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ISSN : 1225-7591(Print)
ISSN : 2287-8173(Online)
Journal of Korean Powder Metallurgy Institute Vol.27 No.5 pp.406-413
DOI : https://doi.org/10.4150/KPMI.2020.27.5.406

Mechanical Properties and Thermal Stability of Ti0.5Al0.5N/CrN Nano-multilayered Coatings

Seung-Su Ahna, Jong-Keuk Parkb, Kyung-Sik Ohc, Tai-Joo Chungc*
aKORLOY, 55 Sandan-ro, Heungdeok-gu, Cheongju, Chungbuk, 28589, Republic of Korea
bKorea Institute of Science and Technology, 5 Hwarang-ro 14-gil, Sungbuk-gu, Seoul, 02792, Republic of Korea
cSchool of Advanced Materials Engineering, Industrial Technology Center for Environment-friendly Materials, Andong National University, 1375 Gyeongdong-ro, Andong, Kyungbuk, 36729, Republic of Korea
-

안승수·박종극: 책임연구원, 오경식·정태주: 교수


*Corresponding Author: Tai-Joo Chung, TEL: +82-54-820-5886, FAX: +82-54-820-6210, E-mail: tjchung@anu.ac.kr
October 5, 2020 October 19, 2020 October 20, 2020

Abstract


Ti0.5Al0.5N/CrN nano-multilayers, which are known to exhibit excellent wear resistances, were prepared using the unbalanced magnetron sputter for various periods of 2–7 nm. Ti0.5Al0.5N and CrN comprised a cubic structure in a single layer with different lattice parameters; however, Ti0.5Al0.5N/CrN exhibited a cubic structure with the same lattice parameters that formed the superlattice in the nano-multilayers. The Ti0.5Al0.5/CrN multilayer with a period of 5.0 nm exceeded the hardness of the Ti0.5Al0.5N/CrN single layer, attaining a value of 36 GPa. According to the low-angle X-ray diffraction, the Ti0.5Al0.5N/CrN multilayer maintained its as-coated structure up to 700°C and exhibited a hardness of 32 GPa. The thickness of the oxidation layer of the Ti0.5Al0.5N/CrN multilayered coating was less than 25% of that of the single layers. Thus, the Ti0.5Al0.5N/CrN multilayered coating was superior in terms of hardness and oxidation resistance as compared to its constituent single layers.



Ti0.5Al0.5N/CrN 나노 다층 박막의 기계적 성질과 열적 안정성

안 승수a, 박 종극b, 오 경식c, 정 태주c*
a한국야금
b한국과학기술연구원
c국립안동대학교 신소재공학부 친환경신소재산업지원센터

초록


    ANDONG NATIONAL UNIVERSITY

    1. 서 론

    절삭공구는 구조용 소재의 가공 및 대량생산에서 중요 한 역할을 하는데, 피삭재가 다양화되고 높은 강도를 갖게 되면서 공구용 소재도 우수한 특성이 필요하게 되었다. 이 에 따라 절삭공구의 표면에 기계적, 열적 특성이 우수한 물질을 박막 형태로 입혀 절삭 성능을 개선하고 있다. 그 중에서도 나노 다층구조 박막은 ‘superhard’라 불릴 정도 로 높은 경도와 내마모 특성을 가져 절삭 성능을 크게 개 선하는 것으로 알려져 있다[1]. 나노 다층구조 박막이란 두 종류의 소재를 번갈아 나노 미터 두께로 코팅한 형태로서 경도가 높은 소재와 낮은 소재를 조합하여 제조된다[1]. 이러한 나노 다층구조 박막의 성능은 소재의 선택과 더불 어 코팅층의 반복 간격인 주기에 의해 결정되는 것으로 알려져 있다[2].

    다층을 구성하는 한 층의 코팅막은 수 nm의 두께에 불 과할 정도로 매우 얇아 bulk 혹은 단일 코팅과는 다른 현 상이 관찰될 수 있다. 나노 다층구조를 구성하는 두 종류 이상의 물질이 주기적으로 배열되며, 단일막 경우 서로 다 른 결정 상태를 갖는 것과 달리 하나의 결정구조를 갖는 데, 이를 초격자(superlattice) 상태라고 한다[1]. 초격자가 발생하는 원인은 다층막에서 원자가 적층될 때 인접한 막 의 원자 배열에 영향을 받아 나타나는 결과로서 초격자 상태의 막은 평형 상태와 비교해 결정구조 또는 격자상수 가 다르게 나타나게 된다. 이에 따른 응력에 의해 나노 다 층구조 박막이 높은 경도를 갖는 주요 요인으로 알려져 있다[3-5].

