KR101627208B1

KR101627208B1 - 음의 열 팽창 계수를 가지는 물질을 이용한 기능성 코팅 구조, 이의 제조방법 및 이를 적용한 미세 전동 장치

Info

Publication number: KR101627208B1
Application number: KR1020140073673A
Authority: KR
Inventors: 김대은; 유신성
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2016-06-03
Also published as: KR20150144615A

Abstract

본 발명은 음의 열 팽창 계수를 가지는 물질을 이용한 기능성 코팅 구조, 이의 제조방법 및 이를 적용한 미세 전동 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 음의 열 팽창 계수를 갖는 물질로 접촉층을 형성하여 탄성 변형에 의한 압력 분산 효과 및 복원 효과를 통해 마찰, 마모 저감 코팅 구조를 구현함으로써, 종래의 연질 재료를 이용한 탄성 코팅과 동일한 효과를 얻을 수 있으면서도 상대적으로 강성이 높아 접촉층 자체의 마모나 파손을 방지할 수 있는 기능성 코팅 구조 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

음의 열 팽창 계수를 가지는 물질을 이용한 기능성 코팅 구조, 이의 제조방법 및 이를 적용한 미세 전동 장치{FUNCTIONAL COATING STRUCTURE USING NEGATIVE THERMAL EXPANSION MATERIAL, MANUFACTURE METHOD THEREOF, AND MICRO GEARING DEVICE USING THE SAME}

본 발명은 필수적으로 마찰이나 마모가 수반되는 전동 장치나 회전 장치 등에 요구되며, 마찰 및 마모를 저감하기 위하여 피코팅물의 표면에 형성되는 기능성 코팅 구조 및 코팅 방법과, 이러한 기술이 적용된 미세 전동 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 서로 접촉한 상태에서 상대 운동을 하는 두 구조물 사이에 발생되는 마찰이나 마모에 잘 견디는 특성을 구현하기 위하여 구조물의 표면에 박막을 코팅하는 방법이 많이 사용되고 있다.

이러한 박막 코팅의 재료로는 코팅층의 강도를 증가시키기 위해 경질 재료(hard material)을 사용하는 것이 마모 현상이 적게 발생될 것으로 생각하기 쉽지만, 이러한 경질 재료는 전단 응력(shear stress)이 높기 때문에 마찰력 크게 발생되어 표면 마모를 가속시킬 수 있다.

이와 반대로, 박막 코팅의 재료로 연질 재료(soft material)를 사용하는 경우에는 전단 응력이 낮아 경질 재료를 사용하는 경우보다 마찰력이 작게 발생될 수 있지만, 코팅층의 기계적 강도가 낮기 때문에 하중이 집중될 경우 코팅층이 파손되어 마모 현상이 증가될 수 있다.

이와 같이 구조물 표면에 코팅되는 재료의 특성에 따라 마찰 마모 저감 측면에서 서로 다른 장단점을 보이기 때문에, 종래에는 이러한 구조물 표면에 서로 다른 특성의 재료를 함께 사용하여 마찰과 마모 특성을 향상시키는 연구가 많이 진행되어 왔다.

이와 관련된 논문으로는 "A Novel Approach to Wear Reduction of Micro-components by Synthesis of Carbon Nanotube-Silver Composite Coating, Dae-Eun Kim, Chang Lae Kim, Hyun-joon Kim, CIRP Annals-Manuifactureing Technology, 2011, 60, 599-602" 등이 있다. 상기 논문에서 소개된 내용을 보면, 실리콘 웨이퍼(silicon wafer) 위에 높은 강도를 가지는 경질 재료인 CNT(Carbon nano tube) 코팅과 연질 재료인 은(Silver) 코팅을 결합시켜 실험한 결과, 은 코팅이나 CNT 코팅 한 가지만 사용하였을 경우보다 두 가지의 서로 다른 물질을 결합시킨 경우가 상대적으로 낮은 마찰계수와 낮은 마모율을 보인다는 것이 실험을 통해 확인되었다.

한편, 또 다른 논문(Friction and Characteristics of C/Si Bi-layer Coatings Deposited on Silicon Substrate by DC Mangetron Sputtering, Oleksiy V. Penkov, Yegor A. Bugayev, Igor Zhuravel, Valeriy V. Kondratenko, Auezhan Amanov, Dae-Eun Kim, Tribol Lett, 2012, 48, 123-131)에서는 실리콘 웨이퍼 위에 연질 재료인 비정질 카본(Amorphous carbon)을 코팅하고 그 위에 경질 재료인 비정질 실리콘(Amorphous silicon)을 코팅한 이중 코팅 구조에 대하여, 비정질 카본이나 비정질 실리콘을 단독 코팅한 경우에 비해 상대적으로 낮은 마찰 계수와 낮은 마모율을 가진다는 사실이 실험적으로 확인되었다.

도 1은 위와 같은 내용을 도식적으로 설명하는 개념도로서, 구체적으로는 모재층(substrate) 표면에 상부 구조물을 통해 수직 하중을 주면서 마찰을 발생시킨 후 수직 하중을 제거하였을 때, (a) 연질 재료인 비정질 카본만을 코팅한 경우와, (b) 경질 재료인 비정질 실리콘만을 코팅한 경우와, (c) 상기 2 개의 서로 다른 물질을 복합층 구조로 코팅한 경우에 대한 각각의 코팅 표면 형상을 보여주고 있다.

