선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 다양한 첨가제의 마찰 및 마모저감 메커니즘 및 트라이볼로지적 특성 향상에 관한 많은 연구가 진행되었음에도 불구하고, 여전히 윤활특성의 개선에 대한 지속적인 요구가 제기되고 있으므로, 본 연구에서는 나노미터 스케일의 첨가제를 활용할 경우 나타나는 윤활 특성의 변화를 마찰 및 마모관점에서 알아보고자 하였다. 서로 다른 기계적 특징을 지닌 탄소나노튜브와 알루미나 입자를 첨가제로 활용할 경우 시간에 따른 마찰계수가 및 마모체적의 변화를 마찰시험기를 이용하여 측정하고 비교, 분석하였다.
- 뿐만 아니라 알루미나를 과도하게 첨가할 경우 연삭마모에 대한 우려가 있으므로 비교적 적은 양의 첨가제 사용이 요구된다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 기존 연구와 비교하여 상대적으로 작은 비율인 0.015 wt%를 첨가제 투입 비율로 선정하여 실험하고자 하였다.
- 시편 (플래터)은 사진 우측의 시편홀더에 장착되고 접시형태의 시편홀더에 윤활유를 20 ml 만큼 채운 뒤 시험하였다. 모든 시험에 대해 동일하게 4.9 N의 수직하중을 인가하였고, 매 시험마다 지르코니아 볼을 교체하여 볼 표면의 상태변화에 의한 영향을 배제하고자 하였다.
- 본 실험에서는 CNT와 알루미나를 윤활 첨가제로 사용하였을 때 마찰계수와 마모량의 변화에 대하여 실험적으로 규명하고자 하였다.
제안 방법
- 오차범위가 비교적 크게 나타나지만 각 조건당 15회이상 다수의 시험을 통하여 얻어진 통계라는 점을 고려하면, 데이터의 집단적 분포 측면에서 첨가제에 의한 마모율 저감이 발생하였다고 판단할 수 있다. 그러나 각 조건에 따른 마모율의 변화가 크지 않으므로 마모율 저감 수준에 대한 보다 명확한 이해를 위하여 각조건에서 도출된 마모율의 평균값을 정량적으로 비교하였다. 다음의 Table 2는 첨가제를 적용하지 않은 윤활유를 사용하여 시험하였을 때 나타난 마모율을 100%로 기준삼아 첨가제를 사용한 경우의 마모율을 나타낸 것이다.
- 윤활유를 사용하더라도 장시간 마찰이 일어날 경우 표면에 마모가 발생하는 것은 필연적이다. 따라서 마찰시험을 2시간 동안 수행한 뒤 플래터 표면에 발생한 마모량이 첨가제의 종류에 따라 어떻게 변화하는지 측정하였다. 마모량을 정량적으로 획득하기 위하여 레이저 주사 공초점 현미경을 이용하였으며, 약 20~30포인트를 측정한 결과를 평균내어 사용하였다.
- 마모량을 비교하기 위하여 마모흔적 위의 20~30 지점을 선정하여 단면 형상을 추출한 뒤, 마모면적을 측정하였다. 그리고 이렇게 측정된 마모면적을 토대로 마모율을 계산한 결과, Fig.
- 마모량을 정량적으로 획득하기 위하여 레이저 주사 공초점 현미경을 이용하였으며, 약 20~30포인트를 측정한 결과를 평균내어 사용하였다. 마모량을 정확하게 측정하기 위하여 플래터 표면을 아세톤과 에탄올, 그리고 증류수를 차례로 이용하여 장시간 세척함으로써 표면의 잔존물을 제거하였다.
- 실험과정에서 실내온도는 19~21 °C, 습도는 30~40% 이내로 유지하여 온도 및 습도 변화에 의한 영향을 최소화하였으며, 충분한 마모량을 발생시키기 위하여 실험시간은 각 실험당 2시간으로 설정하였다. 마찰력은 하프브리지(half-bridge) 구성을 갖는 로드셀과 데이터수집장치(NI-9237, National Instruments, USA)를 이용하여 측정하였다.