    ‘Superhard’효과는 TiN과 VN의 조합에서 처음으로 발견 되어 50 GPa을 능가하는 경도를 기록하였다[1]. 또한 CrN 과 AlN도 높은 경도를 나타낸 대표적 조합이다[6]. CrN과 VN은 다소 연한 소재의 역할을 하는 반면 TiN과 AlN은 경도가 높은 소재의 역할을 담당하는데, TiN과 AlN의 합 금상태인 Ti1-xAlxN도 절삭공구용 소재로서 우수한 특성을 가진 것으로 알려져 있으며[7, 8], 특히 열적 안전성과 내 산화성에서 우수한 특성을 보이는 장점이 있다[9, 10].

    나노 다층구조 박막도 다른 절삭공구 재료와 같이 고속 절삭 중 심한 마찰열에 노출되므로 열적 안정성을 필요로 한다. 가령 다이아몬드 구조의 절삭공구는 경도가 우수하 지만 열적으로 안정하지 못해 활용에 제한을 받고 있다 [11]. 나노 다층구조 박막에도 내산화성이 요구되며 특히 다층 구조가 확산에 의해 해체되지 않아야 높은 경도를 유지할 수 있다. 다층구조의 해체는 초격자 상태의 해체와 함께 우수한 경도가 손실될 수 있기 때문이다[2]. 즉 다층 구조란 층들 사이의 조성이 성분상 명확히 분리된 상태를 의미하는데, 온도가 증가하면 상호확산에 따라 성분의 경 계가 사라져 다층구조가 무의미해지는 결과가 나타날 수 있다. 절삭 중 고온에 노출되면 공기 중의 산소와 반응하 여 산화반응이 발생할 수 있다. 산화물 상태에서는 원래의 절삭 특성을 유지할 수 없거나 산화된 부분이 모재에서 입자로 분리되므로 가능하면 산화가 억제되는 상태가 바 람직하다.

    따라서 본 연구에서는 Ti1-xAlxN에서 Al이 0.5에 해당하 는 Ti0.5Al0.5N 성분을 CrN과 다양한 주기를 갖는 나노 다 층구조 박막으로 제작하여 특성을 평가하고자 하였다. 나 노 다층구조 박막을 입히기 위해서는 두 가지의 타겟을 가 진 스퍼터링 장치에서 번갈아 스퍼터링이 진행될 수 있어 야 하는데 본 연구에서는 Unbalanced magnetron sputtering 을 활용하였다[12, 13]. 이는 코팅을 위한 플라즈마의 생 성이 일반 장비에 비해 효과적이며 특히 자전과 공전을 함께하는 jig를 자체 제작하여 공전 및 자전 속도에 따라 이중 층의 주기를 제어할 수 있도록 하였다. 또한 본 연구 에서는 다양한 주기를 가진 Ti0.5Al0.5N/CrN 다층막에 대해 열처리에 따른 안정성 및 산화특성을 관찰하여 나노 다층 구조의 효과를 알아보고자 하였다.

    2. 실험방법

    2.1 증착

    그림 1에 표현한 Unbalanced magnetron sputtering 장비 를 이용하여 다층 박막을 증착하였다[13]. 그림 1을 보면 타겟이 챔버의 좌우에 하나씩 위치하며 자전과 공전을 함 께하는 jig에 기판을 고정하여 양쪽 타겟에서 번갈아 증착 이 일어나면서 두 성분이 번갈아 증착된 다층막을 제작할 수 있도록 하였다. 증착에 사용된 타겟은 12.8 cm × 30 cm 크기로 한 쪽은 Ti0.5Al0.5, 다른 쪽은 Cr타겟을 각각 사용 하였으며 기판은 Si (100) wafer를 이용하였다. 타겟과 기 판의 간격은 70mm로 하였고 증착시 챔버의 압력은 3 × 10-5 Torr, 증착온도는 400°C를 유지하였다.

