KR101507012B1 - 자동차 엔진용 저마찰 소재 및 레이저 패터닝을 이용한 그의 제조방법 - Google Patents

자동차 엔진용 저마찰 소재 및 레이저 패터닝을 이용한 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차 엔진용 저마찰 소재 및 레이저 패터닝을 이용한 그의 제조방법에 관한 것으로, 레이저 패터닝을 통해 최적의 크기와 간격으로 배열 형성된 다수의 딤플들과 그 위에 코팅된 그래핀 레이어의 복합적인 작용으로 표면마찰 및 마모를 획기적으로 줄임으로써 자동차의 연료절감과 엔진의 수명 연장을 도모할 수 있도록 한 것이다.
이러한 본 발명 중 자동차 엔진용 저마찰 소재의 제조방법은, 표면접촉으로 일어나는 표면마찰을 줄일 수 있도록 소재의 표면에 레이저를 조사하여 다수의 딤플이 서로 이격된 형태로 형성되도록 하는 레이저 패터닝단계; 상기 레이저 패터닝단계에서 형성된 딤플 주변을 폴리싱하는 폴리싱단계; 상기 폴리싱단계 이후 소재의 표면에 그래핀(graphene)을 코팅하여 그래핀 레이어를 형성하는 코팅단계를 포함하여 이루어진다.

Description

자동차 엔진용 저마찰 소재 및 레이저 패터닝을 이용한 그의 제조방법{Low friction materials for automotive engine and manufacturing method thereof using laser patterning}
본 발명은 자동차 엔진에 관한 것으로, 특히 레이저 패터닝을 통해 최적의 크기와 간격으로 배열 형성된 다수의 딤플들과 그 위에 코팅된 그래핀 레이어의 복합적인 작용으로 표면마찰 및 마모를 획기적으로 줄임으로써 자동차의 연료절감과 엔진의 수명 연장을 도모할 수 있도록 한 자동차 엔진용 저마찰 소재 및 레이저 패터닝을 이용한 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 차량의 엔진(engine)은 실린더블록(cylinder block)과 실린더헤드(cylinder head) 및 실린더헤드커버(cylinder head cover) 등의 조립체로 구성된다.
그 중, 상기 실린더블록은 엔진 몸체의 기초가 되는 부분으로 재질은 특수 주철이나 알루미늄 합금이고, 크랭크샤프트나 실린더헤드를 부착할 형상과 볼트 구멍이 가공되어 있으며, 냉각수 통로와 오일 통로가 가공되어 있다. 그리고 상기 실린더블록의 앞쪽에는 캠샤프트 구동용 타이밍벨트, 냉각수 순환용 워터펌프, 발전용 제너레이터, 에어컨 컴프레서, 파워핸들용 유압펌프가 장착되고, 그 뒤쪽으로는 플라이휠, 클러치디스크와 클러치판 등의 동력전달장치가 장착되며, 위에는 밸브기구 및 캠샤프트가 부착된 실린더헤드가 장착된다.
한편, 상기 실린더블록은 그 재질의 종류에 따라 전체가 주철로만 제작된 주철모노블록과, 라이너부분은 주철로 되고 나머지 부위는 알루미늄을 제작된 혼합형블록과, 전체가 알루미늄으로 되어 유럽의 일부 고급차종에 적용되는 알루미늄모노블록 등이 있다.
상기 실린더블록은 엔진의 뼈대가 되기 때문에 내구력 확보가 가장 우선시 되며, 그밖에 고마력, 오일 소모, 경량화 등의 조건들이 추가적으로 요구된다. 고유가 시대인 요즘에는 연비향상이 큰 관심사이기 때문에, 상기 실린더블록의 중량을 줄이기 위한 연구개발이 한창 진행되어 전체가 알루미늄으로 제작된 알루미늄모노블록보다 대략 30퍼센트(％)의 중량을 줄일 수 있는 마그네슘모노블록이 제작되기에 이르렀다.
한편, 자동차 엔진의 경우 실린더 안에서 피스톤이 상상할 수 없을 정도의 빠른 속도로 가속, 감속, 정지로 이루어지는 상하 운동을 되풀이하여 끊임없이 마찰 접촉하여 표면이 마모되는 경향이 있다. 따라서 과도한 마찰 조건에 노출되어 있는 이들 부품들에는 저마찰계수를 위하여 질화법, PVD법, CVD법을 적용하거나, 내마모성 확보를 위하여 내마모성 고합금강 재료를 사용하여 질화 및 침탄과 같은 표면경화처리를 하기도 한다. 이같은 방법은 수~수십 ㎛ 두께의 막이 형성될 뿐만 아니라 취성이 있어 고압의 마찰력에서는 쉽게 막이 파괴되는 단점이 있다.
