PVD(물리적 증착) 코팅은 박막 코팅이라고도 하며, 진공 상태에서 고체 물질을 기화시켜 제품 표면에 증착하는 기술입니다. 이러한 코팅은 단순히 금속층에 그치는 것이 아니라, 복합 소재를 원자 단위로 증착하여 얇고 견고한 금속 또는 금속-세라믹 표면층을 형성함으로써 제품의 외관, 내구성 및 기능을 획기적으로 향상시킵니다.
이 방법은 항공우주, 자동차, 의료 산업 등에서 보석과 같은 오래 지속되는 외관, 뛰어난 장기 성능 및 편리한 세척을 제공하기 위해 널리 사용됩니다.
그렇다면 PVD 코팅은 어떤 공정을 거쳐 제품 표면에 증착되는 것일까요? 이 블로그 글에서 자세히 알아보겠습니다. 그럼 시작해 볼까요?
PVD 코팅 공정
PVD(물리증착) 방법은 단층, 다층 및 다단계 코팅 시스템뿐만 아니라 합금 조성 및 구조를 증착하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 전략은 끊임없이 변화하고 있으며 수많은 연구에 영감을 주는 원천이 되고 있습니다.
PVD 박막 기술은 광범위한 분야를 포함합니다. 증착 기술 전자빔 증착, 핫보트 증착, 반응성 증착, 이온 도금 등이 PVD 기술에 포함됩니다. 플라즈마 또는 이온빔을 이용한 스퍼터링 기반 공정 또한 PVD 기술에 속합니다.
PVD는 아크 소스 증착을 설명하는 데에도 사용되며, 필터링 여부는 선택 사항입니다. 가장 일반적인 것은 다음과 같습니다. PVD 공정 박막 증착 방법에는 스퍼터링(또는 음극 스프레이)과 증발법이 있습니다. 증발법은 열을 이용하여 얇은 원자층을 증착하는 공정입니다. 반면, 스퍼터링(플라즈마) 방식은 기체 이온의 충돌을 통해 고체 표면에서 원자나 분자를 분리하는 방식입니다. 이 두 가지 방법 모두 여러 가지 정교한 기술로 발전해 왔습니다.
열 증발
열증발은 고온 가열을 통해 1 × 10⁻⁶ torr(1.3 × 10⁻⁴ Pa) 이하의 진공 챔버에서 원료 물질을 증발시켜 얇은 막을 코팅하는 잘 알려진 방법입니다. 이렇게 증발된 증기 입자는 기판으로 더 쉽게 직접 이동하여 다시 고체화됩니다. 진공 증착은 열증발 공정의 전통적인 명칭입니다.
이 공정에서는 분말 또는 고체 막대 형태의 전하 저장 용기 또는 저항 코일이 사용됩니다. 저항 용기/코일은 금속에 필요한 높은 용융 온도를 얻기 위해 엄청난 직류(DC)에 노출되며, 이때 고진공(<sup>1</sup>V</sup>) 상태가 유지됩니다. 10-4 Pa이 방법은 금속의 증발과 이후 기판으로의 이동을 촉진합니다. 특히 저융점 재료에 유용합니다. 아래 그림은 두 가지 유형의 열 증발 공정을 보여줍니다.
열 증발 공정
박막 증착에는 일반적으로 저항 가열 방식이 사용됩니다. 내화 금속(예: 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨)으로 만들어지고 세라믹 코팅이 되어 있거나 없는 저항 가열 필라멘트 또는 보트를 이용하여 원료 물질을 증발시킵니다. 내화 금속의 경우, 단순한 저항 가열 방식으로는 융점이 높은 물질을 증발시킬 수 없기 때문에 전자빔 증착법을 사용하여 증발시킵니다.
스퍼터링 증착
스퍼터링은 원자 크기의 고에너지 입자를 분사하여 표면의 원자를 물리적으로 기화시키는 PVD(물리적 증착) 공정입니다. 스퍼터 증착을 통해 다원소 박막의 조성을 더욱 정밀하게 제어할 수 있을 뿐 아니라 증착 가능한 재료의 범위도 넓어집니다.
