ta-C 코팅 잔류 응력 제어 방법

ta-C 코팅은 경도가 높아 내구성이 좋고, 카본으로 이루어져 마찰에도 좋은 반면 잔류 응력이 높은 단점이 있습니다. ta-C 코팅 잔류 응력이 높은 원인과 제어 방법에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

ta-C 코팅에 대해서 자세히 알고 싶은 분들은 아래 포스팅 참고하시기 바랍니다.

부품 내구성 향상 ta-C 코팅 소개

자동차 및 여러가지 구동 부품의 구동 조건은 점점 악화되고 있고, 우리는 더 강한 재료가 필요합니다. 내구성 향상에 큰 도움이 되는 ta-C 코팅에 대해서 소개하고자 합니다. ta-C 코팅이란 … Read more

yoolwiki.com

Table of Contents

ta-C 코팅 잔류 응력이 높은 원인

잔류 응력이 높은 원인은 다음과 같은 요인들이 기인합니다.

구조적 불규칙: ta-C 코팅은 tetrahedral amorphous carbon 구조로 이루어져 있으며, 이는 결정적인 구조를 갖지 않는 비정질적인 구조입니다. 이 비정질적인 구조는 코팅 내부에 구조적인 불규칙성을 도입하게 되어, 코팅 내부에서의 원자나 분자의 배치가 불규칙하게 형성되는 결과를 가져옵니다. 이러한 구조적 불규칙성은 코팅 내부에서의 응력 발생을 초래하며, 잔류 응력의 증가로 이어집니다.
고 에너지 입자 충돌: PVD (Physical Vapor Deposition) ARC 공정을 통해 형성되는데, 이 공정에서 고에너지 입자가 코팅 표면에 충돌하게 됩니다. 이러한 고에너지 입자 충돌은 코팅 내부에 응력을 도입하고, 결정적인 구조가 없는 ta-C 코팅은 잔류 응력이 더 높아지게 됩니다.
원자 배치의 왜곡: ta-C 코팅은 탄소 원자가 tetrahedral 구조로 배치되는데, 이러한 배치는 완전히 규칙적이지 않을 수 있습니다. 따라서 일부 원자들은 제한된 공간 내에서 비규칙적으로 배치되게 되고, 이는 코팅 내부에서의 응력을 증가시키는 요인이 됩니다.

※ 잔류응력: 코팅 내부에서의 응력 분포를 의미하며, 이는 코팅의 물리적 특성과 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

ta-C 코팅 잔류 응력이 높으면 아래와 같은 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서 코팅 공정에서 응력 제어 기술이 중요합니다. 적절한 응력 조절 및 품질관리를 통해 아래와 같은 문제를 예방하고 코팅의 성능과 내구성을 향상시킬 수 있습니다.

코팅 결함과 균열: 잔류 응력이 높은 ta-C 코팅은 코팅 내부에서 응력이 집중되어 결함과 균열의 발생을 촉진할 수 있습니다. 이는 코팅의 내구성을 저하시키고 부품의 수명을 단축시킬 수 있습니다. 충격 (물리적, 열)에 코팅 탈락이 발생할 수 있습니다.

아래의 방법들은 ta-C 코팅의 잔류 응력을 낮추는데 사용하는 방법입니다. 응력 조절은 코팅의 품질과 성능에 중요한 영향을 미치기 때문에 응력 제어는 필수 있습니다.

열처리: ta-C 코팅 후에 후처리 열 처리를 수행하는 것은 응력을 완화시키는 효과적인 방법 중 하나입니다. 코팅된 부품을 고온으로 가열하여 내부 응력을 완화시키는 과정을 말합니다. 열 처리는 코팅 내부의 원자나 분자의 배치를 재조정하고 응력을 완화시키는 역할을 합니다. 많은 기업들이 열처리 방법으로 응력제어를 하고 있습니다.
멀티 층 구조 코팅: 멀티 층 구조 코팅은 응력을 낮추는 효과를 가져올 수 있습니다. 코팅 과정에서 여러 개의 층을 형성하는데, 이러한 다중 층 구조는 각 층 간의 응력을 상쇄시키는 효과를 가지며 전체적인 응력을 완화시킵니다.
탄소 함량 조절: ta-C 코팅의 탄소 함량을 조절하여 응력을 조절할 수 있습니다. 탄소 함량을 적절히 조절함으로써 응력을 낮출 수 있습니다. 일반적으로 탄소 함량을 낮추면 응력이 감소하고, 탄소 함량을 높이면 응력이 상승합니다. 연구 결과에 따르면 Si를 첨가하여 응력을 많이 낮추는 효과를 얻을 수 있습니다.
코팅 공정 제어: 코팅 공정에서의 조건을 적절히 제어하여 응력을 완화시킬 수 있습니다. 충돌 에너지, 입자 속도, 코팅 시간, 온도 등의 공정 변수를 조절하여 코팅 과정에서의 응력을 최소화할 수 있습니다.

잔류 응력은 코팅 후 웨이퍼의 휨 정도로 구할 수 있습니다. 아래 웨이퍼는 ta-C 코팅 후 휘어져 있는 모습입니다.

※ E는 웨이퍼의 영률 (Young’s modulus)이고, V는 웨이퍼의 프와송비 (Poisson’s ratio)이며, D는 웨이퍼의 두께, R은 휨도로부터 유추 가능한 곡률 반경을 넣어 계산할 수 있습니다.