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한국염색가공학회지 pissn 1229-0033, eissn 2234-036X 연구논문 ( 학술 ) https://doi.org/10.5764/tcf.2017.29.1.18 Properties of Silicon-deposited Meta-aramid Fabrics by RF Magnetron Sputtering *Corresponding author Seung Goo Lee (lsgoo@cnu.ac.kr) 박종현, 이선영, 김춘수, 강송희, 김의화 1, 이승구 * 충남대학교유기소재공학과, 1 신한대학교섬유소재공학과 Jong Hyeon Park, Sun Young Lee, Chun Su Kim, Song Hee Kang, Eui Hwa Kim 1 and Seung Goo Lee* Department of Organic Materials Engineering, Chungnam National University, Daejeon, Korea 1 Department of Textile Materials Engineering, Shinhan University, Dongducheon, Korea Received_February 12, 2017 Revised_March 15, 2017 Accepted_March 20, 2017 Textile Coloration and Finishing TCF 29-1/2017-3/18-24 c2017 The Korean Society of Dyers and Finishers Abstract Meta-aramid fabric has been widely used as the reinforcement of composites due to its high flame resistance and tearing strength. Functionality such as abrasion resistance of fabric is very important for specialty fabrics used in car racing suits. In this study, to improve abrasion resistance property of meta-aramid fabric, silicon deposition was conducted by utilizing RF magnetron sputtering. The sputtering process parameters effects were investigated as sputtering power and substrate temperature. The obtained results suggest that the silicon deposition on the meta-aramid fabric has obvious effect upon increasing the abrasion resistance, the thermal insulation and the electric resistance condition for silicon deposition was established. In conclusion, the results of this study have made it possible to manufacture meta-aramids with higher abrasion strength. Keywords meta-aramid fabric, silicon deposition, RF magnetron sputtering, sputtering power, abrasion resistance 1. 서론 익스트림스포츠인모터사이클경기에대한인기가높아짐에따라모터사이클복에대한관심도높아지고있다 1). 모터사이클경기도중의착용자의안전성확보차원에서모터사이클복용소재의성능조건으로내열성과난연성이매우중요하게간주되고있다 2). 이조건을충족하는메타아라미드섬유는높은융점및연기발생이낮은수준이며우수한난연성을갖는고성능섬유로모터사이클뿐만아니라브레이크패드, 가스켓, 열풍필터, 산업용벨트및로프, 파울패널, 연료탱크, 타이어코드, 광섬유인장부재, 방탄헬멧, 몸체등에 널리쓰이고있다 3,4). 그러나메타아라미드는높은내열성과난연성에비해마모강도가상대적으로낮은결점을나타낸다. 대부분난연성및내열성용으로많이쓰이고있는메타아라미드는강도가필요한분야에서쓰이지못하는이유도이러한낮은기계적물성을갖고있기때문이다. 최근에는낮은내마모성을가지는메타아라미드에파라아라미드를복합하여기계적물성을올리는방법이사용되었으나파라아라미드의높은가격과복잡한제직공정으로인해메타아라미드에고기능성코팅가공을하는연구가진행되고있다 5-11). 본연구에서는메타아라미드섬유의비교적낮은내마모성을향상시키고메타아라미드직물의표면특성 18