이와 관련하여 국내외의 다양한 특허들에서는, 피스톤 링과 슬라이딩 재료의 제조를 위하여 Cr-N-O 필름을 입힘으로써 탄질화물과 산질화물을 형성하여 표면에 복합 코팅막을 형성하는 방법, 활주 부재의 기판 표면상에 크롬과 질소의 조성물로 이루어진 내마모성 코팅을 하는 방법, 피스톤 헤드를 테프론 코팅하는 방법, 실린더 내벽이나 피스톤 사이의 슬라이딩 내마모성을 증가시키기 위하여 MoS2+테프론 코팅의 얇은 막을 형성하는 방법, 피스톤과 피스톤 링 그루브의 표면에 Si 분말입자와 불소수지를 혼합한 필름을 코팅하는 방법, 내연기관 엔진의 개량을 위해 피스톤과 피스톤 링에 대하여 얇은 다이아몬드 박막이나 다이아몬드상 입자를 코팅하는 방법 등 매우 다양한 해결방안들을 제시하고 있다.
하지만 이처럼 실린더블록에서 일어나는 마찰과 마모를 줄이기 위한 다양한 노력들이 이루어지고 있음에도 충분히 만족할만하고 구현하는데 필요한 가격이 저렴한 기술이 아직까지 개발되지 못하고 있는 실정이다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 레이저 패터닝을 통해 최적의 크기와 간격으로 배열 형성된 다수의 딤플들과 그 위에 코팅된 그래핀 레이어의 복합적인 작용으로 표면마찰 및 마모를 획기적으로 줄일 수 있도록 한 자동차 엔진용 저마찰 소재 및 레이저 패터닝을 이용한 그의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재는, 자동차 엔진용 소재에 있어서, 표면접촉으로 일어나는 표면마찰을 줄일 수 있도록 그 표면에 다수의 딤플이 서로 이격된 형태로 형성된 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 딤플이 형성된 표면에 그래핀(graphene)을 코팅하여 그래핀 레이어를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 저마찰 소재는 그래파이트 플레이크(graphite flake)를 포함하여 조성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 딤플은 서로 격자 형태로 배열된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 딤플은 표면과 나란한 방향으로 절단한 횡단면이 원형으로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 딤플의 직경은 10 내지 100μm 범위 내에 속하고, 서로 이웃한 딤플들의 중심 간 간격은 상기 딤플 직경의 1.2배 내지 10배 범위 내에 속하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 딤플의 직경은 45 내지 65μm 범위 내에 속하고, 서로 이웃한 딤플들의 중심 간 간격은 130 내지 170μm 범위 내에 속하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 딤플의 깊이는 10 내지 50μm 범위 내에 속하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 딤플은 표면에서 더 깊게 들어갈수록 점차 폭이 줄어드는 형태로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 딤플은 반구형 홈의 형태로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 딤플은 표면에서 더 깊게 들어가도 폭을 동일하게 유지하는 형태로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 딤플은 표면에서 더 깊게 들어갈수록 점차 폭이 늘어나는 일부 구간을 갖는 형태로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 딤플은 레이저 조사에 의해 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 자동차 엔진의 실린더블록 및 엔진은 상술된 저마찰 소재를 사용한 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 자동차 엔진용 저마찰 소재의 제조방법은, 표면접촉으로 일어나는 표면마찰을 줄일 수 있도록 소재의 표면에 레이저를 조사하여 다수의 딤플이 서로 이격된 형태로 형성되도록 하는 레이저 패터닝단계; 상기 레이저 패터닝단계에서 형성된 딤플 주변을 폴리싱하는 폴리싱단계를 포함하여 이루어지는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
여기서, 상기 레이저의 빔에 의해 형성되는 딤플의 직경은 10 내지 100μm 범위 내에 속하고, 서로 이웃한 딤플들의 중심 간 간격은 상기 딤플 직경의 1.2배 내지 10배 범위 내에 속하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 폴리싱단계에서는 2μm 이하의 직경을 갖는 세라믹 입자 슬러리를 사용하여 연마하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 폴리싱단계 이후 소재의 표면에 그래핀(graphene)을 코팅하여 그래핀 레이어를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 소재는 그래파이트 플레이크(graphite flake)를 포함하여 조성된 것을 특징으로 하는 자동차 엔진용 저마찰 소재의 제조방법.
본 발명에 의한 자동차 엔진의 저마찰 실린더 및 레이저 패터닝을 이용한 그의 제조방법은, 레이저 패터닝을 통해 최적의 크기와 간격으로 배열 형성된 다수의 딤플들과 그 위에 코팅된 그래핀 레이어의 복합적인 작용으로 표면마찰 및 마모를 획기적으로 줄임으로써 자동차의 연료절감과 엔진의 수명 연장을 도모할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 모체가 되는 소재를 그래파이트 플레이크(graphite flake)를 포함하여 조성된 것을 사용함으로써 표면마찰을 더욱 감소시키는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명은 레이저 패터닝에 의해 형성되는 딤플의 크기 및 딤플 간 간격, 딤플의 깊이를 조절함으로써 환경에 맞게 적절한 수준으로 마찰 감소 효과를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명은 레이저 패터닝에 의해 형성되는 딤플의 형태를 변경함으로써 환경에 맞게 적절한 수준으로 마찰 감소 효과를 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 엔진용 저마찰 소재의 영감을 준 기술적 개념을 설명하기 위한 참조도.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 평면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재 표면의 사진.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 구성을 설명하기 위한 종단면도.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 효과를 설명하기 위한 참조도.
