다이아몬드 유사 탄소(DLC) 코팅은 탁월한 기계적 및 마찰 특성으로 잘 알려져 있습니다. 스퍼터링, 이온 빔, 펄스 레이저 증착 및 음극 진공 아크 시스템과 같은 물리적 증착 방법이 이러한 코팅을 만드는 데 일반적으로 사용됩니다.
그렇다면 DLC 코팅과 PVD 코팅의 차이점은 무엇일까요? DLC 코팅은 PVD 코팅보다 어떤 점에서 더 우수할까요?
PVD(물리적 증착)는 다양한 금속을 기화시킨 후 가열된 진공 상태에서 표면에 층층이 쌓는 방식입니다. 반면 DLC 코팅은 박막 코팅을 위한 더욱 발전된 방법입니다. 두 방식의 주요 차이점은 DLC는 금속을 분사하는 대신 탄소 소재를 사용한다는 점입니다.
탄소는 원자 크기가 작아 직경이 약 0.15~0.22나노미터에 불과하므로 높은 충진율로 두꺼운 막을 형성할 수 있습니다.
대부분의 증착 공정에서 기본 메커니즘은 동일합니다. 탄소 원자에 일정량의 에너지가 공급되어 기판에 충돌하는 방식입니다. 하지만 각 증착 공정마다 단위 이온당 에너지량이 다릅니다. 따라서 증착 공정의 차이로 인해 DLC 코팅의 특성이 달라집니다.
두 코팅 모두 동일한 기능을 수행하지만, DLC 코팅은 더 높은 수준의 내구성과 긁힘 방지 기능을 제공합니다.
DLC 코팅은 우수한 기계적 및 마찰 특성으로 인해 산업계에서 인기를 얻고 있습니다. DLC 코팅은 화학적으로 불활성이고 생체 적합성이 있으며 산화에 강할 뿐만 아니라 최대 300°C의 열 안정성을 자랑합니다. 300 ° C.
슈멜렌마이어는 아세틸렌 가스가 존재하는 환경에서 글로우 방전 플라즈마로 생성된 탄소 코팅에 대해 처음으로 기술했습니다. 1953탄소층은 우수한 내스크래치성과 경도를 나타냈다. 코팅에서 다이아몬드와 유사한 성분의 비율과 특성이 증가했기 때문이다. 따라서 탄소 코팅은 점차 DLC(다이아몬드 액정 코팅)라고 불리게 되었다.
DLC 코팅은 어떻게 증착되나요? DLC 박막 코팅에는 어떤 기술들이 사용되나요?
이에 대해 자세히 살펴보겠습니다.
DLC 증착 기술
수십 년 동안 과학자들은 다이아몬드 유사 탄소(DLC) 층을 생성하기 위한 다양한 방법을 실험해 왔습니다. DLC 증착 기술은 물리적 증착(PVD)과 화학적 증착(CVD)으로 분류할 수 있으며, 이 두 가지가 DLC 층을 생성하는 주요 방법입니다.
PVD 방식에서 탄소 공급원은 고체(흑연)인 반면, CVD 방식에서는 기체(메탄과 같은 탄화수소)입니다. 아크 증착, 스퍼터링 증착, 레이저 증착 공정은 모두 PVD의 한 종류입니다.
무선 주파수(RF), 직류(DC), 페닝 이온화 게이지(PIG) 및 자가 방전은 모두 CVD(화학 기상 증착) 방식입니다. 아래 그림은 본 연구에서 사용한 RF 방전 플라즈마 CVD, PIG 플라즈마 CVD 및 아크 플라즈마 CVD를 나타냅니다.
증착 기술은 다음과 같이 분류될 수 있습니다. 여섯 종류 핵심 또는 기판에 작용하는 물리적, 화학적 또는 물리화학적 상호작용의 유형이나 현상의 발생 빈도에 기반한 접근 방식: 기계적, 열기계적, 열적, 전기화학적, 화학적 및 물리적.
그중에서도 플라즈마 보조 화학 기상 증착(PACVD) 기술이 가장 널리 사용됩니다. 이 기술은 저온 플라즈마라는 기체상에서 화학 반응을 활성화시켜 저온에서 박막을 형성할 수 있도록 합니다.
DLC 제작 기술
원자 구조
어떤 종류의 원자 결합이 DLC의 우수한 기계적 특성을 만들어내는 것일까요?
탄소 원자는 sp1, sp2, sp3의 세 가지 유형의 결합을 형성합니다. 흑연과 다이아몬드와 같은 탄소 동소체는 탄소 원자 간의 다양한 결합 구조로 이루어져 있습니다. 따라서 미세 구조를 형성하는 원자 결합 패턴은 경도, 영률, 인성, 마찰 및 마모를 비롯한 재료의 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.
DLC 코팅 개선 동향
DLC 코팅을 어떻게 개선할 수 있을까요? DLC 코팅 개선을 위한 최신 트렌드는 무엇일까요?
