음극 아크 퇴적물
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1. 개요
음극 아크 증착은 1960~1970년대 소련에서 시작된 기술로, 고전류, 저전압 아크를 이용하여 물질을 증착하는 방법이다. 이 기술은 음극점의 고온을 이용하여 물질을 증발시키고, 이를 기판에 얇은 막으로 코팅하는 데 사용된다. 음극 아크 증착은 절삭 공구의 수명 연장, 다이아몬드 유사 탄소(DLC) 필름 제작 등 다양한 분야에 활용되며, 플라즈마를 제어하고 거대 입자를 걸러내는 기술을 통해 성능을 향상시킨다.
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| 음극 아크 퇴적물 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 다른 명칭 | 아크 증착 |
| 약칭 | CAD |
| 공정 정보 | |
| 종류 | 물리 기상 증착 (PVD) |
| 기판 온도 | 주변 온도 ~ 600 °C |
| 증착률 | 0.1 ~ 10 µm/h |
| 에너지 | 10 ~ 100 eV |
| 특징 | |
| 장점 | 고밀도 박막 형성 우수한 접착력 다양한 재료 증착 가능 |
| 단점 | 거대 입자 형성 가능성 복잡한 장비 구성 |
| 응용 분야 | |
| 절삭 공구 코팅 | 내마모성 및 내열성 향상 |
| 장식 코팅 | 다양한 색상 구현 |
| 마찰 감소 코팅 | 윤활 성능 향상 |
| 부식 방지 코팅 | 내화학성 향상 |
2. 역사
현대적인 음극 아크 증착 기술의 산업적 사용은 1960~1970년대 경 소련에서 시작되었다. 1970년대 후반에 소련 정부는 이 기술의 서방 사용을 허가했다. 당시 소련의 많은 설계 중, L. P. Sablev 등의 설계가 소련 외 지역에서 사용하도록 허가되었다.
2. 1. 소련에서의 개발과 상용화
현대적인 음극 아크 증착 기술의 산업적 사용은 1960~1970년대 경 소련에서 시작되었다. 1970년대 후반에 소련 정부는 이 기술의 서방 사용을 허가했다. 당시 소련의 많은 설계 중, L. P. Sablev 등의 설계가 소련 외 지역에서 사용하도록 허가되었다.2. 2. 대한민국 도입 및 발전
3. 공정 원리
아크 증착 공정은 음극(타겟이라고 함) 표면에 높은 전류, 낮은 전압 아크를 발생시키는 것으로 시작하며, 이는 음극점이라고 하는 작고(보통 몇 마이크로미터 너비) 매우 에너지가 높은 방출 영역을 생성한다. 음극점의 국부적인 온도는 극도로 높으며(약 15000 °C), 이는 고속(10 km/s)의 증발된 음극 물질 제트를 생성하여 음극 표면에 분화구를 남긴다. 음극점은 짧은 시간 동안만 활성화된 후 자체 소멸되고 이전 분화구 근처의 새로운 영역에서 다시 점화된다. 이러한 동작은 아크의 겉보기 운동을 유발한다.
아크는 기본적으로 전류를 전달하는 도체이므로 전자기장을 적용하여 영향을 받을 수 있으며, 실제로 아크를 타겟의 전체 표면으로 빠르게 이동시켜 시간이 지남에 따라 전체 표면이 침식되도록 한다.
아크는 극도로 높은 출력 밀도를 가지므로 높은 수준의 이온화(30-100%), 다중 하전 이온, 중성 입자, 클러스터 및 매크로 입자(액적)를 생성한다. 증발 공정 중에 반응성 가스가 유입되면 해리, 이온화 및 여기가 이온 플럭스와의 상호 작용 중에 발생할 수 있으며 화합물 필름이 증착된다.
아크 증착 공정의 한 가지 단점은 음극점이 너무 오랫동안 증발 지점에 머무르면 많은 양의 매크로 입자 또는 액적이 배출될 수 있다는 것이다. 이러한 액적은 코팅에 잘 부착되지 않고 코팅을 관통할 수 있으므로 코팅 성능에 해롭다. 더욱 나쁜 것은 알루미늄과 같이 음극 타겟 물질의 녹는점이 낮으면 음극점이 타겟을 통해 증발하여 타겟 지지판 재료가 증발하거나 냉각수가 챔버에 들어갈 수 있다는 것이다. 따라서 앞서 언급했듯이 자기장을 사용하여 아크의 움직임을 제어한다. 원통형 음극을 사용하는 경우 증착 중에 음극을 회전시킬 수도 있다. 음극점이 한 위치에 너무 오래 머물지 않도록 함으로써 알루미늄 타겟을 사용할 수 있으며 액적의 수가 감소한다. 일부 회사는 또한 자기장을 사용하여 코팅 플럭스로부터 액적을 분리하는 필터링된 아크를 사용한다.