도 1의 비교 결과와 같이, 기판 위에 연질 재료인 비정질 카본과 경질 재료인 비정질 실리콘이 순차적으로 적층된 이중 코팅 구조(c)가, 연질 재료인 비정질 카본만으로 코팅되거나(a), 경질 재료인 비정질 실리콘만으로 코팅된 구조(b)에 비해 낮은 마찰 계수와 마모율을 보이는 것을 확인할 수 있다.

그러나 상술한 바와 같은 이중 코팅 구조는, 연질이나 경질 재료만으로 이루어진 단독 코팅 구조보다 우수한 마찰 마모 특성을 보이지만, 서로 상대 운동하는 상부 구조물로부터 인가되는 수직 하중에 의해 코팅 표면에 변형이 발생될 경우, 경질 재료로 구성된 상부 코팅층이 연질 재료로 구성된 하부 코팅층의 변형을 온전하게 따라가지 못하게 되어, 상부 구조물과 접촉하게 되는 상부 코팅층 부분에 크랙(crack)이 발생됨으로써 코팅층의 파손이 유발되는 문제가 있고, 특히 상부 코팅층 변형과정에서 수평 방향으로의 응력 집중으로 인해 코팅층 파손 현상이 더 쉽게 일어나서 마모 입자가 많이 발생하게 됨으로써 이로 인해 마찰 마모에 심각한 악영향을 끼치게 되는 문제가 있었다.

이에 본 출원인은 대한민국 특허출원 제2013-0005308호(마찰 마모 저감을 위한 기능성 코팅 구조 및 그 방법)을 통하여, 탄성 있는 연질 재료로 구성된 하부 코팅층과 경질 재료로 구성된 상부 코팅층이 순차적으로 적층된 이중 코팅 구조에서, 경질 재료로 구성된 상부 코팅층을 수평 방향으로 다수의 개별 파트(part)들로 분리하여 어레이(array) 형태로 배열되도록 형성함으로써, 하부 코팅층의 탄성 변형시 상부 코팅층이 하부 코팅층의 탄성 변형에 추종하여 파손 없이 원할히 변형될 수 있고, 탄성 범위 내에서 변형되는 하부 코팅층의 에너지 흡수 및 복원 과정에 의해 마찰 마모 저감 효과를 극대화시킬 수 있는 기능성 코팅 구조 및 코팅 방법을 제시한 바 있다.

그러나, 이러한 코팅 방법도 최상단 코팅층의 재질이 경질 재료이므로, 탄성 변형에 따른 추종성을 획득하여 충분한 내마찰, 내마모 특성을 구현하는데에는 일정 수준 한계가 있었다. 따라서, 연질 재료로 구성된 코팅층과 같이 탄성 변형에 의한 압력 분산 효과와 복원 효과를 얻을 수 있으면서도, 일정 수준 이상의 기계적 강도를 지니고 있어 하중에 따른 코팅층 파손을 방지할 수 있는 기능성 코팅 기술의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 특허출원 제2013-0005308호(마찰 마모 저감을 위한 기능성 코팅 구조 및 그 방법)

A Novel Approach to Wear Reduction of Micro-components by Synthesis of Carbon Nanotube-Silver Composite Coating, Dae-Eun Kim, Chang Lae Kim, Hyun-joon Kim, CIRP Annals-Manuifactureing Technology, 2011, 60, 599-602 Friction and Characteristics of C/Si Bi-layer Coatings Deposited on Silicon Substrate by DC Mangetron Sputtering, Oleksiy V. Penkov, Yegor A. Bugayev, Igor Zhuravel, Valeriy V. Kondratenko, Auezhan Amanov, Dae-Eun Kim, Tribol Lett, 2012, 48, 123-131

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 음의 열 팽창 계수를 갖는 물질로 접촉층을 형성하여 탄성 변형에 의한 압력 분산 효과 및 복원 효과를 통해 마찰, 마모 저감 코팅 구조를 구현함으로써, 종래의 연질 재료를 이용한 탄성 코팅과 동일한 효과를 얻을 수 있으면서도 상대적으로 강성이 높아 접촉층 자체의 마모나 파손을 방지할 수 있는 기능성 코팅 구조 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따라 서로 접촉하며 상대 운동하는 구조물 사이의 마찰 및 마모를 저감하기 위하여 피코팅물인 모재층(substrate)(1) 표면에 형성되는 기능성 코팅 구조에 있어서, 열 팽창 계수가 음의 값을 가지는 코팅물질로 이루어진 접촉층(10)을 포함하는 음의 열 팽창 계수를 가지는 물질을 이용한 기능성 코팅 구조를 제공한다.

