1. 다이아몬드상 카본필름
한국과학기술연구원
이 광 렬

2. 탄소, Carbon, 炭素
다이아몬드 흑연
석탄, 숯

3. Carbon Atomic Bond Structure

5. What is DLC ? Amorphous Solid Carbon Film
Mixture of sp1, sp2 and sp3 Hybridized Bonds
High Content of Hydrogen (20-60%)
Synonyms
Diamond-like Carbon
(Hydrogenated) amorphous carbon (a-C:H)
i-Carbon
Tetrahedral Amorphous Carbon

6. TAC
sp2 H
sp3
DAC
PAC
TAC:H
GAC
No film

7. a-C:H
ta-C

8. Properties of Solid Carbon
Property
Diamond
DLC
Graphite
Density (g/cm3)
3.51
1.8 – 3.6
2.26
Atomic Number Density (Mole/cm3)
0.3
0.2 – 0.3
0.2
Hardness (Kgf/mm2)
<500
Friction Coeff.
0.05
0.03 – 0.2
Refractive Index
2.42
1.8 – 2.6
2.15 – 1.8
Transparency
UV-VIS-IR
VIS-IR
Opaque
Resistivity (Wcm)
>1016
0.2 – 0.4

9. Structure and Mechanical Properties
Hardness
3-D interlink of the atomic bond network
Residual Stress
Distortion of bond angle and length
Both are dependent on the degree of 3-D interlinks.
2-D Analogy of the Structure

10. Electronic Structure p state has strong tendency of clustering.
Two phase model was suggested
p bonded clusters : Electric properties
sp3 Interlinks : Mechanical properties
Electronic structure depends mainly on p states, because the states are located near Fermi level.
Eg (optical gap) depends on the degree of clustering of the p state.

11. Electrical Properties
Conduction Mechanism
Discontinuous hopping between localized states distributed in the mobility gap either near a conduction band edge or near Fermi energy. (Hopping Mechanism)
Mixture of Crystalline and Amorphous Phases
Mixture in Conduction Mechanism

12. Structure and Electrical Properties
Graphitic bonds  localized conduction state
Overlap of the localized state  metallic conduction
Higher hydrogen  higher resistivity
By reducing dangling bond, i.e. localized conduction state

13. Historical Survey
1972
Aisenberg and Chabot : Arc Ion Beam
1979
Holland and Ohja : PACVD
1984
Mori and Namba : Ion Plating
1986
Savvides : Sputtering
1992
Collins et al : Laser Ablation
Filtered Vacuum Arc

14. Deposition Methods Ion Source Energy Cold Substrate Impact Energy (eV)1 10
100
1000
Amorphous
Carbon
(sp2)
Dense
Source
Hydrocarbon
Hydro-
Polymer
Like
Plasma
Polymers
Ion Source
Energy
Cold Substrate

15. Energy Dependence of DLC

16. Ion Energy Distribution
이 표는 현재 코팅 공정에서 사용되고 있는 각각의 소스들에서 발생되는 이온의 에너지 분포를 나타낸 것입니다. 일반적으로 CVD나 전자빔 증발법에서 발생되는 이온의 에너지는 거의 열에너지 정도인 0.1eV를 넘지 못합니다. 그리고 이온빔이나 마그네트론 을 이용한 스팟트링에서도 발생되는 이온의 에너지는 수 eV를 넘지 못합니다.
하지만 본 실험에서 사용된 FVAS는 수십 eV 범위의 에너지를 가진 이온들을 생성할 수 있읍니다.
특히 아크 증발법에서 발생되는 증발 물질은 90% 이상의 이온화률을 가지고 있으며, 특히 자장 여과 장치를 이용하면 거의 99%의 이온을 모재까지 수송할 수 있읍니다.
PACVD

17. Examples of Deposition Methods
다음은 Si 함유 DLC 필름을 증착하는데 사용한 장비의 간략한 모식도와 증착조건 입니다 MHz를 사용한 R.F PACVD법을 사용하였고 Source Gas로는 벤젠과 수소로 희석된 Silane개스를 혼합하여 사용하였습니다.
증착압력은 10mtorr로 하였고, 바이어스 volatage는 -400V를 가하였습니다. 필름내 Si의 함량을 조절하기 위하여 혼합개스 내의 Silane개스의 함량을 0에서 90%로 변화시켜 가면 증착을 하였습니다.
기판은 Si(100)웨이퍼를 사용하였고, 필름의 두께는 1 micro meter로 증착하였습니다.
Si함량에 따른 마찰거동을 조사하기 위하여, Si이 포함되지 않은 순수한 DLC 필름과 Si이 0.5, 2, 9.5 at.% 함유된 DLC 필름을 제작하였습니다.