3. 1. 음극점과 플라즈마 생성
아크 증착 공정은 음극(타겟) 표면에 높은 전류, 낮은 전압 아크를 발생시켜 시작된다. 이는 음극점이라고 하는 작고 (보통 몇 마이크로미터 너비) 매우 에너지가 높은 방출 영역을 생성한다. 음극점의 국부적인 온도는 약 15000 °C로 매우 높아, 고속 (10 km/s)의 증발된 음극 물질 제트를 생성하고, 음극 표면에 분화구를 남긴다. 음극점은 짧은 시간 동안만 활성화된 후 자체 소멸되고 이전 분화구 근처의 새로운 영역에서 다시 점화된다.아크는 전류를 전달하는 도체이므로 전자기장을 적용하여 아크를 타겟의 전체 표면으로 빠르게 이동시켜 전체 표면이 침식되도록 할 수 있다.
아크는 극도로 높은 출력 밀도를 가지므로 높은 수준의 이온화(30-100%), 다중 하전 이온, 중성 입자, 클러스터 및 매크로 입자(액적)를 생성한다. 증발 공정 중에 반응성 가스가 유입되면 해리, 이온화 및 여기가 이온 플럭스와의 상호 작용 중에 발생할 수 있으며 화합물 필름이 증착된다.
3. 2. 자기장 제어
아크 증착 공정은 기본적으로 전류를 전달하는 도체이므로 전자기장을 적용하여 영향을 줄 수 있다. 실제로 아크를 타겟의 전체 표면으로 빠르게 이동시켜 시간이 지남에 따라 전체 표면이 침식되도록 한다.자기장을 사용하여 아크의 움직임을 제어하며, 원통형 음극을 사용하는 경우 증착 중에 음극을 회전시키기도 한다. 음극점이 한 위치에 너무 오래 머물지 않도록 함으로써 알루미늄 타겟을 사용할 수 있으며 액적의 수를 줄일 수 있다. 일부 회사는 자기장을 사용하여 코팅 플럭스로부터 액적을 분리하는 필터링된 아크를 사용한다.
3. 3. 이온화 및 반응성 가스
아크 증착 공정은 음극(타겟) 표면에 높은 전류, 낮은 전압 아크를 발생시켜 시작하며, 이는 음극점이라는 작고 매우 에너지가 높은 방출 영역을 생성한다. 음극점의 국부 온도는 약 15000 °C로 매우 높아 증발된 음극 물질 제트를 고속(10 km/s)으로 생성하고, 음극 표면에 분화구를 남긴다. 음극점은 짧은 시간 동안만 활성화된 후 자체 소멸되고 이전 분화구 근처의 새로운 영역에서 다시 점화된다.아크는 전류를 전달하는 도체이므로 전자기장을 적용하여 영향을 줄 수 있으며, 아크를 타겟 표면 전체로 빠르게 이동시켜 전체 표면을 침식시킨다.
아크는 극도로 높은 출력 밀도를 가지므로 높은 수준의 이온화(30-100%), 다중 하전 이온, 중성 입자, 클러스터 및 매크로 입자(액적)를 생성한다. 증발 공정 중에 반응성 가스가 유입되면 해리, 이온화 및 여기가 이온 플럭스와의 상호 작용 중에 발생하여 화합물 필름이 증착될 수 있다.
3. 4. 거대 입자(Macroparticle) 문제와 필터링
음극 아크 퇴적 공정은 음극(타겟) 표면에 높은 전류, 낮은 전압 아크를 발생시켜 작고 에너지가 높은 방출 영역인 음극점을 생성하는 것으로 시작한다. 음극점의 국부 온도는 약 15000 °C로 매우 높아 증발된 음극 물질 제트가 고속(10 km/s)으로 방출되고, 음극 표면에는 분화구가 남는다. 음극점은 짧은 시간 동안 활성화된 후 자체 소멸되고 이전 분화구 근처의 새로운 영역에서 다시 점화된다.아크는 전자기장을 적용하여 제어할 수 있으며, 이를 통해 아크를 타겟 표면 전체로 빠르게 이동시켜 전체 표면을 침식시킨다.