도 8은 본 발명의 제1변형실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 구성을 설명하기 위한 종단면도.
도 9는 본 발명의 제2변형실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 구성을 설명하기 위한 종단면도.
도 10은 본 발명의 제3변형실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 구성을 설명하기 위한 종단면도.
도 11은 본 발명의 제4변형실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 구성을 설명하기 위한 종단면도.
도 12는 본 발명의 제5변형실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 구성을 설명하기 위한 종단면도.
도 13은 본 발명의 제6변형실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 구성을 설명하기 위한 종단면도.
도 14는 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 15는 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재를 제조하기 위한 실험 중 시편의 채취과정을 보여주는 참조도.
도 16은 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재를 제조하기 위한 실험 중 시편 표면의 SEM 촬영 사진.
도 17은 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재를 제조하기 위한 실험에 사용된 Yb 광섬유 레이저(Yb fiber laser)의 모식도.
도 18은 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재를 제조하기 위한 실험 중 딤플 중심 간 간격을 달리한 시편의 표면 사진.
도 19는 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재를 제조하기 위한 실험 중 딤플 중심 간 간격을 80㎛ 이하로 하였을 때의 시편의 표면 사진.
도 20은 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재를 제조하기 위한 실험에 사용된 레이저 열에 의한 영향을 설명하기 위한 참조도.
도 21은 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재를 제조하기 위한 실험 중 폴리싱 전후의 변화를 설명하기 위한 시편의 표면 사진.
도 22는 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재를 제조하기 위한 실험 중 폴리싱 과정을 설명하기 위한 흐름도.
도 23은 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재를 제조하기 위한 실험 중 엔진오일의 윤활 하에서 각 시편들의 마찰계수를 나타낸 비교 그래프.
도 24은 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재를 제조하기 위한 실험 중 엔진오일의 윤활 하에서 각 시편들의 마모크기를 나타낸 비교 그래프.
도 25는 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재를 제조하기 위한 실험 중 각 시편의 연삭마모 정도를 설명하기 위한 그래프.
도 26은 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재를 제조하기 위한 실험 중 그래핀 코팅공정을 설명하기 위한 그래프.
도 27은 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재를 제조하기 위한 실험에서 패터닝된 딤플과 그래핀 코팅의 작용 및 효과를 설명하기 위한 각 시편의 비교 그래프.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재 및 레이저 패터닝을 이용한 그의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.
또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 엔진용 저마찰 소재의 영감을 준 기술적 개념을 설명하기 위한 참조도이다.
본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재는 도 1에 도시된 것처럼 자연에 나타난 상어 지느러미가 그 표면에 형성된 패턴화된 무늬에 의해 놀라울 정도의 마찰저감 효과를 얻는다는 점에서 영감을 얻어 표면마찰 및 마모를 줄이는 것이 절실하다고 할 수 있는 자동차 엔진에 응용하여 적용할 수 있는 방안을 강구한 결과 얻게 된 획기적인 산물이라고 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재는 레이저 패터닝을 통해 최적의 크기와 간격으로 배열 형성된 다수의 딤플들에 의해 표면마찰 및 마모를 획기적으로 줄이는 것과 동시에 그래핀 코팅에 의하여 그 효과를 증폭시킬 수 있도록 구성된다. 본 발명은 이처럼 표면마찰 및 마모를 획기적으로 줄인 구성에 의해 자동차의 연료를 절감하고 엔진의 수명을 연장하는 것이 가능해진다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 평면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재 표면의 사진이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 구성을 설명하기 위한 종단면도이다. 그리고 도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 효과를 설명하기 위한 참조도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재는 표면접촉으로 일어나는 표면마찰을 줄이기 위하여 표면에 다수의 딤플(130)(dimple)이 서로 이격된 형태로 형성된 것을 핵심적인 기술로 한다.
여기서 상기 딤플(130)은 표면 텍스쳐링(surface texturing)이 가능한 긴 펄스폭을 갖는 레이저 조사에 의해 패터닝화된 것으로 반구형의 홈으로 형성되며 서로 등간격을 갖는 격자 형태로 배열된다. 그리고 상기 딤플(130) 입구의 직경(d)은 10 내지 100μm 범위 내에서 이루어지고, 서로 이웃한 딤플(130)들의 중심 간 간격(p)은 상기 딤플(130) 직경의 1.2배 내지 10배 범위 내에서 이루어진다. 더욱 바람직하게는 상기 딤플(130) 입구의 직경은 45 내지 65μm 범위 내에서 이루어지고, 서로 이웃한 딤플(130)들의 중심 간 간격(p)은 130 내지 170μm 범위 내에서 이루어질 수 있다. 차후에 설명될 실험을 통해 얻어진 결과를 기반으로 하여 상기 딤플(130) 입구의 직경 및 서로 이웃한 딤플(130)들의 중심 간 간격(p)을 더욱 바람직한 범위로 좁힌다면 깊이는 58 내지 62μm 내외로, 서로 이웃한 딤플(130)들의 중심 간 간격(p) 혹은 거리는 150μm 내외로 형성된다. 하지만 이같이 실험을 통해 얻어진 결과는 실제 엔진의 사용환경을 고려하여 입력된 변수들에 따라 어느 정도 달라질 수 있음은 물론이다. 이때 상기 딤플(130)의 깊이는 상기 딤플(130)의 형태가 반구형이라는 점을 감안하면 직경의 반 정도로 형성될 수 있다.
