N
2+CH
4) %] under two different bias power
sources of continuous and unipolar DCs.
게 되며, 바이어스 전원으로서 유니폴라 DC는 연 속 DC보다 코팅막내의 B:N 비율을 안정적으로 유 지시키며 탄소의 함량을 더욱 증가시키는 현상이 발견되었다.
3.2 B-C-N 코팅막내의 화학적 결합 종류 및 양 두 종류의 바이어스 전원을 사용하였을 경우, 반 응가스 분압비, CH4/(N2+CH4)의 증가에 따른 B-C- N 코팅막의 화학적 결합 상태를 알아보기 위해 푸 리에 변환 적외선 분광법(FTIR)을 이용하여 합성된 코팅막을 분석하였다. FTIR 분석은 700-2400 cm−1 의 범위에서 투과 모드(transmittance mode)를 이용 하여 분석을 하였다. 그림 3(a)는 연속 DC 바이어 스 전원을 사용하여 합성된 다양한 코팅막의 분석 결과이다. 순수 아르곤 분위기에서 증착한 B4C 코 팅막은 1160 cm−1을 기준으로 넓은 흡수피크가 나 타남을 알 수 있었다. 그러나 다른 코팅막의 경우 와 비교하여 피크강도가 상대적으로 현저하게 작게 나타났기 때문에24) 그림 3(a)에서는 그 변화가 작게
표시된다. 일반적으로 B-C 결합은 1090-1200 cm−1 의 범위에서 흡수피크가 나타나는 것으로 알려져 있으며25), 불규칙한 구조에 의해 피크가 넓은 파수 범위에서 나타난다고 보고되었으므로26) B4C 코팅막 의 주된 결합은 B-C 결합이라고 판단된다. 한편, 3성분계 B-C-N 코팅막 내에는 면내(in-plane) B-N 신축운동(stretching vibration)과 면외(out-of-plane) B-N-B 굽힘운동(bending vibration)에 해당하는 피 크가 1380 cm−1, 780 cm−1 부근에서 관찰되며 이 2개 의 결합으로 인해 육방정계상인 sp2 결합을 하는 h- BN이 형성되었음을 알 수 있다27). 또한, 반폭치(full width at half maximum)가 상당히 넓다는 사실로부 터 코팅막 내의 결정구조가 불규칙적이거나 여러 화학적 결합의 혼합에 기인한 것으로 볼 수 있다.
문헌에 의하면, B-C 결합, C-N 결합의 스트레칭 모 드, C-C 결합, B-O 결합의 스트레칭 모드, B-O-B 벤딩모드, B-B 결합은 각각 1090-1200 cm−1,28) 1250-1360 cm−1,29) 1350-1400 cm−1,30) 650 cm−1,31) 1200 cm−1,31) 2500 cm−1 32)에서 관찰되는 것으로 보 고 되어져 있으므로 이로부터 B-C-N 코팅막 내에 는 B-C, C-N, C-C, B-O-B, B-O, B-B의 다양한 결 합이 존재할 것으로 예상할 수 있다. 여기서 산소 결합은 타겟이나 공정 중에 잔류된 산소 불순물의 혼입 결과로서 보론원소는 산소와의 친화도가 무척 높기 때문에 종종 나타나는 현상으로 생각되며 본 실험에서도 나타난다고 볼 수 있다. 그림 3(a)에서 CH4/(N2+CH4)의 반응가스 분압비의 변화에 따른 흡 수피크의 파수 위치 변화는 큰 차이를 보이지 않음 이 발견되었다. 그러나 CH4/(N2+CH4)의 반응가스 분압비가 증가할수록 합성된 코팅막의 FTIR 흡수 피크가 넓게 또한 강도가 감소하는 현상들이 발견 되었다. 이는 초기에 B-N 결합이 우세하다가 CH4/ (N2+CH4)의 반응가스 분압비가 증가함에 따라 점 차 B-C, C-N 등의 다양한 결합이 형성되었기 때문 인 것으로 생각된다. 반면, BN1.5 코팅막의 경우 BC1.5N3 코팅막과 피크가 거의 유사함을 확인할 수 있었다. 이는 조성분석이 AES 방법에 의해 수행되 었을 때 시편에 존재하는 소량의 탄소양은 측정되 기 어려웠기 때문이다. 즉, BN1.5 코팅막의 경우는 반응가스로서 질소가스만을 유입시킨 경우의 코팅 막이지만 타겟으로부터의 탄소 원소가 소량 첨가되 어져 실제로는 약간의 탄소가 첨가된 B-C-N 코팅 막이라고 할 수 있기 때문이다. 또한 CH4/(N2+CH4) 의 반응가스 분압비가 증가할수록 흡수피크강도가 감소하는 현상은 탄소 결합인 C-C, B-C 결합들이 B-N 결합보다 IR 흡수계수가 낮기 때문이다. 그림 3(b)는 유니폴라 DC의 경우로서 코팅막 내 탄소가
Fig. 3. Transmittance spectra as function of wave
number in FTIR for various coatings obtained
from two different substrate bias power sources
of (a) continuous DC, (b) unipolar DC.
