하드 필름 증착이란 무엇입니까?

하드 필름 증착의 기초

경질 필름 증착은 내마모성, 부식 방지 또는 열 장벽 성능과 같은 표면 특성을 개선하기 위해 기판 재료에 얇고 단단한 코팅을 증착하는 공정을 말합니다. 일반적으로 1-10 미크론 두께의 코팅은 증발된 합금 원소 및 화합물을 기판 표면에 응축하여 생성됩니다. 이 표면 엔지니어링 기술을 통해 제조업체는 벌크 특성에 영향을 주지 않고 기본 재료의 경도, 윤활성, 내산화성 또는 기타 특성을 향상시킬 수 있습니다.

하드 필름 증착의 목적

하드 필름 증착은 다양한 방식으로 재료의 표면 특성을 향상시키는 데 사용됩니다.

저항을 착용

하드 필름 증착의 주요 목표 중 하나는 부품의 내마모성을 향상시키는 것입니다. 질화티타늄(TiN) 및 질화크롬(CrN)과 같은 하드 코팅은 절삭 공구, 엔진 부품 및 베어링과 같은 부품의 연마 마모, 접착 마모 및 표면 피로를 최소화할 수 있습니다. 하드 코팅은 다른 표면과 접촉하는 동안 재료가 빠르게 제거되는 것을 방지합니다.

부식 보호

TiN, 알루미늄 티타늄 질화물(AlTiN) 및 비정질 다이아몬드 유사 탄소(DLC)와 같은 코팅을 적용하면 하부 기판을 부식 손상으로부터 보호하는 장벽이 생성됩니다. 이것은 고온, 산화성 환경 및 산이나 염수와 같은 부식성 매체에 노출된 부품에 특히 유용합니다.

써멀 배리어

세라믹 및 금속 합금과 같은 일부 재료는 부품을 고온으로부터 절연할 수 있습니다. 터빈 블레이드에 산화지르코늄, 산화크롬 또는 이규화몰리브덴 필름을 증착하면 열 전달을 줄여 더 높은 온도에서 작동할 수 있습니다.

장식용 표면 처리

질화 티타늄 및 질화 지르코늄과 같은 하드 코팅은 표면에 매력적인 금색, 파란색 또는 검은색 마감을 생성합니다. 이를 통해 보석, 패션 액세서리 및 소비재는 독특한 장식 효과와 외관을 가질 수 있습니다.

전기적 특성

금, 백금 및 금속 카바이드와 같은 전도성 코팅은 전도성 및 저항과 같은 전기적 특성을 수정할 수 있습니다. 이를 통해 센서 및 반도체 장치와 같은 구성 요소의 전류 흐름을 정밀하게 제어할 수 있습니다.

하드코팅의 종류

기상 증착 공정을 통해 적용할 수 있는 다양한 범주의 하드 코팅이 있습니다.

• 전이 금속 질화물 – 티타늄, 크롬 및 지르코늄과 같은 금속의 매우 단단한 세라믹 질화물 화합물이 일반적으로 사용됩니다. 질화티타늄(TiN)은 우수한 내부식성과 최대 2000HV의 경도를 지닌 금색 코팅을 제공합니다. 질화크롬(CrN)은 외관이 회색이며 고온에서 마찰 특성을 유지합니다.
• 전이 금속 카바이드 – 텅스텐 카바이드(WC), 티타늄 카바이드(TiC) 및 탄탈륨 카바이드(TaC)와 같은 금속 카바이드는 매우 단단하고 내구성 있는 코팅을 생성합니다. 질화물 필름에 비해 우수한 내마모성을 제공합니다. 그러나 카바이드 필름은 고온에서 강철 기판과 반응할 수 있습니다.
• 세라믹 코팅 – 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 산화크롬(Cr2O3)을 포함한 비금속 세라믹 재료는 열과 부식을 차단할 수 있습니다. 실리콘 카바이드(SiC)는 밀도가 낮고 경도와 강도가 높습니다.
• 다이아몬드 라이크 카본 – DLC(다이아몬드 유사 탄소) 코팅에는 sp3 및 sp2 혼성 탄소 원자가 혼합되어 있어 다이아몬드와 유사한 특성을 제공합니다. 무정형 DLC 필름은 탁월한 경도, 낮은 마찰 및 화학적 불활성을 제공합니다.
• 다층 코팅 – TiN 및 TiAlN과 같은 서로 다른 재료의 레이어를 결합하면 각 물질의 이점을 통합하는 코팅이 생성됩니다. 다층 필름은 단일층에 비해 경도, 파괴 인성 및 내산화성이 향상되는 경향이 있습니다.

