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1)CVD 코팅의 역사

▶ 1960년 텍사스 휴스턴에서 열린 전기화학 학회에서 John M. Blocher, jr가

    “화학 기상 증착”(CVD) 이라는 용어를 처음 사용했다.

① 1970년대 CVD로  TiC 막을 상용화하며 공구의 수명이 크게 개선되었다.

② TiC 이후 TiN, TiCN 등의 Ti계 화합물이 실용화되고, 1980년에 Al2O3(산화알루미늄) 막이 등장했다.

③ 계속적인 코팅의 발달로 복합 코팅이 도입되고 고속가공, 고경도강 가공이 가능하다.

④ 현재 절삭공구 뿐만 아니라 반도체, OLED, 의료기기, 항공 우주 산업에서 다양하게 응용 되고 있다.

2)CVD 코팅의 목적

■ 공구의 내마모성과 내열성을 높이고 반도체의 절연 박막의 용도로 CVD 코팅이 사용 된다.

ü내 마모성이 향상된다.

ü내열성이 높아진다.

ü내부식성이 높아진다.

ü윤활제 및 공구 교환 등 유지보수 작업이 경감된다.

ü전자 부품의 절연 박막으로 사용된다.

 

3)CVD 코팅의 목적

▶CVD 코팅은 기체를 이용하여 화학 반응을 통해 증착하는 방식으로 PVD코팅과는 다른 특징을 보인다.

4)CVD 코팅의 원리와 종류

▶CVD(Chemical Vapor Deposition) 화학적 증착 방식

  ■ 증기상태의 전구체(Precursor)가를 화학 반응을 일으키며  코팅될 제품 표면에 고체의 박막을 형성한다.

- 에칭(Etching) : 코팅 전 처리 공정으로서 산 처리액을 이용하여 초경 소재 내 코발트(Co)층을 적정하게 제거,

      코팅층과 소재의 기계적 결합으로 견고한 밀착력 유도한다. [Diamond 코팅 공정]

- 시딩(Seeding) : 에칭후 적정 농도로 다이아몬드 입자를 희석한 현탁액에 소재를 침적시켜 일정시간 초음파 처리하여

       다이아몬드 코팅시 다이아몬드 핵 생성과 성장에 기여한다. [Diamond 코팅 공정]

① 흡착 : 열적으로 활성화된 챔버 내에서 반응 가스(전구체: Precursor)로 인해 모재에 코팅 물질이 결합한다.

② 증착 : 타겟에 흡착된 코팅 물질은 화학적 치환을 거처 고체 상태로 증착한다.

③ 탈착 : 온도와 가스등 증착 분위기에서 치환되지 못한 부산물들은 탈착 되어 배기된다.

 

▶CVD 코팅 방법은 매우 다양하며 절삭공구에서는 M(H)TCVD, HFCVD 방법을 사용한다.

①MTCVD : 공정온도는 700~900도로 비교적 낮은 온도에서 실행하는 화학 기상 증착 법, 공구의

변형을 최소화 하고 보다 다양한 재료에 적용할수 있다는 장점이 있다.

②HTCVD : 1000도 이상의 높은 온도에서 공정이 진행되며 높은 온도는 코팅의 밀도와 내구성을

높이는데 도움이 된다.

③HFCVD : 전기로 가열된 고온(약 2000도)의 필라멘트가 사용되며 다이아몬드 박막을 증착하는데 널리 사용 된다.

고온의 열로 수소와 메탄이 분해되면서 탄소원자가 기판 표면에 결합하며 다이아몬드 구조를 형성한다.

 

▶ 공구 소재 보다 경도가 상대적으로 높기때문에 절삭공구로서 CVD코팅이 적용될 수 있다.

 ■ Diamond>TiC>TiN>Al2O3 순으로 CVD 코팅의 경도를 나열할 수 있다.

 

ü일반적으로 CVD 코팅은 TiC. TiCN, Al2O3, TiN의 2층이상 조합된다.

ü코팅 두께는 선삭, 밀링, 홈가공 등 사용영역에 따라 차이가 발생한다.

ü대체적으로 5~20um 정도의 후막 증착한다.

 

▶ 절삭공구에 사용되는 M(H)TCVD코팅

 ■ 각 코팅에 특화된 성질을 이용하며 2개 이상의 다층 코팅을 주로 적용한다.

üTiN - 모재와 코팅층의 결합력에 기여하며, 초경소재에서 카본 성질이 올라오는 것을 막아주는 역할을 한다.

üTiCN -  C/N 비율에 따라 TiC(내마모성), TiN(내열,내산화성) 의 성질을 가진다, 알루미나 코팅의 접착을 위해  TiCN 을 구성한다.

üAl2O3 - 고온에서의 내 산화성, 내열성, 내 화학성이 높으며, 칩에 의해 발생되는 크레이터 마모를 감소 시킨다.

 

▶ Diamond 코팅의 생성 [HFCVD - Hot Filament CVD]

① 수소(H2),메테인(CH4)이 혼합된 반응가스를 주입한다.

② 텅스텐과 탄탈륨 등으로 구성된 필라멘트를 약 2000˚C 까지 가열한다. (온도와 메테인 양에 따라 입자 크기가 결정 됨)

③ 수소 분자는 원자상 수소로 변화되고. 이 과정에서 CH4,CH3,CH2,CH,C 등 으로 해리되어 시딩된 모재에 흡착 된다.

④ 다이아몬드 핵 생성 및 성장한다.

 

5)CVD 코팅의 원리와 종류

▶다이아몬드 코팅층은 온도에 상당히 의존하며 증착이 이루어 진다.

  ■ 코팅 결정에 따라 경도와, 표면조도의 차이가 발생하며 그에 따라 가공 소재가 나뉘어 진다.

 

▶CVD 코팅의 활용 –  Micro Diamond, Gradient Diamond

  ■ Micro Dia , Gradient Dia

ü경도가 높고 낮은 마찰계수로 칩 배출 성능이 높아 비철 가공용도로 많이 사용된다.

ü경도가 높은 비철계열 피삭재(흑연, 세라믹타일,)를 가공하는데 적합하다.

ü철과 반응하는 성질이 있어 금속 가공에는 적합하지 않는다.

ü코팅의 기계적인 결합력이 높아 코팅 박리에 대한 저항력이 높다.

 

▶CVD 코팅의 활용

  ■ Nano Diamond

ü공구의 마모가 쉽게 발생해 가공에 어려움이 있던 복합소재를 가공하는데 적합하다.

üCFRP, GFRP 등 복합 소재를 가공하는데 높은 조도를 구현하며 정밀한 가공 가능하다.

ü복합 소재의 기계적인 강성과 미관을 동시에 충족 해야 하는 부품, 제품 가공에 사용한다.

ü기계 부품의 소재와 건축 자재 등의 발전에 따라 복합 소재의 영역이 확장되었다.

ü코팅의 기계적인 결합력이 높아 코팅 박리에 대한 저항력이 높다.