• Journal of Surface Science and Engineering
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• v.57 no.1
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• pp.14-21
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• 2024

For this study, CrAlN multilayer coatings were deposited on SKD61 substrates using a multi-arc ion plating technique. The structural characteristics of the CrAlN multilayer coatings were evaluated using X-ray diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM). Additionally, the adhesion of the coatings was assessed through scratch testing, and the mechanical strength was evaluated using nanoindentation and tribometric tests for frictional properties. The results show that the CrAlN multilayer coatings possess a uniform and dense structure with excellent mechanical strength. Hardness measurements indicated that the CrAlN coatings have high hardness values, and both the coating adhesion and wear resistance were found to be improved compared to CrN. The addition of aluminum is anticipated to contribute to enhanced durability and wear resistance.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.396-396
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• 2012

산업 분야에서 TiN, CrN, CrAl-N, TiAl-N과 같은 Hard 코팅들은 기계적 특성이 우수하여 절삭 공구, 기계 부품분야에서 많이 사용되고 있다. 최근 연구 동향을 살펴보면 기존에 하나 또는 두가지 합금상태의 Hard 코팅을 넘어서 제3원소, 제4원소를 첨가하여 미세 구조적 변화를 통해 기존의 우수한 특성에 고온안정성, 내식성, 내산화성 등 다양한 기능성을 부여하는 다기능성 연구가 활발히 진행 중이다. 본 연구에서는 마그네트론 스퍼터를 이용하여 고경도 코팅인 Ti-Al계열에 Si, Cu, Cr, B을 첨가함에 따른 내식특성을 확인해보았다. 성분이 균일한 코팅을 만들기 위해 Ti-Al, Ti-Al-Si, Ti-Al-Cu, Ti-Al-Cr, Ti-Al-B 단일합금타겟을 제조하여 실험을 진행하였다. 기본 물성을 확인하기 위해 경도 측정과 SEM XRD 등을 분석하였다. 내식성 평가는 동전위 테스트와 염수분무 테스트를 진행하였고 전해질은 염수와 동일한 5%-NaCl로 진행하였다. 그 결과 Ti-Al-Cr이 내식성에 강한 것으로 나타났고 염수분무 실험에서도 1200시간 이상 지속되는 성과를 보였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.02a
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• pp.100-102
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• 2013

Magnetron-sputtering법을 사용하여 기존에 연구하였던 CrAlN (Cr 7：Al 3)박막에 Si를 첨가하여 Si의 함량 변화에 따라 미세구조와 화학적 결합상태, 온도저항계수(TCR) 및 산화저항의 영향과 기계적특성 개선을 통한 multi-functional heater resistor layer로써의 가능성을 연구하였다. CrAlSiN 박막의 Si 함량에 변화에 따라 온도저항계수 변화를 확인하였으며 X-선 회절 분석(XRD) 패턴 분석결과 CrAlSiN 박막의 결정구조가 Bl-NaCl 구조를 가지고 있는 것을 확인하였으며 SEM과 AFM을 통한 표면 및 미세구조 분석결과 Si의 함량이 증가할수록 입자가 조밀해짐을 알 수 있었다. 최근 digital priting technology의 핵심 기술로 부각되고 있는 inkjet priting technology는 널리 태양전지뿐만 아니라 thin film process, lithography와 같은 반도체 공정 기술에 활용 할 수 있기 때문에 반도체 제조장비에도 사용되고 있으며, 현재 thermal inkjet 방식을 사용하고 있다. Inkjet printing technology는 전기 에너지를 잉크를 배출하기 위해 열에너지로 변환하는 thermal inkjet 방식을 사용하고 있는데, 이러한 thermal inkjet 방식은 기본적으로 전기저항이 필요하지만 electrical resistor layer는 잉크를 높은 온도에서 순간적으로 가열하기 때문에 부식이나 산화 등의 문제가 발생할 수 있어 이에 대한 보호층을 필요로 한다. 하지만, 고해상도, 고속 잉크젯 프린터, 대형 인쇄 등을 요구되고 있어 저 전력 중심의 잉크젯 프린터의 열효율을 방해하는 보호층 제거에 필요성이 제기되고 있다. 본 연구는 magnetron-sputtering을 사용하여 기존의 CrAlN 박막에 Si를 합성하여 anti-oxidation, corrosion resistance 그리고 low temperature coefficient of resistance 값을 갖는 multi-functional heater resistor layer로써 CrAlSiN 박막의 Si 함량에 따른 효과에 초점을 두었다. 본 실험은 CrAlN 박막에 Si 함량을 4~11 at%까지 첨가시켜 함량의 변화에 따른 특성변화를 확인하였다. 함량이 증가할수록 amorphous silicon nitride phase의 영향으로 박막의 roughness는 감소하였으며 XRD 분석결과 (111) peak의 Intensity가 감소함을 확인하였으며 SEM 관찰시 모든 박막이 columnar structure를 나타내었으며 Si함량이 증가할수록 입자가 치밀해짐을 보여주었다.Si함량이 증가할수록 CrAlN 박막에 비하여 면저항은 증가하였으며 TCR 측정결과 Si함량이 6.5 at%일 때 가장 안정한 TCR값을 나타내었다. Multi-functional heater resistor layer 역할을 하기 위해서, CrAlSiN 박막의 원소 분포, 표면 거칠기, 미세조직, 전기적 특성 등을 조사하였다. CrAlN 박막의 Si의 첨가는 크게 XRD 분석결과 주상 성장을 억제 할 수 있으며 SEM 분석을 통하여 Si 함량이 증가할수록 Si3N4 형성이 감소하며 입자크기가 작아짐을 확인하였다. 면저항의 경우 Si 함량이 증가함에 따라 높은 면저항을 나타내었으며 Si함량이 6.5 at%일 때 가장 낮은 TCR 값인 3120.53 ppm/K값을 보였다. 이 값은 상용되고 있는 heater resistor보다 높지만, CrAlSiN 박막이 더 우수한 기계적 특성을 가지고 있기 때문에 hybrid heater resistor로 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2007.11a
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• pp.130-131
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• 2007