이종 원소 도핑을 이용하여 DLC 특성을 개선하는 DLC 코팅의 향상 추세는 초기에 시작되었습니다. 1990s원하는 특성을 얻기 위해 DLC 코팅은 다양한 구성 요소와 함께 동시 스퍼터링되었습니다. 전기적 특성을 위한 슈티뮴, 요오드, 질소, 접착력, 마찰 및 마모 개선을 위한 크롬과 티타늄, 의약 용도를 위한 은과 불소, 방오성을 위한 구리, 그리고 부식 방지를 위한 지르코늄 등이 사용된 원소들입니다.
하지만, 이종 원소 도핑을 통해 일부 DLC 특성을 개선하려면 다른 특성을 희생해야 한다는 사실이 밝혀졌습니다.
DLC의 인성과 마찰력을 향상시키기 위해 0.2%에서 10% 범위의 금속 원소를 도핑하는 연구가 많이 진행되었습니다. 20% DLC의 경도와 마모율을 보완하기 위해 금속 도핑이 필요합니다. DLC의 경도, 인성, 응력, 마찰 및 마모와 금속 도핑 간의 관계에 대한 연구는 아직 많이 발표되지 않았습니다.
예를 들어, 알루미늄 함량을 18%로 높이면 잔류 응력이 2.5GPa에서 0.5GPa로, 마찰 계수가 0.12에서 0.03로 감소하는 반면, 경도는 24GPa에서 8GPa로 감소하고 마모율은 2.5*3^10^-8 mm3/Nm에서 13*3^10^-8 mm3/Nm로 증가합니다.
마찬가지로, DLC에 티타늄을 도핑하면 잔류 응력이 0.9GPa에서 0.3GPa로, 마찰 계수가 약 1.0에서 약 0.05로 감소하지만, 경도 또한 약 10.5GPa에서 약 9GPa로 감소합니다.
DLC 코팅용 기판
DLC 코팅에 사용할 수 있는 기판은 어떤 종류인가요? 기판에 필요한 전처리 과정이 있나요?
DLC 코팅에 사용할 수 있는 기판은 매우 다양합니다. 하지만 기판은 가해지는 하중의 대부분을 견뎌야 하는데, DLC 코팅은 본질적으로 매우 얇은 층입니다. 따라서 기판이 접촉 하중을 견딜 만큼 충분히 강하지 않으면 소성 변형이 발생하여 코팅이 조기에 파손될 수 있습니다.
최근 몇 년 동안 열화학적 기판 전처리를 통해 경질 DLC 코팅의 특성을 향상시키는 과제가 많은 주목을 받았으며, 그 결과 새로운 방법인 열화학적 전처리법이 개발되었습니다. 이중 치료.
코팅 증착 전 강철 기판의 플라즈마 질화 처리는 기판 및 코팅의 기계적 특성을 향상시키기 위해 널리 사용되어 왔습니다. 강철 기판의 플라즈마 질화 처리는 코팅-기판 복합체의 하중 지지 능력을 증가시키는 것으로 나타났습니다.
DLC는 특정 상황(예: 처리된 스테인리스강)에서 기판에 직접 접착되지 않을 수 있습니다. 따라서 접착력을 향상시키기 위해 DLC 코팅 후처리에 중간층 재료를 사용했습니다.
DLC 코팅의 마찰 성능
습한 환경과 건조한 환경에서 DLC 코팅의 마찰 성능은 어떻습니까? DLC 코팅은 어느 정도의 이점을 제공합니까?
벌크 소재 및 기타 내마모성 코팅 표면과 비교했을 때, 다이아몬드 유사 탄소(DLC) 코팅은 마찰이 적고 내마모성이 뛰어납니다. DLC 박막의 마찰 및 마모 성능은 가스 분위기, 습도, 온도 등 주변 환경의 영향을 크게 받습니다. 수소 함량이 높은 DLC 박막은 건조하고 불활성 환경에서 마찰이 최소화되지만, 수소가 없는 DLC 박막은 마찰과 마모가 높습니다.
습한 환경에서 두 종류의 DLC 박막의 마찰 계수는 0.05~0.2 범위로 유사하며, 수소가 없는 DLC 박막이 가장 우수한 내마모성을 나타냅니다. 이러한 유익한 마찰 특성이 관찰되었습니다. 수소화 DLC 필름 고온에서는 수소 방출과 저온에서의 필름 구조의 흑연화로 인해 특성이 저하될 수 있습니다. 반면, 수소가 없는 DLC 필름은 마찰 계수가 더 높음에도 불구하고 더 높은 온도를 견딜 수 있습니다.
대부분의 벌크 소재와 비교했을 때, DLC 코팅은 TiN과 같은 내마모성 세라믹 코팅처럼 마찰이 적고 내마모성이 뛰어난 코팅으로 생각할 수 있습니다. 일반적인 환경에서 TiN의 마찰 계수는 대략 입니다. 0.5 강철과 비교했을 때, DLC 필름의 마찰 값은 0.2 미만입니다. 경계 윤활된 강철 접촉면과 비교했을 때, DLC 코팅은 윤활되지 않은 접촉면에서 유사한 마찰 수준을 보이는 경우가 많습니다.