아크는 높은 출력 밀도를 가지므로 높은 수준의 이온화(30-100%), 다중 하전 이온, 중성 입자, 클러스터 및 거대 입자(액적)를 생성한다. 증발 공정 중 반응성 가스가 유입되면 해리, 이온화 및 여기가 발생하여 화합물 필름이 증착될 수 있다.
아크 증착 공정의 단점은 음극점이 한 지점에 오래 머물면 다량의 거대 입자 또는 액적이 배출될 수 있다는 것이다. 이 액적은 코팅 성능에 해롭다. 알루미늄처럼 녹는점이 낮은 음극 타겟 물질의 경우, 음극점이 타겟을 통해 증발하여 타겟 지지판 재료가 증발하거나 냉각수가 챔버에 들어갈 수 있다. 따라서 자기장을 사용하여 아크의 움직임을 제어하며, 원통형 음극의 경우 증착 중 음극을 회전시키기도 한다. 음극점이 한 위치에 너무 오래 머물지 않도록 하여 알루미늄 타겟을 사용할 수 있고 액적의 수를 줄일 수 있다. 일부 회사는 자기장을 이용해 코팅 플럭스로부터 액적을 분리하는 필터링된 아크를 사용한다.
4. 장비 설계
Sablev형 음극 아크 소스는 서구에서 가장 널리 사용되는 형태로, 짧은 원통형 모양의 전도성 타겟(음극)으로 구성되며 한쪽 끝이 열려 있다. 타겟은 아크를 가두는 링(Strel'nitskij shield) 역할을 하는 전기적으로 플로팅된 금속 링으로 둘러싸여 있다. 이 시스템의 양극은 진공 챔버 벽 또는 개별 양극이 될 수 있다. 아크 스폿은 기계적 트리거(또는 점화기)가 타겟의 열린 끝을 쳐서 음극과 양극 사이에 일시적인 단락을 일으켜 생성된다. 아크 스폿이 생성된 후에는 자기장에 의해 조종되거나 자기장이 없는 경우 무작위로 움직일 수 있다.
음극 아크 소스에서 나오는 플라즈마 빔에는 원자 또는 분자의 더 큰 클러스터(거대 입자)가 포함되어 있어 필터링 없이는 일부 응용 분야에 유용하지 않다. 거대 입자 필터에는 많은 디자인이 있으며, 그 중 가장 많이 연구된 디자인은 70년대 I. I. Aksenov 등의 연구를 기반으로 하며, A. I. 모로조프(A. I. Morozov)가 개발한 플라즈마 광학 원리를 사용하는 Aksenov Quarter-torus 덕트 거대 입자 필터이다. 이 필터는 아크 소스에서 90도로 구부러진 쿼터 토러스 덕트로 구성되어 있으며 플라즈마는 플라즈마 광학 원리에 의해 덕트 밖으로 안내된다.
D. A. 카르포프(D. A. Karpov)가 1990년대에 보고한 절두 원뿔 모양의 음극과 내장된 직선 덕트 필터를 통합한 디자인은 러시아 및 구 소련 국가에서 얇은 경질 필름 코팅기 및 연구자들 사이에서 매우 인기를 얻었다. 음극 아크 소스는 긴 튜브 모양(확장 아크) 또는 긴 직사각형 모양으로 만들 수 있지만, 두 디자인 모두 인기가 덜하다.
4. 1. Sablev형 음극 아크 소스
Sablev형 음극 아크 소스는 서구에서 가장 널리 사용되는 형태로, 짧은 원통형 모양의 전도성 타겟(음극)으로 구성되며 한쪽 끝이 열려 있다. 타겟은 아크를 가두는 링(Strel'nitskij shield) 역할을 하는 전기적으로 플로팅된 금속 링으로 둘러싸여 있다. 이 시스템의 양극은 진공 챔버 벽 또는 개별 양극이 될 수 있다. 아크 스폿은 기계적 트리거(또는 점화기)가 타겟의 열린 끝을 쳐서 음극과 양극 사이에 일시적인 단락을 일으켜 생성된다. 아크 스폿이 생성된 후에는 자기장에 의해 조종되거나 자기장이 없는 경우 무작위로 움직일 수 있다.음극 아크 소스에서 나오는 플라즈마 빔에는 원자 또는 분자의 더 큰 클러스터(거대 입자)가 포함되어 있어 필터링 없이는 일부 응용 분야에 유용하지 않다. 거대 입자 필터에는 많은 디자인이 있으며, 그 중 가장 많이 연구된 디자인은 A. I. 모로조프(A. I. Morozov)가 개발한 플라즈마 광학 원리를 사용하는 Aksenov Quarter-torus 덕트 거대 입자 필터이다.
