연구과제 / Research projects

• 자장여과아크소스 (FCVA)를 이용한 무수소 고경도 DLC 코팅 공정기술

• 기술개요

 ● 본 개발 기술은 수송기기의 연비 절감과 CO2 감소를 위한 에너지 세이빙 (Energy Saving)에 관련된 트라이볼로지 코팅공정 및 공정장치에 관한 것으로, 특히 자동차 엔진 부품으로의 적용을 위한 공정 및 양산 장치 기술을 산업체에 이전하여 국산화 하는 내용임

 ● 수상실적 : 재료연 세계1등기술상 (2018), 과학기술훈장 웅비장(2017.12)

 ● 주요기술실적 : 무수소 DLC 후막 코팅용 양산 장비 개발 및 이의 기술이전

   - 양산장비의 국산화 및 수입 대체 (수입 장비 : 30억원/1대)

   - 자동차 부품용 대면적 ta-C 후막 증착 장비 기술 (2억원)

   - 무수소 DLC 후막 코팅 공정기술 및 자동차 부품생산업체 기술이전 (10억원)

• 주요내용 및 우수성

 ● 고체 카본 타겟을 활용한 진공아크 방식의 무수소 DLC (Diamond-like Carbon) 코팅 기술은 일반적인 탄화수소가스를 사용하여 합성하는 DLC (a-C:H, 비정질 상 다이아몬드 카본)와는 다르게 코팅 막의 경도가 높아 증착 시 높은 고유 응력으로 인해 후막화 (1 μm 이상) 하는데 어려움이 있어, 선진국에서조차 산업적 적용이 제한적임

 ● 무수소 DLC는 고상의 흑연 타겟을 사용함으로써, 경도는 다이아몬드의 60 ~ 90 %, 건식 마찰계수는 0.1 이하, 막의 경도는 천연 다이아몬드의 70%를 가지는 우수한 내구성 무수소 DLC 코팅 막을 증착 할 수 있음

 ● 본 기술은 무수소 DLC 막 후막화 (실험실적 20 μm, 준양산 기술적용 7 μm)에 성공하여 무수소 코팅 공정기술을 자동차 엔진 부품에 적용하는 기술이전을 하여 양산공정 수립중임

(*기술적 난이도 : HF-DLC 후막제작기술은 독일, 싱가포르 2개국 뿐이며 2016년 대한민국 재료연구소에서 최초문헌발표를 실시함)

• 선형 양극층이온원 개발 (Linear Anode Layer Ion Source, ALIS)

• 기술소개

 ● 기술 소개 및 선형이온소스 개발 내용

   - 본 기술은 1.5 m 이상 광폭 In-Line & Roll-to-Roll 표면처리용 선형이온빔 인출장치 개발의 목적

   - 선형이온소스는 가스를 플라즈마 형태로 이온화 시켜 높은 에너지의 이온을 인출 시키는 장치로 소재의 표면의 다양한 기능성 부여

   - 기존 이온원 구조 기반으로 생성되는 플라즈마 발생량 증가를 위한 전장 구조 설계 및 균일도 개선을 위한 가스부 개선

 ● 이온빔 장치로 제품·소재 표면 이물질 제거

   - HF-DLC 코팅의 세정용 핵심 기술 (표면 이물 제거)

   - 플라즈마 발생 최대화를 위한 효율적 전기장 구조 설계

   - 기존 선형이온소스 대비 인출빔 특성 2.3배 성능 우수

   - 장시간 사용 안정성 확보 및 손쉬운 유지보수 특성

   - 중소기업 기술 이전을 통한 매출 증대

 ● 주요 개발 실적

   - 1.5 m 급 선형이온소스 제작 기술 확보 및 초기 선형이온소스 대비 2.3배 이상 성능 향상 및 ± 6.0 % 이내의 균일도 확보

   - 광폭 선형이온소스 고속, 무손상 표면처리 공정을 통해 장시간 (>50 Hr) 이상 안정적으로 인출하여 생산 현장에서 활용하고 있음

• 기술개발 성과 및 파급 효과

 ● 본 기술을 통해 기술이전 5건 7천 8백만원 기술료 수익 및 국내 특허 7건, 국제 특허 3건 확보

 ● Plastic 외장재 코팅  전처리(Ar+O2 Plasma처리)용도, 해외 수출 12대 /17.5억원 매출 확보 (삼성전자)

 ● 해외 프리미엄 생활가전 외관 Black 코팅 및 스크래치 방지용 코팅 목적으로 총 14.9억원 매출액 발생

 ● 자동차, 식료품포장제 가전제품, 바이오산업에 표면처리를 위한  공정 핵심 기술  (HF-DLC 완성 기반)

 ● 국내 표면처리 관련 연구 인력확보 및 관련 기술의 해외수출을 통한 기술 경쟁력 확보

• 자동차 부품상 내구성 향상을 위한 DLC 코팅 기술

• 기술개요 (기술특허 : 제 10-2016-0079406)

