본 연구에서는 초경합금을 모재로 하는 나노결정질 다이아몬드 코팅 기술에 표면 조도가 균일하고 매끄러운 막질의 나노결정질 다이아몬드 박막을 얻고자, 삽입되는 중간층(inter layer)의 나노다이아몬드 분말 seed density를 향상시키기 위한 실험을 진행하였다. 중간층 물질로는 초경합금 모재에 나노결정질 다이아몬드 코팅 시 문제가 되는 코발트 확산을 억제해주기 위해 확산방지막으로써 활발히 사용되는 WN박막과 비정질 구조로 인해 확산 방지막으로 적합한 Si기반 박막 그리고 탄화물 생성 엔탈피가 낮아 다이아몬드 핵생성이 가능하다고 알려진 W, Si기반 탄화물계 물질을 선정하였고, 약 850°C가량의 고온에서도 코발트 확산 방지가 가능하다고 알려진 NbN 박막을 추가로 하여 실험을 진행하였다. 또한 코발트 확산을 효과적으로 억제하기 위해 높은 나노다이아몬드 seed density를 얻고자 박막 표면에 수소 플라즈마 처리를 가해주었다.
주사전자 현미경(SEM)을 통하여 관찰한 결과 WC와 SiC의 경우 수소 플라즈마 처리 후 각 시편에서 나노다이아몬드 분말의 seed가 차지하는 면적은 전체적으로 증가 하였으나, 응집체가 생겨 실질적인 나노다이아몬드 분말의 seed density 값은 감소하는 것을 확인하였다. WN, WCN과 NbN은 수소 플라즈마 처리 후 나노다이아몬드 분말의 seed density가 향상되었으며 응집체 또한 관찰되지 않았다. 한편 SiN과 SiCN에서는 비약적인 나노다이아몬드 분말 seed density향상을 확인하였다. 더 나아가 나노다이아몬드 분말의 초음파 seeding 처리 공정 시 기판의 표면을 양전하로 대전시키는 PDDA(Polydiallyl dimethyl ammonium chloride)코팅 공정과 나노다이아몬드 분말을 음전하로 대전시키는 PSS(Polysodium 4-styrene sulfonate)/나노다이아몬드 분말 seeding공정 방법을 시행하여 각 물질 별 나노다이아몬드 분말의 seed density변화 양상을 관찰하였으나, 본 연구에 사용된 중간층 물질 중 SiN을 제외한 나머지 물질에서는 나노다이아몬드 분말의 seed density가 오히려 감소하거나 큰 차이를 보이지 않는 것을 확인하였다.
또 중간층 물질 변화와 수소 플라즈마 처리 여부 그리고 나노다이아몬드 분말 seeding처리 방법에 따른 나노다이아몬드 분말의 seed density 변화의 원인을 zeta potential을 이용하여 분석하였다.
본 연구를 통하여 W, Si, Nb기반 질화물계와 W, Si기반 탄화물계 박막에서 WC와 SiC를 제외한 모든 박막의 표면에서 수소 플라즈마 처리의 영향으로 나노다이아몬드 분말의 seed density 가 향상되었음을 확인하였다.



영문초록:

Nano-crystalline diamond film has excellent mechanical endurance with high hardness, low thermal expansion coefficient, low surface roughness as well as a low friction coefficient. Therefore, nano-crystalline diamond film has been considered as a surface coating material onto Cobalt-cemented tungsten carbide(WC-Co) hard metal which is used as a base material to drill . However, cobalt in cemented tungsten carbide is diffused to nano-crystalline diamond film and promotes the formation of sp^2 graphite film due to the catalytic property of the cobalt.
There are many reports have been tried suppressing cobalt diffusion such as chemical etching techniques to remove cobalt in the near surface surroundings. These chemical etching techniques cause lack of cobalt at the interface of cemented tungsten carbide and it leads to weakening structure. In addition, chemical etching techniques do not suppress cobalt diffusion perfectly. Therefore, in this study, W- and Si-based nitride and carbide films are proposed as an inter layer. The roles of inter layer should be to act as diffusion barriers against cobalt diffusion and promote a high diamond nucleation density.
In this study, hydrogen plasma treatment was performed for promoting high nano-diamond powder seed density on W- and Si-based nitride and carbide films. As an inter layer material, WN film, which is broadly used as a diffusion barrier, Si-based film suitable as a diffusion barrier due to an amorphous structure and W- and Si-based carbide film with low carbide formation enthalpy which are known to be easily promote diamond nucleation were proposed. In addition, NbN film, which is known to be capable of preventing the diffusion of cobalt even at a high temperature about 850°C was proposed.
As a result of hydrogen plasma treatment, except for WC and SiC, nano-diamond power seed density increased at every sample and the seed density of nano-diamond powder was analyzed using SEM. In the case of WC and SiC the area occupied by nano-diamond seed was increased, however the seed density value decreased as the agglomeration was formed.
And by extension, PDDA(Polydiallyl dimethyl ammonium chloride)coating process which positively charges the surface of the substrate and PSS(Polysodium 4-styrene sulfonate)/nano-diamond powder seeding process which negatively charges nano-diamond particles were performed. After PDDA(Polydiallyl dimethyl ammonium chloride)coating process and PSS(Polysodium 4-styrene sulfonate)/nano-diamond powder seeding process, the seed density changes of the nano-diamond powders were analyzed using SEM. However, the seed density of the nano-diamond powders was not increased or significantly different in the other materials, except SiN among the inter layer materials used in this study.
The cause of the change of the seed density of nano-diamond powder according to the change of the inter layer material, the hydrogen plasma treatment and the treatment method of nano-diamond power seeding was analyzed using zeta potential.
Except for WC and SiC, the seed density of nano-diamond powder was improved by the effect of hydrogen plasma treatment on W-, Si- and Nb-based nitride and W- and Si-based carbide films.