KR20160091160A - 금속고체 윤활제를 이용하여 그래핀 패턴을 형성하는 저마찰 부재의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저마찰 부재의 제조방법에 관한 것으로, 금속고체 윤활제를 이용하여 규칙 또는 불규칙한 형태의 그래핀 패턴을 형성함으로써 금속고체 윤활제와 그래핀이 조합된 복합 윤활제를 구현하고 이를 통해 마찰저감 효과를 높일 수 있도록 한 것이다.
이러한 본 발명은, 금속고체 윤활제를 모재 표면에 분산시켜 도포하는 단계와; 상기 금속고체 윤활제가 상기 모재 표면에 도포된 상태에서 고착되도록 열처리하는 단계와; 상기 금속고체 윤활제를 촉매로 하여 CVD 공정을 통해 그래핀을 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명은, 금속고체 윤활제를 모재 표면에 분산시켜 도포하는 단계와; 상기 금속고체 윤활제가 상기 모재 표면에 도포된 상태에서 고착되도록 열처리하는 단계와; 상기 금속고체 윤활제를 촉매로 하여 CVD 공정을 통해 그래핀을 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 저마찰 부재의 제조방법에 관한 것으로, 특히 금속고체 윤활제를 이용하여 규칙 또는 불규칙한 형태의 그래핀 패턴을 형성함으로써 금속고체 윤활제와 그래핀이 조합된 복합 윤활제를 구현하고 이를 통해 마찰저감 효과를 높일 수 있도록 한 저마찰 부재의 제조방법에 관한 것이다.
자동차 산업에서 많은 기관 부품들의 마찰학적인 특성은 에너지를 절감을 비롯하여 보수 유지, 부품 교환 및 파손에 의한 비용 절감, 수명 연장에 의한 투자비 절감, 마찰의 감소에 의한 에너지 절감 등에 매우 중요하다. 특히, 마찰학적인 특성에서 마모와 마찰 거동은 서로 접촉되는 표면 형태가 상당한 영향을 끼친다. 윤활 상태에서의 미끄럼 접촉의 경우에는 마찰학적인 특성이 작은 딤플 모양과 같은 표면 요철의 형성으로 향상되어 질 수 있다. 이 요철들은 윤활제 저장소와 윤활제가 밖으로 세는 것을 방지하는 역할을 한다. 게다가, 마모 입자를 접촉면으로부터 제거하며, 구조 안쪽으로 모을 수 있기 때문에 마모 입자에 의한 추가적인 마모를 방지할 수 있다.
따라서 최근에는 엔진부품의 마찰저항으로 인하여 발생하는 에너지 손실을 줄여 줌으로써 연비향상과 동력 기계 부품에서 마찰에 의한 에너지 손실을 절감하기 위한 연구가 여러 가지 방법으로 이루어지고 있으며, 이 중에서도 특히 표면 텍스처링에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
표면 텍스처링 기술은 윤활제를 매개로 상대 운동을 하는 두 표면 사이의 윤활 특성을 개선할 것을 목적으로 두 표면 중 적어도 한 표면에 딤플이나 그루브 같은 요철을 다수로 가공하는 것을 말한다. 표면의 요철은 마모 입자 트래핑(Trapping)으로 윤활제 저장, 유체 역학적(Hydrodynamic) 압력 발생을 촉진한다.
