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문제 정의
- 본 연구에서는 나노 입자가 첨가되지 않은 순수 DI water와 나노 입자가 첨가된 DI water 수용액을 이용하였다. 나노 입자는 물의 부족한 윤활성을 향상시키기 위한 목적으로 첨가되었으며, 다양한 나노 입자 중 본 연구에서는 SWCNT를 물의 윤활성을 향상시킬 나노 입자로 선정하였다. SWCNT가 0.
- 본 연구에서는 DI water와 SWCNT가 첨가된 DI water를 이용한 윤활 조건에서 금속과 탄소막 기판의 마찰 및 마모 특성이 어떠한 차이를 나타내는지 확인하고자 하였다. 탄소막 코팅의 경우 DI water에 첨가된 SWCNT가 코팅의 마찰 및 마모를 줄이는데 영향을 미치지 못하였음을 확인하였다.
- 본 연구에서는 DI water와 나노 입자가 기판의 종류에 따라 어떠한 윤활 효과를 보이는지 확인하고자 하였다. 이를 위하여 일반적으로 많이 사용되는 금속 기판과 탄소막 코팅을 실험 기판으로 준비하였다.
- 본 연구에서는 물 윤활과 나노 입자가 다양한 기판에 대하여 어떠한 윤활 효과를 보이는지 분석하고자 하였다. 이를 위해 다양한 나노 입자 중, SWCNT(Single Wall Carbon Nano Tube)를 선정하여 물에 첨가시켜 탄소막 코팅과 금속 소재 기판에 대하여 윤활 효과를 평가하였다.
- 본 연구에서는 여러가지 종류의 기판에 대하여 DI water와 SWCNT의 윤활 효과 비교를 위한 실험을 진 행하였으며, 다음의 결론을 얻었다.
제안 방법
- 서로 다른 기판에 따른 물과 나노 입자의 윤활효과를 확인하기 위한 실험에는 왕복운동형 마찰 시험기가 사용되었다. SWCNT가 첨가되지 않은 DI water와 SWCNT가 첨가된 DI water를 윤활제로 이용하여 탄소막 코팅과 금속 기판의 마찰 및 마모 특성을 분석하였다. 기판에 발생한 마모의 분석에는 3D 공초점 레이저 현미경을 이용하였다.
- 1 wt% SWCNT 수용액의 다양한 기판에서의 윤활 효과를 확인하였다. 그리고 고속도강과 스테인리스 스틸에 대해서는 DI water와 0.1 wt% SWCNT 수용액의 윤활 효과를 확인하였다.
- 기판과 SWCNT의 유무에 따른 DI water를 이용한 윤활 조건에서 마찰 및 마모 실험은 ball-on-plate 왕복운동형 마찰시험기를 이용하여 진행하였다. 본 연구에서 사용한 왕복운동형 마찰시험기는 윤활제와 시편을 넣을 수 있는 컨테이너가 장착되어 있으며, 컨테이너에 윤활제를 채운 상태에서 마찰 실험을 진행하였다.
- SWCNT가 첨가되지 않은 DI water와 SWCNT가 첨가된 DI water를 윤활제로 이용하여 탄소막 코팅과 금속 기판의 마찰 및 마모 특성을 분석하였다. 기판에 발생한 마모의 분석에는 3D 공초점 레이저 현미경을 이용하였다. 실험을 통해 얻은 마찰 특성과 마모 특성을 비교 분석하여 물과 나노 입자의 윤활효과가 다양한 기판에 대하여 어떻게 나타나는지 비교 하였다.
- 본 연구에서 사용한 왕복운동형 마찰시험기는 윤활제와 시편을 넣을 수 있는 컨테이너가 장착되어 있으며, 컨테이너에 윤활제를 채운 상태에서 마찰 실험을 진행하였다. 마찰계수는 마찰시험기 상단의 수직 하중 센서와 마찰력 센서를 이용하여 계산하였다. 실험 장치의 구성은 Fig.
