KR20070105614A

KR20070105614A - 내산화성이 우수한 고온용 표면 피복용 박막

Info

Publication number: KR20070105614A
Application number: KR1020060037973A
Authority: KR
Inventors: 박종극; 백영준
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2006-04-27
Filing date: 2006-04-27
Publication date: 2007-10-31

Abstract

본 발명은 내산화성이 우수한 표면 피복용 박막에 관한 것으로서, Ti_xAl_1-xN 막층(0≤x≤0.5, 이하 "TiAlN 막층"이라 함)과 CrN 막층으로 구성된 박막 단위체를 하나 이상 포함하여 TiAlN 막층과 CrN 막층이 교대로 반복 적층된 다층 구조를 갖는 박막이다. 이는 내산화성이 매우 우수하여 얇은 두께로 코팅하여도 고온에서 내산화막으로 응용 가능하고 경도값과 내마모 특성도 우수하여 경질 피복 박막으로도 응용 가능하므로, 대기 중 고온 하에 노출되는 여러 기계 부품, 용융 글래스 및 용융 알루미늄 용 금형, 공구 및 얇은 코팅층을 필요로 하는 정밀, 미세 부품, 공구등의 피복 소재로 응용이 가능하다.

내산화성, 박막, CrN, TiAlN, 경도, 물리증착법, 피복

Description

내산화성이 우수한 고온용 표면 피복용 박막 {Coating materials with excellent oxidation resistance for surface covering for using at high temperature}

도 1은 본 발명에 따른 표면 피복용 박막의 바람직한 일실시예의 적층 구조를 나타내는 모식도이다.

도 2는 본 발명에 따른 표면 피복용 박막을 증착하기 위한 물리적 기상 증착(physical vapor deposition) 스퍼터링 장치의 개략도이다.

<도면의 부호 설명>

1 : 챔버 2 : 타겟 스퍼터링용 건(GUN) 3 : 지그(jig) 시스템

4 : 증착용 시편 5 : 타겟 플라즈마

본 발명은 내산화성이 우수하여 고온에서의 응용이 가능한 표면 피복용 박막 에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 내산화성이 기존의 코팅 박막에 비해 월등히 우수하고 경도 그리고 이에 따른 내마모 특성도 기존의 코팅 박막에 비해 떨어지지 않아 얇은 코팅 두께로도 우수한 성능을 발휘할 수 있는 새로운 미세구조의 표면 피복용 박막에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 부품 등의 기계 구조물과 이러한 기계 구조물을 제작하는데 필요한 금형 등이나 이러한 부품들을 가공하는데 필요한 절삭 공구 등은 그 사용 시에 대기 분위기에서 온도가 고온까지 올라가게 되므로 상온에서의 높은 경도, 내마모성 뿐 아니라 고온에서의 안정성, 즉 내산화성이 크게 요구되고 있다.

대기 중에서 고온에 노출되어 사용되는 금속 기반의 각종 기계, 부품류의 내산화성을 증대시키기 위해서는 고온에서 얇지만 안정적인 산화막층이 형성되어 더 이상의 산화가 진행되지 않도록 하는 방법이 응용되며 이를 위해 주로 내산화성이 우수한 금속들을 첨가하는 방법이 제안되어 졌다. 흑연주철(Graphite cast iron)의 경우 C, Si, Mn, Cr, Ni 등을 첨가하여 내산화성을 증대시킨 보고가 있었고(US 4,528,045, 1985), 철강(Ferric steel)의 경우, 소량의 Cr, Ti, Y등을 첨가하여 표면에 형성되는 산화막의 두께를 감소시킨 시도가 있었으며,(US 2002/0011285 A1), 내산화성이 뛰어난 Al이 다량 포함되어 있는 불연속적인 입자 형태의 NiAl 혼합물층과 NiCrAlY 코팅층을 이용하여 금속 기판의 내산화성을 증대시키려는 시도도 있었다(US 6,372,299 B1).