 ● 경도 30 GPa 이상 무수소 DLC 후막화 코팅 기술 및 준양산 장비기술

 ● 연비향상 규제에 따른 에너지 손실 저감 기술개발 및 엔진오일과 반응성이 적고 고온 안정성이 우수한 표면 코팅 개발 요구됨

 ● 무수소 카본 후막 (3 μm 이상 ) 코팅이 차세대 고효율 엔진 핵심 기술로 급부상하여 현재 완성차 적용 시도 중

• 주요내용 및 우수성

 ● 내구성 및 저마찰 특성을 가지는 대면적 무수소 DLC (ta-C) 후막 코팅 기술

  - 내열온도 550 ℃, 경도 20 ~ 85 GPa 범위를 가지는 Hydrogen-free DLC 

 ● 대면적 Tribology 코팅 공정 장치 기술개발 :
  - 선형이온소스, UBM 스퍼터, 자장여과아크 소스의 융복합 시스템 기술 

 ● 코팅폭 400 mm의 준양산 시스템 개발 기술 : 균일도 10 % 이내

 ● 아크 방전 안정성 확보를 통한 장시간 코팅 기술

 ● HF-DLC 코팅 공정 내구성 강화를 위한 코팅막 설계 기술

• 시장성 및 사업성

 ● 기술적 가치 : 산업화 적용 가능 HF-DLC 후막 코팅 개발 (기술이전 10억원)

  - 기존 CVD 공정으로 제작된 수소를 포함한 DLC (경도 20 GPa 이하, 산화온도 350℃) 대비 무수소 DLC는 고경도, 고온 내열성 (30 Gpa 이상, 산화온도 500 ℃)을 가짐에 따라, 고온 및 가혹한 산업환경에 적용 가능함

 ● 인프라 가치 : HF-DLC 코팅장비의 국산화 및 기술이전 (기술이전 2억원)

   - 코팅 장비의 국산화로 고가의 해외 코팅장비 (30억 이상)에 의존하는 국내코팅 시장의 신진 중소기업의 시장진입장벽 완화 및 해외시장 경쟁력 확보

 ● 사회 & 경제적 가치 : 무수소 DLC 코팅 막과 같은 기술은 energy saving기술로써, 수송분야 30%, 산업전분야 20 % 및 에너지 소비 15% 절감가능
  - 국내 자동차 부품의 DLC 코팅시장 규모는 약 630억원, 국내 전체 DLC 코팅 시장의 90%에 해당됨

  - 본 기술 개발을 통해 DLC (a-C:H, a-C) 코팅을 무수소 DLC 코팅으로 대체시 국내에서만 약 400억원의 시장 형성 예상됨

• 비철 및 복합소재 가공용 공구의 수명향상을 위한 고경도 이형막 ​코팅 기술

• 기술개요

 ● 절삭 환경 변화와 복잡한 형상, 난삭재, 경량화, 고효율 관점

   - 고경도 저마멸 특성은 만족하나, 마찰, 융착 등 기능적 특성 보완 필요 

   - 공구 마멸 메커니즘에 따른 세분화 된 코팅 막 적용 필요 

• 주요내용 및 우수성

 ● 국내 절삭공구분야 산업계 니즈 대응:
     난삭재 가공용 고효율 첨단절삭공구 제조기술 확보 진행 중

(1) 국외 상용공구 대비 KIMS 카본 막의 절삭능력 동등수준 확보
 (2) First Mover로서의 기술력 확보 (공구 제조공정 전반)

 ●표면처리 기술 실용화를 위한 검증방안 확보
   실제 환경 고려한 실험 방법론 전개

(1) 공구 마멸유형 파악 및 내열합금용 공구성능 검증 접근법 탐색

 ● 비철금속, 복합재료, Graphite 가공용 절삭공구상 준양산 코팅 장비 기술         (고속증착, 대면적화)

 ● CVD 다이아몬드 공구 대비 동등 또는 우수한 절삭공구 제조를 위한                 DLC(ta-C) 박막 및 후막화 공정기술

 ● 사용환경 가혹화에 따른 내열, 저마찰 및 내구성 특성 확보기술

• 시장성 및 사업성

 ● 비철 가공용 공구 시장 연평균 성장률 6.7 %

   - ta-C 공구 적용 시 15.9 %($2.3MM) 대체 시장 생성

 ● 기대 효과

   - 현재 수소 없는 DLC(ta-C) coating에 대한 기술 선도

   - 비철 및 복합소재 공구 코팅 분야 신규 시장 개척

 ● 활용 분야: 비철  및 복합소재 가공용 공구의 이형성 코팅 기술

• 반도체 패키지 및 검사용 probe상 전도성 내마모 코팅 기술

• 기술개요 (기술특허 : 제 10-1825095)

 ● 반도체 Package  및 검사용 probe용 전도성 및 내구성 코팅 기술

 ● 사용하는 모재에 금속 또는 질소 (Nitrogen)가 도핑된 다이아몬드 상 카본 막 (ta-C:Me or ta-C:Nx)을 코팅하여 기존 사용 재료인 Au 보다높은 내마모성과, 반도체 package 접합물질인 Sn과의 이형성 증대를 통해 사용수명 향상을 위한 코팅 장비 및 제조공정 기술

• 주요내용 및 우수성

 ● 기존 사용중인 금속(Au, Ni) 소재 대체 및 탄소코팅을 활용한 전도성 및 내구성 향상 기술

 ● 사용자 맞춤형 전도성 및 고내구성 탄소막 코팅 (경도 20 GPa ~ 40 GPa)

 ● 전기 전도성 제어 기술 (전기저항 : ~ 10 Ω/□)

 ● 사용자 맞춤형 전기 전도성을 포함하는 고내구성 탄소막 제작용 준양산 장비제작 기술

• 시장성 및 사업성

 ● 기대 효과

   - 기존 접촉식 전기 전도막 대체 가능성 확인을 통한 신규 시장 가능성 확인

   - 고경도/전기 전도성 DLC막의 응용분야 확장

 ● 활용 분야

   - 전기적 + 기계적 특성이 요구되는 부품 분야 적용

   : 반도체 probe 및 측정장비의 tip