KR101745544B1

KR101745544B1 - 높은 탄성력과 전단강도를 갖는 주기적으로 증착된 비결정질 나노층구조 코팅을 이용한 마찰 및 마모 감소 방법

Info

Publication number: KR101745544B1
Application number: KR1020150100941A
Authority: KR
Inventors: 김대은; 올릭세이펜코브
Original assignee: 연세대학교 산학협력단; 우크라이나 하르키우 대학교 〃하르키우 폴리테크닉 대학〃
Priority date: 2015-07-16
Filing date: 2015-07-16
Publication date: 2017-06-23
Also published as: KR20170009231A

Abstract

본 발명은 서로 접촉하며 상대 운동하는 구조물 사이의 마찰 및 마모를 저감하기 위해 구조물 표면에 형성되는 코팅층에 관한 것으로서, 구체적으로 비결정질 구조를 갖는 경질물질 및 연질물질로 각각 이루어진 층을 포함하는 나노 코팅층이 복수 개 적층되는 구조를 가짐으로써, 우수한 충격 감쇄 효과 및 높은 전단 강도를 갖는 코팅층에 관한 것이다.

Description

높은 탄성력과 전단강도를 갖는 주기적으로 증착된 비결정질 나노층구조 코팅을 이용한 마찰 및 마모 감소 방법{METHOD FOR REDUCTION OF FRICTION AND WEAR BY USING ALTERNATING NANOLAYERDED AMORPHOUS COATINGS HAVING HIGH ELASTICITY AND SHEAR STRENGTH}

본 발명은 서로 접촉하며 상대 운동하는 구조물 사이의 마찰 및 마모를 저감하기 위해 구조물 표면에 형성되는 코팅층에 관한 것으로서, 구체적으로는 비결정질 구조를 갖는 경질물질 및 연질물질로 각각 이루어진 층을 포함하는 나노 코팅층이 복수 개 적층되는 구조를 가짐으로써, 우수한 충격 감쇄 효과 및 높은 전단 강도를 갖는 코팅층에 관한 것이다.

마모란 서로 접촉하며 상대 운동하는 구조물의 접촉면이 갖는 마찰력에 의해 발생하는 것으로서, 이러한 마찰 및 마모는 자동차 산업 같은 거시적 규모의 기계 산업 뿐만 아니라 인공 관절 산업 같은 미시적 규모의 다양한 생명공학 응용분야에서도 극복해야할 중요한 현상이다.

마모는 미끄럼 운동을 하는 부품이 포함된 모든 시스템의 수명 및 효율을 현저히 감소시키기 때문에, 자원과 에너지 절약을 목표로 이러한 마찰 및 마모를 감소시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 예를 들면, 연질금속, 경금속 또는 유사다이아몬드 같은 초경질 금속을 코팅하거나, 화학적 코팅 또는 마이크로 나노복합체 코팅법을 이용하는 등 다양한 방법으로 마모 및 마찰의 저감을 구현하고 있다.

또한, 이와 관련된 종래기술인 연구논문 "A Novel Approach to Wear Reduction of Micro-components by Synthesis of Carbon Nanotube-Silver Composite Coating(Dae-Eun Kim et al. CIRP Annals-Manuifactureing Technology, 60, 599-602, 2011)"에서는, 실리콘 웨이퍼(silicon wafer) 위에 높은 강도를 갖는 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 나타냄을 제시하고 있다.

한편, 마찰 및 마모를 저감시키기 위한 하나의 기술로서, 폴리머와 같이 높은 탄성력을 갖는 연질물질을 피코팅물인 기판 위에 코팅시키는 방법이 있다. 이러한 연질물질은 외부로부터 받는 충격을 효과적으로 감쇄시키기 때문에 상대적으로 가혹한 마찰조건에서도 낮은 마모율을 보인다.

그러나, 이와 같은 연질물질은 전단 강도(shear strangth)가 낮기 때문에, 마찰이 발생할 때 코팅층이 파손될 가능성이 경질물질에 비해 상대적으로 높으며, 이에 따라 마모 현상이 증가 될 수 있다는 문제점이 있다.

