KR101710688B1 - 해초형 나노튜브를 구비한 저마찰 부재 및 그의 제조방법 - Google Patents

해초형 나노튜브를 구비한 저마찰 부재 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해초형 나노튜브를 구비한 저마찰 부재에 관한 것으로, 모재 표면에서 해초와 같이 돌출된 나노튜브가 피접동부재의 이동방향으로 쏠리면서 액체 윤활제의 유동성을 향상시켜줌으로써 표면마찰을 효과적으로 줄일 수 있도록 한 것이다.
이러한 본 발명은, 피접동부재의 표면접촉으로 일어나는 마찰을 줄일 수 있도록 표면에 다수의 딤플이 형성된 모재와; 상기 딤플 내부에 충진된 고착재와; 상기 고착재에 매립되고 상기 고착재에 대한 표면처리에 의해 외측으로 돌출된 나노튜브와; 상기 모재 표면에 도포된 액체 윤활제를 구비하여, 상기 돌출된 나노튜브가 상기 피접동부재의 이동방향으로 쏠리면서 상기 액체 윤활제의 유동성을 향상시켜줌으로써 표면마찰을 줄일 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

해초형 나노튜브를 구비한 저마찰 부재 및 그의 제조방법{LOW FRICTION MATERIALS WITH SEEWEED TYPE NANO TUBE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 저마찰 부재에 관한 것으로, 특히 모재 표면에서 해초와 같이 돌출된 나노튜브가 피접동부재의 이동방향으로 쏠리면서 액체 윤활제의 유동성을 향상시켜줌으로써 표면마찰을 효과적으로 줄일 수 있도록 한 해초형 나노튜브를 구비한 저마찰 부재에 관한 것이다.
자동차 산업에서 많은 기관 부품들의 마찰학적인 특성은 에너지를 절감을 비롯하여 보수 유지, 부품 교환 및 파손에 의한 비용 절감, 수명 연장에 의한 투자비 절감, 마찰의 감소에 의한 에너지 절감 등에 매우 중요하다. 특히, 마찰학적인 특성에서 마모와 마찰 거동은 서로 접촉되는 표면 형태가 상당한 영향을 끼친다. 윤활 상태에서의 미끄럼 접촉의 경우에는 마찰학적인 특성이 작은 딤플 모양과 같은 표면 요철의 형성으로 향상되어 질 수 있다. 이 요철들은 윤활제 저장소와 윤활제가 밖으로 세는 것을 방지하는 역할을 한다. 게다가, 마모 입자를 접촉면으로부터 제거하며, 구조 안쪽으로 모을 수 있기 때문에 마모 입자에 의한 추가적인 마모를 방지할 수 있다.
따라서 최근에는 엔진부품의 마찰저항으로 인하여 발생하는 에너지 손실을 줄여 줌으로써 연비향상과 동력 기계 부품에서 마찰에 의한 에너지 손실을 절감하기 위한 연구가 여러 가지 방법으로 이루어지고 있으며, 이 중에서도 특히 표면 텍스처링에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
표면 텍스처링 기술은 윤활제를 매개로 상대 운동을 하는 두 표면 사이의 윤활 특성을 개선할 것을 목적으로 두 표면 중 적어도 한 표면에 딤플이나 그루브 같은 요철을 다수로 가공하는 것을 말한다. 표면의 요철은 마모 입자 트래핑(Trapping)으로 윤활제 저장, 유체 역학적(Hydrodynamic) 압력 발생을 촉진한다.