    증착을 시작하기 전에 기판에 –800 V의 바이어스 전압 을 10분간 유지하여 Ar plasma에 의한 기판 세정을 실시 하였고 증착 시에는 바이어스를 –120 V로 하였다. 증착 시 먼저 Cr buffer layer를 올리고 그 위에 CrN 층을 증착 한 후에 Ti0.5Al0.5N과 CrN이 번갈아 나타나는 다층막이 얻 어지도록 하였다. 반응 기체로서 Ar과 N2의 비율을 3:2으 로 하여 총 유량은 50 sccm이 되도록 하였다. 전체 막의 두께는 2~3 μm가 되도록 2~3시간으로 증착시간을 조절하 였으며 기판 홀더의 회전속도를 변화시켜 다층막에서 한 쌍의 Ti0.5Al0.5N/CrN막이 구성하는 두께인 주기를 제어하 였다.

    2.2 구조분석

    저각 X선 회절기(low angle X-ray diffraction M03XHF22 MAC Science)를 이용하여 다층막의 주기를 측정하였으며 고각 X선 회절기(high angle X-ray diffraction M03XHF22 MAC Science)로 다층막의 결정구조를 분석하였다. 주기 (Λ) 결정을 위하여 식 1의 변형된 Bragg법칙을 이용하였 다[14]. 이때 n은 Bragg peak의 지수, θ는 n차 Bragg peak 의 회절각, λ는 파장, δ는 초격자 굴절의 평균 지수의 실 제부분이다. sin2θ와 n2의 관계에서 얻는 직선의 기울기로 부터 주기를 계산하였다.

    sin 2 θ = ( ) 2 + 2 δ
    (1)

    고각 X선 회절로부터 격자상수를 결정하기 위해서는 (220) 피크를 이용하였다[15].

    2.3 특성평가

    다층막의 경도를 Nanoindenter(XP MTS)를 이용하여 측 정하였으며 내마모 특성과 마찰계수는 ball-on-disc 형의 자체 제작한 tribometer를 이용하여 측정하였다.

    2.4 온도안정성

    다층막의 고온 안정성을 평가하기 위해 Rapid Thermal Annealing 장치를 이용하여 Ar 분위기에서 600~800°C로 1시간 동안 열처리하였다. 열처리 후 저각 X선 회절기로 분석하여 다층막의 잔존 여부를 판단하였다. 또한 열처리 후 Nanoindenter를 이용하여 경도를 측정하여 다층막의 상태에 따른 경도 변화를 관찰하였다.

    내산화성을 평가하기 위하여 공기 중에서 700~800°C로 열처리한 후 고각 X선 회절기로 산화물 생성 여부를 확인 하였다. 산화층의 두께를 평가하기 위하여 Auger electron spectroscopy(model 670 PHI)로 박막의 깊이 방향으로 조 성 변화를 관찰하였다. 깊이 방향으로 산소 함량의 감소와 질소함량의 증가가 나타났으며 산소와 질소의 농도가 같 은 깊이를 산화막의 두께로 측정하였다. 열처리된 미세조 직을 확인하기 위해 주사전자 현미경(s-4200 Hitachi)을 이 용하였다.

    2.5 응력 평가

    단일막 및 다층막의 응력(σ)을 평가하기 위하여 가로 2 mm, 세로 40 mm, 두께 100 μm인 S i strip에 박막을 증착 한 후 나타난 곡률반경(κ)을 in-situ stress measurement(JIL Tech) 장비로 측정하여 식 2의 Stoney 식에 적용하여 잔류 응력을 계산하였다.[16] 이때 E는 S i의 탄성계수, ν는 S i의 Poisson비이며 hshf는 각각 기판과 주사 전자현미경으로 측정한 박막의 두께이다.

    σ = E h s 2 κ 6 h f ( 1 ν )
    (2)

    3. 결과 및 고찰

    그림 2는 Ti0.5Al0.5N과 CrN의 단일막을 증착한 후 얻은 고각 X선 회절도이다. CrN과 Ti0.5Al0.5N 모두 NaCl 결정 구조인 입방정 상태이지만, 두 물질의 격자상수는 다르게 나타났다. (220) 피크를 통해 격자상수를 측정한 결과, Ti0.5Al0.5N의 격자상수는 4.186Å이고 CrN의 격자상수는 4.148 Å으로 측정되었다. 이러한 격자상수의 차이로부터 두 물질이 동일한 격자상수를 갖는다면 변형에너지가 유 발될 수 있음을 예측할 수 있다. Ti0.5Al0.5N과 CrN 단일막 의 우선 배향성도 서로 다르게 나타나는데, CrN은 (220) 피크이고, Ti0.5Al0.5N은 (200) 피크로 나타났다. 이러한 우 선 배향성의 차이는 결정면들 사이의 성장속도 차이와 기 판과의 접합에 따른 변형에너지 등을 최소화하기 위해 나 타나는 현상으로 알려져 있다[15, 17].