19 을개선하기위해실리콘증착가공을행하였다. 강화재로서고온강도파괴인성이우수하고, 내마모성과열충격에대한내성이탁월한실리콘 (Si) 을사용하였으며, 직물을얇은표면층으로코팅하여두께의변화를최소화하기위해 RF 마그네트론스퍼터링방법을이용하였다. 공정변수로는증착시의기판온도및 RF 인가전력등을변화시켜실리콘이증착된메타아라미드직물을제조하였으며, 각공정변수에따른직물의특성변화를분석, 검토하였다. 2. 실험 2.1 실험재료 2.1.1 메타아라미드직물과실리콘본연구에사용된기판은메타아라미드로, 열분해점이 400 이기때문에실험변수조건인온도에의한영향은없을것으로사료되며, 열분해점은 Figure 1에서확인할수있다. 이물질제거를위하여 60 의증류수에 2회수세후상온에서에탄올과아세톤에각각 2 회씩충분히수세하여 24시간동안상온건조하는과정을거쳐정련된메타아라미드직물을얻었으며, 사용된메타아라미드의스펙은 Table 1에나타내었다. 실리콘박막은 3inch Si 타겟 (99.99%, DASOM- RMS, Co. Ltd) 을이용하여 60분동안증착을진행하였으며, 증착변수를기판온도 ( ), RF 인가전력 (W) 등으로변화시키며 RF 마그네트론스퍼터링법으로 Si 박막을증착시켰다. Table 1. Characteristics of the fabric Fiber Meta-aramid Fabric weave plain Fabric count (wp * wf) 78*60 Thickness (mm) 0.4 Weight (g/m 2 ) 181 Width (m) 16.6 2.2 메타아라미드 / 실리콘복합재료제조본실험에사용된장비는 RF 마그네트론스퍼터링장치로써 Figure 2에나타내었다. RF power 10W 에서최대 300W까지조절가능하며상온에서최대 350 까지온도를조절할수있도록히터가구비되어있다. 실리콘증착조건은기판온도를상온, 100, 200, 300 와 RF 인가전력을 20, 40, 60, 80W로달리하여제조하였으며, 증착시간을 60분으로고정하여증착을진행하였으며, 증착조건을 Table 2에나타내었다. 2.3 분석 2.3.1 형태학적분석각공정조건에따라실리콘이증착된메타아라미드직물의표면특성과증착된실리콘의크기및형태를주사전자현미경 (scanning electron microscope : SEM) 으로관찰하였고, 실리콘의존재여부및구성원소비율을에너지분산분광기 (energy dispersive spectroscopy : EDS) 로분석하였다. Figure 1. TGA(thermogravimetric analysis) curve of Meta-aramid. Figure 2. Schematic diagram of RF sputtering device. Textile Coloration and Finishing, Vol. 29, No. 1

20 박종현 이선영 김춘수 강송희 김의화 이승구 Table 2. Deposition conditions of sputtering Sample Deposit time (min) Substrate temperature ( ) Sputtering power (W) 1 60 200 20 2 60 200 40 3 60 200 60 4 60 200 80 5 60 25 60 6 60 100 60 7 60 300 60 2.3.2 마모강도특성분석각공정조건에따라실리콘이증착된메타아라미드직물의마모강도분석을위해굴곡마모시험기 (Abrasion testing machine, SDL ATLAS, Model M282, USA) 를사용하여굴곡마모시험을진행하였다. 굴곡시험및시편제조는 KS K 0607 에의거하여이루어졌으며, 각조건별로 10개의시편이측정에사용되었다. 2.3.3 열전도율특성분석실리콘이증착된메타아라미드직물의열전도율특성을 KES-F7 Thermo LaboⅡ(Kato Tech, Japan) 를이용하여분석하였다. 온도 20, 습도 65%RH 의실험환경에서분석하였고, 다음과같은식 (1) 로부터열전도율을계산하였다. K = W D (1) A T where, K : thermal conductivity (W/m K) D : thickness A : area of test hotplate T : temperature difference of sample W : heat flow loss (W) 2.3.4 전기저항특성분석실리콘이증착된메타아라미드직물의전기저항을밀리옴미터 (Agilent technologies, 4338B, USA) 를이용하여분석하였다. 온도 20, 습도 65%RH 의실험환경에서분석하였다. 3. 결과및고찰 3.1 메타아라미드 / 실리콘복합재료의특성 3.1.1 형태학적분석 Figure 3은각공정변수에따라실리콘이증착된메타아라미드직물의표면형태를 SEM으로관찰한결과를제시한것이다. Figure 3 (A) 는가스압력 6mtorr, RF 스퍼터링전력 60W, 아르곤과산소의혼합비 100:50 에서기판온도를상온, 100, 200, 300 로변화시키고, (B) 는가스압력 6mtorr, 기판온도 200, 아르곤과산소의혼합비 100:50 에서스퍼터링전력을 20, 40, 60, 80W로변화시켜실리콘박막을증착한메타아라미드직물의표면형태를나타내고있다. 