탄소계 내마찰·내마모 소재 연구, 中·日 중심 활발

재료연, 내마찰·내마모 코팅 공정 장비·기술 국산화 주력

탄소나노구조 활용, 각 소재 단점 상호보완 형태 집중

■내마찰·내마모 소재기술

2. 연구개발 동향

2.3 탄소계 다차원 소재

1) 국내 동향

국내 탄소계 내마찰·내마모 코팅기술은 한국재료연구원(KIMS)과 한국과학기술연구원(KIST)을 중심으로 연구개발이 이루어지고 있다.

KIST에서는 오랜기간 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)을 활용한 DLC 코팅에 관한 연구를 수행했으며, 국내 중소기업에의 기술이전을 통해 기술의 상업화를 달성했다.

그러나 일반적으로 수소를 포함하는 DLC 코팅의 경우 고온에서의 안정성이 부족한 문제, 윤활 환경에서의 저마찰 거동이 불분명한 문제 등 다양한 문제점이 존재했다. 특히 가장 문제가 되는 부분은 고경도 코팅의 특성에서 나타나는 코팅막의 높은 내부응력에 의한 밀착력 저하이다.

이를 해결하기 위해 한국생산기술연구원에서는 ’09년부터 4년간 ‘고경도·저마찰 나노 박막 코팅기술 개발’연구를 통해 밀착력이 우수한 금속 기반의 고경도·저마찰 코팅기술을 개발해 발표하기도 했다.

이러한 문제를 해결할 방안으로 한국재료연구원에서는 수소가 포함되지 않은 형태의 HF-DLC 코팅에 관한 연구를 다년간 꾸준히 수행하고 있다. 한국재료연구원의 트라이볼로지 코팅 연구팀은 FCVA(Filtered Cathodic Vacuum Arc) 공정을 활용한 ta-C 코팅 장비 및 공정기술 연구를 통해 선형 이온빔을 이용한 전처리 공정부터 밀착력 향상을 위한 중간층 증착, 고경도·저마찰 특성을 가지는 ta-C 코팅에 이르기까지 극한환경용 내마찰·내마모 코팅에 관한 일체의 공정 장비와 기술을 국산화하는데 주력하고 있다.

특히 최근에는 해당 코팅 기술의 적용 다변화를 위해 진공, 고온 등의 극한환경에 적용이 가능한 HF-DLC 코팅기술에 관한 연구를 수행하며 국내의 탄소코팅 연구를 주도하고 있다.

DLC 외에도 그래핀, 탄소나노튜브 등과 같은 저차원 구조 탄소 소재 역시 내마찰·내마모 코팅을 위한 첨가제로 국내 연구에서 다양하게 활용되고 있다. 연세대학교의 연구진은 최근 Mo과 B4C의 다층 구조 중간층 상에 그래핀 코팅을 통해 표면에서 저마찰 특성이 발현되고 기판의 경도가 접촉부에서 마찰 필름의 형성에 미치는 영향을 분석했다.

또한, 최근에는 원자 수준의 수치해석을 활용한 탄소나노구조의 트라이볼로지 특성에 관한 연구도 수행되고 있다. 대부분의 연구가 중국을 중심으로 이루어지고 있지만, 국내에서는 KIST, 울산대학교, 연세대학교에서 원자 수준 수치해석을 활용해 그래핀의 표면에서 발생하는 나노 트라이볼로지 특성 분석에 관한 연구를 수행하고 있고 다양한 그래핀 레이어의 수, 상대면과의 응착력, 그래핀의 정렬 상태 등에 따라 변화하는 마찰·마모 거동에 관한 연구가 수행되고 있다.

2) 해외 동향

가. 아시아

탄소기반의 내마찰·내마모 소재에 관한 연구는 세계적으로 아시아에서 가장 활발한 연구가 수행 중인 것으로 파악되며, 그중에서도 특히 중국, 일본을 중심으로 이뤄지고 있다.

’18년 중국 장수대학교(Jiangsu University)의 연구진은 GO(Graphene Oxide)·CNT·PI(polyimide)의 나노 복합재 제조를 통해 GO와 CNT가 함께 활용되는 경우 저마찰 특성의 발현이 더욱 효과적으로 나타나는 현상을 발표했다.

