[논문]은 박막이 코팅된 표면에서 물질전이층의 형성 및 그 트라이볼로지적 역할에 관한 연구

양승호; 공호성; 윤의성; 김대은

문제 정의

본 연구에서는 이러한 연구 영역을 넘어 코팅층의 파손 이후까지를 연구의 영역으로 다루고자 하였다. 또한 이를 통하여 인체의 자체치유(self-healing) 현상과 같이 마찰에 참가하는 코팅재에서도 이와 유사한 현상이 발생되는데 물질전이 현상이 바로 그것이며 코팅층이 파손된 이후에도 코팅층이 하던 보호층의 역할이 물질전이층에 의하여 수행될 수 있음을 밝히고자 한다.
하였다. 또한 이를 통하여 인체의 자체치유(self-healing) 현상과 같이 마찰에 참가하는 코팅재에서도 이와 유사한 현상이 발생되는데 물질전이 현상이 바로 그것이며 코팅층이 파손된 이후에도 코팅층이 하던 보호층의 역할이 물질전이층에 의하여 수행될 수 있음을 밝히고자 한다. 본 논문에서 주장하고자 하는 또 하나의 중요한 점은 이러한 물질전이층이 언제나 발생하는 것은 아니며 작동 조건에 따라 코팅층 파손 이후 물질전이층이 발생할 수도 있고 반대로 발생하지 않을 수도 있다는 것이다.
또한 이를 통하여 인체의 자체치유(self-healing) 현상과 같이 마찰에 참가하는 코팅재에서도 이와 유사한 현상이 발생되는데 물질전이 현상이 바로 그것이며 코팅층이 파손된 이후에도 코팅층이 하던 보호층의 역할이 물질전이층에 의하여 수행될 수 있음을 밝히고자 한다. 본 논문에서 주장하고자 하는 또 하나의 중요한 점은 이러한 물질전이층이 언제나 발생하는 것은 아니며 작동 조건에 따라 코팅층 파손 이후 물질전이층이 발생할 수도 있고 반대로 발생하지 않을 수도 있다는 것이다.
따라서 본 논문에서는 다양한 조건에서 물질 전이 층의 발생을 고찰하였으며 이를 접촉압력과 속도라는 하나의 틀(framework) 안에서 정리하고자 하였다.

제안 방법

본 논문에서는 AISI 52100 디스크 시편의 표면에 경사기능형 박막증착법[20]을 사용하여 순수한 은(silver)을 코팅한 후 일방향 마찰 시 나타나는 마찰계수를 측정하였고, 실험 후 접촉 표면을 분석하기 위하여 광학 현미경분석 및 EPMA(electron probe micro analyser)를 사용하여 분석을 시행하였으며 시편 볼과 디스크의 마모량을 Archard의 마모계수[16]를 사용하여 분석하였다.
본 실험에서는 추에 의한 하중 부과 방식을 사용하였으며 윤활유를 완전히 제거한 조건에서 정속(20 mm/sec), 건식 마찰 실험을 실시하였다.
이때 시편 디스크는 코팅전에 n-hexane을 사용하여 2분간 초음파 세척한 후 진공도 5x10^-5 torr에서 1.5 keV로 가속된 Ar+ 이온을 시편 디스크의 표면에 2분간 조사하여 표면을 cleaning하였다. Cleaning후 이온빔처리층은 9x10* torr에서 1.
5 keV로 가속된 Ar+ 이온을 시편 디스크의 표면에 2분간 조사하여 표면을 cleaning하였다. Cleaning후 이온빔처리층은 9x10* torr에서 1.5 keV로 가속된 Ar+ 이온을 시편 디스크의 표면에 조사하면서 순도 99.99%의 은 0.1 g을 가열증발시켜 실시하였으며 시편디스크의 표면에 은과 강 (steel)의 원자 혼합층 형성 후 약 80 nm의 은 박막층을 형성시켜 이후의 은 가열증발증착 시 seed layer로 활용하였다. 원자 혼합층을 형성시킨 후 그 위에 2 Jim 두께의 은 박막층을 가열증발증착법만을 사용하여 원자흔합층위에 증착시켜 실험에 사용하였다.
시편은 증착 전 및 증착 후 헥산(hexane)을 사용하여 초음파 세척한 후 질소가스로 세척하였으며 최종적으로 실험장치에 장착 후 진공분위기 (4x10-5 torr)에서 5분간 유지하여 최종 세척한 후 Table 1과 같이 실험조건을 조절하여 실험하였다.
접촉압력이 마찰과 마모에 미치는 영향을 알아보기 위하여 일정 실험속도 (20 mm/sec), 여러 가지 수직하중조건하에서 실험을 실시하였으며 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 이로부터 알 수 있듯이 접촉압력이 300 MPa 이하일 경우 은 코팅층의 파손이 나타나지 않았으며 시편볼에서도 경마멸(mild wear)이 나타난 것을 알 수 있었다.
코팅두께는 시편 증착 시 증착 장치에 함께 장입하여 코팅한 steel plate의 코팅면을 Alpha-Step을 이용하여 측정하였다.