경질물질을 코팅시키는 경우, 경질물질은 높은 전단 강도를 갖는다는 장점이 있지만, 그만큼 마찰 계수도 높기 때문에 마찰력이 크게 발생하여 표면 마모를 가속시킬 수 있다.

이러한 종래 기술의 문제점을 극복하기 위해, 본 발명자들은 연질물질과 경질물질이 반복적으로 적층되는 다층 구조 코팅이 갖는 이질적이면서도 현저한 효과를 발견하고, 비결정질 구조의 물질이 갖는 높은 탄성을 이용하여 본 발명을 완성하였다.

Dae-Eun Kim et al. "A Novel Approach to Wear Reduction of Micro-components by Synthesis of Carbon Nanotube-Silver Composite Coating", CIRP Annals-Manuifactureing Technology, 60, 599-602 (2011).

상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 높은 탄성을 갖는 비결정질 구조의 물질로 이루어진 코팅층을 제공함으로써 충격 감쇄 효과를 향상시키며, 경질물질과 연질물질이 교번적으로 적층되는 구조를 갖는 코팅층을 제공함으로써, 연질물질이 갖는 장점인 충격 감쇄 효과를 유지하면서도 단점인 낮은 전단 강도를 보완하고자 한다.

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 서로 접촉하며 상대 운동하는 구조물 사이의 마찰 및 마모를 저감하기 위해 구조물 표면에 형성되는 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층을 제공하며, 구체적으로는 피코팅물인 기판(101) 상부에 복수 단이 적층되는 나노 코팅층(107)을 포함하며, 상기 나노 코팅층(107)은, 제1층(103) 및 제1층(103)의 상부에 위치하며 제1층(103)을 이루는 물질보다 연질인 물질로 이루어진 제2층(104)을 포함하고, 제1층(103) 및 제2층(104)을 이루는 물질은 비결정질 구조인 코팅층을 제공한다.

이때, 상기 제1층(103)은 코발트(Co), 니켈(Ni), 몰리브데늄(Molybdenum), 텅스텐(W) 및 실리콘(Si)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상으로 이루어질 수 있고, 상기 제2층(104)은 탄소(C)로 이루어질 수 있으며, 제1층(103)의 두께는 2 ~ 3 nm, 제2층(104)의 두께는 8 ~ 14 nm인 것이 바람직하다.

또한, 상기 나노 코팅층(107)은 제1층(103)의 하부와, 제1층(103) 및 제2층(104) 사이에 위치하는 확산장벽층(105, 106)을 더 포함할 수 있다.

또는, 최하단의 상기 나노 코팅층(107a)과 상기 기판(101) 사이에 위치하는 점착층(102) 및 최상단의 상기 나노 코팅층(107b)의 상부에 위치하는 마감층(108)을 더 포함할 수도 있다. 이때 상기 마감층(108)은 제1층(103) 또는 제2층(104)을 이루는 물질과 동일한 물질로 이루어지도록 설계될 수 있다.

이러한 나노 코팅층(107)은 기판(101) 상부에 12 ~ 15 단이 적층되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명은 다른 실시예에 따라 서로 접촉하며 상대 운동하는 구조물 사이의 마찰 및 마모를 저감하기 위한 구조물 표면의 코팅 방법을 제공할 수 있는데, 구체적으로는 피코팅물인 기판(101) 상부에 점착층(102)이 형성되는 단계, 점착층(102) 상부에 비결정질 구조를 갖는 물질로 이루어진 제1층(103)이 형성되는 단계 및 제1층(103)의 상부에, 비결정질 구조이며 제1층(103)을 이루는 물질보다 연질인 물질로 이루어진 제2층(104)이 형성되는 단계를 포함하며, 제1층(103) 및 제2층(104)의 형성단계가 순차적으로 복수 회 반복되는 것을 특징으로 하는 비결정질 나노층 구조 코팅 방법을 제공한다.

이때 상기 제1층(103) 및 제2층(104) 형성단계는, 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)을 이용한 증착방법을 통해 수행될 수 있다.