또한, 최근 SKTL의 연구진은 다공성 graphite nanosphere를 제조하고 이를 윤활제와 함께 활용해 고압 환경에서 0.06 수준의 초저마찰과 우수한 내마모성을 지니면서도 우수한 내화학성을 가지는 윤활 첨가제를 개발했다.

위와 같이 다양한 연구에서 탄소 기반의 1차원, 2차원 물질은 고분자, 금속 등의 다른 소재와 함께 코팅에 활용돼 내마찰·내마모 특성을 가지는 소재 개발에 활용되고 있다.

일본의 나고야대학교(Nagoya University) 연구진은 a-C:H 코팅과 Mo을 함유하는 윤활제의 반응 분석을 통해 DLC 코팅의 Mo과의 반응에서 초저마찰 특성이 나타나는 현상을 규명했으며, MoS2, MoO3, Mo2C, MoDTC 등 다양한 물질과 DLC 코팅의 마찰화학적 반응에서 나타나는 마찰 특성을 분석했다.

엔진 사용 환경에서의 마찰 특성 분석을 통해 MoDTC와 MoS2가 극한환경 트라이볼로지에서 가장 효과적으로 내마찰·내마모 특성을 구현할 수 있는 것으로 보고했다.

중국의 충칭대학교(Chongqing Univerisyt) 연구진은 고체 윤활에 효과적으로 알려진 Si-DLC와 W 중간층을 활용해 고온에서 0.1 이하의 초저마찰, 내마모 특성을 가지는 코팅 공정과 관련된 연구결과를 발표했다.

이후 가장 최근, 충칭대학교 연구진은 Si 도핑량이 증가함에 따라 감소하는 DLC 코팅의 기계적 물성을 보완하기 위해 Si 함량이 점차적으로 줄어드는 형태의 DLC 경사코팅을 제안해 고온에서 매우 낮은 마모율을 보이면서도 저마찰 특성을 유지할 수 있는 코팅 공정기술을 발표했다.

나. 미국

미국에서도 탄소나노구조를 활용한 내마찰·내마모 코팅기술에 관한 연구를 꾸준히 수행 중이다. 최근 Texas A&M University의 연구진은 ATSP(Aromatic ThermoSetting Polyester)에 그래핀과 PTFE를 각각 혼합해 고온 저마찰 특성을 분석한 연구결과를 발표했다.

해당 연구에서는 두 물질 모두에서 고온 저마찰 특성이 나타나는 결과를 보여주었으며, 그래핀을 사용한 경우 더 넓은 온도 범위, 더 높은 온도에서 내마찰·내마모 특성이 더욱 우수하게 나타났음을 강조했다.

미국에서의 탄소나노구조 및 DLC 기반 내마찰·내마모 코팅기술에 관한 연구는 아르곤국립연구소(Argonne National Laboratory)의 엘데미르(Erdemir) 박사 연구팀에서 가장 활발히 수행 중인 것으로 보인다. 해당 연구진은 ’15년 그래핀과 나노다이아몬드를 함께 활용해 DLC 코팅과의 접촉면에서 0.004 수준의 초저마찰 특성이 발현된다는 연구 결과를 발표한 바 있다.

해당 연구에서는 원자 수준의 수치해석 모델을 통해 나노다이아몬드가 매우 짧은 시간 안에 그래핀으로 감싸지는 메커니즘을 규명했으며, 이로 인해 윤활이 없는 환경에서도 초저마찰 특성을 부여할 수 있음을 보여주었다.

이외에도 해당 연구진은 탄소를 포함한 가스 환경에서의 그래핀 형성을 통한 저마찰 특성, 그래핀과 MoS2의 혼용을 통한 초저마찰 특성 등에 관한 연구를 꾸준히 발표하면서 극한환경 적용을 위한 고체윤활로써의 탄소나노구조 활용을 선도하고 있다.

다. 유럽

유럽에서도 극한환경 트라이볼로지의 적용을 위한 방안으로 DLC 코팅에 관한 연구가 수행되고 있다. 독일 프라운호퍼 IWM(Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials)의 MicroTribology Center와 공동 연구진은 DLC 코팅의 저마찰 특성에 관한 꾸준한 연구를 수행하고 있으며, 최근에는 다이아몬드와 텅스텐 접촉면에서 발생하는 저마찰 거동에 관한 연구를 발표했다.