Hard Film 증착용 재료

표면 특성과 성능을 개선하기 위해 다양한 기판 재료를 경질 필름으로 코팅할 수 있습니다.

• 강철– 강철은 경질 필름으로 코팅된 가장 일반적인 기판 중 하나입니다. TiN, TiCN, CrN 및 DLC와 같은 코팅은 절삭 공구, 금형, 엔진 부품 및 베어링과 같은 철강 부품에 적용되어 경도, 내마모성 및 부식 방지를 향상시킵니다.
• 알류미늄– 경량 알루미늄 합금은 마모 및 내마모성을 개선하기 위해 종종 코팅됩니다. 알루미나 및 실리카와 같은 경질 양극 산화 코팅 및 세라믹 필름은 알루미늄 자동차 및 항공우주 부품을 보호합니다.
• 티타늄– 티타늄의 경도, 접착력 및 내식성은 TiN, 질화 크롬 및 금속 도핑된 다이아몬드 유사 탄소와 같은 코팅을 통해 향상될 수 있습니다. 이 필름을 사용하면 티타늄 의료 임플란트 및 항공우주 부품이 충격과 부식을 더 잘 견딜 수 있습니다.
• 탄화물– 실리콘 카바이드, 텅스텐 카바이드 및 보론 카바이드 기판은 툴링 적용을 위한 경도 및 열/산화 저항을 더욱 최적화하기 위해 박막으로 코팅됩니다. 다층 필름이 종종 적용됩니다.
• 플라스틱 및 폴리머– DLC, 질화크롬, 산화규소와 같은 플라스틱 구성 요소에 증착된 하드 코팅은 유연성 및 충격 강도와 같은 벌크 특성을 유지하면서 표면 경도와 긁힘 저항성을 향상시킵니다.
• 세라믹– 알루미나, 지르코니아, 탄화규소 및 질화규소로 만든 세라믹 부품의 내마모성 및 내식성은 금속 질화물, 산화물 및 탄화물의 박막 증착을 통해 향상될 수 있습니다.

장비 및 소모품

하드 필름 증착은 고급 진공 기술 장비를 사용하여 정밀한 제어로 불과 몇 미크론 두께의 코팅을 증착합니다.

• 진공 챔버– 코팅은 10-6 torr까지의 고진공 수준을 달성하기 위해 펌프를 사용하는 진공 챔버에 적용됩니다. 이를 통해 기화된 코팅 재료가 가스와 반응하지 않고 기판에 도달할 수 있습니다. 챔버는 스테인레스 스틸 또는 유리로 구성됩니다.
• 스퍼터링 건– 마그네트론 스퍼터링 건은 전기장을 사용하여 대상 코팅 재료의 원자를 방출합니다. 그런 다음 원자는 기판에 박막으로 응축됩니다. 강력한 자석은 스퍼터링 타겟 표면에서 플라즈마 방전을 제한합니다.
• 증발원– 전자빔, 열 또는 아크 증발과 같은 소스는 매우 높은 온도를 사용하여 코팅 재료를 증발시켜 기판에 응결되도록 합니다.
• 가스 공급– 질소 또는 메탄과 같은 반응성 가스가 챔버로 유입되어 스퍼터링되거나 증발된 코팅 재료와 반응하여 질화물 또는 탄화물과 같은 화합물을 형성합니다.
• 기판 히터 및 바이어스– 가열 요소 및 기판 바이어스 전압은 증착된 원자의 표면 이동성을 향상시켜 접착력을 향상시키고 필름 구조를 수정합니다.
• 대상 물질– 코팅 증착 소스에는 고순도의 타겟 재료가 필요합니다. 일반적인 재료로는 티타늄, 크롬, 알루미늄, 지르코늄, 텅스텐, 탄소 및 실리콘이 있습니다.
• 공정 가스– 아르곤, 질소 및 아세틸렌과 같은 가스는 플라즈마를 생성하거나 코팅 재료와 반응하는 데 사용됩니다. 고순도 공정 가스를 공급하여 적절한 필름 구성을 보장합니다.