한편, 각종 기계 구조물, 금형, 절삭공구의 성능은 표면 부위의 물성에 의해 결정되며 따라서 바로 이러한 표면층의 물성을 향상시킬 수 있는 가장 일반적인 방 법이 사용온도에서 경도, 내마모 등의 기계적 물성이 우수한 막을 피복(코팅)하는 것이다. 따라서 피복 막의 성능은 위와 같은 기계 구조물, 금형, 절삭공구의 성능을 결정하는 가장 중요한 기술적인 문제이다.

통상적으로 피복용 표면층 소재로는 복합적인 성능의 구현을 위하여 기계 구조물, 금형, 절삭공구 등의 모재 위에 Ti 등의 IV-A족 원소를 기반으로 하는 탄화물이나 질화물의 피복층을 물리증착법 (PVD: Physical Vapor Deposition)이나 화학증착법 (CVD: Chemical Vapor Deposition) 방법으로 코팅한 경질막이 일반적으로 사용되어지고 있다.

이와 같은 경질 박막 역시 앞서 언급한대로 경도, 내마모 등의 특성이 우수해야 함은 물론이고, 그 사용 환경을 고려할 때, 고온에서의 내산화성 등 뛰어난 고온 안정성 역시 매우 중요한 요소 중 하나이다. 이는 고온에서 형성되는 산화물등이 내마모 특성을 크게 저하시키기 때문으로 최근 IV-A원소의 질화물 특히 TiN에 내산화 특성이 우수한 Al원소를 첨가한 TiAlN 피복층이 피복층의 경도 및 내산화성 향상에 탁월한 성능을 보여 기존의 피복 공구를 대체하고 있으며 많은 연구 및 응용이 진행되고 있다. 최근에는 이 같은 TiAlN을 기본으로 Cr, Y등의 원소를 첨가하여 산화반응이 급격히 진행되는 온도를 높이려는 시도가 있었다. (Vacuum 57 (2000) 1-30)

근본적으로 이와 같은 TiAlN계 코팅 소재에서 내산화 특성은 Al의 함유량에 의존하여 Al이 100%인 AlN막이 내산화성이 가장 우수하지만, 미세, 정밀 부품 등 표면 보호 코팅 층이 얇아야 하는 경우, 내산화성이 가장 우수한 AlN 단일막이라 하더라도 공기가 보호 코팅층과의 반응하여 산화막층은 형성되는데, 이 때 주어진 온도, 시간 내에 형성되어 보호 코팅층을 대체하는 산화막 두께가 보호 코팅층 두께보다 두꺼워지게 되면 그 응용에 제한을 가져올 수밖에 없다.

한편 이 같은 경질 박막 코팅 층을 증착하는데 있어서 고려해야할 또 다른 요소는 코팅층의 두께이다. 미세 정밀 공구, 부품등은 그 크기가 작아 코팅층의 두께가 제한을 받는데, 일례로 마이크로 드릴(micro drill)의 경우, 가공시 굽힘(bending)과 같은 변형이 문제가 되는데, 드릴의 두께(지름)에 대한 코팅층의 상대적인 두께가 증가할수록, 모재에 가해지는 응력(stress) 때문에 사용 시, 드릴의 변형 및 코팅 층의 박리가 쉽게 발생할 수 있는 문제점이 있다. 따라서 미세, 정밀 부품과 같이 모재 자체의 크기(두께)가 작을 경우, 코팅층의 두께도 얇게 조절해야 한다.

따라서, 대기 중 고온에서 사용되는 각종 기계 부품의 경질 보호 코팅 소재로 응용 가능한 소재는 경도를 유지하면서 내산화 특성이 우수해야하고, 한편 미세 정밀 부품, 공구에서와 같이 표면 보호 코팅 층 두께가 얇은 경우, 고온에서 주어진 작업 시간 내에 형성되는 산화막의 두께 역시 보호 코팅 층의 두께 이하가 될 수 있도록 하는 우수한 내산화 특성을 갖는 코팅 소재가 요구된다.