- 코팅의 마모 특성을 파악하기 위하여, 마모가 쉽게 발생하지 않은 탄소막 코팅은 100,000사이클 동안 실험을 진행하였다. 반대로 마모가 쉽게 발생한 고속도강과 스테인리스 스틸은 5,000 사이클 동안 실험을 진행하였다. 자세한 실험 조건은 Table 1에 명시하였다.
- 기판과 SWCNT의 유무에 따른 DI water를 이용한 윤활 조건에서 마찰 및 마모 실험은 ball-on-plate 왕복운동형 마찰시험기를 이용하여 진행하였다. 본 연구에서 사용한 왕복운동형 마찰시험기는 윤활제와 시편을 넣을 수 있는 컨테이너가 장착되어 있으며, 컨테이너에 윤활제를 채운 상태에서 마찰 실험을 진행하였다. 마찰계수는 마찰시험기 상단의 수직 하중 센서와 마찰력 센서를 이용하여 계산하였다.
- 본 연구에서는 탄소막 코팅에 대하여 DI water, 0.05 wt% SWCNT 수용액 그리고 0.1 wt% SWCNT 수용액의 다양한 기판에서의 윤활 효과를 확인하였다. 그리고 고속도강과 스테인리스 스틸에 대해서는 DI water와 0.
- 서로 다른 기판에 따른 물과 나노 입자의 윤활효과를 확인하기 위한 실험에는 왕복운동형 마찰 시험기가 사용되었다. SWCNT가 첨가되지 않은 DI water와 SWCNT가 첨가된 DI water를 윤활제로 이용하여 탄소막 코팅과 금속 기판의 마찰 및 마모 특성을 분석하였다.
- 기판에 발생한 마모의 분석에는 3D 공초점 레이저 현미경을 이용하였다. 실험을 통해 얻은 마찰 특성과 마모 특성을 비교 분석하여 물과 나노 입자의 윤활효과가 다양한 기판에 대하여 어떻게 나타나는지 비교 하였다.
- 본 연구에서는 물 윤활과 나노 입자가 다양한 기판에 대하여 어떠한 윤활 효과를 보이는지 분석하고자 하였다. 이를 위해 다양한 나노 입자 중, SWCNT(Single Wall Carbon Nano Tube)를 선정하여 물에 첨가시켜 탄소막 코팅과 금속 소재 기판에 대하여 윤활 효과를 평가하였다.
- 1 wt% SWCNT 수용액에 DI water를 추가한 후 magnetic stir를 이용하여 12시간동안 섞어주었다. 이를 통해 기존 SWCNT 수용액보다 농도를 낮춘 0.05 wt% SWCNT 수용액을 제작하였다.
- 수직 하중은 10 N이 주어졌다. 코팅의 마모 특성을 파악하기 위하여, 마모가 쉽게 발생하지 않은 탄소막 코팅은 100,000사이클 동안 실험을 진행하였다. 반대로 마모가 쉽게 발생한 고속도강과 스테인리스 스틸은 5,000 사이클 동안 실험을 진행하였다.
대상 데이터
- 나노 입자는 물의 부족한 윤활성을 향상시키기 위한 목적으로 첨가되었으며, 다양한 나노 입자 중 본 연구에서는 SWCNT를 물의 윤활성을 향상시킬 나노 입자로 선정하였다. SWCNT가 0.1 wt% 첨가된 DI water용액을 ㈜나노솔루션을 통해 구매하였으며, 구매한 0.1 wt% SWCNT 수용액에 DI water를 추가한 후 magnetic stir를 이용하여 12시간동안 섞어주었다. 이를 통해 기존 SWCNT 수용액보다 농도를 낮춘 0.
- 이를 위하여 일반적으로 많이 사용되는 금속 기판과 탄소막 코팅을 실험 기판으로 준비하였다. 금속 기판으로는 물에 의해 쉽게 부식이 발생하는 고속 도강(HSS)과, 물에 대한 우수한 내식성을 갖춘 스테인 리스 스틸(SUS 304)을 준비하였다. 두 금속 모두 실제 산업에서 많이 사용되는 금속이며 우수한 기계적 특성을 갖고 있다.