스퍼터 코팅 스퍼터링은 기판 표면에 매우 얇고 기능적인 코팅을 입히는 공정입니다. 이 공정은 스퍼터링 음극에 전기 전하를 가하는 것으로 시작되며, 이로 인해 플라즈마가 생성되고, 이 플라즈마가 타겟 표면에서 재료를 방출시킵니다. 즉, 소스 재료(타겟)에 대한 이온 충격이 이 공정의 기본 원리입니다.
그렇다면 스퍼터링 증착은 어떻게 이루어질까요? 스퍼터링 증착은 대상 물질의 조성을 유지하면서 원소 박막뿐만 아니라 합금 박막도 증착할 수 있는 공정입니다. 이는 대상 물질이 층층이 제거되는 방식으로 증착되기 때문이며, 이것이 스퍼터링 증착의 핵심 장점 중 하나입니다. 이러한 특성 덕분에 반도체 금속화에 사용되는 Al-Si-Cu와 같은 복잡한 합금이나 항공기 터빈 블레이드 코팅에 사용되는 Cr-A-IY 합금과 같은 금속 박막도 증착할 수 있습니다.
PVD 코팅 공정 단계
PVD(물리적 증착)는 원자 수준의 물질 전이를 수반하는 증착 코팅 공정입니다. 다음 순서 단계를 사용하여 과정을 설명할 수 있습니다.
(1) 증착될 물질은 물리적 방법(고온 진공 또는 기체 플라즈마)을 이용하여 증기로 변환된다.
(2) 증기는 그 발생원으로부터 저압 위치로 이동되며,
(3) 증기가 기판에 응축되어 얇은 막을 형성합니다.
PVD(물리증착) 방법은 일반적으로 수 나노미터에서 수천 나노미터에 이르는 두께의 박막을 증착하는 데 사용됩니다. 이 방법을 이용하면 다층 코팅, 단계적 조성 증착, 매우 두꺼운 증착물, 그리고 자립형 구조물 등을 제작할 수 있습니다.
PVD 코팅용 기판
가장 중요한 것은 PVD 코팅에 어떤 종류의 기판을 사용할 수 있느냐는 것입니다. 대부분의 금속은 PVD 코팅이 가능하지만, 일부 재료는 내식성 향상을 위해 니켈 및 크롬 기반층이 필요합니다. PVD 코팅은 열가소성 수지를 포함한 광범위한 재료에 적용할 수 있는 다용도 코팅 방식입니다. 이러한 재료에는 PVD보다 낮은 온도에서 금속 코팅을 증착하는 LTAVD(저온 아크 증착) 기술이 사용됩니다.
일부 기판 재료는 다른 재료보다 금속 증착에 더 잘 접착됩니다. 가장 내구성이 뛰어나고 보기 좋은 금속 마감을 얻으려면 적절한 공정을 선택하는 것이 중요합니다. 재료에 따라 최상의 결과를 얻으려면 니켈 또는 크롬 전기 도금이 필요할 수 있습니다. 또한 일부 재료는 다른 재료보다 PVD 코팅을 더 잘 흡수합니다.
- 티타늄, 흑연, 스테인리스강은 바탕층 없이 코팅할 수 있는 재료의 예입니다.
- 강철, 황동 및 구리 – 일반적으로 내식성 향상을 위해 PVD 공정 전에 니켈/크롬 도금을 하지만, 직접 적용할 수도 있습니다.
- 플라스틱, 알루미늄 및 아연 주조품 – 일반적으로 우수한 내식성을 위해 저온 아크 증착(LTAVD) 방식을 사용합니다.
대부분의 기판은 진공 챔버의 중앙 수직 위치에 고정되었고, 일부는 다양한 높이에 위치했습니다. 대부분의 기판은 수직 위치의 중앙에 놓였고, 일부는 기판 홀더의 하단과 상단에 있었습니다.