이에 본 발명에서는 고온에서의 내산화성이 기존 TiAlN 소재보다 우수하면서 경도와 내마모 특성은 기존 TiAlN 소재보다 떨어지지 않아 얇은 증착 두께를 가지 고도 고온용 코팅 피복재로 응용이 가능한 소재로서, 서로 다른 질화물 막을 나노미터 두께로 반복적층함으로써 서로 다른 질화물 간의 많은 계면이 형성되는 다층막을 제안하고자 한다. 이 같은 다층막의 구성 소재인 질화물로는 IV-A족 원소를 기반으로 하는 금속 질화물을 이용할 수 있는데, 본 발명에서는 바람직한 한 구체예로서 기존의 내산화성이 우수한 것으로 알려진 CrN 막을 한 층으로 하고 여기에 TiAlN 중 Al 함량이 높은 소재의 막층을 다른 한 층으로 하여 이를 반복 적층함으로써 형성되는 다층막을 제시하고자 한다.

본 발명은 고온 환경 하에서 산화반응이 소재의 성능을 크게 제한하는 소재의 피복 코팅 소재로 사용될 수 있는 표면 피복용 박막을 제공하는 것을 목적으로 한다. 특히 본 발명에서는 보통 공구의 선단 부위나 글래스, 알루미늄 금속용 몰드나 주조 금형(die) 들의 표면 코팅 소재로 응용 가능하도록, 실제 이 같은 공구, 부품 등의 사용 환경인 대기 중, 800℃와 같은 고온에서 우수한 내산화 특성을 나타내는 다층막 소재를 제안하고자 한다.

더 구체적으로, 본 발명은 기존의 TiAlN, AlN 등의 단일층 피복 코팅 박막에 비해 경도 및 내마모성이 떨어지지 않으면서 내산화성이 현격하게 향상된 경질 피복 박막을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 표면 피복용 박막은 두 종 이상의 질화물 막층이 교대로 반복 적층된 박막 단위체를 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 본 발명에 따른 표면 피복용 박막에 있어서, 상기 두 종 이상의 질화물 막층은 IV-A족 원소를 기반으로 하는 금속 질화물 막층을 포함하는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명에 따른 표면 피복용 박막에 있어서, 상기 두 종 이상의 질화물 막층은 Al 및 Cr 원소를 기반으로 하는 금속 질화물 막층을 포함하는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명에 따른 표면 피복용 박막에 있어서, 상기 박막 단위체는 Ti_xAl_1-xN 막 한 층(0 < x ≤ 1, 이하 "TiAlN 막층"이라 함)과 CrN 막 한 층으로 구성되어, 상기 표면 피복용 박막은 TiAlN 막층과 CrN 막층이 교대로 반복 적층된 다층 구조인 것이 바람직하다.

상기한 본 발명에 따른 표면 피복용 박막에 있어서, 상기 x는 0 ≤x ≤0.5의 범위인 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 명세서에서 "박막 단위체"라 함은 2종 이상의 질화물 막층들이 적층되어 하나의 기본 단위체를 이룬 것을 의미한다. 상기 박막 단위체가 다시 하나 이상 적층되어 본 발명에 의한 다층 박막이 형성된다.

가장 바람직한 "박막 단위체"는 나노 두께를 갖는 TiAlN 막 한층과 역시 나 노 두께를 갖는 CrN 막 한층으로 이루어진 단위체이다. 상기 박막 단위체의 두께는 수 nm에서 수십 nm까지 가능하며, 목적으로 하는 전체 박막 두께에 따라 적층되는 박막 단위체의 수를 조절할 수 있다. 1 또는 2 이상의 박막 단위체가 적층될 수 있고, 필요에 따라서는 박막 단위체가 수천층 이상까지도 적층될 수 있다.

본 발명에 따른 표면 피복용 박막에 있어서, Ti_xAl_1-xN 막층에서의 x는 0 ≤x ≤0.5의 범위인 것이 바람직하다. x가 0.5 초과인 경우에는 내산화성이 우수한 Al의 함량이 적어져서 우수한 내산화성을 기대하기 어렵기 때문이다.

