KR20120057971A - Coating structure with enhanced abrasion resistance by controlling surface stiffness, and manufacturing method for the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A wear-resistant coating structure and a manufacturing method thereof adopting surface rigidity control are provided to allow a coating structure to flexibly cope with contact to a counter surface having a plurality of surface projections, thereby minimizing abrasion. CONSTITUTION: A wear-resistant coating structure has a mesh-type carbon nano-tube layer which is formed on a contact surface for reducing contact pressures and minimizing the abrasion of the contact surface. The thickness of the carbon nano-tube layer is 100 nanometers to 5 micron meters.

Description

표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조 및 그 제조방법{Coating structure with enhanced abrasion resistance by controlling surface stiffness, and manufacturing method for the same} Coating structure with enhanced abrasion resistance by controlling surface stiffness, and manufacturing method for the same

본 발명은 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 접촉압력을 저감하여 접촉면의 마모를 최소화하기 위하여, 메쉬(mesh) 구조의 탄소나노튜브(carbon nanotube) 층이 접촉면에 형성된 것을 특징으로 하는 내마모성 코팅 구조 및 그 제조방법에 대한 것이다.
The present invention relates to a wear-resistant coating structure and a method of manufacturing the same by controlling the surface stiffness, in order to reduce the contact pressure to minimize wear of the contact surface, a mesh structure of carbon nanotube (carbon nanotube) layer is formed on the contact surface It relates to a wear-resistant coating structure and a method of manufacturing the same.

기존의 내마모 코팅은 DLC(diamond-like carbon), WC, SiC 등의 고경도 소재의 개발 및 윤활기술을 통하여 발전해왔다. 현재까지 내마모 코팅과 관련하여 개발된 기술들을 살펴보면, 5~350nm의 초박막 윤활막을 표면에 입혀 하드디스크와 같은 정보 저장기기의 스핀들 모터의 마모를 줄이는 유체역학적 베어링 기술(WO09/158675), 높은 접촉 응력을 지탱하여 마찰과 마모를 줄이는 윤활제 합성과 관련된 기술(WO09/158675), 금속표면에 크롬의 질소산화물(CrN, Cr2N)이나 나이오븀(niobium)의 질소산화물(NbN, Nb4N3) 등 표면 경도를 향상시키는 재료를 적용한 고경도 코팅기술(WO09/155677)과 관련된 기술들이 다수이다.Conventional wear-resistant coatings have been developed through the development and lubrication of high hardness materials such as diamond-like carbon (DLC), WC and SiC. To date, the technologies developed for wear-resistant coatings include hydrodynamic bearing technology (WO09 / 158675), which reduces wear on the spindle motor of information storage devices such as hard disks by coating a thin film of 5 to 350 nm ultra-thin lubricating film. Technology related to the synthesis of lubricants that support stress and reduce friction and wear (WO09 / 158675), nitrogen oxides of chromium (CrN, Cr 2 N) or niobium oxides (NbN, Nb 4 N 3 ) on metal surfaces There are a number of technologies related to high hardness coating technology (WO09 / 155677) using materials that improve surface hardness.

특히, 내마모 코팅기술은 경도가 높은 금속 및 세라믹 소재를 활용하는데, 상기 소재들은 내부가 온전히 채워진 구조를 가져 외부의 압력에 유연하게 변형되지 못하고 국부적으로 응력이 가중된다는 문제를 갖는다. 그러나 이러한 문제를 해소하기 위하여 단순히 부드러운 단일 소재를 활용할 경우, 소재 자체가 갖는 낮은 결합력으로 인하여 쉽게 응착되고 연삭마모를 일으키게 된다. In particular, the wear-resistant coating technology utilizes metal and ceramic materials having high hardness, which have a structure in which the inside is completely filled, so that the material is not deformed flexibly to external pressure and has local stresses. However, when simply using a single soft material to solve this problem, due to the low bonding strength of the material itself is easily adhered and cause abrasion wear.