프로세스 단계

증기 증착을 통해 하드 코팅을 적용하려면 원하는 특성을 가진 코팅을 생성하기 위한 신중한 처리가 필요합니다.

1. 표면 준비– 코팅 접착력을 감소시킬 수 있는 오일, 산화물 및 오염 물질을 제거하기 위해 기판 표면을 철저히 세척해야 합니다. 그릿 블라스팅, 용제 세척 및 산 에칭이 일반적으로 사용됩니다.
2. 설치– 구성품은 모든 표면이 균일하게 코팅될 수 있도록 특수 홀더에 고정되거나 장착됩니다. 회전 배럴은 균일한 커버리지를 보장하는 데 도움이 됩니다.
3. 난방– 기판은 코팅 원자의 표면 이동성을 높이고 접착력을 향상시키기 위해 증착 전에 종종 150-500°C로 예열됩니다.
4. 침적– 코팅 재료는 스퍼터링, 증발 또는 아크 증발에 의해 기화되어 단지 미크론 두께의 박막이 기판에 응축됩니다. 이는 고진공 환경에서 발생합니다.
5. 이온 폭격– 증착 중 강력한 이온 충격은 코팅 원자의 표면 확산을 향상시켜 접착력과 밀도를 향상시킬 수 있습니다.
6. 진정– 증착 후 구성 요소는 제어된 분위기에서 냉각되어 산화를 방지하고 잔류 응력을 완화합니다.
7. 품질 관리– 코팅된 부품은 현미경 검사, 긁힘 테스트, 마모/부식 테스트 및 기타 분석을 통해 코팅 두께, 접착력, 경도 및 성능을 확인하는 테스트를 거칩니다.

신중한 표면 준비, 증착 공정 제어 및 코팅 후 테스트를 통해 최적의 품질과 코팅 특성을 보장합니다.

산업 신청

하드 보호 코팅은 구성 요소 성능과 내구성을 향상시키기 위해 제조 산업 전반에서 널리 사용됩니다.

• 절단 도구– 드릴, 밀, 톱 및 기타 절삭 공구에 적용되는 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN), 티타늄 탄질화물(TiCN) 및 다이아몬드 유사 탄소(DLC)와 같은 코팅은 경도와 내마모성을 크게 증가시킵니다. 이것은 더 높은 절단 속도와 더 긴 서비스 수명을 가능하게 합니다.
• 금형 및 다이– 질화물, 카바이드 및 DLC 코팅은 플라스틱 사출 금형 및 금속 성형 다이를 마모 및 부식으로부터 보호하여 수명을 연장합니다. 일반적인 코팅에는 CrN, TiAlN 및 텅스텐 카바이드-카본(WC/C)이 포함됩니다.
• 석유 및 가스 부품– 다운홀 드릴 비트, 밸브, 펌프 및 기타 석유 및 가스 부품은 매우 단단한 TiN, TiAlN 또는 다이아몬드 필름으로 코팅되어 드릴링, 모래 생산 및 뜨거운 염수로 인한 부식으로 인한 마모를 방지합니다.
• 항공우주 및 자동차 부품– 엔진 부품, 기체 표면, 베어링 및 기타 부품은 마모, 피로 및 고온 산화를 방지하는 보호 필름으로 코팅됩니다.
• 의료 기기– 수술 도구, 임플란트 및 의료 장비 표면은 DLC, TiN 및 TiAlN과 같은 생체 적합성 필름으로 코팅되어 경도, 내마모성 및 내식성을 향상시킵니다.
• 장식용 코팅– TiN, ZrN, CrN 및 AlTiN과 같은 유색 장식용 하드 코팅은 보석, 시계, 선글라스 및 기타 소비재에 적용됩니다.

하드 코팅은 거의 모든 제조 부문에서 내구성과 성능을 향상시킵니다.

보석에 있는 신청

내구성 향상 외에도 하드 코팅은 보석 및 패션 액세서리에 매력적인 마감을 제공합니다.