다른 연구에서는 거시적인 트라이볼로지 특성의 향상과 시뮬레이션을 활용한 미시적인 트라이볼로지 현상 분석이 함께 수행됐으며, 초저진공 상태에서 마찰화학적 반응을 통해 형성되는 마찰 필름으로 인해 초저마찰 특성이 발현됨을 규명했다.

이 외에도 영국, 폴란드, 오스트리아 등 다양한 유럽 국가에서 유사한 연구들이 활발히 수행 중이다.

▲ <그림 1>Diamond-W 계면에서의 거시적·미시적 마찰·마모 특성(자료 : Stoyanov et al. Materials, 13, 3791(재구성))

상기 해외 동향에서 알 수 있듯이 극한환경을 위한 내마찰·내마모 소재에 관한 연구는 대부분의 국가에서 탄소나노구조를 활용한 연구에 집중돼 있으며, 하나의 소재를 활용하는 경우보다 고분자, 탄소, 금속의 복합적 활용을 통해 각 소재가 가지는 단점을 상호 보완할 수 있는 형태의 소재 개발에 집중돼 있다.

특히 진공, 고온, 저온, 광파 등의 모든 극한환경 요소를 포함하는 우주환경의 경우 매우 다양한 소재의 조합을 통한 고부가가치성 소재의 활용이 최근 연구의 핵심이라고 판단된다.

2.4 국내외 선도기관

내마찰·내마모 환경용 소재기술은 국내의 정부출연연구소, 대학교, 기업 등 다양한 분야에서 연구를 수행하고 있으며, 기업에서는 높은 수준의 상용 코팅 장비 및 기술도 출시하고 있다.

한편 극한환경 적용을 위한 고품위 내마찰·내마모 소재기술은 정부출연연구소 및 대학을 중심으로 연구가 수행되고 있다. 내마찰·내마모 환경용 소재기술 관련 국내외 선도 연구기관과 해당 기관의 주요 연구내용은 다음의 표에 정리했다.

▲ <표 1>내마찰·내마모 환경용 소재기술 – 국내 선도연구기관

▲ <표 2>내마찰·내마모 환경용 소재기술 – 해외 선도연구기관

3. 산업 및 시장 동향

3.1 국내 동향

1) 시장규모 및 전망

내마찰·내마모 환경용 소재기술에 관한 수요는 세계시장과 국내시장 모두에서 빠른 속도로 증가하고 있다. 중소기업 전략기술로드맵(2021-2023)에서 일반기계, 정밀기계, 자동차 등 다양한 분야의 내마찰과 내마모 소재기술에 관한 수요가 지속적으로 언급되고 있음을 알 수 있다. 국내의 전략 분야에 따른 각 분야별 국내 시장 규모는 <표 3>과 같이 정리할 수 있다.

▲ <표 3>내마찰·내마모 소재 관련 분야별 국내시장 규모 및 전망(단위 : 억 원, %)(자료 : 중소벤처기업부, 중소기업 전략기술로드맵(2021-2023))

또한, 내마찰·내마모 소재기술을 포함하는 표면처리 기술의 경우에도 국내 생산기반 산업 중 가장 큰 시장규모를 형성하고 있으며 9.7%의 CAGR을 보여 향후 국내의 내마찰·내마모 표면기술과 관련된 시장은 지속적인 성장세를 이룰 것으로 전망된다.

▲ <표 4>국내 표면처리 관련 시장 규모 및 전망(단위 : 억 원, %)(자료 : 중소벤처기업부, 중소기업 전략기술로드맵(2021-2023))

특히 글로벌 경제위기 이후 자동차 및 극한환경 분야에서 PVD, CVD 등을 활용한 융합형 저마찰·내마모 건식 표면처리 기술은 수송기계 구동품 등에 활발히 적용되는 추세이며, 첨단 IT 분야에서의 다기능성 표면 코팅 등의 수요 증대로 인해 신표면처리기술의 개발이 활발히 이루어지고 있어 국내의 기술 개발이 시급한 분야로 평가된다.