KR20110048545A - 제조방법에 특징이 있는 매우 미끄러운 박층의 이용방법 - Google Patents

제조방법에 특징이 있는 매우 미끄러운 박층의 이용방법 Download PDF

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세드릭 뒤크로
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꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
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Abstract

본 발명은 고 마찰 및 마모가 도입되는 부분의 윤활성을 향상시키기 위한 매우 미끄러운 박층(super-slippery thin layer) 필름 또는 코팅의 용도에 관한 것이다. 상당한 마찰 및 마모가 도입될 부분의 윤활성을 향상시키기 위한 본 발명의 필름은 적어도 티타늄 니트라이트(TiN), 크롬 니트라이트(CrN), 티타늄 카바이드(TiC), 크롬 카바이드(CrC), 텅스텐 카바이드(W2C), 및 텅스텐 카바이드/탄소(WC/C) 복합체, 알루미나(Al2O3), 몰리브덴 술파이드(MoS2), 및 수소화된 무정형 탄소 타입(a:CH)의 물질로부터 선택된 강성 물질(hard material)로 제조되며, 적어도 하나의 이의 표면에 일련의 구멍 및 돌출부를 포함하는 하나의 층; 및 친유성 물질(oleophilic material)의 층(4)을 포함한다. 본 발명은 특히 기계 분야에서 사용될 수 있다.

Description

제조방법에 특징이 있는 매우 미끄러운 박층의 이용방법{METHOD FOR USING A SUPER-SLIPPERY THIN LAYER CHARACTERIZED BY THE METHOD FOR MAKING SAME}
본 발명은 고 마찰 및 상당히 마모되기 쉬운 부분의 윤활성(lubricity)을 향상시키기 위한 매우 미끄러운 박층(super-slippery thin layer)을 갖는 필름 또는 코팅의 용도에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 고 마찰 및 상당히 마모되기 쉬운 부분의 윤활성을 향상시키는 방법에 관한 것이다.
금속 어셈블리에서 특히 피스톤, 링, 캠축과 같은 엔진 유형의 장치에서, 마찰 및 마모의 현상이 발견되나, 이러한 분야에서 유압잭, 마이크로머신(micromachine), 몰드, 면도날 등과 같은 것에 대한 마찰 및 윤활은 완전히 제어되어야 한다.
이러한 마찰 및 마모 현상이 상당한 에너지 손실의 원인이 되기 때문이다.
그러므로, 수년 동안 이에 대하여 관심을 가지고 이러한 현상을 감소시키기 위한 코팅에 대하여 연구하여 왔다.
코팅으로서 현재 가장 넓게 사용되면서 이러한 현상에 이용되는 물질은 티타늄 니트라이트(titanium nitride, TiN) 및 크롬 니트라이트 (chromium nitride, CrN)와 같은 니트라이트, 티타늄 카바이드(titanium carbide, TiC) 및 크롬 카바이드(chromium carbide, CrC), 텅스텐 카바이드(tungsten carbide, W2C), 및 텅스텐 카바이드/탄소 (WC/C) 복합체(composite)와 같은 카바이드, 알루미나와 같은 산화물, 몰리브덴 술파이드(molybdenum sulfide, MoS2)와 같은 몰리브덴에 기초한 증착(deposition)이며, 또한, 다이아몬드상 탄소(diamond-like carbon, DLC)으로서 알려진 탄소에 기초한 전체 계의 코팅이다. 또한, DLC는 수소화된 무정형 탄소(hydrogenated amorphous carbon, a:CH)으로도 알려져 있다.
이들의 특별한 조합의 물성 때문에, 후자가 상기 마찰 및 마모 현상을 방지하는데 탁월한 예이다.
실제로, 이들은 동시에, 높은 경도, 낮은 마찰계수, 및 낮은 마모율을 가진다. 이것이 다양한 기계 구성성분 사이에서 마찰을 제한하고 마모 저항성을 향상시키기 위하여 DLC 타입의 코팅이 널리 기계 분야에서 사용된 이유이다.
예를 들면, 스파크 점화 엔진(spark ignition engine)의 무빙 커플링의 마찰 부분(part)에 대한 상기 기계 및 열 응력이 매우 심각하다.
게다가, 중요한 요인인 코팅 물질의 조성물은 이들 기계 어셈블리의 윤활(lubrication)이며, 또한 부분(part) 사이의 마찰을 제한하기 위하여 가장 최적화되어서 엔진의 효율성을 향상시키고, 더 나아가 이들 부분의 마모를 제한한다.
그러므로, 이러한 윤활의 역할은 이러한 시스템에서 방출되는 방출 오염을 제한하기 위하여 매우 중요하다.