- 뿐만 아니라 탄소막 코팅은 뛰어난 내식성을 갖고 있기 때문에 물 윤활 조건에서도 쉽게 부식이 되지 않으며, 저마찰 및 저마모 특성을 물 속에서도 유지한다. 본 연구에서 사용된 탄소막 코팅은 재료연구소(KIMS)를 통해 공급받았으며, 재료연구소의 FCVA(Filtered Cathodic Vacuum Arc) 장비를 이용하여 고속도강 위에 증착되었다. 탄소막 코팅은 약 600 nm 두께로 증착되었으며, 고속도강과 탄소막 코팅 사이의 결합력을 높이기 위해 Cr층이 약 300 nm 두께로 증착되었다.
- 본 연구에서는 나노 입자가 첨가되지 않은 순수 DI water와 나노 입자가 첨가된 DI water 수용액을 이용하였다. 나노 입자는 물의 부족한 윤활성을 향상시키기 위한 목적으로 첨가되었으며, 다양한 나노 입자 중 본 연구에서는 SWCNT를 물의 윤활성을 향상시킬 나노 입자로 선정하였다.
- 때문에 일반적인 금속 상대면을 사용할 경우 상대면에서만 심한 마모가 발생할 수 있었다. 본 연구의 상대면으로는 지름 5 mm의 고경도 Si3N4 세라믹 볼을 사용하였다. 수직 하중은 10 N이 주어졌다.
- 본 연구에서는 DI water와 나노 입자가 기판의 종류에 따라 어떠한 윤활 효과를 보이는지 확인하고자 하였다. 이를 위하여 일반적으로 많이 사용되는 금속 기판과 탄소막 코팅을 실험 기판으로 준비하였다. 금속 기판으로는 물에 의해 쉽게 부식이 발생하는 고속 도강(HSS)과, 물에 대한 우수한 내식성을 갖춘 스테인 리스 스틸(SUS 304)을 준비하였다.
성능/효과
- 046의 가장 낮은 마찰계수가 측정되었다. 0.05 wt% SWCNT 윤활제의 경우 탄소막 코팅의 평균 마찰계수는 0.053로 DI water보다 약 15% 증가하였고, 0.10 wt% SWCNT 윤활제의 경우 탄소막 코팅의 평균 마찰계수는 0.102로 DI water보다 약 2배 증가하였다. 탄소막 코팅은 DI water를 이용한 윤활을 통해 우수한 마찰 감소 효과를 보이지만, DI water에 SWCNT가 가 첨가될 경우 마찰 감소 효과가 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
- 437로 측정되었다. 0.1 wt%의 SWCNT 수용액을 이용한 윤활 조건에서, 고속도강의 평균 마찰계수는 0.102로 순수한 DI water조건에서의 평균 마찰계수보다 77% 감소하였다. 스테인리스 스틸의 경우, DI water를 이용한 윤활에서의 평균 마찰 계수는 0.
- 503으로 측정되었다. 0.1 wt%의 SWCNT 수용액을 이용한 윤활 조건에서, 스테인리스 스틸의 평균 마찰계수는 0.101로 순수한 DI water 조건에서의 평균 마찰계수보다 80% 감소되는 효과를 얻을 수 있었다. 단순히 SWWCNT를 DI water에 첨가시킴으로써, 평균 마찰계수가 감소할 뿐 만 아니라 마찰계수의 값이 안정적으로 측정됨을 확인하였다.
- 2. 탄소막 코팅의 경우, DI water에 첨가된 SWCNT가 코팅의 마찰 및 마모를 줄이는데 영향을 미치지 못하며 0.1 wt%의 SWCNT 수용액의 경우 마찰계수와 마모율이 약 2배 증가하였다.
- 3. 본 연구의 결과 순수한 DI water를 이용한 탄소막 코팅의 윤활에서 가장 우수한 저마찰 및 저마모 특성을 얻을 수 있었다.
