초록 ▼

□ 연구목표
본 연구에서는 반영구적이며 마모가 거의 발생하지 않는 기계요소를 위한 극저마모 기술개발을 목표로 하였다. 내마모성은 마모율로 정량화 될 수 있는데 윤활이 잘 이루어지는 매크로 스케일 시스템의 경우 일반적인 마모율은 약 10^-7~10^-8 mm³/N·mm 정도로 알려져 있으며 마이크로 스케일 시스템에서는 10^-8~10^-10 mm³/N·mm에 이르고 있다. 본 연구에서는 ‘표면강성 제어’를 통해 마이크로

□ 연구목표
본 연구에서는 반영구적이며 마모가 거의 발생하지 않는 기계요소를 위한 극저마모 기술개발을 목표로 하였다. 내마모성은 마모율로 정량화 될 수 있는데 윤활이 잘 이루어지는 매크로 스케일 시스템의 경우 일반적인 마모율은 약 10^-7~10^-8 mm³/N·mm 정도로 알려져 있으며 마이크로 스케일 시스템에서는 10^-8~10^-10 mm³/N·mm에 이르고 있다. 본 연구에서는 ‘표면강성 제어’를 통해 마이크로 수준에서는 10^-11~10^-12 mm³/N·mm, 그리고 매크로 수준에서는 10^-9~ 10^-10 mm³/N·mm로 세계최고 수준의 마모율을 달성하고자 하였다. 1, 2단계 연구의 대상은 마이크로 스케일 현상, 그리고 3단계에서는 optical device, flexible device 등과 같은 매크로 스케일 시스템 응용에 초점을 두었다.

□ 연구개발내용
본 연구의 목표는 무한 내마모에 근접하는 실용적인 극저마모 기술을 개발하는 것이다. 이를 위하여 독창적인 가설을 세우고 나노/마이크로 수준에서부터 매크로 스케일 시스템에 적용할 수 있는 아이디어를 바탕으로 다양한 실험 및 시뮬레이션 해석을 통하여 목표를 달성하였다. 1단계에서는 극저마모 기술을 개발하기 위한 독창적인 가설을 검증하였고 최상의 연구 환경을 위한 인프라를 구축하였다. 2단계에서는 1단계에서 도출한 연구결과를 바탕으로 마이크로 스케일에 대한 극저마모 기술을 확립하였다. 3단계에서는 매크로 스케일에서 최고 수준의 내마모 원천기술을 확보하였다. 본 연구를 통해 세계 최고 수준의 마모율을 달성하였고, 표면강성 제어 코팅뿐만 아니라 다양한 내마모 기술을 개발하였으며 나노 스케일 표면 분석, In-Situ 마모 메커니즘 분석, 시뮬레이션 등 다양한 표면 분석 기술을 확립하였다. 또한, 본 연구단에서 개발한 복합적인 내마모 기술을 optical device, flexible device 등의 내구성 향상을 위해 적용하여 문제점 및 개선 방안을 제시하였다. 본 연구개발결과는 다양한 기계산업 분야에 응용될 수 있으며 고부가 가치 창출의 핵심 기술이 될 것이다.

□ 연구개발 성과
정량적 연구 성과로는 SCI(E) 논문 93편, 국내논문 20편, 국제/국내 학술대회 219건, 국내외 특허등록 18건이 있음.//대표적 논문은 다음과 같음.//비결정질의 탄소와 코발트 나노층이 주기적으로 증착된 새로운 기능성 코팅을 개발하여 마이크로 스케일에서 세계 최고 수준인 10^–13 mm³/N·mm의 마모율을 달성함 (ACS Applied Materials and Interfaces; JCR: 8.8%, IF: 6.72).//Perovskite 물질을 기반으로 태양전지를 제작하였으며 1,000회의 반복 굽힘 실험에도 우수한 효율을 나타냄. 또한, 굽힘 내구성의 기본 원리를 규명함 (Advanced Energy Materials; JCR: 2.0%, IF: 21.88, 표지논문).//C₆₀ 이온빔 기반 증착법을 이용하여 코발트/크롬 합금 위에 내마모성이 우수한 탄소나노복합소재를 코팅하고 생체 실험을 통해 생체 적합성을 평가함 (Biomaterials; JCR: 1.28%, IF: 8.81).//Stainless steel을 위한 탄소 기반 적층 코팅을 설계하고 효과적으로 제작하여 내마모성 및 내부식성이 뛰어난 코팅을 개발함 (ACS Applied Materials and Interfaces; JCR: 8.8%, IF: 6.72).//우수한 열적 안정성, 기계적 물성 및 내화학성을 지닌 폴리이미드를 이용하여 boron nitride 복합 코팅을 개발하고 열적 안정성 및 굽힘 특성, 투명도를 확보함 (Nano Research; JCR: 8.9%, IF: 7.99).