한편, K.H.Zum Gahr가 1997년 1st WTC에서 발표한 논문 및 K.Kato가 2000년에 Wear지에 발표한 논문은 경도가 높은 소재에 부드러운 소재를 첨가하였을 때 나타나는 연성 효과가 마모 체적에 미치는 영향을 기재하고 있다. 상기 논문의 주요 내용은 고경도 소재의 코팅은 돌기에 의한 국부적인 마모를 유발할 수 있으며, 이러한 마모에 의하여 발생하는 마모입자는 연삭 마모의 주된 원인이 되므로 이를 해소하기 위하여 소재 선정에 있어서 부드러운 소재를 고려해야 한다는 것이다. 또한, 상기 논문은 부드러운 소재의 첨가비율에 따라 경도가 감소함에도 불구하고 마모체적은 오히려 감소하였음을 실험적으로 확인하였다.Meanwhile, a paper published by KHZum Gahr at 1st WTC in 1997 and a paper published by Wear magazine in 2000 by K.Kato describe the effect of ductile effects on the wear volume when soft materials are added to high hardness materials. Doing. The main contents of the paper are that the coating of hard materials can cause local wear due to protrusions, and wear particles caused by such wear are the main cause of grinding wear. It must be considered. In addition, the paper confirmed experimentally that the wear volume was reduced even though the hardness decreased with the addition ratio of the soft material.

이러한 결과를 통하여 경도가 높은 소재가 무조건적으로 높은 내마모성을 보장하는 것이 아니며, 내마모성을 높이기 위하여 경도가 높은 소재와 부드러운 소재를 모두 이용한 최적화된 표면설계가 요구된다는 것을 알 수 있다. These results indicate that the material with high hardness does not guarantee high wear resistance unconditionally, and that an optimized surface design using both a high hardness material and a soft material is required to increase wear resistance.

따라서, 마모를 최소화하기 위해서는 소재의 기계적 특성이 우수하여 파손되지 않으면서도 외부요인에 유연하게 대응할 수 있어, 외부 자극에 최적화된 표면강도를 지닌 코팅 구조의 개발이 요구되었다. Therefore, in order to minimize wear, it is possible to flexibly respond to external factors without breaking due to excellent mechanical properties of the material, it has been required to develop a coating structure having a surface strength optimized for external stimulation.

한편, 탄소나노튜브(CNT)는 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 튜브 모양을 이루는 구조로서 튜브의 지름이 수~수십 나노미터에 불과하며, 전기 전도도가 구리와 비슷하고 열전도율은 다이아몬드와 같으면서도 강도는 철강보다 100배나 뛰어나다. 또한, 탄소 섬유는 1%만 변형시켜도 끊어지는 반면 탄소나노튜브는 15%까지 인장되더라도 파손되지 않고, 지름방향으로는 쉽게 변형을 일으킬 수 있다. Carbon nanotubes (CNT), on the other hand, have a long tube shape of carbons connected by hexagonal rings. The diameter of the tube is only a few tens to several tens of nanometers. Is 100 times better than steel. In addition, the carbon fiber is broken even if only 1% strain, while carbon nanotubes are not broken even when stretched to 15%, it can easily cause deformation in the radial direction.

이에, 본 발명자는 상기와 같이 우수한 기계적 특성을 지닌 탄소나노튜브를 이용하여 종래의 고경도 소재만을 활용한 코팅 방법의 문제를 해결하여 수직 및 수평방향으로의 압력에 유연하게 변형하면서 그 구조를 유지할 수 있는 복합적 표면구조를 개발하였다.
Thus, the present inventors solve the problem of the coating method using only a conventional high hardness material by using carbon nanotubes with excellent mechanical properties as described above to maintain the structure while flexibly deforming to the pressure in the vertical and horizontal directions We have developed a complex surface structure.

본 발명의 목적은 종래의 고경도 소재 및 복합재 활용방법에서 벗어나, 접촉면의 표면 강성을 최적화하여 접촉압력을 저감함으로써 마모를 최소화할 수 있는 코팅 구조 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a coating structure and a method for manufacturing the same, which can minimize wear by optimizing the surface stiffness of the contact surface and reducing the contact pressure, deviating from the conventional high hardness material and composite utilization method.

또한, 본 발명의 목적은 낮은 표면에너지, 낮은 마찰력, 낮은 표면 조도를 모두 구현할 수 있는 코팅 구조 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
In addition, it is an object of the present invention to provide a coating structure and a method of manufacturing the same that can implement both low surface energy, low friction, low surface roughness.