본 발명에 따른 표면 피복용 박막에 있어서, 상기 박막 단위체의 두께는 1 내지 20 nm인 것이 바람직하다. 박막 단위체의 두께, 즉 주기가 1nm 미만인 경우에는 증착 시, 서로 다른 두 층간의 혼합에 의해 다층 구조를 이루기 어려워 본 발명의 효과가 나타나기 어렵고, 20 nm를 초과하는 경우에는 서로 다른 두 층간의 정합변형이 깨어져 경도값이 구성 단일막들에 비해 떨어질 수 있기 때문이다. 상기와 같은 관점에서 그리고 내산화 특성 향상 및 경도, 내마모 특성 저하 방지를 위해서는 주기를 10 nm 이하로 조절하는 것이 보다 더 바람직하다.

본 발명에 따른 표면 피복용 박막에 있어서, 상기 박막의 총 두께는 코팅 소재가 응용되는 환경, 시간 하에서 형성되는 산화막 층의 두께와 증착 시 형성되는 응력(stress)을 고려하여 설정할 수 있고 특별히 제한은 없다.

상기와 같은 나노 다층 구조의 도입에 의해 다층막의 경도와 내마모 특성(sliding wear coefficient)은 상기 다층 구조를 구성하는 CrN 단일막 및 TiAlN 단일막의 값보다 우수하게 될 수 있다. 다층 구조에 기인한 내산화성 향상(표면에 형성되는 산화물 층의 두께로부터 판단한)은 단일막에 비해 1 order 정도 향상됨을 보이는데 이와 같은 뛰어난 내산화 특성은 고온에서 질화물 피복 박막의 산화를 억제시켜 산화물 형성에 따른 경도 및 내마모 특성 저하를 억제함으로써 고온에서 사용될 수 있는 각종 기계 구조물, 금형, 부품, 절삭 공구 등의 피복 박막으로 응용이 가능하게 한다. 특히 미세, 정밀 부품 등 표면 보호 코팅층이 얇야아만 하는 정밀 부품 분야에서 뛰어난 산화 방지 기능을 갖는 코팅층으로 응용 분야가 넓어질 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 표면 피복용 박막의 바람직한 일실시예는 클리닝(cleaning)된 기판(Si wafer) 상에, Cr 금속 타겟을 이용한 Cr 버퍼 층(buffer layer), CrN 베이스 층(base layer), CrN/Ti_xA_1-xN (x ≤0.5) 다층막 순으로 증착되어 있다.

본 발명에 의한 다층 박막의 형성 방법은 특히 한정되지는 않지만, 내마모성 및 내열성을 높일 수 있도록 Al 원자비가 높은 피막을 형성하기 위해서는 PVD법(물리적 증착법)으로 형성하는 것이 바람직하고, 그 PVD법으로서 금속 타겟과 AIP(이온 프레이팅)법, 마그네트론 스퍼터링을 사용한 반응성 스퍼터링법으로 증착할 수 있고, 또한 이 경우, 금속 타겟 대신 질화물 타겟을 사용한 스퍼터링법으로 증착할 수 있다. 이온화된 금속 플라즈마(IMP) 증착법이나, 전자빔 증착법 등을 사용하여 증착할 수 있다.

본 발명에 의한 다층 박막 구성 예는 TiAlN 막층과 CrN 막층이 교대로 적층된 것을 특징으로 하는데, 이와 같이 교대로 적층된 구조를 형성시키기 위한 한 방법으로서, 도 2에 도시된 바와 같이 두개의 타겟이 장착된 언밸런스드 마그네트론 스퍼터링 장치를 사용하여, 상기 두개의 타겟 중 하나의 타겟은 알루미늄 함량을 조절할 수 있는 TiAl 합금으로 하고, 다른 하나는 Cr으로 하고, 지그 시스템의 지그(3)를 공전시킴으로써 TiAlN 막과 CrN 막이 교대로 반복 증착된 다층 박막을 형성시킬 수 있다.

