| 출원번호 | 10-2021-0083218 |
| 출원일자 | 2021년06월25일 |
| 출원인 | 삼성전자주식회사 |
| 공개번호(일자) | 10-2021-0083230 (2021년07월06일) |
| 발명의 명칭 | 비정질 및 나노질화물 복합박막, 그 형성방법 및 그 복합박막이 형성된 전자기기 |
일반적으로 전자제품 외장 케이스의 부식을 막기 위해 크롬 또는 기타 금속 박막을 형성시키는 물리 기상 증착법은 증착 조건의 물리적 특성상, 증착되는 박막 내에 주상정 조직이 형성될 수 있다. 이 경우, 주상정 조직 내의 입계를 따라 부식액의 침투가 가능하여 부식이 가속될 수 있다. 즉, 주상정 조직 내의 입계가 박막의 부식을 가속시키는 경로로 사용되어 증착시킨 박막의 강도를 낮추고 금방 벗겨지는 문제점을 일으킨다. 또한 금속 박막은 그 자체로 전기가 통하여 통신용 전자기기의 전자파를 차단하여 통신 효율을 저해할 수 있다.
도 1 비정질 및 나노질화물 복합박막 코팅된 통신기기 외각 프레임
삼성전자에서는 본 발명을 통하여 높은 표면 경도와 내부식성이 우수하고 전자파를 투과시키는 비정질 및 나노질화물 복합박막, 그 형성 방법 및 그 복합박막이 형성된 전자기기를 제공하고자 한다.
도 1은 나노질화물 복합박막을 형성하는 반응성 스퍼터링 공정을 수행하는 스퍼터링 장치의 개략도를 나타내는 도면이다. 스퍼터링 공정은 진공펌프(50)가 작동하는 챔버내에서 전원공급장치(60)에 의해 전원을 공급 받는 건(gun, 40)에 의해 음의 전압이 인가된 타겟(30)에 Ar 등을 고속으로 충돌시키고, 이때 결정질 합금타겟(30)으로부터 이탈되는 원자를 피처리체 홀더(10)상의 피처리체(20)에 공급함으로써 피처리체(20)의 표면에 박막을 형성하는 기술을 말한다.
해당 발명의 실시예에서 결정질 합금타겟은 Zr계 합금타겟으로 Zr-Al-X(X는 Cu 및 Ni 중 적어도 어느 하나를 포함)로 이루어지는 결정질 합금 또는 Zr-Al-X-Y(Y는 Cr, Mo, Si, Nb, Co, Sn, In, Bi, Zn, V, Hf, Ag, Ti 및 Fe 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 원소)로 이루어지는 결정질 합금이다. 특히 스퍼터링 가스로 비활성 기체인 Ar를 사용하는 비반응성 스퍼터링과 달리 해당 실시예와 같은 반응성 가스인 질소가스(N2)를 추가로 사용할 경우, 합금 내에서 질소와 반응성이 높은 Zr과 질소가 반응하여 10nm 내지 500nm 크기의 나노결정질 ZrN을 추가로 형성할 수 있다. 따라서 반응성 스퍼터링 공정을 통해 형성되는 비정질 및 나노질화물의 복합박막은 스퍼터링된 합금의 비정질 금속상과 ZrN 나노결정상이 혼합된 형태를 띈다.
도 2 실시예에 따른 비정질 및 나노질화물 복합박막 형성공정을 수행하기 위한 스퍼터링 장치의 개략도
증착된 박막의 ZrN 결정질상의 부피분율은 스퍼터링 가스의 N2/Ar 분율을 조절하여 제어할 수 있다. 해당 ZrN 결정질상의 부피분율에 다른 전자파 감쇠율과 경도는 도 3과 간다. Ar만 피드하여 비반응성 스퍼터링을 통해 비정질 합금박막을 만든 0% ZrN의 경우 일반금속 박막과 유사한 성질을 가지게 되어 전자파 감쇠율이 –27.94 dB인 반면, ZrN 결정질상의 부피비가 30% 이상일 경우 전자파 감쇠율이 –1.54 dB로 급격히 감쇠하여 100%에 접근할수록 증착된 박막은 세라믹에 가까운 성질을 가지며 전자파 감쇠율이 0 dB에 근접하게 된다.
