• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제43회 하계 정기 학술대회 초록집
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• pp.151-151
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• 2012

A new plasma process, i.e., the combination of PIII&D and HIPIMS, was developed to implant non-gaseous ions into materials surface. HIPIMS is a special mode of operation of pulsed-DC magnetron sputtering, in which high pulsed DC power exceeding ~1 kW/$cm^2$ of its peak power density is applied to the magnetron sputtering target while the average power density remains manageable to the cooling capacity of the equipment by using a very small duty ratio of operation. Due to the high peak power density applied to the sputtering target, a large fraction of sputtered atoms is ionized. If the negative high voltage pulse applied to the sample stage in PIII&D system is synchronized with the pulsed plasma of sputtered target material by HIPIMS operation, the implantation of non-gaseous ions can be successfully accomplished. The new process has great advantage that thin film deposition and non-gaseous ion implantation along with in-situ film modification can be achieved in a single plasma chamber. Even broader application areas of PIII&D technology are believed to be envisaged by this newly developed process. In one application of non-gaseous plasma immersion ion implantation, Ge ions were implanted into SiO2 thin film at 60 keV to form Ge quantum dots embedded in SiO2 dielectric material. The crystalline Ge quantum dots were shown to be 5~10 nm in size and well dispersed in SiO2 matrix. In another application, Ag ions were implanted into SS-304 substrate to endow the anti-microbial property of the surface. Yet another bio-application was Mg ion implantation into Ti to improve its osteointegration property for bone implants. Catalyst is another promising application field of nongaseous plasma immersion ion implantation because ion implantation results in atomically dispersed catalytic agents with high surface to volume ratio. Pt ions were implanted into the surface of Al2O3 catalytic supporter and its H2 generation property was measured for DME reforming catalyst. In this talk, a newly developed, non-gaseous plasma immersion ion implantation technique and its applications would be shown and discussed.

• 한국재료학회지
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• 제25권6호
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• pp.293-299
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• 2015

In this study, nitrogen ions were implanted into STS 316L austenitic stainless steel by plasma immersion ion implantation (PIII) to improve the corrosion resistance. The implantation of nitrogen ions was performed with bias voltages of -5, -10, -15, and -20 kV. The implantation time was 240 min and the implantation temperature was kept at room temperature. With nitrogen implantation, the corrosion resistance of 316 L improved in comparison with that of the bare steel. The effects of nitrogen ion implantation on the electrochemical corrosion behavior of the specimen were investigated by the potentiodynamic polarization test, which was conducted in a 0.5 M $H_2SO_4$ solution at $70^{\circ}C$. The phase evolution and texture caused by the nitrogen ion implantation were analyzed by an X-ray diffractometer. It was demonstrated that the samples implanted at lower bias voltages, i.e., 5 kV and 10 kV, showed an expanded austenite phase, ${\gamma}_N$, and strong (111) texture morphology. Those samples exhibited a better corrosion resistance.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제42회 동계 정기 학술대회 초록집
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• pp.247-247
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• 2012

기존형광등보다 에너지소비가 적고, 수명이 길다는 장점을 가진 LED소자는 조명분야뿐만 아니라 선박 및 해양플랜트시장에까지 적용분야가 확대되고 있다. 그러나 LED소자의 수명연장 및 제품신뢰성을 위해서 방열에 관한 연구가 필수적이며 특히, 해양환경적용을 위해서는 내부식성을 요구하는 방열 재료개발에 대한 연구가 필요하다. 일반적으로 방열판소재로 사용되는 알루미늄의 경우 열전도도가 우수하며, 대기 중에서 쉽게 생기는 자연산화막보다 내부식특성을 향상시키기 위해 현재 국내 외의 표면처리 방법으로 전기화학적 방법을 이용한 Anodizing기술을 적용하고 있다. 하지만, Anodizing에 사용되는 질산과 황산액을 처리하는 과정에서 유독물질을 발생시킴으로 유해물질사용제한 등 국제적으로 환경규제가 강화되고 있어 Anodizing기술의 적용이 제한적인 단점이 있다. 본 연구에서는 친환경적 기술인 Plasma Immersion Ion Implantation (PIII)방식을 사용하여 알루미늄표면에 $Al_2O_3$을 형성하였다. 최적의 산화막증착 조건을 찾기 위해 Gas Flow양, Pulse Voltage, 공정온도, 시간 등을 변수로 실험을 진행하였다. SIMS (Secondary ion mass spectroscopy)를 통해 $Al_2O_3$ 박막두께 및 Oxygen의 정량분석을 하였으며, Anodizing처리된 알루미늄시편과 열전도특성과 내부식특성을 비교하기 위해 각각 Hot Disk 열전도율측정기와 Salt water tester chamber를 사용하였다.

