[논문]나노다이아몬드가 첨가된 프라이팬 불소수지코팅의 Tribological 특성 연구

이진호; 김현수; 윤한기; 김태규

나노다이아몬드가 첨가된 프라이팬 불소수지코팅의 Tribological 특성 연구
A Study on the Tribological Characteristics of a Frying Pan Coated with PTFE and Nano-Diamond 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.23 no.6 = no.91, 2009년, pp.99 - 104

이진호 (부산대학교 나노융합기술대학원) , 김현수 (삼호정밀 기술연구소) , 윤한기 (동의대학교 기계공학과) , 김태규 (부산대학교 나노시스템공정공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

PTFE has good mechanical and chemical stability at a wide range of temperatures and demonstrates a low friction coefficient value. PTFE is being used for self-lubricating parts in industry. But it shows a high wear rate. Thus, PTFE and nano-diamond powder were mixed into a composite and the wear properties of a PTFE coating layer on Al6061 was investigated. A ball-on-disk type of wear tester was used under a dry condition and different temperatures of oil. After the wear test, the wear track wasexamined by optical microscope. The PTFE-diamond showed the lowest friction coefficient (0.02) of all the lubricants in the experiments. The friction coefficient was shown to be directly related to the diamond powder in the PTFE coating. Adhesion estimations were performed by a scratch test, which is mainly used for coatings. The critical load between the coating and substrate was defined through analyses of the friction load, normal load curve, and acoustic emissions, along with optical microscope observations. The scratch test results showed that an import item (SWISS) gave the highest critical load values.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 나노다이아몬드가 첨가된 PTFE의 국산화를 위하여 주방기구 프라이팬에 사용되는 기존의 PTFE(이하 PTFE) 코팅과 여기에 나노다이아몬드 입자(150nm)를 첨가한 PTFE(이하 PT-Diamond) 코팅과 나노다이아몬드 입자가 첨가된 수입제품(이하 Swiss)에 대해서 Mophology 특성, 코팅 층의 두께, 부착강도 및 마모 특성, 표면경도 등을 분석하였다. 마모 특성은 무윤활 상태와 윤활 상태에서의 마찰마모 특성과 윤활 상태에서 온도에 따른 마찰마모 특성을 살펴보고 나노 다이아몬드가 저마찰 내마모성 필러로 사용이 적합한지 확인하고자 하였다. 코팅부의 형상 및 조성 등은 주사전전자현미경(SEM)과 X선회절분석기(XRD), 광학현미경, Scratch test 등의 관찰을 통하여 조사하였고, 마모시험은 마찰 마멸표준시험법 중 Ball on disk type의 Tribometer 장치(CSM Instruments, 2003)를 이용하여 마찰마모 특성을 조사하였다.
본 연구에서는 나노다이아몬드가 첨가된 PTFE의 국산화를 위하여 주방기구 프라이팬에 사용되는 기존의 PTFE(이하 PTFE) 코팅과 여기에 나노다이아몬드 입자(150nm)를 첨가한 PTFE(이하 PT-Diamond) 코팅과 나노다이아몬드 입자가 첨가된 수입제품(이하 Swiss)에 대해서 Mophology 특성, 코팅 층의 두께, 부착강도 및 마모 특성, 표면경도 등을 분석하였다. 마모 특성은 무윤활 상태와 윤활 상태에서의 마찰마모 특성과 윤활 상태에서 온도에 따른 마찰마모 특성을 살펴보고 나노 다이아몬드가 저마찰 내마모성 필러로 사용이 적합한지 확인하고자 하였다.
본 연구에서는 알루미늄에 코팅된 PTEE와 나노다이아몬드가 첨가된 PTFE를 무윤활 상태와 윤활 상태에서 온도 변화에 따른 마모실험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