이때, 상기 코팅물질은 -10 ~ -30 ppm/K 범위의 열 팽창 계수 값을 가지는 물질인 것이 바람직하며, 지르코늄 텅스테이트(Zirconium tungstate, ZrW₂O₈), 시안화 카드뮴(Cadmium cyanide, Cd(CN)₂) 및 철-백금 인바합금(Invar(Fe₃Pt))으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 접촉층(10)과 상기 구조물의 접촉으로 인해 발생되는 마찰열이 수평 방향으로 확산되는 것을 방지하기 위하여, 상기 접촉층(10)은 소정의 단면 형상을 가지며 어레이(array) 형태로 배열되어 분리 공간이 형성되는 복수의 개별 파트(p)로 분리되도록 패턴 구조(P)로 구비될 수 있으며, 상기 분리 공간은 소정의 거리로 이격되어 형성되며 수평 방향으로의 열 확산을 방지하고, 상기 패턴 구조(P)의 횡단면 형상은 사각형 모양, 원형 모양 및 허니컴(honeycomb) 모양으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것이 바람직하다.

또, 상기 접촉층(10)과 상기 구조물의 접촉으로 인해 발생되는 마찰열이 수직 방향으로 확산되는 것을 방지하기 위하여, 상기 모재층(1)과 상기 접촉층(10) 사이에 절연물질로 이루어진 절연층(20)을 더 포함할 수 있으며, 상기 절연물질은 가돌리늄 지르콘산염(Gd₂Zr₂O₇, GZO), 모나자이트(Monazite) 및 이산화토륨(Thorium dioxide, ThO₂)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것이 바람직하다.

상기 모재층(1)은 표면 거칠기(Ra)가 1㎚ 이하일 수 있다.

그리고, 본 발명은 서로 접촉하며 상대 운동하는 구조물의 표면에 상술한 바와 같은 기능성 코팅 구조가 적용된 미세 전동 장치를 제공하며, 상기 미세 전동 장치에는 하드 디스크 드라이브, 멤즈(MEMS) 모터, 고속 미세 베어링 등이 있을 수 있다.

한편, 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따라 서로 접촉하며 상대 운동하는 구조물 사이의 마찰 및 마모를 저감하기 위한 기능성 코팅 방법에 있어서, 피코팅물인 모재층(1) 표면에 열 팽창 계수가 음의 값을 가지는 코팅물질로 이루어진 접촉층(10)을 형성하는 접촉층 형성단계(S10); 및 상기 접촉층(10)과 상기 구조물의 접촉으로 인해 발생되는 마찰열이 수평 방향으로 확산되는 것을 방지하기 위하여, 상기 접촉층(10)이 소정의 단면 형상을 가지며 어레이(array) 형태로 배열되어 분리 공간이 형성되는 복수의 개별 파트(p)로 분리되도록, 상기 접촉층(10)에 패턴 구조(P)를 형성하는 패터닝 단계(S20);를 포함하는 음의 열 팽창 계수를 가지는 물질을 이용한 기능성 코팅 방법을 제공한다.

이때, 상기 접촉층 형성단계(S10)에서, 상기 코팅물질은 -10 ~ -30 ppm/K 범위의 열 팽창 계수 값을 가지는 물질일 수 있으며, 상기 코팅물질은 지르코늄 텅스테이트(Zirconium tungstate, ZrW₂O₈), 시안화 카드뮴(Cadmium cyanide, Cd(CN)₂) 및 철-백금 인바합금(Invar(Fe₃Pt))으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 접촉층(10)을 물리적 기상 증착법(Physical vapor deposition, PVD) 또는 전기화학적 증착법(Electrochemical deposition)의 방식으로 형성할 수 있으며, 더욱 구체적으로는 상기 코팅물질은 지르코늄 텅스테이트(Zirconium tungstate, ZrW₂O₈) 또는 철-백금 인바합금(Invar(Fe₃Pt))이며, 상기 코팅물질이 상기 지르코늄 텅스테이트(Zirconium tungstate, ZrW₂O₈)이면, 상기 접촉층(10)을 전자선 증착법(Electron beam evaporation), 반응성 코스퍼터링(Reactive cosputtering) 및 펄스레이저 증착법(Pulsed laser deposition, PLD)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 방식으로 형성하고, 상기 코팅물질이 상기 철-백금 인바합금(Invar(Fe₃Pt))이면, 상기 접촉층(10)을 스퍼터링(Sputtering) 및 전기도금(Electroplating)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 방식으로 형성할 수 있다.

또, 상기 패터닝 단계(S20)에서, 상기 패턴 구조(P)의 횡단면 형상은 사각형 모양, 원형 모양 및 허니컴(honeycomb) 모양으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상일 수 있으며, 상기 패턴 구조(P)는, 마스크(mask) 층을 형성하여 패터닝 한 후, 상기 접촉층(10)을 형성하고, 상기 마스크를 제거하여 리프트-오프(Lift-off) 방식으로 형성할 수 있다.

한편, 상기 접촉층 형성단계(S10) 이전에, 상기 접촉층(10)과 상기 구조물의 접촉으로 인해 발생되는 마찰열이 수직 방향으로 확산되는 것을 방지하기 위하여, 상기 모재층(1) 표면에 절연물질로 이루어진 절연층(20)을 형성하는 절연층 형성단계(S1);를 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 절연물질은 가돌리늄 지르콘산염(Gd₂Zr₂O₇, GZO), 모나자이트(Monazite) 및 이산화토륨(Thorium dioxide, ThO₂)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것이 더욱 바람직하다.

