[논문] 열처리공학회지, 제33권 제1호(2020)J. of the Korean Society for Heat Treatment.https://doi.org/10.12656/jksht.2020.33.1.25

Laser patterning된 DLC 박막의 Tribology 특성연구

이지석*·김동준*·신동철**·김태규†

*부산대학교 나노융합기술학과·**거제대학교 기계공학과·부산대학교 나노메카트로닉스공학과

A Study on Tribology Characteristics of Laser Patterned DLC Thin Films

Ji Seok Lee*, Dong Jun Kim*, Dong Chul Shin**, Tae Gyu Kim†

*Department of Nano Fusion Technology, Pusan National University, Busan 46241, Korea

**Department of Mechanical Engineering, Koje College, Gyeongnam 53325, Korea

Department of Nanomechatronics Engineering, Pusan National University, Busan 46241, Korea

Abstract In this study, the tribology of laser patterned DLC thin film was studied. DLC thin films were coated by

RF-PECVD to improve the durability of tungsten carbide (WC) materials. DLC thin films have high hardness and

low friction characteristics. Dot and line patterning was processed on the surface of DLC thin film with femtosec-

ond laser, and the coefficient of friction was improved. As a result of ball on disk abrasion test, the hardness and

friction coefficient of DLC thin films were much better than that of WC material. The friction coefficient of DLC thin

film with dot patterning and line patterning showed better results. The excellent performance of the laser pat-

terned DLC coating is appeared to reduce the coefficient of friction due to the reduction of surface contact area.

(Received January 10, 2020; Revised January 20, 2020; Accepted January 28, 2020)

Key words : Diamond Like Carbon (DLC), WC, Purse laser, Tribology, Friction, RF-CVD

1. 서 론

최근 많은 연구자들이 정밀 기계장치의 습동부에

대한 트라이볼로지 특성에 대해서 큰 관심과 연구를

진행하고 있으며, 윤활특성이나 극한 환경조건에서의

마찰저항과 마모현상 등에 대한 연구결과가 많이 이

루어지고 있다[1]. 또한 최근에는 표면경도와 마찰계

수 특성의 향상시키기 위한 여러 방법들이 제안되고

있다. 그중 고경도, 저 마찰계수 특성이 우수한

DLC(diamond like carbon) 기술을 적용한 습동부

내마모용 박막합성기술이 각종 산업분야에 많은 적용

이 시도되고 있다.

초경합금(tungsten carbide; WC)은 산업현장에서

절삭공구 소재로 널리 사용되고 있다. 높은 경도로

인한 내 마모 특성이 우수하고 내열성이 뛰어나 금

형(punch & die), 베어링(bearing), 롤(roll), 게이지

(gauge) 및 건설용 드릴비트(drill bit) 등에 많이 사

용되는 소재이고, 실린더와 같은 습동부나 정밀 기계

부품 분야에도 널리 활용되고 있다[2]. 1929년 독일

의 K,Schroter에 의해 초경합금(WC)과 코발트(Co)

를 주성분으로 하는 초경합금이 개발된 이래 금속절

삭용 소재로 WC-Co계 초경합금의 수요가 급증하고

있다. 이는 WC-Co계 초경합금이 기존의 고속도공구

강(high speed steel; HSS)에 비해 경도가 높고

내구성이 우수하여 고속절삭이 가능하다. 이는 공업

용 다이아몬드나 세라믹스, 서멧(cermet) 소재보다

높은 인성특성을 가지고 있기 때문이다[3]. 최근에는

더 높은 표면경도와 마찰계수 특성을 향상시키기 위

한 방법으로 건식표면 처리기법인 PVD와 CVD 증

착방법으로 초경합금 기판 상에 박막코팅을 많이 응

용하고 있다. 기판인 초경합금에 PVD나 CVD 코팅

에 의해 생긴 박막의 장점이 합쳐져 내마모성과 마

찰계수 특성을 더욱 향상시키고 있다. 이러한 방법으

로 초경절삭 절삭공구에 TiN, TiAlN, Diamond,

DLC 등을 박막코팅 하여 내구성과 절삭성능을 향상

시키고 있다. 대부분의 소재 그 자체만으로는 물성의

†Corresponding author. E-mail : tgkim@pusan.ac.kr

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26 이지석·김동준·신동철·김태규

한계를 극복하기가 힘들기 때문에 표면에 박막증착과

같이 소재간의 물리적, 화학적 코팅공정을 통해 결점

을 보완한다. 습동부나 절삭가공에서 발생하는

Tribology 특성 즉, 두 소재 접촉부의 마찰계수와

마모량을 최적화하여 소재의 내구성을 향상시키고 작

용 에너지를 최소화 하는 연구가 끊임없이 이루어지

고 있다. 또한, Tribology 특성을 향상시키기 위한

표면제어(surface modification)의 다양한 기법들도

많이 연구되고 있다.