더욱이, 윤활제는 마찰에 대한 활성을 갖는 열 캐리어(heat carrier)로서 활동하여서, 국지 온도 상승을 일으키지 않도록 하며, 또한, 다양한 부분의 마찰에 의하여 발생하는 열을 배출한다. 이들 부분의 윤활을 위하여 사용되는 윤활제는 일반적으로 점도가 다양할 수 있는 오일계 윤활제이다.
이들 코팅된 부분의 마모의 원인 중 하나는 이들 사이의 윤활이 부족하기 때문이다.
이러한 문맥에서, 본 발명의 목적은 높은 기계 및 열 응력이 도입되는 부분의 윤활의 질적 문제점을 극복하기 위한 것이다.
이러한 목적을 위하여, 본 발명은 적어도 다음을 포함하는 상당한 마모 및 높은 마찰이 도입될 부분의 윤활성을 향상시키기 위한 필름의 용도를 제공한다:
티타늄 니트라이트 (TiN), 크롬 니트라이트 (CrN), 티타늄 카바이드 (TiC), 크롬 카바이드 (CrC), 텅스텐 카바이드 (W2C), 및 텅스텐 카바이드/탄소 (WC/C) 복합체, 알루미나 (Al2O3), 몰리브덴 술파이드 (MoS2), 및 수소화된 무정형 탄소 타입(a:CH)의 물질로부터 선택된 강성 물질(hard material)로 제조되며, 적어도 하나의 이의 면(face), 연속한 홈(groove) 및 릴리프(relief)를 포함하는 하나의 층, 및
친유성 물질(oleophilic material)로 이루어진 하나의 층.
바람직하게는, 강성 물질로 제조된 층은 수소화된 무정형 탄소로 제조된 층이다.
바람직한 일 구체예에서, 이에 더하여, 필름은 층의 피트(pit)의 내부 벽에 증착된 나노입자 및/또는 나노튜브를 포함한다.
더욱이, 바람직하게는, 친유성 물질은 SiOx계 물질이다.
더욱 바람직하게는, 친유성 물질은 불소화 유기 실란 화합물(fluorinated organic silane compound)이다.
또한, 바람직하게는, 본 발명의 바람직한 구체예에서, 상기 증착된 나노입자는 금속, 실리콘, 실리카, 폴리머 및/또는 탄소로부터 선택된 것이며, 상기 증착된 나노튜브는 탄소 나노튜브이다.
또한, 본 발명은 다음 단계에 의하여 얻어진 코팅의 용도를 제공한다:
a) 높은 마찰 및 상당한 마모가 도입될 부분의 적어도 하나의 표면에 티타늄 니트라이트 (TiN), 크롬 니트라이트 (CrN), 티타늄 카바이드 (TiC), 크롬 카바이드 (CrC), 텅스텐 카바이드 (W2C), 및 텅스텐 카바이드/탄소 (WC/C) 복합체, 알루미나 (Al2O3), 몰리브덴 술파이드 (MoS2), 및 수소화된 무정형 탄소 타입(a:CH)의 물질로부터 선택된 강성 물질(hard material)로 제조된 층을 증착하는 단계,
b) a) 단계에서 얻어진 층에서 연속적으로 릴리프 및 피트를 형성하여 텍스쳐된 층(textured layer)을 얻는 단계,
c) 상기 b) 단계에서 얻어진 층에 친유성 물질로 제조된 층을 증착시켜 상기 부분의 윤활성을 향상시키는 단계.
바람직하게는, 상기 텍스쳐된 층은 수소화된 무정형 탄소로 제조된 층이다.
바람직한 일 구체예에서, 본 발명에서 사용된 코팅은 a), b) 및 c) 단계에서 얻어지며, b) 단계 후 및 c) 단계 전에, 상기 텍스쳐된 층에 나노입자 및/또는 나노튜브를 증착시키는 b1) 단계 후, b1) 단계에서 얻어진 층의 상부 표면을 폴리싱(polishing)하는 b2)단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 친유성 물질은 SiOx계 물질이다.
더욱 바람직하게는, 상기 친유성 물질은 불소화된 유기 실란 화합물이다.
나노입자가 b1) 단계에서 증착되는 경우, 이는 금속, 실리콘, 실리카, 폴리머 및/또는 탄소의 나노입자로부터 선택되며, 나노튜브가 b1) 단계에서 증착되는 경우, 이는 탄소 나노튜브이다.
