• Journal of the Korean institute of surface engineering
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• v.54 no.2
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• pp.53-61
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• 2021

The properties of tetrahedral amorphous Carbon (ta-C) film can be determined by multiple parameters and comprehensive effects of those parameters during a deposition process with filtered cathodic vacuum arc (FCVA). In this study, Taguchi method was adopted to design the optimized FCVA deposition process of ta-C for improving deposition efficiency and mechanical properties of the deposited ta-C thin film. The influence and contribution of variables, such as arc current, substrate bias voltage, frequency, and duty cycle, on the properties of ta-C were investigated in terms of deposition efficiency and mechanical properties. It was revealed that the deposition rate was linearly increased following the increasing arc current (around 10 nm/min @ 60 A and 17 nm/min @ 100A). The hardness and I_D/I_G showed a correlation with substrate bias voltage (over 30 GPa @ 50 V and under 30 GPa @ 250 V). The scratch tests were conducted to specify the effect of each parameter on the resistance to plastic deformation of films. The analysis on variances showed that the arc current and substrate bias voltage were the most effective controlling parameters influencing properties of ta-C films. The optimized parameters were extracted for the target applications in various industrial fields.

• Tribology and Lubricants
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• v.18 no.4
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• pp.267-272
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• 2002

Nano adhesion between SPM(scanning probe microscope) tips and DDPO$_4$(octadecylphosphoric acid ester.) and ODPO$_4$(octadecylphosphoric acid ester) SAM(self-assembled monolayer.) was experimentally studied. Tests were performed to measure the nano adhesion and friction in both AFM(atomic force microscope) and LFM(lateral force microscope) modes with the applied normal load. DDPO$_4$ and ODPO$_4$ SAM were formed on Ti and TiOx surfaces. Ti and TiOx were coated on the Si wafer by ion sputtering. Adhesion and friction of DDPO$_4$ and ODPO$_4$ SAM surfaces were compared with those of OTS(octadecyltrichlorosilane) SAM and DLC surfaces. DDPO$_4$ and ODPO$_4$ SAM converted the Ti and TiOx surfaces to be hydrophobic. When the surface was hydrophobic, the adhesion and friction forces were found lower than those of bare surfaces. Work of adhesion was also discussed to explain how the surface was converted into hydrophobic Results also showed that tribological characteristics of DDPO$_4$ and ODPO$_4$ SAM had good properties in the adhesion, friction, wetting angle and work of adhesion. DDPO$_4$ and ODPO$_4$ SAM could be one of the candidates for the bio-MEMS elements.

• Transactions of Materials Processing
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• v.32 no.6
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• pp.360-366
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• 2023

This study is concerned with the surface quality of products according to the material and coating condition of the forming tool in incremental sheet forming. Three forming tools, SKD11 with and without diamond-like-coating (DLC) and polymer tool tip, were used to form conical and pyramidal geometries to take into account the influence of friction between the forming tool and the sheet on the surface quality including geometric accuracy of deformed samples. Each test was performed using SUS304 with a thickness of 0.4 mm according to different incremental depths per lap of 0.5 mm, 1.0 mm, and 1.5 mm for the contour tool path, considering the increase in normal force which is associated with the frictional behavior during local deformation. The surface quality was then investigated through surface roughness measured with KEYENCE VR-6000 and relative strain distribution including deformed shape analyzed with ARGUS which is a non-contact optical strain measurement system. Differences between 3D CAD surfaces and captured geometry from experiments were evaluated to compare the effect of friction on geometric accuracy. From comparisons of experimental results, it was revealed that the polymer-based tool tip can improve surface quality and geometric accuracy by reducing the undesired material flow due to local friction in the increment sheet forming process.

• Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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• 2002.05a
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• pp.207-214
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• 2002

Nano adhesion between SPM (scanning probe microscope) tips and $DDPO_{4}$ (dodecylphosphoric acid ester) and $ODPO_{4}$ (octadecylphosphoric acid ester) SAM (self-assembled monolayer) was experimentally studied. Tests were performed to measure the nano adhesion and friction in both AFM(atomic force microscope) and LFM(lateral force microscope) modes with the applied normal load. $DDPO_{4}$ and $ODPO_{4}$ SAM were formed on TiMe and TiOx surfaces. TiMe and TiOx were coated on the Si wafer by ion sputtering. Adhesion and friction of $DDPO_{4}$ and $ODPO_{4}$ SAM surfaces were compared with those of OTS (octadecyltrichlorosilane) SAM and DLC surfaces. $DDPO_{4}$ and $ODPO_{4}$ SAM converted the TiMe and TiOx surfaces to be hydrophobic. When the surface was hydrophobic, the adhesion and friction forces were found lower than those of bare surfaces. Work of adhesion was also discussed to explain how the surface was converted into hydrophobic. Results also showed that tribological characteristics of $DDPO_{4}$ and $ODPO_{4}$ had good properties in the adhesion, friction, wetting angle and work of adhesion. $DDPO_{4}$ and $ODPO_{4}$ SAM could be one of the candidates for the bio-MEMS elements.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 1999.07a
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• pp.134-134
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• 1999