18. Examples of Deposition Methods

19. 합성방법의 특징 합성 방법 특징 High Productivity, Very Smooth Film PECVD
(DC, HF, RF,ECR, pulsed DC)
High Productivity, Very Smooth Film
Low Hardness & Thermal Stability
Non Uniform in Complicated Shape
Sputtering : ion beam
Process Compatibility for HDD
Low Adhesion, Poor Film Quality
Ion Beam Deposition
Medium Hardness, Medium Productivity
Uniform Coating for Complicated Shape
High Residual Stress, Poor Adhesion
Complicated Deposition System
Laser Ablation
High Adhesion & Hardness
Low Productivity
FVA
(Filtered Vacuum Arc)
High Hardness & Thermal Stability

20. Properties of Solid Carbon
Property
Diamond
DLC
Graphite
Density (g/cm3)
3.51
1.8 – 3.6
2.26
Atomic Number Density (Mole/cm3)
0.3
0.2 – 0.3
0.2
Hardness (Kgf/mm2)
<500
Friction Coeff.
0.05
0.03 – 0.2
Refractive Index
2.42
1.8 – 2.6
2.15 – 1.8
Transparency
UV-VIS-IR
VIS-IR
Opaque
Resistivity (Wcm)
>1016
0.2 – 0.4

21. Advantages of DLC Films
Low Deposition Temperature (R.T. – 200oC)
No limitation of Substrate Materials
Smooth Surface
Roughness : few nm
Wide Range of Physical Properties
Tunability of the Properties
Uniform Large Area Deposition
High Productivity and Low Cost

22. AFM Image of DLC coated Si

23. Advantages of DLC Films
Low Deposition Temperature (R.T. – 200oC)
No limitation of Substrate Materials
Smooth Surface
Roughness : few nm
Wide Range of Physical Properties
Tunability of the Properties
Uniform Large Area Deposition
High Productivity and Low Cost

24. Properties of Solid Carbon
Property
Diamond
DLC
Graphite
Density (g/cm3)
3.51
1.8 – 3.6
2.26
Atomic Number Density (Mole/cm3)
0.3
0.2 – 0.3
0.2
Hardness (Kgf/mm2)
<500
Friction Coeff.
0.05
0.03 – 0.2
Refractive Index
2.42
1.8 – 2.6
2.15 – 1.8
Transparency
UV-VIS-IR
VIS-IR
Opaque
Resistivity (Wcm)
>1016
0.2 – 0.4

25. IR Transmittance of DLC Coated Ge Windows

26. Advantages of DLC Films
Low Deposition Temperature (R.T. – 200oC)
No limitation of Substrate Materials
Smooth Surface
Roughness : few nm
Wide Range of Physical Properties
Tunability of the Properties
Uniform Large Area Deposition
High Productivity and Low Cost

27. Courtesy of J&L Tech. Ltd

28. Problems of DLC Films Thermal Instability
Degradation at High Temperature (400 – 600oC)
High Residual Compressive Stress
Max. 10 GPa
Poor Adhesion
Stable Chemical Bonds
Especially on Ferrous Materials

29. Structure and Mechanical Properties
Hardness
3-D interlink of the atomic bond network
Residual Stress
Distortion of bond angle and length
Both are dependent on the degree of 3-D interlinks.
2-D Analogy of the Structure

30. Failure during Tribotest
Self Delamination
Failure during Tribotest

31. DLC 필름의 특성과 응용 2,000 - 8,000Hv 구 분 특 성 응 용 마찰계수 0.05 - 0.2
구 분
특 성
응 용
2, ,000Hv
(cf. Diamond 10,000Hv)
비철금속 가공용 공구,
정밀금형의 표면경화코팅
High hardness
치구, GEAR, SURGICAL
BLADE, HARD DISK등의
고체 윤활 코팅
Low friction and
high wear resist.
마찰계수
(cf. Stainless Steel : )
Chemical
Inertness
산 또는 알카리와
반응치 않는다
부식 방지막, 인체삽입물의
BIO-COMPATIBLE COATING
Optical
Transmittance
특히 적외선 영역의 높은 광투과도
IR WINDOW, SCANNER
WINDOW의 표면보호 코팅

32. 경질박막의 내마모 윤활특성 DLC WC TiN CrN TiCN 마모도 마찰계수. 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4
(상대비교치)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0