증가함에 따라 주피크가 1300에서 1380 cm−1으로 이동하며, 탄소가 더욱 증가하면 1350 cm−1로 이동 함을 관찰할 수 있다. BC0.2N3 코팅막의 경우 780 cm−1의 h-BN이 뚜렷하게 나타나며 불균일한 결 정 크기, 구조 변형에 의한 영향33,34)으로 1300 cm−1 에서의 B-N 결합이 관찰되었다. 탄소 성분이 더욱 증가함에 780 cm−1에서 관찰되던 피크는 사라지고 1380 cm−1이 지배적인 피크가 되며 넓게 나타난다.
그림 3(a), 3(b)를 비교하였을 때, 유니폴라 DC의 경우 주 피크에 해당되는 화학적 결합 상태가 변화 하는 현상과 800-1000 cm−1 부근에서 나타나는 불순 물에 기인한 피크들의 크기가 감소하는 현상이 관 찰되었다. 이것은 유니폴라 DC를 사용하였을 경우 불순물의 탈착 현상에 기여한다는 보고35)와 일치 한다.
본 연구의 B-C-N 코팅막은 X-선 회절 분석(X-ray diffractometer) 결과 어떠한 결정 피크도 관찰할 수 없었다. 따라서 본 연구의 B-C-N 코팅막은 거의 비 정질 상태로 이루어졌음을 알 수 있었다. FTIR 분 석결과로부터 코팅막내의 결합의 종류는 c-BN 결
합도 1050-1090 cm−1 36) 존재하지만 주로 h-BN, C- C, B-C, C-N 결합들이 반응가스 분압비에 따라 그 종류와 양이 변화함을 발견할 수 있었다.
그림 4는 코팅막내의 주된 결합들인 h-BN, C-C, B-C, C-N의 FTIR 흡수피크의 상대적 강도를 나타 내었다. FTIR 분석에서부터 동일한 두께의 경우 어 떤 결합의 양은 그 피크의 강도와 비례한다는 가정 하에 각 코팅막내의 존재하는 결합 종류의 양적 변 화를 준정량적으로 판단할 수 있다. 그림 4(a) 및 4(b)는 각각 연속 DC와 유니폴라 DC에서 합성된 다양한 코팅막에 존재하는 결합의 양을 상대 비교 한 것이다. 마찰계수를 감소시킨다고 보고되어지는
C-C37,38), h-BN39), C-N40) 결합들과 증가시키는 요인
이라고 보고되어지는 B-C41) 결합의 상대적 양은 각 코팅막의 최종물성인 마찰계수와 관련이 될 것으로 판단된다.
3.3 B-C-N 코팅막의 마찰, 마모 특성
그림 5는 전형적인 볼온디스크 마찰시험을 통해
Fig. 4. Peak intensities corresponding to major four bonding states comprising B-C-N coatings obtained from results of Fig. 3. (a) continuous DC, (b) unipolar DC.
Fig. 5. Friction Coefficients of B-C-N coatings against
steel ball as a function of number of cycle for
various coatings obtained from different reactant
gas ratios, [CH
4/(N
2+CH
4) %] (a) continuous DC,
(b) unipolar DC.
얻어진 바이어스 전원의 종류와 CH4/(N2+CH4) 반 응가스 분압비에 따른 B-C-N 코팅막의 평균 마찰 계수 변화를 나타낸 것이다. 상대적인 마찰계수를 비교하기 하기 위해 실리콘 웨이퍼에 대하여 동일 한 조건에서 마찰시험을 실시하였으며 실리콘웨이 퍼는 상대재질인 강구에 대하여 약 0.6정도의 마찰 계수를 보였다. 그림 5(a)는 연속 DC의 경우로 BN1.5
와 BC13.7 조성의 코팅막보다 BC1.5N3.1, BC1.9N2.3 조 성의 코팅막들이 더 낮은 마찰계수를 보였다. 특히 BC1.5N3.1코팅막보다 탄소가 더 많은 BC1.9N2.3 코팅 막이 더욱 낮은 마찰계수를 보여주었다. 그림 5(b) 는 유니폴라 DC의 경우로 BC0.2N3 코팅막은 마찰 계수가 실리콘 웨이퍼보다 높게 관찰되었다. 코팅 막 내 탄소 함량이 가장 높은 BC8.3N0.5코팅막이 가 장 낮은 마찰계수를 나타냄을 확인할 수 있었고, BC2.3N2.8, BC3.5N2 코팅막은 중간의 마찰계수를 보 였다. 그림 5의 결과로부터 연속 DC의 경우 BC1.9N2.3코팅막이, 유니폴라 DC에서는 BC8.3N0.5 코 팅막이 가장 낮은 마찰계수를 보였다. 탄소 성분이 가장 많은 BC8.3N0.5 박막의 경우 가장 낮은 저 마 찰 특성은 C-C 결합에 의한 것으로 보인다. 연속 DC의 경우 BC1.9N2.3 코팅막에서 낮은 마찰계수를 나타내는 이유는 그림 4의 결과로 부터 설명할 수 있다. 마찰계수를 낮추는 역할을 하는 C-C, B-N, C-N 결합의 양이 상대적으로 많은 반면, 마찰계수 를 증가시키는 요인으로 작용하는 B-C 결합이 적 기 때문으로 설명할 수 있다. B-N 결합은 마모시 험 도중 발생하는 tribo-chemical 반응에 의해 대기
중의 수분, 산소와 반응하여 자기윤활막(self lubricant layer) 역할을 하는 B2O3, H3BO3의 tribo-layer를 형 성하고42) C-N 결합도 수분과의 반응으로 C-OH 등 의 자기 윤활막을 형성함으로 인해43) 마찰 특성이 향상되는 것으로 알려져 있다. 그림 4 및 5의 결과 로부터, 마찰계수가 작아지기 위해서는 일단 C-C 결합이 풍부해야 하며, 두번째로 h-BN 결합이 많 아야 되나, 비슷한 조건에서는 B-C 결합이 적을수 록 마찰계수가 작아진다는 것을 유추할 수 있다.