□ 활용 계획 및 기대효과
본 연구단에서 도출한 연구 결과는 기계의 효율을 향상시키고 에너지 소비를 저감시키기 위한 기계부품의 표면설계에 활용될 것이다. 정밀 기계부품에 최적화된 내마모 기술을 적용하여 기계의 성능과 내구수명을 향상시킬 것이며 플렉시블 디바이스와 같은 유연한 시스템의 내구성을 확보하는 데 활용될 것이다. 또한, 고온 및 진공의 극한 환경과 생체 적합성이 필요한 의료기기 등의 특수환경에 필요한 내마모 기술을 개발함으로써 고부가가치 산업발전에 기여할 것이다. 궁극적으로는 극저마모 표면설계 기술을 산업으로 이전함으로써 기계의 정밀도 및 품질 향상을 비롯하여 에너지 자원의 보존과 환경 보전에 이바지할 것이다. 이러한 내마모 표면설계 기술은 우리나라 미래 고부가가치 기계 산업의 핵심 기술이 될 것으로 기대한다.

(출처 : 연구결과 요약문 : 한글 4p)

Abstract ▼

□ Purpose
In this research ultra-low wear technology was developed with the aim to achieve machine component design that has almost no wear. Wear resistance can be quantified using the wear rate. In well lubricated macro-systems, the wear rate is typically in the range of 10^-7~10^-

□ Purpose
In this research ultra-low wear technology was developed with the aim to achieve machine component design that has almost no wear. Wear resistance can be quantified using the wear rate. In well lubricated macro-systems, the wear rate is typically in the range of 10^-7~10^-8 mm³/N·mm whereas the range is 10^-8~10^-10 mm³/N·mm for micro-scale systems. In this research, the purpose was to decrease the wear rate to 10^-11 ~10^-12 mm³/N·mm and 10^-9~10^-10 mm³/N·mm for micro-scale and macro-scale systems, respectively, by controlling the surface stiffness. The focus of the research was on micro-scale phenomena in the 1st and 2nd phases of research and on macro-scale systems such as optical device and flexible device in the 3rd phase.

□ contents
To achieve the goal of this project, research was conducted based on a set of initial hypotheses that were applicable for micro to macro scale tribological systems. In the first phase, understanding of ultra-low wear phenomena at the nano-scale and verification of the unique hypothesis was accomplished. In the second phase, ultra-low wear technology was developed based on the results of the first phase. In the final phase, the fundamental understanding and strategies for ultra-low wear acquired during the previous phases were extended to macro-scale systems. As a consequence, the lowest wear rate was achieved and various low wear technologies were developed. Also, nano-scale surface analysis and sophisticated measurement techniques to assess the mechanical properties of surfaces were established. Furthermore, in-situ experimental systems as well as multi-scale simulation techniques were developed. The techniques developed in this research were applied to enhance the durability of optical and flexible devices.

□ Developement results
Quantitative research output are 93 SCI(E) papers, 20 domestic journal papers, 219 conference presentations, 18 domestic and international patents.//The major publications are as follows.//New functional coatings comprised of periodically stacked nanolayers of amorphous carbon and cobalt with the lowest level of micro-scale wear rate of 10 ^-13mm³/N·mm was developed (ACS Applied Materials and Interfaces; JCR: 8.8%, IF: 6.72).//Perovskite solar cell that possesses good efficiency even after 1000 bending cycles was developed. The mechanism responsible for high bending durability was assessed (Advanced Energy Materials; JCR: 2.0%, IF: 21.88).//Highly wear-resistant and biocompatible coating was developed for dental implant application. The effectiveness of this coating was verified by in-vivo tests on rabbits (Biomaterials; JCR: 1.28%, IF: 8.81).//Functional multilayer coating for stainless steel with excellent wear and corrosion resistance was developed for harsh environment application (ACS Applied Materials and Interfaces; JCR: 8.8%, IF: 6.72).//Polymeric film reinforced with boron nitride nanoparticles was developed that possessed good thermal and mechanical properties while maintaining the transparency and flexibility of the polymer film (Nano Research; JCR: 8.9%, IF: 7.99).

□ Expected Contribution
The research results will be applied to the surface design of mechanical components that will enhance the efficiency and reduce the energy consumption of machines. By applying optimum wear reduction technology to precision mechanical components, extended life and better performance of machines will be achieved. Also, low wear technologies for flexible and biomedical devices as well as for components that operate in extreme environments will be developed for high value-added industries. Ultimately, the ultra-low wear technology will be transferred to the industry to enhance the precision and quality of machines. Furthermore, it will aid in conservation of energy and resources. The surface design technology for low wear will emerge as a core technology for mechanical industry of the future.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 : 한글 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 10
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 16
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 24
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 31
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 34
• 7. 대표적 연구실적 ... 40
• 8. 참고문헌 ... 40
• 9. 연구성과 ... 45
• 10. 연구기자재 현황 및 활용 ... 135
• 11. 기타사항 ... 138
• [별첨1] 대 표 연 구 성 과 ... 139
• 끝페이지 ... 148