국내 극저온 코팅기술 특허, 시작단계 수준·내마모 코팅 치중

극한환경 기계부품용 코팅 특허 출원량, 美·日·中 순

韓·EU 특허 출원 저조, 글로벌 업체 시장 독점

■극저온 코팅기술

2.2 극저온 환경용 기계부품용 코팅기술 연구

2) 해외 동향

극한환경 코팅기술에 관한 해외 동향은 한국특허정보원 특허정보진흥센터로부터의 특허 분석에 대한 요약을 통해 기술하고자 한다. 특허 조사는 1977년부터 `20년까지 기간 중 ‘극한환경’, ‘극저온’, ‘기계부품용 계면제어’ 및 ‘트라이볼로지 해석기술’을 주요 키워드로 설정했다.

극한환경 기계부품용 코팅 기술의 특허는 `00년도부터 최근 `20년까지 증감을 반복하며 꾸준히 출원되고 있음을 확인했다.

특히, 해외 출원인의 강세가 두드러졌는데 연구기관 및 대학의 경우 `00년도~`09년도 구간 대비 `10년도~`19년도 구간에서 출원인 및 출원수가 급증했고, 미국의 시카고대학교(University of Chicago), 조지워싱턴대학교(George Washington University), 일본의 군마대학교(Gunma University)가 가장 활발한 활동을 보였다.

미국의 부품제조 및 전력관리 회사인 이턴(Eaton Corporation)과 중국 국립연구기관인 중국과학원(Chinese Academy of Sciences)에서 기계부품용 계면제어 및 트라이볼로지 특성과 관련하여 활발한 기술개발이 이루어지고 있었다. 연구기관 및 대학보다는 다수의 기업에서 고르게 기술개발 및 연구가 이루어지고 있는 것으로 나타났다.

주요 장벽특허 기술은 세부기술 범위 내에서 금속 또는 비금속 2종 또는 3종 이상이 포함된 사면체 비정질 카본코팅 공정개발, 표면 패터닝 기술을 통한 마찰 제어 연구 및 LNG선에 사용되는 펌프, 밸브 등의 기계부품과 수소자동차용 충전시스템의 볼 밸브(ball valve), 컴프레셔(compressor), 실(seal) 등의 기계 부품에 적용되는 해외 기술로 이루어지고 있었다.

미국(158건), 일본(118건), 중국(91건) 순서로 출원량이 많은 것으로 조사됐으며, 트라이볼로지 특성연구 및 코팅 기술이 적용된 제품에 대한 연구개발이 많았고, 한국과 유럽의 경우 특허 출원이 저조한 상황을 보였다.

▲ <그림 1>극한환경 기계부품용 계면제어 및 트라이볼로지 특성 기초연구의 요소기술별 특허장벽(자료 : 극저온코팅기술 해외동향 분석(한국재료연구원 극한환경코팅연구실 재구성))

가. 미국

극저온, 진공 압력, 고하중, 고속 및 부식성 환경과 같은 극한 조건에서의 윤활은 액체 윤활제의 부적절한 마찰 및 마모 특성으로 인해 마찰 학자 및 우주 엔지니어 사이에서 계속되고 있는 도전 과제이다. 미국의 경우, 지난 20년 동안 가혹 환경에서 다양한 기계요소에 대한 윤활 메커니즘을 연구하기 위해 자기 윤활성 재료(self-lubricative material) 사용과 가장 많은 실험 결과를 도출했다. 그 결과 다양한 고체윤활제의 안정적인 작동온도 범위 맵을 확보해 연구 중이다.

네바다대학교(University of Nevada)의 메네제스(P.L. Menezes) 연구그룹은 극저온에서의 저마찰 연구를 위해 진공 상태의 극저온에서 폴리이미드(PI), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및 폴리에테르에테르케톤(PEEK)에 대한 마찰 연구를 수행했고, 극저온 환경에서 모든 폴리머(polymer)가 높은 경도를 나타내어 결합 표면의 접촉면적을 줄였다는 연구결과를 발표했다.

이러한 접촉면적의 감소는 극저온에서 마찰계수(CoF)를 감소시키는데 <그림 3>은 진공의 -50℃에서 세 가지 다른 폴리머에 대한 마찰계수 및 마모율을 나타냈다. 이러한 기초 결과를 중심으로 폴리머 소재와 저마찰 및 고내구 특성을 가지는 디엘씨(DLC, diamond-like carbon) 코팅과의 결합을 통해 극저온용 코팅막의 기술개발을 선도하고 있다.