또한, 상기 제1층(103) 및 제2층(104)의 형성단계는 순차적으로 12 ~ 15회 반복되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 경질인 물질로 이루어진 제1층과 제1층보다 연질인 물질로 이루어진 제2층을 포함하는 나노 코팅층을 피코팅물인 기판 상부에 복수 개 적층시킴으로써, 연질물질이 갖는 높은 탄성 특성에 의한 충격 감쇄 효과를 유지하면서도 전단 강도가 증가하여 내마찰, 내마모성이 향상된다.

또한, 상기 제1층 및 제2층을 이루는 물질로서 비결정질의 구조를 갖는 물질을 사용함으로써 탄성이 증가하여 위와 같은 충격 감쇄 효과가 보다 향상된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층의적층 구조를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층의 전단 강도가 증가하는 원리를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층을 제조하는데 사용되는 듀얼 직류 마그네트론의 작동 원리를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층의 단면을 TEM(Transmission Electron Microscope)을 통해 관찰한 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층의 마찰계수 및 마모율을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조되는 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층에 포함된 코발트층의 두께를 달리하여 상기 코팅층의 마모율을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조되는 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층에 포함된 탄소층의 두께를 달리하여 상기 코팅층의 마모율을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조되는 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층에 포함되는 코발트층 및 탄소층의 적층 단수를 달리하여 상기 코팅층의 마모율 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 실험을 통해 측정된 본 발명의 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층과 종래 코팅층의 마모율을 비교하기 위해 표로 나타낸 것이다.

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.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층의적층 구조를 도식적으로 나타낸 것이다.

본 발명의 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층은 기판(101) 상부에 복수 단이 적층되는 나노 코팅층(107)을 포함한다.

기판(101)은 나노 코팅층(107) 등이 코팅되는 피코팅물로서, 서로 접촉하며 상대 운동하는 다양한 구조물의 접촉층 또는 표면층을 의미하며, 상기 기판(101)은 특히, 실리콘(Si), 철(Fe), 플라스틱 등으로 이루어진 물질일 수 있다.

이때, 복수 단의 나노 코팅층(107) 중 최하단에 위치하는 나노 코팅층(107a)과 기판(101) 사이에는 점착층(102)이 위치할 수 있는데, 상기 점착층(102)은 나노 코팅층(107)과 기판(101) 사이의 부착력을 증가시키는 역할을 하는 것으로서, 나노섬유(nano fiber), 크롬, 구리 등의 물질로 구성될 수 있다.

나노 코팅층(107)은 경질물질로 이루어진 제1층(103) 및 연질물질로 이루어진 제2층(104)를 포함하는 구조를 갖는데, 상기 경질 및 연질물질은 비결정질 구조를 갖는 물질인 것이 바람직하다.

비결정질 구조를 갖는 물질은 다결정 구조를 갖는 물질보다 탄성이 크기 때문에, 위와 같은 구조를 갖는 코팅층은 높은 탄성에 의한 충격 감쇄 효과에 의해 코팅 및 구조물의 마모를 감소시킬 수 있다.

또한, 제2층(104)은 제1층(103)의 상부에 위치하기 때문에 결과적으로 연질물질로 이루어진 제2층(104)이 상대 운동하는 구조물과 접촉하는 최상단에 위치하게 되는데, 경질물질보다 높은 탄성을 갖는 상기 연질물질을 통해 위와 같은 충격 감쇄 작용을 직접적으로 수행할 수 있다.

더불어, 이러한 나노 코팅층(107)을 복수 회 적층하여 경질물질층(제1층)과 연질물질층(제2층)이 교번적으로 위치하도록 함으로써, 연질물질이 갖는 단점인 낮은 전단 강도(shear strangth)가 보완되는 효과가 발생하는데, 도 2는 이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층의 전단 강도가 증가하는 원리를 나타낸 것이다.

발생하는 변형(strain)의 크기는 전단 응력(shear stress) 및 코팅의 두께에 비례하며, 경질물질보다 전단 강도가 더 낮은 연질물질에서 변형이 더 많이 나타나는데, 전단 강도가 약한 연질물질이 단일층으로 코팅된 구조일 경우에는 도 2의 (a)처럼 전단 응력(206)이 연질물질 단일층(201) 내부로 골고루 분포하여 큰 변형(205)이 발생한다.

