KR100195605B1 - 다이아몬드형상의 박막형성방법 및 테이프구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 비디오테이프레코더나 카세트데크 등에 사용되는 자기테이프구동장치에 관한 것으로서, 캡스턴축의 표면에 DLC막을 형성함으로써, 캡스턴축의 마모를 감소시키는 동시에 자기테이프와 캡스턴축 사이의 테이프구동력을 높이고, 핀치 롤러의 압접력이 작아도 슬립이 없고 안정적으로 자기테이프를 구동할 수 있는 테이프구동장치를 제공하는 것을 목적으로 한 것이며, 그 구성에 있어서, 자기테이프와, 상기 자기테이프를 구동하는 캡스턴축(1)과, 자기테이프를 상기 캡스턴축(1)에 압접하는 핀치롤러(22)로 구성되는 테이프구동장치에 있어서, 상기 캡스턴축(1)의 표면에 크누프경도가 5000kgf/㎟이상이고, 밀도가 3이하이고, 수소함유율이 30%이하를 가진 다이아몬드형상의 박막이 형성된 것을 특징으로 하는 테이프구동장치이다. 상기 특성을 가진 다이아몬드형상의 박막을 사용함으로써, 자기테이프에 대한 구동력이 종래의 다이아몬드형상의 박막에 비해서 20%이상 향상된다.

Description

다이아몬드형상의 박막형성방법 및 테이프구동장치

제1도는 제1발명을 표시한 구성도.

제2도는 본 발명을 실시한 박막형성장치의 구성도.

제3도는 제2도의 장치에 있어서의 DLC막의 크누프경도와 기재에 인가한 기판바이어스와의 관계를 표시한 도면.

제4도(a), (b)는 각각 본 발명 및 비교예의 라만분광스펙트럼을 표시한 그래프.

제5도(a), (b)는 각각 본 발명 및 비교예의 전자선회절의 관찰결과를 도시한 사진.

제6도(a), (b)는 각각 본 발명 및 비교예의 투과전자현미경의 관찰결과를 도시한 사진.

제7도는 제 1발명의 제 1실시예에 의한 테이프구동력의 에이징특성을 도시한 그래프.

제8도는 제 1발명의 제 2실시예에 의한 테이프구동력의 에이징특성을 도시한 그래프.

제9도는 캡스턴축의 테이프 및 핀치롤러와의 접촉부분비와 구동력의 관계를 표시한 그래프.

제10도는 제 1발명의 제 3실시예에 의한 테이프구동력의 에이징특성을 표시한 그래프.

제11도(a), (b)는 제 2발명을 표시한 도면.

제12도는 제2도의 장치에 있어서의 규소함유탄소막의 크누프경도와 기판에 인가한 기판바이어스의 관계를 표시한 그래프.

제13도는 제 2발명의 제 1실시예에 의한 테이프구동력의 특성을 표시한 그래프.

제14도는 캡스턴축의 테이프 및 핀치롤러와의 접촉부분비와 구동력의 관계를 표시한 그래프.

제15도는 제 2발명의 제 2실시예에 의한 테이프구동력의 특성도.

제16도는 각종 원료를 사용했을 때의 크누프경도를 비교하는 그래프.

제17도는 각종 원료를 사용했을 때의 막형성의 속도를 비교하는 그래프.

제18도는 산화층을 제거한 후, 탄소막을 형성한 캡스턴축의 오제분석결과를 표시한 그래프.

제19도는 산화층을 충분히 제거하지 않고, 탄소막을 형성한 캡스턴축의 오제분석결과를 표시한 그래프.

제20도(a), (b)는 테이프구동장치의 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 21 : 캡스턴축 1a : DLC막

1b : 캡스턴축기재 1c : 규소, 탄소함유박막

2 : 캡스턴축유지부재 3 : 모터

4 : 직류전원 5 : 이온

6 : 이온원 22 : 핀치롤러

23 : 자기테이프

본 발명은 비디오테이프레코더나 카세트테크 등에 사용되는 자기테이프구동장치에 관한 것이다.

종래, 비디오테이프레코더나 카세트테이프레코더 등의 자기기록재생장치에서는, 자기 테이프를 핀치롤러에 의해 캡스턴축에 압접하고, 캡스턴축을 정속도로 회전시킴으로써 자기테이프의 구동을 행하고 있다.

이하에 종래의 테이프구동장치에 대해서 제20도를 사용해서 설명한다. 제20도에 있어서, (21)은 캡스턴축, (22)는 캡스턴축방향으로 이동가능하고 또한 자기테이프(23)를 압접하면서 회전하는 핀치롤러이다. 핀치롤러(22)는 자기테이프(23)를 캡스턴축(21)에 압접하고 있기 때문에, 자기테이프(23)는 캡스턴축(21)의 회전속도에 따라서 캡스턴축(21)의 회전방향으로 반송된다. 이때 테이프의 슬립이 발생하지 않도록, 핀치롤러(22)가 캡스턴축(21)에 압접하는 압접력을 통상 1kg 이상으로 설정되어 있다. 여기서, 캡스턴축(21)의 표면에 미세한 오목볼록을 형성함으로써, 캡스턴(21)과 자기테이프(23)사이의 마찰력을 높여서 테이프구동력을 향상시키고, 테이프의 슬립을 적게 하고 있는 예도 보도되어 있다. 또한, 본 발명자들은 캡스턴축(21)의 표면에 다이아몬드형상박막(DLC막이라고도 칭함)을 합성하고, DLC막의 마찰접동특성과 내마모성을 살려서 테이프구동력의 향상을 실현한 테이프구동장치를 보고하고 있다(일본국 특원평 3-209161).

DLC막은 비정질이면서 다이아몬드에 가까운 여러 특성을 구비하고 있기 때문에, 트라이볼러지(tribology)분야에의 응용을 비롯해서 폭넓은 응용개발이 기대되고 있는 재료이다. 그 합성방법은 플라즈마DLC법, 이온빔스퍼터법, 이온플레이팅법 등이 보고되어 있다.

