진공 증착 코팅의 원리
1. 진공 증착 코팅의 장비 및 물리적 공정
진공 증착 코팅 장비는 주로 진공 챔버와 배기 시스템으로 구성됩니다. 진공 챔버 내부에는 증착원(즉, 증착 히터), 기판 및 기판 프레임, 기판 히터, 배기 시스템 등이 있습니다.
코팅 재료는 진공 챔버의 증발원에 놓이고, 고진공 상태에서 증발원에 의해 가열되어 증발됩니다. 증기 분자의 평균 자유 이동 거리가 진공 챔버의 선형 크기보다 클 때, 필름 증기의 원자와 분자는 증발원 표면에서 빠져나온 후 다른 분자나 원자와의 충돌에 거의 방해받지 않고 코팅될 기판 표면에 직접 도달합니다. 기판의 온도가 낮기 때문에 필름 증기 입자는 기판 표면에 응축되어 필름을 형성합니다.
증착 분자와 기판 사이의 접착력을 향상시키기 위해, 기판은 적절한 가열이나 이온 세척을 통해 활성화될 수 있습니다. 진공 증착 코팅은 재료의 증착, 이송, 그리고 박막 형성에 이르는 일련의 물리적 과정을 거칩니다.
(1) 다른 형태의 에너지를 열에너지로 변환하는 다양한 방법을 사용하여 필름 재료를 가열하면 일정량의 에너지(0.1~0.3eV)를 가진 기체 입자(원자, 분자 또는 원자 클러스터)로 증발 또는 승화됩니다.
(2) 기체 입자는 필름 표면에서 떨어져 나와 본질적으로 충돌 없이 직선으로 일정한 이동 속도로 기판 표면으로 이동합니다.
(3)기판 표면에 도달한 기체 입자는 응집되어 핵을 형성하고 고체상 필름으로 성장합니다.
(4) 필름을 구성하는 원자의 재구성 또는 화학적 결합.
2. 증발 가열
(1) 저항 가열 증발
저항 가열 증착은 가장 간단하고 널리 사용되는 가열 방식으로, 일반적으로 융점이 1500℃ 이하인 도금 재료에 적용됩니다. 융점이 높은 금속(텅스텐, 몰리브덴, 티타늄, 탄탈륨, 질화붕소 등)을 와이어 또는 시트 형태로 제작하여 적절한 형상의 증착원으로 만들고, 증착 재료를 넣은 후 전류의 줄열을 이용하여 도금 재료를 용융, 증발 또는 승화시킵니다. 증착원의 형상은 주로 다중 가닥 나선형, U자형, 사인파형, 박판형, 보트형, 원뿔형 바구니형 등이 있습니다. 이 방법은 증착원이 높은 융점, 낮은 포화 증기압, 안정적인 화학적 성질, 고온에서 도금 재료와의 화학 반응 없음, 우수한 내열성, 작은 전력 밀도 변화 등의 특성을 가져야 합니다. 증착원에 높은 전류를 흘려 직접 가열하거나, 흑연 및 일정 내열 재질로 만들어진 도가니에 증착 재료를 넣고 가열하여 박막 재료를 증발시키는 방식을 사용합니다. 금속 산화물(예: A2O2, B0) 및 기타 재료를 간접 가열하여 증발시키는 데 사용됩니다.
저항 가열 증착 코팅은 다음과 같은 한계를 가지고 있습니다. 내화 금속은 증기압이 낮아 박막 형성이 어렵고, 일부 원소는 가열선과 합금을 형성하기 쉬우며, 균일한 조성의 합금막을 얻기가 어렵습니다. 하지만 저항 가열 증착법은 구조가 간단하고 가격이 저렴하며 조작이 간편하여 증착법 중에서 매우 널리 사용되고 있습니다.
(2) 전자빔 가열 증발
전자빔 증착은 고에너지 밀도의 전자빔을 조사하여 코팅 재료를 증발시키는 방법으로, 수냉식 구리 도가니에 재료를 넣고 가열합니다. 증착 장치는 전자 방출원, 전자 가속 전원, 도가니(일반적으로 구리 도가니), 자기장 코일, 냉각수 시스템 등으로 구성됩니다. 이 장치에서 가열된 재료는 수냉식 도가니에 넣어지고, 전자빔은 재료의 극히 일부분에만 조사됩니다. 나머지 재료의 대부분은 도가니의 냉각 효과로 인해 매우 낮은 온도를 유지하며, 이 부분을 전자빔 조사 부분으로 간주할 수 있습니다. 따라서 전자빔 가열 증착 방법은 코팅 재료와 증착 소스 재료 사이의 오염을 방지할 수 있습니다.
전자빔 증착 장치의 구조는 직선형(불레건), 링건(전기적 편향형), e-건(자기적 편향형)의 세 가지 유형으로 나눌 수 있다. 증착 설비에는 하나 이상의 도가니를 배치하여 여러 가지 물질을 동시에 또는 개별적으로 증착 및 증착할 수 있다.
전자빔 증발 소스는 다음과 같은 장점을 가지고 있습니다.
① 전자빔 충격 증발 소스의 높은 빔 밀도는 저항 가열 소스보다 훨씬 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있어 W, Mo, Al2O3 등과 같은 고융점 재료를 증발시킬 수 있습니다.
②코팅 재료는 수냉식 구리 도가니에 넣어 증발원 물질의 증발 및 이들 간의 반응을 방지할 수 있다.
③ 코팅 재료 표면에 직접 열을 가할 수 있으므로 열 효율이 높고 열 전도 및 열 복사 손실이 적습니다.
전자빔 가열 증착법의 단점은 전자총에서 나오는 1차 전자와 코팅 재료 표면에서 나오는 2차 전자가 증착되는 원자와 잔류 가스 분자를 이온화시켜 때때로 필름 품질에 영향을 미칠 수 있다는 점입니다.
(3) 고주파 유도 가열 증발
고주파 유도 가열 증착법은 코팅 재료가 담긴 도가니를 고주파 나선형 코일의 중앙에 놓으면, 고주파 전자기장의 유도로 인해 코팅 재료에 강한 와전류와 히스테리시스 효과가 발생하여 박막층이 가열되어 기화되는 방식입니다. 증착원은 일반적으로 수냉식 고주파 코일과 흑연 또는 세라믹(산화마그네슘, 산화알루미늄, 산화붕소 등) 도가니로 구성됩니다. 고주파 전원은 수만~수십만 Hz의 주파수를 사용하고, 입력 전력은 수~수백 킬로와트입니다. 박막 재료의 부피가 작을수록 유도 주파수는 높아집니다. 유도 코일은 일반적으로 수냉식 동관으로 제작됩니다.
고주파 유도 가열 증발 방식의 단점은 입력 전력을 정밀하게 조절하기 어렵다는 것이며, 다음과 같은 장점이 있습니다.
① 높은 증발 속도
②증발원의 온도가 균일하고 안정적이어서 코팅액 방울이 튀는 현상이 발생하기 어렵고, 증착된 막에 핀홀이 생기는 현상도 방지할 수 있다.
③증발원은 한 번만 장착하면 되므로 온도 조절이 비교적 쉽고 간편합니다.
게시 시간: 2022년 10월 28일