▲ <그림 2>다양한 온도 환경 하 고체윤활제 사용 분류

▲ <그림 3>-50°C의 진공에서 3가지 다른 폴리머 매트릭스 기반 복합재의 마찰계수(左) 및 마모율(右) 변화

나. 독일 및 유럽

독일의 타일러(Theiler, G.) 박사는 진공 환경에서 탄소섬유, 이황화몰리브덴(MoS2) 및 흑연으로 만든 PEEK 복합재에 대해 -80℃와 20℃ 사이에서 마찰 연구를 수행하였다. MoS2로 채워진 PEEK 복합재가 -80℃에서 표면에 높은 MoS2 농도를 갖는 매끄러운 전사 필름 개발을 통해 미끄럼 속도가 PEEK 함유 MoS2 고체 윤활제의 마찰 특성에 상당한 영향을 미친다는 것을 보고했다.

탄소섬유, PTFE 및 흑연 또는 MoS2로 채워진 PEEK 복합재료의 마찰 및 마모 거동은 -80℃~+20℃의 회전 운동 온도 범위 내 진공 상태에서 조사됐는데, MoS2가 채워진 PEEK의 슬라이딩 거동은 저온에서만 흑연을 사용한 복합재에 비해 더 나은 마찰성능을 보였다. 최근에는 MoS2와 ta-C 코팅막의 교차적층을 통해 극저온 환경 하 코팅기술에 대한 심층 연구가 진행되고 있다. 이외에도 영국, 폴란드, 오스트리아 등 다양한 유럽 국가에서 유사한 연구들이 활발히 수행 중이다.

▲ <그림 4>MoS2로 채워진 PEEK의 마찰계수(v=0.1m/s)

▲ <그림 5>MoS2로 채워진 PEEK의 시간에 따른 마찰거동(20℃(左), –80℃(右))

다. 중국

아시아에서 카본을 활용하여 저마찰 및 내마모 특성연구가 가장 활발한 곳은 중국이다. 미국의 경우 극한환경용 코팅에 대한 특허권리 확보가 중심인 반면, 중국의 경우 극한환경 코팅기술과 관련한 연구가 전 세계에서 가장 활발하게 이루어지고 있고, 연구내용도 다양하게 분포되어 있다. 특히, DLC 코팅을 중심으로 극저온뿐만 아니라 상온 및 고온 환경 하에서의 산업적 적용이 활발하게 이루어지고 있으며 적용 분야 또한 매우 다양하다.

▲ <그림 6>2000년 이후 미국 및 중국에서의 극한환경용 코팅기술 변천

중국 칭화대학교의 State Key Laboratory of tribology 연구실이 가장 대표적인 연구기관으로 현재 DLC 필름의 초윤활성(superlubricity) 메커니즘에 영향을 주는 요인을 발견하는 것과 극저온 환경에서 저마찰 및 고기능성에 관한 연구를 수행 중이다.

최근 극저온 환경용 코팅기술은 저온 환경 아래 연성 소재 사용과 더불어 고분자, 탄소 및 금속 등 소재에 대한 장점을 활용하는 환경 맞춤식 코팅 공정 개발에 중점을 두고 있다. 특히, 극저온에서의 초윤활성 상태는 미래의 기계 시스템에 있어 매우 우수한 잠재력을 가지고 있다.

또한, 코팅막의 직접적인 개발뿐만 아니라, 주변 온도, 수직 하중, 속도를 포함하는 환경적 요인과 코팅막과의 상관관계에 대한 연구를 통해 우수한 특성을 가지는 자기 윤활 성능 개발로 극저온 환경에서 효과적인 엔지니어링 응용이 가능할 것이다.

2.3 국내외 선도기관

극저온 코팅기술에 대한 국내의 정부출연 연구소, 대학교, 기업 등의 기술 수요에 부합하여 시작단계의 수준에서 연구를 수행하고 있다. 코팅기술 관련 기업은 대부분 내마모 코팅산업에 치중되어 있으며, `00년대 초반 이후로는 중소기업의 위상이 위축되고 외국 기업들이 국내에 들어와 시장을 잠식하고 있는 상황이다. `10년 이후로는 글로벌 업체가 시장을 독점하고 있어 신 환경에 대한 새로운 기술 개발은 더딘 상황이다.

극저온 환경 코팅기술 분야의 국내외 선도 연구기관 및 주요 연구내용은 <표 1>, <표 2>와 같다.

▲ <표 1>극저온 코팅 기술 – 국내 선도연구기관

▲ <표 2>극저온 코팅 기술 – 해외 선도연구기관