PVD 코팅은 다양한 기판 또는 기본 재료에 적용할 수 있기 때문에 금속 마감 처리에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. PVD 공정 중에 주입되는 가스에 따라 다양한 색상을 구현할 수 있습니다. PVD 코팅을 사용하여 금속을 연마할 때, 많은 산업 분야에서 인기 있는 금속성 색상에만 국한될 필요가 없습니다.
시료는 증착 전에 산업용 자동 초음파 세척 라인에서 탈지 및 세척되었습니다.
PVD 코팅용 시료 준비
PVD 코팅을 위한 시료 준비는 매우 중요합니다. 그렇다면 PVD 코팅을 위한 시료는 어떻게 준비해야 할까요? 어떤 단계를 거쳐야 할까요?
대량 생산 시설에서는 PVD 코팅을 적용하기 전에 초음파를 이용하여 기판을 세척합니다. 세척은 여러 단계를 거치는 공정으로, 세척 후 헹굼 및 건조 과정을 거칩니다.
PVD 코팅을 위해 초음파 세척 기술을 사용하여 버(burr)를 제거했습니다. 코팅 전에 부품에서 오일, 윤활유, 냉각 에멀젼 및 입자를 최대한 제거해야 합니다.
첫 번째 단계는 탈지제를 사용한 초음파 탈지였습니다.pH~11탈이온수에 담가 표면 오염 물질을 제거한 후(세척 시간 15분), 탈이온수에서 초음파 세척을 하고 순수한 열풍으로 건조합니다.
PVD 코팅의 장점
PVD 코팅은 여러 가지 장점 때문에 사용되고 있습니다. 장점
(i) PVD로 형성된 코팅은 기판 재료보다 더 나은 특성을 가질 수 있습니다.
(ii) 모든 종류의 무기물과 일부 종류의 유기물을 사용할 수 있습니다.
(iii) 이 공정은 전기 도금과 같은 다른 많은 공정보다 환경 친화적입니다.
그렇다면 PVD 코팅은 어떻게 제품의 기계적 특성을 향상시키는 걸까요? 자세히 알아보겠습니다.
향상된 내구성
PVD 도금 처리된 의료 또는 수술 도구는 도금 처리되지 않은 도구보다 수명이 10배 더 깁니다. PVD 도금은 얇지만 견고한 코팅층을 형성하여 부식을 늦춥니다.
성능 및 강도
도금 처리를 추가하면 재질이 더욱 단단해지므로 PVD 코팅 의료용품은 내구성이 향상됩니다. 찌그러지거나 깨질 위험이 줄어들기 때문에 더욱 견고한 수술 기구는 기기의 기능을 향상시킵니다.
PVD 코팅은 의료기기의 윤활성을 향상시키고 방수성을 높여줍니다. 또한, PVD 코팅 의료 도구는 코팅 소재에 따라 뼈, 체액 또는 조직에 반응하지 않는 생체 적합성을 제공합니다.
선명하게
PVD 코팅은 날 유지력을 향상시켜 수술 도구의 칼날이나 모서리를 더 오랫동안 날카롭게 유지하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
변화
다양한 색상의 PVD 코팅 재료를 사용하여 의료 기구를 도금할 수 있습니다. 이를 통해 유사한 기구를 구분하거나 특정 소모품을 분류할 수 있습니다.
자동차 산업에서 움직이는 기계 부품의 윤활은 중요한 문제입니다. 기어, 피스톤, 캠, 베어링 등이 이러한 부품의 예입니다. PVD 코팅은 이러한 문제를 해결하는 훌륭한 솔루션을 제공합니다. PVD 코팅은 처리된 부품의 표면 특성을 변화시켜 마찰 계수를 낮추고 내마모성을 향상시킵니다.
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반면 PVD는 다음과 같은 몇 가지 단점을 가지고 있습니다.
(i) 복잡한 형태의 코팅과 관련된 문제점;
(ii) 높은 공정 비용과 낮은 생산량; 및
(iii) 프로세스 복잡성.
PVD 코팅의 산업적 응용 분야
PVD(물리증착) 방법은 다양한 산업 분야에서 재료 코팅에 사용됩니다.