이처럼 본 발명의 실시예에 의한 엔진용 저마찰 소재의 표면에 다수의 딤플(130)이 등간격의 격자 배열로 형성되면 엔진오일에 의해 윤활상태가 되었을 때 마찰계수가 줄고 마모 역시 줄어든다. 이처럼 저마찰 소재 표면에 다수의 딤플(130)이 패터닝되는 경우 단순히 폴리싱된 경우와 비교하여 상대적으로 마찰계수가 줄고 마모도 역시 줄어드는 이유는 아래와 같이 정리할 수 있다.
즉, 레이저 조사에 의해 반구형으로 형성된 딤플(130)이 도 5에 도시된 것처럼 엔진오일의 저장소 역할을 하는 한편, 표면마찰로 일어나는 마모입자들(wear particles)을 구속하여 마모입자들로 인한 2차, 3차의 추가적인 마모를 억제한다. 또한 상기 딤플(130)은 마찰접촉 면적을 줄여주는 역할도 한다. 나아가, 표면에 패터닝된 딤플(130)이 있는 경우 엔진오일에 의한 윤활상태에서 마찰접촉시 표면에 대한 압력이 발생하면서 윤활막의 두께가 증가하여, 도 6에 도시된 것처럼 경계윤활(Boundary lubrication)에서 혼합윤활(Mixed lubrication), 이어서 유체윤활(Hydrodynamic lubrication) 영역으로까지 전이가 촉진되어 마찰계수를 효과적으로 감소시키는 것이 가능해진다.
나아가 주목할 점으로 본 발명의 실시예에 의한 엔진용 저마찰 소재는 상기 딤플(130)이 형성된 표면에 그래핀(graphene)이 코팅되어 그래핀 레이어(140)가 형성된 구성을 갖는다는 점이다. 이처럼 이미 딤플(130)이 형성된 표면에 그래핀이 추가적으로 코팅되는 구성에 따르면 양자의 복합적인 마찰저감 작용에 의하여 딤플(130)만 형성된 경우보다 마찰계수가 더욱 감소된다는 사실이 발견되었다(이에 대한 실험에 대해 차후에 상세히 언급됨). 여기서 상기 그래핀을 코팅하는 방법은 그래핀을 단층 혹은 복층으로 코팅할 수 있는 CVD(Chemical vapor deposition)이 일반적으로 알려져 있다. 또한, 한국공개특허공보 '10-2010-0116399'에 기재된 것처럼 그래핀 원료를 초고속으로 가속하여 충돌시키는 방법과 같이 다른 방법으로도 얼마든지 코팅이 가능 가능하다고 할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재는 그래파이트 플레이크(120)(graphite flake)를 포함하여 조성된다. 이처럼 그래파이트 플레이크(120)를 포함하여 조성되면 표면접촉의 발생시 상기 그래파이트 플레이크(120)의 반데르발스 결합이 깨지면서 표면마찰을 감소시켜준다. 이같은 그래파이트 플레이크(120)의 구성은 상기 딤플(130) 및 그래핀 레이어(140)의 마찰저감 효과를 더욱 증폭시켜주는 역할을 하게 되며 특히 자동차 엔진의 실린더블록 중 피스톤과 격렬하게 접촉하는 부위를 위해 유용하게 적용될 수 있다. 참고로 첨부된 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 위 설명된 딤플(130), 그래핀 코팅된 그래핀 레이어(140), 그래파이트 플레이크(120)가 모두 형성된 상태의 사진이다.
한편, 본 발명은 상기 딤플(130)의 형태에 따라 다양한 변형실시예가 가능하다. 이에 따라 아래에서는 상기 딤플(130)의 변형에 따른 본 발명의 변형실시예에 대해 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 제1변형실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 구성을 설명하기 위한 종단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제1변형실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재는 변형전 실시예와 마찬가지로 딤플(130)이 표면에서 더 깊게 들어갈수록 점차 폭이 줄어드는 형태를 갖지만 그 깊이가 반구형에 미치지 못하는 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.
이같은 구성에 따르면 변형전 실시예에 비하여 딤플(130)의 깊이가 얕기 때문에 레이저 패터닝에 의해 신속하게 형성할 수 있다는 장점이 있다.
도 9는 본 발명의 제2변형실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 구성을 설명하기 위한 종단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제2변형실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재는 변형전 실시예와 마찬가지로 딤플(130)이 표면에서 더 깊게 들어갈수록 점차 폭이 줄어드는 형태를 갖지만 그 깊이가 반구형보다 깊은 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.