또한, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 상당한 마모 및 높은 마찰이 도입될 부분의 윤활성을 향상시키기 위한 공정을 제공한다:
a) 부분의 적어도 하나의 표면에 티타늄 니트라이트 (TiN), 크롬 니트라이트 (CrN), 티타늄 카바이드 (TiC), 크롬 카바이드 (CrC), 텅스텐 카바이드 (W2C), 및 텅스텐 카바이드/탄소 (WC/C) 복합체, 알루미나 (Al2O3), 몰리브덴 술파이드 (MoS2), 및 수소화된 무정형 탄소 타입 (a:CH)의 물질로부터 선택된 강성 물질로 제조된 층을 증착하는 단계,
b) a) 단계에서 얻어진 층의 자유 표면(free surface)에 연속적으로 릴리프 및 피트를 형성하여 텍스쳐된 층(textured layer)을 얻는 단계,
c) 상기 b) 단계에서 얻어진 텍스쳐된 층에 친유성 물질로 제조된 층을 증착시키는 단계.
바람직하게는, a) 단계에서 증착된 층을 이루는 상기 강성 물질은 수소화된 무정형 탄소이다.
본 발명의 바람직한 일 구체예에서, 본 발명의 공정은 b) 단계 후 및 c) 단계 전에, b) 단계에서 얻은 상기 텍스쳐된 층에 나노입자 및/또는 나노튜브를 증착시키는 b1) 단계 후, b1) 단계에서 얻어진 층의 상부 표면을 폴리싱(polishing)하는 b2) 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 본 발명의 공정에서, 상기 친유성 물질은 SiOx계 물질이다.
더욱 바람직하게는, 상기 친유성 물질은 불소화된 유기 실란 화합물이다.
바람직하게는, 나노입자가 b1) 단계에서 증착되는 경우, 이는 금속, 실리콘, 실리카, 폴리머 및/또는 탄소의 나노입자로부터 선택되며, 나노튜브가 b1) 단계에서 증착되는 경우, 이는 탄소 나노튜브이다.
본 발명은 후술할 예시적인 설명 및 도면을 참고하여 더욱 명확하게 본 발명의 또 다른 이점 및 특징을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 공정에 따른 바람직한 구체예의 각 단계를 개략적으로 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명에서 사용된 강성 물질의 표면의 텍스쳐링 패턴(texturing pattern)을 개략적으로 나타낸 개략도이다.
일반적으로 마찰이 도입되고 상당한 마모를 겪을 부분은 이의 마찰 저항성 및 마모 저항성이 있는 강성 물질로 코팅된다.
그러므로, 본 발명에서, "강성 물질"은 특히, 마찰, 감소되어야만 하는 마모가 도입되는 부분을 코팅하기 위하여 일반적으로 알려진 물질을 의미한다. 이들 강성 물질은 현재 티타늄 니트라이트 (TiN) 및 크롬 니트라이트 (CrN)과 같은 니트라이트, 카바이드, 예를 들면, 티타늄 카바이드 (TiC) 및 크롬 카바이드 (CrC), 텅스텐 카바이드 (W2C), 및 텅스텐 카바이드/탄소 (WC/C) 복합체, 알루미나 (Al2O3)와 같은 산화물, 몰리브덴 술파이드 (MoS2)와 같은 몰리브덴계 증착, 및 또한, 다이아몬드상 탄소 (DLC)로 알려진 탄소계 코팅 전체 패밀리(family)이다.
DLC 타입의 물질은 수소화된 무정형 탄소 (a:CH)로 또한 알려져 있다. 이들은 동시에, 높은 강도 및 낮은 마찰계수 및 낮은 마모율을 가진다. 이것이 다양한 기계 구성성분 사이에 마찰을 제한하고 이의 마모 저항성을 향상시키기 위하여 마찰 및 마모가 도입되는 부분을 코팅하는 기계 분야에서 널리 사용되는 이유이다.
얇은 층으로 형성된 이들 코팅, 특히 DLC 타입은 더욱이 기계적 부분 사이의 접촉의 윤활 효율성을 향상시키기 위하여 표면-텍스쳐(surface-textured)된다.
코팅의 표면은 이들이 예를 들면, 도 2에서 나타난 바와 같이 구멍(hollow) 및 릴리프로 정의되는 일련의 패턴을 포함하는 경우 텍스쳐된다고 말한다.
이후, 도 2에서 형성된 피트의 형상이 사각형이라고 하더라도, 피트의 형태 및 릴리프의 형태가 1차 파라미터는 아니며, 이는 다른 종류 및 콘, 실린더 또는 튜브와 같은 다양한 기하학적 배열을 정의 및 생산되도록 한다.
연속한 피트에 의하여 형성된 패턴의 중요한 파라미터는 3개로, 서로 독립적으로 또한, 구멍 및 릴리프로 본 명세서에서 언급된다:
- 각각의 릴리프의 폭으로 정의되는 파라미터 a, 이는 1　㎛ 내지 100　㎛ 사이에서 변할 수 있음.