스퍼터링 소스는 전자기 박막 등 기능성 박막을 비롯하여 결질피막, 장식성 피막등의 제조에 이용되는 것으로 각종 증발원 중에서 가장 널리 사용되는 증발원이다. 70년대 이후 스퍼터링 소스는 마그네트론 스퍼터링으로 대표되는 방식이 사용되어 왔으며 지금까지도 가장 일반적인 방식이 되어 왔다. 마그네트론 스퍼터링 증발원은 증발율에서는 기술적인 향상이 이루어진 반면 이온화율의 향상은 그다지 이루어지지 않아 경질피막과 같은 화합물 피막의 특성 향상에는 한계를 드러내게 되었다. 그러다가 186년 Window 등 이 자장의 세기를 변형시킨 비평형 마그네트론 소스(Unbalanced Magnetron;UBM)를 처음 발표하여 이온화율의 향상이 가능하다는 것이 알려지면서 이에 대한 많은 연구가 진행되었다. UBM 소스는 마그네트론 스퍼터링 소스의 외부에 전자석을 설치하여 기판에 흐르는 이온의 양을 증가시킴으로써 소스와 기판사이의 거리를 증가시킬 수 있고 따라서, 복잡한 형상의 부품코팅이 가능하며 피막 특성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 UBM 스퍼터링 소스를 설계, 제작하여 그 특성을 다양한 측면에서 조사하였다. 특히, 자작의 최적 설계를 통해 전자석의 조건을 도출하였음, Dual UBM 소스의 특성을 동시에 조사하였다. 자기장의 simulation에는 Quick field 프로그램을 이용하였고 기존의 방식과의 비교를 통해 최적의 조건을 도출하였다. 이를 바탕으로 inner pole의 크기를 30mm, outer pole의 크기를 26mm로 고정하여 설계하였고, 외부에 전자석이 설치된 UBM 소스를 제작하였다. 본 UBM 소스는 4" 타겟을 사용할 수 있으며 전자석의 조건을 10A까지 변화시켜 자기장의 세기를 변화시킬 수 있게 하였다. 제작된 소스의 동작조건 설정과 최적화를 위한 스퍼터링 장치를 함께 제작하여 UBM 소스의 최적 동작 조건을 도출하였다. 전자석의 전류가 4.5A일 때 Inner Pole과 Outer Pole의 자기장의 세기가 도일함을 알 수 있었다. 기판과 타겟의 거리가 200mm일 경우에 기판에 흐르는 전류밀도는 2mA/cm2이상이 됨을 확인하였다. 이 결과는 기존의 마그네트론 소스가 기판과 타겟사이의 거리가 100mm일 때 1mA/cm2 정도가 되는 것과 비교하면 이온화율이 획기적으로 향상된 것임을 알 수 있다.수 있다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.349-349
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• 2011

인공관절은 노인성 질환이나 자가 면역질환, 신체적인 외상 등으로 인하여 발생하는 관절의 손상 부위를 대체하기 위해 고안된 관절의 인공 대용물이다. 인공 관절 중 인공 고관절의 경우 관절 운동을 하는 라이너(Liner)와 헤드(Head) 부분이 인공관절의 수명을 결정하게 되는데, 헤드 부분에 메탈소재와 라이너 부분에 고분자 소재를 사용하는 MOP(metal on polymer) 구조의 인공관절은 충격흡수의 장점이 있는 반면 wear debris에 의한 골용해로 인하여 관절이 느슨해지는 문제점이 발생하여 재 시술의 주요 원인이 되고 있다. 현재 인공관절의 수명을 늘리기 위해 DLC, ZrO, TiN 등의 높은 경도 값을 갖는 박막을 금속헤드 위에 증착하여 상대재인 인공관절용 고분자 소재의 마모량을 줄이고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 따라서 본 연구에서는 PIII&D(Plasma Immersion Ion Implantation & Deposition)공정을 이용하여 Co-Cr-Mo 합금 소재에 질소 이온을 주입 한 후 NbN 박막을 증착하여 상대재인 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)의 마모량을 줄이고자 하였다. NbN 박막의 특성을 평가하기 위해 XRD, XPS, AFM 등의 분석을 수행하였으며, 상대재인 초고분자량 폴리에틸렌의 마모량을 측정하기 위해 Pin-on-disk tribometer를 이용하여 마모 실험을 진행하였다. 마모 실험 결과, NbN 박막을 단순 증착한 경우, 현재 인공관절용 헤드(Head) 소재로 가장 널리 사용되고 있는 Co-Cr-Mo 합금에 비하여, 상대재인 초고분자량 폴리에틸렌의 마모량을 약 20% 감소시키는 것을 알 수 있었다. 또한, Co-Cr-Mo 합금 소재에 질소 이온주입을 하여 표면을 개질한 후, NbN 박막을 증착한 경우, 마모량이 최대 50%까지 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 1999.07a
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• pp.114-114
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• 1999