이같은 구성에 따르면 변형전 실시예에 비하여 딤플(130)의 깊이가 깊기 때문에 표면마찰로 인해 발생된 마모입자들을 더 많이 수용하여 마모입자들로 인한 추가적인 마찰 및 마모를 더욱 억제할 수 있다는 장점이 있다.
도 10은 본 발명의 제3변형실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 구성을 설명하기 위한 종단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제3변형실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재는 변형전 실시예와 마찬가지로 딤플(130)이 표면에서 더 깊게 들어갈수록 점차 폭이 줄어드는 형태를 갖지만 딤플(130)의 형태가 구형이 아니라 원뿔 또는 다각뿔의 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.
이같은 제3변형 실시예는 본 발명에 따른 딤플(130)의 형태가 얼마나 다양하게 형성될 수 있는지를 보여준다.
도 11은 본 발명의 제4변형실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 구성을 설명하기 위한 종단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제4변형실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재는 변형전 실시예와는 달리 딤플(130)이 표면에서 더 깊게 들어가도 폭을 동일하게 유지하는 형태를 가지며 원기둥 또는 다각기둥의 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.
이같은 구성에 따르면 레이저 패터닝이 아니더라도 회전하는 툴에 의해 상기 딤플(130)을 형성시킬 수도 있다는 장점이 있다.
도 12는 본 발명의 제5변형실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 구성을 설명하기 위한 종단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제5변형실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재는 변형전 실시예와는 달리 딤플(130)이 표면에서 더 깊게 들어가도 폭을 동일하게 유지하는 형태를 가지며 제4변형실시예에 비해 보다 깊은 형태의 원기둥 또는 다각기둥으로 형성된 것을 특징으로 한다.
도 13은 본 발명의 제6변형실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 구성을 설명하기 위한 종단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제6변형실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재는 변형전 실시예와는 달리 마찬가지로 딤플(130)이 표면에서 더 깊게 들어갈수록 점차 폭이 늘어나는 일부 구간을 갖는 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
이같은 구성에 따르면 변형전 실시예에 비하여 딤플(130)의 입구 쪽이 좁혀진 형태로 인해 표면마찰로 인해 발생된 마모입자들을 보다 안정적으로 수용할 수 있으므로 마모입자들로 인한 추가적인 마찰 및 마모를 보다 안정적으로 억제할 수 있다는 장점이 있다.
전술된 바와 같이 본 발명의 변형실시예들은 딤플(130)의 형태가 반구형을 중심으로 얼마든지 변형된 형태로 형성될 수 있음을 잘 보여준다.
계속해서 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 14는 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재의 제조방법은, 1차 표면연마단계, 2차 표면연마단계, 세척ㅇ건조단계, 레이저 패터닝단계, 폴리싱단계, 그래핀 코팅단계를 포함하여 이루어진다.
상기 1차 표면연마단계에서는, 자동차 엔진용 저마찰 소재가 될 모체인 소재(110)의 표면을 연삭기로 비교적 거칠게 가공하고, 이후 2차 표면연마단계에서는 1㎛ 크기의 Al2O3 입자를 포함하는 slurry를 이용하여 표면조도 Ra = 0.1㎛ 까지 정연마한다. 여기서 상기 Al2O3 입자는 다른 세라믹 입자로 중 더 적절한 것이 있다면 대체 가능하며 세라믹 입자의 크기 역시 조절 가능하다.
상기 세척ㅇ건조단계에서는, 연마된 소재(110)를 초음파로 세척한 후 건조한다.
상기 레이저 패터닝단계는, 상기 소재(110)의 표면에 레이저를 조사하여 다수의 딤플(130)이 서로 이격된 형태로 형성되도록 한다. 여기서 상기 딤플(130)은 긴 펄스폭을 갖는 레이저 조사에 의해 패터닝화된 것으로 반구형의 홈이며 서로 격자 형태로 배열되도록 한다. 또한, 상기 딤플(130)의 입구 직경은 58 내지 62μm 내외로 하고 깊이는 반구형인 형태를 감암하여 입구 직경의 반 내외로 형성시킨다. 그리고 서로 이웃한 딤플(130)들의 중심 간 간격(p) 혹은 거리는 150μm 내외로 한다. 물론 이같은 딤플(130)의 형태 및 딤플(130)들의 중심 간 간격(p)은 최적의 것을 염두에 둔 것이지만 앞서 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재에서 설명된 것처럼 최적은 아닐지라도 적당한 수준의 범위 내에서 변경 가능함은 물론이다. 한편 상기와 같은 레이저 패터닝을 위해 1064nm 파장의 Yb 광섬유 레이저(Ytterbium(Yb) pulsed fiber laser)를 사용할 수 있다. 상기 Yb 광섬유 레이저는 최대 출력은 20W이고 pulse width는 4 내지 200ns 범위 내에서 조절할 수 있으며, 주파수는 2-2000KHz 범위에서 사용할 수 있다. 본래 이 레이저 장치의 용도는 마킹용이며, 중요부품의 증명표시, 제품의 제원기록, 상징마크 또는 도난방지 등을 위하여 많이 사용되지만 본 발명의 실시예에서 딤플(130)을 형성하기 위한 용도로 활용하는 것이다. 이같은 레이저 장치를 고정시킨 상태에서 레이저를 일정하게 조사하는 가운데 갈바노미터에 의하여 두 개의 반사거울을 매우 신속하게 회전(300mm/s) 또는 이동시킴으로써 다수의 딤플(130)을 패터닝할 수 있는 것이다.