- 절삭 공구, 밀링 공구, 드릴링 공구, 성형 공구, 엔진 부품 및 베어링.
- 자동차 사업, 가전제품, 필기구, 전자제품 분야 및 완구 산업에서,
- 장식 코팅은 플라스틱에 금속성 느낌을 줍니다.
- 렌즈, 광학 부품, 안경, 터치스크린, 거울은 모두 광학 코팅으로 코팅되어 있습니다.
- 임플란트, 심장박동기, 수술 기구와 같은 의료 기기에는 내마모성 코팅이 되어 있습니다.
- 태양 전지 유리 내마모성 코팅 및 결정질 실리콘 태양 전지용 금속화 코팅.
- 금속화층이 있는 포장재.
최근 몇 년 동안 PVD(물리적 증착) 박막 코팅은 모든 종류의 절삭 공구에 점점 더 보편화되고 있습니다. 이러한 기술은 현재 드릴 비트, 밀링 커터, 보링 비트 등의 생산에 널리 사용되고 있습니다.
TiN PVD 코팅은 고강도 및 내마모성 강재는 물론 비철금속 가공 분야에서 10년간의 성공적인 적용을 통해 절삭, 펀칭, 냉간 성형, 플라스틱 사출 성형 및 일부 금속 합금의 다이캐스팅 분야에서 금속 가공 개선 기술로 인정받았습니다. TiAlN 코팅은 높은 열 안정성(최대 200°C)을 가지고 있습니다. 700 ° C)가 결정적인 요인으로 나타났으며, 이는 우수한 산화 저항성이 요구될 때 이 코팅을 사용해야 함을 시사합니다.
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CrN(PVD) 코팅은 점차 확대되고 있지만 여전히 대량 생산되는 제품의 적용 범위는 제한적입니다. 이러한 코팅은 중온 및 고온에서 단일 CrN 코팅으로, 그리고 이중 TiN+CrN 코팅으로 제작할 수 있습니다. 고온에서는 저전압 열전자 아크를 이용하여 코팅을 형성합니다. BAI 730M CrN 증착에는 특수 장비가 사용되었으며, 저온(250°C 이하)에서는 SPUTRON 장비에서 플라즈마 빔 스퍼터링 방식이 사용되었습니다.
성공적인 관절 성형술을 위한 조건은 매우 까다롭습니다. 기계적 특성과 우수한 생체 적합성이 균형 있게 갖춰져야 합니다. 코발트-크롬 합금은 상대적으로 불활성이고 뛰어난 하중 지지력과 우수한 내마모성을 지니고 있어 오랫동안 관절 성형술에 사용되어 왔습니다.
하지만 코발트나 크롬 같은 금속 이온이 서서히 축적되면 임상적으로 부정적인 결과를 초래할 위험이 있습니다. 따라서 이에 대한 해결책은 무엇일까 하는 의문이 제기됩니다.
이후, 물리적 증착법(PVD)을 이용하여 코발트-크롬-몰리브덴 기반 수술용 임플란트에서 발생할 수 있는 유해 금속 이온의 방출을 줄이기 위해 얇은 TiN 층을 형성하였다. 전기화학적 기법과 원자 흡수 분광 분석을 통해 체외 부식 성능을 조사하였다.
맺음말
PVD 코팅은 박막 코팅이라고도 합니다. 이 기술은 시료 표면에 단층 또는 다층 코팅을 증착하는 기술입니다. PVD 코팅 증착 방법에는 여러 가지가 있지만, 가장 일반적으로 사용되는 방법은 증착법과 스퍼터링법입니다. 이러한 방법을 통해 저융점 및 고융점 재료를 모두 사용할 수 있습니다. PVD 코팅은 열가소성 수지를 포함한 다양한 재료에 적용할 수 있습니다. PVD 코팅을 하기 전에 시료는 초음파 탈지기를 사용하여 세척해야 합니다. 자동차, 의료용 임플란트, 항공우주 등 광범위한 산업 분야에 응용됩니다. PVD 코팅에 대해 궁금한 점이 있으시면 아래 댓글로 남겨주세요.