반면, 경질물질과 연질물질이 번갈아 코팅된 다층 구조를 갖는 코팅층의 경우, 전체적인 코팅의 두께는 앞선 (a)의 단일층(201)의 두께(207)와 같지만 상대 운동하는 구조물(203)과 접촉하는 연질물질층(201)의 두께(210)는 그보다 얇기 때문에, 도 2의 (b)와 같이 상대적으로 작은 변형(211)이 발생한다.

즉, 경질물질과 연질물질이 교번적으로 코팅된 구조일 경우, 전단 응력이 발생하면 연질물질층(201)의 두께(210)만큼만 전단 응력(209)이 분포하여 매우 작은 변형이 발생하기 때문에, 결과적으로 전체 코팅의 전반적인 전단 강도가 획기적으로 증가하게 되어 현저한 내마찰, 내마모성 효과를 갖게 된다.

상기 경질물질 및 연질물질이란 각 물질이 갖는 경도(hardness)를 기준으로 하여 구분되는 상대적인 개념으로서, 제2층(104)은 제1층(103)을 이루는 물질에 비해 연질인 물질로 이루어지며, 마찬가지로 제1층(103)은 제2층(104)을 이루는 물질보다 경질인 물질로 이루어진다는 의미이다. 물질의 경도는 브리넬 경도, 록크웰 경도, 쇼어 경도 등의 방법을 통해 측정되는 값이다.

이러한 제1층을 이루는 물질로서, 코발트(Co), 니켈(Ni), 몰리브데늄(Molybdenum), 텅스텐(W) 또는 실리콘(Si) 중 하나 이상이 사용되는 것이 바람직하며, 상기 제1층의 두께는 2 ~ 3 nm인 것이 바람직하다. 이와 관련하여 실시한 구체적인 실험예를 후술될 실시예 3에서 설명한다.

또한, 제2층은 탄소(C)로 이루어지는 것이 바람직하며, 이러한 제2층의 두께는 8 ~ 14 nm인 것이 바람직하다. 이와 관련하여 실시한 구체적인 실험예를 후술될 실시예 4에서 설명한다.

이와 같은 제1층(103) 및 제2층(104)의 두께는 복수 개의 나노 코팅층(107) 전체에 걸쳐 일정하도록 설계될 수도 있지만, 점진적으로 변화하도록 설계될 수도 있다.

나노 코팅층(107)은 제1층(103)의 하부와, 제1층(103) 및 제2층(104) 사이에 위치하는 확산장벽층(105, 106)을 더 포함함으로써 각 층이 상기 확산장벽층(105, 106)에 의해 구분되도록 할 수 있는데, 이러한 확산장벽층(105, 106)은 제1층 및 제2층을 이루는 물질 간의 혼입을 막는 역할을 하는 것으로서, 실리콘 산화물(SiO_x), 실리콘 질화물(SiN_x), 텅스텐 등의 물질로 구성될 수 있다.

복수 단의 나노 코팅층(107) 중 최상단에 위치하는 나노 코팅층(107b)의 상부에는 마감층(108)이 위치할 수 있는데, 상기 마감층(108)은 마찰 및 마모의 추가적인 감소를 위한 역할을 수행하는 것으로서, 그라핀 또는 금, 은 등의 연질 금속이나 자기조립분자막과 같은 윤활물질 및 고체윤활제 등으로 구성될 수 있다.

특히, 상기 마감층(108)은 나노 코팅층(107)을 구성하는 제1층(103) 또는 제2층(104)을 이루는 물질과 동일한 재질로 구성될 수 있는데, 마감층(108)이 제2층(104)을 이루는 물질과 동일한 재질로 구성된다는 것은 최상단의 제2층(104b)의 두께가 두꺼워짐을 의미한다.

또한, 위와 같은 나노 코팅층(107)은 기판(101) 상부에 12 ~ 15단이 적층되는 것이 바람직한데(N = 12 ~ 15), 이는 나노 코팅층(107)이 12단 미만으로 적층될 경우 마모율이 상대적으로 커지며, 15단을 초과할 경우 코팅 비용이 과도하게 증가하는 문제가 발생하기 때문이다. 이와 관련하여 실시한 구체적인 실험예를 후술될 실시예 5에서 설명한다.