상술한 바와 같은 본 발명의 음의 열 팽창 계수를 가지는 물질을 이용한 기능성 코팅 구조, 이의 제조방법 및 이를 적용한 미세 전동 장치는, 음의 열 팽창 계수를 갖는 물질로 접촉층을 형성함으로써 연질 재료의 탄성 코팅과 동일한 효과를 얻을 수 있으면서도, 경질 재료 수준의 높은 기계적 강도를 얻을 수 있어 코팅층의 파손도 방지하므로, 마찰 마모 저감 효과를 극대화시킬 수 있다.

또한, 수평 방향의 열 확산을 막는 패턴 구조와, 수직 방향의 열 확산을 막는 절연층을 도입함으로써, 마찰열에 따른 접촉층의 열 수축이 보다 효과적으로 일어나도록 유도함으로써, 장치에 가해지는 하중을 효율적으로 분산시킬 수 있고, 마모 입자가 발생되더라도 접촉층의 패턴 사이에 형성되는 분리 공간으로 이를 포집할 수 있어, 마모 입자로 인한 2차적인 마찰/마모 증가 우려도 해소할 수 있다.

그리고 본 발명은 특히 작은 마모에 의해서도 심각하게 신뢰성과 성능이 저하될 수 있는 초정밀 미소기기에 응용할 경우 효과를 크게 얻을 수 있으며, 멤즈(MEMS) 분야에서도 상대 운동에 의한 수명 단축 문제를 획기적으로 해결하여 기술적 한계를 뛰어넘고 새로운 산업을 창출할 수 있다.

도 1은 종래의 연질 재료나 경질 재료 이용한 단독 코팅 구조(a 및 b)와 종래의 연질-경질 재료 복합 코팅 구조(c)에 대한 마찰 마모 효과를 비교한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅물질인 지르코늄 텅스테이트(Zirconium tungstate, ZrW₂O₈)의 열 수축 거동을 나타내는 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 모재층(1)에 사각형(a)과 원형(b)의 패턴 구조로 접촉층(10)이 형성된 것을 도시한 모식도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 모재층(1)과 절연층(20) 위에 사각형(a)과 원형(b)의 패턴 구조로 접촉층(10)이 형성된 것을 도시한 모식도이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 사각형(a), 원형(b) 및 허니컴(c) 모양의 패턴 구조로 접촉층(10)이 형성된 것을 도시한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 기능성 코팅 구조가 형성된 구조물에 하중이 가해졌을 때, 표면의 거동을 도시한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기능성 코팅 방법의 공정흐름도(flowchart)이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기능성 코팅 방법에 따라 형성되는 적층 구조를 순차적으로 도시한 공정도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 접촉층(10)에 패턴 구조를 형성하는 공정을 순차적으로 도시한 공정도이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

"제 1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.

먼저, 본 발명은 바람직한 실시예에 따라 서로 접촉하며 상대 운동하는 구조물 사이의 마찰 및 마모를 저감하기 위하여 피코팅물인 모재층(1)의 표면에 형성되는 음의 열 팽창 계수를 가지는 물질을 이용한 기능성 코팅 구조를 제공한다.

본 발명의 기능성 코팅 구조는 열 팽창 계수가 음의 값을 가지는 코팅물질로 이루어진 접촉층(10)을 핵심적인 기술적 특징으로 한다. 상술한 바와 같이, 기능성 코팅 구조에 있어서, 코팅층을 연질 재료로 하거나 경질 재료로 하는 경우 상반된 장단점을 지니고 있어, 2 이상의 다른 재질로 구성된 복합층을 구성하기도 하였다. 그러나 최종적으로 하중이 가해지는 표면층을 구성하는 재질이 연질 재료이거나 경질 재료인 경우에 결국 해당 재료가 갖는 단점을 원천적으로 해소하기엔 어려움이 있다. 따라서 본 발명은 접촉층(10)의 코팅물질을 음의 열팽창 계수를 가지는 물질로 구성하여, 탄성 변형에 의한 압력 분산 효과나 복원 효과의 측면에서는 연질 재료로 구성된 코팅층과 같은 정도의 효과를 취하면서도, 상대적으로 강성이 높아 종래의 연질 재료로 구성된 코팅층에 비해 마모나 파손이 덜 발생되는 효과가 있다.

구체적으로, 코팅물질은 -10 ~ -30 ppm/K 범위의 열 팽창 계수 값을 가지는 물질일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 지르코늄 텅스테이트(Zirconium tungstate, ZrW₂O₈), 시안화 카드뮴(Cadmium cyanide, Cd(CN)₂) 및 철-백금 인바합금(Invar(Fe₃Pt))으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상일 수 있다.