- 릴리프의 높이로 정의되는 파라미터 h, 이는 피트(pit)의 폭에 상응하며, 30　㎚ 내지 2　㎛ 사이에서 변할 수 있음.
- 피트의 폭으로 정의되는 파라미터 b.
파라미터 b는 높이 또는 깊이에 따라 변할 수 있어서 도 2에 나타난 사각형 패턴과는 또 다른 패턴, 예를 들면 콘 형태 또는 또 다른 형태의 피트(pit)를 형성한다.
본 발명에서, 상기 경질 층(hard layer)의 두께는 바람직하게는 1　㎛ 내지 20　㎛을 포함하며, 더욱 바람직하게는 5　㎛이다.
상기 언급한 두께는 이에 대하여 텍스쳐링을 하기 전에 증착된 경질 층의 두께이다.
실제로, 텍스쳐링 단계 후, 상기 경질 층은 마이크로피트(micropit)에 상응하는 두께보다 얇은 영역을 포함한다.
본 발명의 경우에서, 트랩(trap)될 유체는 부분들 사이에서의 마찰을 제한하고 이들 부분의 마모를 제한하기 위하여 사용되는 윤활제이다.
본 발명에서 사용된 윤활제는 일반적으로 오일계 윤활제이다.
그러므로, 본 발명에서, "윤활-친화성"은 "친유성"을 의미하고, 두 용어는 상호 교환하여 사용될 수 있다.
그러나, 텍스쳐된 표면과 윤활제를 사용하더라도, 스파크 점화 엔진 마모의 모바일 커플링 시스템(mobile coupling system)의 부분과 같은 강한 마찰이 도입될 부분은 윤활이 종종 바람직한 기하학적 영역(geometric zones)에 도입되지 않기 때문에 매우 급속하게 변한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 경성 물질로 제조된 코팅, 더욱 바람직하게는 수소화된 무정형 탄소로 제조된(tribological deposition) 코팅을 응력 영역(stressed zone)에서 기능화하여서 이의 표면에 윤활제에 대한 "끌어당김"을 주는 것이다.
이를 위하여, 두 가지 방법을 사용한다.
첫 번째로는 부분의 표면의 일부분에 걸쳐 또는 이의 전체 표면에 걸쳐 경성 물질로 제조된 층을 증착한 표면을 텍스쳐링하는 단계로 이루어진다.
이 단계는 경성 물질로 제조된 코팅의 표면에 정확한 크기, 분배 및 밀도의 미세저장소(microreservoir)(상기 피트)를 형성하는 단계로 이루어진다.
그러나, 본 발명은 상기 기술한 첫 번째 수단과 조합되는 두 번째 수단의 조합에 달려있다. 상기 두 번째 수단은 경성 물질의 표면에 텍스쳐링하는 동안 이미 형성된 상기 미세저장조의 안쪽을 포함하여 경성 물질로 제조된 텍스쳐된 표면에 친유성 코팅을 증착하는 단계로 이루어진다.
이러한 코팅 기술은 트라리볼로지컬 적용(tribological application)에 대하여 특히 관심이 있다. 실제로, 친유성 층, 예를 들면, 플라즈마-향상된 화학 기상 증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)에 의하여 증착된 폴리머 층 또는 필름은 윤활제를 유지하는 것을 가능하게 하나 DLC-타입 물질과 같은 경성 물질의 증착과 달리 부식성 마모에 대한 저항성에 대하여 알려져 있지 않다.
그러나, 사용 동안, 친유성 표면층의 존재로 인하여 윤활제가 전체 표면에 코팅되어서 젖게 될 것이고, 이는 텍스쳐링에 의하여 형성된 미세저장소를 포함하나, 빠르게 마모되어서, 즉, 부분이 런-인(run-in)되자마자 상기 친유성 층이 사라질 것이다.
그러므로, 마찰은 경성 물질의 층에 발생할 것이다. 그래서, 윤활제는 미세저장소에 강제로 들어가고 끌어당겨질 것이며, 상기 층은 이들 캐비티(cavities)의 바닥부에 존재하는 친유성 물질로 제조된다.
본 발명에서, 증착되는 친유성 층의 두께는 바람직하게는 5 내지 200　㎚이며, 더욱 바람직하게는 100　㎚이다.