증착된 박막의 경도 또한 ZrN 결정질상이 존재하는 경우 더 높은 강도를 나타내며 부피분율이 35%인 복합박막 A에서 가장 높은 경도를 보이며 그 이후 낮아저 복합박막 B(62.5%)에서는 약간 낮아진 경도를 보였다.
도 3 실시예에 따른 비정질 및 나노질화물 복합박막의 ZrN 결정상의 부피분율 및 전자파 감쇠율, 경도와의 관계
도 4는 각 박막의 전자파 주파수에 따른 감쇠율을 나타낸다. Cr을 증착하여 형성시킨 1㎛ 두께의 박막과 비반응성 스퍼터링으로 증착한 비정질 박막은 주파수 1GHz을 포함하여 상당히 넓은 대역폭에서 휴대용 단말기의 전자파 감쇠율이 각각 –80 dB, -30 dB이다. 반면, 1㎛ 두께로 형성된 비정질 및 나노질화물의 복합박막 A 및 B는 주파수 1GHz을 포함하여 상당히 넓은 대역폭에서 휴대용 단말기의 전자파 감쇠율이 0dB에 근접함을 알 수 있다.
도 4 각 박막의 전자파 주파수에 따른 감쇠율. 좌측 상단: Cr 박막, 우측 상단: 비정질 박막, 좌측 하단: 복합박막 A(ZrN 35%), 우측 하단: 복합박막 B(ZrN 62.5%)
해당 발명에서 사용되는 비정질 및 나노질화물 복합박막은 높은 경도, 내부식성 및 낮은 전자파 감쇠율로 통신기기 코팅으로 높은 성능을 나타냄을 알 수 있다. 또한 나노질화물 박막 코팅은 자동차 부품에 사용되어 고경도, 저마찰 외장을 통해 4~7%의 연비향상을 이룰 수 있다. 따라서, 이러한 금속 나노질화물 박막은 통신기기 외장케이스 뿐만아니라 다른 분야에도 충분히 활용가능할 것으로 기대된다.
특허법인ECM
변리사 김시우
swkim@ecmpatent.com
02-568-2670
일반적으로 전자제품 외장 케이스의 부식을 막기 위해 크롬 또는 기타 금속 박막을 형성시키는 물리 기상 증착법은 증착 조건의 물리적 특성상, 증착되는 박막 내에 주상정 조직이 형성될 수 있다. 이 경우, 주상정 조직 내의 입계를 따라 부식액의 침투가 가능하여 부식이 가속될 수 있다. 즉, 주상정 조직 내의 입계가 박막의 부식을 가속시키는 경로로 사용되어 증착시킨 박막의 강도를 낮추고 금방 벗겨지는 문제점을 일으킨다. 또한 금속 박막은 그 자체로 전기가 통하여 통신용 전자기기의 전자파를 차단하여 통신 효율을 저해할 수 있다.
도 1 비정질 및 나노질화물 복합박막 코팅된 통신기기 외각 프레임
삼성전자에서는 본 발명을 통하여 높은 표면 경도와 내부식성이 우수하고 전자파를 투과시키는 비정질 및 나노질화물 복합박막, 그 형성 방법 및 그 복합박막이 형성된 전자기기를 제공하고자 한다.
도 1은 나노질화물 복합박막을 형성하는 반응성 스퍼터링 공정을 수행하는 스퍼터링 장치의 개략도를 나타내는 도면이다. 스퍼터링 공정은 진공펌프(50)가 작동하는 챔버내에서 전원공급장치(60)에 의해 전원을 공급 받는 건(gun, 40)에 의해 음의 전압이 인가된 타겟(30)에 Ar 등을 고속으로 충돌시키고, 이때 결정질 합금타겟(30)으로부터 이탈되는 원자를 피처리체 홀더(10)상의 피처리체(20)에 공급함으로써 피처리체(20)의 표면에 박막을 형성하는 기술을 말한다.