도 2에는 바람직한 일 실시예에 따른 코팅물질인 지르코늄 텅스테이트의 열 수축 거동을 나타낸 그래프가 도시되어 있으며, 하기의 표 1에는 음의 열 팽창 계수 값을 갖는 물질들 즉, 온도가 증가할 때 부피가 감소하는 물질들의 목록과 각 물질들의 물리화학적 특성이 나열되어 있다. 일반적인 물질들은 온도가 증가할 때 부피가 증가하여 열 팽창 계수 값이 양의 값을 보이나, 일정 물질들은 반대로 온도가 증가할 때 부피가 감소하는 즉, 음의 열 팽창 계수 값을 갖는다. 열 팽창 계수 값의 의미는, 예컨대 -10 ppm/K인 경우 온도가 100℃ 증가할 때 1/1000의 열 수축을 보이는 것을 의미한다. 특히, 지르코늄 텅스테이트(ZrW₂O₈)는 -273℃에서 757℃의 온도 범위에서 도 2의 그래프와 같은 온도 증가에 따른 열 수축 특성을 보인다.

상술한 바와 같이 음의 열 팽창 계수 값을 가지는 물질로 코팅 구조의 접촉층(10)을 형성하면, 구조물의 접촉으로 인해 접촉 부분에 마찰열이 발생되었을 때, 접촉 부분의 온도 증가로 인해 열 수축이 일어나고, 접촉 부분에서 구조물과 접촉층(10)과의 접촉 면적이 증가하여, 구조물로 인해 가해지는 하중이나 압력이 분산됨으로써 마찰이나 마모가 저감된다. 위와 같은 접촉 면적 증가로 인한 압력 분산 효과는 연질 재료로 코팅층을 구성하였을 때의 그것과 유사하지만, 연질 재료 대신에 상대적으로 강성이 높은 물질을 사용하기 때문에 위에서 밝힌 바와 같이 연질 재료로 구성된 코팅층이 갖는 단점을 보완할 수 있다.

한편, 접촉층(10)의 온도가 증가되어 탄성 변형에 의해 압력 분산 효과 및 복원 효과를 통해 마찰, 마모를 저감하기 위해서는 상술한 바와 같이 열 팽창 계수 값의 범위와 코팅물질을 적절히 선택하여 발생되는 마찰열과 열 수축과의 상관 관계를 조절하는 것이 바람직하며, 이에 더하여 발생되는 마찰열을 보다 접촉층(10), 구체적으로는 접촉층(10) 상에서 구조물이 접촉되는 부위에 집중함으로써 보다 효과적인 열 수축을 이루어내려면, 발생되는 마찰열이 코팅 구조에서 수평 방향이나 수직 방향으로 확산되는 것을 방지해야 한다. 이를 위해, 본 발명은 수평 방향으로의 열 확산을 방지하기 위해 접촉층(10)에 패턴 구조(P)를 구현하고, 수직 방향으로의 열 확산을 방지하기 위해 접촉층(10)과 모재층(1) 사이에 절연층(20)을 구비할 수 있다.

이하, "수평 방향의 열 확산 방지를 위한 패턴 구조(P)"에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 바람직한 일 실시예에 따라 접촉층(10)과 구조물의 접촉으로 인해 발생되는 마찰열이 수평 방향으로 확산되는 것을 방지하기 위하여, 접촉층(10)은 소정의 단면 형상을 가지며 어레이(array) 형태로 배열되어 분리 공간이 형성되는 복수의 개별 파트(p)로 분리되도록 패턴 구조(P)로 구비될 수 있다.

이때 패턴 구조(P)의 횡단면 형상은 도 5a 내지 5c에 도시된 바와 같이 사각형 모양, 원형 모양 혹은 허니컴(honeycomb) 모양으로 구비될 수 있으며, 수평 방향으로 열 전달을 막는 최적화된 형상으로 패턴 구조(P)가 형성될 수 있다.

접촉층(10)이 패턴 구조(P)를 띠며 형성되면, 구조물과의 접촉 부위에 발생된 마찰열이 복수의 개별 파트(p) 사이에 형성된 분리 공간에 의해 단절되어, 수평 방향으로의 열 확산이 방지된다. 또한 부수적으로 접촉 부위에서 발생될 수 있는 마모 입자로 인해 마찰, 마모가 가속화되는 것이 억제되도록, 형성된 분리 공간에 마모 입자가 임시 저장될 수 있다. 이러한 분리 공간의 이격된 정도는 별도로 제한하지 않으며, 수 내지 수십 ㎛ 정도 수준으로 형성하는 것이 바람직하다. 도 3a 및 3b는 본 발명의 실시예에 따라 모재층(1)에 사각형(a)과 원형(b)의 패턴 구조(P)로 접촉층(10)이 형성된 모습을 도시한 모식도이다.

한편, 이하 "수직 방향의 열 확산 방지를 위한 절연층(20)"에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 바람직한 다른 실시예에 따라 접촉층(10)과 구조물의 접촉으로 인해 발생되는 마찰열이 수직 방향으로 확산되는 것을 방지하기 위하여, 모재층(1)과 접촉층(10) 사이에 절연물질로 이루어진 절연층(20)을 더 포함할 수 있다.

