1. 연구 배경 및 목적
최근 산업 전반에서 금속 표면의 내마모성, 내식성, 고온 안정성을 향상시키는 고기능성 코팅(Functional Coatings) 기술의 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히 공구 산업, 항공우주, 자동차 부품, 에너지 장비 분야에서는 효율적인 표면 보호 기술이 제품 수명과 성능을 좌우한다.
이 논문은 물리적 기상 증착법(PVD, Physical Vapor Deposition) 및 **화학적 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)**을 중심으로, 최신 코팅 기술의 성능 개선 메커니즘과 응용 가능성을 체계적으로 분석하였다.
2. 주요 코팅 기술 개요
① PVD (Physical Vapor Deposition)
금속 또는 세라믹 재료를 진공 상태에서 증발시켜 기판 표면에 얇은 막을 형성하는 방식
장점: 친환경적이며 균일한 막 두께, 우수한 밀착력
응용: 절삭 공구, 의료기기, 전자 부품 등
② CVD (Chemical Vapor Deposition)
반응성 기체를 열분해 또는 화학반응시켜 고체 코팅층을 형성
장점: 높은 경도, 고온 안정성, 우수한 내식성
단점: 공정 온도가 높아 열에 민감한 소재에는 제한적
③ 하이브리드 코팅
최근에는 PVD-CVD 복합 공정을 적용하여, 두 기술의 장점을 결합한 멀티레이어 코팅(Multilayer Coating)이 주목받고 있다.
이 방식은 층간 결합 강도와 내부 응력을 조절함으로써, 내마모성과 인성(toughness)을 동시에 확보한다.
3. 실험 결과 및 분석
TiN, TiAlN, CrN, DLC (Diamond-Like Carbon) 등 대표적 코팅 소재가 비교 실험에 사용되었다.
코팅층의 두께, 결정 구조, 표면 조도, 경도, 마찰계수 등이 정밀 분석되었으며, 다음과 같은 결론이 도출되었다.
(1) 미세 구조와 성능의 상관관계
나노결정립 크기가 작을수록 표면 경도 및 내마모성이 향상됨
결정립 간 계면에서 발생하는 내부 응력이 코팅층의 균열 저항성을 높임
(2) 온도 및 부하 조건에 따른 안정성
800°C 이상의 고온 환경에서도 TiAlN 계열은 산화저항성이 우수함
DLC는 낮은 마찰계수 덕분에 윤활 환경에서 탁월한 마모 저항을 보임
(3) 표면 접착력
CVD는 두꺼운 층으로 인한 응력 발생 위험이 있으나, **중간 버퍼층(interlayer)**을 도입하면 박리 현상을 효과적으로 억제 가능
4. 응용 분야 및 산업적 의의
이 연구 결과는 다음과 같은 산업군에서 활용 가능성이 높다.
| 산업 분야 | 적용 사례 | 기대 효과 |
|---|---|---|
| 절삭 공구 | 드릴, 엔드밀, 인서트 팁 | 공구 수명 연장, 절삭 속도 향상 |
| 자동차 | 엔진 밸브, 피스톤 링 | 마찰 저감, 연비 개선 |
| 항공우주 | 터빈 블레이드, 베어링 | 고온 산화 저항성 |
| 전자·의료 | 반도체 웨이퍼, 인공관절 | 정밀도 향상, 생체적합성 강화 |
5. 결론
이 논문은 PVD와 CVD 기반 코팅 기술의 발전 방향을 다음과 같이 제시한다.
**나노복합 코팅(Nanocomposite Coating)**으로 미세 구조 제어
**다층 코팅(Multilayer)**을 통한 응력 분산
친환경 저온 공정(Low-Temperature Process) 기술 확대
AI 기반 코팅 성능 예측 및 최적화 기술의 도입
이러한 기술은 향후 고성능·고내구성 부품 제조의 핵심 기술 인프라로 자리잡을 전망이다.