특히, 레이저 표면 텍스처링은 주로 딤플 형태로 패턴을 만들며, 다른 텍스처링 방법과 비교하였을 때 공정 시간이 극히 빠르고 레이저의 변수(펄스 에너지, 펄스 수)를 이용하여 딤플의 모양이나 크기를 조절할 수 있는데, 레이저 표면 텍스처링에 대한 연구 동향을 살펴보면, 독일의 S. Schreck 등은 Nd:YAG laser를 이용하여 Al2O3와 100Cr6 강에 채널과 딤플 형태의 텍스처링을 하고 윤활 하에서 그 밀도에 따라 마찰이 저감 되는 것을 연구하였으며, 이스라엘의 Izhak Etsion은 내연 기관 중 실린더와 직접적으로 닿는 부분인 실린더 링에 레이저 표면 텍스처링을 이용하여 부분적인 패턴이 전체 패터닝보다 개선됨을 실험적으로 확인하였다. 또한, 미국 Argonne 연구소의 Kovalchenko는 Laser Surface Texturing (이하 LST)을 이용한 딤플밀도와 윤활제의 점도에 따른 마찰 계수와 볼의 wear scar를 근거로 딤플이 있을 경우, 볼의 마모율은 높았지만 초기의 접촉보다 접촉 면적이 늘어나 윤활상태 일 경우 경계윤활에서 혼합 윤활 영역으로의 전이가 빨리 일어나서 마찰계수가 감소한다는 것을 제시하였다.
그러나, 상기와 같은 연구에 의하더라도 레이저 표면 텍스처링 기술을 통한 저마찰 효과만으로는 충분치 않은 관계로 저마찰 효과를 보다 향상시킨 새로운 형태의 저마찰 부재를 개발하는 것이 절실하였다.
한국공개특허공보 제2014-0088299호(2014.07.10)
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 모재 표면에서 해초와 같이 돌출된 나노튜브가 피접동부재의 이동방향으로 쏠리면서 액체 윤활제의 유동성을 향상시켜줌으로써 표면마찰을 효과적으로 줄일 수 있도록 한 해초형 나노튜브를 구비한 저마찰 부재를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 저마찰 부재는, 피접동부재의 표면접촉으로 일어나는 마찰을 줄일 수 있도록 표면에 다수의 딤플이 형성된 모재와; 상기 딤플 내부에 충진된 고착재와; 상기 고착재에 매립되고 상기 고착재에 대한 표면처리에 의해 외측으로 돌출된 나노튜브와; 상기 모재 표면에 도포된 액체 윤활제를 구비하여, 상기 돌출된 나노튜브가 상기 피접동부재의 이동방향으로 쏠리면서 상기 액체 윤활제의 유동성을 향상시켜줌으로써 표면마찰을 줄일 수 있도록 한 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 모재와; 상기 모재 표면에 도포된 고착재와; 상기 고착재에 매립된 상태로 상기 모재 표면에 분산되고 상기 고착재에 대한 표면처리에 의해 외측으로 돌출된 나노튜브와; 상기 모재 표면에 도포된 액체 윤활제를 구비하여, 상기 돌출된 나노튜브가 상기 피접동부재의 이동방향으로 쏠리면서 상기 액체 윤활제의 유동성을 향상시켜줌으로써 표면마찰을 줄일 수 있도록 한 것을 특징으로 할 수도 있다.
여기서, 상기 고착재는 유리 파우더가 용융된 후 경화되어 이루어지고, 상기 나노튜브는 상기 고착재의 형성시 상기 유리 파우더에 분산된 상태로 혼합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 본 발명은, 모재와; 상기 모재 표면에 도포된 금속고체 윤활입자와; 상기 금속고체 윤활입자의 표면에서 돌출된 형태로 구비된 나노튜브로 이루어진 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 모재 표면에는 피접동부재의 표면접촉으로 일어나는 마찰을 줄일 수 있도록 다수의 딤플이 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 저마찰 부재의 제조방법은, 저열팽창성 유리 파우더와 나노튜브를 혼합하는 단계와; 혼합된 저열팽창성 유리 파우더와 나노튜브를 모재 표면에 분산시켜 도포하는 단계와; 상기 모재 표면을 덮고 있는 저열팽창성 유리 파우더를 가열하여 용융시킨 후 경화함으로써 상기 나노튜브가 내부에 매립된 상태의 고착재를 형성하는 단계와; 상기 고착재의 표면 인근에 매립된 나노튜브가 돌출되도록 상기 고착재를 표면처리하는 단계와; 상기 모재 표면에 액체 윤활제를 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 모재 표면에는 패턴화된 저마찰용 딤플이 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 고착재는 상기 딤플에 충진된 형태로 