이러한 절연층(20)은 접촉층(10)의 접촉 부위에서 발생되는 마찰열이 수직 방향, 즉 모재층(1) 방향으로 빠르게 확산되는 것을 방지하여 접촉층(10) 내부에 마찰열이 고립되도록 함으로써, 효과적으로 열 수축 현상을 유도하는 역할을 수행한다. 이러한 열 전도 방지 역할을 수행하기 위하여, 열 전도도가 낮은 다양한 물질을 채택하여 사용할 수 있으며, 하기의 표 2에 이러한 물질들이 나열되어 있다.

본 발명의 모재층(1)은 표면 거칠기(Ra)가 1㎚ 이하일 수 있으며, 바람직하게는 표면 거칠기가 0,5㎚ 수준의 실리콘 기반 소재에 적용하여 각종 미세 전동 장치에 본 발명의 코팅 구조가 이용될 수 있다. 따라서, 접촉층(10)과 모재층(1)의 열 전도도를 감안하였을때, 절연층(20)을 구성하는 절연물질은 가돌리늄 지르콘산염(Gd₂Zr₂O₇, GZO), 모나자이트(Monazite) 및 이산화토륨(Thorium dioxide, ThO₂)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상을 사용할 수 있다.

도 4a 및 4b는 본 발명의 실시예에 따라 모재층(10) 위에 절연층(20)이 형성되고, 그 위에 사각형(a)과 원형(b)의 패턴 구조(P)로 접촉층(10)이 형성된 모습을 도시한 모식도이다.

본 발명은 상술한 바와 같이, 패턴 구조(P)로 접촉층(10)을 형성하고, 모재층(1)과 접촉층(10) 사이에 절연층(20)을 형성함으로써, 접촉층(10)의 접촉 부위에서 발생되는 마찰열이 수평 방향 및 수직 방향으로 확산되는 것을 방지하고, 접촉층(10) 내부에 마찰열이 고립되도록 하여, 보다 효과적으로 접촉층(10)의 열 수축 현상을 유도할 수 있으며, 이를 통해 최종적으로 내마찰, 내마모 특성을 향상시킬 수 있다.

이하 본 발명의 코팅 구조에 하중이 가해졌을 때 코팅 구조의 거동을 설명한다. 이에 대한 개념도가 도 6에 도시되어 있다.

도 6을 참고할 때, 구조물에서 접촉층(10)에 일정 영역에 하중이 가해지면 마찰열이 발생하게 되고, 이때 패턴 구조(P)나 절연층(20)의 도움으로 접촉층(10)에 발생된 마찰열이 효과적으로 고립된다. 접촉층(10)의 온도가 상승하게 되어 음의 열 팽창 계수를 갖는 물질의 열 수축 특성으로 인해 접촉 부위의 부피가 감소하게 됨으로써, 접촉층(10)의 개별 파트(p)와 구조물의 접촉 면적이 증가함과 동시에, 구조물에 접촉되는 개별 파트(p)의 개수 또한 증가하게 된다. 따라서, 구조물을 통해 가해지는 하중이 분산되어 내마찰 내마모 특성이 발현되고, 구조물이 이격되면 자연적인 냉각으로 인해 팽창되어 접촉층(10)이 복원되어 탄성 변형이 이루어진다.

한편, 본 발명은 바람직한 다른 실시예에 따라 서로 접촉하며 상대 운동하는 구조물 사이의 마찰 및 마모를 저감하기 위한 기능성 코팅 방법을 제공한다. 본 발명의 코팅 방법에 대한 공정 흐름도가 도 7에 도시되어 있으며, 순서에 따른 적층 구조의 변화가 도 8에 도시되어 있다.

먼저, 피코팅물인 모재층(1)의 표면에 상술한 바와 같은 접촉층(10)을 물리적 기상 증착법(PVD) 또는 전기화학적 증착법의 방식으로 형성한다.(S10) 이때, 코팅물질이 지르코늄 텅스테이트(ZrW₂O₈)이면, 접촉층(10)을 전자선 증착법(Electron beam evaporation), 반응성 코스퍼터링(Reactive cosputtering) 및 펄스레이저 증착법(Pulsed laser deposition, PLD)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 방식으로 형성하고, 코팅물질이 철-백금 인바합금(Invar(Fe₃Pt))이면, 접촉층(10)을 스퍼터링(Sputtering) 및 전기도금(Electroplating)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 방식으로 형성할 수 있다.

다음으로, 형성된 접촉층(10)을 패턴 구조(P)로 가공하는 패터닝 단계(S20)를 수행한다. 이때, 접촉층(10)에 패턴을 형성하는 방법은 다양한 패터닝 방식이 차용될 수 있으나, 바람직하게는 도 9에 도시된 바와 같은 리프트-오프(lift-off) 방식을 사용할 수 있다. 구체적으로는 포토레지스트(PR)과 같은 마스크 층을 접촉층(10)을 형성하기 전에 모재층(1) 상부에 형성하고 포토리소그래피 등의 방식으로 패터닝을 한 후, 패턴 위에 접촉층(10)을 형성한다. 그 이후에 마스크를 제거하여 마스크 층 위에 형성되는 접촉층(10)까지 동시에 제거함으로써 패턴 구조(P)가 형성된 접촉층(10)을 형성시킬 수 있다.