- 마찰시험의 회전속도 조건을 선정하기 위하여 CNT 혹은 알루미나가 첨가되지 않은 윤활유를 이용하여 속도에 대한 마찰특성을 획득하였다. 속도를 200 rpm에서 약 3000 rpm까지 달리하여 마찰시험을 수행하였을때, 다음의 Fig.
- 마찰계수와 그래프의 형태를 미루어 볼 때 대략 500 rpm 이하에서는 경계윤활, 500에서 1500 rpm 구간을 혼합윤활, 그리고 1500 rpm 이상의 고속조건에서는 유체윤활 상태라고 판단할 수 있다[21]. 본 실험에서는 첨가제의 효과를 명확하게 규명하기 위하여 충분한 하중 지지력이 나타나는 유체윤활 구간보다는 혼합윤활 혹은 경계윤활상태를 활용하는 것이 적합하다고 판단하였으므로, 경계윤활구간에 해당하는 400 rpm(1.34 m/s)과 혼합윤활구간에 해당되는 700 rpm (2.35 m/s)을 실험속도조건으로 선정하였다.
- 마찰시험이 종료된 후에는 첨가제의 종류에 무관하게 육안으로 마모흔적이 확인되었으며, 광학현미경으로 관찰한 결과를 살펴보면 알루미나를 첨가한 경우의 표면이 가장 뚜렷한 마모흔적을 나타내었다. 상대적으로 CNT를 첨가한 경우 광학 현미경 사진상의 마모흔적이 가장 적게 나타나는 것으로 판단되나, 실제 마모량을 정량적으로 비교하기 위해서 세가지 경우 마모흔적의 형상을 3D이미지로 획득하였다.
- 다양한 첨가제의 마찰 및 마모저감 메커니즘 및 트라이볼로지적 특성 향상에 관한 많은 연구가 진행되었음에도 불구하고, 여전히 윤활특성의 개선에 대한 지속적인 요구가 제기되고 있으므로, 본 연구에서는 나노미터 스케일의 첨가제를 활용할 경우 나타나는 윤활 특성의 변화를 마찰 및 마모관점에서 알아보고자 하였다. 서로 다른 기계적 특징을 지닌 탄소나노튜브와 알루미나 입자를 첨가제로 활용할 경우 시간에 따른 마찰계수가 및 마모체적의 변화를 마찰시험기를 이용하여 측정하고 비교, 분석하였다.
- 앞서 언급한 바와 같이 2종의 첨가제를 섞은 윤활유와 아무 첨가제도 포함하지 않은 윤활유에 대해서 두가지 속도조건을 적용하여 마찰시험을 수행하였다. 시험결과의 신뢰성을 위하여 각 조건 당 15~20회의 시험을 수행하고 그 결과를 종합적으로 분석하였다. 다음의 Fig.
- 실험과정에서 실내온도는 19~21 °C, 습도는 30~40% 이내로 유지하여 온도 및 습도 변화에 의한 영향을 최소화하였으며, 충분한 마모량을 발생시키기 위하여 실험시간은 각 실험당 2시간으로 설정하였다.
- 앞서 언급한 바와 같이 2종의 첨가제를 섞은 윤활유와 아무 첨가제도 포함하지 않은 윤활유에 대해서 두가지 속도조건을 적용하여 마찰시험을 수행하였다. 시험결과의 신뢰성을 위하여 각 조건 당 15~20회의 시험을 수행하고 그 결과를 종합적으로 분석하였다.
- 윤활유의 첨가제를 포함하였을 경우 점도가 크게 변화한다면, 윤활유의 트라이볼로지적 특성 변화가 첨가 제의 거동에 의한 것이 아닌 점도변화에 기인하는 결과가 되므로 이와 같은 상황을 명확하게 구분하기 위하여 첨가제를 포함하기 전 후의 절대점도를 점도계를 이용하여 측정하였다. 그 결과 23 °C 기준으로 첨가제를 포함하지 않은 경우의 절대점도는 약 170 mPa·s, 그리고 첨가제를 포함한 경우의 절대 점도는 160 mPa·s 로 확인되었다.