초고경도 박막을 얻기 위해 질화물을 이용한 CrN / CrAlN 초격자 박막을 CFUBM 시스템을 통해 합성하였다. 초격자 박막의 각층의 두께 (${\lambda}$)는 기판의 회전 속도를 이용하여 제어하여 4.4 에서 44.1 nm 까지 합성하였다. 박막의 결정구조 및 미세구조를 분석하기 위하여 고분해능 X선 회절 분석기 (HR-XRD)를 이용하였으며, 박막의 기계적 성질은 나노 인덴터와 ball on disk tester를 통해 분석하였다. CrN / CrAlN 초격자 박막은 각층의 두께 (${\lambda}$)에 따라 28.77 GPa에서 31.97 GPa의 경도 값을 나타내었으며, 미세구조와 기계적 특성이 변화를 관찰할 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2013.05a
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• pp.112-113
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• 2013

Thin CrAlMgSiN films, whose composition were 30.6Cr-11.1Al-7.3Mg-1.2Si-49.8N (at.%), were deposited on steel substrates in a cathodic arc plasma deposition system. They consisted of alternating crystalline Cr-N and AlMgSiN nanolayers. After oxidation at $800^{\circ}C$ for 200 h in air, a thin oxide layer formed by outward diffusion of Cr, Mg, Al, Fe, and N, and inward diffusion of O ions. Silicon ions were relatively immobile at $800^{\circ}C$. After oxidation at $900^{\circ}C$ for 10 h in air, a thin $Cr_2O_3$ layer containing dissolved ions of Al, Mg, Si, and Fe formed. Silicon ions became mobile at $900^{\circ}C$. After oxidation at $900^{\circ}C$ for 50 h in air, a thin $SiO_2-rich$ layer formed underneath the thin $Cr_2O_3$ layer. The film displayed good oxidation resistance. The main factor that decreased the oxidation resistance of the film was the outward diffusion and subsequent oxidation of Fe at the sample surface, particularly along the coated sample edge.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2016.11a
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• pp.107-107
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• 2016

TiCrAlSiN films were developed in order to improve the high-temperature oxidation resistance, corrosion resistance, and mechanical properties of conventional TiN films that are widely used as hard films to protect and increase the lifetime and performance of cutting tools or die molds. In this study, a nano-multilayered TiAlCrSiN film was deposited by cathodic arc plasma deposition. It displayed relatively good oxidation resistance at $700-900^{\circ}C$, owing to the formation protective oxides of $Al_2O_3$, $Cr_2O_3$, and $SiO_2$, and semiprotective $TiO_2$. At $1000^{\circ}C$, the increased temperature led to the formation of the imperfect oxide scale that consisted primarily of the outer ($TiO_2$,$Al_2O_3$)-mixed scale and inner ($TiO_2$, $Al_2O_3$, $Cr_2O_3$)-mixed scale.