한편, 접촉층 형성단계(S10) 이전에 상술한 바와 같은 절연층(20)을 모재층(1) 상부에 먼저 형성시킬 수 있으며(S1), 증발법(evaporation), 스퍼터링, 전기도금 등의 다양한 방식을 채택하여 절연층(20)을 형성시킬 수 있다.

본 발명의 코팅 구조 및 코팅 방법은 마모나 마찰이 문제되는 다양한 기계 장치에 적용될 수 있으며, 구체적으로는 미세한 규모의 각종 전동 장치에 적용될 수 있다.

일례로, 하드디스크 드라이브의 경우 슬라이더와 디스크의 불안정한 접촉에 의해 100~120℃ 정도의 국부적인 온도 상승이 일어나게 되며, 멤즈(MEMS) 모터의 경우에도 500,000 rpm 이상의 속도로 구동되어 유사한 수준의 온도 상승이 일어날 수 있어, 본 발명에 따른 음의 열 팽창 계수를 가지는 물질을 이용한 기능성 코팅을 적용하여 내마모, 내마찰 특성을 구현할 수 있다. 구체적으로는 100℃ 정도의 온도가 상승하는 경우 본 발명의 실시예에 따른 코팅물질은 1-3㎚의 두께 감소가 발생되는데, 표면 거칠기가 1㎚ 이하인 실리콘 기반의 미세 전동 장치에서는 압력을 분산시키기에 충분한 값으로 볼 수 있다.

다른 적용예로는, 여러 개의 베어링을 사용하는 경우 베어링 제작 공차에 의해 전체 베어링 중 일부 베어링에만 접촉이 발생되는데, 본 발명의 코팅 구조를 도입하여 일부 베어링 접촉시 해당 베어링의 크기를 감소시켜, 접촉되지 않았던 다른 베어링으로 압력 분산을 효과적으로 이루어낼 수 있다.

본 발명에서 제안하는 기술은 작은 마모에 의해서 신뢰성 및 성능이 심각하게 저하될 수 있는 초정밀, 미소기기에 응용할 경우, 그 효과가 더욱 클 것으로 기대되며, 특히 기존에 문제되어 왔던 멤즈 분야에서의 상대 운동에 의한 수명 단축 문제를 획기적으로 해결하여 새로운 산업을 창출하는 한편, 초정밀 기기 분야에서의 기술적 한계를 뛰어넘어 막대한 시장 수요의 확장을 가져올 수 있을 것으로 예측된다.

또한 본 발명은 기존에 명확히 제시된 바 없는 새로운 아이디어를 토대로 한 내마모 코팅 기술로서, 특히 마이크로나 나노 스케일의 초정밀 시스템의 마모를 획기적으로 저감하고, 신뢰성 및 수명을 향상시킬 수 있을 것으로 예상된다. 이로써, 표면력에 의해 성능이 지배되는 초정밀 미소기기의 기술적 한계를 돌파하여 신기술의 토대가 되고 미래의 고부가 가치 창출에 기여할 것으로 기대된다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

