[논문]표면막과 표면거칠기가 접촉 저항에 미치는 영향

이현철; 이보라; 유용훈; 조용주

doi:10.9725/kts.2019.35.1.16

표면막과 표면거칠기가 접촉 저항에 미치는 영향
Effect of Surface Film and Surface Roughness on Contact Resistance 원문보기

한국윤활학회지 = Tribology and lubricants, v.35 no.1, 2019년, pp.16 - 23

이현철 (부산대학교 기계공학부) , 이보라 (부산대학교 기계공학부) , 유용훈 (부산대학교 기계공학부) , 조용주 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we aim to analyze the effects of both contact layer properties and surface roughness on contact resistance. The contact has a great influence on performance in terms of electrical conduction and heat transfer. The two biggest factors determining contact resistance are the presence of surface roughness and the surface layer. For this reason we calculated the contact resistance by considering both factors simultaneously. The model of this study to calculate contact resistance is as follows. First, the three representative surface parameters for the GW model are obtained by Nayak's random process. Then, the apparent contact area, real contact area, and contact number of asperities are calculated using the GW model with the surface parameters. The contact resistance of a single surface layer is calculated using Mikic's constriction equation. The total contact resistance is approximated by the parallel connection between the same asperity contact resistances. The results of this study are as follows. The appropriate thickness with reduction effect for contact resistance is determined according to the difference in conductivity between the base layer and surface layer. It was confirmed that the standard deviation of surface roughness has the greatest influence on surface roughness parameters. The results of this study will be useful for selecting the surface material and surface roughness when the design considering the contact resistance is needed.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Real contact area and Apparent contact area.
그림 Fig. 2. Contact between a rigid smooth surface and a randomly rough elastic surface in (a) a real case and (b) a simplified model (GW model).
그림 Fig. 3. Contact resistance (a) Apprent contact (b) randomly distributed real contact resistance (c) Uniform distributed contact resistance model.
그림 Fig. 4. Contact resistance a single plated contact model.
그림 Fig. 5. Roughness analysis result of contact surface.
그림 Fig. 6. Contact resistance with film thickness variation.
표 Table 1. Material conductivity [W/K] [10]
그림 Fig. 7. Schematic hothetical intermediate radius versus Conductivity.
그림 Fig. 8. Contact resistance with pressure variation.
그림 Fig. 9. Contact resistance with surface parameter variation.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 표면막과 표면 거칠기가 접촉 저항에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고자 하였다. 우선 GWH 델에 적용하기 위한 표면 특성들을 실제 표면 프로파일로부터 Nayak의 랜덤 프로세서 방법을 활용하여 획득하였다.
본 연구에서는 표면막과 표면거칠기가 접촉 저항에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다.

가설 설정

이때 거친 표면은 Fig. 2(b)와 같이 다시 한번 동일한 곡률반경 r을 가지고 총 N개의 첩촉 돌기 수를 가지는 구형 돌기들로 구성된 탄성면과 경한 평판의 접촉으로 가정하게 된다. 여기서 돌기의 높이 분포는 정규분포로 가정한다.
평균 돌기 반경의 계산 식은 (2)와 같다. GW모델은 접촉하는 모든 돌기들은 모두 같은 곡률 반경을 가진다고 가정한다. 거친 평판에서 평균 돌기 반경 r을 가진 다수 돌기가 무작위로 분포되어 있다.
본 연구에서는 돌기 사이에 형성된 갭에서 열 또는 전류의 흐름이 없으며, 수축에 의한 흐름은 다른 접촉지점의 영향을 받지 않는다고 가정한다. 또한 돌기 자체의 저항은 수축저항에 비해 무시할 수 있는 수준이므로 접촉면에서 발생하는 접촉저항은 수축저항만 고려하였다.
2(b)와 같이 다시 한번 동일한 곡률반경 r을 가지고 총 N개의 첩촉 돌기 수를 가지는 구형 돌기들로 구성된 탄성면과 경한 평판의 접촉으로 가정하게 된다. 여기서 돌기의 높이 분포는 정규분포로 가정한다.
3(c)와 같이 일정한 두께 의 표면막으로 덮혀있고 동일한 곡률반경 r을 가진 구형 돌기들과 매끈한 평판의 접촉으로 상당했다. 여기서 두께는 두 표면막의 평균 두께로 가정하였다. 불규칙한 돌기 접촉은 돌기의 평균 접촉반경 a와 열 또는 전류의 평균흐름반경 b가 일정한 흐름 다발로 등가되었다.