    그림 3은 Ti0.5Al0.5N과 CrN을 다층막으로 제조한 후 저 각 X선 회절을 관찰한 결과이다. 그림 3을 보면 피크의 위 치(2θ)가 서로 다른데, 이를 식 (1)에 적용해 계산한 주기를 그림 3에 표시하였다. 그림 3에서 피크의 강도가 높을수록 다층막의 계면이 명확하고 경계가 뚜렷함을 의미한다[14]. 피크의 강도가 높은 5.0 nm의 특정한 주기 외에는 피크의 강도가 상대적으로 낮고 폭이 넓은 형태(broadening)로 나 타남을 관찰할 수 있었다. 그림 4(a)는 Ti0.5Al0.5N과 CrN을 다층막으로 제조한 후 얻은 고각 X선 회절도이다. 모든 주기의 다층막 상태에서 CrN과 Ti0.5Al0.5N이 모두 같은 격 자상수를 갖는 동일한 입방정 구조를 갖는 것으로 나타났 다. 그림 2~4(a)의 결과로부터 단일막 상태에서는 서로 다 른 격자상수의 입방정 구조를 갖는 Ti0.5Al0.5N과 CrN이 함 께 다층막으로 제조된 상태에서는 동일한 격자상수를 갖 는 하나의 입방정 결정구조를 나타냄을 알 수 있었다.

    그림 4(b)는 다층막과 단일막의 격자상수를 비교하기 위 해 그림 4(a)의 주요 피크인 (111) 피크를 확대하여 나타 낸 것으로 Ti0.5Al0.5N과 CrN 단일막의 격자상수에 의한 (111) 피크 위치를 함께 표현하였다. 이로부터 다층막의 격자상수는 Ti0.5Al0.5N과 CrN 단일막 격자상수의 사이에 존재함을 관찰할 수 있었다. Ti0.5Al0.5N과 CrN이 이와 같 이 격자상수의 차이가 있는 서로 다른 결정구조를 갖지 않고 격자상수가 같은 동일한 입방정 결정구조를 갖는 현 상을 초격자(superlattice)라고 한다[1]. 이는 Ti0.5Al0.5N과 CrN의 증착과정 중에 상호간 영향에 의해 일정한 원자배 열을 갖게 되어 나타나는 결과이다. 이로부터 원래의 안정 한 구조의 격자상수를 갖지 못했기 때문에 변형에너지에 따른 전체 자유에너지의 상승을 초래할 수 있음을 예측할 수 있다. Ti0.5Al0.5N과 CrN 각각의 층이 두꺼울수록 자유 에너지의 상승이 크게 나타나 불안정하므로, 본 연구와 같 은 나노미터 수준의 얇은 막에서만 관찰되는 현상으로 생 각할 수 있다.

    그림 5는 Ti0.5Al0.5N/CrN 다층막의 경도를 주기에 따라 나타낸 결과이다. Ti0.5Al0.5N과 CrN 단일막에 대한 경도 측정 결과는 각각 33.5, 29 GPa 정도로 나타났으며, 나노 다층막에서의 경도도 대부분 단일막 경도 값의 범위에 해 당하는 값을 나타내고 있다. 다층막의 경도 값은 주기에 따라 변화하고 있는데 5.0 nm의 주기에서 36 GPa로 최대 의 경도를 나타내며, 경도 값이 단일막 중 높은 경도를 갖 는 Ti0.5Al0.5N에 비해서도 일부 향상될 수 있음을 관찰할 수 있었다. 5.0 nm의 주기를 갖는 다층막은 그림 3에서 피 크의 강도가 가장 높은 것으로, 계면이 명확하고 경계가 뚜렷한 나노 다층막의 경우 혼합 다층막의 경도가 높게 나타날 수 있음을 기대할 수 있다. 나노 다층막의 경도가 혼합규칙(rule of mixture)으로 계산한 두 물질의 평균보다 크게 나타날 수 있는 것으로부터 나노 다층막을 형성하면 경도가 향상될 수 있음을 예측할 수 있었다.

