KR101218176B1 - 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 접촉압력을 저감하여 접촉면의 마모를 최소화하기 위하여, 메쉬(mesh) 구조의 탄소나노튜브(carbon nanotube) 층이 접촉면에 형성된 것을 특징으로 하는 내마모성 코팅 구조 및 그 제조방법에 대한 것이다.
Description
본 발명은 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 접촉압력을 저감하여 접촉면의 마모를 최소화하기 위하여, 메쉬(mesh) 구조의 탄소나노튜브(carbon nanotube) 층이 접촉면에 형성된 것을 특징으로 하는 내마모성 코팅 구조 및 그 제조방법에 대한 것이다.
기존의 내마모 코팅은 DLC(diamond-like carbon), WC, SiC 등의 고경도 소재의 개발 및 윤활기술을 통하여 발전해왔다. 현재까지 내마모 코팅과 관련하여 개발된 기술들을 살펴보면, 5~350nm의 초박막 윤활막을 표면에 입혀 하드디스크와 같은 정보 저장기기의 스핀들 모터의 마모를 줄이는 유체역학적 베어링 기술(WO09/158675), 높은 접촉 응력을 지탱하여 마찰과 마모를 줄이는 윤활제 합성과 관련된 기술(WO09/158675), 금속표면에 크롬의 질소산화물(CrN, Cr2N)이나 나이오븀(niobium)의 질소산화물(NbN, Nb4N3) 등 표면 경도를 향상시키는 재료를 적용한 고경도 코팅기술(WO09/155677)과 관련된 기술들이 다수이다.
특히, 내마모 코팅기술은 경도가 높은 금속 및 세라믹 소재를 활용하는데, 상기 소재들은 내부가 온전히 채워진 구조를 가져 외부의 압력에 유연하게 변형되지 못하고 국부적으로 응력이 가중된다는 문제를 갖는다. 그러나 이러한 문제를 해소하기 위하여 단순히 부드러운 단일 소재를 활용할 경우, 소재 자체가 갖는 낮은 결합력으로 인하여 쉽게 응착되고 연삭마모를 일으키게 된다.
한편, K.H.Zum Gahr가 1997년 1st WTC에서 발표한 논문 및 K.Kato가 2000년에 Wear지에 발표한 논문은 경도가 높은 소재에 부드러운 소재를 첨가하였을 때 나타나는 연성 효과가 마모 체적에 미치는 영향을 기재하고 있다. 상기 논문의 주요 내용은 고경도 소재의 코팅은 돌기에 의한 국부적인 마모를 유발할 수 있으며, 이러한 마모에 의하여 발생하는 마모입자는 연삭 마모의 주된 원인이 되므로 이를 해소하기 위하여 소재 선정에 있어서 부드러운 소재를 고려해야 한다는 것이다. 또한, 상기 논문은 부드러운 소재의 첨가비율에 따라 경도가 감소함에도 불구하고 마모체적은 오히려 감소하였음을 실험적으로 확인하였다.
이러한 결과를 통하여 경도가 높은 소재가 무조건적으로 높은 내마모성을 보장하는 것이 아니며, 내마모성을 높이기 위하여 경도가 높은 소재와 부드러운 소재를 모두 이용한 최적화된 표면설계가 요구된다는 것을 알 수 있다.
따라서, 마모를 최소화하기 위해서는 소재의 기계적 특성이 우수하여 파손되지 않으면서도 외부요인에 유연하게 대응할 수 있어, 외부 자극에 최적화된 표면강도를 지닌 코팅 구조의 개발이 요구되었다.
한편, 탄소나노튜브(CNT)는 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 튜브 모양을 이루는 구조로서 튜브의 지름이 수~수십 나노미터에 불과하며, 전기 전도도가 구리와 비슷하고 열전도율은 다이아몬드와 같으면서도 강도는 철강보다 100배나 뛰어나다. 또한, 탄소 섬유는 1%만 변형시켜도 끊어지는 반면 탄소나노튜브는 15%까지 인장되더라도 파손되지 않고, 지름방향으로는 쉽게 변형을 일으킬 수 있다.
