[논문]나노기공구조를 가진 알루미나필름의 트라이볼로지 특성

김효상; 김대현; 안효석; 한준희; 이우

doi:10.9725/kstle.2010.26.1.014

나노기공구조를 가진 알루미나필름의 트라이볼로지 특성
Tribological Properties of Nanoporous Structured Alumina Film 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.26 no.1, 2010년, pp.14 - 20

김효상 (서울산업대학교 NID융합기술대학원) , 김대현 (서울산업대학교 NID융합기술대학원) , 안효석 (서울산업대학교 NID융합기술대학원) , 한준희 (한국표준과학연구원) , 이우 (한국표준과학연구원)

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Tribological properties of nanoporous structured alumina film was investigated. Alumina film (AAO: anodic aluminum oxide) of $60{\mu}m$ thickness having nanopores of 45 nm diameter with 105 nm interpore-diatance was fabricated by mild anodization process. Reciprocating ball-on-flat sliding friction tests using 1 mm diameter steel ball as a counterpart were carried out with wide range of normal load from 1 mN to 1 N in an ambient environment. The morphology of worn surfaces were analyzed using scanning electron microscopy. The friction coefficient was strongly influenced by the applied normal load. Smooth layer patches were formed on the worn surface of both AAO and steel ball at relatively high load (100 mN and 1 N) due to tribochemical reaction and compaction of wear debris. These tribolayers contributed to the lower friction at high loads. Extremely thin layer patches, due to mild plastic deformation of surface layer, were sparsely distributed on the worn surface of AAO at low loads (1 mN and 10 mN) without the evidence of tribochemical reaction. Delaminated wear particles were generated at high loads by fatigue due to repeated loading and sliding.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 나노기공구조를 가진 AAO 박막에 대해 하중의 변화에 따른 마찰마멸 특성 및 마멸기구를 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 실제적인 접촉압력을 구현할 수 있는 하중 조건 하에서 AAO의 마찰·마멸 특성을 조사하고자 하였다.

제안 방법

30, 경도는 HRB 97이다. 강구 상대재는 AAO 시편과 접촉하여 왕복동운동을 하는데 미끄럼속도는 0.5 mm/sec, 진폭은 3 mm, 하중은 1 mN, 10 mN, 100 mN과 1 N 으로 10배씩 증가시켜 하중변화에 대한 영향을 조사하였다. 왕복동 싸이클 수는 100 싸이클로 하였고 시험은 한 조건에서 3회 실시하였으며 마찰계수 값은 5%이하의 편차를 보였다.
3은 압입깊이와 이에 대한 경도와 탄성율의 변화를 보여주고 있다. 경도와 탄성율의 측정은 신뢰도를 확보하기 위해 9회 측정하였으며 경도와 탄성계수의 계산은 압입깊이 100~200 nm 영역에서 수행하였고 Table 2에 그 측정결과를 정리하여 제시하였다.

대상 데이터

AAO 시편과 접촉하는 상대재료는 직경 1 mm의 440C 스테인리스 강구를 사용하였으며 탄성계수(elastic modulus)는 200MPa이고, 포아송비(Poisson’s ratio)는 0.27~0.30, 경도는 HRB 97이다.
본 연구에 사용된 시험장치는 미국 CETR사의 마찰 시험기(UMT-2)이며 두 가지 힘센서(FVL과 DFM-0.5) 를 사용하여 하중을 저하중에서 부터 1,000배 이상 증가된 하중까지 폭넓게 적용할 수 있다. AAO 시편과 접촉하는 상대재료는 직경 1 mm의 440C 스테인리스 강구를 사용하였으며 탄성계수(elastic modulus)는 200MPa이고, 포아송비(Poisson’s ratio)는 0.

이론/모형

시편의 나노경도를 측정하기 위해 MTS Nanoindenter 를 사용하였으며 Fig. 3은 압입깊이와 이에 대한 경도와 탄성율의 변화를 보여주고 있다. 경도와 탄성율의 측정은 신뢰도를 확보하기 위해 9회 측정하였으며 경도와 탄성계수의 계산은 압입깊이 100~200 nm 영역에서 수행하였고 Table 2에 그 측정결과를 정리하여 제시하였다.