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 저열팽창성 유리 파우더와 나노튜브를 습식으로 혼합한 슬러리의 형태로 모재 표면에 도포하며, 상기 저열팽창성 유리 파우더를 융융시키기 위해 1300 내지 1500℃ 온도범위에 속한 온도로 2 내지 10시간동안 가열하여, 융융된 유리 파우더가 모재 표면에 존재하는 균열부위에 충진되도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 저마찰 부재의 제조방법은 상기 저열팽창성 유리 파우더와 나노튜브를 1차 용융한 후, 냉각하고, 분쇄하는 단계와; 상기 분쇄하는 단계를 통해 만들어진 분쇄 파우더를 에탄올에 혼합하여 상기 모재에 도포하는 단계와; 상기 저열팽창성 유리 파우더를 2차 융융시키기 위해 1300 내지 1500℃ 온도범위에 속한 온도로 2 내지 10시간동안 가열하여, 융융된 상기 저열팽창성 유리 파우더가 모재 표면에 존재하는 균열부위에 충진된 상태로 상기 모재 표면에서 층을 이루도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 저마찰 부재의 제조방법은, 금속고체 윤활입자와 나노튜브를 혼합하는 단계와; 혼합된 금속고체 윤활입자와 나노튜브를 모재 표면에 분산시켜 도포하는 단계와; 상기 모재 표면에 상기 금속고체 윤활입자와 나노튜브가 도포된 상태에서 열처리하는 단계와; 상기 모재 표면을 표면처리하는 단계를 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
여기서, 상기 모재 표면에 대한 금속고체 윤활입자와 나노튜브의 도포를 위해, 상기 금속고체 윤활입자와 나노튜브가 포함된 슬러리를 마련하고, 상기 슬러리에 상기 모재를 침지시킨 상태에서 초음파를 가하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 모재 표면에 대한 금속고체 윤활입자와 나노튜브의 도포를 위해, 상기 금속고체 윤활입자와 나노튜브가 포함된 슬러리를 마련하고, 상기 슬러리에 상기 모재를 침지시킨 상태에서 파장이 200 내지 400 nm 범위의 자외선을 조사하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 저마찰 부재의 제조방법은, 나노크기의 금속고체 윤활입자를 모재 표면에 분산시켜 도포하는 단계와; CVD 공정에 의해 상기 금속고체 윤활입자를 촉매로 하여 나노튜브를 성장시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 모재 표면에는 패턴화된 저마찰용 딤플이 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의한 해초형 나노튜브를 구비한 저마찰 부재는 모재 표면에서 해초와 같이 돌출된 나노튜브가 피접동부재의 이동방향으로 쏠리면서 액체 윤활제의 유동성을 향상시켜주기 때문에 표면마찰을 효과적으로 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은 해초형 나노튜브와 함께 유리층, 딤플, 금속고체 윤활입자가 복합된 구성에 의해 더욱 향상된 마찰저감 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명은 초음파 및 자외선을 활용한 공정에 의해 대면적의 모재를 기반으로 하는 대면적의 저마찰 부재도 구현하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 저마찰 부재의 구성을 설명하기 위한 단면도
도 2 내지 도 3은 본 발명의 제1실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 설명하기 위한 일련의 참조도
도 5는 본 발명의 제2실시예에 의한 저마찰 부재의 구성을 설명하기 위한 단면도
도 6 내지 도 8은 본 발명의 제2실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 설명하기 위한 일련의 참조도
도 9는 본 발명의 제3실시예에 의한 저마찰 부재의 구성을 설명하기 위한 단면도
도 10 내지 도 11은 본 발명의 제3실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법 중 일부를 설명하기 위한 참조도
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 해초형 나노튜브를 구비한 저마찰 부재에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.