• 대한기계학회:학술대회논문집
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• 대한기계학회 2004년도 춘계학술대회
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• pp.956-960
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• 2004

Effects of ion implantation and deposition on the tribological properties of DLC film as a function of implanted energies and process times were investigated. TiC ions were implanted and deposited on the Si-wafer substrates followed by DLC coating using ion beam deposition method. In order to study tribological properties such as friction coefficient and behavior of DLC film on the modified surface as a function of implanted energies and process times, we used a ball-on-disc type apparatus in the atmospheric environment. From results of wear test, as the implanted energy was increased, the friction coefficient was more stable below 0.1.

• 한국진공학회지
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• 제7권4호
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• pp.381-389
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• 1998

플라즈마 잠김 이온 주입에서 플라즈마 덮개의 동력학에 대한 모델로부터 시료면에 주입되는 이온 전류밀도의 시간적인 변화를 해석하였다. 시료에 주입되는 이온의 전류밀도 는 플라즈마 덮개의 형성이후 특정 시간에 최대값을 갖게되고, 점차 줄어든다. 이러한 이온 주입 전류밀도의 변화를 이온의 충돌, 시료 면의 충전시간, 그리고 시료 면에 인가되는 파형 에 대하여 나타내었다.

• 한국윤활학회:학술대회논문집
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• 한국윤활학회 2004년도 학술대회지
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• pp.301-305
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• 2004

Effects of ion implantation on the adhesion strength of DLC film as a function of ion doses and implanted energies were investigated. Ti ions were implanted on the Si-wafer substrates followed by DLC coating using ion beam deposition method. Adhesion strength of DLC films were determined by scratch adhesion tester. Morphologies and compositional variations at the different ion energies and doses were observer by Laser Microscope and Auger Electron Spectroscopy, respectively. From results of scratch test, the adhesion strength of films was improved as increasing ion implanted energy, however there was no significant evidence with ion dose.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2016년도 제50회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.178-178
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• 2016

Every display is equipped with a cover glass to protect the underneath displaying devices from mechanical and environmental impact during its use. The strengthened glass such as Gorilla glass.$^{TM}$ has been exclusively adopted as a cover glass in many displays. Conventionally, the strengthened glass has been manufactured via ion-exchange process in wet salt bath at high temperature of around $500^{\circ}C$ for hours of treatment time. During ion-exchange process, Na ions with smaller diameter are substituted with larger-diameter K ions, resulting in high compressive stress in near-surface region and making the treated glass very resistant to scratch or impact during its use. In this study, PIIID (plasma immersion ion implantation and deposition) technique was used to implant metal ions into the glass surface for strengthening. In addition, due to the plasmonic effect of the implanted metal ions, the metal-ion implanted glass samples got colored. To implant metal ions, plasma immersion ion implantation technique combined with HiPIMS method was adopted. The HiPIMS pulse voltage of up to 1.4 kV was applied to the 3" magnetron sputtering targets (Cu, Ag, Au, Al). At the same time, the sample stage with glass samples was synchronously pulse-biased via -50 kV high voltage pulse modulator. The frequency and pulse width of 100 Hz and 15 usec, respectively, were used during metal ion implantation. In addition, nitrogen ions were implanted to study the strengthening effect of gas ion implantation. The mechanical and optical properties of implanted glass samples were investigated using micro-hardness tester and UV-Vis spectrometer. The implanted ion distribution and the chemical states along depth was studied with XPS (X-ray photo-electron spectroscopy). A cross-sectional TEM study was also conducted to investigate the nature of implanted metal ions. The ion-implanted glass samples showed increased hardness of ~1.5 times at short implantation times. However, with increasing the implantation time, the surface hardness was decreased due to the accumulation of implantation damage.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제42회 동계 정기 학술대회 초록집
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• pp.137-137
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• 2012