따라서 본 연구에서는 현재 산업분야에 많이 사용

하는 초경합금 소재에 RF-PECVD(radio frequency

plasma enhanced chemical vapor deposition)법으

로 DLC 박막을 증착하여 다이아몬드와 유사한 고경

도, 저 마찰 특성을 얻고자 하였다. 또한 극 초단

펄스 레이저(ultra femtosecond pulse laser)를 이

용하여 점(dot)과 선(line) 형상의 마이크로 패터닝을

DLC 박막 표면에 조사하여 엠보싱형의 패턴 가공을

제작하였다[4, 5]. 그리고 Ball on Disk 형식의 건

식 마모시험을 대기조건 상태에서 실시하였으며, 마

이크로 패턴의 밀도와 형태에 따른 마찰계수와 마모

특성 변화를 조사하고자 하였다.

2. 실 험 방 법

2.1 시험편 제작

본 연구에서 사용된 초경합금의 화학적 조성은

Table 1과 같고, 시험편의 형상 및 크기는 Fig. 1과

같이 제작하였다. 시험편 표면을 정밀 연마가공 후

DLC 박막을 1.5 μm 두께로 증착하고, 극 초단 펄스

레이저를 이용하여 점(dot)과 선(line) 형상의 엠보싱

(concave) 마이크로 패터닝 가공순서로 제작하였다.

2.2 실험 방법 및 조건

본 연구에서는 DLC 박막을 RF-CVD법을 이용하

여 초경합금 기판 상에 증착하였다. 초경합금 기판을

경면연마 한 후 알콜과 아세톤으로 각각 20분간 초

음파 세정을 실시하였다. DLC 증착을 위해서 시편

을 진공 챔버 홀더에 장착한 후 초기진공을 5×10−5

Torr로 배기하였고, 이후 파워 400 W, 진공 4×10−2

Torr에서 20분간 Ar 55 sccm으로 Plasma 30분간

에칭공정을 진행하였다. Ar Plasma 에칭공정이 끝난

후, 초경합금 기판과 DLC 박막간의 부착력을 증대

시키기 위해 Ti을 중간층(buffer layer)으로 증착하

였다. 이때, Ar 65 sccm, 압력 5×10−3 Torr로 유지

한 후 DC power 80 W를 인가하여 15분간 증착

하였다. 그 후 아세틸렌(C2H

2) 75 sccm, Ar 15

sccm을 주입하여 진공압력을 5×10−2 Torr로 유지하

여, RF power를 350 w로 인가하고 90분간 DLC

박막을 증착하였다. 이때 DLC 박막의 두께는

1.5 μm로 되도록 하였다.

Fig. 2는 DLC 박막의 부착력을 측정하는 방법으

로 scratch test를 실시한 결과이다. DLC 박막의

초기박리가 시작되는 Lc1은 8.72 N, DLC의 완전박

리가 일어난 Lc2는 25.39 N으로 측정되었다.

Fig. 3은 DLC 박막의 Raman Spectroscopy 결

과를 나타내고 있다. 이 결과에서 라만 Peak는 전

Table 1. Chemical composition of tungsten carbide specimen wt. (%)

W Co Ta Ti Nb C O N

bal. 7.5 2.70 1.8 0.4 6.24 0.5 0.09

Fig. 1. Geometry and size of tungsten carbide specimen.

Table 2. Buffer layer and DLC thin film depositionconditions using RFCVD

Buffer Layer (Ti) DLC

Working Pressure (Torr) 5×10−3 5×10−2

Flow gas (sccm) Ar (65)C

2H

2 (75),

Ar (15)

RF Power (W) 80 350

Deposition Time (min) 15 90

Film Thickness (µm) 0.1 1.5

Laser patterning된 DLC 박막의 Tribology 특성연구 27

형적인 DLC박막의 1350 cm−1 부근에 나타나는

disordered D peak, 1580 cm−1 부근에 나타나는

graphite like 성분을 나타내는 G Peak가 중첩되어

나타나는 비정질 DLC 이다.