상기 제1층(103), 제2층(104), 확산장벽층(105, 106), 점착층(102) 및 마감층(108)은 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)을 이용한 증착방법을 통해 형성될 수 있다.

마그네트론 스퍼터링이란 박막의 증착, 흡착 또는 코팅 기법의 하나로서, 아르곤 가스 등의 불활성가스를 직류 고전압 혹은 고주파전력에 의해 플라즈마화하고, 이 플라즈마화 가스에 의해 박막형성의 원재료인 타겟을 활성화해서 융해하는 동시에 비산시켜, 기판 위에 부착시키는 방법이다.

이와 같은 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층은 서로 접촉하며 상대 운동하는 구조물 표면에 형성되어 상기 구조물 사이의 마찰 및 마모를 저감시키며, 특히 이러한 구조물을 갖는 미세 전동 장치, 인공 관절 등의 미시적 기계 시스템에 적용될 수 있으며, 거시적 규모의 기계장치에도 적용될 수 있다.

이하, 실시예 1 ~ 6에서는 본 발명의 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층의 제조, 제조된 코팅층의 마모율 측정 등을 실시한 실험 과정 및 결과를 상세히 설명한다.

<비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층의 제조>

본 발명의 비결정질 나노층 코팅 구조를 갖는 코팅층을 제조하는 과정은 다음과 같았다.

피코팅물인 기판을 준비하기 위해, 1·1 cm² 크기의 Si(111)웨이퍼를 이온빔(U = 1000 V, I = 7 mA)을 이용하여 세척하였다. 그 다음, 듀얼 직류 마그네트론 스퍼터링 장비를 이용하여 세척된 Si(111)웨이퍼 위에 코발트층(제1층) 및 탄소층(제2층)을 교대로 증착시켰다.

또한, 기판과 제1층 사이에 크롬을 점착층으로서 증착시킬 수 있고, 제1층과 제2층 사이에 텅스텐을 확산장벽층으로서 증착시킬 수 있는데, 이와 같은 과정은 선택적으로 수행할 수 있다.

도 3은 듀얼 직류 마그네트론의 작동 원리를 나타낸 것으로서, Si(111)웨이퍼가 고정된 시편 홀더(303)가 직경 100 mm인 탄소(순도 99.99 %) 타겟(302) 및 코발트(순도 99.999%) 타겟(301) 위로 일정한 경로(304)를 따라 이동하며 각 층이 차례로 증착되는 과정을 도식화한 것이다. 타겟 위의 마스크(305)는 코팅의 순도를 높이기 위해 장착되었다.

이러한 코팅층 증착은 10^-3 Pa의 진공상태에서 수행되었으며, 증착과정에서 시편의 온도는 50 ℃ 이하로 유지되었고, 스퍼터 챔버 내부의 아르곤(Ar) 압력은 0.22 Pa을 유지하였다.

또한, 탄소층과 코발트층은 증착 속도를 각각 0.14, 0.3 nm/s으로 달리함으로써 두께가 각각 4 nm, 2 nm로 다르게 형성되었으며, 총 18 단의 탄소 및 코발트층이 형성되었다.

도 4는 위와 같은 과정을 거쳐 제조된 코팅층의 단면을 TEM(Transmission Electron Microscope)을 통해 관찰한 이미지이다.

<비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층의 마찰계수 및 마모율 측정>

앞선 실시예 1에서 제조된 본 발명의 비결정질 나노층 코팅 구조를 갖는 코팅층의 마찰계수 및 마모율을 측정하기 위해, 1 mm의 지름을 갖는 스테인레스 스틸 볼을 핀으로 사용하여 상기 코팅층에 20 mN의 하중으로 상대 운동을 1,000,000번 시켰다.

실험 결과, 도 5에 나타난 바와 같이 1,000,000번의 상대운동이 진행되는 동안 마찰계수는 약 0.08 정도를 나타내었고(a), 상대운동이 끝난 후 표면에 최대 깊이 5 nm, 너비 7 nm 정도의 마모 흔적을 확인하였다(b).

한편, 마모율은 하중이 증가함에 따라 선형적으로 증가한다는 사실을 알 수 있었다(c).