텍스쳐된 경성 물질만으로 제조된 코팅과 비교하여 다음의 3 가지 이점이 있다:
첫 번째로, 윤활은 특히 높은 접촉 압력이 가해지는 열역학적 응력 영역에 특히 효과적이며,
두 번째로, 텍스쳐링 단계 동안 형성된 미세저장소에 윤활제를 트랩핑 (trapping)하는 사실은 부분의 슬라이딩 비율의 변화, 헤르츠 조건(Hertzian conditions)과 동등한 접촉 압력의 변화와 같은 마찰 조건의 변화 동안, 일정한 소스(source)의 윤활제를 가지는 것을 가능하게 하고,
세 번째로, 이러한 타입의 응력 동안 상당한 부식 마모에 의하여 발생하는 마모 파편(wear debris)이 이들 저장소에 트랩되어서, 마찰 영역에서 세 번째 바디(third body)의 형성이 제한된다. 실제로, 이러한 파편은 종종 매우 단단하게 형성된 강성 입자 및 부분의 심각한 손상을 주는 부식 증착이다.
즉, 종래 기술에 따라 텍스쳐된 경성 물질 코팅과 비교하여 주된 이점은 친유성 코팅에 의하여 텍스쳐에 의하여 형성된 미세 저장소내에 윤활제가 위치 및 트랩된다는 것이다. 간단한 표면 텍스쳐링(texturing)은 예를 들면, 캠/멈춤쇠(cam/pawl) 접촉을 위한 경우와 같이 헤르츠 조건이 변화하는 경우 윤활에 의하여 훨씬 더 효과적이게 된다.
친유성 층을 형성하는데 사용되는 물질은 상기 목적에 적합한 모든 물질일 수 있다. 탄화수소 물질은 지용성 물질과 젖음 친화성(wetting affinity)을 갖는 물질의 한 예이다. 이는 졸-겔법, 또는 기체 경로와 같은 다양한 방법을 통하여 얇은 층으로 증착될 수 있다. 이러한 금속-유기 화학증착법(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD) 기술은 사용될 수 있는 증착 방법 중 하나이다.
구체적으로, 친유성 물질은 선택적으로 텍스쳐링에 의하여 얻은 피트(pit)안에 윤활제를 유지하게 하는 역할을 한다. 실제적으로, 이는 친유성 물질과 윤활제 사이에 90°미만, 바람직하게는 70°미만의 각도로 접촉하는 것을 필요로 한다. 예를 들면, SiOx (화학양론 양 이하의 실리카(substoichiometric silica)) 타입의 물질은 상용 엔진 오일에 대하여 20°의 각으로 접촉하고, 또한, SiOC 물질은 상용 엔진 오일에 대하여 40°의 각으로 접촉하여서, 친유성 특징을 나타낸다.
더욱이, 친유성 물질은 비-극성인 DLC와 달리, 극성 윤활제와 접촉하는 것을 선호하는 극성 성질을 나타낸다.
본 발명에서 사용되는 특히 바람직한 친유성 물질의 하나의 예는 실란 타입의 유기 물질이며, 이는 바람직하게는 예를 들면, F(CF2)n-CH2CH2Si(OH)3와 같이 불소화된 것이다. 이러한 물질은 Wang et al ., "stable highly hydrophobic and oleophilic meshes for oil-water separation" Applied Surface Science 253 (2007) 9054-9060에 기술되어 있다.
그 밖의 친유성 물질은 예를 들면, 테플론 필름(Teflon films, CF)과 같은 영역의 당업자에게 알려진 바와 같이 파악될 수 있다.
본 발명의 일 예에 따라서, c) 단계 이전에 나노구조 원리에 따라 피트의 바닥부에서의 나노입자 및/또는 나노튜브를 증착시키는 단계로 이루어진 b1) 단계를 제공하는 것이 바람직하다. 상기 나노입자 및/또는 나노튜브는 CVD에 의하여 증착될 수 있고, 원소 주기율 표의 VIIIB 및 IB 칼럼 또는 이들 금속의 산화물로부터 선택된 금속으로 이루어질 수 있다. 그 밖의 파악할 수 있는 나노입자는 실리카, 폴리머(폴리스티렌, 폴리카보네이트), 실리카 및/또는 탄소이다. 파악할 수 있는 나노튜브는 탄소 나노튜브이다.
구체적으로, 나노입자 및/또는 나노튜브의 증착으로부터 유래하는 나노텍스쳐링은 특히 오일을 끌어당기는 텍스쳐링을 줄 것이고, 이들 오일에 대하여 젖음을 촉진할 것이다. 즉, 이러한 나노텍스쳐링은 오일 스펀지(oil sponge)와 같은 기능을 한다.