대상 데이터

시편으로는 직경 40 mm, 두께 6 mm의 AIS1 52100 디스크를 열처리에 의하여 표면 경도를 HRC 57 - 62로 맞춘 다음, 최종 표면거칠기가 Ra 0.1 Um가 되도록 연마/세척 후 코팅하여 사용하였으며, 시편 볼은 직경 12.7 mm, 재질 AISI 52100(grade 25; extra polished), 경도 HRC 65인 SKF사의 제품을 사용하였다
코팅용 시편으로는 열처리된 AISI 52100 디스크를 사용하였으며 원자혼합층 형성공정 이후 가열증발증착 공정에 의하여 접착강도가 높고 표면 전단강도가 낮은 경사기능형 은 박막을 코팅하여 실험에 사용하였다.

이론/모형

마찰계수는 로드셀을 사용하여 측정하였으며 또한 은 코팅의 상대재(counter part)인 시편 볼의 마모량을 정량적으로 비교하기 위하여 Archard 의 마모계수(K, wear coefficient)를 사용하였다.
1 g을 가열증발시켜 실시하였으며 시편디스크의 표면에 은과 강 (steel)의 원자 혼합층 형성 후 약 80 nm의 은 박막층을 형성시켜 이후의 은 가열증발증착 시 seed layer로 활용하였다. 원자 혼합층을 형성시킨 후 그 위에 2 Jim 두께의 은 박막층을 가열증발증착법만을 사용하여 원자흔합층위에 증착시켜 실험에 사용하였다.

성능/효과

5에 나타내었다. 실험속도가 100 mm/sec이하인 경우에는 마멸계수가 비교적 낮은 값(1x10^-3~1x10^-4)을 보였으나 실험속도가 이보다 증가된 경우 마멸계수가 약 10배 정도 증가되는 것을 알 수 있었다. 또한 이 경우 마찰계수도 증가되는 것을 확인할 수 있었다.
실험속도 100 mm/sec 이하의 경우 접촉표면에서 은 물질전이층이 관찰되었지만, 실험속도 1000 mm/sec 인 경우에는 은 물질전이층을 관찰할 수 없었다. 따라서 은 박막이 파손된 이후 비교적 저속에서 나타나는 물질전이층은 보호층의 역할과 고체윤활층의 역할을 동시에 나타낸 것을 알 수 있었으며 은 물질전이층이 형성되지 않은 비교적 고속의 실험조건에서는 마찰과 마멸이 높게 나타남을 정성적으로 설명할 수 있었다.
본 연구에서 나타난 결과들을 Hertz 최대접촉압력 및 실험속도의 축으로 구성된 2차원 평면에 본 연구에서 얻어진 다양한 결과들을 통합하여 정리한 결과 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 3가지의 특징적인 마멸영역 (characteristic wear regime)을 구분할 수 있었다.
(2) 다양한 실험 변수에 의하여 얻은 박막의 마찰 마멸 특성을 접촉 압력-속도의 평면에 그 마찰과 마멸 및 물질전이층 발생 여부를 정리하여 map을 구성한 결과 코팅층이 파손되지 않는 영역, 코팅층이 파손된 후 물질전이층이 발생하는 영역 및 코팅층 파손이후 물질전이층이 발생하지 않는 영역의 세가지 특징적인 영역으로 구별되었다.
(3) 코팅층의 파손이 일어나는 접촉 압력 조건에서는 속도를 증가시킴에 따라 물질전이층이 줄어드는 것이 관찰되었으며 어떠한 속도 이상에서는 더 이상 물질전이가 발생되지 않는 임계속도가 존재하였다.

후속연구

이상과 같은 두 가지 가설이 물질전이층의 생성 기구의 주종을 이루고 있으나, 아직도 그 생성 기구는 확실치 않은 실정이며 특히 작동 조건의 변화에 따라 그 생성 기구 및 생성 정도도 변화되기 때문에 물질전이층의 생성과 관련해서는 좀더 체계적인 연구가 필요하다 하겠다.

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