그중 하나, 플라즈마DLC법은, 탄화수소나 일산화탄소 등의 탄소원자를 함유한 가스를 원료로 해서, 고주파나 마이크로파, 또는 직류전압에 의해서, 원료가스를 플라즈마화하고, 그중의 이온이나 라디컬을 이용해서 DLC막을 합성하는 방법이다(예를 들면 일본국 특허등록번호1479432호 참조).

이온빔스퍼터법은 탄소원이 되는 고체타겟(예를 들면 그래파이트 등)에 아르곤이나 크세논 등의 이온빔을 조사하고, 이온의 에너지에 의해서 탄소원자 또는 그 클러스터를 타겟으로부터 쳐내고, 이것을 기판에 퇴적하는 방법이다(예를 들면, 일본국 특개소 61-122197공보참조).

이온플레이딩법은, 탄화수소가스를 원료로 하는 것과, 고체타겟을 사용하는 경우가 있다. 가스를 사용하는 경우에는 플라즈마CVD법과 마찬가지로, 원료가스를 플라즈마화하고 기판에 부전위를 인가해서 플라즈마중의 이온을 가속하고, 기판에 충돌시키는 방법이다. 또, 고체타겟을 사용하는 경우에는 전자선조사 등에 의해 용융시키고, 그 증발입자를 고주파 등에 의해서 일부이온화시켜 기판에 퇴적시키는 것이다.

이와 같은 내마모성이나 접동성이 뛰어난 DLC막을 사용함으로써, 테이프구동장치의 구동력 향상을 행하고 있다.

비디오테이프레코더나 카세트데크 등의 자기기록재생장치에 있어서, 자기테이프를 안정되게 구동할 수 있는 메카니즘은 중요한 요소기술이다. 이 테이프의 안정구동에는 핀치롤러가 테이프를 캡스턴축쪽으로 적절한 압접력에 의해서 밀어붙임으로써 실현하고 있으나, 압접력이 작으면 캡스턴축과 자기테이프 사이에서 슬립이 발생하여, 자기테이프를 안정되게 구동하는 것이 곤란하게 된다.

그러나, 특히, 비디오무비 등에서는 소형경량화를 위하여 기계부나 섀시를 구성하는 부품이 한계가까이까지 소형, 박형화되어 있고, 핀치롤러의 압접에 의해서 핀치암 등의 기계부품에 변형이나 휘어짐이 발생하기 쉽게 되어 있다. 또 캡스턴축 자체나 그것에 사용되는 베어링도 작게 되어 있기 때문에 허용되는 부하도 작게되고, 핀치롤러의 압접력이 크면 베어링의 수명이 짧아진다. 이들 사실로부터 핀치롤러의 압접력은 작은 것이 요망되고 있다. 즉, 테이프를 미끄러지지 않게 할 수 있을 만큼 핀치롤러의 압접력을 작게 하는 것이 중요한 과제인 것이다.

캡스턴이 테이프를 구동하는 테이프구동력은, 캡스턴축과 테이프 사이의 마찰력 및 핀치롤러와 테이프 사이의 마찰력에 의해 발생하나, 종래의 캡스턴에서는 핀치롤러와 테이프 사이의 마찰력이라고 되어왔다. 이것은 종래의 캡스턴은 핀치롤러의 폭이 테이프폭보다 크고, 핀치롤러의 일부와 캡스턴이 직접 접촉한다. 이 때문에, 캡스턴축의 회전력의 일부가 핀치롤러에 직접 전해지고, 또 핀치롤러로부터 테이프에 전달된다. 캡스턴축의 표면은 적어도 수 미크론 정도이하의 평활면으로 가공되는 한편, 핀치롤러는 고무 등의 탄성체이므로, 테이프·캡스턴축사이의 마찰계수보다도 테이프·핀치롤러사이의 마찰계수나 캡스턴축·핀치롤러사이의 마찰계수의 쪽이 크다. 이 때문에, 종래부터, 캡스턴의 테이프구동력이 핀치롤러와 테이프 사이의 마찰력이 캡스턴의 테이프구동력으로 되고 있다.

캡스턴축과 테이프 사이의 마찰력을 높이는 방법으로서는, 캡스턴축의 표면에 미세한 오목볼록을 형성하는 것이 생각되고 있다. 즉, 캡스턴축의 표면의 오목볼록에 의해서 캡스턴축과 테이프와의 사이의 마찰계수를 증대시키고, 안정된 테이프주행을 실현한다. 그러나, 이 경우, 점차 오목볼록이 평활화되어 테이프구동력이 저하한다는 과제가 있었다.

본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하는 것으로서, 캡스턴축의 표면에 DLC막을 형성함으로써, 캡스턴축의 마모를 줄이는 동시에 자기테이프와 캡스턴축 사이의 테이프구동력을 높이고, 핀치 롤러의 압접력이 작아도 슬립이 없고 안정적으로 자기테이프를 구동할 수 있는 테이프구동장치를 제공하는 것이다.

종래 기술의 부분에서 상기한 바와 같이, 과제를 해결하기 위하여, DLC막을 사용한 테이프 구동장치를 개발했다. 그러나 본 발명자들이 주의깊게 검토결과, 종래의 테이프구동성능을 초월한 새로운 테이프구동장치를 제공하는 것이다.

상기 과제해결을 위하여 제공하는 제 1발명은, 캡스턴축과, 자기테이프를 캡스턴축에 압접하는 핀치롤러로 구성되는 테이프구동장치에 있어서, 캡스턴축의 최외측표면은, 크누프경도가 5000kgf/㎟이상이고, 밀도가 3이하이고, 수소함유율이 30%이하인 DLC막을 가지는 것을 특징으로 하는 테이프구동장치이다.

또, 제 2발명은 캡스턴축에 적어도 Si(규소)와 탄소를 함유하고, 크누프경도가 1000kg/㎟이상인 박막을 형성하고, 그 상층에, 크누프경도가 5000kg/㎟이상이고, 밀도가 3.0이하이고 소수함율이 30%이하인 DLC막을 가진 것을 특징으로 하는 테이프구동장치이다.

또, DLC막은 원료로서 벤젠고리에 1개이상의 알킬기가 결합한 알킬벤젠을 사용하고, 이것을 플라즈마화해서 내부의 이온을 가속하여 합성하는 것이다. 또, 막의 형성전에는 캡스턴축표면에 존재하는 산화층을 불활성가스에 의해서 제거하고 DLC막을 형성한 것이다. 또는, 캡스턴축의 표면에 Cr층을 편석(偏析)시키고, 그 위에 DLC막이 형성된 것이다.