특히, 레이저 표면 텍스처링은 주로 딤플 형태로 패턴을 만들며, 다른 텍스처링 방법과 비교하였을 때 공정 시간이 극히 빠르고 레이저의 변수(펄스 에너지, 펄스 수)를 이용하여 딤플의 모양이나 크기를 조절할 수 있는데, 레이저 표면 텍스처링에 대한 연구 동향을 살펴보면, 독일의 S. Schreck 등은 Nd:YAG laser를 이용하여 Al2O3와 100Cr6 강에 채널과 딤플 형태의 텍스처링을 하고 윤활 하에서 그 밀도에 따라 마찰이 저감 되는 것을 연구하였으며, 이스라엘의 Izhak Etsion은 내연 기관 중 실린더와 직접적으로 닿는 부분인 실린더 링에 레이저 표면 텍스처링을 이용하여 부분적인 패턴이 전체 패터닝보다 개선됨을 실험적으로 확인하였다. 또한, 미국 Argonne 연구소의 Kovalchenko는 Laser Surface Texturing (이하 LST)을 이용한 딤플밀도와 윤활제의 점도에 따른 마찰 계수와 볼의 wear scar를 근거로 딤플이 있을 경우, 볼의 마모율은 높았지만 초기의 접촉보다 접촉 면적이 늘어나 윤활상태 일 경우 경계윤활에서 혼합 윤활 영역으로의 전이가 빨리 일어나서 마찰계수가 감소한다는 것을 제시하였다.
그러나, 상기와 같은 연구에 의하더라도 레이저 표면 텍스처링 기술을 통한 저마찰 효과만으로는 충분치 않은 관계로 저마찰 효과를 보다 향상시킨 새로운 형태의 저마찰 부재를 개발하는 것이 절실하였다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 금속고체 윤활제를 이용하여 규칙 또는 불규칙한 형태의 그래핀 패턴을 형성함으로써 금속고체 윤활제와 그래핀이 조합된 복합 윤활제를 구현하고 이를 통해 마찰저감 효과를 높일 수 있도록 한 저마찰 부재의 제조방법에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 저마찰 부재의 제조방법은, 금속고체 윤활제를 모재 표면에 분산시켜 도포하는 단계와; 상기 금속고체 윤활제가 상기 모재 표면에 도포된 상태에서 고착되도록 열처리하는 단계와; 상기 금속고체 윤활제를 촉매로 하여 CVD 공정을 통해 그래핀을 성장시키는 단계를 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
여기서, 상기 금속고체 윤활제는 은, 금, 구리 중 어느 하나를 소재로 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 모재 표면에 대한 상기 금속고체 윤활제의 분산은 스크린프린팅, 잉크젯프린팅, 스템핑, 임프린팅(imprinting), 롤투롤 프린팅(roll to roll printing) 중 어느 한 공정에 의해 규칙적인 패턴을 이루도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 모재 표면에 대한 상기 금속고체 윤활제의 분산은 스핀코팅, 스프레이코팅, 페인팅 중 어느 한 공정에 의해 불규칙적인 형태를 이루도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 열처리는 불황성 가스 분위기에서 1 내지 2시간동안 500 내지 1000℃ 온도범위에 속한 온도로 진행되어 상기 금속고체 윤활제가 상기 모재 표면에 반구형으로 고착되도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 열처리는 불황성 가스 분위기에서 1 내지 2시간동안 500 내지 1000℃ 온도범위에 속한 온도로 진행되고, 상기 열처리와 동시에 상기 금속고체 윤활제를 가압하여 상기 모재 표면에 판형으로 고착되도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 모재는 그래파이트가 포함된 회주철로 구비되며, 상기 회주철에 포함된 그래파이트로 인해 그래핀의 성장이 방해받지 않도록 상기 금속고체 윤활제를 상기 모재 표면에 도포하기 전에 상기 모재 표면에 버퍼층을 형성시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 모재는 그래파이트가 포함된 회주철로 구비되어, 상기 CVD 공정을 통해 그래핀을 성장시킬 때 상기 그래파이트가 존재하는 영역에서는 그래핀의 성장이 방해받도록 함으로써 상기 그래핀이 불규칙한 달마시안 형태로 성장하도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 저마찰 부재의 제조방법은, 그래파이트를 포함하는 회주철을 소재로 하는 모재 표면에 금속고체 윤활제층을 형성하는 단계와; 상기 금속고체 윤활제층의 표면에 CVD 공정에 의해 그래핀을 성장시켜 그래핀층을 형성하는 단계와; 상기 그래핀층의 표면에 패턴화된 마스크를 형성하는 단계와; 상기 그래핀층과 금속고체 윤활제층 중 마스킹되지 않은 부위를 에칭공정에 의해 제거하는 단계와; 상기 그래핀층과 금속고체 윤활제층 중 상기 에칭공정에 의해 제거되지 않고 상기 마스크 아래로 남아 있는 패턴화된 금속고체 윤활제와 그래핀의 복합 윤활제로부터 마스크를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 패턴화된 마스크의 형성은 리소그래피 