상술한 바와 같은 목적 달성을 위하여, 본 발명은 접촉압력을 저감하여 접촉면의 마모를 최소화하기 위하여, 메쉬(mesh) 구조의 탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube) 층이 접촉면에 형성된 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조를 제공한다. In order to achieve the object as described above, the present invention provides a surface characterized in that the mesh structure of carbon nanotube (CNT, carbon nanotube) layer is formed on the contact surface in order to reduce the contact pressure to minimize wear of the contact surface It provides a wear resistant coating structure through stiffness control.

상기 탄소나노튜브층의 증착은 다양한 방법으로 이루어질 수 있으나, 바람직하게는 딥코팅(dip-coating)과 드라잉(drying)을 통하여 이루어질 수 있으며, 상기 탄소나노튜브층의 두께는 탄소나노튜브 솔루션의 증발속도 및 시편이 솔루션에서 빠져나오는 속도를 조절함으로써 제어될 수 있다. The deposition of the carbon nanotube layer may be performed in various ways, but preferably through dip-coating and drying, and the thickness of the carbon nanotube layer may be The rate of evaporation and the rate at which the specimen exits the solution can be controlled.

이때, 상기 탄소나노튜브 층의 두께는 100nm ~ 5 인 것이 바람직하며, 상기 탄소나노튜브층의 증착 후, 표면 조도를 개선하기 위하여 표면의 이물질을 제거하는 것이 바람직하다. In this case, the thickness of the carbon nanotube layer is preferably 100nm ~ 5, and after the deposition of the carbon nanotube layer, it is preferable to remove the foreign matter on the surface in order to improve the surface roughness.

또한, 상기 탄소나노튜브 층의 표면 조도를 낮추고 탄소나노튜브가 접촉면으로부터 떨어져나가는 것을 방지하기 위하여, 상기 탄소나노튜브 층 위에 나노 금속층 또는 고경도 세라믹 나노박막층을 추가로 코팅할 수 있다. In addition, in order to lower the surface roughness of the carbon nanotube layer and prevent the carbon nanotubes from falling off from the contact surface, a nano metal layer or a high hardness ceramic nano thin film layer may be further coated on the carbon nanotube layer.

이때, 상기 금속층 또는 고경도 세라믹 나노박막층의 두께는 10nm ~ 100 nm이고, 상기 금속층은 Ag, Ti, Ni 또는 Cu로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 고경도 세라믹 나노박막층은 DLC(diamond like carbon) 또는 c-BN(cubic boron nitrid)과 같은 재질로 이루어질 수 있다. At this time, the thickness of the metal layer or the high hardness ceramic nano thin film layer is 10nm ~ 100 nm, the metal layer is preferably made of Ag, Ti, Ni or Cu, the high hardness ceramic nano thin film layer is DLC (diamond like carbon) or c It may be made of a material such as -BN (cubic boron nitrid).

그리고, 낮은 표면에너지와 마찰력을 구현하기 위하여, 상기 탄소나노튜브 층 위에 나노 유기박막층이 추가로 코팅될 수 잇으며, 이때 상기 나노 유기박막층은 다양한 재질을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 PFPE(perfluoropolyether)로 이루어질 수 있다. In addition, in order to realize low surface energy and frictional force, the nano organic thin film layer may be additionally coated on the carbon nanotube layer, wherein the nano organic thin film layer may use various materials, preferably PFPE (perfluoropolyether) It may be made of.

본 발명은 메쉬 구조의 탄소나노튜브 층을 접촉면에 증착함으로써, 소재의 기계적 특성은 파손되지 않으면서도 외부 요인에 유연하게 대응할 수 있는 코팅 구조를 제공한다. 즉, 본 발명의 코팅 구조를 통하여 접촉 표면의 강성을 최적화함으로써 수많은 표면의 돌기를 가진 상대면의 접촉에 유연하게 대응하여 접촉압력을 저감하고 마모를 최소화할 수 있는 표면설계 기술을 구현할 수 있다.
The present invention provides a coating structure capable of flexibly responding to external factors without damaging the mechanical properties of the material by depositing a carbon nanotube layer of a mesh structure on the contact surface. That is, by optimizing the rigidity of the contact surface through the coating structure of the present invention, it is possible to flexibly respond to the contact of the mating surface having a number of projections on the surface to implement a surface design technique that can reduce the contact pressure and minimize wear.