또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 저마찰 부재의 구성을 설명하기 위한 단면도이고, 도 2 내지 도 3은 본 발명의 제1실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 설명하기 위한 일련의 참조도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 의한 저마찰 부재는 모재(110) 표면에서 해초와 같이 돌출된 나노튜브(130)가 피접동부재의 이동방향으로 쏠리면서 액체 윤활제의 유동성을 향상시켜줌으로써 표면마찰을 효과적으로 줄일 수 있도록 한 독창적인 구조를 가지며, 자동차 엔진(E) 등과 같이 피접동부재의 접촉으로 인한 마찰접촉이 일어나는 제품들에 적용될 수 있다.
이같은 본 발명의 실시예에 의한 저마찰 부재는, 모재(110)와, 고착재(120a)와, 나노튜브(130)와 액체 윤활제를 주요 구성요소로 하는 간단한 구성을 갖는다.
상기 모재(110)는 금속이나 세라믹스를 소재로 이루어진다.
상기 고착재(120a)는 상기 나노튜브(130)를 고착시키는 역할을 한다. 이를 위해 상기 고착재(120a)는 저열팽창성 유리 파우더(120)(glass (borosilicate 및 soda borosilicate) powder)가 나노튜브(130)와 함께 혼합된 상태로(도 2 참조) 모재(110)의 표면에서 용융된 후 경화되어 이루어진다(도 3참조). 여기서 주목할 수 있는 점은 상기 저열팽창성 유리 파우더(120)가 모재(110)의 표면에서 용융되면 모재(110)의 표면에 존재하는 기공 및 균열부에 스며들어 충진되면서 모재(110)의 표면을 강화하고 마찰계수를 낮춰주어 1차적으로 표면마찰을 줄여주는 요인으로 작용한다는 점이다.
상기 나노튜브(130)는 도 1의 확대부에 도시된 것처럼 상기 모재(110) 표면에 도포된 고착재(120a)에서 외측으로 돌출된 형태로 구비된다. 이같은 나노튜브(130)는 마치 해초와 같은 역할을 하여 피접동부재의 이동방향으로 쏠리면서 액체 윤활제의 유동성을 향상시켜줌으로써 표면마찰을 효과적으로 감소시켜준다. 여기서 상기 나노튜브(130)는 CNT, TNT로 구비될 수 있으며 nanorod로 구비되는 것도 가능하다. 또한 나노튜브(130)의 돌출된 형태를 만들기 위해 도 3과 같이 나노튜브(130)가 유리층인 고착재(120a) 내부에 분산되어 매립된 상태에서 고착재(120a) 표면을 정밀하게 그라인딩하면 된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 첨부한 도 2 내지 도 4를 참조로 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 2와 같이 저열팽창성 유리 파우더(120)와 나노튜브(130)를 혼합하는 단계가 진행된다. 이를 위해 저열팽창성 유리 파우더(120)와 나노튜브(130)를 습식으로 혼합하여 슬러리를 만든다. 가능한 다른 방법으로는 저열팽창성 유리 파우더(120)와 나노튜브(130)를 건식으로 혼합하여 1차 용융한 후 냉각 및 분쇄한 후 분쇄 파우더를 에탄올에 혼합하여 준비할 수도 있다.
이후, 혼합된 저열팽창성 유리 파우더(120)와 나노튜브(130)를 모재(110) 표면에 분산시켜 도포하는 단계가 진행된다. 이 단계에서는 앞선 단계에서 만들어진 저열팽창성 유리 파우더(120)와 나노튜브(130)의 혼합 슬러리를 모재(110)에 도포하고 건조한다. 저열팽창성 유리 파우더(120)와 나노튜브(130)를 건식으로 혼합하여 냉각 및 분쇄한 후 분쇄 파우더를 에탄올에 혼합하여 준비한 경우에도 마찬가지이다.