34. DLC 필름의 특성과 응용 2,000 - 8,000Hv 구 분 특 성 응 용 마찰계수 0.05 - 0.2
구 분
특 성
응 용
2, ,000Hv
(cf. Diamond 10,000Hv)
비철금속 가공용 공구,
정밀금형의 표면경화코팅
High hardness
치구, GEAR, SURGICAL
BLADE, HARD DISK등의
고체 윤활 코팅
Low friction and
high wear resist.
마찰계수
(cf. Stainless Steel : )
Chemical
Inertness
산 또는 알카리와
반응치 않는다
부식 방지막, 인체삽입물의
BIO-COMPATIBLE COATING
Optical
Transmittance
특히 적외선 영역의 높은 광투과도
IR WINDOW, SCANNER
WINDOW의 표면보호 코팅

36. DLC 필름의 특성과 응용 2,000 - 8,000Hv 구 분 특 성 응 용 마찰계수 0.05 - 0.2
구 분
특 성
응 용
2, ,000Hv
(cf. Diamond 10,000Hv)
비철금속 가공용 공구,
정밀금형의 표면경화코팅
High hardness
치구, GEAR, SURGICAL
BLADE, HARD DISK등의
고체 윤활 코팅
Low friction and
high wear resist.
마찰계수
(cf. Stainless Steel : )
Chemical
Inertness
산 또는 알카리와
반응치 않는다
부식 방지막, 인체삽입물의
BIO-COMPATIBLE COATING
Optical
Transmittance
특히 적외선 영역의 높은 광투과도
IR WINDOW, SCANNER
WINDOW의 표면보호 코팅

37. Video Cassette Recorder

38. DLC 코팅 VTR 헤드드럼
Courtesy of Daewoo Electronics Co.

39. DLC Coated Digital VCR Tape

40. HDD용 Hard Disk

41. DLC coated Head Slider

42. DLC 필름의 특성과 응용 2,000 - 8,000Hv 구 분 특 성 응 용 마찰계수 0.05 - 0.2
구 분
특 성
응 용
2, ,000Hv
(cf. Diamond 10,000Hv)
비철금속 가공용 공구,
정밀금형의 표면경화코팅
High hardness
치구, GEAR, SURGICAL
BLADE, HARD DISK등의
고체 윤활 코팅
Low friction and
high wear resist.
마찰계수
(cf. Stainless Steel : )
Chemical
Inertness
산 또는 알카리와
반응치 않는다
부식 방지막, 인체삽입물의
BIO-COMPATIBLE COATING
Optical
Transmittance
특히 적외선 영역의 높은 광투과도
IR WINDOW, SCANNER
WINDOW의 표면보호 코팅

43. Schematic of Diesel Engine

44. Results of Wear Test under Dry Lubrication Conditions

45. Result of Dynamo Test (900h)
Hard Cr Coated Ring
DLC coated Ring
Before Test
Before Test
After Test
After test

46. Hard Cr Coated Piston Ring DLC/Cr Coated Piston Ring
6.5mm
100mm
Before Test
Before Test
5.3mm
After Test
After Test

47. Sliding Tools for Electron Gun
Grids (2) manipulate the electron beam.
Sliding Tools is used to make spacing between the grids (Tolerance is about 4mm)
Smooth grid surface and parallel positioning are important.

48. DLC Coated Sliding Tools
Low friction
Long life time
Electrical insulation
No corrosion on the shelves
Courtesy of J&L Tech. Co., Ltd.

49. DLC 필름의 특성과 응용 2,000 - 8,000Hv 구 분 특 성 응 용 마찰계수 0.05 - 0.2
구 분
특 성
응 용
2, ,000Hv
(cf. Diamond 10,000Hv)
비철금속 가공용 공구,
정밀금형의 표면경화코팅
High hardness
치구, GEAR, SURGICAL
BLADE, HARD DISK등의
고체 윤활 코팅
Low friction and
high wear resist.
마찰계수
(cf. Stainless Steel : )
Chemical
Inertness
산 또는 알카리와
반응치 않는다
부식 방지막, 인체삽입물의
BIO-COMPATIBLE COATING
Optical
Transmittance
특히 적외선 영역의 높은 광투과도
IR WINDOW, SCANNER
WINDOW의 표면보호 코팅