DLC막은 비정질이면서 다이아몬드와 유사한 특성을 나타내는 탄소막이다. 그 구조는 주로 다이아몬드결합(SP3결합)성분과 그래파이트결합(SP2결합)성분, 그밖에 무정형탄소 등의 혼재한 것으로 생각되고 있다. 막의 특성은 각종 결합성분의 존재비율과 밀접한 관계가 있고, 다이아몬드결합이 많이 함유되는 것일수록 다이아몬드에 가까운 특성을 나타낸다. 또, 마찰계수의 속도의존성이 크고, 자기테이프가 통상 접동할 때의 동마찰계수는 낮은 데도 불구하고 정지마찰계수나 상당히 낮은 속도로 접동할 때의 동마찰계수는 크다는 특성을 구비하고 있다.

본원 발명자들은 캡스턴축위에 형성한 DLC막의 품질과 그 테이프구동력의 관계에 대해서 주의깊게 검토를 행한 결과, 이하와 같은 사실을 알아냈다. 즉, 크누프경도가 5000kgf/㎟이상이고, 밀도가 3이하이고, 수소함유율이 30%이하인 DLC막을 캡스턴축의 표면에 형성함으로써 테이프의 구동력이 향상되고, 종래의 DLC막을 사용한 캡스턴에 비해서 구동성능이 20%이상 높은 것이 판명된 것이다.

상기 물성을 가진 DLC막이 높은 구동력을 나타내는지, 명확한 원인은 알지 못하나 DLC막중에서도 비교적 다이아몬드결합을 많이 함유하는 것은, 그 치밀성이 낮은 것이 판명된 것이다. 본 발명에 설명하는 막형성방법은 원료가스를 플라즈마화시키고, 플라즈마중의 이온을 가속함으로써, 기판에 이온이 충돌할때에, 극히 미소한 영역에서 다이아몬드결합을 만들어내는 높은 에너지상태가 발생한다. 이것은 비교적 진공도가 높은 분위기에서, 이온이 가진 에너지가 유효하게 막형성에 작용하는 결과라고 생각된다. 이 때문에 많은 다이아몬드성분이 분산해서 막이 존재하기 때문에 완전한 비정질이 되고, 그 결과, 막자체는 탄성률이 작아지는 것으로 생각되고, 테이프구동력이 높아진다고 생각된다. 또, DLC막은 내마모성이 뛰어나기 때문에, 높은 구동력을 장시간 안정되게 유지할 수 있는 것이다.

또, DLC막에는 막내에 내부응력이 존재하기 때문에, 부착력이 중요한 요소이나, 캡스턴축과 DLC막의 중간층으로서 Si(규소)와 탄소를 함유한 박막을 도입함으로써, 탄소막의 부착성은 보다 향상하는 것이다. 이 중간층은 Si 및 탄소를 함유한 가스를 플라즈마화하고, 플라즈마중의 이온을 가속하고, 즉, DLC막의 형성과 마찬가지의 방법에 의해서 막을 형성함으로써 얻어진다. Si는 탄소와의 결합을 만들기 쉬우므로 중간층의 재료로서 적합한 재료이다. 또, 동시에 탄소를 함유하므로, 중간층막을 형성하는 과정에서 부분적으로 다이아몬드결합을 만들어내고, 비교적 경질이고, DLC막과 유사한 중간층을 형성할 수 있다. 이 방법에 의하면, 중간층자체의 경도를 단단하게 할 수 있기 때문에, 막의 부착성을 향상하면서 핀치롤러에 의한 전단력에 견딜 수 있는 강도의 중간층을 형성할 수 있다. 즉, 중간층의 경도가 적어도 100kg/㎟이상 가짐으로써, 탄소막의 부착성을 최대로 향상할 수 있는 것이다. 이것은, 상기한 바와 같이, 캡스턴축에는 핀치롤러에 의한 큰 압접력이 작용하므로, 중간층이 1000kg/㎟미만일 경우에는, 그 상층의 DLC막을 단단하게해도, 중간층의 부분으로부터의 막파괴에 의해서, 용이하게 막의 박리가 발생한다. 따라서, 어떤 적당한 경로를 가진 중간층이 막전체의 부착성을 최대로 향상시키는 것이다. 또, 계속해서 DLC막의 형성이 가능하기 때문에, 1프로세스에 의해 캡스턴축의 처리가 가능하게 되고, 종래의 생산성을 손상하는 일없이 뛰어난 테이프구동장치를 실현할 수 있는 것이다.

그런데, DLC막의 원료로서는, 벤젠고리에 알킬기가 결합한 알킬벤진을 사용함으로써, 내부응력이 작은 DLC막을 형성할 수 있다. 이것은, 막중에서 벤젠고리 또는 벤젠고리의 일부의 틈새에 메틸기, 그 밖의 탄소, 수소성분이 들어가고, 막자체의 응력완화를 실현하는 것으로 추정되고, 이 결과 캡스턴축위의 DLC막의 부착성이 향상되는 것이다.

또, 막의 경도에 대해서도 단단해지는 경향이 있고, 이 원인에 대해서는 구체적으로 알 수 없다. 또, 스테인레스강 등이 금속기판의 표면에는 통상 30∼50Å정도의 산화층이 생성되고 있다. 스테인레스강 경우는 Fe₂O₃, Fe₃O₄, Cr₂O₃등의 산화물로 이루어진 산화층이 형성되어 있다. 이 산화층이 다이아몬드형상 박막의 부착성을 나쁘게 하고 있다. DLC막은 주로 탄소원소로 구성되어 있고, 산소원소와는 결합하기 어렵다(결합한 경우에는, 일산화탄소나 이산화탄소가 되어 기체화되어 버린다). 또 Fe₂O₃, Fe₃O₄, Cr₂O₃등의 산화물과 Fe₃C, Cr₃C 등의 탄화물의 생성엔탈피를 비교하면, 표 1과 같이 산화물 쪽이 작다. 이것은 산화물쪽이 탄화물보다 생성되기 쉬운 것이고, DLC막을 형성할 때에, 기재표면의 산화물이 탄화물로 치환되는 일은 없다. 이상의 사실로부터 기재표면에 산화물이 있는 경우에는, DLC막의 부착성은 향상하지 않는다.