이후, 상기 모재(110) 표면을 덮고 있는 저열팽창성 유리 파우더(120)를 가열하여 용융시킨 후 경화함으로써 도 3과 같이 상기 나노튜브(130)가 내부에 매립된 상태의 고착재(120a)를 형성하는 단계가 진행된다. 이 단계에서는 상기 저열팽창성 유리 파우더(120)를 융융시키기 위해 1300 내지 1500℃ 온도범위에 속한 온도로 2 내지 10시간동안 가열하여 준다. 이 과정에서 저열팽창성 유리 파우더(120)가 용융되면 모재(110) 표면에 존재하는 기공 및 균열부위에 스며들면서 모재(110) 표면의 마찰계수가 낮아진다. 한편, 저열팽창성 유리 파우더(120)와 나노튜브(130)를 건식으로 혼합하여 냉각 및 분쇄한 후 분쇄 파우더를 에탄올에 혼합하여 도포한 경우에는 준비한 경우에도 마찬가지이다.
이후, 상기 고착재(120a)의 표면 인근에 매립된 나노튜브(130)가 돌출되도록 상기 고착재(120a)를 표면처리하는 단계가 진행된다. 이 단계에서는 상기 나노튜브(130)가 매립된 상태의 고착재(120a) 표면을 정밀하게 그라인딩하여 준다. 단, 상기 그라인딩 방법 의외에도 나노튜브(130)를 제외하고 고착재(120a)의 표면 일부만을 제거할 수 있는 방법이 있다면 그 방법을 적용하여도 무방하다. 그러면 도 4와 같이 상기 고착재(120a)의 외측으로 나노튜브(130)가 돌출된 형태로 노출된다.
이후, 상기 모재(110) 표면에 액체 윤활제를 도포하는 단계가 진행된다. 이 단계의 경우 도면에 도시되지는 않았으나 본 발명의 제1실시예에 의한 저마찰 부재를 사용하는 중에 수시로 이루어질 수 있다. 이처럼 액체 윤활제까지 모재(110) 표면에 도포되면 용융된 저열팽창성 유리 파우더(120)에 의한 마찰저감 효과와, 돌출된 해초형 나노튜브(130)의 쏠림현상으로 인한 액체 윤활제의 유동성 향상으로 얻어지는 마찰저감 효과가 복합적으로 작용하면서 표면마찰을 효과적으로 줄일 수 있게 된다.
한편, 전술된 제조방법을 변형하여 borosilicate 및 soda borosilicate가 포함된 졸에 나노튜브(130)를 분산시키고, 상기 나노튜브(130)가 분산된 졸을 다양한 코팅방법(dip-coating, spin coating, spray coating, painting)에 의해 모재(110)에 도포하고 300 내지 400℃ 온도범위에 속한 온도로 20분 내지 4시간동안 가열하여 유리 복합체를 형성한 후, 그 표면을 그라인딩하는 과정을 통해서도 저마찰 부재를 제조할 수 있다.
계속해서 본 발명의 제2실시예에 의한 저마찰 부재 및 그의 제조방법에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 의한 저마찰 부재의 구성을 설명하기 위한 단면도이고, 도 6 내지 도 8은 본 발명의 제2실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법을 설명하기 위한 일련의 참조도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 의한 저마찰 부재의 경우 제1실시예와 비교하여 모재(110) 표면에 표면접촉으로 인한 마찰을 줄일 수 있도록 딤플(111)이 추가적으로 형성된 것을 특징으로 한다.
이처럼 모재(110)에 딤플(111)이 형성된 경우에는 고착재(120a)가 나노튜브(130)를 매립한 상태로 모재(110)의 표면 전체가 아니라 딤플(111) 내부에 충진되도록 제한된다는 점에서 차이가 있다. 이같은 차이를 제외하면 제1실시예와 비교하여 저마찰 부재의 구성이나 제조방법이 대동소이하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이같은 제2실시예에 따르면 모재(110) 표면에 형성된 유리층에 의한 마찰저감 효과를 대신하여 딤플(111)에 의한 마찰저감 효과가 작용하게 되며, 돌출된 해초형 나노튜브(130)의 쏠림현상으로 인한 액체 윤활제의 유동성 향상으로 얻어지는 마찰저감 효과와 함께 복합적으로 작용한다.
계속해서 본 발명의 제3실시예에 의한 저마찰 부재 및 그의 제조방법에 대해 설명한다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 의한 저마찰 부재의 구성을 설명하기 위한 단면도이고, 도 10 내지 도 11은 본 발명의 제3실시예에 의한 저마찰 부재의 제조방법 중 일부를 설명하기 위한 참조도이다.