해당 발명의 실시예에서 결정질 합금타겟은 Zr계 합금타겟으로 Zr-Al-X(X는 Cu 및 Ni 중 적어도 어느 하나를 포함)로 이루어지는 결정질 합금 또는 Zr-Al-X-Y(Y는 Cr, Mo, Si, Nb, Co, Sn, In, Bi, Zn, V, Hf, Ag, Ti 및 Fe 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 원소)로 이루어지는 결정질 합금이다. 특히 스퍼터링 가스로 비활성 기체인 Ar를 사용하는 비반응성 스퍼터링과 달리 해당 실시예와 같은 반응성 가스인 질소가스(N2)를 추가로 사용할 경우, 합금 내에서 질소와 반응성이 높은 Zr과 질소가 반응하여 10nm 내지 500nm 크기의 나노결정질 ZrN을 추가로 형성할 수 있다. 따라서 반응성 스퍼터링 공정을 통해 형성되는 비정질 및 나노질화물의 복합박막은 스퍼터링된 합금의 비정질 금속상과 ZrN 나노결정상이 혼합된 형태를 띈다.
도 2 실시예에 따른 비정질 및 나노질화물 복합박막 형성공정을 수행하기 위한 스퍼터링 장치의 개략도
증착된 박막의 ZrN 결정질상의 부피분율은 스퍼터링 가스의 N2/Ar 분율을 조절하여 제어할 수 있다. 해당 ZrN 결정질상의 부피분율에 다른 전자파 감쇠율과 경도는 도 3과 간다. Ar만 피드하여 비반응성 스퍼터링을 통해 비정질 합금박막을 만든 0% ZrN의 경우 일반금속 박막과 유사한 성질을 가지게 되어 전자파 감쇠율이 –27.94 dB인 반면, ZrN 결정질상의 부피비가 30% 이상일 경우 전자파 감쇠율이 –1.54 dB로 급격히 감쇠하여 100%에 접근할수록 증착된 박막은 세라믹에 가까운 성질을 가지며 전자파 감쇠율이 0 dB에 근접하게 된다.
증착된 박막의 경도 또한 ZrN 결정질상이 존재하는 경우 더 높은 강도를 나타내며 부피분율이 35%인 복합박막 A에서 가장 높은 경도를 보이며 그 이후 낮아저 복합박막 B(62.5%)에서는 약간 낮아진 경도를 보였다.
도 3 실시예에 따른 비정질 및 나노질화물 복합박막의 ZrN 결정상의 부피분율 및 전자파 감쇠율, 경도와의 관계
도 4는 각 박막의 전자파 주파수에 따른 감쇠율을 나타낸다. Cr을 증착하여 형성시킨 1㎛ 두께의 박막과 비반응성 스퍼터링으로 증착한 비정질 박막은 주파수 1GHz을 포함하여 상당히 넓은 대역폭에서 휴대용 단말기의 전자파 감쇠율이 각각 –80 dB, -30 dB이다. 반면, 1㎛ 두께로 형성된 비정질 및 나노질화물의 복합박막 A 및 B는 주파수 1GHz을 포함하여 상당히 넓은 대역폭에서 휴대용 단말기의 전자파 감쇠율이 0dB에 근접함을 알 수 있다.
도 4 각 박막의 전자파 주파수에 따른 감쇠율. 좌측 상단: Cr 박막, 우측 상단: 비정질 박막, 좌측 하단: 복합박막 A(ZrN 35%), 우측 하단: 복합박막 B(ZrN 62.5%)
해당 발명에서 사용되는 비정질 및 나노질화물 복합박막은 높은 경도, 내부식성 및 낮은 전자파 감쇠율로 통신기기 코팅으로 높은 성능을 나타냄을 알 수 있다. 또한 나노질화물 박막 코팅은 자동차 부품에 사용되어 고경도, 저마찰 외장을 통해 4~7%의 연비향상을 이룰 수 있다. 따라서, 이러한 금속 나노질화물 박막은 통신기기 외장케이스 뿐만아니라 다른 분야에도 충분히 활용가능할 것으로 기대된다.
특허법인ECM
변리사 김시우
swkim@ecmpatent.com
02-568-2670