[ 논문] 열처리공학회지, 제33 권 제1 호(2020) J. of the Korean Society for Heat Treatment. https://doi.org/10.12656/jksht.2020.33.1.25 Laser patterning 된 DLC 박막의 Tribology 특성연구 이지석*· 김동준*· 신동철**· 김태규 † * 부산대학교 나노융합기술학과·** 거제대학교 기계공학과· 부산대학교 나노메카트로닉스공학과 A Study on Tribology Characteristics of Laser Patterned DLC Thin Films Ji Seok Lee*, Dong Jun Kim*, Dong Chul Shin**, Tae Gyu Kim † *Department of Nano Fusion Technology, Pusan National University, Busan 46241, Korea **Department of Mechanical Engineering, Koje College, Gyeongnam 53325, Korea Department of Nanomechatronics Engineering, Pusan National University, Busan 46241, Korea Abstract In this study, the tribology of laser patterned DLC thin film was studied. DLC thin films were coated by RF-PECVD to improve the durability of tungsten carbide (WC) materials. DLC thin films have high hardness and low friction characteristics. Dot and line patterning was processed on the surface of DLC thin film with femtosec- ond laser, and the coefficient of friction was improved. As a result of ball on disk abrasion test, the hardness and friction coefficient of DLC thin films were much better than that of WC material. The friction coefficient of DLC thin film with dot patterning and line patterning showed better results. The excellent performance of the laser pat- terned DLC coating is appeared to reduce the coefficient of friction due to the reduction of surface contact area. (Received January 10, 2020; Revised January 20, 2020; Accepted January 28, 2020) Key words : Diamond Like Carbon (DLC), WC, Purse laser, Tribology, Friction, RF-CVD 1. 서 론 최근 많은 연구자들이 정밀 기계장치의 습동부에 대한 트라이볼로지 특성에 대해서 큰 관심과 연구를 진행하고 있으며, 윤활특성이나 극한 환경조건에서의 마찰저항과 마모현상 등에 대한 연구결과가 많이 이 루어지고 있다[1]. 또한 최근에는 표면경도와 마찰계 수 특성의 향상시키기 위한 여러 방법들이 제안되고 있다. 그중 고경도, 저 마찰계수 특성이 우수한 DLC(diamond like carbon) 기술을 적용한 습동부 내마모용 박막합성기술이 각종 산업분야에 많은 적용 이 시도되고 있다. 초경합금(tungsten carbide; WC) 은 산업현장에서 절삭공구 소재로 널리 사용되고 있다. 높은 경도로 인한 내 마모 특성이 우수하고 내열성이 뛰어나 금 형(punch & die), 베어링(bearing), 롤(roll), 게이지 (gauge) 및 건설용 드릴비트(drill bit) 등에 많이 사 용되는 소재이고, 실린더와 같은 습동부나 정밀 기계 부품 분야에도 널리 활용되고 있다[2]. 1929 년 독일 의 K,Schroter 에 의해 초경합금(WC) 과 코발트(Co) 를 주성분으로 하는 초경합금이 개발된 이래 금속절 삭용 소재로 WC-Co 계 초경합금의 수요가 급증하고 있다. 이는 WC-Co 계 초경합금이 기존의 고속도공구 강(high speed steel; HSS)에 비해 경도가 높고 내구성이 우수하여 고속절삭이 가능하다. 이는 공업 용 다이아몬드나 세라믹스, 서멧(cermet) 소재보다 높은 인성특성을 가지고 있기 때문이다[3]. 최근에는 더 높은 표면경도와 마찰계수 특성을 향상시키기 위 한 방법으로 건식표면 처리기법인 PVD 와 CVD 증 착방법으로 초경합금 기판 상에 박막코팅을 많이 응 용하고 있다. 기판인 초경합금에 PVD 나 CVD 코팅 에 의해 생긴 박막의 장점이 합쳐져 내마모성과 마 찰계수 특성을 더욱 향상시키고 있다. 이러한 방법으 로 초경절삭 절삭공구에 TiN, TiAlN, Diamond, DLC 등을 박막코팅 하여 내구성과 절삭성능을 향상 시키고 있다. 대부분의 소재 그 자체만으로는 물성의 † Corresponding author. E-mail : [email protected]Copyright ⓒ The Korean Society for Heat Treatment
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Laser patterning 된 DLC 박막의 Tribology · Abstract In this study, the tribology of laser patterned DLC thin film was studied. DLC thin films were coated by RF-PECVD to improve