PTFE 코팅은 자체 부착성이 좋지 않아 Sandblast 및 Cleaning 처리를 하고 Substrate에 0.01g의 나노다이아몬드 입자(150nm)를 PTFE 수용액에 첨가한 시편과 다이아몬드 입자를 첨가하지 않은 PTFE 수용액을 각각 스프레이 코팅처리 후 열풍 건조하여 시편을 제작하였으며 나노다이아몬드가 첨가된 수입제품에 대해서는 다른 시편과 같이 프라이팬을 직경 25mm 두께를 9mm 원판 형으로 가공을 하였다.
PTFE의 성분 분석을 알기 위해 EDX분석을 하였고 나노다이 아몬드 분석을 위해 Raman-spectroscopy를 이용하여 상온에서 514.5nm의 파장을 갖는 Ar-ion laser를 입사 후 여기 되는 스펙트럼을 비교 분석하였다. 또한 X-ray diffraction(XRD)을 이용하여 나노다이아몬드 결정 구조를 분석하였고 Substrate소재인 알루미늄과 PTFE 코팅부의 부착력을 알기위해 Scratch test로 측정하였다.
scratching 속도는 50N/min이고, 생성된 Scratch는 15mm이다. Scratch test 이후에 발생한 Scratch는 광학현미경으로 관찰하였다. 코팅층의 경도는 Nano Indentation으로 측정은 상온 25 ± 1 ℃에서 실시하였고 하중은 동일하게 250mN으로 동일하게 가하여 시험횟수를 10회씩 실시한 후 평균값을 취하였다(윤한기 등, 2007).
Scratch test는 상온 25 ± 1 ℃에서 실시하였고 X축이고정된 상태에서 Y, Z 축으로 Scratch test 하였다.
5nm의 파장을 갖는 Ar-ion laser를 입사 후 여기 되는 스펙트럼을 비교 분석하였다. 또한 X-ray diffraction(XRD)을 이용하여 나노다이아몬드 결정 구조를 분석하였고 Substrate소재인 알루미늄과 PTFE 코팅부의 부착력을 알기위해 Scratch test로 측정하였다. Scratch test는 상온 25 ± 1 ℃에서 실시하였고 X축이고정된 상태에서 Y, Z 축으로 Scratch test 하였다.
마찰 마모 실험은 대기 분위기에서 무윤활 조건과 윤활조건에서 대기상태 분위기(25℃)와 윤활유 온도를 100℃, 120℃ 조건에서 각각 실험하였다. 윤활마모시험은 온도 변화를 기존실험 장치에 Heating module을 장착하여 시편을 고정한 지그에 식용유를 70ml를 넣어 실험 시작하기 전에 100℃, 120℃로 가열을 한 후 실험을 시작하였다.
마모된 트랙의 폭이 넓다는 것은 마모된 깊이도 깊다는 것을알 수 있다. 본 연구에서는 마모량 측정을 하지 않고 마모 트랙의 폭을 측정하여 마모량이 많고 적음으로 마모량을 관찰하였다. Table 4에서 나타나듯이 건식실험이 윤활실험 보다 마모량이 크게 나타났으며, 윤활실험에서는 온도가 증가 할수록 마모 량이 증가 하였다.
마모 특성은 무윤활 상태와 윤활 상태에서의 마찰마모 특성과 윤활 상태에서 온도에 따른 마찰마모 특성을 살펴보고 나노 다이아몬드가 저마찰 내마모성 필러로 사용이 적합한지 확인하고자 하였다. 코팅부의 형상 및 조성 등은 주사전전자현미경(SEM)과 X선회절분석기(XRD), 광학현미경, Scratch test 등의 관찰을 통하여 조사하였고, 마모시험은 마찰 마멸표준시험법 중 Ball on disk type의 Tribometer 장치(CSM Instruments, 2003)를 이용하여 마찰마모 특성을 조사하였다.
코팅층의 경도는 Nano Indentation으로 측정은 상온 25 ± 1 ℃에서 실시하였고 하중은 동일하게 250mN으로 동일하게 가하여 시험횟수를 10회씩 실시한 후 평균값을 취하였다(윤한기 등, 2007).