기판온도와인가전력이높아질수록실리콘의증착이대체로증가하는것을관찰할수있었으며, 기판온도 200, 인가전력 60W 조건에서가장높은증착도를보였다. 이러한경향은 EDS 분석을통해서도확인할수있었으며, Figure 4에나타내었다. Figure 4 (a) 를보면 200 까지는기판온도증가에기인한높은표면이동에의해실리콘입자가성장하나기판온도가 300 이상으로증가하면, 실리콘이더이상성장하지않은것으로분석되었다. 이는기판과실리콘박막의열팽창계수의차이로인해기계적응력이발생되어실리콘입자의성장을저해시켰기때문인것으로사료된다. 또한인가전력이증가할수록실리콘의비율이대체로증가하지만, 80W에서는다소감소하였다. 이는인가전력이어느수준이상이되면입자간충돌로타겟입자가시편위에증착된실리콘입자를외부로방출시키기때문으로사료되며, 이러한결과는 한국염색가공학회지제 29 권제 1 호

21 Figure 3. Surface images of the Si deposited meta-aramid fabrics with sputtering parameters(sem, 5000); (A) substrate temperature (a) 25, (b) 100, (c) 200, (d) 300 (sputtering power : 60W), (B) sputtering power (a) 20W, (b) 40W, (c) 60W, (d) 80W (substrate temperature : 200 ). Figure 3 (d) 에서표면형상을통해서도확인할수있다. Figure 4. Chemical composition of the silicon deposited meta-aramid fabric surface with sputtering parameters by EDS; composition of element with (a) substrate temperature, (b) sputterin. 3.1.2 마모강도 Figure 5 (a) 와 (b) 는각각기판온도와인가전력변수조건에따라마모가종결될때까지의횟수를나타낸것이다. 여기서실리콘을증착시킨시편은실리콘을증착하지않은시편보다더높은마모강도를나타냈다. 이는메타아라미드직물표면에서실리콘이슬립현상을유발하여마모를저해하기때문으로사료된다. 또한, 기판온도및인가전력이높을수록마모강도가점차높아진다는것을볼수있었으나, Figure 5 (a) 에서의기판온도조건 300 와 (b) 에서의인가전력조건 80W에서는마모횟수가다소감소하였다. 이는 EDS 분석에서의기판온도및인가전력에따른증착직물의실리콘 (Si) 조성비변화경향과대체로일치하는것으로나타났다. 따라서이는실리콘의증착도는마모강도와직접적인상관관계가있다는것을알수있으며, 이와같은결과로부터실리콘을내마모특성향상을위한가공재로이용하였을때, 메타아라미드직물의마모강도를효과적으로향상시킬수있음을시사한다. Textile Coloration and Finishing, Vol. 29, No. 1

22 박종현 이선영 김춘수 강송희 김의화 이승구 Number of cycles to break Number of cycles to break Figure 5. Number of cycles to break with (a) substrate temperature, (b) sputtering power. Figure 6. Thermal conductivity of silicon deposited meta-aramid fabric with (a) substrate temperature, (b) sputtering. 3.1.3 열전도율기판온도와인가전력에따른실리콘이증착된메타아라미드직물의열전도율을측정한결과를 Figure 6 에나타내었다. 실리콘이증착된메타아라미드직물의열전도율은기판의온도가높아짐에도불구하고유의한변화가없는것으로나타났다. 이는실리콘자체의열전도율은 149W/m K로비교적높은편이라본공정변수범위에서증착은직물의열전도율변화를유발하지않는것으로보인다. 이로부터실리콘을내마모성향상을위한가공재로서사용하여도직물의열전도율의변화없이내마모특성을향상할수있음을알수있다. 된메타아라미드직물의전기저항은증가하다가기판온도 200 와인가전력 60W에서최대값을가지고, 그이후다소감소하는경향을보였다. 기판온도와인가전력이증가함에따라전기저항이증가한것은실리콘증착도가증가하면서실리콘자체의높은전기저항이증착직물의전체전기저항에주로지배적인영향을주기때문이며, 전기저항이최대값이후다소감소하는경향은마모강도와유사한이유로실리콘의증착도에의한상관관계로사료된다. 4. 결론 3.1.4 전기저항 Figure 7 (a) 와 (b) 는다양한기판온도와인가전력의변화가실리콘이증착된메타아라미드직물의전기저항에미치는영향을살펴본결과를나타낸것이다. 기판온도와인가전력이높아짐에따라실리콘이증착 본연구에서는 RF 마그네트론스퍼터링가공기술을통해메타아라미드직물에대한실리콘증착의최적조건을확립하였다. 다양한기판온도와인가전력을이용하여실리콘이증착된메타아라미드직물을제조하였으며, 기판온도와인가전력조건의변화를통해증 한국염색가공학회지제 29 권제 1 호