• 보호용 시계 코팅– 고급 시계 케이스와 밴드는 종종 질화티타늄(TiN), 다이아몬드 유사 탄소(DLC) 또는 질화크롬(CrN) 박막으로 코팅되어 긁힘 저항성을 높입니다. 이는 일상적인 사용 중에 고가의 시계 부품이 손상되지 않도록 보호합니다.
• 컬러 패션 주얼리– TiN, 질화지르코늄(ZrN) 및 질화크롬의 증기 증착 코팅은 스테인리스 스틸 또는 황동으로 만든 저렴한 패션 주얼리에 눈길을 끄는 금색, 파란색, 검은색 및 회색 마감을 제공합니다.
• 향상된 보석 설정– 화이트 골드 또는 실버 주얼리 세팅에 로듐 또는 루테늄을 얇게 도포하면 경도가 증가하고 마모가 감소하여 원석을 더 잘 고정하고 수년간 정기적으로 사용한 후에도 새것과 같은 외관을 유지합니다.
• 향상된 표면 경도– 산화티타늄 또는 이산화규소와 같은 DLC 및 세라믹 코팅을 장신구에 적용하여 표면 긁힘, 마모 및 변색에 대한 저항성을 향상시킬 수 있습니다. 이것은 시간이 지나도 새것 같은 광택을 유지합니다.
• 웨어러블 기술의 장식 코팅– 하드 데코레이션 코팅은 스마트 워치, 피트니스 트래커, VR/AR 헤드셋을 포함한 웨어러블 장치에 미적 매력을 더해 브랜드가 외관을 기준으로 차별화할 수 있도록 합니다.

내구성이 뛰어나고 매력적인 하드 코팅은 보석, 시계 및 패션 액세서리의 수명과 시각적 매력을 모두 향상시킵니다.

다른 표면 경화 공정과의 비교

경질 필름 증착은 여러 면에서 기존의 표면 경화 기술과 다릅니다.

침탄 및 질화

침탄 및 질화는 강철과 같은 합금의 표면에 탄소 또는 질소를 확산시켜 단단한 화합물을 생성합니다. 경도는 0.1-0.5mm 깊이까지만 확장됩니다. 필름은 모든 재료를 코팅할 수 있으며 질화보다 2배 이상의 경도를 달성할 수 있습니다.

유도 및 화염 경화

유도 또는 화염 경화의 경우 열 주기는 기어 및 베어링과 같은 부품의 표면층만 선택적으로 경화시킵니다. 필름 증착은 모든 표면에 맞춤형 코팅을 허용합니다.

하드 필름 증착 기술

하드 코팅을 적용하는 데 사용되는 몇 가지 기상 증착 기술이 있습니다.

스퍼터 증착

스퍼터링 증착에서 강력한 이온 충격은 고체 타겟에서 원자를 방출하여 원자가 기판에 박막으로 응축되도록 합니다. 마그네트론 스퍼터링은 일반적으로 질화티타늄 및 질화크롬과 같은 재료를 증착하는 데 사용됩니다.

음극 아크 증착

전기 아크는 음극 타겟에서 코팅 재료를 증발시켜 플럭스의 상당 부분을 이온화합니다. 이를 통해 상대적으로 낮은 온도에서 티타늄 알루미늄 질화물과 같은 매우 단단한 세라믹 코팅을 증착할 수 있습니다.

펄스 레이저 증착

고출력 펄스 레이저는 대상에서 재료를 제거하여 진공 챔버에서 기판에 코팅을 증착하는 플라즈마 플룸을 생성합니다. 이 프로세스를 통해 필름 두께와 구성을 잘 제어할 수 있습니다.

전자빔 증착

전자 빔 증발기는 박막 증착을 위해 코팅 재료를 기화점까지 가열하여 코팅 재료를 폭격합니다. 높은 증착 속도가 가능하지만 이 프로세스는 제어하기 어려울 수 있습니다.

물리 기상 증착 (PVD)

스퍼터링 및 증발과 같은 PVD 기술은 코팅 재료를 물리적으로 증발시켜 박막을 증착합니다. 일반적인 PVD 방법에는 마그네트론 스퍼터링, 열 증발 및 전자빔 증발이 포함됩니다.

화학 기상 증착 (CVD)

CVD는 전구체 가스 사이의 화학 반응을 사용하여 가열된 기판에 필름을 증착합니다. 저압 CVD 및 플라즈마 강화 CVD는 복잡한 형상에 대한 코팅을 허용합니다.

각 기술은 제어, 가능한 코팅, 증착 속도 및 비용 측면에서 고유한 장점이 있습니다. PVD와 CVD는 모두 하드 필름 증착 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다.