[논문 리뷰] Effect of Graded Bias Voltage on the Microstructure of arc-PVD CrN Films and its Response in Electrochemical & Mechanical Behavior

M.L. Cedeño-Vente, D.G. Espinosa-Arbeláez외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 16.

Metal and Thin Film Mechanics참고 문헌 15인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 아크-PVD로 증착된 CrN 필름의 미세구조, 부식 내성 및 기계적 성질에 미치는 계단형 및 일정한 음의 배터리 전압(-40 V, -80 V 및 -40/60/80 V)의 영향을 조사한다. 더 높은 배터리 전압(-80 V)은 필름의 밀도를 향상시켜 나노경도와 탄성율을 증가시키지만, 낮거나 계단형 배터리 전압에서는 결함(예: 공극, 방울) 형성이 발생하여 부식 내성이 떨어지고 박리가 촉진된다.

ABSTRACT

The effect of graded or constant bias voltages (-40 V, -80 V and -40/60/80 V) on size grain and surface defects of arc PVD deposited CrN films was investigated. Corrosion resistance evaluated using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and potentiodynamic curves (Tafel) and the mechanical behavior evaluated by means of instrumented nanoindentation and scratch testing was correlated with the microstructural changes. It was found that the bias voltage variation affects corrosion behavior due to the presence of defects (i.e. open voids, droplets) which also affects the failure mechanisms and increasing spallation. High bias voltage (-80 V) increases nano-hardness and the elastic modulus due to the dense microstructure of the CrN coating.

연구 동기 및 목표

• 다양한 배터리 전압이 아크-PVD CrN 필름의 미세구조에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 미세구조적 결함(예: 공극, 방울)이 전기화학적 및 기계적 성능에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 필름의 밀도 및 결함 농도 변화와 부식 내성 및 기계적 파손 메커니즘 간의 상관관계를 규명하는 것.
• CrN 코팅에서 기계적 내구성과 부식 내성을 균형 잡는 데 최적의 배터리 전압을 결정하는 것.

제안 방법

• 일정 및 계단형 배터리 전압(-40 V, -80 V 및 -40/60/80 V)을 사용하여 아크 물리증착(PVD) 방식으로 CrN 필름을 증착함.
• 입자 크기 및 결함 농도에 민감한 기술(예: 표면 형태 및 결함 분석)을 활용해 미세구조를 특성화함.
• 전기화학적 임피던스 분석(EIS) 및 전류보정 분석(Tafel) 측정을 통해 부식 내성을 평가함.
• 나노경도 및 탄성율을 측정하기 위해 도구화된 나노인덴테이션을 이용해 기계적 거동을 평가함.
• 접착성 및 파손 메커니즘을 분석하기 위해 스크래치 테스트를 수행함. 특히 박리 현상에 초점함.
• 미세구조적 특징(예: 공극, 방울)을 전기화학적 및 기계적 반응과 연관지어 분석함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 계단형 대비 일정한 배터리 전압 적용이 아크-PVD CrN 필름의 입자 크기와 결함 농도에 미치는 영향는 무엇인가?
• RQ2 미세구조적 결함(예: 개방된 공극, 방울)이 CrN 코팅의 전기화학적 거동 및 부식 내성에 미치는 영향는 무엇인가?
• RQ3 배터리 전압을 증가시킬수록 CrN 필름의 나노경도 및 탄성율은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 결함은 스크래치 테스트 중 박리 현상과 파손 메커니즘을 어떻게 촉진하는가?
• RQ5 고배터리 전압 조건에서의 미세구조 밀도 향상이 기계적 및 전기화학적 성능 향상에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 높은 배터리 전압(-80 V)은 필름의 밀도를著적으로 향상시켜 기계적 성질을 향상시켰다.
• 높은 배터리 전압은 미세구조의 밀도 향상으로 인해 CrN 필름의 나노경도 및 탄성율을 증가시켰다.
• 낮거나 계단형 배터리 전압에서 더 많이 발생하는 공개된 공극 및 방울과 같은 결함은 부식 내성을 저하시켰다.
• 전기화학적 임피던스 분석(EIS) 및 Tafel 분석 결과, 결함 농도가 높은 필름은 전하 이동 저항이 낮고, 더 높은 부식 전류 밀도를 나타내었다.
• 스크래치 테스트 결과, 결함 농도가 높은 필름은 상호작용력이 약해져 더 이르고 심각한 박리 현상을 보였다.
• 계단형 배터리 전압(-40/60/80 V)은 중간 수준의 결함 농도를 가지는 미세구조를 형성하여 극단적인 경우에 비해 중간 수준의 기계적 및 전기화학적 성능을 보였다.