D. A. 카르포프(D. A. Karpov)가 1990년대에 보고한 절두 원뿔 모양의 음극과 내장된 직선 덕트 필터를 통합한 디자인은 러시아 및 구 소련 국가에서 얇은 경질 필름 코팅기 및 연구자들 사이에서 매우 인기를 얻었다. 음극 아크 소스는 긴 튜브 모양(확장 아크) 또는 긴 직사각형 모양으로 만들 수 있지만, 두 디자인 모두 인기가 덜하다.
4. 2. 기타 설계
양극 시스템은 진공 챔버 벽 또는 별개의 양극일 수 있다. 아크 스폿은 과녁의 개방 끝부분에 부딪치는 기계적인 트리거 (또는 점화기)가 생성해서 음극과 양극 사이에서 일시적으로 단락 회로를 만든다. 아크 스폿이 생성된 후 자기장으로 조종되거나 자기장이 없는 상태에서 무작위로 움직일 수 있다.서구에서 가장 널리 사용되는 Sablev 유형 음극 아크 소스는 짧은 원통형 모양으로 전도성인 타겟(cathode)으로 구성되어 있으며, 한쪽 끝이 열려 있다. 이 타겟은 아크를 가두는 링(Strel'nitskij shield) 역할을 하는 전기적으로 플로팅된 금속 링으로 둘러싸여 있다.
음극 아크 소스에서 나오는 플라즈마 빔에는 거대 입자가 포함되어 있어 필터링이 필요하다. 거대 입자 필터에는 많은 디자인이 있으며, 그 중 가장 많이 연구된 디자인은 A. I. 모로조프(A. I. Morozov)의 플라즈마 광학 원리를 사용하는 90도로 구부러진 쿼터 토러스 덕트 형태이다.
D. A. 카르포프(D. A. Karpov)가 1990년대에 보고한 절두 원뿔 모양의 음극과 내장된 직선 덕트 필터를 통합한 디자인도 있다. 음극 아크 소스는 긴 튜브 모양(확장 아크) 또는 긴 직사각형 모양으로 만들 수 있지만 두 디자인 모두 인기가 덜하다.
5. 응용 분야
음극 아크 증착은 절삭 공구의 표면을 보호하고 수명을 획기적으로 연장하기 위해 극도로 단단한 막을 합성하는 데 적극적으로 사용된다. TiN(질화 티타늄), TiAlN(질화 알루미늄 티타늄), CrN(질화 크롬), ZrN(질화 지르코늄), AlCrTiN(질화 알루미늄 크롬 티타늄) 및 TiAlSiN(질화 티타늄 알루미늄 실리콘)을 포함하여 이 기술로 다양한 얇은 경질막, 초경 코팅 및 나노 복합 재료 코팅을 합성할 수 있다.
이 기술은 특히 다이아몬드 유사 탄소 필름을 만드는 탄소 이온 증착에도 광범위하게 사용된다. 이온이 표면에서 탄도적으로 분사되기 때문에 단일 원자뿐만 아니라 더 큰 원자 클러스터가 방출되는 것이 일반적이다. 따라서 이러한 종류의 시스템은 증착 전에 빔에서 원자 클러스터를 제거하기 위한 필터가 필요하다. 필터링된 아크에서 생성된 DLC 필름은 사면체 비정질 탄소(ta-C)로 알려진 sp3 다이아몬드의 비율이 매우 높다.
필터링된 음극 아크는 ''이온 주입'' 및 ''플라즈마 침투 이온 주입 및 증착''(PIII&D)을 위한 금속 이온/플라즈마 소스로 사용될 수 있다.
5. 1. 경질 박막 코팅
음극 아크 증착은 절삭 공구의 표면을 보호하고 수명을 연장하기 위해 극도로 단단한 막을 합성하는 데 사용된다. TiN(질화 티타늄), TiAlN(질화 알루미늄 티타늄), CrN(질화 크롬), ZrN(질화 지르코늄), AlCrTiN(질화 알루미늄 크롬 티타늄) 및 TiAlSiN(질화 티타늄 알루미늄 실리콘)을 포함하여 다양한 얇은 경질막, 초경 코팅 및 나노 복합 재료 코팅을 합성할 수 있다.