공정에 의해 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의한 저마찰 부재의 제조방법은, 금속고체 윤활제를 이용하여 규칙 또는 불규칙한 형태의 그래핀 패턴을 용이하게 형성함으로써 금속고체 윤활제와 그래핀이 조합된 복합 윤활제를 갖는 저마찰 부재를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명은 그래파이트가 포함된 소재를 모재로 이용하면서도 그래핀 패턴을 용이하게 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은 그래핀의 성장을 방해하는 그래파이트의 특성을 이용하여 불규칙한 달마시안 형태를 갖는 그래핀을 형성시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도
도 2 내지 도 6은 본 발명의 제1실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 설명하기 위한 일련의 참조도
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 제2실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 설명하기 위한 일련의 참조도
도 7e는 그래핀 성장을 방해하는 그래파이트의 특성을 이용한 본 발명의 변형 실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 설명하기 위한 사진
도 8은 본 발명의 제3실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도
도 9a 내지 도 9f는 본 발명의 제3실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 설명하기 위한 일련의 참조도
도 2 내지 도 6은 본 발명의 제1실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 설명하기 위한 일련의 참조도
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 제2실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 설명하기 위한 일련의 참조도
도 7e는 그래핀 성장을 방해하는 그래파이트의 특성을 이용한 본 발명의 변형 실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 설명하기 위한 사진
도 8은 본 발명의 제3실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도
도 9a 내지 도 9f는 본 발명의 제3실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 설명하기 위한 일련의 참조도
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 저마찰 부재의 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 기술범위에 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 제1실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 2 내지 도 6은 본 발명의 제1실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 설명하기 위한 일련의 참조도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법은, 금속고체 윤활제(120)를 이용하여 규칙 또는 불규칙한 형태의 그래핀(130) 패턴을 형성함으로써 금속고체 윤활제(120)와 그래핀(130)이 조합된 복합 윤활제를 구현할 수 있도록 한 것으로, 금속고체 윤활제 도포 단계(S101)와, 열처리 단계(S102)와, 그래핀 성장 단계(S103)로 이루어진다.
상기 금속고체 윤활제 도포 단계(S101)에서는, 도 2에 도시된 것처럼 금, 은, 구리 중 어느 하나를 소재로 하는 나노크기의 금속고체 윤활제(120)를 모재(110) 표면에 분산시켜 도포한다. 이를 위해 다양한 방법을 이용할 수 있는데, 불규칙한 랜덤형상의 패턴을 염두하는 경우 스핀코팅, 스프레이코팅, 페인팅을 이용할 수 있고, 규칙적인 형상의 패턴을 염두하는 경우 스크린프린팅, 잉크젯프린팅, 스템핑, 임프린팅(imprinting), 롤투롤 프린팅(roll to roll printing)에 의해 금속고체 윤활제(120)를 모재(110)에 도포한다.
이 단계에서는 금속고체 윤활제(120)를 포함하는 슬러리를 만들고 이를 도포하고 건조하는 방법도 가능하다. 이처럼 금속고체 윤활제(120)를 포함하는 슬러리를 만드는 경우 전구체 형태의 금속고체 윤활제(120)를 포함시키는데, 금은 HAuCl4, HAuCl4·3H2O 등의 금 전구체로부터, 은은 AgNO3, silver acetate, Ag(NH3)2 + 등의 은 전구체로부터 구리는 CuSO4, CuCl2, Cu(AOT)2, Cu(NO3)2, Cu(acac)2 등의 구리 전구체를 사용한다.
