• Journal of the Korean institute of surface engineering
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• v.45 no.6
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• pp.232-241
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• 2012

Cr-Ti-B-N coatings were synthesized by a hybrid coating system combining high power impulse magnetron sputtering (HIPIMS) and DC pulse magnetron sputtering from a $TiB_2$ and a Cr target in argon-nitrogen environment, respectively. By changing the power applied on the Cr and $TiB_2$ cathodes, the Cr-Ti-B-N coatings with various Ti/Cr ratio and B content were deposited. The phase structure, microstructure and chemical compositions of the Cr-Ti-B-N coatings were studied by X-ray diffraction (XRD), transmission scanning electron microscopy (TEM), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). With increase of Cr element in the coatings, the nanocomposite microstructure consisting of nano-sized (Cr, Ti) N crystallites and amorphous BN phase were obtained in the coatings. The microhardness of the Cr-Ti-B-N coatings exhibited a peak value of ~41 GPa for the $CrTi_{0.1}B_{0.4}N_{1.3}$, and then decreased with further increase of Cr content in the coatings, and all the coatings exhibited low friction coefficient. The oxidation and corrosion behavior of the Cr-Ti-B-N coatings revealed better properties due to the formation of a nanocomposite microstructure.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2014.11a
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• pp.21-21
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• 2014

$CrN/Al_2O_3/CrN$ 다층 코팅을 HIPIMS와 ALD간 하이브리드 코팅법을 통해 형성하였다. ALD를 통해 CrN 층에 도입한 $Al2O_3$층의 두께 및 위치가 $CrN/Al_2O_3/CrN$ 다층 코팅층의 미세구조, 표면 거칠기, 기계적 특성 및 화학적 특성에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 전체 공정시간은 거의 변화시키지 않고도, ALD를 이용한 $Al2O_3$층의 삽입에 의하여 기계적/화학적 특성이 크게 개선될 수 있음을 확인하였으며, 개선된 특성에 대한 원인에 대해 조사하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2015.08a
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• pp.168.1-168.1
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• 2015

자동차 산업분야에서 차량 경량화의 한 수단으로, 자동차용 유리를 무게가 가볍고 고강도 투명 고분자 소재인 폴리카보네이트로 대체하고자 하는 연구가 이루어지고 있다. 하지만, 폴리카보네이트의 낮은 내 마모 특성과 자외선에 의한 열화 및 변색 현상은 해결해야 할 문제점으로 지적되고 있다. 본 연구에서는, 폴리카보네이트의 내마모 특성을 향상시키기 위해 HIPIMS+ (High Power Impulse Magnetron Sputtering+) 방법을 이용하여 투과율이 확보되고, 고경도 특성을 갖는 Al-Si-N 박막을 증착하였다. 고속증착을 하기 위해 Target에 인가되는 Power를 올리게 되었는데, 열팽창 계수가 큰 고분자 물질인 폴리카보네이트 시료의 온도가 상승하여 증착된 박막과의 열팽창 계수 차이에 의해 박막에 Crack이 형성되는 문제가 발생하였다. 증착되는 Al-Si-N 박막의 공정 압력에 따른 Stress 제어 방법 및 폴리카보네이트 시료의 온도 상승을 막기 위한 알루미늄 구조체를 이용함으로써 박막의 Crack 형성을 억제하고자 하였다. 박막의 Stress를 확인하기 위하여 AFM (Atomic Force Microscope)과 OM (Optical Microscope)을 이용하여 분석하였고, 박막의 경도는 Knoop ${\mu}$-hardness tester를 사용하여 측정하였다. Al-Si-N 박막 경도는 Si at.%/(Al at.% + Si at.%) 비율이 16%에서 33 GPa의 경도를 갖는 것을 확인하였다. UV-Vis Spectrometer를 이용하여 투과율을 측정한 결과, 400-700 nm 파장의 가시광 영역 평균 투과율은 80%로 측정되었다.

• 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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• 2013.02a
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• pp.254-254
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• 2013