- 윤활특성 시험을 위해서 본 연구에서는 Fig. 2에 나타나는 것과 같이, 자체 제작한 pin-on-disk 형식의 마찰 시험기를 활용하였다. 시편 (플래터)은 사진 우측의 시편홀더에 장착되고 접시형태의 시편홀더에 윤활유를 20 ml 만큼 채운 뒤 시험하였다.
- 이와 같은 방법으로 나머지 첨가제가 포함된 윤활유에 대해서 시험을 수행하였으며, 다수의 시험을 통해획득된 데이터는 통계적인 처리를 통하여 분석하였다. Fig.
- 해당 윤활유는 다급점도유로서, 점도지수 향상제등을 포함하여 단급점도유에 비해 상대적으로 온도 변화에 따른 점도의 차이가 크지 않다는 특징을 가지고 있다[14]. 장시간 시험중 발생하는 마찰열 및 환경적 온도변화에 대한 민감성을 최소화 하기 위하여 단급점도유가 아닌 다급점도유를 선정하였다.
- 첨가제를 윤활유에 투입한 뒤 장시간 기계적으로 저어주는 한편, 초음파를 이용하여 고르게 혼합시키는 과정을 거쳐 윤활시험에 적용하였다. 혼합상태를 확인하기 위하여 이렇게 섞인 윤활유를 상온에서 2~3일간 두어 침전물이 생기는지 육안상으로 관찰하였으며, 초기 상태와 비교하여 거의 변화가 없음을 확인하였다.
- 첨가제의 영향을 명확하게 확인하기 위하여 첨가제가 없는 윤활유를 사용하는 경우의 평균 마찰계수를 100%로 기준 삼아 첨가제를 활용하는 경우의 마찰계 수와 정량적으로 비교하였다. 그 결과 Table 1에 나타난 것과 같이 회전속도에 따라 첨가제의 영향이 다르게 나타남을 확인할 수 있었다.
- 첨가제를 윤활유에 투입한 뒤 장시간 기계적으로 저어주는 한편, 초음파를 이용하여 고르게 혼합시키는 과정을 거쳐 윤활시험에 적용하였다. 혼합상태를 확인하기 위하여 이렇게 섞인 윤활유를 상온에서 2~3일간 두어 침전물이 생기는지 육안상으로 관찰하였으며, 초기 상태와 비교하여 거의 변화가 없음을 확인하였다. 뿐만 아니라 첨가제를 넣은 윤활유의 경우 혼합공정 후에 일정 시간 상온에 방치시킨 뒤, 윤활시험에 적용하였는데, 이는 기계적 혼합과정에서 발생하는 열을 식히고 극소량의 침전입자를 제거하여 첨가제의 균일한 분산상태를 확보하기 위함이다.
대상 데이터
- 나노미터 크기의 첨가제로는 탄소나노튜브와 알루미나 입자를 활용하였다. 다층벽 탄소나노튜브(MWCNT) 분산액과 100~500 nm 크기의 알루미나 입자를 각각 2.
- 마찰시험의 대상이 되는 시험편으로는 DLC코팅이 된 알루미늄 소재의 하드디스크 플래터를 이용하였다. 하드디스크 플래터는 매우 우수한 표면정도를 가지고 있으며 동일한 종류의 플래터를 사용할 경우 균일한 구성성분과 표면상태를 보장할 수 있으므로 신뢰성 있는 윤활시험 대상으로 적당하다고 판단하였다.
- 하드디스크 플래터는 매우 우수한 표면정도를 가지고 있으며 동일한 종류의 플래터를 사용할 경우 균일한 구성성분과 표면상태를 보장할 수 있으므로 신뢰성 있는 윤활시험 대상으로 적당하다고 판단하였다. 하드디스크 플래터와 접촉할 상대소재로는 지름 5 mm의 지르코니아 볼을 선정하였다.