- SWCNT가 첨가되지 않은 DI water를 이용한 윤활 실험에서, 고속도강의 평균 마모율은 1.05 × 10-8 mm3 / N·mm, 스테인리스 스틸의 평균 마모율은 3.62 × 10−8 mm3 /N·mm로 탄소막 코팅에 비해 높은 마모율이 측정되었다.
- 22 × 10−12 mm3 /N. mm로 SWCNT가 0.10 wt% 첨가됨에 따라 코팅의 마모율이 약 2배 증가한 것으로 나타났다. 이를 통해 저마찰, 저마모의 탄소막 코팅에 대해서, SWCNT는 마모 감소 효과를 내지 못하며, 오히려 마모를 악화시키는 것이 확인되었다.
- 이와 반대로 금속의 경우 SWCNT를 DI water에 첨가시킴으로써 마찰 및 마모 감소 효과가 극대화됨을 확인할 수 있었다. 고속도강과 스테인리스 스틸 모두 SWCNT 나노 입자가 첨가된 DI water 윤활 조건에서 마찰계수가 낮고 안정적으로 측정되었으며, 마모율도 크게 감소한 것이 확인되었다. 금속의 경우 탄소막 코팅과 다르게 순수한 DI water에서는 좋은 윤활 효과를 나타내지 못하였다.
- mm로 크게 감소한 것이 확인되었다. 금속의 DI water를 이용한 윤활 조건에서의 평균 마모율과 비교하였을 때, 금속의 경우 SWCNT 첨가를 통해 물의 윤활성이 크게 향상됨을 확인하였다. 하지만 절대적인 마모율 자체는 저마찰, 저마모의 탄소막 코팅의 모든 윤활 조건에 비해 높은 마모율을 보였다.
- 101로 순수한 DI water 조건에서의 평균 마찰계수보다 80% 감소되는 효과를 얻을 수 있었다. 단순히 SWWCNT를 DI water에 첨가시킴으로써, 평균 마찰계수가 감소할 뿐 만 아니라 마찰계수의 값이 안정적으로 측정됨을 확인하였다. 이를 통해 SWCNT가 금속 표면에서는 DI water의 윤활성을 크게 향상시키는 것을 확인할 수 있었다.
- 두 가지 금속 모두 DI water에 SWCNT를 첨가시킴으로써 마찰계수가 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- 이 결과는 탄소막 코팅의 경우, 이미 DI water 윤활 시 트라이볼로지 특성이 우수한 코팅으로, 첨가된 SWCNT가 오히려 탄소막 코팅과 물 윤활제 사이의 윤활 효과를 악화하는 역할을 하였다고 판단된다. 마찰계수의 경우, 나노 입자의 양이 증가할수록 마찰계수가 상승하는 것이 확인되었다. 하지만 마모율의 경우, SWCNT의 양이 증가하여도 마찰계수에 비해 마모가 악화되는 정도는 심하지 않았다.
- 본 연구에서 사용된 탄소막 코팅은 높은 경도는본 연구실의 나노 인덴터를 통해 측정하였으며, 약 70GPa의 고경도 코팅인 것을 확인하였다. 때문에 일반적인 금속 상대면을 사용할 경우 상대면에서만 심한 마모가 발생할 수 있었다.
- 탄소막 코팅의 경우 DI water에 첨가된 SWCNT가 코팅의 마찰 및 마모를 줄이는데 영향을 미치지 못하였음을 확인하였다. 오히려 SWCNT를 첨가시킴으로써 마찰계수와 마모율이 모두 증가하는 결과를 얻었다. 특히 첨가된 SWCNT의 양이 증가할수록 탄소막 코팅의 마찰 및 마모 특성이 악화되는 정도가 심해지는 것을 확인할 수 있었다.
- 단순히 SWWCNT를 DI water에 첨가시킴으로써, 평균 마찰계수가 감소할 뿐 만 아니라 마찰계수의 값이 안정적으로 측정됨을 확인하였다. 이를 통해 SWCNT가 금속 표면에서는 DI water의 윤활성을 크게 향상시키는 것을 확인할 수 있었다.