마그네트론 스퍼터링은 그 단순한 구조로 인하여 신뢰성과 확장성이 높은 기술이다, 이로 인해 DLC, ITO 등의 산업 분야에서 많이 사용하는 박막 공정 기술이다. 하지만 인듐과 같은 희토류 금속의 가격이 최근 상승함에 따라 나타난 낮은 타겟 효율성의 문제와 낮은 파워 밀도로 인한 기판의 추가적인 bias 추가에 따른 비용상승, 그리고 reactive 스퍼터링 시 낮은 증착률 등의 문제점들 또한 존재한다. 이러한 단점들을 해결하기 위해 많은 연구들이 이루어 졌으며, 높은 파워 밀도를 위해 High power Impulse Plasma Magnetron Sputtering (HIPIMS) 기술과 타겟 사용률을 높이기 위한 High Target Utilization Sputtering (HITUS) 등의 기술 등이 개발되었다. 본 연구에서는 직류 전원을 사용한 High density Plasma Sputtering System (HIPASS)이라 명하는 고밀도 원거리 플라즈마 소스를 이용한 스퍼터링 이용해 증착한 박막의 특성을 연구 하였다. Hollow cathode discharge에서 발생한 고밀도 플라즈마가 외부 유도 자장 코일에 의하여 타겟 표면까지 도달하게 되며, 스퍼터링 타겟의 고전압 bias에 의해 플라즈마 이온들이 가속이 이루어져 스퍼터링 공정이 이루어 지게 된다. 본 연구의 공정에서 타겟 사용 효율은 최대 90%까지 이며, 원거리 플라즈마 소스에서의 이온으로 스퍼터링을 실시함으로 인해 스퍼터링 전압과 전류의 독립적인 조절이 가능 하다. 본 연구에서 HIPASS을 이용하여 기판에 추가적인 전압 인가 없이 Ti 타겟과 아르곤/질소 혼합가스를 사용하여 TiN 박막을 증착 하였다. TiN의 증착률은 약 44 nm/min였으며, 이 박막의 XRD 분석 결과 TiN (111), (200), (220) 면들이 관찰이 되었다. 높은 스퍼터링 입자 에너지에서 증착 된 TiN 박막에서 우선적으로 나타나는(200)과 (220) 면들이, 본 실험에서는 기판에 추가적인 전압인가 없이도 우선방위 성장을 보였다. 이 박막의 micro-hardness 측정 결과 약 34.7 GPa이며, 이는 UBM 이나 HIPIMS에서 보여주는 결과에 준하거나 그 이상의 수치이다. 이와 같은 결과는 본 연구에서 사용한 HIPASS 증착 공정이 높은 스퍼터링 입자 에너지를 가지기에 고밀도의 TiN 박막이 증착 된 결과로 볼 수 있다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.256.2-256.2
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• 2014

최근 고출력 펄스 스퍼터링, HPPMS (high power pulsed magnetron sputtering)을 개선한 기술이 개발되고 있다. High power impulse magnetron sputtering (HIPIMS)이라고도 불려지는 이 기술은 Kouznetsov1) 에 의해 개발되었으며, 짧은 주기 동안 높은 peak power 밀도를 얻을 수 있기 때문에, 스퍼터링시 높은 이온화율을 만들 수 있다. 스퍼터 된 종들의 높은 이온화는 다양한 분야에서 기존 코팅 물질의 특성 개선 및 self-assisted 이온 증착 공정을 통해 우수한 박막을 제조하는데 기여되고 있다. 그러나 HIPIMS는 순간 전력 밀도가 MW수준으로 높아서 고융점, 고열전도도의 물질에만 적용할 수 있다는 단점을 가지고 있다). 최근에 HIPIMS를 대체하기 위해 modulated pulse POWER (MPP)가 개발되었다. 이것은 스퍼터 된 종들의 이온화율을 높일 수 있음과 동시에 여러 가지 물질에 적용할 수 있다고 보고하고 있다. MPP와 HIPIMS와의 차이점은 HIPIMS는 간단한 하나의 초고출력 펄스를 이용하는 반면에, MPP는 펄스 길이 3 ms 안에서 다양하게 조절이 가능하며, 한 전체 펄스 주기 안에서 다중 세트 펄스와 micro 펄스를 자유롭게 조합하여 인가할 수 있다는 장점이 있다. 본 실험에서는 In2O3 : SnO2의 조성비 10:1 wt% target을 사용하였으며, Ar:O2의 유량비는 10:1의 비율로, 기판의 온도를 올려 주지 않는 상태에서 실험을 하였다. Ar 유량을 40 sccm으로 고정시킨 후 O2의 유량을 2~6 sccm에 대하여 비교를 하였다. 박막의 두께를 100 nm로 이하로 하였을 때 비저항은 $7.6{\times}10-4{\Omega}cm$의 값을, 80% 이상의 투과도와 10 cm2/Vs 이상의 mobility를 얻을 수 있었다. 또한 박막 두께 150 nm로 고정, substrate moving에 따른 ITO 박막의 차이를 알아보았다. 비저항의 값은 $5.6{\times}10-4{\Omega}cm$의 값을, 80% 이상의 투과도와 15 cm2/Vs의 값을 얻었다.

• Journal of the Korean Applied Science and Technology
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• v.34 no.4
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• pp.1017-1024
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• 2017

Carbon thin films were deposited by HiPIMS(High Power Impulse Magnetron Sputtering). The properties and microstructures of carbon thin film were investigated with power, pressure, bias voltage and duty cycle. As the HiPIMS power increased, the deposition thickness increased and the surface tended to be rough. The increase in pressure also tended to make the surface rough, but the deposition thickness was not proportional to the pressure. As the bias voltage increased, the surface roughness became worse, the deposition thickness increased and then decreased from the critical bias voltage. Changes in the duty cycle have caused problems such as arcing, which is affected by the chamber structure and the size of the target. The $sp^2/sp^3$ fractions of thin films were estimated by XPS and it was confirmed that the fraction of thin films made by HiPIMS were larger than the fraction of thin films made by DC sputtering.