본 발명은 아래의 실시예를 통하여 구체적으로 설명하고자 하나, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

<실시예 1 내지 12>

도 2에 도시된 바와 같이 두 개의 타겟이 대향하고 있는 언밸런스드 마그네트론 스퍼터링(unbalanced magnetron sputtering) 장치를 사용하여 박막을 제조하였다. 한쪽 타겟은 Cr 금속이고, 다른 쪽 타겟은 Al 함량이 각각 50%, 67% (즉, Ti_xAl_1-xN에서 x값이 0.5, 0.33임) 인 TiAl합금 혹은 Al금속 (즉, Ti_xAl_1-xN에서 x값이 0임) 이었다. 코팅은 경면 연마된 Si 웨이퍼(wafer)에 DC 타겟 파워를 이용하여 이루어졌다. 이 때, 챔버(Chamber) 내부 진공을 1.0 x 10^-5 torr 이하의 베이스 압력(base pressure)까지 얻은 다음, 기판에 -800 V를 20 분 동안 인가하여 Ar 플라즈마를 이용하여 기판 클리닝(cleaning)을 실시한 후, Cr 금속 타겟을 이용 Cr 버퍼 층(buffer layer), CrN 베이스 층(base layer), CrN/Ti_xA_1-xN (x ≤ 0.5) 다층막 순으로 증착하였다. 아르곤과 질소를 이용하여 증착 중의 챔버 내 반응 기체의 압력을 2 ~ 8 mtorr로 조정하고 기판 온도는 400℃로 유지한 상태에서 기판에 -120 V의 바이어스 전압을 인가하면서 막 전체의 두께가 2 ㎛가 되도록 증착을 하였다.

지그(3)를 공전 및 자전시켜 CrN 막과 Ti_1-xAl_xN 막이 교대로 반복 증착된 막을 형성하였다. 지그(3)의 공전 회전 속도를 1-3회/분으로 조절하여 박막 단위체의 두께의 합인 주기를 2 ~ 13 nm 범위로 조절하였다.

<비교예 1 내지 4>

지그(3)의 회전 없이 코팅을 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1에 기재된 것과 동일하게 코팅을 수행하여, TiAlN 단일막, AlN 단일막, CrN 단일막을 얻었다.

<실험예 1: 내산화성 측정>

상기 실시예들과 비교예들에 따라 얻어진 다층 박막들의 내산화성은 800℃에서 1시간동안 열처리한 후 표면에 형성된 산화물의 두께로 판단하였는데, 산화물 두께는 AES(Auger electron spectroscopy)를 이용하여 측정하였고 그 결과를 표 2에 나타내었다. 비교를 위해 단일막에 대한 측정 결과도 함께 나타내었다.

	다층 구조	Ti_xAl_1-xN에서의 x값	박막 단위체의 주기 (nm)	산화막 두께(nm)
실시예 1	CrN/AlN 다층 박막	0	2.2	27.1
실시예 2	CrN/AlN 다층 박막	0	3.2	31.9
실시예 3	CrN/AlN 다층 박막	0	5.6	47.3
실시예 4	CrN/AlN 다층 박막	0	12.1	76.7
실시예 5	CrN/Ti_xAl_1-xN 다층 박막	0.33	2.5	27.8
실시예 6	CrN/Ti_xAl_1-xN 다층 박막	0.33	3.1	49.6
실시예 7	CrN/Ti_xAl_1-xN 다층 박막	0.33	4.6	44
실시예 8	CrN/Ti_xAl_1-xN 다층 박막	0.33	11.7	83.2
실시예 9	CrN/Ti_xAl_1-xN 다층 박막	0.5	2.7	54.8
실시예 10	CrN/Ti_xAl_1-xN 다층 박막	0.5	4.9	63.8
실시예 11	CrN/Ti_xAl_1-xN 다층 박막	0.5	5.3	51.7
실시예 12	CrN/Ti_xAl_1-xN 다층 박막	0.5	12.3	92.3
비교예 1	CrN 단일막	-	-	300
비교예 2	AlN 단일막	0	-	126
비교예 3	Ti_xAl_1-xN 단일막	0.33	-	220
비교예 4	Ti_xAl_1-xN 단일막	0.5	-	250

