Special 고기능성 코팅소재 개발 및 공정기술 동향(1)
광학 금형 및 적외선 광학 윈도우 DLC 내구성 코팅 기술

인정환_한국광기술원 광학렌즈연구센터 센터원
김선훈_한국광기술원 광학렌즈연구센터 센터장

1. 서 론
DLC(Diamond-like carbon) 코팅은 비정질 탄소 재료의 코팅으로 높은 기계적 강도와 내화학적 특성 등을 가지고 있어서, 여러 기계부품의 내마모 코팅에서부터 생체 재료의 기능성 보호코팅에 이르기 까지 폭넓게 사용되고 있다. 최근에는 환경문제에 대응하기 위해서 낮은 마찰계수를 갖는 DLC 코팅을 저연비용 자동차엔진과 과열 방지를 위한 구동 부품 및 펌프 부품 등에 사용하고 있다. 또한 광학분야에서도 DLC 박막의 낮은 마찰계수에 의한 윤활성과 고경도의 물리적 특성, 우수한 화학적 안정성으로 인하여, 광학렌즈를 성형하기 위한 몰드 금형뿐만 아니라 광학렌즈 및 윈도우의 내구성 향상을 위한 코팅으로 활용되고 있다. 따라서 본 글에서는 DLC 코팅 기술과 함께 광학 금형과 적외선 광학 윈도우에 대한 DLC 코팅의 응용 사례를 소개하고자 한다.

2. DLC 코팅 기술
탄소사이의 결합구조는 그림 1에서 보는 바와 같이 공유결합 전자의 오비탈 구조에 따라 sp2와 sp3 구조가 있는데, sp2로 결합된 대표적인 탄소 물질이 흑연이고 sp3로 결합된 대표적인 탄소물질이 다이아몬드이다. DLC 코팅은 코팅 방식 및 공정변수에 따라 매우 넓은 범위로 sp2 및 sp3의 결합 분율과 수소의 함유량 조절이 가능하며, 그에 따라 DLC 코팅의 특성이 크게 변화하게 된다. DLC 박막은 상당한 양의 sp3 유형의 탄소 결합을 함유하여 다이아몬드와 어느 정도 유사한 물리적 및 기계적 특성을 제공한다.

그림 1. 다이아몬드 구조와 흑연 구조의 탄소 결합 구조.

그림 2는 DLC의 종류를 결합구조와 수소의 함량에 따라 삼각 도표로 나타낸 것이다[1]. 수소의 함량을 기준으로 상당히 많은 수소 함량의 경우 메탄이나 벤젠 등의 탄화수소 화합물로 No films으로 표시되는 영역이고, 그 보다 수소 함량이 적어질수록 폴리머 영역과 비정질 카본 영역으로 분류된다. 수소가 매우 적게 함유된(진공 공정에서 잔류 수소로 인하여 수소가 의도하지 않게 함유되는 경우가 많음) 코팅 중에서 sp3 결합구조가 많은 DLC 코팅은 ta-C(tetrahedral amorphous carbon) 코팅이라고 부른다.

그림 2. 탄소의 sp3 결합 분율과 수소(H) 함량에 따른 DLC 코팅의 분류.

탄소의 sp3 결합 분율에 따른 DLC 코팅의 경도 특성을 개략적으로 표시한 것이 그림 3의 그래프이다[2]. 표시된 경도값은 약간 과장된 부분이 있으나 대략적인 경향은 실제와 일치한다. DLC 코팅 중에서 가장 경도가 높은 것이 ta-C 코팅이고, 그 다음이 ta-C:H, a-C:H 순이다.

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