질화 티타늄의 특성 및 응용 분야

2024-04-24

질화 티타늄 필름 (TiN)은 중요한 경질 필름 코팅 재료 일뿐만 아니라 최초로 산업화되고 널리 사용되는 필름 코팅 재료이며, TiN 필름은 높은 융점, 높은 경도, 고온 화학적 안정성 및 우수한 열 전도성, 전기 전도성, 광학 특성, 생체 적합성 등을 가지고 있으며 고온, 내마모성, 저 방사선 유리 코팅 및 의료 과학 등 다양한 분야에 적용 할 수 있습니다. 그리고 독특한 색상과 광택으로 인해 보석 산업에서 금 코팅으로 자주 사용됩니다. 독특한 색상과 광택으로 인해 주얼리 산업에서 금 코팅으로 자주 사용되며 TiN 필름의 광범위한 적용은 필름 품질에 대한 더 높은 요구 사항을 제시하고 경도가 높고 내마모성이 높으며 결합 강도가 더 우수한 TiN 필름의 제조는 국내외에서 하드 코팅 연구의 핫스팟이되었습니다.

질화 티타늄의 특성

Ti와 N은 다양한 고체 용액과 화합물을 형성 할 수 있으며, 일반적인 Ti-N 화합물은 Ti2N과 TiN 2를 가지며, 간질상의 금속 티타늄 (Ti)은 육각형 도트 매트릭스 또는면 중심 입방 점 매트릭스 배열의 고밀도 행이며, 비금속 질소 (N) 원자는 Ti 결정의 간극 위치를 채 웁니다. Ti2N 구조, 금속 Ti 원자는 육각형 점선의 고밀도 행에 배열되고 N 원자는 그 안에 틈새 위치에 배열됩니다. Ti2N 구조에서는 금속 Ti 원자가 조밀한 육각형 점 행렬로 배열되고 그 간극 위치에 N 원자가 배치되며, TiN 구조에서는 금속 Ti 원자가 면 중심의 입방점 행렬로 배열되고 그 간극 위치에 N 원자가 배치되어 그림과 같이 전형적인 B1-NaCl 구조를 형성합니다.

물리적 속성:

색상: 질화 티타늄은 황금빛 노란색을 띠며, 색상 때문에 장식용 코팅에 자주 사용됩니다.
경도: TiN은 경도가 높고, 비커스 경도는 2000-2500 HV에 달할 수 있으며, 미세 경도는 약 21GPa이며 내마모성이 우수합니다.
녹는점: 질화 티타늄의 녹는점은 최대 2930°C로 고온 환경에서 사용하기에 적합합니다.
밀도: TiN의 밀도는 5.22g/cm³입니다.
열 전도성: TiN의 열 전도성은 약 30W/m-K로 열 전도성 특성이 우수합니다.
탄성: 최대 590 GPa의 탄성 계수.
열팽창: 선팽창 계수는 9.35×10-6°C(20°C-1000°C)입니다.

화학적 특성:

화학적 안정성: TiN은 공기 및 산화 환경에서 화학적 안정성이 우수하고 산화 및 부식이 쉽지 않습니다.
내식성: 질화 티타늄은 많은 화학 물질(산 및 알칼리 등)에 대한 내성이 우수합니다.

전기적 특성:

전도성: TiN은 약 20µΩ-cm의 저항률을 가진 금속 전도성을 가집니다.
전자 구조: TiN은 금속과 공유 결합 특성이 혼합되어 있으며, 전자 구조로 인해 전기 및 열 전도성이 뛰어납니다.

질화 티타늄의 응용 분야

코팅 필드

TiN 코팅은 질화물 코팅 중 가장 먼저 연구되고 시장 점유율이 가장 높은 코팅 중 하나입니다. 다양한 절삭 공구, 베어링 및 금형의 코팅층으로 널리 사용되어 수명을 늘리고 경제적 손실을 줄입니다. 일반 비코팅 공구에 비해 코팅 공구 절삭 속도는 25%~70%, 가공 정확도는 0.5~1 수준 증가, 공구 소모 비용은 20%~50% 감소, 내마모성은 2~10배 증가, 서비스 수명은 기하급수적으로 연장되었습니다. TiN 코팅은 산업 생산을 촉진하는 데 큰 역할을한다는 것을 알 수 있습니다.