상기 폴리싱단계에서는, 레이저 조사시 딤플(130) 주변에 발생되는 잔유물과 재응고층을 제거하기 위해 2μm 이하의 직경, 더 바람직하게는 1μm의 직경을 갖는 Al2O3 입자 슬러리를 사용하여 연마한다. 이로써 레이저의 열 영향으로 인하여 딤플(130) 주변에 퇴적된 잔유물과 금속이 용융되어 생성된 재응고층이 제거되어 표면의 거칠기를 증가시키던 요인 한 가지를 제거할 수 있다.
상기 그래핀 코팅단계에서는, 레이저 패터닝에 의해 다수 딤플(130)이 형성된 표면에 대하여 그래핀(graphene)을 코팅하여 그래핀 레이어(140)를 형성한다. 여기서 상기 그래핀을 코팅하는 방법은 그래핀을 단층 혹은 복층으로 코팅할 수 있는 CVD(Chemical vapor deposition)이 일반적으로 알려져 있으며, 한국공개특허공보 '10-2010-0116399'에 기재된 것처럼 그래핀 원료를 초고속으로 가속하여 충돌시키는 방법과 같이 알려진 다른 방법으로도 가능하다. 이처럼 이미 딤플(130)이 형성된 표면에 그래핀이 추가적으로 코팅되는 단계를 거치게 되면 상기 딤플(130)과 그래핀 레이어(140)의 복합적인 마찰저감 작용에 의하여 딤플(130)만 형성된 경우보다 마찰계수가 더욱 감소된 저마찰 소재를 얻을 수 있게 된다.
나아가 모체가 되는 소재(110)를 그래파이트 플레이크(120)(graphite flake)를 포함하고 있는 주철로 사용하게 되면 위 언급된 딤플(130), 그래핀에 더해 그래파이트 플레이크(120)의 삼중작용으로 마찰계수를 더욱 줄일 수 있는 자동차 엔진용 저마찰 소재를 얻을 수 있게 된다.
계속해서 본 발명의 실시예에 의한 자동차 엔진용 저마찰 소재를 제조하고 평가하였던 사실들에 대해 실험예를 통해 설명하기로 한다.
실험예 :
- 레이저 패터닝을 위한 시편 채취
본 실험에 사용된 시편은 도 15와 같이 G社의 1600cc 가솔린 엔진으로부터 마찰실험에 용이한 형태로 채취하였다. 이때 마찰특성에 영향을 미치는 그래파이트 플레이크(Graphite flake)는 평균적으로 표면에서 15.27%의 분포도를 나타내고 있다. 상기 시편은 실린더 내부와 가장 근접한 부분을 15mm×5mm×4mm 크기로 절단하여 고정밀 평탄화 가공으로 상대표면과 접촉이 잘될 수 있도록 준비하였다. 제작된 시편은 광학 현미경, SEM과 EDX를 이용하여, 도 16과 같이 표면사진촬영을 하였다(a는 폴리싱된 표면의 사진, b는 화학 에칭된 표면의 사진임). 여기서 시편의 절단은 고속절단기를 사용하였으며 고정밀 평탄화 가공은 먼저 평면연삭기로 거칠게 가공 후 1㎛ Al2O3 입자로 이루어진 슬러리(slurry)를 이용하여 표면조도 Ra = 0.1㎛까지 정연마하였다. 그리고 정연마된 시편은 초음파로 세척 건조 후 마모 마찰 시험에 사용하였다.
아래 표 1은 채취된 시편을 분석하여 얻어진 화학조성이다.
Element wt% S.D.
C 1.47 0.17
Si 0.43 0.052
P 0.04 0.03
S 0.06 0.03
Cr 0.45 0.08
Mn 1.03 0.12
Fe 96.51 0.42
Ni 0.06 --
Cu 0.1 0.09
- 레이저 패터닝 공정
본 실험에서 레이저를 이용하여 딤플(dimple)을 패터닝 가공하기 위하여 Yb 광섬유 레이저(Yb fiber laser)를 이용하였다. 사용된 레이저에 관한 모식도를 도 17을 통해 나타내었고, 레이저 장치의 사양에 대해서는 아래 표 2에 나타내었다.