이에, 본 발명자는 상기와 같이 우수한 기계적 특성을 지닌 탄소나노튜브를 이용하여 종래의 고경도 소재만을 활용한 코팅 방법의 문제를 해결하여 수직 및 수평방향으로의 압력에 유연하게 변형하면서 그 구조를 유지할 수 있는 복합적 표면구조를 개발하였다.
본 발명의 목적은 종래의 고경도 소재 및 복합재 활용방법에서 벗어나, 접촉면의 표면 강성을 최적화하여 접촉압력을 저감함으로써 마모를 최소화할 수 있는 코팅 구조 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 낮은 표면에너지, 낮은 마찰력, 낮은 표면 조도를 모두 구현할 수 있는 코팅 구조 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위하여, 본 발명은 접촉압력을 저감하여 접촉면의 마모를 최소화하기 위하여, 메쉬(mesh) 구조의 탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube) 층이 접촉면에 형성된 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조를 제공한다.
상기 탄소나노튜브층의 증착은 다양한 방법으로 이루어질 수 있으나, 바람직하게는 딥코팅(dip-coating)과 드라잉(drying)을 통하여 이루어질 수 있으며, 상기 탄소나노튜브층의 두께는 탄소나노튜브 솔루션의 증발속도 및 시편이 솔루션에서 빠져나오는 속도를 조절함으로써 제어될 수 있다.
이때, 상기 탄소나노튜브 층의 두께는 100nm ~ 5 인 것이 바람직하며, 상기 탄소나노튜브층의 증착 후, 표면 조도를 개선하기 위하여 표면의 이물질을 제거하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 탄소나노튜브 층의 표면 조도를 낮추고 탄소나노튜브가 접촉면으로부터 떨어져나가는 것을 방지하기 위하여, 상기 탄소나노튜브 층 위에 나노 금속층 또는 고경도 세라믹 나노박막층을 추가로 코팅할 수 있다.
이때, 상기 금속층 또는 고경도 세라믹 나노박막층의 두께는 10nm ~ 100 nm이고, 상기 금속층은 Ag, Ti, Ni 또는 Cu로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 고경도 세라믹 나노박막층은 DLC(diamond like carbon) 또는 c-BN(cubic boron nitrid)과 같은 재질로 이루어질 수 있다.
그리고, 낮은 표면에너지와 마찰력을 구현하기 위하여, 상기 탄소나노튜브 층 위에 나노 유기박막층이 추가로 코팅될 수 잇으며, 이때 상기 나노 유기박막층은 다양한 재질을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 PFPE(perfluoropolyether)로 이루어질 수 있다.
본 발명은 메쉬 구조의 탄소나노튜브 층을 접촉면에 증착함으로써, 소재의 기계적 특성은 파손되지 않으면서도 외부 요인에 유연하게 대응할 수 있는 코팅 구조를 제공한다. 즉, 본 발명의 코팅 구조를 통하여 접촉 표면의 강성을 최적화함으로써 수많은 표면의 돌기를 가진 상대면의 접촉에 유연하게 대응하여 접촉압력을 저감하고 마모를 최소화할 수 있는 표면설계 기술을 구현할 수 있다.