그 후 공정으로 초경합금 기판상에 DLC 증착된

시편상에 Laser Patterning을 실시하였다. 극초단파

레이저(femtosecond laser)의 주파수를 1030 nm의

파장대로 가공하였으며, Pulse width는 300 fs로,

Repetition rate는 25 kHz, Scan speed는 1 m/s의

속도로 Dot과 Line 형태로 Patterning을 실시하였

다. Dot 형태의 Pattern은 한 자리에 레이저를 20

번 반복 주사하여 Patterning을 하였다. Line 형태

의 Pattern들은 1 m/s의 속도로 진행하며 Patter-

ning을 실시하였다. Laser patterning의 조건은 f-

theta telecentric lens(f=100 mm) 광학계를 사용하

였으며, Galvano Scanner(IntelliSCAN III, ScanLab)

를 이용하여 DLC 표면에 정밀 Patterning을 하였

다. Line pattern의 모양의 피치간격은 50 μm, Dot

pattern의 피치간격도 50 μm로 하였고, Patterning

깊이는 150 μm로 가공하였다. Fig. 4에 Pattern의

샘플 모식도를 나타내었다.

특히, Patterning시 레이저 가공이 시작되는 임계

값을 정확히 알아내는 것이 매우 중요하다. 임계 값

이란 인가되어지는 레이저의 펄스 에너지를 집중된

레이저빔의 면적으로 나눈 값으로 레이저빔의 진행시

빔 사이즈를 정확히 알아야 정밀 Pattern이 가능하

다[6]. 가공되어지는 Ablation의 내경과 외경을 측정

한 후 x축은 Fluence, 그리고 y축은 지름을 제곱한

값을 기준하여 표시하여 나타낸다. Semi log 값으로

환산한 그래프를 통하여 기울어지는 각은 la 사이즈

를 구할 수 있고, y축에서 0이 되는 Ablation된 지

름이 제로(0)가 되는 x절편 값을 통해 임계값을 구

해 낼 수 있다. 1030 nm 파장에서 DLC 박막의 가

공 임계값이 0.198 J/cm2로 측정 되었다. Fig. 5는

본 연구에서 사용한 DLC 박막의 Ablation에 따른

임계값을 측정한 그래프이다.

Fig. 6은 Ball on Disk 마모시험기에 시편을 장착

한 사진을 나타내고 있다. 초경합금 기판에 DLC 박

막을 증착하고 Laser Pattern 된 시편을 Fig. 6과

같이 완전한 수평을 유지되게 한 후 고정하였다. 마

모시험 조건은 하중 1N, 마모거리 5000 m, 마모속

도는 120 rpm, Wear track의 반경은 7 mm, 대기

상태에서 마모시험을 진행하였다. 이때 상대재료인

Ball은 φ3인 알루미나 볼 소재를 사용하였다.

Fig. 7은 Laser Patterning한 Dot 형 Pattern과

Fig. 2. Adhesion test of DLC thin film by scratch tester.

Fig. 3. Raman spectrum of DLC thin film.

Fig. 4. Schematics of non pattern (A) dot (B) and line (C) pattern with specimes.

28 이지석·김동준·신동철·김태규

Line 형 Pattern된 형상을 광학현미경으로 관찰한

결과를 나타내었다. Dot과 Line 형태의 Pattern에서

Pattern간의 피치는 50 um, Pattern 깊이는 150 um

동일하게 엠보싱 형상으로 제작하였다.

3. 시험결과 및 고찰

3.1 Nano Indentation

증착된 DLC 박막의 표면경도 시험기(CSM

(instrument, NHTXl)는 Nano Indentation tester

를 사용하여 측정하였다. 하중은 전자기적 방법 또는

정전기적 방법으로 측정되며, 압입깊이는 변위센서

(displacement sensor)가 사용된다. 초경합금 원재와

증착된 DLC 박막에 대해서 경도와 탄성계수를 측정

하였다. 비커스 경도시험(vickers hardness tester)

인덴터는 대면각 136°인 삼각뿔 형 팁을 사용하며,

작용하중을 압흔의 표면적으로 나누어 비커스경도 값

Fig. 6. Photo of specimen grip with rotating Jig.

Fig. 7. Optical microscope image (50×) of DLC surfacewith laser patterning.

Fig. 5. Single pulse ablation threshold of DLC thin filmin air, Semi logarithm plot of ablated diameters as afunction of the fluence at 300 fs, 1030 nm.

Fig. 8. Vickers hardness results of tungsten carbide andDLC specimen.

Laser patterning된 DLC 박막의 Tribology 특성연구 29

으로 나타낸다. Fig. 8은 Nano Indentation 시험에

의한 초경합금 기판과 DLC 박막표면의 비커스경도

값을 나타낸 결과이다. 초경합금 기판의 경도 값은

Hv2,540이고, 초경합금 기판 상에 증착된 DLC 박

막의 경도 값은 Hv4,338로 측정되어 표면경도가

1.7배 향상됨을 알 수 있었다.