50. IC Packaging

51. IC Packaging Process (DIP, SOP, QFP, LCC)

52. DLC Coated EMC Molding Cavity
High Wear Resistance
Low Friction
Surface Stability

53. DLC Coated Forming Dies
High Wear Resistance
Low Friction
Separability from Solder

54. DLC Coated Chip Carrying Tools
High Wear Resistance
Surface Stability

55. DLC Coated CD-R Pressing Die
Courtesy of J&L Tech. Co., Ltd.

56. CD Surface Formed by Using Uncoated Mold
RMS roughness = 1.31nm

57. CD surface formed by using DLC coated mold
RMS roughness = 0.95nm

58. DLC 필름의 특성과 응용 2,000 - 8,000Hv 구 분 특 성 응 용 마찰계수 0.05 - 0.2
구 분
특 성
응 용
2, ,000Hv
(cf. Diamond 10,000Hv)
비철금속 가공용 공구,
정밀금형의 표면경화코팅
High hardness
치구, GEAR, SURGICAL
BLADE, HARD DISK등의
고체 윤활 코팅
Low friction and
high wear resist.
마찰계수
(cf. Stainless Steel : )
Chemical
Inertness
산 또는 알카리와
반응치 않는다
부식 방지막, 인체삽입물의
BIO-COMPATIBLE COATING
Optical
Transmittance
특히 적외선 영역의 높은 광투과도
IR WINDOW, SCANNER
WINDOW의 표면보호 코팅

59. 인공 고관절 및 무릎관절
무릎관절
고관절

60. Biological Application of DLC
DLC Coating for Wear Resistance

61. 인공 심장, 수정체
인공심장 판막
인공수정체

62. DLC Coated Stents

63. Schematic of Wear Tester
Load
 Load :
High &Low
 Surroundings :
Wet Condition
Dry Condition
Test disk
Ruby Ball
Saline

64. Wear Volume Wear Volume DLC on Ti DLC on Ti-Alloy  Condition :
0.026 mm3
0.021mm3
 Condition :
High Load
3000 cycle
0.002mm3
0.002 mm3
Dry
Wet
Dry
Wet

65. Life Time of DLC Coatings
Fracture Cycle
DLC on Ti
92250 cyc
DLC on Ti-Alloy
 Condition :
High Load
10250 cyc
6750 cyc
3172 cyc
Dry
Wet
Dry
Wet

66. DLC 필름의 특성과 응용 2,000 - 8,000Hv 구 분 특 성 응 용 마찰계수 0.05 - 0.2
구 분
특 성
응 용
2, ,000Hv
(cf. Diamond 10,000Hv)
비철금속 가공용 공구,
정밀금형의 표면경화코팅
High hardness
치구, GEAR, SURGICAL
BLADE, HARD DISK등의
고체 윤활 코팅
Low friction and
high wear resist.
마찰계수
(cf. Stainless Steel : )
Chemical
Inertness
산 또는 알카리와
반응치 않는다
부식 방지막, 인체삽입물의
BIO-COMPATIBLE COATING
Optical
Transmittance
특히 적외선 영역의 높은 광투과도
IR WINDOW, SCANNER
WINDOW의 표면보호 코팅

67. IR Windows for Missile and Night Vision System

68. IR Transmittance of DLC Coated Ge Windows

69. Sand Blast Type Erosion Rig
J. E. Field, Carvendish Lab. Cambridge University

70. Solid Particle Impact Erosion

71. Damage Pattern of Multilayer Coated Ge windows
200 sec
1000nm DLC
690nm a-Si
1900nm DLC
510nm a-Si
600 sec Ge
Multilayer Structure

72. DLC 필름의 특성과 응용 2,000 - 8,000Hv 구 분 특 성 응 용 마찰계수 0.05 - 0.2
구 분
특 성
응 용
2, ,000Hv
(cf. Diamond 10,000Hv)
비철금속 가공용 공구,
정밀금형의 표면경화코팅
High hardness
치구, GEAR, SURGICAL
BLADE, HARD DISK등의
고체 윤활 코팅
Low friction and
high wear resist.
마찰계수
(cf. Stainless Steel : )
Chemical
Inertness
산 또는 알카리와
반응치 않는다
부식 방지막, 인체삽입물의
BIO-COMPATIBLE COATING
Optical
Transmittance
특히 적외선 영역의 높은 광투과도
IR WINDOW, SCANNER
WINDOW의 표면보호 코팅

73. Application to MEMS

74. DLC Coated Si Tip Array DLC Coated Si Tip Array Sharpened Si Tip Array
by Ar Plasma Treatment
DLC Coated Si Tip Array
By RF PACVD

75. Conclusions Quite Matured Technology with Global Competency.
Application Technology Issues are still remained.
Improved adhesion to various substrate
Residual stress control
Design of new film structure and composition
Future Application by an Advanced Coating Technology
Bio-materials
MEMS Devices : Anti-stiction
Nano-Probe and Memory Devices