Beam source Yb fiber laser
Wave length 1064nm
Maximum output 20W
Scan speed 1~2000mm/s
Frequency 2~2000KHz
Pulse width 4~200ns
위 표 2에서 볼 수 있는 것처럼 Yb 광섬유 레이저(Yb fiber laser)의 파장은 1064nm이고, 최대 출력은 20W이다. Yb 광섬유 레이저의 pulse width는 4~200ns로 조절 가능하였고, 주파수는 2-2000KHz 범위에서 사용하였다. 본래 이 레이저 장치의 용도는 마킹용이며, 중요부품의 증명표시, 제품의 제원기록, 상징마크 또는 도난방지 등을 위하여 표시하는 것이다. 일반적으로 표시되는 글자 혹은 숫자의 크기는 제품에 따라 수백 ㎛ 혹은 mm 정도가 될 수도 있으나 그 깊이는 수십 ㎛ 정도이다. 레이저빔을 고정시킨 상태에서 갈바노미터에 의하여 두 개의 반사거울을 회전시키는 방법으로 다수의 딤플을 패터닝하였다. 상기 거울들을 매우 신속(300mm/s)하게 회전 혹은 이동 시킬 수 있어서 딤플 형성을 위한 레이저 패터닝 속도가 매우 신속하게 이루어졌다.
아래 표 3에는 이번 실험에서 레이저 패터닝에 사용된 실제 레이저 변수를 기재하였다.
Beam source Yb fiber laser
Wave length 1064nm
Maximum output 10W
Scan speed 300mm/s
Frequency 20KHz
Pulse width 200ns
이때 사용된 레이저의 빔 직경은 약 50∼52㎛이었지만, 레이저의 열적인 영향으로 인하여 실제 딤플의 크기는 약 58∼62㎛으로 형성되었다. 딤플 중심 간 간격은 도 18에 도시된 것처럼 200㎛, 150㎛, 100㎛, 80㎛의 네 가지로 달리하였다.
단, 딤플 중심 간 간격을 80㎛ 이하로 하였을 경우에는 도 19에서 보는 것과 같이 딤플 간의 중첩으로 인하여 패턴 고유의 형태가 사라지며 불규칙적인 형태가 되어 쓸모없게 되었다.
- 레이저 패터닝 후 후처리(잔여물 제거를 위한 폴리싱)
본 실험에서 긴 펄스폭을 갖는 레이저를 이용하여 금속 시편에 패터닝을 할 경우, 도 20에서 보는 것과 같이 레이저 열에 의한 열 영향으로 표면에서 딤플 주변에 잔여물과 금속이 용융되어 재응고층이 생성된다(단, 도 20의 경우 레이저 열에 의한 일반적인 영향을 묘사한 공지된 개념도이며 본 실험의 실제 결과를 묘사한 것은 아님). 이때 생성된 잔유물과 재응고층은 표면의 거칠기를 증가시키며 마찰, 마모를 증가시키기 때문에 반드시 제거해주어야 한다. 이를 위해 표면에 대한 폴리싱을 진행하였다. 상기 폴리싱은 잔유물과 재응고층을 제거하기 위해 평균적으로 대략 1μm의 직경을 갖는 Al2O3 입자 슬러리를 사용하여 연마하였다. 도 21은 폴리싱 전과 후의 차이를 사진으로 보여주고 있다. 도 21에서 확인할 수 있는 것처럼 폴링싱 전(a)에는 잔유물 및 재응고층의 존재로 인하여 딤플 주변이 손상되고 매우 거칠었지만, 폴리싱 후(b)에는 잔유물 및 재응고층이 제거되고 딤플 주변이 깔끔한 상태가 된 것을 확인할 수 있다. 도 22는 실험에서 진행된 폴리싱 과정을 간단하게 보여준다.
- 딤플 패터닝에 따른 마찰 마모 영향
본 실험에서 사용된 상대적으로 저점도와 고점도 특성을 갖는 엔진오일은 중소형급 승용차에 일반적으로 사용되고 있는 것이다.
Oil
 SAE
Grade		 Density
(g/ml)		 Pour
Point(℃)		 Flash
Point(℃)		 Viscosity(cSt) at
40℃ 100℃
Low viscosity oil
5W30
0.855
-42
230
61.7
11.0
High viscosity oil
15W50
0.87
-39
232
125
18
도 23과 도 24에서는 5W30의 점도를 갖는 엔진오일의 윤활 하에서 각각의 표면 상태에 따른 마찰계수 및 마모 크기를 나타내었다. 도 23에서 보는 것과 같이 그라인딩된 표면은 가장 높은 거칠기를 갖고 있기 때문에 폴리싱된 표면 보다 높은 마찰계수를 나타내었다. 반면에 표면에 레이저 패터닝된 80㎛ 딤플간의 간격을 갖는 시편을 제외하고는 다른 딤플 간 간격으로 패터닝된 모든 시편의 경우 폴리싱된 시편보다 낮은 마찰계수를 나타내었다. 특히, 150㎛ 딤플간의 간격을 갖는 시편의 경우에서 약 0.065의 마찰계수로 가장 낮은 마찰계수를 나타내었다. 80㎛ 딤플간의 간격을 갖는 시편이 높은 마찰계수를 갖는 것은 거칠기 증가와 마찰 실험 시에 상대 재료와의 접촉 면적이 필요 이상으로 줄어들었고, 이로 인하여 마모량의 증가로 이어진 것으로 사료된다. 연구 결과로 미루어 볼 때, 폴리싱된 시편 보다 낮은 마찰계수를 얻기 위해서는 100㎛ 딤플간의 간격을 갖는 시편보다 더 접촉 면적이 줄어들지 않아야 된다고 할 수 있다.