본 발명에서는 막형성전에 불활성이온을 조사해서 산화물을 제거하고, 대기에 노출시키는 일없이 연속으로 DLC막을 형성함으로써 부착성의 향상을 실현하고 있다. 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 탄화물을 생성하는 생성엔탈피가 작고 DLC막과의 부착력을 높이는 원소는 Cr, Si이다. 이들은 Fe에 비해서도 탄화물을 만들기 쉽다. 또 FeC는 생성엔탈피가 정의 값을 표시하고, 이서은 항상 +25kJ/mol의 에너지를 부여해 놓지 않으면 결합이 파괴되어 버리는 것을 의미한다. 따라서 스테인레스강에서 산화물을 제거한 결과 부착력이 향상되는 것은, 스테인레스강의 Cr원소의 영향이 크다. 스테인레스강에 열처리를 실시하고, 표면에 Cr을 편석시켜 Cr농후로 하면 부착성은 더욱 향상한다. Cr원소를 함유하지 않는 금속에서는, 이온층에 의해 Cr원소를 도우핑하면 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면과 함께 설명한다.

제1도는 본 발명의 제 1발명을 표시한 도면이다. 캡스턴축(1)의 기본재료(1a)는 비자성의 스테인레스강이고, 그 표면에는 크누프경도가 5000kg/㎟이고, 밀도가 2.5이고, 수소함유율이 25%인 DLC막(1b)이 0.3㎛의 막두께로 형성되어 있다. 제2도는 본 실시예에서 사용한 박막형성장치를 개략적으로 표시한다. 진공체임버내에, 필라멘트를 구비한 이온원(5)과, 이 이온원(5)의 위쪽에 캡스턴축유지부재(2)를 구비하고 있다. 유지부재(2)는 모터(3)가 직접 연결되어 회전가능하다. 또, 동시에 직류전원(4)이 접속되고, 기재에 직류바이어스를 인가할 수 있도록 구성되어 있다.

다음에, 실험순서를 설명한다.

먼저, 진공체임버내를 진공펌프(도시생략)에 의해서, 10 ∼10 torr까지 진공배기를 행하였다. 이온원(5)내에 원료가스를 도입하는 동시에, 열필라멘트의 통전가열을 행하고, 필라멘트로부터의 열전자에 의해서 플라즈마를 발생시켰다. 기재가 되는 캡스턴축(1)은 기체유지부(2)에 고정하고, 부의 바이어스를 인가함으로써, 플라즈마중의 이온(6)이 이 전계에 의해 가속되고 캡스턴축(1)위에 충돌하고, DLC막이 형성된다.

원료가스로서 CH(벤젠)을 사용하고, Si웨이퍼위에 DLC막을 형성해서 그 성질을 조사했다. 막의 형성시에 진공체임버내의 압력을 5×10 ∼1.5×10 torr가 되도록 조정하고, 탄소막의 품질은, 기재에 인가한 기판 바이어스를 변화시킴으로써 제어되었다. 주요 DLC막의 성형조건을 표 2에 표시한다.

제3도는 기재의 인가바이어스와 막의 경도의 관계를 표시한다. 막의 경도는 인가바이어스가 -0.75kV부근에서 최대치를 가진다. 상기 방법에 의해 제작한

(a) 크누프경도 5000kg/㎟

(b) 크누프경도 3000kg/㎟

의 DLC막에 대해서, 각종 막의 품질을 분석하였다. 제4도는 (a) 및 (b)의 라만분광스펙트럼을 표시한다. 양자 모두 전형적인 DLC막의 스펙트럼을 표시하고, 1360cm 및 1560cm 을 중심으로 하는 2개의 넓은 피그가 관측되었다. 이들 2개의 피크의 면적비로부터, (a)는 (b)에 비해서 SP3성분, 즉, 다이아몬드결합성분을 많이 함유하고 있는 것을 알 수 있다.

제5도는 (a), (b)의 막의 전자선회절 패턴을 표시한 사진이다. (a)는 완전한 헤일로우패턴인데 대해서, (b)는 산만한 회절링이 관측된다. 또, 제6도 (a), (b)는 투과전자현미경 관찰결과를 표시한 사진이다. (a)에는 결정입자가 관측되지 않고, (b)에는 약간이지만 규칙성이 존재하는 것을 확인했다. 이 사실로부터, (a)의 막은 완전한 비정질상태이고, 종래의 (b)의 막은 약간의 결정구조가 존재하는 것이라고 생각할 수 있다. (b)의 막에 존재하는 단거리질서는, 면간격이 약 0.35∼0.4nm로 산출되었다. 또, (a)에 비해서 (b)는 약간의 도전성을 볼 수 있으므로, (b)의 구조는 그래파이트에 가까운 것이라고 추측된다.

표 3은 러터퍼드후방산란법(RBS) 및 ERDA로부터 구비한 막의 밀도, 수소함유량을 표시한다.

이와 같이 (a)의 막이 (b)의 막에 비해서 밀도가 낮은 것은, (a)의 막이 결정성이 낮고, 치밀하게 되어 있지 않는 것을 표시하고 있고, 전자선회절, 투과전자 현미경의 관찰결과가 모두 양호하게 일치한다. 또, 수소함유량에 대해서는, 어느 경우도 25∼26%로서 동등했다.

이상의 사실로부터, 크누프경도 5000kg/㎟을 표시하는 막은 SP3성이 높고, 즉 다이아몬드결합을 보다 많이 함유하는 막이기는 하지만, 그 결합상태는 상당히 무질서적으로 분산해서 존재한다고 생각되고, 그 치밀성은 크누프경도 3000kg/㎟의 막에 비해서 낮은 것을 알 수 있다.

