• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2016.11a
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• pp.103.1-103.1
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• 2016

플라즈마 코팅은 진공 및 진공에서 발생된 플라즈마 대기압 플라즈마를 이용하여 기판에 코팅하는 기술을 의미하는 것으로 최근 다양한 코팅 소스 및 물질계가 개발되면서 그 응용을 넓혀가고 있다. 플라즈마 코팅은 물리증착 및 화학증착에서 주로 이용하고 있는데 플라즈마를 이용하는 대표적인 기술로 스퍼터링과 음극아크증착, 플라즈마 화학증착 등이 있다. 스퍼터링은 기존의 마그네트론 스퍼터링에 비해 이온화율이 대폭 향상된 HIPIMS(High Power Impulse Magnetron Sputtering) 기술이 개발되면서 경질피막 제조의 신기술로 자리 잡고 있고 음극아크증착의 경우는 다양한 Filtered 아크소스가 개발되면서 후막 고경도 DLC(Diamond-like Carbon) 등 기존의 방법으로 달성할 수 없었던 코팅층의 제조가 가능하게 되었다. 최근 수명 및 물성이 크게 향상된 소재들이 다양하게 개발되었는데 이들 소재는 가공이 잘 되지 않는 난삭재가 대부분이어서 기존의 가공 Tool이 한계를 드러내고 있다. 이에 따라 난삭재 가공용 새로운 Tool에 대한 수요가 크게 증가하고 있는데 이에 대응하는 유력한 방법 중의 하나가 플라즈마를 이용한 경질코팅이다. 이렇듯 플라즈마 코팅은 난삭재가공용 Tool을 비롯하여 기계나 자동차 부품의 고경도, 저마찰 코팅, 기능성 코팅 등 다양한 분야에 응용을 확대하고 있다. 본 논문에서는 플라즈마 코팅의 최신 기술개발 동향과 그 응용에 대해 고찰하고자 한다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.249-249
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• 2011

전력용 개폐장치인 진공차단기의 차단부가 송배전 시스템에 30 [kA] 정도의 커다란 사고전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여 동작될 때 차단부 내부 전극 사이에 25,000 [K] 이상의 아크 플라즈마가 발생하게 된다. 두 전극 사이에 발생된 아크 플라즈마는 약 10 ms~20 ms 동안 지속되다가 교류전원의 전류영점 부근에서 회복된 절연성능으로 인하여 자연스럽게 소멸되지만, 대전류 구간동안 아크 플라즈마의 집중 현상 등에 의하여 전극의 심각한 손상 등이 발생되면 절연성능이 요구된 만큼 회복되지 못하여 사고전류를 차단하지 못하며 시스템에 연결된 기기들에게 심각한 손상을 입히고 정전사고를 일으킨다. 본 연구에서는 전자계-열유동 연성해석기법을 이용한 축자계 진공차단부에서 발생하는 아크 플라즈마의 3차원 수치해석을 통하여 전극의 심각한 손상을 입히는 아크플라즈마의 집중 현상에 관한 축자계의 영향을 고찰하고자 한다. 수치해석을 위한 아크 영역은 양극과 음극의 직경과 같은 직경의 원기둥으로 가정하였고, 전자계 해석으로부터 얻어진 로렌츠 힘과 줄열을 열유동 해석을 위한 Navier-Stokes 방정식의 파라미터로 입력하여 해석을 수행함으로써 전자계와 유체역학적인 영역을 동시에 연계한 순차적 일방향 연성해석 기법을 적용하였다. 컵형 축자계 진공차단부 내 아크영역에서의 로렌츠 힘의 특성과 온도분포에 대하여 수치해석을 수행하였고, 크기가 다른 두 로렌츠 힘에 의하여 양극표면으로 집중되는 온도분포의 크기를 비교함으로써 진공아크 플라즈마의 집중현상에 영향을 미치는 주요 요소를 규명할 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 1998.11a
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• pp.81-81
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• 1998

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2012.05a
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• pp.159-159
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• 2012

티타늄-알루미늄(Titanium-Aluminum) 질화물(Nitride)은 고경도 난삭재의 고능률 절삭 분야에 사용되는 공구의 수명 향상을 위한 표면처리 소재로 각광을 받고 있다. 본 연구에서는 아크 소스로 TiAl 타겟을 사용 하였으며, $N_2$ 유량을 변화시키며 코팅을 실시하였다. 그 결과 경도 883~2510 Hv로 나타나는 것을 확인하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.479-479
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• 2010