이와 같이, 단순히 폴리싱된 표면이 가장 낮은 거칠기를 갖고 있음에도 불구하고 딤플로 패터닝된 시편들이 낮은 마찰계수를 나타내는데 이는 반구형의 딤플이 윤활제 저장소 역할을 하고, 마찰시 발생하는 마모 입자들이 딤플 내부에 가두어지면서 마모 입자들로부터 발생하는 2차, 3차적인 마모를 피할 수 있기 때문이다. 또한, 딤플로 인해 마찰 접촉 면적도 줄어드는 것도 한 가지 요인이다. 나아가 패터닝된 딤플로 인해 딤플윤활 상태에서 마찰 운동 중에 표면에 압력이 발생하여 윤활막의 두께가 증가하여, 경계윤활에서 혼합윤활, 그리고 유체윤활 영역으로의 전이가 촉진된다. 이로 인하여, 마찰계수는 비약적으로 감소되는 것이다.
또한 도 25에서 볼 수 있듯이 이 시편들은 연삭마모가 주로 관찰된다. 폴리싱된 시편보다 패터닝된 딤플이 있는 시편에서 연삭마모가 효과적으로 줄어들어 표면이 비교적 깨끗한 것을 알 수 있다.
- 그래핀 코팅공정
본 실험을 위해 코팅장치(LPCVD-Low Pressure Chemical Vapor Deposition)를 사용하여, 도 26에 도시된 것처럼 Ar과 H2 분위기에서 10℃/min 승온 속도로 950℃까지 도달한 후, 그래핀 코팅을 하기 위하여 950℃에서 CH4 gas를 10분간 흘려 반응을 시킨다. 반응이 끝난 후, 로냉을 시키며 Ar gas 분위기를 유지한다.
- 코팅과 패턴이 마찰에 미치는 영향
도 27의 (a)에서 볼 수 있듯이, 검은색은 아무런 표면처리를 하지 않은 폴리싱된 표면이고 시간은 CH4 gas가 반응한 시간을 나타낸다. 특히, 반응시간 8분에서 가장 낮은 마찰계수를 나타내었다. (b)에서는 딤플 간의 다른 간격을 갖는 시편에 가장 낮은 마찰계수를 갖는 반응시간 8분간 코팅을 한 후의 마찰계수 그래프이다. 여기에서는 8분간 코팅한 폴리싱 시편보다 패터닝된 딤플과 그래핀 코팅이 복합적으로 이루어진 시편의 경우 마찰계수가 더 감소한 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
110 : 모체가 되는 소재 120 : 그래파이트 플레이크
130 : 딤플 140 : 그래핀 레이어

Claims (20)

  1. 자동차 엔진용 소재에 있어서,
    표면접촉으로 일어나는 표면마찰을 줄일 수 있도록 모재 표면에 다수의 딤플이 서로 이격된 형태로 형성되되,
    상기 모재의 소재는 그래파이트 플레이크(graphite flake)를 포함하여 조성된 것으로 사용되고,
    상기 딤플이 형성된 모재의 표면에는 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의해 그래핀(graphene)을 코팅하여 그래핀 레이어가 형성되도록 함으로써,
    상기 딤플, 그래파이트 플레이크 및 그래핀에 의한 복합적인 마찰저감 작용이 일어나도록 하며,
    상기 딤플은 서로 격자 형태로 배열되고, 표면과 나란한 방향으로 절단한 횡단면이 원형으로 이루어지며, 직경은 45 내지 65μm 범위 내에 속하고, 서로 이웃한 딤플들의 중심 간 간격은 130 내지 170μm 범위 내에 속하며, 깊이는 10 내지 50μm 범위 내에 속하는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진용 저마찰 소재.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 딤플은 표면에서 더 깊게 들어갈수록 점차 폭이 줄어드는 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 자동차 엔진용 저마찰 소재.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 딤플은 반구형 홈의 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차 엔진용 저마찰 소재.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 딤플은 표면에서 더 깊게 들어가도 폭을 동일하게 유지하는 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 자동차 엔진용 저마찰 소재.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 딤플은 표면에서 더 깊게 들어갈수록 점차 폭이 늘어나는 일부 구간을 갖는 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 자동차 엔진용 저마찰 소재.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 딤플은 레이저 조사에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 자동차 엔진용 저마찰 소재.
  14. 제1항 및 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항의 저마찰 소재를 사용한 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 실린더블록.
  15. 제1항 및 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항의 저마찰 소재를 사용한 것을 특징으로 하는 자동차 엔진.
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