데이터처리
- 따라서 마찰시험을 2시간 동안 수행한 뒤 플래터 표면에 발생한 마모량이 첨가제의 종류에 따라 어떻게 변화하는지 측정하였다. 마모량을 정량적으로 획득하기 위하여 레이저 주사 공초점 현미경을 이용하였으며, 약 20~30포인트를 측정한 결과를 평균내어 사용하였다. 마모량을 정확하게 측정하기 위하여 플래터 표면을 아세톤과 에탄올, 그리고 증류수를 차례로 이용하여 장시간 세척함으로써 표면의 잔존물을 제거하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 상용 윤활유(SAE10W40)를 활용하여 윤활시험을 수행하였다. 해당 윤활유는 다급점도유로서, 점도지수 향상제등을 포함하여 단급점도유에 비해 상대적으로 온도 변화에 따른 점도의 차이가 크지 않다는 특징을 가지고 있다[14].
성능/효과
- 알루미나의 경우 Fig. 1(c)에 드러나는 것과 같이 50~500 nm 정도의 다양한 크기를 갖는다는 사실을 알 수 있으며 형태 또한 일정하지 않음을 확인할 수 있었다.
- 1. 첨가제를 사용하지 않았을 경우의 마찰계수와 비교하여 CNT와 알루미나를 첨가하는 두 가지 경우 모두 마찰 계수가 줄어드는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라 마모흔적의 단면적을 기준으로 마모량을 비교하였을 때 첨가제를 넣은 경우가 첨가제를 넣지 않은 경우에 비하여 마모흔적의 단면적 및 마모율이 감소하는 것을 확인하였다.
- 2. 첨가제의 마찰저감 효과는 상대적으로 저속구간에서 두드러지게 나타났으며 고속조건에서는 충분한 두께의 윤활막이 형성됨에 따라 첨가제의 영향이 상대적으로 적게 나타난 것으로 판단되었다.
- 3. 알루미나 입자의 경우 구형이 아니더라도 마모저감효과를 획득할 수 있음이 확인되었다. 고속조건에서 알루미나 입자를 첨가할 경우 마모량이 크게 저감되는결과를 미루어 볼 때, 저속에서는 불균일한 알루미나 입자의 크기와 형태로 인하여 표면 연삭현상이 일어나 마모량 저감에 부정적 영향을 미쳤다고 추정할 수 있다.
- 4. 탄소나노튜브를 사용한 경우에는 마찰 및 마모 저감이 되는 한편, 마모면의 표면정도가 우수하며 이는 표면에 비정질 탄소필름이 형성되어 자기윤활 특성을 제공하였기 때문으로 추정된다.
- 뿐만 아니라 첨가제의 유무 및 종류에 따라서도 마찰계수에 변화가 있음을 알 수 있는데, CNT 및알루미나 입자를 첨가할 경우 모두 첨가제가 없는 윤활유에 비하여 마찰계수가 감소함을 확인하였다. 각 조건에서 얻어진 데이터로 그려진 박스의 크기를 살펴보면, 첨가제를 포함시킬 때 평균값의 감소와 더불어 박스의 전체적인 위치가 낮은 쪽으로 조정되는 현상을 확인할 수 있다. 각 조건 당 15회 이상의 시험을 통하여 얻어진 데이터인 만큼 이는 데이터의 오차가 다소 크더라도 첨가제에 의한 마찰계수 감소경향이 있음을 나타내는 지표라고 판단할 수 있다.
- 그 결과 23 °C 기준으로 첨가제를 포함하지 않은 경우의 절대점도는 약 170 mPa·s, 그리고 첨가제를 포함한 경우의 절대 점도는 160 mPa·s 로 확인되었다.