도 1 - 표면강성 제어를 통한 내마모성 원리를 설명하기 위한 개념도
도 2 - 메쉬구조의 탄소나노튜브 층(5) 표면의 전자현미경 사진
도 3 - 메쉬구조의 탄소나노튜브 층(5) 측면의 전자현미경 사진
도 4a - 실리콘 웨이퍼 시편의 마찰 데이터
도 4b - 실리콘 웨이퍼에 나노유기박막(PFPE)가 코팅된 시편의 마찰 데이터
도 5a - 탄소나노튜브를 3회 코팅한 실리콘 웨이퍼 시편의 마찰 데이터
도 5b - 탄소나노튜브 3회 코팅과 나노유기박막(PFPE) 코팅이 조합된 실리콘 웨이퍼 시편의 마찰 데이터
도 6a - 탄소나노튜브를 8회 코팅한 실리콘 웨이퍼 시편의 마찰 데이터
도 6b - 탄소나노튜브 8회 코팅과 나노유기박막(PFPE) 코팅이 조합된 실리콘 웨이퍼 시편의 마찰 데이터
도 7 - 다양한 종류의 시편에 대한 마찰계수 데이터
도 8a, 8b - CVD 방법으로 증착된 CNT 코팅에 3시간 동안 4 mgf 하중을 준 후에 코팅 상에 나타난 마모흔적을 보여주는 사진 및 그래프1-conceptual diagram for explaining the principle of wear resistance through the control of surface stiffness
Figure 2-Electron micrograph of the surface of the carbon nanotube layer 5 of the mesh structure
Figure 3-Electron micrograph of the side of the carbon nanotube layer (5) of the mesh structure
Figure 4a-Friction data of silicon wafer specimen
Figure 4b-Friction data of a specimen coated with nano organic thin film (PFPE) on a silicon wafer
Fig. 5a-Friction data of silicon wafer specimens coated with carbon nanotubes three times
Figure 5b-Friction data of silicon wafer specimens incorporating three carbon nanotube coatings and nanoorganic thin film (PFPE) coatings
Fig. 6a-Friction data of silicon wafer specimen coated 8 times with carbon nanotubes
Figure 6b-Friction Data of Silicon Wafer Specimen Combining Carbon Nanotube Eight Coatings and Nano Organic Thin Film (PFPE) Coatings
7-Coefficient of friction data for various types of specimens
8A, 8B-Photographs and graphs showing wear traces on a coating after 3 hours of 4 mgf loading to the CNT coating deposited by the CVD method.

본 발명에 따른 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 이하 상세하게 설명하기로 한다. The wear-resistant coating structure and its manufacturing method through the surface stiffness control according to the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조는 도 2, 3의 전자현미경 사진에서 볼 수 있듯이, 메쉬(mesh) 구조를 가지는 탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube) 층이 마모가 일어나는 접촉면에 형성되는 것을 특징으로 한다. The wear-resistant coating structure through the surface stiffness control according to the present invention is formed on the contact surface where the wear-resistant carbon nanotube (CNT) layer having a mesh structure as shown in the electron micrographs of FIGS. 2 and 3 It is characterized by.

종래에 내마모성 코팅재로 사용되던 고경도의 소재들은 표면에 존재하는 돌기(asperity)에 의하여 국부적으로 매우 높은 접촉압력이 발생하게 되고, 이러한 압력은 상대표면의 마모를 일으키는 문제를 야기하였다. In the case of the hard materials, which are conventionally used as a wear-resistant coating material, a very high contact pressure is generated locally by the asperity present on the surface, and this pressure causes a problem of abrasion of the mating surface.