본 발명의 공정에서 b) 단계가 사용되는 경우, 바람직하게 c) 단계에서 수행되는 친유성 층의 증착이 층(4)의 친유성 기능 및 젖음을 촉진하는 나노텍스쳐링의 시너지 효과를 감소시키도록 완전히 나노입자 및/또는 나노튜브를 커버(cover)하지 않는다. 그러므로, 예를 들면, SiOC 단독은 오일에 대하여 40°각으로 접촉되고, 이는 SiOC가 나노구조물에 증착되는 경우 20°까지 변화된다.
또한, 증착 공정이 포함됨에 따라, b1) 단계는 c) 단계 이후 일 수 있다.
본 발명의 더 나은 이해를 위하여, 일 실시예는 완전히 예시적이며 비-제한적인 실시예로서 지금 기술될 것이다.
실시예 1: 본 발명에 따른 코팅의 증착
본 발명에서 사용된 필름을 증착하기 위한 공정의 다양한 단계는 도 1에서 개략적으로 나타낸다.
먼저, 처리될 기재(substrate), 즉, 강(steel)에 기초한 강한 마찰 및 상당한 마모가 도입될 부분을 깨끗하게 하고 증착 전에 준비한다.
상기 기재는 도 1에서 1로 나타난다.
본 발명에 따른 공정의 단계 1은 경성 물질로 이루어진 5㎛의 두께를 갖는 층, 여기서 수소화된 무정형 탄소 층을 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD)에 의하여 증착된다. 또한, 이러한 증착은 물리 기상 증착(physical vapor deposition, PVD)에 의하여 증착될 수도 있다.
경성 물질의 코팅의 주요한 물성은 트라이볼로지적 특성(tribological nature)이다: 약 15 내지 약 25　GPa, 바람직하게는 약 20　GPa의 경도, 100C6 타입의 강과 직면하는 윤활 조건하에서 0.1 미만, 바람직하게는 0.05 미만의 마찰계수를 갖는다. 이러한 마찰 계수는 핀-온-디스크(pin-on-disc) 트라이볼로지적 테스트에 의하여 측정된다. 도 1에서 2로 나타나는 코팅의 두께는 적용에 따라 1 내지 10 ㎛사이를 포함한다.
그 후, 단계 2는 경성 물질의 층을 텍스쳐링하기 위하여 이전에 기술한 바와 같이 크기, 종횡비 및 오프닝 정도(degrees of opening)를 갖는 기초 패턴을 구비한 DLC 타입의 층(2)을 이방성으로 에칭(anisotropically etching)하는 단계로 이루어진다.
이러한 텍스쳐링은 예를 들면, 마스크를 사용하여 건조 에칭(플라즈마 에칭)에 의하여 얻을 수 있다. 이러한 마스크는 그레이팅(grating)(예를 들면, 금속 그리드(metal grid)), 포토리소그래피(광민감성), 레이저를 이용한 직접 롸이팅(writing) (광민감성)을 이용하여 직접 적용하여 생산할 수 있다. 에칭 후, 상기 마스크는 수공으로 또는 레진(resine) 용매의 도움과 같은 화학적으로 제거된다. 상기 에칭 잔여물은 건조 및/또는 습식 화학적 방법으로 제거된다.
그 후, 도 1에서 3으로 나타나는 텍스쳐된 층을 얻는다.
층(3)의 텍스쳐링 표면을 추가로 향상하기 위하여, 도 1에서 단계 2'가 수행될 수 있다. 상기 단계는 선택적이다. 이는 텍스쳐된 층(3)에 나노입자(5)를 증착하는 단계로 이루어지며, 이러한 증착은 층(3)의 텍스쳐링 형상에 따라 증착된다.
이들 나노입자는 바람직하게는 50 내지 500　㎚를 포함하는 지름을 가지며, 실시예에 따라 임의의 형상이며, 주로 구형이고, Ni, Ag, Al과 같은 금속 또는 그 밖의 실리콘으로 이루어진다.
그 후, 나노입자의 증착 상부 표면은 부분의 구조 패턴에 걸쳐서 평면성(flatness)을 회복하기 위하여 폴리싱된다.
마지막으로, 본 발명에 따른 단계 3은 층(3) 또는 층(5)에 100　㎛의 두께를 갖는 SiOx 타입의 친유성 물질로 만들어진 도 1에서 4로 나타나는 층을 증착시키는 단계이다.
또한, 친유성 물질로 제조된 층(4)는 텍스쳐된 층(3)의 텍스쳐링 패턴의 형상을 따른다.
이러한 층(4)은 다양한 공정, 예를 들면, 수용상에서의 증착 또는 진공하에서의 증착에 의하여 증착될 수 있다. 이러한 층은 층(2)상의 유체의 젖음을 보장하기 위하여 충분한 표면 에너지를 가져야 한다. 실제적으로, 50　mN/m 이상의 표면 에너지가 DLC과의 접촉보다는 친유성 물질과의 접촉을 윤활제의 위치를 선호하도록 가능하게 한다는 점을 고려한다. 바람직하게, 80　mN/m 이상의 표면 에너지가 바람직할 수 있다.