표 1에서 알 수 있듯이 본 발명에 따른 CrN/Ti_xAl_1-xN 다층 박막(0≤x≤0.5)(실시예 1 내지 12)은 단일막(비교예 1 내지 4)에 비해 1 order정도 산화물 두께가 낮아진 것을 관찰할 수 있다. 특히, 내산화성이 우수한 것으로 알려진 Al 함량이 높을수록 다층막의 산화막 두께는 감소하여 CrN/AlN 나노 다층막의 경우(실시예 1 내지 4) 주기값이 10 nm 이하에서는 산화막의 두께가 약 25 ~ 50 nm정도로 나타났다. 따라서 내산화성이 비교적 우수하다고 알려진 Ti_xAl_1-xN의 내산화성이 CrN과의 나노 다층구조화에 의해 훨씬 향상되었음을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서의 내산화성 증진 효과를 충분히 얻기 위해서는 Ti_xAl_1-xN 박막층에서의 Al 함량을 50 at.% 이상으로 조절하는 것이 바람직하다. 이와 같은 내산화성의 향상은 나노 다층 구조 박막에 존재하는 많은 수의 CrN과 TiAlN 계면에 작용하는 응력이 산소의 확산을 억제해 주기 때문으로 판단된다.

<실험예 2: 경도 및 내마모 특성의 측정>

상기 실시예들 및 비교예들에 따라 제조된 표면 피복용 박막에 대하여 경도및 내마모 특성은 각각 나노 압입법(nanoindentation)과 알루미나 볼을 이용하는 볼 온 디스크(ball on disk) 타입의 마찰계(tribometer)를 이용하여 측정하였다.

상기와 같은 방법으로 측정된 결과는 다음 표 2와 같다.

	다층 구조	Ti_xAl_1-xN에서의 x값	박막 단위체의 주기 (nm)	경도 (GPa)	내마모 계수 (sliding wear coefficient) (m²/N)
실시예 1	CrN/AlN 다층 박막	0	2.2	43.4	2.5 x 10^-17
실시예 2	CrN/AlN 다층 박막	0	3.2	50.1	1.6 x 10^-17
실시예 3	CrN/AlN 다층 박막	0	5.6	38.0	3.6 x 10^-17
실시예 4	CrN/AlN 다층 박막	0	12.1	27.1	2.8 x 10^-16
실시예 5	CrN/Ti_xAl_1-xN 다층 박막	0.33	2.5	39.4	4.9 x 10^-17
실시예 6	CrN/Ti_xAl_1-xN 다층 박막	0.33	3.1	34.6	4.2 x 10^-17
실시예 7	CrN/Ti_xAl_1-xN 다층 박막	0.33	4.6	32.2	5.2 x 10^-17
실시예 8	CrN/Ti_xAl_1-xN 다층 박막	0.33	11.7	29.3	2.3 x 10^-16
실시예 9	CrN/Ti_xAl_1-xN 다층 박막	0.5	2.7	30.9	1.3 x 10^-16
실시예 10	CrN/Ti_xAl_1-xN 다층 박막	0.5	4.9	36.6	3.4 x 10^-17
실시예 11	CrN/Ti_xAl_1-xN 다층 박막	0.5	5.3	34.0	5.3 x 10^-17
실시예 12	CrN/Ti_xAl_1-xN 다층 박막	0.5	12.3	28.1	3.1 x 10^-16
비교예 1	CrN 단일막	-	-	30.2	9.8 x 10^-17
비교예 2	AlN 단일막	0	-	20.6	2.8 x 10^-13
비교예 3	Ti_xAl_1-xN 단일막	0.33	-	24.7	1.2 x 10^-14
비교예 4	Ti_xAl_1-xN 단일막	0.5	-	34.1	5.6 x 10^-15

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 주기값이 10 nm 이하의 CrN/Ti_xAl₁ _- _xN 다층 박막 및 CrN/AlN 다층 박막의 경우 (실시예 1~3, 5~7, 9~11) 그 구성막인 CrN, TiAlN 단일막에 비해 경도와 내마모 특성이 모두 우수한 것을 알 수 있었다. 특히 앞서 표 1에서 나타낸 바와 같이 전반적으로 Al 함량이 높아 내산화성이 우수한 다층 박막이 경도도 높게 나타났는데, 이의 원인은 격자 구조 전이에 기인한 것으로 판단된다.