본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 인장방향으로는 구조적으로 매우 강하여 15%까지 인장되더라도 파손되지 않으나, 지름방향으로는 쉽게 변형을 일으킬 수 있는 탄소나노튜브를 마모가 일어나는 접촉면에 메쉬 구조로 증착시켰다. 이러한 구조를 통하여, 도 1에 도시된 바와 같이, 수많은 표면의 돌기를 가진 상대면의 수직 및 수평 방향으로의 접촉에 유연하게 대응하여 접촉압력을 저감시키고 걸림현상(interlocking)을 해소하여 마모를 최소화할 수 있게 된다. In the present invention, in order to solve this problem, structurally very strong in the tensile direction is not broken even if stretched to 15%, carbon nanotubes that can easily be deformed in the radial direction was deposited in a mesh structure on the contact surface where wear occurs . Through such a structure, as shown in FIG. 1, the contact surface in the vertical and horizontal directions of the mating surface having a large number of surface protrusions is flexibly responded to reduce contact pressure and solve interlocking to minimize wear. You can do it.

상기 탄소나노튜브층의 증착은 다양한 방법으로 이루어질 수 있으나, 바람직하게는 딥코팅(dip-coating)과 드라잉(drying) 방법을 혼합하여 이루어질 수 있으며, 상기 탄소나노튜브층의 두께는 탄소나노튜브 솔루션의 증발속도 및 시편이 솔루션에서 빠져나오는 속도를 조절함으로써 제어될 수 있다. The deposition of the carbon nanotube layer may be made by various methods, but preferably may be performed by mixing a dip coating and a drying method, and the thickness of the carbon nanotube layer is carbon nanotube. The rate of evaporation of the solution and the rate at which the specimen exits the solution can be controlled.

이때, 상기 탄소나노튜브 층의 두께는 접촉압력을 저감시키고 마모를 최소화하는 효과를 최적화하기 위하여 100nm ~ 5 인 것이 바람직하며, 상기 탄소나노튜브층의 증착 후에는 표면 조도를 개선하기 위하여 화학 용액 등을 활용하여 표면의 이물질을 제거할 수 있다. In this case, the thickness of the carbon nanotube layer is preferably from 100nm to 5 in order to optimize the effect of reducing the contact pressure and minimize the wear, and after the deposition of the carbon nanotube layer to improve the surface roughness, such as a chemical solution Can remove foreign substances on the surface.

또한, 상기 탄소나노튜브 층으로 인한 접촉면의 표면 조도를 낮추고 탄소나노튜브가 접촉면으로부터 떨어져나가는 것을 방지하기 위하여, 상기 탄소나노튜브 층 위에 나노 금속층 또는 고경도 세라믹 나노박막층을 추가로 코팅할 수 있다. 상기 금속층 또는 고경도 세라믹 나노박막층은 메쉬 구조가 갖는 표면조도를 낮추어 걸림 현상을 해소할 뿐만 아니라, 메쉬 구조와 바닥면 사이의 접촉면적을 넓혀 접착력을 향상함으로써 메쉬 구조의 내구성을 높일 수 있다. In addition, in order to lower the surface roughness of the contact surface due to the carbon nanotube layer and to prevent the carbon nanotubes from falling off from the contact surface, a nano metal layer or a high hardness ceramic nano thin film layer may be further coated on the carbon nanotube layer. The metal layer or the high-hardness ceramic nano thin film layer may lower the surface roughness of the mesh structure to solve the phenomenon of jamming and increase the contact area between the mesh structure and the bottom surface to improve the adhesive force, thereby increasing the durability of the mesh structure.

이때, 상기 금속층과 고경도 세라믹 나노박막층은 사용환경에 따라 다양한 물질들을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 Ag, Ti, Ni 또는 Cu 등으로 이루어진 금속층과 DLC(diamond like carbon) 또는 c-BN(cubic boron nitrid)로 이루어진 나노박막층이 사용될 수 있다. In this case, the metal layer and the high hardness ceramic nano thin film layer may use a variety of materials according to the environment, preferably a metal layer made of Ag, Ti, Ni or Cu and the like DLC (diamond like carbon) or c-BN (cubic boron nitrid) may be used.