인공관절은 노인성 질환이나 자가 면역질환, 신체적인 외상 등으로 인하여 발생하는 관절의 손상 부위를 대체하기 위하여 고안된 관절의 인공 대용물이다. 인공 관절 중 인공 고관절의 경우 라이너(Liner)와 헤드(Head) 부분이 직접적인 마모 운동을 수행하게 되므로, 이 부분의 소재 특성에 따라 인공관절의 수명이 결정 되게 된다. 현재 헤드 소재로서는 Co-Cr-Mo 합금이, 라이너 소재로서는 고분자 소재인 UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene)가 주로 사용되고 있다. 이러한 MOP (Metal-On-Polymer) 구조의 인공관절의 경우, 충격흡수의 장점이 있는 반면, 관절 운동시 발생하는 UHMWPE 의wear debris에 의해 골용해가 발생하게 되어 인공관절의 수명이 저하되는 문제점이 있으며, 금속 헤드의 마모로 인한 금속이온의 용출은 세포 독성의 문제를 야기하여 인공관절의 수명을 저하시키는 또 다른 원인이 되고 있다. 따라서 본 연구에서는 PIII&D (Plasma Immersion Ion Implantation & Deposition) 공정을 이용하여 금속 (Co-Cr-Mo 합금)소재 위에 세라믹 (niobium nitride) 박막을 증착하여 상대재인 UHMWPE의 마모를 줄이고자 하는 연구를 진행하였다. 금속 소재 위에 증착된 세라믹 박막은 상대재인 UHMWPE의 마모량을 줄여줄 뿐만 아니라 금속이온의 용출을 막아준다는 장점이 있으나, 장시간의 마모 운동에 의하여 발생하는 박막의 박리 현상은 인공관절의 수명을 급격히 저하시키는 또 다른 원인이 된다. 이러한 단점을 해결하기 위하여, 박막의 증착 초기에 이온주입과 증착을 동시에 수행하는 dynamic ion mixing공정을 수행하였다. Dynamic ion mixing 공정을 수행함에 따라 박막과 금속 사이의 접착력이 증가하게 되어, UHMWPE의 마모량이 2배 가까이 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 장시간의 마모시험에서도 우수한 결과를 얻을 수 있었다. 또한 UHMWPE의 마모량을 감소시키기 위하여 박막을 증착하기 전에 금속 소재에 질소 이온주입을 수행하는 pre-ion implantation 공정을 도입하였다. 질소 이온주입 결과 Co-Cr-Mo 합금 표면에 부분적으로 CrN, Cr2N의 세라믹 상이 형성 되는 것을 확인할 수 있었으며, 그에 따라 UHMWPE의 마모량이 2배 이상 감소 되는 것을 확인 할 수 있었다.

• 반도체디스플레이기술학회지
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• 제2권1호
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• pp.1-5
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• 2003

Plasma generator based on non-self-sustained low-pressure arc discharge has been examined as a tool for deposition of highly-adhesive hydrogenated amorphous diamond-like carbon(DLC) films. Since the discharge is stable in wide range of gas pressures and currents, this plasma source makes possible to realize both plasma-immersion ion implantation(PIII) and plasma-immersion ion deposition(PIID) in a unified vacuum cycle. The plasma parameters were measured as functions of discharge current. Discharge and substrate bias voltage parameters have been determined for the PIII and PIID modes. For PIID it has been demonstrated that hard and well-adherent DLC coating are produced at 200-500 eV energies per deposited carbon atom. The growth rates of DLC films in this case are about 200-300 nm/h. It was also shown that short(∼60$\mu\textrm{s}$) high-voltage(> 1kV) substrate bias pulses are the most favorable for achieving high hardness and good adhesion of DLC, as well as for reducing of residual intrinsic stress are.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제43회 하계 정기 학술대회 초록집
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• pp.228-228
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• 2012

인공관절은 노인성 질환이나 자가 면역질환, 신체적인 외상 등으로 인하여 발생하는 관절의 손상 부위를 대체하기 위하여 고안된 관절의 인공 대용물이다. 인공 관절 중 인공 고관절의 경우 관절 운동을 하는 라이너(Liner)와 헤드(Head) 부분이 마모에 관여하여 인공관절의 수명에 영향을 미치게 되는데, 헤드 소재로서는 Co-Cr-Mo 합금이, 라이너 소재로서는 고분자 소재인 UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene)가 주로 사용되고 있다. 이러한 MOP (Metal-On-Polymer) 구조의 인공관절의 경우, 충격흡수의 장점이 있는 반면, 관절 운동시 발생하는 UHMWPE의 wear debris에 의한 골용해로 인하여 관절이 느슨해지는 문제점이 발생하여 재시술을 필요로 하게 된다. 또한 메탈 헤드의 마모로 인한 금속이온의 용출은 세포 독성의 문제를 야기하여 인공관절의 수명을 낮추는 또 하나의 요인이 되고 있다. 이러한 문제점들을 해결 하기 위하여, 본 연구에서는 PIII&D (Plasma Immersion Ion Implantation & Deposition)공정을 이용하여 Co-Cr-Mo 합금 소재 위에 niobium nitride (NbN) 박막을 증착하여 상대재인 UHMWPE의 마모를 줄이고자 하는 연구를 진행하였다. 마모량의 감소를 위하여, 박막을 증착하기 전에 Co-Cr-Mo 합금 위에 질소를 이온주입 하는 pre-ion implantation 공정을 도입하였으며, Co-Cr-Mo 합금과 NbN박막 사이의 접착력을 증가시키기 위하여 박막의 증착 초기에 이온주입과 증착을 동시에 수행하는 dynamic ion mixing공정을 수행하였다. 실험 결과 pre-ion implantation 공정을 도입한 경우 현재 상용화 되어있는 Co-Cr-Mo 합금에 비하여 마모량을 2배 이상 감소시키는 것을 확인 할 수 있었으며, dynamic ion mixing 공정을 도입한 경우 장시간의 마모 시험에서도 UHMWPE의 마모량을 2배 가까이 줄일 수 있었다.