다음에 상기한 DLC막을 캡스턴축위에 형성하고 평가를 행한 결과에 대해서 설명한다. 제1도에 표시된 캡스턴축을 사용해서, 제20도에 표시한 테이프구동장치를 구성하고, 테이프구동력의 평가를 행하였다. 테이프구동력의 측정방법을 제20도를 참조하면서 설명한다. 캡스턴축(21)에 압접하는 핀치롤러(22)의 압접력을 일정하게 하고, 또한 자기테이프(23)에는 구동방향과 역방향의 테이프텐션(T)을 가하면서 주행시킨다. 자기테이프에 가하는 테이프텐션을 변화시켰을 때에, 캡스턴축(21)의 주변속도와 테이프(23)의 주행속도의 사이에 0.5%의 슬립이 발생하였을 때의 테이프텐션(T)을 테이프구동력이라고 정의하였다.

제7도는 본 실시예 및 종래의 테이프구동력의 에이징특성을 비교하여 표시한 그래프이다.

(a) 제1도에 표시한 실시예이고,

(b) 크누프경도가 3000kg/㎟이고, 밀도가 3.1이고, 수소함유율이 26%인 DLC막을 형성한 것이고,

(c) 미처리인 것이다.

또한, 캡스턴축의 거칠기는 모두 Rmax=0.2㎛, 탄소막의 막두께는 0.3㎛이다. 핀치롤러의 압접력은 600g으로 평가를 행하였다.

미처리의 캡스턴인 (c)는 구동력이 매우 낮다. 또, (b)는 미처리인 것에 비교하면 높은 구동력을 나타내지만, 에이징시간에 대해서 구동력이 큰 경시변화를 볼 수 있다.

한편, (a)의 테이프구동장치는, (b)에 비해서 구동력의 변화가 작고, 그 포화치도 크다. 이 사실로부터, (a)의 막의 품질을 가진 캡스턴의 테이프구동력이 가장 뛰어난 것을 알 수 있다. 제5도에서 구동력이 경시적으로 변화하는 원인은, 캡스턴축 자체의 표면거칠기가 테이프의 구동에 의해서 마모하는 것에 의한 것으로 생각된다.

구동력에 대한 캡스턴축표면의 거칠기의 영향을 작게하기 위하여, 축의 표면 거칠기를 Rmax=0,02∼0.04㎛가지 평탄화하고, 마찬가지의 에이징시험을 행하였다.

캡스턴축위에,

(a') 크누프경도 5000kg/㎟

(b') 크누프경도 3000kg/㎟

의 DLC막을 형성하고, 또, 비교를 위하여

(c') 미처리인 것

도 평가를 행하였다. 제8도는 에이징결과를 표시한 그래프이다. (a'), (b')는 모두 캡스턴축을 평탄화하고 있음에도 불구하고, 제7도의 경우와 같은 경향을 보인다. 이 사실로부터, (a) 및 (b)가 가진 구동력의 차이는, 표면거칠기와의 관계가 별로 없고, DLC막의 물성에 기인하고 있는 것임을 알 수 있었다. (a) 와 (b)의 막에 구동력의 차이가 있는 원인은 상기한 분석결과로부터, 막의 치밀성의 차이가 관련되어 있는 것으로 생각된다. 즉, 비정질이고, 치밀성이 낮은 (a) 의 막은, 외압에 대해서 탄성변형되기 쉽고, 그 탄성률이 작다고 생각된다. 이 결과, 자기테이프에 대한 마찰계수가 높아지고, 구동력이 향상된다고 생각된다. 또한 (c')는 제7도에 비해서 더욱 구동력이 저하했다.

다음에, 제20도에 표시된 B와 A의 비와 구동력의 관계에 대해서 조사하였다. 제9도는 B/A치와 구동력의 관계에 대해서 표시한 그래프이다. DLC막이 자기테이프에 대해서 뛰어난 테이프의 구동성능을 가진 것은 앞에 설명한 바와 같다. 따라서, 캡스턴축이 핀치롤러에 접촉하고 있는 부분(B)은, 캡스턴축이 직접 테이프에 접촉하고 있는 부분(A)에 비해서 지나치게 크면, 그 효과가 저하하는 경향이 있다. 즉, B/A가 0.8이상에서는 테이프의 구동력은 저하하는 것이다.

다음에, (a)의 막의 품질을 가진 DLC막을

(d) 0.1㎛

(e) 0.5㎛로 한다.

또, (a)0.2㎛와 함께 막두께에 의한 비교검토를 행하였다. 제10도는 그 결과를 표시한 그래프이다. 탄소막의 막두께가 얇은 경우에는, 캡스턴의 볼록부가 마모하고, 기본재료가 노출해서 구동력이 저하했다. 따라서, 탄소막은 볼록부가 마모해도 기본재료가 노출하지 않을 만큼 충분한 막두께로 형성하는 것이 바람직하다. 한편, 막두께가 지나치게 두꺼울 경우에는, 막자체의 부착성이 저하하여 에이징도중에 박리했다. 그 결과, 구동력도 저하한다. 본 실시예의 캡스턴축의 표면거칠기가 0.2㎛일 경우의 막두께는 0.5∼0.4㎛정도가 바람직하다.

다음에, 다른 실시예에 대해서 설명한다. 제11도(a), (b)는 본 발명의 제 2발명을 표시한 도면이다. 캡스턴축(1)의 기본재료(1a)는 비자성의 스테인레스강이고, 그 상층에 중간층으로서 Si(규소)와 탄소를 함유하는 크누프경도 3000kg/㎟의 박막(1c)이 0.05㎛의 막두께로 형성되고, 또 그 상층에 크누프경도가 5000kg/㎟이고, 밀도가 2.5이고, 수소함유율이 25%의 DLC막(1b)이 막두께 0.3㎛로 형성되어 있다.

Si와 탄소를 함유하는 막두께는, 제2도에 표시된 박막형성장치에서 도입가스로서 TMS(테트라메틸실란)를 사용해서 형성되었다. 이 박막의 경도는 DLC막의 경우와 마찬가지로 기판 바이어스를 변화시킴으로써 변화했다. 제11도는 기체에 인가한 기판 바이어스와 막의 크누프경도의 관계를 표시한다. 이 경우, 비교적 낮은 바이어스로 크누프경도 3000kg/㎟의 막의 품질을 얻을 수 있다. 상층의 DLC막은 제 1실시예의 경우와 동일한 방식으로 형성되었다.