위 실험을 통해, 본 발명의 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층은 우수한 내마모, 내마찰 특성을 갖는다는 사실을 알 수 있었다.

<코발트층의 두께에 따른 코팅층의 마모율 측정>

본 발명의 비결정질 나노층 코팅 구조를 갖는 코팅층에 포함된 코발트층(제1층)의 두께에 따른 상기 코팅층의 마모율을 알아보기 위해, 앞선 실시예 1과 동일한 조건에서 코발트층의 두께만 1.5 ~ 5 nm까지 달리하여 제조된 코팅층의 마모율을, 앞선 실시예 2의 실험조건 중에서 하중만 50 mN으로 변화시켜 측정하였다.

실험 결과, 도 6에 나타난 바와 같이 코발트층의 두께가 1.5 nm에서 2 nm으로 증가할 때 마모율이 약 1.5·10^-12 mm³/N·mm 정도 급격히 감소하였다. 이는, 코발트층의 두께가 1.5 nm 정도로 매우 얇을 때는 코발트 함량도 매우 낮기 때문에 전체적인 코팅층의 기계적인 특성을 향상시키기에 부족하기 때문인 것으로 이해된다.

한편, 두께가 2 nm에서 3 nm으로 증가할 때는 눈에 띄는 마모율의 변화가 없었으나, 두께가 3.8 nm으로 증가할 때 마모율이 약 4·10^-11 mm³/N·mm로 급격하게 증가하였다. 이는, 코발트층의 두께가 일정 정도를 초과하면 코발트층 내의 원자 구조가 비결정질에서 나노결정 구조로 바뀌고, 그에 따라 전체적인 코팅층의 기계적인 특성이 급격히 변하기 때문인 것으로 이해된다.

코발트층의 두께가 3.8 nm일 때부터는 두께가 증가함에 따라 마모율도 조금씩 감소하여 기계적 특성이 향상되지만, 여전히 두께가 3 nm 이하, 즉 비결정질 구조일 때 측정된 마모율에 비해 상당히 높은 값을 보였다.

위 실험을 통해, 본 발명의 비결정 나노층 구조를 갖는 코팅층은 경질물질로 이루어진 제1층(코발트층)의 두께가 2 ~ 3 nm일 때 마찰 및 마모 저감 효과가 가장 우수하며, 코팅재료로 사용되는 물질이 비결정질 구조일 때 마찰 및 마모 저감에 있어서 보다 유리하다는 것을 알 수 있었다.

<탄소층의 두께에 따른 코팅층의 마모율 측정>

본 발명의 비결정질 나노층 코팅 구조를 갖는 코팅층에 포함된 탄소층(제2층)의 두께에 따른 상기 코팅층의 마모율을 알아보기 위해, 앞선 실시예 1과 동일한 조건에서 탄소층의 두께만 4 ~ 19 nm까지 달리하여 제조된 코팅층의 마모율을, 앞선 실시예 2의 실험조건 중에서 하중만 50 mN으로 변화시켜 측정하였다.

실험 결과, 도 7에 나타난 바와 같이 탄소층의 두께가 4 nm에서 12 nm까지 증가할 때는 전체 코팅층의 마모율이 점차 감소하여 약 3·10^-13 mm³/N·mm까지 감소하였다. 그러나, 두께가 12 nm에서 16 nm으로 증가할 때는 다시 마모율이 약 20배 수준으로 급격히 증가하였다.

위 실험을 통해, 본 발명의 비결정 나노층 구조를 갖는 코팅층은 연질재료로 이루어진 제2층(탄소층)의 두께가 8 ~ 14 nm일 때 마모율이 약 1·10^-12 mm³/N·mm 이하의 수준으로서 마찰 및 마모 저감 효과가 우수하며, 두께가 12 nm일 때 가장 우수하다는 것을 알 수 있었다.

<코발트층 및 탄소층의 적층 단수에 따른 코팅층의 마모율 측정>

본 발명의 비결정질 나노층 코팅 구조를 갖는 코팅층에 포함된 코발트층 및 탄소층(나노 코팅층)의 적층 단수에 따른 상기 코팅층의 마모율을 알아보기 위해, 앞선 실시예 1과 동일한 조건에서 코발트층 및 탄소층의 적층 단수만 3 ~ 15 단으로 달리하여 제조된 코팅층의 마모율을, 앞선 실시예 2의 실험조건 중에서 하중만 50 mN으로 변화시켜 측정하였다.