그리고 만일 모재(110)가 대면적인 경우에는 초음파 발생장치를 이용할 수 있다. 초음파를 이용하는 방법의 경우 전구체 형태의 금속고체 윤활제(120)가 포함된 슬러리를 발진기가 설치된 초음파 발생장치에 담고, 그 슬러리에 대면적의 모재(110)를 침지한 후 발진기에서 초음파를 발생시켜주면 된다. 그러면 음향 기포의 충돌로 만들어진 마이크로젯(micro-jet)이 고속(초속 100m 이상에 달함)으로 움직이면서 상기 모재(110)에 대해 전구체 형태의 금속고체 윤활제(120)를 강한 힘으로 반복하여 충돌시키게 되며 이 과정에서 상기 모재(110) 표면에 금속고체 윤활제(120)가 증착된다. 이때 가하는 초음파는 0.5 내지 12시간 동안 800~1200W 전력, 20kHz의 주파수를 제원으로 한다. 이같이 초음파를 이용하는 도포방법은 기존에 사용되는 일반적인 도포방법에 비해 입자들의 형상 및 크기의 제약을 덜 받으므로 대면적의 모재(110)에 대해서도 나노 크기의 금속고체 윤활제(120)를 다루는데 효과적이다.
또한, 대면적의 모재(110)인 경우 자외선 조사장치를 이용할 수도 있다. 이 방법은 UV 램프와 교반날개가 설치된 자외선 발생장치에 전구체 형태의 금속고체 윤활제(120)가 포함된 슬러리를 담고 모재(110)를 침지한 후 그 슬러리에 자외선을 조사하면 된다. 이때 자외선을 조사하기 위해서는 200~400nm 파장 범위의 UV 램프를 사용하며, UV 램프와 슬러리와의 거리는 10cm 정도로 고정한다. 그러면 광환원 과정을 통해 상기 모재(110) 표면에 전구체 형태의 금속고체 윤활제(120)가 증착되어 도포가 이루어진다. 이 과정에서 자외선 발생장치 내부에 설치된 교반날개가 회전하면서 보다 신속히 결과물을 얻을 수 있다.
상기 열처리 단계(S102)에서는 상기 금속고체 윤활제(120)가 상기 모재(110) 표면에 도포된 상태에서 고착되도록 열처리한다. 이를 위해 불활성 가스 분위기나 진공상태에서 1 내지 2시간 동안 500 내지 1000℃의 온도범위에 속한 온도로 가열한다. 그러면 도 3에 도시된 것처럼 구형의 금속고체 윤활제(120)가 반구형으로 모제 표면에 고착된 상태가 된다.
상기 그래핀 성장 단계(S103)에서는, 모재(110) 표면에 고착된 상태에 있는 금속고체 윤활제(120)를 촉매로 하여 thermal CVD 공정을 통해 그래핀(130)을 성장시킨다. 이를 위해 혼합가스는 ⓐ CH4(or C2H4, C2H2): 20 내지 50sccm, ⓑ H2: 20 내지 100sccm, ⓒ Ar(or He, N2): 20 내지 500sccm의 것으로 사용되고, 5 내지 60분 동안 800 내지 1000℃의 온도범위에 속한 온도로 가열한다. 그러면 도 4에 도시된 것처럼 반구형으로 모재(110)에 고착된 금속고체 윤활제(120) 표면에 그래핀(130)이 입혀진 형태의 복합 윤활제를 구비하는 저마찰 부재를 얻게 된다.