도 1 - 표면강성 제어를 통한 내마모성 원리를 설명하기 위한 개념도
도 2 - 메쉬구조의 탄소나노튜브 층(5) 표면의 전자현미경 사진
도 3 - 메쉬구조의 탄소나노튜브 층(5) 측면의 전자현미경 사진
도 4a - 실리콘 웨이퍼 시편의 마찰 데이터
도 4b - 실리콘 웨이퍼에 나노유기박막(PFPE)가 코팅된 시편의 마찰 데이터
도 5a - 탄소나노튜브를 3회 코팅한 실리콘 웨이퍼 시편의 마찰 데이터
도 5b - 탄소나노튜브 3회 코팅과 나노유기박막(PFPE) 코팅이 조합된 실리콘 웨이퍼 시편의 마찰 데이터
도 6a - 탄소나노튜브를 8회 코팅한 실리콘 웨이퍼 시편의 마찰 데이터
도 6b - 탄소나노튜브 8회 코팅과 나노유기박막(PFPE) 코팅이 조합된 실리콘 웨이퍼 시편의 마찰 데이터
도 7 - 다양한 종류의 시편에 대한 마찰계수 데이터
도 8a, 8b - CVD 방법으로 증착된 CNT 코팅에 3시간 동안 4 mgf 하중을 준 후에 코팅 상에 나타난 마모흔적을 보여주는 사진 및 그래프
도 2 - 메쉬구조의 탄소나노튜브 층(5) 표면의 전자현미경 사진
도 3 - 메쉬구조의 탄소나노튜브 층(5) 측면의 전자현미경 사진
도 4a - 실리콘 웨이퍼 시편의 마찰 데이터
도 4b - 실리콘 웨이퍼에 나노유기박막(PFPE)가 코팅된 시편의 마찰 데이터
도 5a - 탄소나노튜브를 3회 코팅한 실리콘 웨이퍼 시편의 마찰 데이터
도 5b - 탄소나노튜브 3회 코팅과 나노유기박막(PFPE) 코팅이 조합된 실리콘 웨이퍼 시편의 마찰 데이터
도 6a - 탄소나노튜브를 8회 코팅한 실리콘 웨이퍼 시편의 마찰 데이터
도 6b - 탄소나노튜브 8회 코팅과 나노유기박막(PFPE) 코팅이 조합된 실리콘 웨이퍼 시편의 마찰 데이터
도 7 - 다양한 종류의 시편에 대한 마찰계수 데이터
도 8a, 8b - CVD 방법으로 증착된 CNT 코팅에 3시간 동안 4 mgf 하중을 준 후에 코팅 상에 나타난 마모흔적을 보여주는 사진 및 그래프
본 발명에 따른 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 이하 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조는 도 2, 3의 전자현미경 사진에서 볼 수 있듯이, 메쉬(mesh) 구조를 가지는 탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube) 층이 마모가 일어나는 접촉면에 형성되는 것을 특징으로 한다.
종래에 내마모성 코팅재로 사용되던 고경도의 소재들은 표면에 존재하는 돌기(asperity)에 의하여 국부적으로 매우 높은 접촉압력이 발생하게 되고, 이러한 압력은 상대표면의 마모를 일으키는 문제를 야기하였다.
본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 인장방향으로는 구조적으로 매우 강하여 15%까지 인장되더라도 파손되지 않으나, 지름방향으로는 쉽게 변형을 일으킬 수 있는 탄소나노튜브를 마모가 일어나는 접촉면에 메쉬 구조로 증착시켰다. 이러한 구조를 통하여, 도 1에 도시된 바와 같이, 수많은 표면의 돌기를 가진 상대면의 수직 및 수평 방향으로의 접촉에 유연하게 대응하여 접촉압력을 저감시키고 걸림현상(interlocking)을 해소하여 마모를 최소화할 수 있게 된다.
상기 탄소나노튜브층의 증착은 다양한 방법으로 이루어질 수 있으나, 바람직하게는 딥코팅(dip-coating)과 드라잉(drying) 방법을 혼합하여 이루어질 수 있으며, 상기 탄소나노튜브층의 두께는 탄소나노튜브 솔루션의 증발속도 및 시편이 솔루션에서 빠져나오는 속도를 조절함으로써 제어될 수 있다.
이때, 상기 탄소나노튜브 층의 두께는 접촉압력을 저감시키고 마모를 최소화하는 효과를 최적화하기 위하여 100nm ~ 5 인 것이 바람직하며, 상기 탄소나노튜브층의 증착 후에는 표면 조도를 개선하기 위하여 화학 용액 등을 활용하여 표면의 이물질을 제거할 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브 층으로 인한 접촉면의 표면 조도를 낮추고 탄소나노튜브가 접촉면으로부터 떨어져나가는 것을 방지하기 위하여, 상기 탄소나노튜브 층 위에 나노 금속층 또는 고경도 세라믹 나노박막층을 추가로 코팅할 수 있다. 상기 금속층 또는 고경도 세라믹 나노박막층은 메쉬 구조가 갖는 표면조도를 낮추어 걸림 현상을 해소할 뿐만 아니라, 메쉬 구조와 바닥면 사이의 접촉면적을 넓혀 접착력을 향상함으로써 메쉬 구조의 내구성을 높일 수 있다.