다음에, DLC막의 품질을 일정하게 하면서, 중간층의 막의 품질만을 변화시켜 각종 캡스턴을 제작하고 테이프구동력을 평가하였다.

(f) 중간층의 크누프경도를 500kg/㎟으로 하고,

(g) 중간층의 크누프경도 2000kg/㎟으로 하고,

DLC막의 막의 품질은 (a)와 동일하게 제작하였다. 중간층의 막두께는 25nm, 탄소막의 두께는 0.3㎛로 하였다. 제13도는 에이징결과를 표시한 그래프이다. (f)의 중간층의 경도가 유연한 경우, 에이징의 초기에 구동력이 불안정하게 관측된다. 이 원인은 중간층이 지나치게 유연하기 때문에 핀치롤러로부터 받는 전단력에 견딜 수 없어 막이 박리하기 때문이라고 생각된다. 한편, (g)의 경우, 중간층이 비교적 단단하기 때문에 막의 박리는 발생하지 않고, 양호한 특성을 얻을 수 있다.

다음에, 제1발명과 마찬가지로, B와 A의 비와 구동력의 관계에 대해서 조사했다. 제14도는 B/A치와 구동력의 관계에 대해서 표시하나, 제9도의 경우와 마찬가지의 결과를 나타낸다. 즉, B/A가 0.8이상에서는, 캡스턴축이 핀치롤러에 접촉하고 있는 부분(B)은, 캡스턴축이 직접 테이프에 접촉하고 있는 부분(A)에 비해서 지나치게 크므로, DLC막의 효과가 저하하고 테이프구동력도 저하한다.

다음에, 중간층의 막의 품질을 (g)의 경우와 마찬가지로 하고, DLC막의 막두께를 (h) 0.1㎛, (i) 0.5㎛의 막두께로 형성하고 이들을 비교검토하였다. 제15도는 비교검토의 결과를 표시한 그래프이다. 제10도의 경우와 마찬가지로, 탄소막의 막두께가 얇고, 표면거칠기의 쪽이 거치른 경우에는, 거칠기의 마모에 의해 기본재료가 노출된다. 이 때문에 구동력이 저하한다. 한편, (i)의 막두께가 두꺼운 경우에는 제10도의 경우와는 달리, 중간층에 의해서 부착력이 향상되고 있다. 이 결과, (g)와 마찬가지의 특성을 실현할 수 있다. 따라서, 표면거칠기의 최대높이 이상의 막두께로 DLC막을 형성함으로써, 양호한 특성을 얻을 수 있다. 이상의 사실로부터, 크누프경도가 3000kg/㎟인 Si함유탄소막을 중간층으로서 사용함으로써, DLC막의 부착성이 향상되고, 또한 장시간에 걸쳐서 높은 테이프의 구동력을 안정되게 얻을 수 있다.

다음에 원료가스를 CH(CH)(톨루엔)으로 변경하고 CH(벤젠) 및 CH(메탄)을 사용한 경우와 비교를 행하였다. 제16도는 경도와 기판바이어스의 관계를 표시한 그래프이고, 제17도는 막형성의 비율과 기판바이어스와의 관계를 표시한 그래프이다. 제16도로부터 알 수 있는 바와 같이, 톨루엔을 원료로 한 경우 가장 경도가 단단하고, 다음에 벤젠, 메탄의 순서로 되는 경향이 있다는 것을 알 수 있다. 또, 막형성의 비율도 제17도로부터 알 수 있는 바와 같이, 톨루엔이 가장 높고, 다음에 벤젠, 메탄의 순서로 되는 것을 알 수 있다.

다음에, 직사각형상으로 가공한 Si웨이퍼에 DLC막을 형성하고, 막형성전후의 기판변형량으로부터 막의 내부응력을 산출했다. 표 4는 각각 다른 원료에 의해 가장 큰 경도가 얻어졌을 때의 막의 내부응력을 표시한다. 톨루엔을 원료로 했을때가 가장 단단한 막이 형성됨에도 불구하고 내부응력은 가장 작다. 또, 부착성는 SUS420J2포스트(초음파세정완료)로 막두께 0.4㎛의 다이아몬드형상박막을 형성하고, 열충격시험을 실시했다(-40℃∼80℃에서 각각 1시간 유지, 10사이클).

*1 : SUS 420J2 포스트(초음파세정완료)를 막두께 0.4㎛의 다이아몬드형상박막을 형성하고 열충격시험을 실시함.

이와 같은 사실로부터, 톨루엔을 원료로 하면, 내부응력이 저하하고 단단한 DLC막은 부착성, 생산성 등이 양호하게 형성되는 것이 가능하게 되고, 제1 및 제2 실시예에서 설명한 벤젠의 경우보다, 뛰어난 특성을 가지고 있다는 것을 알 수 있었다. 또, 이 효과는 톨루엔에 한정되는 것은 아니고, 크실렌 등의 다른 알킬벤젠을 원료로 한 경우에도 마찬가지로 얻을 수 있는 것임을 확인했다.

이와 같이 톨루엔이나 크실렌 등의 벤젠고리에 알킬기가 결합한 탄화수소를 원료로 하고, 그 플라즈마를 이용해서 DLC막을 형성하면, 벤젠고리뿐인 것이나 메탄 등의 파라핀계의 탄화수소를 사용한 것에 비해서 단단하고 내부응력이 작은 막을 실현할 수 있으나, 이 이유에 대해서는 아직 확실하지 않다. 그러나, 필자들의 일련의 실험결과, 단지 벤젠과 메탄을 혼합한 것을 원료로 해도 이 효과는 확인되지 않고, 벤젠고리에 알킬기가 결합하고 있는 효과를 끌어내고 있는 것이라고 생각된다. DLC막은 그래파이트결합과 다이아몬드결합이 혼재한 비결정구조라고 하고 있으나, 알킬벤젠과 같이 이미 벤젠고리와 알킬기가 이미 결합하고 있으면 원활하게 막이 형성된다고 예측된다. 벤젠을 원료로 한 경우, 벤젠고리끼리 결합하는 것과 평행하게 벤젠고리의 일부가 분리해서 다이아몬드결합을 만들면서 막이 형성된다. 도, 메탄이 원료일때에는, 메틸기(알킬기의 일종)가 결합해서 다이아몬드 결합을 형성하는 동시에, 메틸기의 일부가 분리결합해서 벤젠고리를 형성해서 막이 형성된다. 제16도로터 가스의 종류에 따라서, DLC막의 최적조건이 다르지만, 이것은 벤젠고리나 알킬기 그래파이트결합이나 다이아몬드결합이 되기에 적합한 에너지가 다르기 때문이다. 따라서, 벤젠과 메탄과 같이 분자 구조가 다른 2종의 원료를 혼합해도 각각의 최적조건이 다르기 때문에, 양질의 DLC막을 실현할 수 없다고 생각된다.