제안 방법

Fig. 3(c)와 같이 거친 표면의 기층 위에 얇고 균일한 두께의 표면막이 형성되어 있고 2 MPa의 압력이 가해질 때 접촉저항을 계산하고 그 특성을 분석하였다. 접촉저항 계산에 앞서, 기층의 표면거칠기를 고려하기 위해 표면조도 측정기로 실제 표면을 측정하여 Fig.
수행되었다. 거친 표면은 균일하게 분포된 동일한 돌기 저항의 병렬연결로 근사하여 접촉 저항 계산에 고려하였다. 각 단일 돌기에서의 접촉 저항은 표면막을 고려한 Micky의 모델을 사용하였다.
각 단일 돌기에서의 접촉 저항은 표면막을 고려한 Micky의 모델을 사용하였다. 기층의 재질은 철으로 설정하고, 기층보다 높은 전도도를 가지는 니켈, 알루미늄, 은, 금의 4가지 표면막에 대해서 해석을 수행하였다. 해석을 통해 도출한 결과는 다음과 같다.
우선 GWH 델에 적용하기 위한 표면 특성들을 실제 표면 프로파일로부터 Nayak의 랜덤 프로세서 방법을 활용하여 획득하였다. 이 표면 특성들을 가지고 GW모델을 이용하여 겉보기 접촉면적과 실제 접촉면적, 접촉 수를 계산하였다. 전체 접촉 저항은 GW모델에서 계산된 돌기 분포들을다시 한번 동일한 돌기 저항들의 병렬 연결으로 근사하였다.
이 표면 특성들을 가지고 GW모델을 이용하여 겉보기 접촉면적과 실제 접촉면적, 접촉 수를 계산하였다. 전체 접촉 저항은 GW모델에서 계산된 돌기 분포들을다시 한번 동일한 돌기 저항들의 병렬 연결으로 근사하였다. 그리고 단일 표면막의 접촉 저항은 Mikic모델 식을 이용하였다.
그리고 단일 표면막의 접촉 저항은 Mikic모델 식을 이용하였다. 전체 접촉 저항을 계산하여 압력, 표면 막의 두께, 기층과 표면막의 전도도 차이 및 표면 거칠기 특성별로 접촉 저항에 미치는 영향을 평가하였다.

대상 데이터

6에 도시하였다. 이때 기층은 열전도도가 47 W/ mK인 EN₃B steel이고, 표면막은 열전도도가 약 50~ 360 W/mK 범위인 5가지] 재질(철, 니켈, 알루미늄, 은, 금)을 선정하였다. 각 재질에 대한 열전도도는 Table 1 에 표기하였다.

이론/모형

거친 표면은 균일하게 분포된 동일한 돌기 저항의 병렬연결로 근사하여 접촉 저항 계산에 고려하였다. 각 단일 돌기에서의 접촉 저항은 표면막을 고려한 Micky의 모델을 사용하였다. 기층의 재질은 철으로 설정하고, 기층보다 높은 전도도를 가지는 니켈, 알루미늄, 은, 금의 4가지 표면막에 대해서 해석을 수행하였다.
거친 표면 접촉문제를 다루는 Greenwood-williamson 모델을 본 연구에서는 활용하였다. 표면이 거친 두 표면의 접촉을 Fig.
전체 접촉 저항은 GW모델에서 계산된 돌기 분포들을다시 한번 동일한 돌기 저항들의 병렬 연결으로 근사하였다. 그리고 단일 표면막의 접촉 저항은 Mikic모델 식을 이용하였다. 전체 접촉 저항을 계산하여 압력, 표면 막의 두께, 기층과 표면막의 전도도 차이 및 표면 거칠기 특성별로 접촉 저항에 미치는 영향을 평가하였다.
돌기 접촉 저항 R을 구해야 한다. 단일 돌기 접촉저항 모델은 Mikic(1970)가 제안한 모델을 참고하였다. Fig.
본 연구에서는 거친 표면의 특성을 분석하기 위해서 랜덤 프로세서 이론을 바탕으로 2차원의 등방성 정규분포 특성을 가지는 거친 표면을 모델링한 Nayak의 연구 결과를 이용하였다. GW모델을 이용하여 접촉해석에 필요한 표면의 세가지 특성인 돌기 높이 분포의 표준편차 6, 평균 돌기 반경 r, 돌기의 공간 밀도 η 다음과 같이 계산되어진다.
영향을 정량적으로 분석하고자 하였다. 우선 GWH 델에 적용하기 위한 표면 특성들을 실제 표면 프로파일로부터 Nayak의 랜덤 프로세서 방법을 활용하여 획득하였다. 이 표면 특성들을 가지고 GW모델을 이용하여 겉보기 접촉면적과 실제 접촉면적, 접촉 수를 계산하였다.
표면거칠기를 고려한 두 물체의 접촉 해석은 Nayak 의 거친 표면의 랜덤 프로세서를 기초로 표면 파라미터값을 도출하고, 이를 GW모델에 대입함으로 수행되었다. 거친 표면은 균일하게 분포된 동일한 돌기 저항의 병렬연결로 근사하여 접촉 저항 계산에 고려하였다.

성능/효과

η가커지거나 S와 R이 작아질 때, 접촉 저항은 감소하였다. η와 S에 대해서는 표면이 매끄러울수록 접촉 저항이 감소한다는 직관적인 예측에 부합하는 결과를 얻었다. 라지만 R에 대해서는 그 값이 감소하면 표면이 거칠어짐에도 불구하고 저항이 감소하였다.
순으로 낮아졌다. 각 재질로 10 um의 표면 막을 형성했을 때, 금은 니켈보다 접촉저항이 약 23% 더 감소하였다. 이는 각 재질의 열전도도 순서를 통해 예상할 수 있듯, 표면막의 전도도가 클수록 총 수축 저항이 감소한 것이다.
표면 거칠기 특성 중에서는 σ_a가 접촉 저항에 가장 큰 영향을 미침을 확인하였다.

후속연구

향후 본 연구는 접촉 저항을 고려한 설계가 필요할 때, 표면막의 재질과 표면 거칠기를 선정하는데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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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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