그림 6은 마찰 시험후 마멸면을 관찰하여 마모거 동 및 마모량 확인을 위하여 코팅막의 마모트랙과 성분 분석을 전계방출형 주사전자현미경과 에너지 분산 분광기로 분석한 결과이다. 그림 6(a), 6(b), 6(c)는 연속 DC의 경우로 BN1.5와 BC13.7 코팅막의 경우 박막의 심한 마멸로 인해 다량의 마모 입자가 발생하였고 마멸면도 넓게 관찰되었다. 마멸면을 가 로지르는 수직한 방향에 대한 EDS라인 프로파일링 결과, BN1.5와 BN13.7 코팅막의 마모 트랙 내부는 박 막에 비해 실리콘과 산소가 급격히 증가하였음을 확인할 수 있다. 이는 마모현상이 커져서 잔존하는 코팅막의 두께가 감소하였기 때문이다. 이와 같은 현상은 연속 DC조건에서 증착된 BC1.9N2.3 코팅막 을 제외한 모든 B-C-N 박막에서 관찰되고 있다. 본 연구에서 조사된 코팅막 조성비 범위내에서 BC1.9N2.3 코팅막의 경우가 가장 우수한 내마모 특성을 보였 다. 이는 마찰과 관계하는 결합의 종류와 양이 최 적의 상태로 조합된 결과이며 가장 작은 마찰계수 를 갖고 있기 때문이라고 생각된다.
Fig. 6. Surface morphologies of B-C-N coatings after wear test using steel ball as a counterpart material for each
coating, and EDS results of wear track. (a), (b), (c) for continuous DC, (d), (e), (f) for unipolar DC.
4. 결 론
RF 스퍼터링법을 이용하여 3성분계 B-C-N 코팅 막을 합성하는 실험연구로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1. CH4/(N2+CH4) 반응가스 분압비의 증가에 따라 코팅막 내 탄소 함량은 B, N에 비하여 상대적으로 증가하게 되며, 바이어스 전원으로서 유니폴라 DC 는 연속 DC보다 코팅막내의 B:N 비율을 안정적으 로 유지시키며 탄소의 성분을 더욱 증가시키는 현 상이 발견되었다.
2. B-C-N 코팅막은 거의 비정질 상태로 이루어졌 음을 알 수 있었으며, FTIR 분석 결과로부터 코팅 막내의 결합의 종류는 주로 h-BN, C-C, B-C, C-N 결합들이었으며, 이들은 반응가스 분압비에 따라 그 종류와 양이 변화함을 발견할 수 있었다.
3. B-C-N 코팅막의 마찰계수가 작아지기 위해서 는 일단 C-C 결합이 풍부해야 하며, 두 번째로 h- BN 결합이 많아야 되나, 비슷한 조건에서는 B-C 결합이 적을수록 마찰계수가 작아지며 마모특성이 개선된다는 것을 유추할 수 있었다.
후 기
본 연구는 지식경제부 소재원천기술개발사업의 연구비 지원과 과학기술부/한국과학재단 국가핵심 연구센터사업(R15-2006-022-01002-0) 지원으로 수 행되었으며 이에 감사 드립니다.
참고문헌
![Fig. 2. Chemical composition map of B-C-N coatings obtained from various reactant gas ratios, [CH 4 / (N 2 +CH 4 ) %] under two different bias power sources of continuous and unipolar DCs](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/5302767.379826/3.892.89.432.172.435/chemical-composition-coatings-obtained-reactant-different-continuous-unipolar.webp)