또한, 상기 금속층의 두께는 외부의 압력에 대하여 탄소나노튜브의 메쉬 구조가 강성효과를 발휘할 수 있을 정도로 충분히 얇으면서도 탄소나노튜브 메쉬 구조로 인하여 높아진 표면조도를 낮출 수 있도록 10 ~ 100 nm의 두께인 것이 바람직하다. In addition, the metal layer has a thickness of 10 to 100 nm so as to lower the surface roughness due to the carbon nanotube mesh structure while being thin enough to exert the rigid effect of the carbon nanotube mesh structure against external pressure. It is preferable.

한편, 접촉면의 낮은 표면에너지와 낮은 마찰력을 구현하여 마모 인자를 최소화하기 위하여, 상기 탄소나노튜브 층 위에 나노 유기박막층을 추가로 코팅할 수 있다. 이때 상기 나노 유기박막층은 표면에너지를 낮출 수 있는 다양한 소재를 사용할 수 있으나, 바람직하게는 PFPE(perfluoropolyether)를 사용할 수 있다. On the other hand, in order to minimize the wear factor by realizing low surface energy and low friction of the contact surface, the nano organic thin film layer may be further coated on the carbon nanotube layer. In this case, the nano organic thin film layer may use a variety of materials that can lower the surface energy, preferably PFPE (perfluoropolyether) may be used.

도 4a, 4b는 실리콘 웨이퍼 시편과 상기 실리콘 웨이퍼에 나노유기박막(PFPE)이 코팅된 시편의 마찰력을 횡력(lateral force, 단위: gram force)으로 측정하여 도시한 것으로서, 나노유기박막을 마찰면에 코팅함으로써 마찰력을 안정화시키는 효과가 있는 것을 알 수 있다. 4A and 4B illustrate a friction force of a silicon wafer specimen and a specimen coated with a nanoorganic thin film (PFPE) on the silicon wafer by a lateral force (unit: gram force). FIG. It can be seen that there is an effect of stabilizing friction by coating.

또한, 도 5a, 5b는 탄소나노튜브를 3회 코팅한 실리콘 웨이퍼 시편과 여기에 PFPE 코팅을 추가로 조합한 시편의 마찰력을 횡력으로 측정하여 도시한 것이고, 도 6a, 6b는 탄소나노튜브를 8회 코팅한 실리콘 웨이퍼 시편과 여기에 PFPE 코팅을 추가로 조합한 시편의 마찰력을 횡력으로 측정하여 도시한 것으로서, 상기 데이터들과 하기 표 1로부터 탄소나노튜브 구조가 접촉면의 마찰력을 낮추는데 현저한 효과가 있으며, 나노유기 박막은 이렇게 낮추어진 마찰력을 안정화하는데 도움을 주는 것을 알 수 있다.
5A and 5B show the frictional force of the silicon wafer specimen coated with carbon nanotubes three times and the specimen further combined with the PFPE coating measured by the lateral force, and FIGS. 6A and 6B show the carbon nanotubes 8 The frictional force of the gray-coated silicon wafer specimen and the specimen further combined with the PFPE coating was measured and measured as a lateral force. From the data and the following Table 1, the carbon nanotube structure has a remarkable effect in lowering the frictional force of the contact surface. However, it can be seen that nanoorganic thin films help stabilize these lowered friction forces.

CNT 코팅 없음No CNT Coating 3회 CNT 코팅 3 times CNT coating 8회 CNT 코팅8 times CNT coating PFPE 없음No PFPE 0.280.28 0.120.12 0.060.06 PFPE 코팅PFPE coating 0.270.27 0.080.08 0.060.06

<PFPE와 CNT의 코팅횟수에 따른 마찰계수 값>
<Coefficient of Friction Coefficient According to Coating Count of PFPE and CNT>

도 7은 하기 표 2의 다양한 종류의 시편에 대한 마찰계수 데이터를 도시한 것으로서, 탄소나노튜브 코팅과 유기나노박막층의 조합이 종래의 티타늄 코팅면보다 마찰력을 낮추는데 현저한 효과가 있음을 확인할 수 있다. Figure 7 shows the coefficient of friction data for the various types of specimens in Table 2, it can be seen that the combination of the carbon nanotube coating and the organic nano thin film layer has a significant effect on lowering the friction than the conventional titanium coating surface.