대상 데이터

7은 PTFE, PT-Diamond와 Swiss의 Substrate와 코팅 층의 Scratch test 후 표면사진을 나타낸 것이다. PTFE의 부착력은 25N, PT-Diamond는 30N, Swiss는 33N으로 각각 측정되었다. PT-Diamond 시험편이 PTFE 시험편 보다 높게 나타났다.
접촉하중은 2N으로 동일하게 가하였으며, 미끄럼 속도는 5cm/s, 미끄럼 거리는 1000m로 동일한 조건으로 실험하였다. 마찰 마모 실험에 쓰인 상대재로는 직경 3mm인 산화알루미나(Al2O3) 볼을 사용하였다.
본 연구에서는 Fig. 1과 같이 주방기구 프라이팬을 생산하는 동일한 공정으로 시편이 제작되었고 Substrate는 알루미늄 소재(Al6061)로 직경이 25mm인 환봉을 두께 9mm로 원판 형으로 가공한 뒤 마찰 면을 거친 사포 순으로 습식 연마하였고 마지막에는 Al2O3 연마재로 0.3µm까지 습식 연마한 후, 초음파 세척기를 사용하여 5분간 알코올에 세정하였다.
여기서 사용된 온도계는 Heating module에 장착되어 있는 온도계와 200℃까지 측정 가능한 수은 온도계를 같이 사용하였다. 윤활조건에 쓰인 오일은 O사에서 생산되는 식물성 식용유(Soybean oil)를 사용하였다.