상당한 마모 및 강한 마찰이 도입될 부분의 윤활성을 향상하기 위한 본 발명에서 사용되는 코팅을 이렇게 얻는다.
상기 코팅은 경성 물질, 여기서 수소화된 무정형 탄소로 제조된 얇은 텍스쳐된 층(3), 상기 층(3)은 텍스쳐링되고 친유성 물질, 여기서 SiOx로 제조된 층(4)로 커버되는 것을 포함하는 필름이거나 또는 경성 물질, 여기서 수소화된 무정형 탄소로 제조된 얇은 텍스쳐된 층(3), 상기 층(3)은 친유성 물질로 제조된 층(4)로 코팅된 나노입자 층(5)으로 코팅된 층(3)을 포함하는 필름이다.
본 발명의 상기 코팅 또는 필름은 경성 물질 및 본 명세서에 언급된 모든 경성 및 친유성 물질로 이루어진 물질만으로 한정하지 않으며, 본 명세서에 기술된 나노입자 및/또는 나노튜브의 조합만으로 한정하지 않는다.
그러므로, 본 발명에서 사용된 또 다른 코팅 또는 필름은 친유성 물질로 이루어진 층(4)으로 커버된 경성 물질로 제조된 텍스쳐된 박층(3)을 포함하며, 상기 층(4)는 나노입자 및/또는 나노튜브 (5)의 층으로 코팅되는 것을 포함한다.
또한, 본 명세서에 사용된 또 다른 코팅은 부분의 러닝-인(running-in) 후 코팅이며, 즉, 이전에 기술된 코팅 중 하나이나, 이는 층(3) 또는 층(5)의 전체 표면 뿐만 아니라 층(3) 또는 층(5)를 형성하는 구멍(hollow)의 내부 벽을 커버한다.
이러한 코팅은 유압잭(hydraulic jack), 마이크로머신, 몰드, 면도날, 엔진 부품, 외과용 임플란트 등에 적용될 수 있다.
그러므로, 본 명세서에서 사용된 코팅은 하나의 층(3) 및 또 하나의 층(4)인 다중층 필름으로 이루어진 코팅이며, 이는 선택적으로 층(3)의 홈(groove)의 벽에 증착된 나노입자 및/또는 나노튜브를 포함한다.
그러므로, 동일한 방법으로, 실시예 1에서 본 발명에서 사용된 코팅 또는 필름을 증착하는 공정을 기술하였더라도 또한, 상기 공정의 다양한 단계가 상당한 마모 및 높은 (강한) 마찰이 도입될 부분의 윤활성을 향상시키기 위한 공정의 다양한 단계라는 것은 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (18)

  1. 적어도 다음을 포함하는 상당한 마모 및 높은 마찰이 도입될 부분의 윤활성을 향상시키기 위한 필름의 용도로서,
    티타늄 니트라이트 (TiN), 크롬 니트라이트 (CrN), 티타늄 카바이드 (TiC), 크롬 카바이드 (CrC), 텅스텐 카바이드 (W2C), 및 텅스텐 카바이드/탄소 (WC/C) 복합체, 알루미나 (Al2O3), 몰리브덴 술파이드 (MoS2), 및 수소화된 무정형 탄소 타입(a:CH)의 물질로부터 선택된 강성 물질(hard material)로 제조되며, 적어도 하나의 이의 면(face), 연속한 피트(pit) 및 릴리프(relief)를 포함하는 하나의 층(3), 및
    친유성 물질(oleophilic material)로 이루어진 하나의 층(4)을 포함하는 것을 특징으로 하는 필름의 용도.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 층(3)을 이루는 경성 물질은 수소화된 무정형 탄소인 것을 특징으로 하는 필름의 용도.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 필름은 층(3)의 마이크로홈(microgroove)의 내부 벽에 증착된 나노입자 및/또는 나노튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 필름의 용도.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 친유성 물질은 SiOx계 물질인 것을 특징으로 하는 필름의 용도.
  5. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 친유성 물질은 불소화 유기 실란 화합물계 물질인 것을 특징으로 하는 필름의 용도.
  6. 청구항 3 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증착된 나노입자는 금속, 실리콘, 실리카, 폴리머 및/또는 탄소로부터 선택되고, 상기 증착된 나노튜브는 탄소 나노튜브인 것을 특징으로 하는 필름의 용도.