도 8a, 8b는 하기 표 2의 B에 기재된 CVD 방법으로 증착된 CNT 코팅에 3시간 동안 4 mgf 하중을 준 후에 코팅 상에 나타난 마모흔적을 보여주는 사진과 표면 변화를 보여주는 그래프로서, Z1과 Z2 거리에서 약 1정도의 표면 변화가 있음을 확인할 수 있었으며, 유기나노박막과 나노금속박막이 함께 코팅된 CNT 시편의 경우에는 12시간 이상의 마모시험에도 마모흔적을 찾을 수 없었다.
8A and 8B are photographs showing surface wear and surface changes after applying a 4 mgf load for 3 hours to a CNT coating deposited by the CVD method described in B of Table 2 below, Z1 and Z2 distances. It was confirmed that there was about 1 surface change at, and in the case of CNT specimen coated with the organic nano thin film and the nano metal thin film, no wear trace was found in the wear test for more than 12 hours.

AA BB CC DD EE FF
티타늄이
코팅된
실리콘웨이퍼
Titanium
Coated
Silicon Wafer
CVD 방법으로
제조된
CNT 코팅
By CVD method
Manufactured
CNT coating
CNT가
5회 코팅된
실리콘웨이퍼
CNT
5 coated
Silicon Wafer
PFPE와 CNT가
5회 코팅된
실리콘웨이퍼
PFPE and CNT
5 coated
Silicon Wafer
5㎛두께로
코팅된 CNT에
타타늄을 코팅한
실리콘웨이퍼
At 5㎛ thickness
On coated CNTs
Titanium Coated
Silicon Wafer
5㎛두께로 CNT가
코팅된
실리콘웨이퍼
CNT with 5㎛ thickness
Coated
Silicon Wafer 마찰
계수friction
Coefficient
0.59
0.59
0.51
0.51
0.17
0.17
0.15
0.15
0.12
0.12
0.1
0.1

앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 메쉬 구조의 탄소나노튜브 층을 접촉면에 도입하여 접촉면이 외부 압력에 유연하게 변형되도록 함으로써, 접촉면의 접촉압력을 낮추고 걸림현상에 의한 연삭마모를 저감시킬 수 있다. As described above, the present invention is to introduce a carbon nanotube layer of the mesh structure to the contact surface so that the contact surface is flexibly deformed to the external pressure, it is possible to lower the contact pressure of the contact surface and to reduce the grinding wear caused by the locking phenomenon.

또한 나노수준의 유기박막 및 고경도 박막을 탄소나노튜브 층과 함께 적용함으로써, 메쉬 구조가 갖는 표면조도를 낮추고 전체적인 내구성을 높일 수 있으며, 유기박막층을 탄소나노튜브 층과 함께 도입하여, 접촉면의 낮은 표면에너지와 안정된 마찰력을 구현할 수 있다. In addition, by applying nano-level organic thin film and high hardness thin film together with carbon nanotube layer, it is possible to lower the surface roughness of the mesh structure and increase overall durability, and introduce organic thin film layer together with carbon nanotube layer, Surface energy and stable friction can be achieved.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the above-described specific embodiments and descriptions, and various modifications can be made to those skilled in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. And such modifications are within the scope of protection of the present invention.

Claims (15)