- 그림의 좌측은 표면형상의 3D 이미지이며 우측은 광학현미경 사진을 나타낸다. 마찰시험이 종료된 후에는 첨가제의 종류에 무관하게 육안으로 마모흔적이 확인되었으며, 광학현미경으로 관찰한 결과를 살펴보면 알루미나를 첨가한 경우의 표면이 가장 뚜렷한 마모흔적을 나타내었다. 상대적으로 CNT를 첨가한 경우 광학 현미경 사진상의 마모흔적이 가장 적게 나타나는 것으로 판단되나, 실제 마모량을 정량적으로 비교하기 위해서 세가지 경우 마모흔적의 형상을 3D이미지로 획득하였다.
- 첨가제를 사용하지 않았을 경우의 마찰계수와 비교하여 CNT와 알루미나를 첨가하는 두 가지 경우 모두 마찰 계수가 줄어드는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라 마모흔적의 단면적을 기준으로 마모량을 비교하였을 때 첨가제를 넣은 경우가 첨가제를 넣지 않은 경우에 비하여 마모흔적의 단면적 및 마모율이 감소하는 것을 확인하였다.
- 윤활유의 종류와 무관하게 속도가 400에서 700 rpm으로 증가할 경우, 마찰계수가 감소함을 확인할 수있었다. 뿐만 아니라 첨가제의 유무 및 종류에 따라서도 마찰계수에 변화가 있음을 알 수 있는데, CNT 및알루미나 입자를 첨가할 경우 모두 첨가제가 없는 윤활유에 비하여 마찰계수가 감소함을 확인하였다. 각 조건에서 얻어진 데이터로 그려진 박스의 크기를 살펴보면, 첨가제를 포함시킬 때 평균값의 감소와 더불어 박스의 전체적인 위치가 낮은 쪽으로 조정되는 현상을 확인할 수 있다.
- 윤활유의 종류와 무관하게 속도가 400에서 700 rpm으로 증가할 경우, 마찰계수가 감소함을 확인할 수있었다. 뿐만 아니라 첨가제의 유무 및 종류에 따라서도 마찰계수에 변화가 있음을 알 수 있는데, CNT 및알루미나 입자를 첨가할 경우 모두 첨가제가 없는 윤활유에 비하여 마찰계수가 감소함을 확인하였다.
- 그 결과 Table 1에 나타난 것과 같이 회전속도에 따라 첨가제의 영향이 다르게 나타남을 확인할 수 있었다. 첨가제가 포함되지 않은 윤활유를 사용할 경우의 마찰계수를 100% 라고 간주할 경우, 회전속도조건이 400 rpm일 때 CNT를 첨가한 경우가 약 83%, 그리고 알루미나를 첨가한 경우가 약 74%로 저감됨을 알 수 있으며 700 rpm 조건 에서 시험하였을 때, CNT를 첨가한 경우 약 98%, 알루미나를 첨가한 경우에는 81%로 두 첨가제 모두 마찰력을 저감하는 효과가 있음이 확인되었다. 그러나, 비교적 저속인 400 rpm에서 마찰저감 효과가 뚜렷한것에 비하여 고속인 700 rpm에서는 상대적으로 마찰 계수의 감소 정도가 크지 않은데, 이는 속도 증가에 따라 윤활막의 두께가 증가함에 따라 두 접촉면이 저속에서보다 상대적으로 더 분리되어 첨가제의 영향이줄어들었다고 판단할 수 있다.
- 마찰시험의 대상이 되는 시험편으로는 DLC코팅이 된 알루미늄 소재의 하드디스크 플래터를 이용하였다. 하드디스크 플래터는 매우 우수한 표면정도를 가지고 있으며 동일한 종류의 플래터를 사용할 경우 균일한 구성성분과 표면상태를 보장할 수 있으므로 신뢰성 있는 윤활시험 대상으로 적당하다고 판단하였다. 하드디스크 플래터와 접촉할 상대소재로는 지름 5 mm의 지르코니아 볼을 선정하였다.
후속연구
- 이러한 실험 결과를 토대로 서로 다른 특성을 갖는첨가제를 이용하여 윤활특성을 향상시키고자 할 때, 각기 다른 첨가제의 특징에 대한 이해를 제고할 수 있을 것으로 기대된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.