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세라믹 경질박막의 표면강도 특성평가

전문가 제언: ○ 박막코팅은 내마모성 및 저 마찰이 요구되는 절삭공구나 피스톤 베어링 및 각종 축계의 코딩 막으로 사용이 증가되어 왔다. 최근에는 디스플레이, 광학코팅, MEMS/NEMS 구조물, 반도체 더 나아가서는 핸드폰 케이스나 레이저 프린터의 토너 박막과 같은 다양한 분야에까지 나노구조의 박막이 사용되고 있다.

○ 보통 재료의 경도와 인성은 상반관계를 갖고 있어 경도와 인성을 요구하는 표면을 얻기 위해서는 연질 모재 위에 세라믹 코팅을 하는 공정이 각광받는 표면처리 방법 중의 하나이다. 그러나 공학적 적용 시 가장 요구되는 마모수명은 모재의 거칠기(roughness)와 경도, 막 증착방법, 모재와의 접촉상태, 코팅 막의 두께 및 거칠기, 마모의 발생기구 등에 따라 마찰 및 마모 메커니즘에 큰 차이가 나타난다. 따라서 박막의 표면강도 평가방법이 정립되지 않고 있어 각종 측정방법이 제안되고 있다.

○ 코팅 막의 밀착력을 평가하기 위해 스크래치 실험과 압입실험을 주로 사용한다. 압입의 경우 점접촉으로 인한 결과의 편차가 스크래치 실험보다 크다. TiN 경질 박막의 경우 모재의 경도가 높고 거칠기가 낮을수록 압입실험은 압입 임계하중이 낮은 반면 스크래치 실험에서는 스크래치 임계하중이 높게 나타난다. 또 코팅의 두께가 두꺼워질수록 스크래치에서는 임계값이 높으나 압입에서는 최저값이 존재한다. 미끄럼 시험은 마찰계수를 구하는데 적합한 방법으로 추정된다.

○ 국내에서는 2012년 서울과학기술대 기계공학과에서 나노크기의 박막 계면의 접합특성을 비 파괴적으로 평가하기 위해 초음파 현미경의 V(z)곡선법을 이용하여 접합강도에 대한 연구결과를 발표하였다. 또 2013년에는 기계연의 나노역학 연구실과 KAIST의 기계공학과가 공동으로 표면장력이 크고 낮은 점성을 갖는 물의 특성을 이용하여 물 표면에 약 55nm 금 나노박막을 띄워 놓고 polydimethylsiloxane로 코팅된 그립을 시편 표면의 반데르발스 힘만을 이용하여 얻은 응력-변형률 곡선을 통해 기계적 물성평가를 하는 방법이 발표되었다. 본고의 MSE법도 간편한 표면강도 측정방법의 하나로 참고할 가치는 있다.

저자: Yoshiro IWAI
자료유형: 학술정보