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[논문] 열처리공학회지, 제33권 제1호(2020)J. of the Korean Society for Heat Treatment.https://doi.org/10.12656/jksht.2020.33.1.25
Laser patterning된 DLC 박막의 Tribology 특성연구
이지석*·김동준*·신동철**·김태규†
*부산대학교 나노융합기술학과·**거제대학교 기계공학과·부산대학교 나노메카트로닉스공학과
A Study on Tribology Characteristics of Laser Patterned DLC Thin Films
Ji Seok Lee*, Dong Jun Kim*, Dong Chul Shin**, Tae Gyu Kim†
*Department of Nano Fusion Technology, Pusan National University, Busan 46241, Korea
**Department of Mechanical Engineering, Koje College, Gyeongnam 53325, Korea
Department of Nanomechatronics Engineering, Pusan National University, Busan 46241, Korea
Abstract In this study, the tribology of laser patterned DLC thin film was studied. DLC thin films were coated by
RF-PECVD to improve the durability of tungsten carbide (WC) materials. DLC thin films have high hardness and
low friction characteristics. Dot and line patterning was processed on the surface of DLC thin film with femtosec-
ond laser, and the coefficient of friction was improved. As a result of ball on disk abrasion test, the hardness and
friction coefficient of DLC thin films were much better than that of WC material. The friction coefficient of DLC thin
film with dot patterning and line patterning showed better results. The excellent performance of the laser pat-
terned DLC coating is appeared to reduce the coefficient of friction due to the reduction of surface contact area.
(Received January 10, 2020; Revised January 20, 2020; Accepted January 28, 2020)
Key words : Diamond Like Carbon (DLC), WC, Purse laser, Tribology, Friction, RF-CVD
Fig. 5. Single pulse ablation threshold of DLC thin filmin air, Semi logarithm plot of ablated diameters as afunction of the fluence at 300 fs, 1030 nm.
Fig. 8. Vickers hardness results of tungsten carbide andDLC specimen.
Laser patterning된 DLC 박막의 Tribology 특성연구 29
으로 나타낸다. Fig. 8은 Nano Indentation 시험에
의한 초경합금 기판과 DLC 박막표면의 비커스경도
값을 나타낸 결과이다. 초경합금 기판의 경도 값은
Hv2,540이고, 초경합금 기판 상에 증착된 DLC 박
막의 경도 값은 Hv4,338로 측정되어 표면경도가
1.7배 향상됨을 알 수 있었다.
3.2 마찰계수 및 마모부피 측정결과
마모시험에서 마찰계수와 마모량은 Ball on disk
마모시험기(CSM instruments, TRIBO-X)로 측정하
였다. 이 때 측정된 마찰계수 결과는 Fig. 9에 나타
내었다.
초경합금 기판의 평균마찰계수는 0.759, Non
Patterned DLC 박막은 0.141로 측정되었다. Dot
pattern DLC 박막에 대한 평균마찰계수는 0.093,
Line pattern DLC 박막의 평균마찰계수는 0.087로
측정되었으며, Line pattern DLC 박막이 가장 우
수한 마찰특성을 나타냄을 확인할 수 있었다. 시험결
과에서 알 수 있듯이 DLC 박막 표면의 마찰계수는
초경합금 기판보다 무려 81.4%나 작게 나타남을 확
인 할 수가 있었다. 이것은 DLC 박막이 마찰계수
향상에 큰 역할을 하며, 대기상태나 진공상태에서도
DLC 박막의 마찰계수 효과가 우수하다는 사실은 이
미 널리 알려져 있다. 또한 DLC 박막부에 Dot
pattern과 Line pattern 한 경우도 마찰계수가 초경
합금 기판보다 각각 87.7%와 88.5%의 감소하여
Pattering 한 경우의 마찰계수가 월등히 우수한 결과
를 나타냄을 확인 할 수 있었다. 또한, 이 결과는
Patterning 하지 않은 DLC 박막의 마찰계수 보다
더 우수한 결과를 나타내는데 참고문헌[7]에서 제시
한 결과와 같은 경향을 나타내고 있다. 하지만 이
결과는 패턴의 형상이나 크기 등에 따라 달라질 수
있을 것으로 판단된다.