    그림 6은 나노 다층막의 내마모 특성과 경도 및 마찰계 수의 관계를 주기에 따라 관찰한 결과이다. 나노 다층막의 내마모 특성을 나타내는 sliding wear coefficient는 거의 모든 주기에서 단일막의 혼합규칙을 따른 값보다 낮은 결 과를 나타낸다. 주기에 따른 변화를 보면 3~4.5 nm에서 낮 은 값을 나타내고 이를 기준으로 감소하다 증가하는 양상 을 보여준다. 이를 특정 주기 값까지 경도가 증가하다 감 소하는 주기에 따른 경도의 변화와 비교하면, 다층막의 경 도와 sliding wear coefficient 사이에 상호 연관성이 있는 것으로 생각된다. 반면 마찰계수(Friction coefficient)는 주 기에 따른 변화의 폭이 상대적으로 작고, 단일 박막의 마 찰계수의 혼합규칙에 따라 나타나는 값의 범위 안에 있다. 따라서 다층막의 내마모 특성에 대해 마찰계수가 주는 영 향은 상대적으로 작을 것으로 판단된다.

    이상의 결과에서 unbalanced magnetron sputtering을 이 용하여 Ti0.5Al0.5N /CrN 나노 다층막의 주기를 2~7 nm로 제어하여 효과적으로 제작할 수 있음을 확인하였다. 단일 막과 달리 나노 다층막에서는 Ti0.5Al0.5N과 CrN이 같은 격 자상수를 갖는 동일한 입방정 구조로서 초격자 상태임을 알 수 있었다. 그 결과 나노 다층막은 상대적으로 경도가 높은 Ti0.5Al0.5N 단일막과 비교할 때 이보다 경도가 높은 다층막을 제조할 수 있음을 관찰할 수 있었으며, 다층막을 제조할 때 sliding wear coefficient 경우도 감소함을 관찰 할 수 있었다. 이러한 두 가지 결과로부터 다층막을 제조 할 때 단일막 대비 내마모 특성이 개선된 코팅 박막을 제 조할 수 있음을 알 수 있었다.

    실제 절삭공구는 고속절삭에 따라 고온에 노출되므로 열처리 후의 변화를 관찰하였다. 그림 7은 나노 다층막을 Ar 분위기에서 600~800°C로 열처리한 후 저각 X선 회절 을 관찰한 결과이다. 열처리 온도의 증가에 따라 저각 회 절피크의 강도가 감소함을 확인할 수 있었다. 저각 X선 회절에서 피크의 강도는 다층막의 계면이 명확하고 경계 가 뚜렷할수록 높게 나타난다[14]. 고온에서 열처리할 경 우 다층막 내에서 상호확산이 일어나 계면에서 혼합을 일 으킬 수 있어, 조성의 기울기가 완만해짐에 따라 저각 회 절피크의 강도가 열처리 온도의 증가에 따라 감소되는 것 으로 판단된다. 결국 계면에서의 상호확산이 피크의 강도 를 낮추는 원인이 되는 것으로 판단된다. 그림 7을 보면 실제로 Ti0.5Al0.5N/CrN 다층막에서 열처리 온도가 증가함 에 따라 피크가 약화되며, 800°C에서는 피크의 강도가 사 라지는 것으로부터 다층막의 층간 경계가 뚜렷한 나노 다 층막 구조는 800°C에서 사라지는 것으로 판단되었다.

    그림 8은 Ar 분위기에서 열처리한 후 경도의 변화이다. 열처리하지 않은 다층막은 36 GPa의 경도를 갖지만 열처 리 온도에 따라 감소하여 800°C에서 28 GPa 정도를 나타 내었다. 다만 이러한 변화에는 박막 자체의 열화 외에도 열팽창 계수 차이에 따른 막의 분리 등 박막과 기판 사이 의 접착력 감소에 따른 부분도 있을 것으로 생각된다.