DLC 코팅 자동차 부품
슬라이딩 접촉에서 DLC 코팅은 대부분의 내마모성 소재 및 코팅보다 우수한 성능을 보이며, DLC 필름의 마모율은 예를 들어 TiN 코팅보다 2~3배 낮은 수준입니다.
증착 기술과 증착 매개변수는 DLC 박막의 조성과 구조를 폭넓게 조절할 수 있습니다. 여러 연구에서 논의된 바와 같이, 박막 조성뿐만 아니라 시험 매개변수(하중 및 속도), 시험 환경, 온도, 그리고 상대면 재질은 DLC 박막의 마찰 및 마모 성능에 영향을 미칩니다.
DLC 코팅의 특성
DLC 코팅은 어느 정도까지 안정적인가요? 어떤 특성을 고려해야 할까요?
DLC 코팅은 화학적으로 불활성이고 생체 적합성이 있으며 산화에 강하고 열 안정성은 최대 100°C에 달합니다. 300 ° C하지만 앞서 언급한 장점 외에도 DLC 코팅은 잔류 응력이 크고 인성이 낮아, 특히 기계적 성능 측면에서 광범위한 응용 분야에 사용이 제한됩니다.
높은 경도, 내마모성, 낮은 마찰 계수, 높은 절연성, 높은 화학적 안정성, 높은 가스 차단 능력, 높은 난연성, 높은 생체 적합성 및 높은 적외선 투과성은 모두 DLC 필름의 특징입니다. 저온(200 ° C평평한 표면을 가진 DLC 필름을 만들 수 있습니다.
산업 신청
다이아몬드 유사 탄소(DLC) 코팅은 내마모성 박막 분야에서 고하중, 과도한 마찰, 마모 및 다른 부품과의 접촉과 같은 까다로운 물리적 환경에 노출되는 부품에 가장 적합한 솔루션으로 부상했습니다. DLC 코팅의 뛰어난 경도와 낮은 마찰 계수만이 이러한 조건에서 부품의 부식, 마모, 고착 및 최종적인 파손을 방지할 수 있습니다.
일반적으로 DLC 코팅은 고온 작동 환경에 노출되는 절삭 공구를 제외하고 PVD 코팅이 주로 사용되어 온 많은 분야에 적용됩니다. DLC 코팅은 마모 및 마찰 감소가 모두 요구되는 경우에 특히 유용합니다. 또한 DLC 코팅은 눈에 보기 좋은 검은색 마감을 제공합니다.
다음은 일반적인 응용 사례 몇 가지입니다.
- 자동차: 피스톤 핀과 로커 암은 자동차에 사용됩니다.
- 의료 분야: 수술 기구, 보철물
- 총기류: 권총의 슬라이드, 총열, 볼트 캐리어는 모두 총기류의 예입니다.
- 산업용 부품: 피스톤, 플런저, 기어 및 기계식 씰은 산업용 부품 및 기계의 예입니다.
- 사출 성형: 금형, 이젝터 핀, 슬라이딩 기계 부품은 모두 사출 성형에 사용됩니다.
- 소비재: 손목시계, 보석류, 골프채는 소비재의 예입니다.
DLC 코팅 소재는 의료용 프로브, 카테터 및 심장 임플란트의 수명과 효과를 연장하는 데에도 사용될 수 있습니다. 또한 DLC는 은과 같은 항균 금속과 합금될 수 있는데, 은은 압축 응력을 낮출 뿐만 아니라 항균 특성도 가지고 있습니다. 이미 많은 연구가 진행되었지만, DLC 기반 의료 기기를 개발하고 상용화하기 위해서는 더 많은 연구가 필요합니다.
맺음말
PVD 코팅과 DLC 코팅은 증착 메커니즘이 유사합니다. 탄소 원자의 크기가 작기 때문에 높은 충진율을 가진 두꺼운 막을 형성할 수 있습니다. 물리적 증착(PVD)과 화학적 증착(CVD)은 DLC 코팅을 증착하는 두 가지 주요 방법입니다.
DLC 코팅에는 sp1, sp2, sp3 세 가지 유형의 결합이 있으며, 이러한 결합들이 우수한 기계적 특성을 나타냅니다. DLC 코팅은 다른 원소를 도핑함으로써 성능을 향상시킬 수 있습니다. DLC 코팅에는 매우 다양한 기판을 사용할 수 있지만, 기판 전처리, 특히 이중 처리에 많은 관심이 집중되고 있습니다.
DLC 코팅은 습한 환경과 건조한 환경 모두에서 최고의 마찰 성능을 보여줍니다. 이 코팅은 최대 300℃까지 안정적입니다. 300 ° CDLC 코팅은 자동차, 의료, 사출 성형 및 산업 부품에 광범위하게 적용됩니다.
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