마이크로 일렉트로닉스

마이크로 일렉트로닉스 분야에서 TiN의 우수한 전도성은 반도체 소자 전극, 완충층, 배리어층 등으로 사용될 수 있습니다. Si 소재를 기반으로 하는 집적 회로에서 Cu는 낮은 저항률과 우수한 전기 이동 저항성으로 인해 초대형 집적 회로를 제조하는 데 가장 유리한 배선 재료가 되었습니다. 그러나 Cu는 Si와 그 화학적 기판에서 확산되는 경향이 있어 반도체 소자의 성능에 심각한 영향을 미칩니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 Cu 필름과 기판 사이에 낮은 저항률의 층을 추가하기 위해 TiN 박막의 우수한 열 안정성, 즉 TiN 장벽 층, Cu의 확산을 방해하는 TiN 장벽 층은 동시에 Cu 필름 접착 강도를 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. TiN 장벽 층은 집적 회로에서 널리 사용되어 왔습니다. 40nm TN 두께로 증착된 Cw/TiN/Si 다층 필름을 575°C에서 2시간 동안 열처리한 결과, TiN 필름은 여전히 높은 차단 효과를 보였습니다.

코팅 필드

현대 생활 수준이 향상됨에 따라 단순하고 실용적인 장식 재료는 더 이상 사람들의 더 높은 영적 요구를 충족시킬 수 없습니다. 금과 같은 색상은 사람들에게 특별한 매력을 가지고있어 사람들이 금 모조품 분야에 많은 돈과 시간을 투자하게 만듭니다. 이전의 Cu 기반 모조 금 합금 또는 화학 금 도금 방법은 고비용, 환경 오염 및 지속 가능한 개발이 어렵습니다. TiN 필름은 금, 은 및 기타 귀금속과 유사한 광학 특성을 가지고 있으며 TiN 필름은 무독성이고 저렴하며 현대 모조 금 재료에 이상적인 선택입니다. 질소 함량이 필름의 색상에 미치는 영향을 조사하기 위해 마그네트론 스퍼터링 방법으로 TiN 필름을 제조한 결과, N/T 비율이 증가함에 따라 TiN 필름의 색상이 다양한 방식으로 변화하는 것으로 나타났습니다. 가변적이고 제어 가능한 색상으로 인해 TiN 필름은 장식 및 보석 분야에서 광범위한 응용 가능성을 가지고 있습니다.

의료 분야

TiN은 생체 적합성이 뛰어나 임상 의학 및 생체 공학에 사용할 수 있습니다. 생물의 내부 환경은 매우 복잡하고 전통적인 의료용 금속 재료는 생물의 내부 환경에 쉽게 영향을 받아 금속 재료 자체의 열화를 초래하고 더 심각하게는 재료의 열화가 생체에 해로울 수 있으며 의료용 금속 재료 표면에 TN 세라믹 코팅을 증착하면 금속 재료의 내식성과 생체 적합성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 이온 도금 기술로 TiN/Ti 복합재를 제조하고 동물 체내에서 테스트한 결과, TiN/Ti 복합재가 순수 Ti 및 의료용 스테인리스 스틸보다 적응성과 생체 적합성이 더 강한 것으로 나타났습니다. 치과에서는 구강 전해질 환경에서 임플란트의 부식을 늦추고 의료 기기의 수명을 늘리기 위해 주로 절삭 공구, 임플란트 및 틀니의 표면 코팅에 TiN 소재를 사용합니다.

기타 영역

TiN 필름은 가시광선 영역에서 반투명하고 적외선 영역에서 반사율이 높아 스마트 유리 분야에서 유망한 응용 분야입니다. TiN의 녹는점은 대부분의 과금속 질화물보다 높은 반면 밀도는 그 반대이며, 이는 TiN을 내화 재료의 방향으로 사용할 수 있는 특별한 특성입니다. 최신 재료 준비 기술의 발전으로 TiN은 에너지 저장, 배터리 및 감지기와 같은 응용 분야에 더 많은 범위를 갖게 되었습니다. 질화 티타늄은 간단한 준비와 우수한 특성으로 인해 현대 산업 생산에 가장 중요하고 없어서는 안 될 재료 중 하나입니다.

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