    절삭공구가 고온에 노출될 때는 그림 7, 8과 같이 다층 막의 안정성 손실과 더불어 산화에 따른 변화가 발생할 수 있다. 그림 9(a)는 Ti0.5Al0.5N 단일막을 공기 중 700°C 에서 열처리한 후 고각 X선 회절도를 얻은 결과이다. Ti0.5Al0.5N 단일막의 경우 700°C 산화 분위기에서 열처리 한 결과 이미 상당 부분 막이 분리되어 Ti0.5Al0.5N의 피크 를 관찰하기 어려웠다. 공기 중 800°C에서 열처리할 때도 동일한 결과를 얻었다. 그림 9(b)에 Ti0.5Al0.5N/CrN 나노 다층막을 공기 중에서 열처리한 후 관찰한 고각 X선 회절 도를 나타내었다. 나노 다층막의 경우는 700~800°C 열처 리에서 막의 분리 현상은 관찰되지 않았으며, 800°C 경우 Cr2N이 약하게 형성되는 피크가 관찰되고 Cr2O3나 TiO2와 같은 산화물 피크는 관찰되지 않았다. Cr2N의 형성은 박 막 증착시 발생한 내부응력에 의해 고온 열처리 중에 CrN 일부가 Cr2N으로 상전이되면서 생성된 것으로 생각된다 [18]. 그림 9(a)와 (b)를 비교하면, 나노 다층막을 형성하면 단일막과 달리 막의 분리가 나타나지 않으며 산화개시 온 도가 상승함을 확인할 수 있었다. 산화반응을 보다 정확하 게 관찰하기 위해 AES(Auger Electron Microscopy)를 이 용하여 산화막의 두께를 관찰하였다.

    그림 10은 단일막 및 다층막에서 박막의 미세구조를 관 찰한 것으로 측정된 산화층의 두께를 함께 나타내었다. 박 막의 종류에 무관하게 columnar 구조로 성장되었음을 관 찰할 수 있으며, 박막과 기판 사이에 균일층이 관찰되는데 이는 박막의 밀착도를 높이기 위해 buffer layer로 증착한 Cr layer로 판단되었다. 산화두께를 정확히 측정하기 위해 AES를 이용하여 깊이에 따른 산소와 질소의 농도를 관찰 하였다. 산소와 질소의 농도가 같은 깊이를 산화막의 두께 로 읽어 그림 10에 나타내었다. 산화막의 두께는 열처리 온도에 따라 증가하였는데, CrN 단일막을 800°C에서 열 처리한 경우 300 nm 정도였으며 Ti0.5Al0.5N 단일막의 산화 막은 233 nm로 나타났다. 반면 나노 다층막에서는 산화막 의 두께가 55 nm에 불과하여 내산화성이 크게 증가하였음 을 알 수 있었다. 그림 11은 그림 10과 같이 결정한 산화 막의 두께를 700°C와 800°C의 열처리 온도에서 관찰한 결 과로서 나노 다층막에서 산화가 억제되는 효과를 확인할 수 있었다.

    그림 12는 단일막 및 나노 다층막에 작용하는 응력을 측정한 결과로서 100 μm 두께의 S i strip에 박막을 증착한 후 나타난 곡률반경으로부터 계산하였다[16]. CrN과 Ti0.5Al0.5N 단일막의 경우 0.4~1.1 GPa 정도의 압축응력이 축적되는 반면, 이러한 단일막을 나노미터 두께로 반복 적 층하여 얻은 Ti0.5Al0.5N/CrN 나노 다층막의 경우는 단일 박막에 비해 매우 큰 2 GPa 정도의 압축응력이 축적되었 음을 관찰할 수 있었다. CrN과 Ti0.5Al0.5N 단일막 보다 Ti0.5Al0.5N/CrN 나노 다층막의 경우에 우수한 내산화특성 을 나타나는데, 이러한 압축 잔류응력이 산화시 산소의 확 산을 억제하여 산화층의 두께가 크게 감소한 것으로 판단 된다. Al과 같은 산화 보호 화학성분이 산소의 확산을 억 제할 수 있는 균열이 없는 보호 산화피막을 형성할 때 산 화가 억제될 수 있는 것으로 알려져 있는데, 본 실험과 같 이 매우 얇은 두께의 나노 다층막이 2 GPa 정도의 큰 압 축응력 하에서 존재할 경우, 보호 산화피막의 형성에 도움 을 주어 성공적으로 산화가 억제될 수 있었던 것으로 판 단된다. 이러한 산화억제 기구에 대한 연구는 향후 추가적 으로 심도 있게 진행될 필요가 있을 것으로 생각된다.