3.2 마찰계수 및 마모부피 측정결과

마모시험에서 마찰계수와 마모량은 Ball on disk

마모시험기(CSM instruments, TRIBO-X)로 측정하

였다. 이 때 측정된 마찰계수 결과는 Fig. 9에 나타

내었다.

초경합금 기판의 평균마찰계수는 0.759, Non

Patterned DLC 박막은 0.141로 측정되었다. Dot

pattern DLC 박막에 대한 평균마찰계수는 0.093,

Line pattern DLC 박막의 평균마찰계수는 0.087로

측정되었으며, Line pattern DLC 박막이 가장 우

수한 마찰특성을 나타냄을 확인할 수 있었다. 시험결

과에서 알 수 있듯이 DLC 박막 표면의 마찰계수는

초경합금 기판보다 무려 81.4%나 작게 나타남을 확

인 할 수가 있었다. 이것은 DLC 박막이 마찰계수

향상에 큰 역할을 하며, 대기상태나 진공상태에서도

DLC 박막의 마찰계수 효과가 우수하다는 사실은 이

미 널리 알려져 있다. 또한 DLC 박막부에 Dot

pattern과 Line pattern 한 경우도 마찰계수가 초경

합금 기판보다 각각 87.7%와 88.5%의 감소하여

Pattering 한 경우의 마찰계수가 월등히 우수한 결과

를 나타냄을 확인 할 수 있었다. 또한, 이 결과는

Patterning 하지 않은 DLC 박막의 마찰계수 보다

더 우수한 결과를 나타내는데 참고문헌[7]에서 제시

한 결과와 같은 경향을 나타내고 있다. 하지만 이

결과는 패턴의 형상이나 크기 등에 따라 달라질 수

있을 것으로 판단된다.

한편, 마모시험을 실시하여 마찰계수와 동시에 마

모부피(마모량)를 측정하였다. 마모량의 계산법으로

는 마모 시 발생하는 마모분(debris)의 부피를 측정

하는 방법, 마모 전, 후의 시편의 무게 측정의 비교

법, 마모트랙부의 마모면적 측정법과 이론적 계산법

등이 있다. 최근에는 형상측정기의 발달로 마모트랙

부의 형상을 간단하게 측정하여 마모부피를 정확하게

측정할 수 있는 비교적 간단한 방법을 많이 사용한

다. 식 (1)은 Ball on disk 마모시험에서 이론적인

계산법으로 마모트랙부의 마모부피(마모량)를 계산하

는 식이다. 본 연구에서는 마모부피(마모량)를 G-99

테스트 방법의 일환인 형상측정기 프로파일로미터

(profilometer)를 이용하여 마모면적을 정확하게 측정

하고 마모거리를 곱하여 마모부피를 정확하게 계산하

였다[8, 9].

이론적 마모트랙부의 마모량 φ는 다음과 같다[10].

Track wear volume loss : Φ

1 (mm3)

Φ

1= 2πRA (1)

A = r2sin−1 (2)

여기서,

A : wear area (mm2)

R : wear track radius (mm)

a : wear track width (mm)

r : ball radius (mm)

마모부피를 계산하는 식 (1)은 마모된 트랙부 형상

이 원형으로 나타난 이상적인 마모에서는 성립될 수

는 있으나 wear track 마모형상이 Fig. 10, 11과

같이 원형이 아닌 불균일한 형상일 때는 식 (1)을

a

2r-----⎝ ⎠⎛ ⎞ a

4---⎝ ⎠⎛ ⎞ 4r

2

a2

--------

⎝ ⎠⎜ ⎟⎛ ⎞

1

2---

–

Fig. 9. Average friction coefficient of various typespecimens.

30 이지석·김동준·신동철·김태규

사용하여 계산하면 마모면적의 오차가 발생한다. 본

연구에서는 형상측정기 프로파일로미터를 이용하여

마모 폭(wear width), 마모 깊이(wear depth)을 정

밀측정하여 마모면적(wear area)을 계산하여 마모부

피 즉, 마모량을 계산하는 방법이다. Table 2는 형

상 측정기를 이용하여 마모면적(A)을 측정하고 식(1)

에 대입하여 마모부피 즉, 마모량을 계산하였다.