도시된 바와 같이, 제3실시예에 의한 저마찰 부재는 표면에 패턴화된 딤플(111)이 형성된 모재(110)와, 상기 모재(110) 표면에 도포된 금속고체 윤활입자(140)와, 그 금속고체 윤활입자(140) 표면에서 돌출된 형태로 구비된 나노튜브(130)로 이루어진다.
이같은 구성에 의하면 딤플(111)에 의한 마찰저감 효과와, 금속고체 윤활입자(140)에 의한 마찰저감 효과와, 상기 나노튜브(130)에 의한 마찰저감 효과가 복합적으로 작용하기 때문에 보다 높은 마찰저감 효과를 기대할 수 있다.
이처럼 금속고체 윤활입자(140)와 나노튜브(130)가 복합적으로 구비된 저마찰 부재의 경우 다양한 방법에 의해 제조가 가능하며, 이에 대해 아래에서 설명한다.
금속고체 윤활입자(140)와 나노튜브(130)가 복합적으로 구비된 저마찰 부재를 제조하기 위한 주된 방법 한 가지는 본 발명의 제1실시예에 의한 저마찰 부재를 제조하기 위해 금속고체 윤활입자(140)와 나노튜브(130)를 습식 혼합하여 슬러리(150)를 만들고 이를 도포하고 경화하여 열처리 및 표면처리를 하였던 방법과 거의 동일하다.
즉, 금속고체 윤활입자(140)와 나노튜브(130)가 복합적으로 구비된 저마찰 부재를 제조하는 방법은, 금속고체 윤활입자(140)와 나노튜브(130)를 습식 혼합하여 슬러리(150)를 만드는 단계와, 금속고체 윤활입자(140)와 나노튜브(130)의 슬러리(150)를 모재(110) 표면에 분산시켜 도포하는 단계와, 상기 모재(110) 표면에 상기 금속고체 윤활입자(140)와 나노튜브(130)가 도포된 상태에서 800 내지 1000℃의 온도범위에 속한 온도로 1 내지 2시간동안 열처리하는 단계와, 그라인딩 등의 방법으로 표면처리하는 단계를 순차적으로 진행하는 것이다.
여기서 만일, 대면적의 모재(110)인 경우에는 도 10에 도시된 것처럼 초음파 발생장치를 이용할 수 있다. 초음파를 이용하는 방법의 경우 전구체 형태의 금속고체 윤활입자(140)와 나노튜브(130)가 포함된 슬러리(150)를 발진기(210)가 설치된 초음파 발생장치(200)에 담고, 그 슬러리(150)에 대면적의 모재(110)를 침지한 후 발진기(210)에서 발생한 초음파를 가해주면 된다. 그러면 음향 기포의 충돌로 만들어진 마이크로젯(micro-jet)이 고속(초속 100m 이상에 달함)으로 움직이면서 상기 모재(110)에 대해 전구체 형태의 금속고체 윤활입자(140)와 나노튜브(130)를 강한 힘으로 반복하여 충돌시키게 되며 이 과정에서 상기 모재(110) 표면에 금속고체 윤활입자(140)와 나노튜브(130)가 증착된다. 이때 가하는 초음파는 0.5 내지 12시간 동안 800~1200W 전력, 20kHz의 주파수를 제원으로 한다. 이같이 초음파를 이용하는 도포방법은 기존에 사용되는 일반적인 도포방법에 비해 입자들의 형상 및 크기의 제약을 덜 받으므로 대면적의 모재(110)에 대해서도 나노 크기의 금속고체 윤활입자(140)를 다루는데 효과적이다.