• Korean Journal of Materials Research
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• v.14 no.8
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• pp.558-564
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• 2004

In order to improve the low hardness and low wear resistance of Ti-6Al-4V alloy, plasma carburization treatment and CrN film coating were carried out. Effects of the plasma carburization and CrN coating were analyzed and compared with the non-treated alloy by mechanical and creep tests. After plasma carburization and CrN coating treatments, the carburized layer was about 150 ${\mu}m$ in depth and CrN coated layer was about 7.5 ${\mu}m$ in thickness. Hardness value of about $H_{v}$ 402 of the non-treated alloy was improved to $H_{v}$ 1600 and 1390 by plasma carburization and CrN thin film coating, respectively. Stress exponent(n) was decreased from 9.10 in CrN coating specimen to 8.95 in carburized specimen. However, the activation energy(Q) was increased from 242 to 250 kJ/mol. It can be concluded that the static creep deformation for Ti-6Al-4V alloy is controlled by the dislocation climb over the ranges of the experimental conditions.

• Journal of Surface Science and Engineering
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• v.54 no.5
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• pp.285-293
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• 2021

High-entropy TiAlCrSiN nano-composite coating was designed to improve mold life for high temperature liquid molding. Alloy design, powder fabrication and single alloying target fabrication for the high-entropy nano-composite coating were carried out. Using the single alloying target, an arc ion plating method was applied to prepare a TiAlCrSiN nano-composite coating had a 30 nm TiAlCrSiN layers are deposited layer by layer, and form about 4 ㎛-thickness of multi-layered coating. TiAlCrSiN nano-composite coating had a high hardness of about 39.9 GPa and a low coefficient of friction of less than about 0.47 in a dry environment. In addition, there was no change in the structure of the coating after the dissolution loss test in the molten metal at a temperature of about 1100 degrees.

• Journal of Surface Science and Engineering
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• v.54 no.3
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• pp.139-143
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• 2021

Cr-Al-N coatings were deposited onto WC-Co substrates using a cathodic arc evaporation (CAE) system. CAE technique is recognized to be a very useful process for hard coatings because it has many advantages such as high packing density and good adhesion to metallic substrates. In this study, the influence of deposition temperature as a key process parameter on film growth behavior and mechanical properties of Cr-Al-N coatings were systematically investigated and correlated with microstructural changes. From various analyses, the Cr-Al-N coatings prepared at deposition temperature of 450℃ in the CAE process showed excellent mechanical properties with higher deposition rate. The Cr-Al-N coatings with deposition temperature around 450℃ exhibited the highest hardness of about 35 GPa and elastic modulus of 442 GPa. The resistance to elastic strain to failure (H/E ratio) and the index of plastic deformation (H³/E² ratio) were also good values of 0.079 and 0.221 GPa, respectively, at the deposition temperature of 450℃. Based on the XRD, SEM and TEM analyses, the Cr-Al-N coatings exhibited a dense columnar structure with f.c.c. (Cr,Al)N multi-oriented phases in which crystallites showed irregular shapes (50~100nm in size) with many edge dislocations and lattice mismatches.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2009.05a
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• pp.211-211
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• 2009

높은 이온화율과 복잡한 형상의 모재에도 표면 도포성 및 균일성을 나타내는 아크이온플래이팅 기술과 비전도성 세라믹 타겟물질에 적용가능한 스퍼터링 기술이 결합된 하이브리드 코팅 시스템(Hybrid coating system)을 이용하였다. 그리고 Cr-Al-N과 Cr-Si-N 코팅막의 강화 기구를 복합시킨 새로운 개념의 Cr-Al-Si-N 코팅막을 초경(WC-Co)시험편에 증착하여 Si 첨가량에 따른 미세구조의 미세경도 특성을 파악하였다. 공구성능 평가는 고속가공조건하에 마이크로 밀링기에서 무코팅(초경공구), Cr-Al-Si-N (Si : 0, 4.5, 8.7, 16 at.%) 코팅 마이크로엔드밀에 대하여 공구마멸에 대한 공구수명을 비교, 평가하였다.