4.3 실험결과 및 고찰
4.3.2 Al 중간층 상 Zn-Mg 박막의 몰포로지 분석
Mg의 함량 증가에 따라 제작된 Zn-Mg 합금 박막에 대한 표면 및 단면의 몰포로지의 분석 결과는 다음과 같다. Fig. 4.6은 Al중간층을 삽입한 (Zn-Mg)/Al 박막의 SEM 및 AFM으로 분석한 표면 단면 사진을 나타낸 것 이다. (Zn-Mg)/Al 박막은 일정한 가스압 상태에서 모재와 증착막의 사이에 Al중간층을 삽입하여 제작하였고, (Zn-Mg)/Al 박막의 표면 및 단면은 Mg함 량 증가에 따라 분석하였다. 표면의 SEM 관찰 결과로는 일정한 결정립이 형성되고, 그 위에 큰 결정립이 형성되는 2중적 결정입자들이 만들어 졌다.
진공챔버 내에서 증착금속인 Zn와 Mg이 균일하게 이온화되어 증착되지만, 2중적 결정립의 형성은 Mg이온의 흡착활성유도로 인하여 Mg중심의 클러스 터 입자가 형성되었기 때문으로 사료된다. 즉, 클러스터 입자와 표면 몰포로 지의 Mg함량에 따른 큰 입자와 작은 입자의 형성은 Al중간층이 존재하는 경우에만 존재한다. 이것은 기판에서 Al2O3 산화피막이 Al2O로 비산 증발되 고, 증착금속 중 활성의 Mg 또는 상대적으로 다량의 Zn와 반응 및 결합하 므로서 생성되는 것으로 사료된다. Fig. 4.7은 Mg함량에 따른 표면 몰포로 지와 클러스터 입자와의 EDS 분석결과를 나타내고 있고, Fig. 4.8은 클러스 터 입자의 크기에 따른 표면 몰포로지의 EDS 분석 결과를 나타낸 것으로서 큰 결정입자는 Mg함량이 판상에 있는 입자보다 5 %이상 많이 검출되었다.
Fig. 4.9는 클러스터 입자의 크기에 따른 Al과 O2의 함량을 나타낸 것으로 서 판상의 클러스터 입자가 O2의 양이 많은 것을 알수 있다. 이와 같이 Fig.
4.10에 나타낸 것처럼 클러스터 입자와 표면 몰포로지의 Mg함량 관계에 있 어서 많은 클러스터 입자는 Mg이 O2와 흡착활성을 유도하여 밀착성 강화효 과를 나타내며, Mg함량 증가에 따라 주변 물질 흡착과 동시에 일시적 진공 도 개선 효과가 나타나고, 표면 이동도가 증가됨으로서 밀착성이 향상되는 것으로 사료된다. 또한, 단면의 형상은 입상정 형태로 성장하였고, 모재와 (Zn-Mg)/Al 박막사이에는 Al중간층막이 형성되었다. 전체적으로 (Zn-Mg)/Al 박막은 Mg함량이 증가함에 따라 표면의 결정립 크기가 작아지는 경향을 나 타내었고, 7.5 % Mg에서 13n % Mg까지의 단면의 크기는 점점 작아졌지만, 14 % Mg의 단면의 크기는 다시 크졌다. 이것은 (Zn-Mg)/Al 박막 형성시 Zn에 대한 Mg의 고용한계에 따라 (Zn-Mg)/Al 박막이 형성되었고, 고용되지 않는 Mg은 클러스터 입자로 형성되어 단면의 두께가 크진 것으로 사료된다.
Fig. 4.11은 Al중간층을 삽입한 (Zn-Mg)/Al 박막의 이상적인 형성 모델 에 대한 SEM 몰포로지 사진을 나타내는 것으로 Mg함량 증가에 따라 결정 입자의 크기는 작아지는 것으로 나타났다. 이와 같은 이유는 다음과 같이 설 명할 수 있다. 즉, 확산이 제어된 흡착 원자의 고립된 단일 핵자가 형성되고, 오스왈드 성장(ostwald growth)에 의해 성장하는 결정입자는 점점 성장을 계속하여 조직이 조대화 된다. 그리고, 결정핵의 이동에 의한 합체가 이루어 지고, 증착원자의 결정핵 성장에 따른 예외 영역이 결정핵 주위에 존재하게 된다. 계속해서 기판온도, 표면 에너지 등에 의한 결정입자의 합체가 이루어 지고, Mg함량 증가에 따라 결정입자는 미세화 되고, 결정핵의 합체, 해리, 일시적 용융이 일어나고, 결정핵의 합체 후 일시적 온도하강 및 재결정화가 나타나게 되어 결정입자는 더욱 미세화 된다. 결국, 같은 지름과 등간격의 결정핵에 의한 이상적 모델이 이루어 지게 된다. 이와 같은 현상은 Fig.
4.12에 나타낸 것처럼 Al중간층이 없는 경우에는 결정입자는 Fe기판의 표면 형상을 따라 조대하고 굴곡이 큰 입자가 형성되지만, Al중간층이 있는 경우는 Al표면의 형상에 따라 Zn-Mg박막이 결정입이 형성된다. 따라서 Mg함량 증가 에 따라 결정입자의 크기는 작아지게 되고, 밀착성과 내식성에 중요한 영향을 미치게 되는 것으로 사료된다.
Specimen
Classification 7.5Mg 10Mg 11Mg 13Mg 14Mg
Top surface
AFM Image
Cross section
Fig. 4.6 SEM photographs for top surface and cross section of Zn-Mg thin films at Mg/Zn ratio with Al interlayer
Cluster
Classification Cluster particle 1 Cluster particle 2 Cluster particle 3
Crystal particle
EDS image
Surface morphology
EDS image
Fig. 4.7 EDS analysis of cluster particle and surface morphology with Mg content
Cluster-1 Cluster-2 Cluster-3 Plate-1 Plate-2 Plate-3 0
10 20 70 75 80
Element (Wt. %)
Analysis location
O Mg Al Zn
Fig. 4.8 EDS analysis of surface morphology by grain size
Cluster-1 Cluster-2 Cluster-3 Plate-1 Plate-2 Plate-3 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2
Element (Wt. %)
Analysis location
Al O
Fig. 4.9 EDS analysis of surface morphology by grain size(Al, O2)
(a) Increase of adsorption activity (b) Effect of temporary vacuum improvement
Fig. 4.10 Increase of adsorption activity and effect of temporary vacuum improvement with Mg/Zn content increase
Morphology Growth
method
Formation of (Zn-Mg)/Al
Morphology Growth
method
Formation of (Zn-Mg)/Al island single
nucleon of the adatom where the diffusion is
controlled
coalescence of crystal particles by
substrate temperature and
surface energy Ostwald growth
(crystal particles
→ nuclei growth)
grain refinement with Mg content
increase
coalescence by migration of crystal particles
crystal coalescence and
recrystallization with temperature
decrease
exclusion zone in crystal nuclei surroundings existence with crystal
nuclei growth of deposition atom
ideal model by nuclei of same diameter and
interval
Fig. 4.11 SEM morphology for formation mechanism of (Zn-Mg)/Al thin film
Substrate
Morphology Fe substrate Al/Fe substrate
Substrate mophology
Deposited mophology (Zn-Mg thin film)
Fig. 4.12 Comparative analysis of Fe substrate morphology and Al/Fe substrate morphology