이때, 상기 금속층과 고경도 세라믹 나노박막층은 사용환경에 따라 다양한 물질들을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 Ag, Ti, Ni 또는 Cu 등으로 이루어진 금속층과 DLC(diamond like carbon) 또는 c-BN(cubic boron nitrid)로 이루어진 나노박막층이 사용될 수 있다.
또한, 상기 금속층의 두께는 외부의 압력에 대하여 탄소나노튜브의 메쉬 구조가 강성효과를 발휘할 수 있을 정도로 충분히 얇으면서도 탄소나노튜브 메쉬 구조로 인하여 높아진 표면조도를 낮출 수 있도록 10 ~ 100 nm의 두께인 것이 바람직하다.
한편, 접촉면의 낮은 표면에너지와 낮은 마찰력을 구현하여 마모 인자를 최소화하기 위하여, 상기 탄소나노튜브 층 위에 나노 유기박막층을 추가로 코팅할 수 있다. 이때 상기 나노 유기박막층은 표면에너지를 낮출 수 있는 다양한 소재를 사용할 수 있으나, 바람직하게는 PFPE(perfluoropolyether)를 사용할 수 있다.
도 4a, 4b는 실리콘 웨이퍼 시편과 상기 실리콘 웨이퍼에 나노유기박막(PFPE)이 코팅된 시편의 마찰력을 횡력(lateral force, 단위: gram force)으로 측정하여 도시한 것으로서, 나노유기박막을 마찰면에 코팅함으로써 마찰력을 안정화시키는 효과가 있는 것을 알 수 있다.
또한, 도 5a, 5b는 탄소나노튜브를 3회 코팅한 실리콘 웨이퍼 시편과 여기에 PFPE 코팅을 추가로 조합한 시편의 마찰력을 횡력으로 측정하여 도시한 것이고, 도 6a, 6b는 탄소나노튜브를 8회 코팅한 실리콘 웨이퍼 시편과 여기에 PFPE 코팅을 추가로 조합한 시편의 마찰력을 횡력으로 측정하여 도시한 것으로서, 상기 데이터들과 하기 표 1로부터 탄소나노튜브 구조가 접촉면의 마찰력을 낮추는데 현저한 효과가 있으며, 나노유기 박막은 이렇게 낮추어진 마찰력을 안정화하는데 도움을 주는 것을 알 수 있다.
| CNT 코팅 없음 | 3회 CNT 코팅 | 8회 CNT 코팅 | |
| PFPE 없음 | 0.28 | 0.12 | 0.06 |
| PFPE 코팅 | 0.27 | 0.08 | 0.06 |
<PFPE와 CNT의 코팅횟수에 따른 마찰계수 값>
도 7은 하기 표 2의 다양한 종류의 시편에 대한 마찰계수 데이터를 도시한 것으로서, 탄소나노튜브 코팅과 유기나노박막층의 조합이 종래의 티타늄 코팅면보다 마찰력을 낮추는데 현저한 효과가 있음을 확인할 수 있다.
도 8a, 8b는 하기 표 2의 B에 기재된 CVD 방법으로 증착된 CNT 코팅에 3시간 동안 4 mgf 하중을 준 후에 코팅 상에 나타난 마모흔적을 보여주는 사진과 표면 변화를 보여주는 그래프로서, Z1과 Z2 거리에서 약 1정도의 표면 변화가 있음을 확인할 수 있었으며, 유기나노박막과 나노금속박막이 함께 코팅된 CNT 시편의 경우에는 12시간 이상의 마모시험에도 마모흔적을 찾을 수 없었다.
| A | B | C | D | E | F | |
| 티타늄이 코팅된 실리콘웨이퍼 |
CVD 방법으로 제조된 CNT 코팅 |
CNT가 5회 코팅된 실리콘웨이퍼 |
PFPE와 CNT가 5회 코팅된 실리콘웨이퍼 |
5㎛두께로 코팅된 CNT에 타타늄을 코팅한 실리콘웨이퍼 |
5㎛두께로 CNT가 코팅된 실리콘웨이퍼 |
|
| 마찰 계수 |
0.59 |
0.51 |
0.17 |
0.15 |
0.12 |
0.1 |
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 메쉬 구조의 탄소나노튜브 층을 접촉면에 도입하여 접촉면이 외부 압력에 유연하게 변형되도록 함으로써, 접촉면의 접촉압력을 낮추고 걸림현상에 의한 연삭마모를 저감시킬 수 있다.