한편, 마모시험을 실시하여 마찰계수와 동시에 마
모부피(마모량)를 측정하였다. 마모량의 계산법으로
는 마모 시 발생하는 마모분(debris)의 부피를 측정
하는 방법, 마모 전, 후의 시편의 무게 측정의 비교
법, 마모트랙부의 마모면적 측정법과 이론적 계산법
등이 있다. 최근에는 형상측정기의 발달로 마모트랙
부의 형상을 간단하게 측정하여 마모부피를 정확하게
측정할 수 있는 비교적 간단한 방법을 많이 사용한
다. 식 (1)은 Ball on disk 마모시험에서 이론적인
계산법으로 마모트랙부의 마모부피(마모량)를 계산하
는 식이다. 본 연구에서는 마모부피(마모량)를 G-99
테스트 방법의 일환인 형상측정기 프로파일로미터
(profilometer)를 이용하여 마모면적을 정확하게 측정
하고 마모거리를 곱하여 마모부피를 정확하게 계산하
였다[8, 9].
이론적 마모트랙부의 마모량 φ는 다음과 같다[10].
Track wear volume loss : Φ
1 (mm3)
Φ
1= 2πRA (1)
A = r2sin−1 (2)
여기서,
A : wear area (mm2)
R : wear track radius (mm)
a : wear track width (mm)
r : ball radius (mm)
마모부피를 계산하는 식 (1)은 마모된 트랙부 형상
이 원형으로 나타난 이상적인 마모에서는 성립될 수
는 있으나 wear track 마모형상이 Fig. 10, 11과
같이 원형이 아닌 불균일한 형상일 때는 식 (1)을
a
2r-----⎝ ⎠⎛ ⎞ a
4---⎝ ⎠⎛ ⎞ 4r
2
a2
--------
⎝ ⎠⎜ ⎟⎛ ⎞
1
2---
–
Fig. 9. Average friction coefficient of various typespecimens.
30 이지석·김동준·신동철·김태규
사용하여 계산하면 마모면적의 오차가 발생한다. 본
연구에서는 형상측정기 프로파일로미터를 이용하여
마모 폭(wear width), 마모 깊이(wear depth)을 정
밀측정하여 마모면적(wear area)을 계산하여 마모부
피 즉, 마모량을 계산하는 방법이다. Table 2는 형
상 측정기를 이용하여 마모면적(A)을 측정하고 식(1)
에 대입하여 마모부피 즉, 마모량을 계산하였다.
Fig. 10와 Fig. 11은 Dot pattern과 Line pattern
된 시편에 대해서 마모시험을 실시한 후 형상측정기
로 wear width, wear depth를 측정하고 시편의 마
모면적을 나타낸 것 이다. Dot pattern의 마모면적
은 16.8 μm2이며, Line pattern의 마모면적은 39.1
μm2, Non pattern DLC의 마모면적은 50.4 μm2,
초경합금의 마모면적은 79 μm2의 결과 값을 측정되
었으며, Fig. 12에 그 결과 값을 각각 나타내었다.
마모면적에서 초경합금 기판소재는 79 μm2이고,
DLC 코팅을 하면 50.4 μm2의 월등히 작은 마모면
적결과 값을 가지게 되는데 이것은 초경합금기판 보
다 DLC 박막의 경도가 월등히 향상된 결과에 기인
하는 것으로 판단된다. 또한, Dot patterning, Line
patterning한 DLC 박막의 마모면적은 각각
16.8 μm2, 39.1 μm2 값의 우수한 값으로 나타났고,
초경합금이나 Non pattern DLC 박막보다도 월등히
적은 마모면적을 나타냄을 알 수 있었다.
3.3 현미경 분석
DLC 코팅박막에 레이저 Patterning한 시편을 마
모시험한 후 마모트랙 부분을 광학 현미경을 통하여
분석하였다. Fig. 13은 Dot pattern DLC 박막에
대해서 Ball wear에 의한 Wear track을 광학현미경
Fig. 10. Wear area results of dot pattern DLC film by aprofilometer.
Fig. 11. Wear area results of line pattern DLC film by aprofilometer.