  7. a) 높은 마찰 및 상당한 마모가 도입될 부분의 적어도 하나의 표면에 티타늄 니트라이트 (TiN), 크롬 니트라이트 (CrN), 티타늄 카바이드 (TiC), 크롬 카바이드 (CrC), 텅스텐 카바이드 (W2C), 및 텅스텐 카바이드/탄소 (WC/C) 복합체, 알루미나 (Al2O3), 몰리브덴 술파이드 (MoS2), 및 수소화된 무정형 탄소 타입(a:CH)의 물질로부터 선택된 강성 물질로 제조된 층(2)을 증착하는 단계,
    b) a) 단계에서 얻어진 층(2)에서 연속적으로 릴리프 및 피트를 형성하여 텍스쳐된 층(textured layer)(3)을 얻는 단계,
    c) 상기 b) 단계에서 얻어진 층(3)에 친유성 물질로 제조된 층(4)을 증착시키는 단계에 의하여 상기 부분의 윤활성을 향상시키기 위한 코팅의 용도.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 텍스쳐된 층(3)은 수소화된 무정형 탄소로 제조된 층인 것을 특징으로 하는 코팅의 용도.
  9. 청구항 7 또는 8에 있어서,
    상기 방법은 b) 단계 후 및 c) 단계 전에, 상기 텍스쳐된 층에 나노입자 및/또는 나노튜브를 증착시키는 b1) 단계 후, b1) 단계에서 얻어진 층의 상부 표면을 폴리싱(polishing)하는 b2) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅의 용도.
  10. 청구항 7 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층(4)을 이루는 친유성 물질은 SiOx계 물질인 것을 특징으로 하는 코팅의 용도.
  11. 청구항 7 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층(4)을 이루는 친유성 물질은 불소화된 유기 실란 화합물계 물질인 것을 특징으로 하는 코팅의 용도.
  12. 청구항 7 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 b1) 단계에서 증착되는 나노입자는 금속, 실리콘, 실리카, 폴리머 및/또는 탄소의 나노입자로부터 선택되며, 상기 b1) 단계에서 증착되는 나노튜브는 탄소 나노튜브인 것을 특징으로 하는 코팅의 용도.
  13. a) 부분(1)의 적어도 하나의 표면에 티타늄 니트라이트 (TiN), 크롬 니트라이트 (CrN), 티타늄 카바이드 (TiC), 크롬 카바이드 (CrC), 텅스텐 카바이드 (W2C), 및 텅스텐 카바이드/탄소 (WC/C) 복합체, 알루미나 (Al2O3), 몰리브덴 술파이드 (MoS2), 및 수소화된 무정형 탄소 타입 (a:CH)의 물질로부터 선택된 강성 물질로 제조된 층(2)을 증착하는 단계,
    b) a) 단계에서 얻어진 층(2)의 자유 표면(free surface)에서 연속적으로 릴리프 및 피트를 형성하여 텍스쳐된 층(textured layer)(3)을 얻는 단계,
    c) 상기 층(3)에 친유성 물질로 제조된 층(4)을 증착시키는 단계를 포함하는, 상당한 마모 및 높은 마찰이 도입될 부분의 윤활성을 향상시키기 위한 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 층(2)을 이루는 경성 물질은 수소화된 무정형 탄소인 것을 특징으로 하는 상당한 마모 및 높은 마찰이 도입될 부분의 윤활성을 향상시키기 위한 방법.
  15. 청구항 13 또는 14에 있어서,
    상기 방법은 b) 단계 후 및 c) 단계 전에, 상기 텍스쳐된 층(3)에 나노입자 및/또는 나노튜브를 증착시키는 b1) 단계 후, b1) 단계에서 얻어진 층의 상부 표면을 폴리싱(polishing)하는 b2) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상당한 마모 및 높은 마찰이 도입될 부분의 윤활성을 향상시키기 위한 방법.
  16. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 친유성 물질은 SiOx계 물질인 것을 특징으로 하는 상당한 마모 및 높은 마찰이 도입될 부분의 윤활성을 향상시키기 위한 방법.
  17. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 친유성 물질은 불소화된 유기 실란 화합물계 물질인 것을 특징으로 하는 상당한 마모 및 높은 마찰이 도입될 부분의 윤활성을 향상시키기 위한 방법.
  18. 청구항 15 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 b1) 단계에서 증착되는 나노입자는 금속, 실리콘, 실리카, 폴리머 및/또는 탄소의 나노입자로부터 선택되며, 상기 b1) 단계에서 증착되는 나노튜브는 탄소 나노튜브인 것을 특징으로 하는 상당한 마모 및 높은 마찰이 도입될 부분의 윤활성을 향상시키기 위한 방법.
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