접촉압력을 저감하여 접촉면의 마모를 최소화하기 위하여, 메쉬(mesh) 구조의 탄소나노튜브(carbon nanotube) 층이 접촉면에 형성된 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조.
In order to reduce the contact pressure to minimize the wear of the contact surface, a wear resistant coating structure by controlling the surface stiffness, characterized in that the carbon nanotube layer of the mesh structure formed on the contact surface.
제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 층의 두께가 100nm ~ 5㎛ 인 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조.
The wear-resistant coating structure of claim 1, wherein the carbon nanotube layer has a thickness of 100 nm to 5 μm.
제1항에 있어서, 표면 조도를 낮추고 탄소나노튜브가 접촉면으로부터 떨어져나가는 것을 방지하기 위하여, 상기 탄소나노튜브 층 위에 나노 금속층이 추가로 코팅되는 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조.
The wear-resistant coating structure according to claim 1, wherein a nano metal layer is further coated on the carbon nanotube layer to lower the surface roughness and prevent the carbon nanotubes from falling off from the contact surface.
제3항에 있어서, 상기 금속층이 Ag, Ti, Ni 또는 Cu로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조.
The wear-resistant coating structure of claim 3, wherein the metal layer is made of Ag, Ti, Ni, or Cu.
제1항에 있어서, 표면 조도를 낮추고 탄소나노튜브가 접촉면으로부터 떨어져나가는 것을 방지하기 위하여, 상기 탄소나노튜브 층 위에 고경도 세라믹 나노박막층이 추가로 코팅된 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조.
The wear-resistant coating according to claim 1, wherein a high hardness ceramic nano thin film layer is further coated on the carbon nanotube layer to lower the surface roughness and prevent the carbon nanotubes from falling off from the contact surface. rescue.
제5항에 있어서, 상기 고경도 세라믹 나노박막층이 DLC(diamond like carbon) 또는 c-BN(cubic boron nitrid)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조.
The wear-resistant coating structure of claim 5, wherein the high hardness ceramic nano thin film layer is made of DLC (diamond like carbon) or c-BN (cubic boron nitrid).
제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속층의 두께가 10nm ~ 100 nm인 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조.
The wear-resistant coating structure according to any one of claims 3 to 6, wherein the metal layer has a thickness of 10 nm to 100 nm.
제1항에 있어서, 낮은 표면에너지와 마찰력을 구현하기 위하여, 상기 탄소나노튜브 층 위에 나노 유기박막층이 추가로 코팅된 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조.
The wear-resistant coating structure of claim 1, wherein the nano organic thin film layer is further coated on the carbon nanotube layer in order to realize low surface energy and frictional force.
제8항에 있어서, 상기 나노 유기박막층이 PFPE(perfluoropolyether)로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 구조.
The wear-resistant coating structure of claim 8, wherein the nano organic thin film layer is made of perfluoropolyether (PFPE).
접촉압력을 저감하여 접촉면의 마모를 최소화하기 위하여, 접촉면에 100nm ~ 5㎛ 두께의 메쉬(mesh) 구조의 탄소나노튜브(carbon nanotube) 층을 증착하는 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 방법.
In order to reduce contact pressure to minimize contact surface wear resistance coating method through surface stiffness control, depositing a carbon nanotube layer having a mesh structure of 100 nm ~ 5 ㎛ thickness on the contact surface .
제10항에 있어서, 상기 탄소나노튜브층의 증착이 딥코팅(dip-coating)과 드라잉(drying)을 통하여 이루어지며, 상기 탄소나노튜브층의 두께가 탄소나노튜브 솔루션의 증발속도 및 시편이 솔루션에서 빠져나오는 속도를 조절함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 방법.
The method of claim 10, wherein the deposition of the carbon nanotube layer is made through dip-coating and drying (drying), the thickness of the carbon nanotube layer is the evaporation rate and the specimen of the carbon nanotube solution Abrasion resistant coating method through surface stiffness control, characterized in that it is controlled by adjusting the rate of exit from the solution.
제10항에 있어서, 상기 탄소나노튜브층의 증착 후, 표면 조도를 개선하기 위하여 표면의 이물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 방법.
The method of claim 10, wherein after the deposition of the carbon nanotube layer, foreign matter on the surface is removed to improve the surface roughness.
제10항에 있어서, 상기 증착된 탄소나노튜브 층 위에 나노 금속층을 추가로 증착하는 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 방법.
The method of claim 10, further comprising depositing a nano metal layer on the deposited carbon nanotube layer.
제10항에 있어서, 상기 증착된 탄소나노튜브 층 위에 고경도 세라믹 나노박막층을 추가로 코팅하는 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 방법.
The wear-resistant coating method according to claim 10, further comprising coating a high hardness ceramic nano thin film layer on the deposited carbon nanotube layer.
제10항에 있어서, 상기 증착된 탄소나노튜브 층 위에 나노 유기박막층을 추가로 코팅하는 것을 특징으로 하는 표면 강성 제어를 통한 내마모성 코팅 방법.

The wear-resistant coating method of claim 10, further comprising coating a nano organic thin film layer on the deposited carbon nanotube layer.

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