성능/효과

(1)마찰계수는 하중이 증가함에 따라 감소하였다.
(3)하중이 100 mN과 1 N으로 높은 경우엔 심한 마찰흔적이 남고 두꺼운 변형층이 많이 형성되며 마멸트랙 경계를 따라 균열도 발생하였었다. 두꺼운 변형층은 물질전이와 화학적 반응이 활발하게 진행되어 생성 되며 접촉계면에 끼어 소성변형되어 점차 판형화 되고 접촉면에 부착되어 변형층을 형성하였다.
(4)하중이 높은 경우에는 AAO와 강구 두 재료 간에 물질전이와 화학적 반응이 활발하게 진행되어 두꺼운 변형층이 형성되었다. (5)변형층은 윤활효과를 발휘하여 마찰을 감소시키며 따라서 변형층이 두껍고 광범위하게 형성된 고하중 시험에서 낮은 마찰계수를 보였다.
5는 AAO 나노구조 시편에 대해 하중을 변화 시킴에 따른 마찰계수와 미끄럼 접촉 싸이클 수의 관계를 나타낸 것이다. 대체로 모든 시험조건에서 100싸이클에 이르기 전에 마찰계수가 안정화됨이 관찰되 었다. 하중(접촉압력) 증가에 따른 마찰계수의 변화를 살펴보면, 하중이 증가함에 따라 마찰계수가 감소하는 경향을 보였다.
동일한 시편에서 발생한 마멸입자의 성분도 거의 같은 조성을 보여 평판형으로 펴져있는 변형층이 계속되는 접촉을 통해 기계적으로 약한 부분을 통해 균열이 발생하고 전파하여 판형 마멸입자를 생성된 것임을 알수 있다. 이에 반하여 하중이 매우 작은 1mN과 10 mN의 경우에는 Fig.
본 연구에서 하중이 증가함에 따라 마찰면에 변형층의 형성이 증가하는 것을 관찰했는데 Fig. 5에서 하중이 증가함에 따라 시편의 마찰계수가 감소하는 경향을 통해 이 변형층이 마찰저감 효과를 발휘함을 확인할수 있다. 이러한 현상은 여러 가지 접촉쌍에 대해 다양한 하중 범위에서 관찰되고 있다[5-7].
대체로 모든 시험조건에서 100싸이클에 이르기 전에 마찰계수가 안정화됨이 관찰되 었다. 하중(접촉압력) 증가에 따른 마찰계수의 변화를 살펴보면, 하중이 증가함에 따라 마찰계수가 감소하는 경향을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노필름은 어떤 구조로 구성되있는가?	특히 MEMS/NEMS 요소의 활용과 관련하여 나노구조를 가진 표면에 대한 관심이 급증하고 있다. 양극산화법으로 제조한 알루미나 나노필름(AAO: anodic aluminum oxide)는 알루미늄 기판위에 형성된 알루미나 층에 나노크기(20~300 nm)의 직경을 가진 튜브모양의 동공 (pore)를 규칙적으로 배열시킨 구조로 구성되는데 나노튜브(nanotube)나 나노선(nanowire) 등의 나노구조체를 만드는 틀(template)로 널리 사용되며 바이오센서와 에너지저장용 등 다양하게 응용범위를 넓히고 있다[1,2]. 그러나 AAO에 대한 마찰과 마모특성에 대한 연구는 매우 부족하여 단지 원자현미경을 이용한 실험결과가 한건 보고되고 있을 뿐이다[3].
	AAO에 대해 어느 부분의 연구가 미흡한가?	양극산화법으로 제조한 알루미나 나노필름(AAO: anodic aluminum oxide)는 알루미늄 기판위에 형성된 알루미나 층에 나노크기(20~300 nm)의 직경을 가진 튜브모양의 동공 (pore)를 규칙적으로 배열시킨 구조로 구성되는데 나노튜브(nanotube)나 나노선(nanowire) 등의 나노구조체를 만드는 틀(template)로 널리 사용되며 바이오센서와 에너지저장용 등 다양하게 응용범위를 넓히고 있다[1,2]. 그러나 AAO에 대한 마찰과 마모특성에 대한 연구는 매우 부족하여 단지 원자현미경을 이용한 실험결과가 한건 보고되고 있을 뿐이다[3]. 원자력현미경의 탐침을 이용한 접촉은 nm 크기의 선단반경(radius of curvature) 를 가진 탐침을 이용하므로 접촉압력이 MEMS/NEMS 요소의 접촉부에 발생하는 접촉압력에 비해 과다하게 높게 되므로 실험결과를 실제적으로 활용하는 데에는 한계가 있다.
	나노기공구조를 가진 AAO 박막에 대해 하중의 변화에 따른 마찰마멸특성 및 마멸기구를 규명한 결과 마찰계수와 하중은 어떤 관계를 갖고 있음을 알게되었는가?	(1)마찰계수는 하중이 증가함에 따라 감소하였다.

참고문헌 (7)

P. Kohli, M. Wirtz and C.R. Martin, "Nanotube Membrane Based Biosensors," Electroanalysis, Vol. 16, pp. 9-18, 2004.

상세보기
G.L. Che, B.B. Lakshmi, E.R. Fisher and C. R. Martin, "Carbon Nanotube Membranes for Electrochemical Energy Storage and Production," Nature, Vol. 393, pp. 346-349, 1998.

상세보기
D. Choi, S. Lee, S. Kim, P. Lee, K. Lee, H.l Parka and W. Hwang, "Dependence of Adhesion and Friction On Porosity in Porous Anodic Alumina Films," Scripta Materialia, Vol. 58, pp. 870-873, 2008.

상세보기
A. P. Li, F. Muller, A. Birner, K. Nielsch, and U. Gosele, "Hexagonal Pore Arrays with a 50-420 nm Interpore Distance Formed by Self-organization in Anodic Alumina," J. Appl. Phys., Vol. 84, pp. 6023-6026, 1998.

상세보기
I.-W. Lyo, H.-S. Ahn, and D.-S. Lim, "Microstructure and Tribological Properties of Plasma-sprayed Chromium Oxide-molybdenum Oxide Composite Coatings," Surface and Coatings Technology, Vol. 163-164, pp.395-403, 2002.
H.-S. Ahn, I.-W. Lyo and D.-S. Lim, "Influence of Molybdenum Composition in Chromium Oxidebased Coatings on their Tribological Behavior," Surface and Coatings Technology, Vol. 133-134, pp. 351-361, 2000.

상세보기
H.S. Ahn, P.D. Cuong, K.H. Shin and K. S. Lee, "Tribological Behavior of Sputtered Boron Carbide Coatings and the Influence of Processing Gas," Wear, Vol. 259, pp. 807-813, 2005.

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