현재까지 대부분의 반도체 공정이나 LCD 공정에 사용되는 플라즈마는 진공 플라즈마이다. 이는 대기압에서의 플라즈마 발생의 어려움, 공정 품질 등이 원인이기도 하다. 그러나 진공 장비의 고가 및 진공 시스템 부피의 거대화 등의 많은 단점이 있다. 현재의 진공 플라즈마공정을 대기압 플라즈마 공정으로 대체 할 수 있다면 많은 경제적인 이득을 얻을 수 있을 것이다. 본 연구실에서 개발한 직류아크 플라즈마트론은 기존의 대기압 플라즈마 장치에 비해 수명이 길고, 광학적으로 깨끗하고, 활성도가 높은 플라즈마를 얻을 수 있는 장점이 있다. 직류아크 플라즈마트론의 식각공정에 적용을 위해 플라즈마트론을 저 진공 및 대기압에서 적용하여 실험하였다. 식각 가스로는 SF6를 사용하였고, Ar과 O2를 혼합하여 플라즈마트론의 음극 보호 및 식각률을 높이도록 하였다. 실험결과 저진공 플라즈마의 경우, 플라즈마 영역이 20 cm를 넘는 반면, 대기압에서는 플라즈마 유효 길이가 약 20 mm로 매우 짧았다. 하지만 저 진공(~ 3 mbar)에 적용하여 최대 $60\;{\mu}m/min$의 식각률을 보였고, 대기압 플라즈마의 경우 $300\;{\mu}m/min$ 넘는 식각률을 달성하였다.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2017.05a
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• pp.94.1-94.1
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• 2017

최근 공구산업은 산업 발전으로 특수합금들이 발달하면서 이를 가공할 수 있는 새로운 절삭공구소재들이 개발되어 지고 있다. 또한 공구소재보다 코팅개발이 상대적으로 더욱 효과적이기 때문에 코팅 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 최근 일본에서는 새로운 코팅층 물질 개발보다는 기존의 코팅물질을 조합하거나 개량하여 성능을 향상시키는 추세이다. 또한 다기능 절삭 공구를 지속적으로 사용하는 추세에 따라 공구설계의 새로운 솔루션이 요구된다. 예를 들어 TiN 코팅과 추가 요소를 합금하면 효과적인 경도, 내마모성 등을 향상시키며, TiAlN, TiSiN 등을 예로 들 수 있다. 반면, 기존 TiN에 Mo가 첨가된 TiMoN 박막은 특성화하기 위한 노력이 매우 제한적이었다. Mo가 함유된 코팅층의 특징은 낮은 마찰 계수를 갖는다. 이는 Mo이 공기중의 산소와 반응하여 MoO3를 형성하기 때문이다. 본 연구에서는 TiMo합금 타겟을 음극 아크 증착공정을 이용하여 기초실험을 진행하고 분석평가를 진행하였다. 공정조건은 본 실험실에서 도출한 TiN의 기본공정조건을 바탕으로 기초실험을 진행하였으며, 시편은 스테인리스 강판(SUS304)을 사용하였다. 기초분석은 SEM, EDS, XRD, 초미소경도를 이용하였다. 처음 TiMo합금 타겟을 이용하여 기초실험과 분석을 진행한 결과 TiN과 비슷할 것으로 예상한 것과는 다른 결과가 관찰되었으며, 최적화 된 공정도출을 위한 향후 실험을 계획중이다.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2017.05a
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• pp.94.2-94.2
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• 2017

TiN 박막은 음극 아크 증착(Cathodic Arc Deposition) 방법을 이용하여 단층과 빗각 증착(Oblique Angle Deposition; OAD)으로 다층 박막 제조하여 잔류응력 변화에 대해서 확인하였다. 타겟은 99.5% Ti이고, 기판은 Si wafer를 사용하였다. 기판과 타겟 간의 거리는 29cm이며, 기판을 진공챔버에 장착하고 ${\sim}2.0{\times}10^{-5}Torr$까지 진공배기를 실시하였다. 진공챔버가 기본 압력까지 배기되면 Ar 가스를 주입한 후 약 800V 의 전압을 인가하여 약 30분간 청정을 실시하였다. TiN 박막은 Ar와 $N_2$ 가스를 주입하여 코팅하였으며 모든 박막의 두께는 약 $1{\mu}m$로 고정 하였다. 공정 변수는 기판 인가 전압 이었다. 음극 아크를 이용하여 제조된 TiN 박막은 공정 조건에 따라 잔류응력 변화가 확인되었다. 바이어스를 인가한 단층 박막이 인가하지 않는 박막 보다 잔류응력이 약 1 GPa 증가하였다. 빗각 증착으로 코팅한 다층 박막의 잔류응력은 약 3.4 GPa로 빗각을 적용하지 않은 단층의 코팅 박막 보다 약 2~3 GPa의 잔류응력 감소가 있었다. 이는 빗각구조가 박막의 잔류응력을 감소시키는데 영향을 미친 것으로 판단된다. 본 연구를 통해 얻어진 결과를 바탕으로 빗각 증착을 활용하여 박막의 잔류응력 제어가 가능할 것으로 보인다.