    4. 결 론

    Ti0.5Al0.5N/CrN으로 구성된 나노 다층막을 Unbalanced magnetron sputter를 이용해 2~7 nm의 다양한 주기를 갖도 록 제작하였다. Ti0.5Al0.5N/CrN 나노 다층막은 서로 다른 격자상수가 아닌 같은 격자상수를 갖는 초격자 상태의 입 방정 구조를 나타내었다. 이러한 초격자 형성의 결과 Ti0.5Al0.5N/CrN 나노 다층막은 주기 5.0 nm 정도에서 36 GPa의 경도를 가지며 이는 Ti0.5Al0.5N과 CrN 단일막의 경 도 보다 높은 값이다. Ti0.5Al0.5N/CrN막의 절삭 중 열 안정 성을 평가하기 위하여 Ar 분위기에서 가열하였을 때, 경계 가 뚜렷한 나노 다층막 구조는 800°C에서 소멸하였으며 경도는 28 GPa로 감소하였다. 나노 다층막을 공기 중에서 가열하여 생성된 산화층의 두께를 AES로 측정한 결과 나 노 다층막에서 생성된 산화층 두께는 Ti0.5Al0.5N과 CrN의 산화층의 25% 미만으로 열안정성 및 내산화성이 크게 개 선됨을 확인하였다. 이러한 나노 다층 박막의 경도 및 내 산화성의 향상은 다층막에서 나타난 초격자 상태와 2 GPa 정도의 큰 압축 잔류응력에 따른 것으로 판단되었다.

    감사의 글

    이 논문은 안동대학교 기본연구지원사업에 의하여 수행 되었으며 이에 감사드립니다. 또한 본 연구에 많은 도움을 주신 한국야금과 한국과학기술연구원 관계자 여러분께 감 사드립니다.

    Figure

    KPMI-27-5-406_F1.gif
    Schematic illustration of the unbalanced magnetron sputtering device used for preparation of multilayered films.
    KPMI-27-5-406_F2.gif
    High Angle X-ray diffraction patterns of Ti0.5Al0.5N and CrN single layered films.
    KPMI-27-5-406_F3.gif
    Low angle X-ray diffraction patterns of Ti0.5Al0.5N/ CrN multilayer. The period of multilayer (in nm) are shown in the figure.
    KPMI-27-5-406_F4.gif
    High angle X-ray diffraction patterns of (a) 2θ= 30°~65° and (b) (111) peaks from Ti0.5Al0.5N/CrN multilayers with various bilayer periods.
    KPMI-27-5-406_F5.gif
    Variation of hardness in Ti0.5Al0.5N/CrN multilayers with respect to the periods of bilayers.
    KPMI-27-5-406_F6.gif
    Variation of sliding wear coefficient, friction coefficient, and hardness in Ti0.5Al0.5N/CrN multilayers with respect to the periods of bilayers.
    KPMI-27-5-406_F7.gif
    Low angle X-ray diffraction patterns of as deposited Ti0.5Al0.5N/CrN multilayer coatings and coatings heat treated in Ar at 600°C, 700°C, and 800°C for 1 h.
    KPMI-27-5-406_F8.gif
    Change of the hardness of Ti0.5Al0.5N/CrN multilayer coatings with annealing temperature.
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    High angle X-ray diffraction patterns from (a) Ti0.5Al0.5N single layer coating and (b) Ti0.5Al0.5N/CrN multilayer coating after annealing in the air at various temperatures.
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    Microstructure of cross sections and AES depth profiles showing the coating and oxidation layer of (a) CrN, (b) Ti0.5Al0.5N, and (c) Ti0.5Al0.5N/CrN multilayer after annealing in air at 800°C. The broken line indicates the boundary between oxidation and coating layers determined by AES analysis.
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    Thickness of the oxidation layer of CrN, Ti0.5Al0.5N, and Ti0.5Al0.5N/CrN multilayer after annealing in air at 700°C and 800°C.
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    Thickness of the oxidation layer and residual stress for the CrN, Ti0.5Al0.5N, and Ti0.5Al0.5N/CrN multilayer after annealing in air at 800°C. The stress values (in GPa) are shown in the graph.

    Table

    Reference

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