또한, 대면적의 모재(110)인 경우 도 11에 도시된 것처럼 자외선 조사장치를 이용할 수도 있다. 이 방법은 도 11에 도시된 것처럼 UV 램프(310)와 교반날개(320)가 설치된 자외선 발생장치(300)에 전구체 형태의 금속고체 윤활입자(140)와 나노튜브(130)가 포함된 슬러리(150)를 담고 모재(110)를 침지한 후 그 슬러리(150)에 자외선을 조사하면 된다. 이때 자외선을 조사하기 위해서는 200~400nm 파장 범위의 UV 램프(310)를 사용하며, UV 램프(310)와 슬러리(150)와의 거리는 10cm 정도로 고정한다. 그러면 광환원 과정을 통해 상기 모재(110) 표면에 전구체 형태의 금속고체 윤활입자(140)와 나노튜브(130)가 증착되어 도포가 이루어진다. 이 과정에서 자외선 발생장치(300) 내부에 설치된 교반날개가 회전하면서 보다 신속히 결과물을 얻을 수 있다.
이같이 초음파나 자외선을 이용한 도포방법은 상황에 따라 변형될 수 있다. 즉, 금속고체 윤활입자(140)만을 슬러리(150)에 포함시켜 모재(110)에 증착시키고 나서, 그 이후에 상기 금속고체 윤활입자(140)를 촉매로 하여 thermal CVD 공정에 의해 CNT 등의 나노튜브(130)를 성장시켜주는 방법도 가능하다.
이때 상기 금속고체 윤활입자(140)는 금, 은, 구리 중 어느 하나의 소재로 이루어질 수 있는데 제조시 금은 HAuCl4, HAuCl4ㅇ3H2O 등의 금 전구체로부터, 은은 AgNO3, silver acetate, Ag(NH3)2 + 등의 은 전구체로부터 구리는 CuSO4, CuCl2, Cu(AOT)2, Cu(NO3)2, Cu(acac)2 등의 구리 전구체로부터 얻어진다. 또한 CVD 공정에 의한 나노튜브(130) 성장을 위해 혼합가스는 ⓐ CH4(or C2H4, C2H2): 20 내지 50sccm, ⓑ H2: 20 내지 100sccm, ⓒ Ar(or He, N2): 20 내지 500sccm의 것으로 사용되고, 5 내지 60분 동안 700 내지 1000℃의 온도범위에 속한 온도로 가열한다. 물론 이같은 조건은 촉매에 따른 용해도 차이에 따라 변화될 수 있다.
또한, 랜덤형상을 염두하고 스핀코팅, 스프레이코팅, 페인팅에 의해 금속고체 윤활입자(140)를 모재(110)에 도포하거나 특정 형상을 염두하고 스크린프린팅이나 잉크젯프린팅에 의해 금속고체 윤활입자(140)를 모재(110)에 도포하고, 이후, 도포된 금속고체 윤활입자(140)를 촉매로 하여 위에서 설명된 CVD 공정에 의해 나노튜브(130)를 성장시키는 방법도 가능하다. 여기서 상기와 같이 모재(110)에 금속고체 윤활입자(140)를 도포한 경우에는 CVD 공정에 앞서 비활성 가스 분위기에서 1 내지 2시간동안 300 내지 500℃ 온도로 가열하여 준다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
110 : 모재 111 : 딤플
120 : 저열팽창성 유리 파우더 120a : 고착재
130 : 나노튜브 140 : 금속고체 윤활입자

Claims (15)

  1. 피접동부재의 표면접촉으로 일어나는 마찰을 줄일 수 있도록 표면에 다수의 딤플이 형성된 모재와;
    상기 딤플 내부에 충진된 고착재와;
    상기 고착재에 매립되고 상기 고착재에 대한 표면처리에 의해 외측으로 돌출된 나노튜브와;
    상기 모재 표면에 도포된 액체 윤활제를 구비하여,
    상기 돌출된 나노튜브가 상기 피접동부재의 이동방향으로 쏠리면서 상기 액체 윤활제의 유동성을 향상시켜줌으로써 표면마찰을 줄일 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 해초형 나노튜브를 구비한 저마찰 부재.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고착재는 유리 파우더가 용융된 후 경화되어 이루어지고, 상기 나노튜브는 상기 고착재의 형성시 상기 유리 파우더에 분산된 상태로 혼합되는 것을 특징으로 하는 해초형 나노튜브를 구비한 저마찰 부재.