Fig. 10와 Fig. 11은 Dot pattern과 Line pattern

된 시편에 대해서 마모시험을 실시한 후 형상측정기

로 wear width, wear depth를 측정하고 시편의 마

모면적을 나타낸 것 이다. Dot pattern의 마모면적

은 16.8 μm2이며, Line pattern의 마모면적은 39.1

μm2, Non pattern DLC의 마모면적은 50.4 μm2,

초경합금의 마모면적은 79 μm2의 결과 값을 측정되

었으며, Fig. 12에 그 결과 값을 각각 나타내었다.

마모면적에서 초경합금 기판소재는 79 μm2이고,

DLC 코팅을 하면 50.4 μm2의 월등히 작은 마모면

적결과 값을 가지게 되는데 이것은 초경합금기판 보

다 DLC 박막의 경도가 월등히 향상된 결과에 기인

하는 것으로 판단된다. 또한, Dot patterning, Line

patterning한 DLC 박막의 마모면적은 각각

16.8 μm2, 39.1 μm2 값의 우수한 값으로 나타났고,

초경합금이나 Non pattern DLC 박막보다도 월등히

적은 마모면적을 나타냄을 알 수 있었다.

3.3 현미경 분석

DLC 코팅박막에 레이저 Patterning한 시편을 마

모시험한 후 마모트랙 부분을 광학 현미경을 통하여

분석하였다. Fig. 13은 Dot pattern DLC 박막에

대해서 Ball wear에 의한 Wear track을 광학현미경

Fig. 10. Wear area results of dot pattern DLC film by aprofilometer.

Fig. 11. Wear area results of line pattern DLC film by aprofilometer.

Fig. 12. Wear volume of various type specimens.

Table 3. Measured value Wear width and Wear depth

Dotted pattern

Linepattern

Non Pattern DLC

WC

Friction coefficient (µ)

0.093 0.087 0.141 0.759

Wear width (mm)

0.1013 0.1190 0.1656 0.2437

Wear depth (nm)

622.81 747.68 656.69 411.15

Wear area(µm2)

16.80.0000

16839.1 50.4 79

Wear volume loss (mm³)

0.783 1.719 2.216 3.474

Laser patterning된 DLC 박막의 Tribology 특성연구 31

이미지를 통하여 있다. Fig. 14는 Line pattern

DLC 박막에 대해서 패턴위로 Ball wear에 의해서

발생한 Wear track을 광학현미경으로 관찰하였다.

이 결과 dot pattern이 Line pattern보다 마모가

훨씬 적게 일어남을 알 수 있었다. 이는 Wear area

나 wear volume의 결과와 같은 결과 값이다.

4. 결 론

초경합금 소재는 산업분야의 절삭, 금형가공 공구,

광산공구, 성형공구 및 정밀기계 부품 등에 많이 쓰

이는 소재이다. 이 소재에 표면경도와 마찰계수 특성

이 우수한 DLC 박막 코팅을 실시하였다. 또한,

DLC 박막 표면에 극초단파 레이저를 이용하여 dot

과 line의 두 가지 형상의 Pattern 가공을 실시하고

마모시험을 실시하여 Tribology 특성을 조사하였다.

이상의 결과에서 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 초경합금 소재의 표면에 고경도 저 마찰 특성이

우수한 DLC코팅을 실시하여 마모시험한 결과 DLC

코팅 시편의 마찰계수가 월등하게 낮아지는 것을 확인

할 수 있었고, 경도도 1.7배 향상됨을 알 수 있었다.

2. 레이저를 이용하여 Dot Pattern간의 피치를

50 um로 pattering 가공하여 마모시험을 진행 하였

다. 시험 결과 Dot pattern의 마찰계수 값이 0.093,

Patterning을 하지 않은 DLC의 마찰 계수 값은

0.141로 나타났다. 이는 Dot 형태의 Pattern이 마찰

계수가 향상시키는 요인으로 판단된다.

3. DLC 표면에 Line Patterning하고, 마모시험을

진행한 시험결과 마찰계수 값이 0.087로, Dot

pattern 결과 보다 더 낮은 마찰계수가 나타남을 확

인 할 수 있었다. 이는 피치나 pattern의 형상이 마

찰계수를 낮아지게 하는 요인으로 판단되고

Patterning으로 인한 표면 접촉 면적이 감소하여 마

찰계수가 낮아지는 것으로 판단된다.

4. 따라서 산업에 주로 사용되는 부품 중 저 마찰,

고경도 특성을 요구하는 부품에 DLC코팅을 적용하

고 최적 형상의 Pattern을 설계하고 가공한다면 습

동부의 마찰계수를 최소화하여 부품의 내구수명 향상

과 에너지효율을 올릴 수 있을 것으로 판단된다.

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