ta-C 코팅 (Tetrahedral Amorphous Carbon)

ta-C란?

ta-C(tetrahedral amorphous carbon, 사면체 비정질 탄소)는 수소를 거의 포함하지 않는 다이아몬드상 탄소(Diamond-Like Carbon, DLC)의 한 종류로, 높은 비율의 sp³ 탄소 결합을 갖는 고밀도 비정질 탄소 코팅입니다.

일반적인 수소화 DLC(a-C:H)와 달리 고체 탄소원을 이용한 고에너지 탄소 플라즈마를 통해 증착할 수 있으며, 높은 경도와 우수한 내마모성, 낮은 마찰 특성 때문에 기계부품·자동차·절삭공구·반도체 등 다양한 분야의 보호 코팅으로 연구되고 있습니다.

한국재료연구원(KIMS) DLC·트라이볼로지 코팅 연구실에서는 자장여과 아크 증착(Filtered Cathodic Vacuum Arc, FCVA) 기술을 중심으로 ta-C의 구조·결함·잔류응력·계면·도핑 및 마찰·마모 특성을 제어하는 연구를 수행하고 있습니다. 실제 연구실 FCVA 시스템은 고이온화율 아크 플라즈마를 이용한 고밀도 ta-C 증착을 목적으로 구축되어 있습니다.

ta-C의 구조와 특징

ta-C의 특성은 비정질 탄소 네트워크 내부의 sp² 및 sp³ 결합구조와 밀접하게 관련되어 있습니다.

높은 sp³ 결합 분율은 일반적으로 높은 경도와 탄성계수, 우수한 내마모성을 구현하는 데 유리하지만, 동시에 높은 압축 잔류응력을 발생시켜 코팅의 두께와 접착력을 제한할 수 있습니다.

따라서 실제 ta-C의 산업적 활용에서는 단순히 sp³ 분율이나 경도를 높이는 것보다, sp²/sp³ 결합구조, 잔류응력, 표면결함, 계면 접착력, 코팅 두께, 도핑원소, 상대재와의 tribochemical interaction 을 사용환경에 맞게 종합적으로 제어하는 것이 중요합니다.

후막 ta-C 코팅

고경도 ta-C는 높은 고유응력 때문에 일반적으로 후막화가 쉽지 않습니다.

KIMS에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 FCVA 기반 무수소 DLC 및 ta-C 후막 증착 기술을 지속적으로 개발해 왔습니다.

연구실 홈페이지에 공개된 기술성과 기준으로 실험실 수준에서 최대 50 μm, 준양산 기술에서 7 μm 수준의 무수소 DLC 후막화를 구현했으며, 자동차 부품을 대상으로 한 대면적 ta-C 후막 증착 및 관련 기술이전도 수행했습니다.

또한 실제 연구를 통해 ta-C의 spike, droplet, pore와 같은 표면결함이 상대재의 마모와 transfer layer 형성, 마찰거동에 영향을 미치는 것을 규명하는 등 단순 후막화뿐 아니라 표면결함과 tribology 사이의 관계도 연구하고 있습니다.

주요 응용분야

자동차 및 동력전달 부품
저마찰·고내마모 ta-C를 이용한 에너지 손실 및 부품 마모 저감

절삭공구
비철금속·CFRP·복합소재 가공용 고경도·저융착 코팅

반도체 Probe
전기전도성과 내마모성을 동시에 요구하는 접촉부용 doped ta-C

광학부품
연질 광학소재의 표면보호 및 내마모성 향상

극한환경 기계부품
진공·극저온·우주환경에서의 고내구성 고체윤활 코팅

실제로 KIMS에서는 자동차용 대면적 ta-C, CFRP 가공공구, 반도체 probe 등으로 ta-C 기술을 확장해 왔습니다.