이같은 과정을 요약하자면 다양한 형태의 패턴을 형성하기 용이한 금속고체 윤활제(120)를 이용하여 먼저 패턴을 형성한 다음에, 패턴화된 금속고체 윤활제(120)를 촉매로 하여 그래핀(130)을 성장시킴으로써 그래핀(130)의 경우에도 패턴화하는 것이다. 이로써 금속고체 윤활제(120)와 그래핀(130)이 조합된 복합 윤활제에 의해 효과적인 마찰저감 효과를 얻을 수 있으며, 그 복합 윤활제의 패턴을 통해 보다 향상된 마찰저감 효과를 얻을 수 있는 저마찰 부재를 확보할 수 있게 된다.
한편, 상기 열처리 단계(S102)에서 열처리하는 동안 금속고체 윤활제(120)를 평판 프레싱이나 롤링을 통해 가압해주면 도 5에 도시된 것처럼 판형으로 이루어진 복합 윤활제를 구비한 저마찰 부재를 얻게 된다. 또한, 상기 금속고체 윤활제 도포 단계(S101)에서 선택된 도포방식의 종류에 따라 도 6에 도시된 것처럼 규칙 또는 불규칙한 다양한 형태의 윤활제 패턴을 얻을 수 있다.
계속해서 본 발명의 제2실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 제2실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 설명하기 위한 일련의 참조도이다. 그리고 도 7e는 그래핀 성장을 방해하는 그래파이트의 특성을 이용한 본 발명의 변형 실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 설명하기 위한 사진이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법은, 그래파이트가 포함된 회주철을 소재로 사용하되, 상기 회주철에 포함된 그래파이트로 인해 그래핀(130)의 성장이 방해받지 않도록 상기 금속고체 윤활제(120)를 상기 모재(110-2) 표면에 도포하기 전에 도 7b에 도시된 것처럼 버퍼층(110a)을 형성시키는 것을 특징으로 한다.
상기 버퍼층(110a)이 형성된 이후 도 7c에 도시된 것처럼 금속고체 윤활제(120)를 도포한 후 열처리 및 가압하여 버퍼층(110a) 위에 패턴화된 판형의 금속고체 윤활제(120)를 형성하고 플라즈마로 표면처리하여 표면특성을 조절해준다. 그리고 도 7d에 도시된 것처럼 버퍼층(110a) 위에 패턴화된 판형의 금속고체 윤활제(120) 위에 그래핀(130)을 성장시킨다.
이같은 제2실시예의 과정을 통해 얻어진 저마찰 부재는 패턴화된 금속고체 윤활제(120) 및 그래핀(130)에 더해 마찰저감에 효과적인 그래파이트까지 추가되면서 더욱 뛰어난 마찰저감 효과를 기대할 수 있게 된다. 단, 설명되지 않은 세부적인 내용들은 제1실시예와 대동소이하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 상기 제2실시예에서 모재(110-2)에 버퍼층(110a)을 형성하지 않고 곧바로 금속고체 윤활제(120)를 도포한 후 CVD 공정을 진행하는 변형 실시예가 가능하다. 이는 모재(110-2)의 표면 중 그래파이트가 존재하는 영역에서 그래핀(130)의 성장이 방해받도록 유도함으로써 그 외 영역에서 그래핀(130)이 불규칙한 달마시안 형태로 성장하도록 하는 역발상적인 방법이라 할 수 있다. 도 7e는 이같은 역발상적인 방법으로 얻어진 시편을 보여주는 것으로 라만분석(Raman analysis)을 통해 서로 다른 영역을 조사할 결과 1 및 2 영역과 같이 그래파이트가 존재하지 않는 화이트 영역(White region)에서는 그래핀(130)이 성장하였으나 3 및 4 영역과 같이 그래파이트가 존재하는 다크 영역(Dark region)에서는 그래핀(130)의 성장이 거의 이루어지지 않은 것을 발견할 수 있었다. 이같은 방법은 불규칙한 패턴의 그래핀(130)을 갖는 저마찰 부재를 간단히 구현하는데 매우 유용하게 이용할 수 있을 것으로 기대된다.