  4. 피접동부재의 표면접촉으로 일어나는 마찰을 줄일 수 있도록 표면에 다수의 딤플이 형성된 모재와;
    상기 모재 표면에 도포된 금속고체 윤활입자와;
    상기 금속고체 윤활입자의 표면에서 돌출된 형태로 구비된 나노튜브로 이루어진 것을 특징으로 하는 해초형 나노튜브를 구비한 저마찰 부재.
  5. 삭제
  6. 저마찰 부재의 제조방법으로서,
    저열팽창성 유리 파우더와 나노튜브를 혼합하는 단계와;
    혼합된 저열팽창성 유리 파우더와 나노튜브를 모재 표면에 분산시켜 도포하는 단계와;
    상기 모재 표면을 덮고 있는 저열팽창성 유리 파우더를 가열하여 용융시킨 후 경화함으로써 상기 나노튜브가 내부에 매립된 상태의 고착재를 형성하는 단계와;
    상기 고착재의 표면 인근에 매립된 나노튜브가 돌출되도록 상기 고착재를 표면처리하는 단계와;
    상기 모재 표면에 액체 윤활제를 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저마찰 부재의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 모재 표면에는 패턴화된 저마찰용 딤플이 형성되는 것을 특징으로 하는 저마찰 부재의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 고착재는 상기 딤플에 충진된 형태로 구비된 것을 특징으로 하는 저마찰 부재의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 저열팽창성 유리 파우더와 나노튜브를 습식으로 혼합한 슬러리의 형태로 모재 표면에 도포하며,
    상기 저열팽창성 유리 파우더를 융융시키기 위해 1300 내지 1500℃ 온도범위에 속한 온도로 2 내지 10시간동안 가열하여, 융융된 유리 파우더가 모재 표면에 존재하는 균열부위에 충진되도록 한 것을 특징으로 하는 저마찰 부재의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 저열팽창성 유리 파우더와 나노튜브를 1차 용융한 후, 냉각하고, 분쇄하는 단계와;
    상기 분쇄하는 단계를 통해 만들어진 분쇄 파우더를 에탄올에 혼합하여 상기 모재에 도포하는 단계와;
    상기 저열팽창성 유리 파우더를 2차 융융시키기 위해 1300 내지 1500℃ 온도범위에 속한 온도로 2 내지 10시간동안 가열하여, 융융된 상기 저열팽창성 유리 파우더가 모재 표면에 존재하는 균열부위에 충진된 상태로 상기 모재 표면에서 층을 이루도록 한 것을 특징으로 하는 저마찰 부재의 제조방법.
  11. 저마찰 부재의 제조방법으로서,
    금속고체 윤활입자와 나노튜브를 혼합하는 단계와;
    혼합된 금속고체 윤활입자와 나노튜브를 모재 표면에 분산시켜 도포하는 단계와;
    상기 모재 표면에 상기 금속고체 윤활입자와 나노튜브가 도포된 상태에서 열처리하는 단계와;
    상기 모재 표면을 표면처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저마찰 부재의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 모재 표면에 대한 금속고체 윤활입자와 나노튜브의 도포를 위해, 상기 금속고체 윤활입자와 나노튜브가 포함된 슬러리를 마련하고, 상기 슬러리에 상기 모재를 침지시킨 상태에서 초음파를 가하는 것을 특징으로 하는 저마찰 부재의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 모재 표면에 대한 금속고체 윤활입자와 나노튜브의 도포를 위해, 상기 금속고체 윤활입자와 나노튜브가 포함된 슬러리를 마련하고, 상기 슬러리에 상기 모재를 침지시킨 상태에서 파장이 200 내지 400 nm 범위의 자외선을 조사하는 것을 특징으로 하는 저마찰 부재의 제조방법.
  14. 삭제
  15. 제11항에 있어서,
    상기 모재 표면에는 패턴화된 저마찰용 딤플이 형성되는 것을 특징으로 하는 저마찰 부재의 제조방법.
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