Boron nitride (BN)는 매우 뛰어난 물리적, 화학적 성질을 가지고 있는 재료로 많은 연구가 진행되고 있다. hexagonal 형태의 hBN의 경우 큰 전기 저항과 열 전도도를 가지고 있고 열적 안정성을 가지고 있어 반도체 소자에서 절연층으로 쓰일 수 있다. 또한 X-ray와 가시광선을 투과시키기 때문에 X-ray와 가시광선을 투과시키기 때문에 X-ray lithography이 mask 기판으로 사용될 수 있다. Boron-carbon-nitrogen (BCN) 역시 뛰어난 기계적 성질과 투명성을 가지고 있어 보호 코팅이나 X-ray lithography에 이용될 수 있다. 또한 원자 조성이나 구성을 변화시켜 band gap을 조절할 수 있는 가능성을 가지고 있기 때문에 전기, 광소자의 재료로 이용될 수 있다. 본 연구에서는 여러 합성 조건 변화에 따른 hBN 막의 합성 거동을 관찰하고, 카본 농도변화에 따른 BCN 막의 기계적 성질과 구조의 변화, 그리고 실리콘 첨가에 의한 물성 변화를 관찰하였다. BN박막은 실리콘 (100) 기판 위에 r.f. plasma assisted CVD를 이용하여 합성하였다. 합성 압력 0.015 torr, 원료 가스로 BCl3 1.5 sccm, NH3 6sccm을 Ar 15 sccm을 사용하여 기판 bias (-300~-700V)와 합성온도 (상온~50$0^{\circ}C$)를 변화시켜 BN막을 합성하였다. BCN 박막은 상온에서 기판 bias를 -700V로 고정시킨 후 CH4 공급량과 Ar 가스의 첨가 유무를 변화시켜 합성하였다. 또한 SiH4 가스를 이용하여 실리콘을 함유하는 Si-BCN 막을 합성하였다. 합성된 BN 막의 경우, 기판 bias와 합성 온도가 증가할수록 증착속도는 감소하는 경향을 보여 주었다. 기판 bias와 합성온도에 따른 구조 변화를 SEM과 Xray로 분석하였다. 상온에서 합성한 경우는 표면형상이 비정질 형태를 나타내었고, X-ray peak이 거의 관찰되지 않았다. 합성온도가 증가하게 되면 hBN (100) peak이 나타나게 되고 이것은 합성된 막이 turbostratic BN (tBN) 형태를 가지고 있다는 것을 나타낸다. 50$0^{\circ}C$의 합성 온도에서 기판 bias가 -300V에서 hBN (002) peak이 관찰되었고, -500, -700 V에서는 hBN (100) peak만이 관찰되었다. 따라서 고온에서의 큰 ion bombardment는 합성되는 막의 결정성을 저해하는 요소로 작용한다는 것을 확인 할 수 있었다. 합성된 BN 막은 ball on disk type의 tribometer를 이용하여 마모 거동을 관찰한 결과 대부분 1이상의 매우 큰 friction coefficient를 나타내었고, nano-indenter로 측정한 BN막의 hardness는 매우 soft한 막에서부터 10 GPa 정도 까지의 값을 나타내었고, nano-indenter로 측정한 BN 막의 hardness는 매우 soft한 막에서부터 10GPa 정도 까지의 값을 가지며 변하였다. 합성된 BCN, Si-BCN 막은 FT-IR, Raman, S-ray, TEM 분석을 통하여 그 구조와 합성된 상에 관하여 분석하였다. FT-IR 분석을 통해 B-N 결합과 C-N 결합을 확인할 수 있었고, Raman 분석을 통하여 DLC의 특성을 분석하였다. 마모 거동에서는 BCN 막의 경우 0.6~0.8 정도의 friction coefficient를 나타내었고 Si-BCN 막은 0.3이하의 낮은 friction coefficient를 나타내었다. Hardness는 carbon의 함유량과 Ar 가스의 첨가 유무에 따라 각각을 측정하였고 이것은 BN 막 보다 향상된 값을 나타내었다.