계속해서 본 발명의 제3실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 9a 내지 도 9f는 본 발명의 제3실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 설명하기 위한 일련의 참조도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법은, 금속고체 윤활제층 형성 단계(S201), 그래핀 성장 단계(S201), 마스크 형성 단계(S201), 애칭 단계(S201), 마스크 제거 단계(S201)로 이루어지며, 앞선 실시예들과 달리 그래핀이 성장한 이후에 패턴을 형성시킨다는 점에서 차이가 있다. 제3실시예의 경우 모재(110-2)의 소재로서 그래파이트가 포함된 회주철을 사용하면서도 버퍼층(110a)을 형성시키지 않고 그래핀 패턴을 정밀하게 형성할 수 있다.
각 단계들을 설명하면 다음과 같다.
상기 금속고체 윤활제층 형성 단계(S201)에서는, 도 9a 및 도 9b와 같이 그래파이트를 포함하고 있는 회주철을 소재로 하여 마련된 모재(110-2)의 표면에 금속고체 윤활제층(120a)을 형성한다. 이 단계에서 상기 금속고체 윤활제층(120a)을 형성하기 위해서는 앞선 제1실시예의 금속고체 윤활제 도포 단계(S101)와, 열처리 단계(S102)를 실시하되 금속고체 윤활제(120)를 포함하는 슬러리를 만들고 이를 도포하는 한편, 열처리 단계에서는 상대적으로 온도를 높게 하고, 가열시간도 길게 해준다.
상기 그래핀 성장 단계(S201)에서는, 상기 금속고체 윤활제층(120a)의 표면에 CVD 공정에 의해 그래핀(130)을 성장시켜 그래핀층(130)을 형성한다. 이를 위해 모재(110-2) 표면에 고착된 상태에 있는 금속고체 윤활제층(120a)의 금속고체 윤활제(120)를 촉매로 하여 thermal CVD 공정을 진행한다. 이때 혼합가스는 ⓐ CH4(or C2H4, C2H2): 20 내지 50sccm, ⓑ H2: 20 내지 100sccm, ⓒ Ar(or He, N2): 20 내지 500sccm의 것으로 사용되고, 5 내지 60분 동안 800 내지 1000℃의 온도범위에 속한 온도로 가열한다. 그러면 도 9c에 도시된 것처럼 금속고체 윤활제층(120a)에 그래핀(130)이 입혀진 형태의 복합 윤활제층을 얻게 된다.
상기 마스크 형성 단계(S201)에서는, 도 9d와 같이 상기 그래핀층(130)의 표면에 리소그래피(lithography) 공정을 통해 패턴화된 마스크(140)를 형성한다. 여기서, 상기 리소그래피 공정 외에도 스크린프린팅 또는 잉크젯프린팅, 스템핑, imprinting, roll-to-roll print (gravure 등) 등의 방법으로 패턴을 인쇄할 수 있다.
상기 애칭 단계(S201)에서는, 상기 그래핀층(130)과 금속고체 윤활제층(120a) 중 상기 에칭공정에 의해 제거되지 않고 상기 마스크(140) 아래로 남아 있는 패턴화된 금속고체 윤활제(120)와 그래핀(130)의 복합 윤활제로부터 마스크(140)를 제거하게 된다. 그러면 도 9f와 같이 그래파이트가 포함된 회주철 소재의 모재(110-2)의 표면에 패턴화된 금속고체 윤활제(120)와 그래핀(130)의 복합 윤활제가 형성되어 있는 저마찰 부재를 얻게 된다.