성능/효과

(1) 건식마모실험에서 평균마찰계수가 0.143~0.145이고 윤활 마모실험에서 온도의 변화(25~120℃)에 따른 평균마찰계수는 0.02~0.068로 나타났다.
(2) 건식실험이 윤활실험 보다 마모량이 크게 나타났으며, 윤활실험에서는 온도가 증가 할수록 마모량이 증가 하였다. 실험 조건(건식, 습식 및 온도조건)에 상관없이 다이아몬드가 첨가된 시험편에서 마모량이 가장 작게 나타났다.
(3) 부착력 실험에서 PT-Diamond 시험편(30N)이 PTFE 시험편(25N) 보다 높게 나타났다. 이는 나노다이아몬드가 Substrate 소재인 알루미늄과 PTFE 코팅부의 부착력 증가에 관계가 있는 것으로 판단된다.
(4) 부착력 실험과 경도 실험에서는 다이아몬드의 양이 미량으로 첨가 되었고 분포가 상이해서 큰 특성이 나타나지 않았지만 건식마모와 윤활마모실험을 비교시 다이아몬드의 첨가가 마찰계수 변화와 마모량의 변화에 영향을 주는 것으로 판단된다.
6(a)는 무윤활 상태에서 마모 실험한 결과를 나타낸 것으로서 PTFE와 PT-Diamond, Swiss 마찰거동에서 안정화 되는 상태가 다름을 알 수가 있었다. PTFE는 시험이 시작되고 0.11의 마찰계수 값을 보이며 약 100m 정도에 0.13~0.14의 안정화되는 거동을 보였고 PT-Diamond, Swiss도 마찰계수 값이 0.11에서 시작하여 약 500m 정도에서는 0.15의 마모상태가 안정화되는 거동을 나타내었다. 마모트랙을 보면 나노다이아몬드가 첨가된 2개의 시험편 트랙에서 스크레치 자국이 발생한 것을 알 수가 있다.
본 연구에서는 마모량 측정을 하지 않고 마모 트랙의 폭을 측정하여 마모량이 많고 적음으로 마모량을 관찰하였다. Table 4에서 나타나듯이 건식실험이 윤활실험 보다 마모량이 크게 나타났으며, 윤활실험에서는 온도가 증가 할수록 마모 량이 증가 하였다. 실험조건(건식, 습식 및 온도조건)에 상관없이 다이아몬드가 첨가된 시험편에서 마모량이 가장 작게 나타났다.
동일한 하중을 가하였을 때 압흔 자국의 깊이가 PTFE의 시험편은 압흔 깊이가 10,000nm이며 경도가 10Hv이고, PT-Diamond 시험편은 압흔 깊이가 9,000nm, 12Hv, Swiss 시험편은 8500nm, 13Hv로 각각 나타났다. 다이아몬드 첨가에 따라서 경도 값은 큰 차이를 나타내지 않았다.
Table 3은 프라이팬 표면을 EDX로 분석한 것으로, PTFE는 C와 F의 결합으로 이루어져있는데 C의 피크가 나타나지 않는 것은 탄소원자가 가벼운 원소이고 원소 기호 1~5번까지는 잘 검출되지 않는 것으로 알려져 있다. 세가지 시험편에서 모두 대부분은 F의 피크가 주를 이루고 소량의 Al, Si, Au 성분이 검출되어 모든 시험편이 불소수지로 코팅이된 것을 확인할 수가 있었다. EDX의 분석에서도 다이아몬드는 확인되지 않았다.
Table 4에서 나타나듯이 건식실험이 윤활실험 보다 마모량이 크게 나타났으며, 윤활실험에서는 온도가 증가 할수록 마모 량이 증가 하였다. 실험조건(건식, 습식 및 온도조건)에 상관없이 다이아몬드가 첨가된 시험편에서 마모량이 가장 작게 나타났다.
Table 4에서 나타나듯이 건식실험이 윤활실험 보다 마모량이 크게 나타났으며, 윤활실험에서는 온도가 증가 할수록 마모 량이 증가 하였다. 실험조건(건식, 습식 및 온도조건)에 상관없이 다이아몬드가 첨가된 시험편에서 마모량이 가장 작게 나타났다.
Table 2에 코팅후의 각 시편의 표면조도 Ra 값과 코팅의 두께를 나타내었다. 표에서 나타나듯이 PTFE 2.56, PT-Diamond 1.05, Swiss 1.98로 각각 나타나, 다이아몬드가 첨가된 시험편이 표면조도가 가장 우수하게 나타났다. 코팅두께는 본 실험에서 제작한 PTFE와 PT-Diamond 시험편은(약 30µm) 거의 차이가 없었으나 수입제품은 70µm으로 두껍게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Teflon이라는 명칭으로 사용되고 있는 불소수지는 어떤 합성수지인가?	주방기구 프라이팬에 Teflon이라는 명칭으로 사용되고 있는 불소수지는 C-C결합으로 이루어지는 폴리올레핀과 같은 결합인데 폴리올레핀의 수소 일부 또는 전부가 불소원자로 대치된 구조를 가진 합성수지이다. 현재 시판되고 있는 8종류의 불소(Fluorine) 수지가 있는데 그중에서 70%의 PTFE(Poly tetra fluoro ethylene)는 고온에서 조리된 음식물과의 이형성이 우수하고 마찰계수가 낮고 내열성 및 내약품성이 우수하여 주방용 기구로 널리 사용되고 있다(이한영, 2008).
	PTFE이 주방용 기구로 널리 사용되고 잇는 이유는 무엇인가?	주방기구 프라이팬에 Teflon이라는 명칭으로 사용되고 있는 불소수지는 C-C결합으로 이루어지는 폴리올레핀과 같은 결합인데 폴리올레핀의 수소 일부 또는 전부가 불소원자로 대치된 구조를 가진 합성수지이다. 현재 시판되고 있는 8종류의 불소(Fluorine) 수지가 있는데 그중에서 70%의 PTFE(Poly tetra fluoro ethylene)는 고온에서 조리된 음식물과의 이형성이 우수하고 마찰계수가 낮고 내열성 및 내약품성이 우수하여 주방용 기구로 널리 사용되고 있다(이한영, 2008). 하지만 PTFE 코팅층은 표면경도가 약하고 내구성이 떨어져 자주 교체해야하는 단점이 있다.
	Poly tetra fluoro ethylene 코팅층은 어떤 문제점을 가지고 있는가?	현재 시판되고 있는 8종류의 불소(Fluorine) 수지가 있는데 그중에서 70%의 PTFE(Poly tetra fluoro ethylene)는 고온에서 조리된 음식물과의 이형성이 우수하고 마찰계수가 낮고 내열성 및 내약품성이 우수하여 주방용 기구로 널리 사용되고 있다(이한영, 2008). 하지만 PTFE 코팅층은 표면경도가 약하고 내구성이 떨어져 자주 교체해야하는 단점이 있다. 또한 최근에는 발암성 환경유해물질 논란으로 인하여 업계에서는 새로운 대체물질 개발을 서두르고 있는 실정이다.

참고문헌 (9)

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심현해, 권오관 (1995). "PTFE-폴리이미드 복합재료의 마찰과 마모 특성", 한국윤활학회지, Vol 44, No 4, pp 28-34
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Ylianttila, L. and Schreder, J. (2005). "Temperature Effects of PTFE Diffusers", Optical Materials, Vol 27, No 12, pp 1811-1814

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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