자장여과 아크 증착(FCVA) 기술

FCVA란?

자장여과 아크 증착(Filtered Cathodic Vacuum Arc, FCVA)은 진공 중에서 cathodic arc를 이용하여 고이온화율의 플라즈마를 발생시키고, 자기장 필터를 이용하여 거대입자(macroparticle)를 제거한 후 기판에 고에너지 이온을 증착하는 물리기상증착(PVD) 기술입니다.

특히 graphite cathode를 사용하면 탄화수소 전구체 없이 탄소 플라즈마를 생성할 수 있어 수소를 거의 포함하지 않는 고밀도 ta-C(tetrahedral amorphous carbon) 코팅을 제조하는 대표적인 방법 중 하나입니다.

KIMS DLC·트라이볼로지 코팅 연구실은 FCVA를 핵심 탄소 코팅 플랫폼으로 활용하여 ta-C의 후막화, 대면적화, 결함제어, 도핑 및 산업적 응용을 연구하고 있습니다.

Cathodic Arc와 탄소 플라즈마

FCVA 공정에서는 진공 중 graphite cathode 표면에 고전류·저전압의 arc discharge를 발생시켜 국부적인 cathode spot을 형성합니다.

Cathode spot에서는 매우 높은 에너지 밀도로 인해 cathode 물질이 순간적으로 증발·이온화되면서 고밀도의 탄소 이온 플라즈마가 생성됩니다.

높은 이온화율은 substrate bias 등을 이용하여 기판에 도달하는 탄소 이온의 에너지를 제어할 수 있게 하며, 이는 ta-C의 밀도와 sp²/sp³ 결합구조 및 잔류응력에 영향을 주는 중요한 공정변수가 됩니다.

왜 Magnetic Filter가 필요한가?

Cathodic arc는 고밀도 플라즈마를 생성할 수 있다는 장점이 있지만 cathode spot에서 droplet 및 macroparticle이 함께 방출될 수 있습니다.

이 입자들이 코팅에 도달하면 표면에 spike나 droplet 등의 결함을 형성하고, 경우에 따라 pore와 같은 결함으로 이어져 표면조도와 마찰·마모 특성을 악화시킬 수 있습니다.

실제로 KIMS의 ta-C 연구에서도 이러한 표면결함이 상대재와 transfer layer 형성 및 마찰거동에 영향을 미치는 것으로 확인됐습니다.

FCVA에서는 굽힘형 자기장 필터(magnetic filter)를 사용하여 전하를 가진 plasma species는 자기장을 따라 이동시키는 반면, 상대적으로 큰 중성 macroparticle의 기판 도달을 억제합니다.

이 때문에 conventional cathodic arc보다 평활하고 결함이 적은 고품질 ta-C 코팅을 제조할 수 있습니다.

FCVA를 이용한 ta-C 증착

FCVA의 대표적인 응용은 고 sp³ 분율의 ta-C 코팅 제조입니다.

고이온화 탄소 플라즈마와 이온에너지 제어를 통해 높은 경도와 우수한 내마모성을 갖는 고밀도 탄소막을 형성할 수 있으며, KIMS의 FCVA 시스템은 80 ℃ 이하의 비교적 낮은 공정온도에서도 ta-C 증착이 가능하도록 구성되어 있습니다.

따라서 열에 민감한 소재를 포함하여 다양한 기판으로 적용범위를 확장할 수 있습니다.

대면적·준양산 FCVA

KIMS의 FCVA 연구는 소형 coupon 수준에 한정되지 않고 대면적 및 산업용 부품 증착으로 확장되어 있습니다.

연구실에서는 선형이온소스, UBMS 및 FCVA를 결합한 시스템을 이용하여 400 mm급 코팅폭과 10% 이내 균일도를 목표로 하는 준양산 기술을 개발했으며, 관련 자동차 부품용 대면적 ta-C 후막 증착 기술을 산업체에 이전했습니다.

학술적으로도 400 mm급 및 500 mm급 mass-production-scale FCVA system과 대면적 코팅에 관한 연구를 발표해 왔습니다.

후막 ta-C 증착

FCVA ta-C의 산업적 적용에서 중요한 기술적 과제 중 하나는 후막화입니다.

고 sp³ ta-C는 높은 경도와 함께 큰 압축 잔류응력을 가질 수 있기 때문에 두께가 증가하면 박리 위험도 증가합니다.

KIMS에서는 공정조건·계면·다층구조 등을 제어하여 FCVA 기반 무수소 DLC의 후막화를 연구해 왔으며, 공개된 기술성과 기준으로 실험실 수준 최대 50 μm, 준양산 수준 7 μm의 후막 코팅을 구현했습니다.

주요 응용분야

자동차 및 수송기기
저마찰·고내마모 엔진 및 동력전달 부품

절삭공구
비철금속, graphite 및 CFRP/복합소재 가공공구

반도체
전도성·내마모 doped ta-C probe coating

광학 및 센서
표면보호 및 기능성 탄소막

극한환경
극저온·진공·부식 및 우주환경용 tribological coating