이같은 제3실시예의 과정을 통해 얻어진 저마찰 부재는 패턴화된 금속고체 윤활제(120) 및 그래핀(130)에 더해 마찰저감에 효과적인 그래파이트까지 추가되면서 더욱 뛰어난 마찰저감 효과를 기대할 수 있게 된다. 단, 설명되지 않은 세부적인 내용들은 제1실시예와 대동소이하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
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, 110-2 : 모재 110a : 버퍼층
120 : 금속고체 윤활제 120a : 금속고체 윤활제층
130 : 그래핀 130a : 그래핀층
140 : 마스크
120 : 금속고체 윤활제 120a : 금속고체 윤활제층
130 : 그래핀 130a : 그래핀층
140 : 마스크
Claims (10)
- 저마찰 부재의 제조방법으로서,
금속고체 윤활제를 모재 표면에 분산시켜 도포하는 단계와;
상기 금속고체 윤활제가 상기 모재 표면에 도포된 상태에서 고착되도록 열처리하는 단계와;
상기 금속고체 윤활제를 촉매로 하여 CVD 공정을 통해 그래핀을 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저마찰 부재의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 금속고체 윤활제는 은, 금, 구리 중 어느 하나를 소재로 구비되는 것을 특징으로 하는 저마찰 부재의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 모재 표면에 대한 상기 금속고체 윤활제의 도포는 스크린프린팅, 잉크젯프린팅, 스템핑, 임프린팅(imprinting), 롤투롤 프린팅(roll to roll printing) 중 어느 한 공정에 의해 규칙적인 패턴을 이루도록 한 것을 특징으로 하는 저마찰 부재의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 모재 표면에 대한 상기 금속고체 윤활제의 도포는 스핀코팅, 스프레이코팅, 페인팅 중 어느 한 공정에 의해 불규칙적인 형태를 이루도록 한 것을 특징으로 하는 저마찰 부재의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 열처리는 불황성 가스 분위기에서 1 내지 2시간동안 500 내지 1000℃ 온도범위에 속한 온도로 진행되어 상기 금속고체 윤활제가 상기 모재 표면에 반구형으로 고착되도록 한 것을 특징으로 하는 저마찰 부재의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 열처리는 불황성 가스 분위기에서 1 내지 2시간동안 500 내지 1000℃ 온도범위에 속한 온도로 진행되고,
상기 열처리와 동시에 상기 금속고체 윤활제를 가압하여 상기 모재 표면에 판형으로 고착되도록 한 것을 특징으로 하는 저마찰 부재의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 모재는 그래파이트가 포함된 회주철로 구비되며,
상기 회주철에 포함된 그래파이트로 인해 그래핀의 성장이 방해받지 않도록 상기 금속고체 윤활제를 상기 모재 표면에 도포하기 전에 상기 모재 표면에 버퍼층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 저마찰 부재의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 모재는 그래파이트가 포함된 회주철로 구비되어, 상기 CVD 공정을 통해 그래핀을 성장시킬 때 상기 그래파이트가 존재하는 영역에서는 그래핀의 성장이 방해받도록 함으로써 상기 그래핀이 불규칙한 달마시안 형태로 성장하도록 한 것을 특징으로 하는 저마찰 부재의 제조방법. - 저마찰 부재의 제조방법으로서,
그래파이트를 포함하는 회주철을 소재로 하는 모재 표면에 금속고체 윤활제층을 형성하는 단계와;
상기 금속고체 윤활제층의 표면에 CVD 공정에 의해 그래핀을 성장시켜 그래핀층을 형성하는 단계와;
상기 그래핀층의 표면에 패턴화된 마스크를 형성하는 단계와;
상기 그래핀층과 금속고체 윤활제층 중 마스킹되지 않은 부위를 에칭공정에 의해 제거하는 단계와;
상기 그래핀층과 금속고체 윤활제층 중 상기 에칭공정에 의해 제거되지 않고 상기 마스크 아래로 남아 있는 패턴화된 금속고체 윤활제와 그래핀의 복합 윤활제로부터 마스크를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저마찰 부재의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 패턴화된 마스크의 형성은 리소그래피 공정에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 저마찰 부재의 제조방법.
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Legal Events
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| A201 | Request for examination | ||
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| E601 | Decision to refuse application |