p : 개별 파트
P : 패턴 구조
1 : 모재층
10 : 접촉층
20 : 절연층

Claims

서로 접촉하며 상대 운동하는 구조물 사이의 마찰 및 마모를 저감하기 위하여 피코팅물인 모재층(substrate)(1) 표면에 형성되는 기능성 코팅 구조에 있어서,
열 팽창 계수가 음의 값을 가지는 코팅물질로 이루어진 접촉층(10)을 포함하고,
상기 코팅물질은 -10 ~ -30 ppm/K 범위의 열 팽창 계수 값을 가지는 물질이며,
상기 접촉층(10)과 상기 구조물의 접촉으로 인해 발생되는 마찰열이 수평 방향으로 확산되는 것을 방지하기 위하여, 상기 접촉층(10)은 소정의 단면 형상을 가지며 어레이(array) 형태로 배열되어 분리 공간이 형성되는 복수의 개별 파트(p)로 분리되도록 패턴 구조(P)로 구비되고,
상기 분리 공간은 소정의 거리로 이격되어 형성되며 수평 방향으로의 열 확산을 방지하고,
상기 접촉층(10)과 상기 구조물의 접촉으로 인해 발생되는 마찰열이 수직 방향으로 확산되는 것을 방지하기 위하여, 상기 모재층(1)과 상기 접촉층(10) 사이에 절연물질로 이루어진 절연층(20)을 더 포함하며,
상기 접촉층(10) 중 상기 구조물과 접촉하는 부분이 상기 마찰열에 의해 열 수축이 일어남으로써 상기 구조물과 상기 접촉층(10)과의 접촉 면적이 증가하여, 상기 구조물로 인해 가해지는 하중이나 압력이 분산되는 것을 특징으로 하는 음의 열 팽창 계수를 가지는 물질을 이용한 기능성 코팅 구조.
삭제
제1항에 있어서,
상기 코팅물질은 지르코늄 텅스테이트(Zirconium tungstate, ZrW₂O₈), 시안화 카드뮴(Cadmium cyanide, Cd(CN)₂) 및 철-백금 인바합금(Invar(Fe₃Pt))으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 음의 열 팽창 계수를 가지는 물질을 이용한 기능성 코팅 구조.
삭제
제1항에 있어서,
상기 패턴 구조(P)의 횡단면 형상은 사각형 모양, 원형 모양 및 허니컴(honeycomb) 모양으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 음의 열 팽창 계수를 가지는 물질을 이용한 기능성 코팅 구조.
삭제
제1항에 있어서,
상기 절연물질은 가돌리늄 지르콘산염(Gd₂Zr₂O₇, GZO), 모나자이트(Monazite) 및 이산화토륨(Thorium dioxide, ThO₂)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 음의 열 팽창 계수를 가지는 물질을 이용한 기능성 코팅 구조.
제1항에 있어서,
상기 모재층(1)은 표면 거칠기(Ra)가 1㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 음의 열 팽창 계수를 가지는 물질을 이용한 기능성 코팅 구조.
서로 접촉하며 상대 운동하는 구조물의 표면에 상기 제1항, 제3항, 제5항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항의 기능성 코팅 구조가 적용된 미세 전동 장치.
서로 접촉하며 상대 운동하는 구조물 사이의 마찰 및 마모를 저감하기 위한 기능성 코팅 방법에 있어서,
피코팅물인 모재층(1) 표면에 열 팽창 계수가 음의 값을 가지는 코팅물질로 이루어진 접촉층(10)을 형성하는 접촉층 형성단계(S10); 및
상기 접촉층(10)과 상기 구조물의 접촉으로 인해 발생되는 마찰열이 수평 방향으로 확산되는 것을 방지하기 위하여, 상기 접촉층(10)이 소정의 단면 형상을 가지며 어레이(array) 형태로 배열되어 분리 공간이 형성되는 복수의 개별 파트(p)로 분리되도록, 상기 접촉층(10)에 패턴 구조(P)를 형성하는 패터닝 단계(S20);
를 포함하며,
상기 접촉층 형성단계(S10) 이전에,
상기 접촉층(10)과 상기 구조물의 접촉으로 인해 발생되는 마찰열이 수직 방향으로 확산되는 것을 방지하기 위하여, 상기 모재층(1) 표면에 절연물질로 이루어진 절연층(20)을 형성하는 절연층 형성단계(S1);
를 더 포함하며,
상기 코팅물질은 -10 ~ -30 ppm/K 범위의 열 팽창 계수 값을 가지는 물질이고,
상기 분리 공간은 소정의 거리로 이격되어 형성되며 수평 방향으로의 열 확산을 방지하고,
상기 접촉층(10) 중 상기 구조물과 접촉하는 부분이 상기 마찰열에 의해 열 수축이 일어남으로써 상기 구조물과 상기 접촉층(10)과의 접촉 면적이 증가하여, 상기 구조물로 인해 가해지는 하중이나 압력이 분산되는 것을 특징으로 하는 음의 열 팽창 계수를 가지는 물질을 이용한 기능성 코팅 방법.
삭제
제10항에 있어서,
상기 코팅물질은 지르코늄 텅스테이트(Zirconium tungstate, ZrW₂O₈), 시안화 카드뮴(Cadmium cyanide, Cd(CN)₂) 및 철-백금 인바합금(Invar(Fe₃Pt))으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 음의 열 팽창 계수를 가지는 물질을 이용한 기능성 코팅 방법.
제10항에 있어서,
상기 접촉층 형성단계(S10)에서,
상기 접촉층(10)을 물리적 기상 증착법(Physical vapor deposition, PVD) 또는 전기화학적 증착법(Electrochemical deposition)의 방식으로 형성하는 것을 특징으로 하는 음의 열 팽창 계수를 가지는 물질을 이용한 기능성 코팅 방법.
제13항에 있어서,
상기 접촉층 형성단계(S10)에서,
상기 코팅물질은 지르코늄 텅스테이트(Zirconium tungstate, ZrW₂O₈) 또는 철-백금 인바합금(Invar(Fe₃Pt))이며,
상기 코팅물질이 상기 지르코늄 텅스테이트(Zirconium tungstate, ZrW₂O₈)이면, 상기 접촉층(10)을 전자선 증착법(Electron beam evaporation), 반응성 코스퍼터링(Reactive cosputtering) 및 펄스레이저 증착법(Pulsed laser deposition, PLD)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 방식으로 형성하고,
상기 코팅물질이 상기 철-백금 인바합금(Invar(Fe₃Pt))이면, 상기 접촉층(10)을 스퍼터링(Sputtering) 및 전기도금(Electroplating)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 방식으로 형성하는 것을 특징으로 하는 음의 열 팽창 계수를 가지는 물질을 이용한 기능성 코팅 방법.
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제10항에 있어서,
상기 패터닝 단계(S20)에서,
상기 패턴 구조(P)는, 마스크(mask) 층을 형성하여 패터닝 한 후, 상기 접촉층(10)을 형성하고, 상기 마스크를 제거하여 리프트-오프(Lift-off) 방식으로 형성하는 것을 특징으로 하는 음의 열 팽창 계수를 가지는 물질을 이용한 기능성 코팅 방법.
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