전자빔 조사를 통한 폴리카보네이트 표면 개질 및 TiN 박막과의 접착력 증대에 관한 연구

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대부분의 폴리머가 갖고 있는 표면 특성, 즉 낮은 표면 에너지로 인하여 친수성, 결정성, 전도성, 높은 cross-linking 밀도, 적당한 거칠기 등의 표면 성질을 갖추지 못하고 있어 이종 물질간의 접착력이 현저하게 떨어진다. 또한 친환경 그린카, 저탄소, 녹색 성장을 추구하는 자동차 트랜드와 자동차 내장 부품의 고급화 정책에 따른 친환경 Green Steering wheel 제조 기술에 대한 수요가 급증하였다. 따라서 폴리머 벌크의 좋은 물리화학적 특성과 값이 싼 특징을 이용하면서 위의 문제점을 해결할 필요성이 증대하였다.
이에 따라 본 연구에서는 전자빔 조사 처리 후 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 표면을 개질하여 RF 마그네트론 스퍼터를 이용하여 TiN 박막을 코팅함으로써 개질된 PC 표면의 접촉각, 표면 형상, TiN 층의 박리 현상, TiN 층의 색상 구현에 관해 연구 하였다.
챔버 내에 전자빔 건과 스퍼터 건을 동시에 설치하여 PC 기판을 장입한 후 기판 표면에 전자빔 방전전력을 300 W와 400 W에서 전자가속전극에 바이어스를 각각 300 eV, 450 eV, 900 eV 인가하였다. 또한 플라즈마 생성 가스인 아르곤과 산소의 분압 비율을 각각 0%, 20%, 40% 변화시켜 개질된 표면을 제작하였다. 제작된 기판 표면의 거칠기를 3차원 표면측정기를 통해 측정하였고, 친수성을 알아보기 위해 증류수를 이용한 sessile-drop 시스템으로 표면접촉각을 측정하였다. 개질된 PC 표면 위에 아르곤과 질소의 분압 비율을 각각 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50% 변화시켜 TiN 박막을 증착시켰다. TiN 박막과의 박리현상 및 접착력을 알아보기 위해서 ASTM-D3359 규격에 의한 스카치테이프법을 이용하여 분석하였다.
분석 결과 400 W의 방전전력에서 개질된 PC 기판의 접촉각이 더욱 감소함을 보였고, 전자가속전극에 인가된 바이어스가 900 eV일 때 최소 접촉각(50°)이 측정되었다. RF 방전전력이 증가함에 따라 전자밀도가 증가하여 개질 효과가 향상됨을 알 수 있다. 또한 최적화된 전자빔 개질 공정(400 W - 900 eV)중에 4sccm의 산소가스가 첨가되면 접촉각이 최저치인 35°로 감소하는 경향을 보였다. 산소 분압에 따른 전자빔 조사 조건에서 산소 기체의 함량이 지나치게 높아지면 상대적으로 아르곤 이온 비율이 축소되어 산소 극성 작용기를 만드는 활성 반응 종들의 거동을 오히려 위축시키는 것을 확인할 수 있었다. 또한 반정전력 300 W와 400 W에서 동일 가속에너지 변화를 주어 심험하였을 때 방전전력의 변화에 의한 접촉각 감소율보다 가속에너지의 변화에 의한 접촉각의 감소율이 높은 것으로 나타났다. 표면 개질 전에는 접촉각이 90° 이상이었으나, 최적공정(400 W, 900 eV)으로 처리 하였을 때 접촉각이 50°로 44%의 감소율을 보였고 4sccm의 산소가스를 주입할 경우 접촉각 50°에서 35°로 감소하여 28%의 감소율을 보였다. 따라서 산소가스 주입에 의한 표면처리 효과보다 전자빔 조사에 의한 표면개질 효과가 더 높은 것을 알 수 있다.
개질된 PC 기판 표면의 거칠기를 3차원 표면조도기를 이용하여 측정한 결과 최적공정(400 W, 900 eV)에서 32.5 ㎚의 표면 거칠기 값을 보임으로써 가장 거칠어 진 것을 알 수 있었다. 그리고 개질된 PC 기판과 그 위에 증착된 TiN 박막과의 접착력을 스카치테이프법(ASTM D3359)으로 측정한 결과 최적공정(400 W, 900 eV)에서 개질된 기판에 증착 된 박막의 밀착력이 가장 높은 것(3% 박리)으로 나타났다. 최적공정(400 W, 900 eV)에서 개질되어 가장 거친 표면을 가진 PC 기판에 증착된 TiN 박막의 접착력이 가장 우수한 결과를 보임으로서 거칠어진 기판의 젖음성(wetting)이 증가하여 접착력이 향상된 것으로 추측된다.
RF 마그네트론 스퍼터링에 의하여 증착된 TiN 박막의 색상은 아르곤과 질소 분압에 따른 밴드갭 에너지(Eg)가 변화하고 그에 따라 색상의 변화가 있음을 확인하였다. 밴드갭 에너지가 높을수록 밝은 색상을 나타내었고 밴드갭 에너지가 낮을수록 어두운 색상을 보였다. 아르곤과 질소 분압 조건 0.34 ㎩과 0.36 ㎩에서 금색과 청색의 색상을 얻을 수 있었다. 또한 표면 경도 측정 결과 열처리한 정도의 경도 값(18㎬)을 보였다. 이것은 최적의 전자-빔 조사 조건(450 W, 900 eV)에 의해 후처리된 TiN 박막은 조사 전인 상온에서는 비정질이였으나 조사 후 결정질로 변화하였으며, SEM 분석 결과 결정립의 크기가 현저하게 커진 것으로 보아 전자-빔에 의한 열처리가 되었으며 그로 인해 결정립이 성장하고 박막의 경도가 증가한 것으로 확인된다.