다음에 다른 실시예에 대해서 설명한다. 제2도에 표시한 장치에 Ar(아르곤)을 도입해서, 이것을 플라즈마화하고, 캡스턴축에 부의 바이어스를 인가해서 Ar이온을 조사한다. 그후, 톨루엔을 사용해서 DLC막을 형성했다. Ar이온 조사의 조건과 DLC막의 부착성의 관계를 표 5에 표시한다. 부착성은 열충격시험과 에폭시제를 도포한 측정자에 의한 인장시험으로 평가했다.

표 5로부터 기판바이어스, 기판전류, 조사시간이 커질수록 부착성이 향상한다. 환언하면, Ar이온에 의한 클리닝효과가 클수록 부착성이 향상되어 있고, No.6의 조건에서는 150kg/㎠이상의 부착성을 얻을 수 있었다.

*2 : 막의 박리는 아니지만 미소영역의 들뜸이 발생됨

*3 : 막의 일부가 박리됨

No. 3과 No. 6에 대해서 오제분석에 의해 기재와 막이 계면의 원소분석을 행한 결과를 제18도, 제19도에 표시한다. 이 결과로부터 No. 3에서는 계면에 산소가 존재하고 있는 반면에, No. 6에서는 산소가 확인되지 않는다. 즉, No. 3의 조건에서는 캡스턴축표면의 산화막이 충분히 제거되어 있지 않아 부착력이 저하되어 있는 것으로 생각된다. 따라서, 표면의 산화막을 충분히 제거하면 높은 부착성을 확보할 수 있다.

산화막이 충분히 제거되었는지의 여부를 막형성중에 직접 확인하는 것은 곤란하나, 다음과 같은 현상으로부터 간접적으로 판단하고 있다.

Ar이온을 조사했을 때, 클리닝이 진행하여 산화층이 제거됨에 따라서, 필라멘트의 통전전류, 기판바이어스, 메시형상전극전위 등의 설정조건이 동일해도, 방전전류치(메시형상 전극에 흐르는 전류)나 기판전류가 서서히 저하한다. 즉, 표면에 산화층이 존재하면, 이온이 충돌할 때에 2차전자를 발생하기 쉽게 되고, 그 결과 플라즈마의 밀도가 높아져서 방전전류치나 기판전류치가 커지는 것이다. 따라서, 산화층이 제거됨에 따라서, 2차전자가 발생하지 않게 되고, 방전전류치나 기판전류치가 작아지는 것이다.

본 실시예에서는, 방전전류치나 기판전류치의 저하현상이 멈춘 단계에서 산화층의 제거가 완료됐다는 판단방법을 채용했다. 이 판단방법은 오제분석의 결과와도 잘 일치하고 있고, 방전전류치나 기판전류치가 저하하고 있는 도중에 Ar이온 조사가 멈춘 것에 대해서는, 계면에서 산소가 검출된다. 한편, 방전전류치나 기판전류치의 저하가 멈춘후, DLC막의 형성을 실시한 것은, 계면에 산화층이 검출되지 않는다. 이와 같이 표면의 산화층을 제거함으로써, 캡스턴축에 대한 막의 부착성을 비약적으로 향상시킬 수 있다.

또, 산화층을 제거함으로써, 부착성이 향상되는 원인으로서, 캡스턴축의 표면에 편석하는 Cr원소를 생각할 수 있다. 다음에 앞의 실시예에 사용한 캡스턴축을 400℃에서 2시간동안 열처리를 실시하고, 표면에 Cr을 편석시킨후, Ar이온조사에 의해 산화층을 제거해서 DLC막을 형성했다.

오제분석에 의하면, 이와 같은 열처리를 행함으로써, 캡스턴축표면의 Cr원소와 Fe원소의 비율(Cr/Fe)은, 열처리를 행하지 않을 경우의 0.15∼0.18로부터의 0.33에 이르기 까지 증가한다. 이 결과, 열처리와 클리닝을 행한 캡스턴축의 막의 부착성은 더욱 향상하는 것이다. 표 6에 테이프구동장치로서의 에이징시험을 행한 결과를 정리하였다. 열충격시험과 인장시험에서 막은 박리되지 않고, 에이징시험에서도 양호한 구동성능을 얻었으나, 톨루엔원료와 벤젠원료에서 테이프의 구동성능이 큰 차이는 없었다.

*4 : 핀치롤러의 압접력 600g으로 500시간동안 테이프를 주행시킨 후의 막상태를 평가함

다음에 본 발명의 다른 실시예에 대해서 설명한다. 상기한 바와 같이, DLC막의 부착력향상에는 Cr원소 또는 Si원소가 효과적이지만, 이들을 함유하지 않은 재료에서는 표면에 원소를 도우핑하면 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

본 실시예에서는, 탄소공구강 SK3을 기재로 해서 이온총에 의해서 Cr원소를 도핑하여 어닐링한 후, 표면의 산화층을 제거하고, DLC막을 형성했다.

도핑량은 5×10 cm 이고, 이온에너지는 10KeV에서 행하였다. 도핑한 후 550℃에서 어닐링하고, Ar이온에 의해서 산화층을 제거해서 DLC막을 형성했다. DLC막의 막형성조건은, 원료는 톨루엔이고, 기판바이어스는 -1KV이고, 기판전류는 10mA이고, 방전전류는 1.5A이고, 막두께는 0.2㎛이다.