23 가공재로서사용하여도직물의열전도율의변화없이내마모성을향상시킬수있음을알수있었다. 3. 형태학특성및마모특성결과를고려할때, 기판온도 200 및인가전력 60W의증착조건이실리콘 (Si) 코팅을위한최적조건으로확립되었다. 감사의글 본연구는섬유생활스트림간협력기술개발사업 ( 과제번호 10052525) 의지원및관리로수행되었습니다. References Figure 7. Variations of electric resistance of Silicon deposited fabric by RF magnetron sputtering with (a) substrate temperature, (b) sputtering power. 착직물의형태학및마모강도등다양한특성을분석하여다음과같은결론을얻었다. 1. 기판온도및인가전력이증가함에따라메타아라미드직물표면에증착된실리콘입자크기는증가하였다. 적당한기판온도가되면입자들이에너지를얻어서기판표면위이동이증가하여, 쉽게서로모여임계크기를넘은안정한클러스터를형성하여박막으로성장하며박막밀도가향상되었다. 또한, 인가전력이증가할수록증착속도가증가하여증착률이증가되었다. 2. 마모강도및열전도율분석결과, 실리콘증착은주어진마모조건하에서메타아라미드직물의내마모성에뚜렷한영향을미치며, 실리콘증착이메타아라미드직물의열전도율에는유의한영향을미치지않았다. 이로부터실리콘을내마모성향상을위한 1. N. N. Baeva, E. A. Manyukov, S. F. Sadova, L. V. Konovalova, and G. S. Negodyaeva, Sorption and Densitometric Properties of Meta/Para-aramid Fibres, Fibre Chemistry, 39(3), 205(2007). 2. C. C. Foo, G. B. Chai, and L. K. Seah, Mechanical Properties of Nomex Material and Nomex Honeycomb Structure, Composite Structures, 80(4), 588(2007). 3. L. Yao, K. T. Kim, and J. Y. Kim, Fabrication of Metaaramid Fibrid by Precipitation, Fibers and Polymers, 13(3), 277(2012). 4. I. Padleckiene, A. Abraitiene, L. Valaseviciute, S. Krauledas, R. Puodziuniene, and L. Jovaisiene, Mechanical and Thermal Properties of Meta-aramid, Viscose FR and Polyester FR Knitted Materials, Mechanika, 18(5), 174(2013). 5. L. R. Yao and J. Y. Kim, The Microstructure and Mechanical Property of Meta-aramid Nanofiber Web for High Temperature Filter Media, In: Advanced Materials Research, Trans Tech Publications, 175(4), 318(2011). 6. K. Ramani, W. J. Weidner, and G. Kumar, Silicon Sputtering as a Surface Treatment to Titanium Alloy for Bonding with PEKEKK, International J. of Adhesion and Adhesives, 18(6), 401(1998). 7. L. A. Marques, J. E. Rubio, M. Jaraiz, L. A. Bailon, and J. J. Barabolla, Dose Effects on Amorphous Silicon Sputtering by Argon Ions : A Molecular Dynamics Simulation, J. of Applied Physics, 81(3), 1488(1997). 8. G. Xu, P. Jin, M. Tazawa, and K. Yoshimura, Optical Textile Coloration and Finishing, Vol. 29, No. 1

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