이 기술은 다이아몬드 유사 탄소 필름을 만드는 탄소 이온 증착에도 사용된다. 이온이 표면에서 탄도적으로 분사되기 때문에 단일 원자뿐만 아니라 더 큰 원자 클러스터가 방출되는 것이 일반적이므로, 증착 전에 빔에서 원자 클러스터를 제거하기 위한 필터가 필요하다. 필터링된 아크에서 생성된 DLC 필름은 사면체 비정질 탄소(ta-C)로 알려진 sp3 다이아몬드의 비율이 매우 높다.
필터링된 음극 아크는 ''이온 주입'' 및 ''플라즈마 침투 이온 주입 및 증착'' (PIII&D)을 위한 금속 이온/플라즈마 소스로 사용될 수 있다.
5. 2. 다이아몬드 유사 탄소(DLC) 필름
음극 아크 증착은 절삭 공구의 표면 보호 및 수명 연장을 위해 극도로 단단한 막을 합성하는 데 사용된다. TiN, TiAlN, CrN, ZrN, AlCrTiN, TiAlSiN 등 다양한 얇은 경질막, 초경 코팅, 나노 복합 재료 코팅을 이 기술로 합성할 수 있다.이 기술은 다이아몬드 유사 탄소(DLC) 필름을 만드는 탄소 이온 증착에도 광범위하게 사용된다. 이온이 표면에서 탄도적으로 분사되기 때문에 단일 원자뿐만 아니라 더 큰 원자 클러스터가 방출되는 것이 일반적이므로, 증착 전에 빔에서 원자 클러스터를 제거하기 위한 필터가 필요하다. 필터링된 아크에서 생성된 DLC 필름은 사면체 비정질 탄소(ta-C)로 알려진 sp3 결합 다이아몬드의 비율이 매우 높다.
필터링된 음극 아크는 이온 주입 및 플라즈마 침투 이온 주입 및 증착(PIII&D)을 위한 금속 이온/플라즈마 소스로 사용될 수 있다.
5. 3. 이온 주입 및 플라즈마 증착
음극 아크 증착은 절삭 공구의 표면을 보호하고 수명을 연장하기 위해 매우 단단한 막을 합성하는 데 사용된다. TiN, TiAlN, CrN, ZrN, AlCrTiN, TiAlSiN 등 다양한 얇은 경질막, 초경 코팅, 나노 복합 재료 코팅을 이 기술로 합성할 수 있다.이 기술은 다이아몬드 유사 탄소 필름을 만드는 탄소 이온 증착에도 사용된다. 이온이 표면에서 탄도적으로 분사되기 때문에 단일 원자뿐만 아니라 더 큰 원자 클러스터가 방출되는 것이 일반적이다. 따라서 이러한 종류의 시스템은 증착 전에 빔에서 원자 클러스터를 제거하기 위한 필터가 필요하다. 필터링된 아크에서 생성된 DLC 필름은 사면체 비정질 탄소(ta-C)로 알려진 sp3 다이아몬드의 비율이 매우 높다.
필터링된 음극 아크는 이온 주입 및 플라즈마 침투 이온 주입 및 증착(PIII&D)을 위한 금속 이온/플라즈마 소스로 사용될 수 있다.
5. 4. 기타 응용 분야
음극 아크 증착은 절삭 공구의 표면을 보호하고 수명을 연장하기 위해 매우 단단한 막을 합성하는 데 사용된다. TiN, TiAlN, CrN, ZrN, AlCrTiN, TiAlSiN 등 다양한 얇은 경질막, 초경 코팅, 나노 복합 재료 코팅을 이 기술로 합성할 수 있다.이 기술은 다이아몬드 유사 탄소 필름을 만드는 탄소 이온 증착에도 널리 사용된다. 이온이 표면에서 탄도적으로 분사되기 때문에 단일 원자뿐만 아니라 더 큰 원자 클러스터가 방출되는 것이 일반적이므로, 증착 전에 빔에서 원자 클러스터를 제거하기 위한 필터가 필요하다. 필터링된 아크에서 생성된 DLC 필름은 사면체 비정질 탄소(ta-C)로 알려진 sp3 다이아몬드의 비율이 매우 높다.
필터링된 음극 아크는 이온 주입 및 플라즈마 침투 이온 주입 및 증착(PIII&D)을 위한 금속 이온/플라즈마 소스로 사용될 수 있다.
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