따라서 다층 구조 박막은 내산화성의 획기적인 향상 뿐 아니라 경도 및 내마모 특성도 현재 코팅 소재로 가장 광범위하게 응용되고 있는 TiAlN, CrN등의 단일막에 비해 떨어지지 않아 내산화성이 크게 요구되는 코팅 소재로의 응용이 가능하다.

본 발명에서 제안한 코팅 소재는 고온 산화에 기인한 물성 저하가 발생할 수 있는 다양한 소재의 표면 보호 코팅 소재로 응용이 가능하다.

일반적으로 기계 구조물, 부품, 금형, 절삭공구용 피복재료에서 요구되는 특성은 경도를 들 수 있으나 고온에서 사용될 경우, 내산화성 역시 중요한 요소 중 하나이다. 이중 특히 절삭공구는 가공 시, 선단의 온도가 800℃ 이상으로 높아지므로 절삭공구의 표면 피복재는 내산화성이 매우 우수해야 한다. 본 발명에서 제시한 피복재의 경우 기존에 경도 및 내산화성이 우수하다고 알려진 Ti_xAl_1-xN 단일 막(x ≤ 0.5)을 CrN막과 다층 구조를 이루게 함으로써 Ti_xAl_1-xN, CrN 단일막에 비해 내산화성을 획기적으로 향상시킬 수 있으며 이에 따라 산화막 형성에 기인한 경도 및 내마모 특성 저하를 크게 억제시킬 수 있을 것으로 기대된다.

특히 CrN/Ti_xAl_1-xN 나노 다층 구조 박막은 Al 함량이 50 at% 이상일 경우, 800℃에서 1시간 열처리 시 형성되는 산화막의 두께가 50 nm 보다 낮아 표면 보호 코팅층의 두께가 100 nm 이하로 얇은 경우에도 내산화 방지막으로의 응용이 충분히 가능해지기 때문에, 내산화 특성이 요구되면서도 동시에 모재 자체의 크기 두께가 얇아 사용 시 응력(stress) 발생에 기인한 변형을 방지하기 위해 보호 코팅층의 두께 역시 얇게 제한되어야 하는 미세, 정밀 기계 부품등의 보호 피복 소재로도 응용이 가능하다.

한편, 경도 내마모 특성과는 별도로 용융 글라스(Glass) 몰딩용 금형, 용융 알루미늄 캐스팅(casting)용 금형 사용 온도가 800℃ 내외의 고온에서 내산화성이 중요시 되는 금형 소재의 표면 내산화 방지 보호 코팅에의 응용도 가능하다.

Claims

두 종 이상의 질화물 막층이 교대로 반복 적층된 박막 단위체를 하나 이상 포함하는 표면 피복용 박막
제2항에 있어서, 상기 두 종 이상의 질화물 막층은 Al 및 Cr 원소를 기반으로 하는 금속 질화물 막층을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 피복용 박막.
제2항에 있어서, 상기 박막 단위체는 Ti_xAl_1-xN 막 한 층(0 ≤x ≤1, 이하 "TiAlN 막층"이라 함)과 CrN 막 한 층으로 구성되어, 상기 표면 피복용 박막은 TiAlN 막층과 CrN 막층이 교대로 반복 적층된 다층 구조인 것을 특징으로 하는 표면 피복용 박막.
제3항에 있어서, 상기 x는 0 ≤x ≤0.5의 범위인 것을 특징으로 하는 표면 피복용 박막.
제1항에 있어서, 상기 박막 단위체의 두께는 1 내지 20 nm인 것을 특징으로 하는 표면 피복용 박막.