- 10 wt% 첨가됨에 따라 코팅의 마모율이 약 2배 증가한 것으로 나타났다. 이를 통해 저마찰, 저마모의 탄소막 코팅에 대해서, SWCNT는 마모 감소 효과를 내지 못하며, 오히려 마모를 악화시키는 것이 확인되었다. Fig.
- 이와 반대로 금속의 경우 SWCNT를 DI water에 첨가시킴으로써 마찰 및 마모 감소 효과가 극대화됨을 확인할 수 있었다. 고속도강과 스테인리스 스틸 모두 SWCNT 나노 입자가 첨가된 DI water 윤활 조건에서 마찰계수가 낮고 안정적으로 측정되었으며, 마모율도 크게 감소한 것이 확인되었다.
- 102로 DI water보다 약 2배 증가하였다. 탄소막 코팅은 DI water를 이용한 윤활을 통해 우수한 마찰 감소 효과를 보이지만, DI water에 SWCNT가 가 첨가될 경우 마찰 감소 효과가 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 DI water와 SWCNT가 첨가된 DI water를 이용한 윤활 조건에서 금속과 탄소막 기판의 마찰 및 마모 특성이 어떠한 차이를 나타내는지 확인하고자 하였다. 탄소막 코팅의 경우 DI water에 첨가된 SWCNT가 코팅의 마찰 및 마모를 줄이는데 영향을 미치지 못하였음을 확인하였다. 오히려 SWCNT를 첨가시킴으로써 마찰계수와 마모율이 모두 증가하는 결과를 얻었다.
- 오히려 SWCNT를 첨가시킴으로써 마찰계수와 마모율이 모두 증가하는 결과를 얻었다. 특히 첨가된 SWCNT의 양이 증가할수록 탄소막 코팅의 마찰 및 마모 특성이 악화되는 정도가 심해지는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과는 탄소막 코팅의 경우, 이미 DI water 윤활 시 트라이볼로지 특성이 우수한 코팅으로, 첨가된 SWCNT가 오히려 탄소막 코팅과 물 윤활제 사이의 윤활 효과를 악화하는 역할을 하였다고 판단된다.
- 하지만 0.10 wt% SWCNT 수용액에서의 평균 마모율을 측정한 결과, 고속도강의 평균 마모율은 7.49 × 10−10 mm3 /N.mm, 스테인리스 스틸의 평균 마모율은 4.82 × 10−9 mm3 /N.mm로 크게 감소한 것이 확인되었다.
- 금속의 경우 탄소막 코팅과 다르게 순수한 DI water에서는 좋은 윤활 효과를 나타내지 못하였다. 하지만 SWCNT가 DI water에 첨가됨으로써 윤활 효과가 급격히 향상되는 것을 확인 할 수 있었다. 하지만 향상된 윤활 효과로 인해 측정 된 금속의 마찰계수와 마모율은 탄소막 코팅의 마찰계 수와 마모율에 비교하여 높은 값을 나타냈으며, 이로 인해 SWCNT가 없는 순수한 DI water를 윤활제로 이용한 탄소막 코팅에서 가장 우수한 마찰 및 마모 특성이 나타남을 확인하였다.
- 하지만 SWCNT가 DI water에 첨가됨으로써 윤활 효과가 급격히 향상되는 것을 확인 할 수 있었다. 하지만 향상된 윤활 효과로 인해 측정 된 금속의 마찰계수와 마모율은 탄소막 코팅의 마찰계 수와 마모율에 비교하여 높은 값을 나타냈으며, 이로 인해 SWCNT가 없는 순수한 DI water를 윤활제로 이용한 탄소막 코팅에서 가장 우수한 마찰 및 마모 특성이 나타남을 확인하였다.
후속연구
- 본 연구를 통해 얻은 결과는 금속과 탄소막 코팅을 이용한 친환경 물 윤활과 관련된 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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