또한 나노수준의 유기박막 및 고경도 박막을 탄소나노튜브 층과 함께 적용함으로써, 메쉬 구조가 갖는 표면조도를 낮추고 전체적인 내구성을 높일 수 있으며, 유기박막층을 탄소나노튜브 층과 함께 도입하여, 접촉면의 낮은 표면에너지와 안정된 마찰력을 구현할 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
Claims (15)
- 접촉압력을 저감하여 접촉면의 마모를 최소화하기 위하여, 메쉬(mesh) 구조의 탄소나노튜브(carbon nanotube) 층이 접촉면에 형성되어,
상기 메쉬 구조의 탄소나노튜층이 외부 압력에 유연하게 변형됨으로써 접촉면의 접촉압력을 낮추고 걸림현상에 의한 연삭마모를 저감시키며,
상기 탄소나노튜브 층의 두께가 100nm ~ 5㎛ 인 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 표면 조도를 낮추고 탄소나노튜브가 접촉면으로부터 떨어져나가는 것을 방지하기 위하여, 상기 탄소나노튜브 층 위에 나노 금속층이 추가로 코팅되는 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조.
- 제3항에 있어서, 상기 금속층이 Ag, Ti, Ni 또는 Cu로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조.
- 제1항에 있어서, 표면 조도를 낮추고 탄소나노튜브가 접촉면으로부터 떨어져나가는 것을 방지하기 위하여, 상기 탄소나노튜브 층 위에 고경도 세라믹 나노박막층이 추가로 코팅된 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조.
- 제5항에 있어서, 상기 고경도 세라믹 나노박막층이 DLC(diamond like carbon) 또는 c-BN(cubic boron nitrid)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조.
- 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속층 또는 세라믹 나노박막층의 두께가 10nm ~ 100 nm인 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조.
- 제1항에 있어서, 낮은 표면에너지와 마찰력을 구현하기 위하여, 상기 탄소나노튜브 층 위에 나노 유기박막층이 추가로 코팅된 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조.
- 제8항에 있어서, 상기 나노 유기박막층이 PFPE(perfluoropolyether)로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조.
- 접촉압력을 저감하여 접촉면의 마모를 최소화하기 위하여, 접촉면에 100nm ~ 5㎛ 두께의 메쉬(mesh) 구조의 탄소나노튜브(carbon nanotube) 층을 증착하여 상기 메쉬 구조의 탄소나노튜층이 외부 압력에 유연하게 변형됨으로써 접촉면의 접촉압력을 낮추고 걸림현상에 의한 연삭마모를 저감시키는 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 탄소나노튜브층의 증착이 딥코팅(dip-coating)과 드라잉(drying)을 통하여 이루어지며, 상기 탄소나노튜브층의 두께가 탄소나노튜브 솔루션의 증발속도 및 시편이 솔루션에서 빠져나오는 속도를 조절함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 탄소나노튜브층의 증착 후, 표면 조도를 개선하기 위하여 표면의 이물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 증착된 탄소나노튜브 층 위에 나노 금속층을 추가로 증착하는 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 증착된 탄소나노튜브 층 위에 고경도 세라믹 나노박막층을 추가로 코팅하는 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 증착된 탄소나노튜브 층 위에 나노 유기박막층을 추가로 코팅하는 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 방법.
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|---|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
| JP2007091490A (ja) * | 2005-09-27 | 2007-04-12 | Nissin Kogyo Co Ltd | 多孔質材及びその製造方法 |
| JP2009545671A (ja) * | 2006-08-03 | 2009-12-24 | ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピア | 基材に対する金属層の施与方法 |
| JP2010137155A (ja) * | 2008-12-10 | 2010-06-24 | Toyota Motor Corp | 表面処理方法 |
| JP2010189218A (ja) * | 2009-02-17 | 2010-09-02 | Ono Kogei Kk | 炭素繊維含有皮膜およびその製造方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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