실험 결과, 도 8에 나타난 바와 같이 적층 단수가 많을수록 마모율이 점점 감소하여 마찰 및 마모 저감 효과가 현저해지지만, 15 단을 초과하게 되면 제조비용이 많이 소요된다는 문제가 있다.

따라서, 코발트층(제1층) 및 탄소층(제2층)은 12 ~ 15 단이 적층되는 것이 바람직하며, 15 단이 적층되는 것이 가장 바람직하다는 것을 알 수 있었다.

<본 발명의 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층과 종래 코팅층의 마모율 비교>

도 9는 실험을 통해 측정된 본 발명의 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층(Co-C multilayer/Silicon, 15단 적층)과 논문에 개시된 종래 코팅층의 마모율을 표로 비교한 것이다.

Material/Substrate는 코팅층과 피코팅물인 기판으로 사용된 물질, Atmosphere는 실험이 수행된 대기 조건, Counter Interface는 상대 운동하는 접촉면으로 사용된 물질, Contact Pressure는 코팅층에 가해진 하중, Wear Rate는 마모율을 의미한다. Author와 Year는 각 코팅층에 대한 내용이 개시된 논문의 저자 및 발행년도를 의미하는 것으로서, 각 논문은 구체적으로 다음과 같다.

Khun N. and Liu E., "Effects of platinum content on tribological properties of platinum/nitrogen doped diamond-like carbon thin films deposited via magnetron sputtering", Friction 2, 64-72 (2014).

Penkov O.V., Bugayev Y., Zhuravel I., Kondratenkov V.V., Amanov A. and Kim D.E., "Friction and Wear Characteristics of C/Si Bi-layer Coatings Deposited on Silicon Substrate by DC Magnetron Sputtering", Tribol. Lett, 48, 123-131 (2012).

Khadem M., Penkov O.V., Pukha V.E., Maleyev M.V. and Kim D.E., "Ultra-thin nano-patterned wear-protective diamond-like carbon coatings deposited on glass using a C60 ion beam", Carbon 80, 534-543 (2014).

Penkov O.V., Pukha V.E., Zubarev E.N., Yoo S.S. and Kim D.E., "Tribological properties of nanostructured DLC coatings deposited by C60 ion beam", Tribol. Int, 60, 127-135 (2013).

Kaczorowski W., Szymanski W., Batory D. and Niedzielski P, "Tribological Properties and Characterization of Diamond Like Carbon Coatings Deposited by MW/RF and RF Plasma-Enhanced CVD Method on Poly(ether-ether-ketone)", Plasma Processes Polym, 11, 878-887 (2014).

Berman D., Deshmukh S.A., Sankaranarayanan S.K., Erdemir A. and Sumant A.V, "Extraordinary Macroscale Wear Resistance of One Atom Thick Graphene Layer", Adv. Funct. Mater, 24, 6640-6646 (2014).

도 9에서 알 수 있듯이, 본 발명의 코팅층은 종래 코팅층에 가해진 하중(300 ~ 1100 MPa)의 평균 정도의 하중(700 MPa)이 가해질 때 종래 코팅층보다 최소 약 10배에서 최대 약 6000배까지 감소된 마모율을 가져, 마찰 및 마모가 현저히 저감되는 효과가 있음을 알 수 있었다.

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.

