습도에 의한 다이아몬드성 카본(diamond-like carbon) 필름의 잔류 응력 변화에 관한 연구

Abstract

Diamond-like carbon(DLC) 필름은 우수한 기계적 특성과 내마모 윤활 특성, 화학적 안정성 및 생체 적합성을 가지고 있어서 생체재료의 표면코팅재로서도 많은 관심을 끌고 있다. 그러나 습도가 높은 환경이나 수중에서는 필름의 박리 현상이 촉진되기 때문에 응용에 제한을 받고 있다. 습도가 높은 환경에서 필름의 불안정성의 원인으로는 물분자에 의한 계면에너지의 변화가 필름의 접착력을 저하시킬 가능성이나 잔류 응력 변화에 의해 필름/기판 복합체의 평형상태가 깨짐에 의한 가능성을 생각할 수 있다. 본 연구에서는 후자의 관점에서 습도에 의한 잔류 응력의 변화 거동을 체계적으로 조사하였다. DLC 필름은 Radio frequency plasma assisted chemical vapor deposition (RF-PACVD) 방법으로 증착되었다. 합성에 사용된 탄화수소 가스의 종류와 100V에서 800V 범위의 기판 바이어스 전압 조절을 통해, 폴리머성 필름에서 흑연성 필름까지 광범위한 구조의 DLC 필름을 합성하였다. 상대습도가 10%-90% 범위에서 변화하는 분위기 챔버에서 필름의 잔류 응력 변화를 실시간으로 측정하였다. 필름의 경도와 잔류 응력이 최고값을 가지는 합성조건에서 얻어진 치밀한 DLC 필름에서는 습도에 따른 잔류응력의 변화가 관찰되지 않았다. 그러나, 그 외의 조건에서 합성된 필름에서는 습도의 변화에 따른 잔류 응력의 변화가 관찰되었다. 특히, 폴리머성 필름에서는 습도의 증가에 따라 압축 잔류 응력이 증가함을 관찰할 수 있었으며, 습도의 변화에 대해 잔류응력이 가역적으로 변화하였다. 한편, 동일한 습도에서 압축 잔류 응력의 증가량은 필름의 두께에 반비례하는 것이 관찰되었다. 이 결과는 물분자가 필름의 구조내로 침투하면서 생기는 변화가 아니라, 필름의 특정층에서 일어나는 물분자와의 반응에 의한 것임을 의미한다. 필름의 표면과 계면을 변화시켜 동일한 실험을 수행한 결과 습도가 높은 환경에서 잔류 응력의 변화를 유발하는 것은 계면과 물분자의 반응에 의한 것임을 알 수 있었다.;Diamond-like carbon(DLC) film is appreciated as a good material for the biomedical application because of their good physical and chemical properties : controllable hardness, low friction coefficient and wear resistance, chemical inertness, and bio compatibility. But DLC film has significant instability in either humid or aqueous environment. Two possible reasons for the instability would be addressed: increasing the residual compressive stress in the humid environment or degradation of the film/substrate interface due to water molecules from the environment. In this study, the humidity dependence of the residual stress was investigated by employing an in situ stress measurement method in a humidity-controlled chamber. Various DLC films were prepared by radio frequency plasma assisted chemical vapor deposition (RF-PACVD) using methane or benzene with the negative self bias voltage of the substrate ranging from -100 to -800 V. In situ measurements of the residual stress were carried out in an environment chamber where the relative humidity was varied from 10% to 90 %. In dense DLC film of high residual compressive stress and hardness, we could not observe any change in the residual compressive stress with changes of humidity. However, in the cases of graphitic and polymeric DLC films, abrupt change in the residual stress occurred by changing the relative humidity. The quantity of the stress change was inversely proportional to the film thickness, which means that the stress change with humidity is not due to penetration of the water molecules into the film structure, but due to the interaction between water molecules and a film-substrate interface.