[논문 리뷰] Mechanical and Surface Characterization of Diamond-Like Carbon Coatings onto Polymeric Substrate

Joan Martí-González, E. Bertrán|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 28.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 15인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 퉁성-DC PECVD 증착을 통해 ABS 수지 기반재에 크롬( Cr ) 버퍼층을 갖춘 다이아몬드-유사 탄소(DLC) 코팅을 연구한다. 다양한 습도 조건에서 마모율은 1×10⁻¹⁵ m³/Nm로 매우 낮고, 마찰 계수는 0.12–0.24를 유지하여 자동차 및 의료 분야 응용을 위한 향상된 마찰 성능을 입증한다.

ABSTRACT

In this master thesis, diamond-like carbon DLC/Cr bilayer systems, with thickness up to 1278 nm were formed on ABS, glass and Si substrates. Substrates surface were prepared by oxygen plasma cleaning process. The chromium thin film, which acts as a buffer layer, was grown by magnetron sputtering deposition. Diamond-like carbon was deposited by pulsed-DC PECVD, with methane and hydrogen as reactants. A Plackett-Burman experimental design was carried out in order to determine the influence of technological parameters of the deposition process on the thickness, deposition rate, intrinsic stress, contact angle, roughness, friction coefficient and wear rate of the obtained coatings. The independent variables were power, chamber pressure, time of deposition, total flux of the gases, composition of the reactant gases and oxygen plasma cleaning conditions. Values of intrinsic stress between 0.13-0.78 GPa were reported. Wear resistance measurements were performed by grinding calottes with a defined geometry. Low wear rate was achieved in the range of 1E-14 to 1E-15 m^3/Nm. The friction of the obtained coatings under different relative humidities, ranging 20 to 80% in a nitrogen environment, was measured using a nanotribometer with tungsten carbide ball. Results showed that friction coefficient increases with the increasing relativity humidity. Values from 0.12 to 0.24 for friction coefficient were reported. . The main objective of the DLC coating is to improve the wear resistance and tribological behavior of ABS in order to increase his durability for automotive, medical, household and textile applications, among others.

연구 동기 및 목표

• 산업용 응용을 위한 ABS 수지 기반재의 내마모성 및 마찰 성능을 향상시키기 위해.
• 체계적인 실험 설계를 통해 고분자 기반재에 대한 DLC/Cr 이중층 코팅 증착 조건을 최적화하기 위해.
• 증착 변수가 스트레스, 거칠기 및 마찰 성능 등의 코팅 성질에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 질소 분雰위에서 상대 습도 변화 조건에서 코팅의 내구성을 평가하기 위해.
• 자동차, 의료 및 가정용 응용 분야에서 사용 가능한 확장 가능한 저스트레스 DLC 코팅 공정을 수립하기 위해.

제안 방법

• 크롬( Cr ) 버퍼층을 위해 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 ABS, 유리 및 실리콘 기반재에 DLC/Cr 이중층 코팅을 증착하였다.
• CH₄와 H₂를 원료로 사용하여 펄스-DC 플라즈마 증착화학기구법(PECVD)을 적용하여 DLC 성장을 수행하였다.
• 코팅 증착 이전에 기반재 표면을 준비하기 위해 산소 플라즈마 세정을 시행하였다.
• 6개의 독립 변수인 출력, 챔버 압력, 증착 시간, 총 기체 유량, 기체 조성 및 플라즈마 세정 조건의 영향을 분석하기 위해 플래켓-버먼 실험 설계를 활용하였다.
• 나노마찰 시험 및 표면 특성 분석 장비를 사용하여 내부 스트레스, 두께, 증착 속도, 표면 거칠기, 접촉각, 마찰 계수 및 마모율을 측정하였다.
• 정의된 기하학적 형상을 갖춘 연삭 캘럽트를 사용한 마모 시험과 질소 분위기에서 상대 습도 20–80% 범위에서의 마찰 시험을 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 출력, 압력 및 기체 조성과 같은 증착 조건이 ABS 기반재에 증착된 DLC 코팅의 내부 스트레스와 두께에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 산소 플라즈마 세정이 고분자 기반재에 코팅된 DLC의 부착력 및 표면 성질에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 질소 분위기에서 상대 습도가 증가함에 따라 DLC 코팅된 ABS의 마찰 계수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 DLC/Cr 코팅이 ABS 기반재에 대해 달성할 수 있는 내마모성 및 마찰 성능은 무엇인가?
• RQ5 유연한 고분자 기반재에 대해 실생활 응용을 위해 일관되게 저스트레스, 고내구성 DLC 코팅을 제조할 수 있는가?

주요 결과

• DLC 코팅의 내부 스트레스는 0.13~0.78 GPa 범위로 변동하였으며, 증착 조건에 따라 중간에서 높은 압축 스트레스를 나타내었다.
• 마모율은 1×10⁻¹⁴ ~ 1×10⁻¹⁵ m³/Nm 사이로 측정되어 뛰어난 내마모성을 입증하였다.
• 상대 습도가 20%에서 80%로 증가함에 따라 마찰 계수는 0.12에서 0.24로 증가하여 습도에 따라 변하는 마찰 성능 특성을 보였다.
• DLC/Cr 이중층 시스템은 ABS 기반재의 표면 경도 및 내구성에 크게 기여하였다.
• 산소 플라즈마 세정은 인터페이스 부착력과 표면 에너지를 효과적으로 향상시켜 코팅의 안정성에 기여하였다.
• 플래켓-버먼 설계를 통해 코팅 성능에 영향을 미치는 핵심 변수를 성공적으로 규명하였으며, 공정 최적화에 기여하였다.