101: 기판 102: 점착층
103: 제1층 104: 제2층
105: 확산장벽층 106: 확산장벽층
107: 나노 코팅층 108: 마감층
201: 연질물질층 202: 기판
203: 상대 운동하는 구조물 204: 상대 운동 방향
205, 211: 변형의 크기 206, 209: 전단 응력
207, 210: 연질물질층의 두께 208: 경질물질층
301: 코발트 타겟 302: 탄소 타겟
303: 시편 홀더 304: 이동 경로
305: 마스크

Claims

서로 접촉하며 상대 운동하는 구조물 사이의 마찰 및 마모를 저감하기 위해 구조물 표면에 형성되는 코팅층에 있어서,
피코팅물인 기판(101) 상부에 적층되는 12~15단의 나노 코팅층(107);을 포함하며,
상기 나노 코팅층(107)은,
제1층(103);
상기 제1층(103)의 상부에 위치하며 상기 제1층(103)을 이루는 물질보다 연질인 물질로 이루어진 제2층(104); 및
상기 제1층(103)의 하부와, 상기 제1층(103) 및 제2층(104) 사이에 위치하는 확산장벽층(105, 106);을 포함하되,
상기 제1층(103) 및 제2층(104)을 이루는 물질은 비결정질(amorphous) 구조이며,
상기 제1층(103)의 두께는 2 ~ 3 nm이고, 상기 제2층(104)의 두께는 8 ~ 14 nm이며,
상기 확산장벽층(105, 106)은 실리콘 산화물(SiO_x), 실리콘 질화물(SiN_x) 또는 텅스텐으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층.
제 1항에 있어서,
상기 제1층(103)은,
코발트(Co), 니켈(Ni), 몰리브데늄(Molybdenum), 텅스텐(W) 및 실리콘(Si)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층.
제 1항에 있어서,
상기 제2층(104)은 탄소(C)로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층.
삭제
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제 1항에 있어서,
최하단의 상기 나노 코팅층(107a)과 상기 기판(101) 사이에 위치하는 점착층(102)을 더 포함하는, 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층.
제 1항에 있어서,
최상단의 상기 나노 코팅층(107b)의 상부에 위치하는 마감층(108)을 더 포함하는, 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층.
제 8항에 있어서,
상기 마감층(108)은 상기 제1층(103) 또는 제2층(104)을 이루는 물질과 동일한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층.
삭제
서로 접촉하며 상대 운동하는 구조물 사이의 마찰 및 마모를 저감하기 위한 구조물 표면의 코팅 방법에 있어서,
피코팅물인 기판(101) 상부에 점착층(102)이 형성되는 단계;
상기 점착층(102) 상부에 확산장벽층(105)이 형성되는 단계;
상기 확산장벽층(105) 상부에 비결정질 구조를 갖는 물질로 이루어진 제1층(103)이 형성되는 단계;
상기 제1층(103)의 상부에 확산장벽층(106)이 형성되는 단계;
상기 확산장벽층(106)의 상부에, 비결정질 구조이며 상기 제1층(103)을 이루는 물질보다 연질인 물질로 이루어진 제2층(104)이 형성되는 단계;를 포함하며,
상기 제1층(103) 및 제2층(104)의 형성단계가 순차적으로 12~15회 반복되되,
상기 제1층(103)의 두께는 2 ~ 3 nm이고, 상기 제2층(104)의 두께는 8 ~ 14 nm이며,
상기 확산장벽층(105, 106)은 실리콘 산화물(SiO_x), 실리콘 질화물(SiN_x) 또는 텅스텐으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 비결정질 나노층 구조 코팅 방법.
제 11항에 있어서,
상기 제1층(103)은,
코발트(Co), 니켈(Ni), 몰리브데늄(Molybdenum), 텅스텐(W) 및 실리콘(Si)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 비결정질 나노층 구조 코팅 방법.
제 11항에 있어서,
상기 제2층(104)은 탄소(C)로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 비결정질 나노층 구조 코팅 방법.
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제 11항에 있어서,
상기 제1층(103) 및 제2층(104) 형성단계는,
마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)을 이용한 증착방법을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는, 비결정질 나노층 구조 코팅 방법.
삭제
제 11항에 있어서,
최상단에 형성된 상기 제2층(104b)의 상부에 마감층(108)이 형성되는 단계를 더 포함하며,
상기 마감층(108)은 상기 제1층(103) 또는 제2층(104)을 이루는 물질과 동일한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 비결정질 나노층 구조 코팅 방법.
삭제
상대 운동하는 구조물과 접촉하는 표면에, 제 1항 내지 제3항 및 제7항 내지 제 9항 중 어느 한 항의 비결정질 나노층 구조를 갖는 코팅층이 형성된, 미세 전동 장치.