• Proceedings of the KWS Conference
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• 2009.11a
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• pp.30-30
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• 2009

GTA 용접에서 용입, 용접부의 크기와 형상이 형성되는 아크 물리학적 현상을 이해함에 있어서 에너지 분포특성은 매우 중요한 인자이다. GTA 용접에서 아크 길이의 변화와 사용된 실드 가스 종류에 따라 음극인 텅스텐 전극 팁의 아크 루트 직경에 큰 변화를 주며, 양극인 모재 쪽의 에너지 분포에 영향을 미치며 된다. 기존의 연구자들은 저전류나 중전류 영역의 GTA 용접에서 텅스텐 전극의 선단각과 용입 형태와 의 관계를 plasma 기류 등에 의해 고찰하거나, 최대 아크압력에 미치는 전극형상의 영향에 대하여 연구하였다. 용접부에 작용하는 아크 압력의 분포는 결국 운동 에너지의 분포이다. 기존의 연구자들에 비하여 보다 간편한 실험을 통하여 양극 모재위의 아크 압력에 의한 에너지 분포특성을 규명하는 연구가 필요하다. 본 연구의 목적은 GTA 용접의 용접전류 100A~200A 영역에서 아크 길이 변화와 Ar 가스에 $H_2$ 혼합에 따른 측정된 아크 압력으로부터 기존연구자들의 아크 물리학적 결과들을 활용하여 양극 모재 위에 작용하는 전류밀도 분포를 유도하는 것이다. GTA 용접에서 아크 길이의 변화와 Ar 가스에 $H_2$ 혼합은 아크 압력분포에 큰 영향을 미치며, 이에 따라 에너지 분포특성에 많은 영향을 미친다. 아크 길이가 증가함에 따라 Ar가스와 $H_2$ 혼합가스의 에너지 분포는 감소하였고, Ar가스에 $H_2$ 혼합에 의해 아크 에너지가 증가하여 용입형상에 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다. 이에 대한 연구는 향후 GTA 용접 응용분야 확대 적용될 것이며, 아크 물리학 연구에 기초적이고 아주 중요한 과학적인 자료가 될 것으로 판단된다.

• Journal of the Korean institute of surface engineering
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• v.28 no.6
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• pp.343-351
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• 1995

Titanium nitride films have been prepared on various substrates (silicon wafer, HSS) by cathode arc ion plating process to measure microhardness, adhesion and wear-resistant behaviors by changing the substrate bias voltages (0∼-300V), thickness and roughness. Microhardnesses were measured by micro vickers hardness tester, the adhesion strengths were evaluated by acoustic signals through the scratch test with incremental applied load. As the substrate bias voltages were increased, the ｛111｝ orientation was predominant, the microhardnesses and adhesion strengths of tool steel were observed to be stronger than those of without subatrate bias voltage. Adhesion strengths of the substrate bias were 4-7 times higher than those of without the substrate bias, confirmed by SEM with EDX. Wear resistances were used pin-on-disk tribotester and TiN costing reduced the abrasive wear. As the substrate bias was increased, the weight loss and the friction coefficient was decreased.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.08a
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• pp.322-322
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• 2013

$CO_2$를 $CH_4$와 열 및 전기화학적인 반응을 통해 고농도의 CO 및 $H_2$로 구성된 합성가스로 효율적으로 전환시키기 위해, 반응가스 주입용 간극형 노즐을 가진 비이송식 직류 열플라즈마 토치 시스템을 설계, 제작하고 다양한 조건에서 이 두 가스의 개질 실험을 수행하였다. 설계 제작된 간극형 노즐과 리액터 내 고온 반응 영역을 활용한 $CO_2$ 및 $CH_4$ 반응가스의 효율적인 처리를 통하여, 최고 70% 이상의 $CO_2$ 및 $CH_4$의 전환율과 최고 80% 이상의 CO 및 $H_2$선택도를 달성할 수 있음을 확인하였다. 또한, 상기 조건의 경우, 플라즈마 입력 전력 10.6 kW 대비 49 lpm 의 반응가스 처리량을 통하여 얻은 것으로 최고 2.5 mmol/kJ 이상의 Specific Energy Requirement (SER) 조건도 만족할 수 있음을 보였다. 특히, 제안된 막대 음극-반응 가스 주입구를 가진 양극 노즐 플라즈마 토치의 경우, $CH_4$ 반응가스를 음극에 직접 닿지 않도록 간극을 통해 주입하게 함으로써, 반응 가스 분해에 의한 음극 등 전극 부식을 최소화하면서도 고에너지 전자가 풍부한 아크 컬럼에 의해 $CO_2$ 및 $CH_4$의 전환 반응을 효율적으로 일으킬 수 있어 효율적인 $CO_2$ 및 $CH_4$ 개질을 위한 열플라즈마 토치 시스템의 개발이 기대된다.