열충격시험, 인장시험에서 부착력을 평가한 결과, Cr을 도핑한 SK3기재에서는 막의 박리도 없고, 스테인레스강기재의 것과 동등한 부착성을 나타냈다. Cr원소를 도핑하지 않는 SK3기재에서는, 기재를 인출할 때에 이미 막은 박리되어 있었다.

이와 같이 Cr원소를 함유하지 않는 재료에서도, 표면에 Cr원소를 도우핑할 수 있으면, DLC막은 부착성이 양호하게 형성될 수 있다.

또한, 이 도핑효과에 대해서는, SK3기재에 한정되는 것은 아니고, Cr을 함유하지 않은 모든 재료에 대해서 유효하다. 또, 도핑하는 원소도 Cr원소에 한정되는 것은 아니고, Cr과 동일할 정도의 생성엔탈피를 표시하는 Si, C원소에서도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 이상의 사실에 의해서, 벤젠이외에 이것을 능가하는 높은 품질을 구비한 DLC막을 캡스턴축위에 형성할 수 있다. 이들의 사실은, 매우 신뢰성이 높고 또한 뛰어난 구동성능을 가진 테이프구동장치를 실현하는 것이 가능하게 되는 것이다. 또, DLC막, Si함유탄소막의 원재료로서는 실시예에 기록되어 있는 것에 한정되는 것이 아님은 물론이다.

이상과 같이, 본 발명은, 핀치롤러의 압접력을 저감하면서 장시간 안정되게 자기테이프를 구동할 수 있는 테이프구동장치를 제공하는 것이고, 소형, 경량, 고성능의 자기기록장치를 실현할 수 있기 때문에 공업적 가치는 매우 높은 것이다.

Claims (14)

1. 자기테이프와, 상기 자기테이프를 구동하는 캡스턴축과, 자기테이프를 캡스턴축에 압접하는 핀치롤러로 구성되는 테이프구동장치에 있어서, 상기 캡스턴축의 표면에 형성되고, 또한 적어도 규소와 탄소를 함유하고 또한 크누프경도가 1000kgf/㎟이상인 중간층의 박막과; 상기 중간층의 박막위에 형성되고, 또한 크누프경도가 5000kg/㎟이상이고, 밀도가 3.0이하이고, 수소함유율이 30%이하인 다이아몬드형상의 박막을 가지는 것을 특징으로 하는 테이프구동장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 다이아몬드 형상의 박막은, 탄화수소가스를 플라즈마화해서 플라즈마중의 이온을 가속화함으로써, 형성되는 것을 특징으로 하는 테이프구동장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 중간층의 박막은, 적어도 규소와 탄소를 함유한 가스를 플라즈마화해서 플라즈마중의 이온을 가속화함으로써 형성되고, 또한 상기 다이아몬드형상의 박막은, 탄화수소가스를 플라즈마화해서 플라즈마중의 이온을 가속함으로써, 형성되는 것을 특징으로 하는 테이프구동장치.
4. 제1항, 제2항, 제3항중 어느 한 항에 있어서, 캡스턴축에 자기테이프를 개재해서 압접하여 회전하는 부분(A)과, 자기테이프를 개재하지 않고 캡스턴축에 직접 압접하여 회전하는 부분(B)과의 비(B/A)는 0.8이하인 것을 특징으로 하는 테이프구동장치.
5. 제1항, 제2항, 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드형상의 박막은 0.2㎛이상의 막두께를 가지는 것을 특징으로 하는 테이프구동장치.
6. 제6항에 있어서, 기재의 표면에 Cr농후층을 형성하는 공정과; 벤젠고리에 적어도 1개 이상의 알킬기가 결합한 알킬벤젠을 플라즈마화해서 플라즈마중의 이온을 가속하여 다이아몬드형상의 박막을 형성하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 다이아몬드형상의 박막형성방법.
7. 기재의 표면에 생성된 산화층을 제어하거나 또는 기재의 표면에 Cr농후층을 형성하는 공정과; 규소와 탄소를 함유한 가스를 플라즈마화하고, 플라즈마중의 이온을 가속화해서, 상기 Cr농후층위에, 크누프경도가 1000kg/㎟이상인 중간층의 박막을 형성하는 공정과; 탄소를 함유한 원료 가스를 플라즈마화하고, 플라즈마중의 이온을 가속화해서, 상기 중간층의 박막위에, 크누프경도가 5000kg/㎟이상이고 밀도가 3.0이하이고, 수소의 함유율이 30%이하인 다이아몬드형상의 박막을 형성하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 다이아몬드형상의 박막형성방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 산화층의 제거공정은, 불활성원소의 이온을 조사함으로써, 상기 산화층을 제거하는 공정인 것을 특징으로 하는 다이아몬드형상의 박막형성방법.
9. 제6항에 있어서, Cr농후층의 형성공정은, 축기재의 표면의 표층부에 Cr원소를 도핑해서 형성하는 공정인 것을 특징으로 하는 다이아몬드형상의 박막형성방법.
10. Cr농후층의 형성공정은, Cr을 함유한 기재를 열처리해서 상기 기재의 표면에 Cr을 석출시키는 공정인 것을 특징으로 하는 다이아몬드형상의 박막형성방법.
11. 제6항, 제9항, 제10항중 어느 한 항에 기재된 다이아몬드형상의 박막형성방법에 의해 다이아몬드 형상의 박막이 형성된 기재로 이루어진 캡스턴축을 구비한 것을 특징으로 하는 테이프구동장치.
12. 제7항에 있어서, Cr농후층의 형성공정은, 축기재의 표면의 표층부에 Cr원소를 도핑해서 형성되는 공정인 것을 특징으로 하는 다이아몬드형상의 박막형성방법.
13. 제7항에 있어서, Cr농후층의 형성공정은, Cr을 함유한 기재를 열처리해서 상기 기재의 표면에 Cr을 석출시키는 공정인 것을 특징으로 하는 다이아몬드형상의 박막형성방법.
14. 제7항, 제8항, 제12항, 제13항 중 어느 한 항에 기재된 다이아몬드형상의 박막형성방법에 의해 다이아몬드 형상의 박막이 형성된 기재로 이루어진 캡스턴축을 구비한 것을 특징으로 하는 테이프구동장치.