오일 함침된 나노 기공 산화알루미늄 필름의 마찰 거동
김효상·김대현·한준희*·안효석**† 서울과학기술대학교 NID융합기술대학원
*한국표준과학연구원 재료측정센터
**서울과학기술대학교 국제융합학부
Friction Behavior of Oil-enriched Nanoporous Anodic Aluminum Oxide Film
Hyo-Sang Kim, Dae-Hyun Kim, Junhee Hahn* and Hyo-Sok Ahn**†
Graduate school of Nano IT Fusion Technology, Seoul National University of Science and Technology
*Korea Research Institute of Standards and Science, Division of materials measurement
**International fusion school, Seoul National University of Science and Technology (Received April 20, 2011; Revised June 15, 2011; Accepted June 20, 2011)
Abstract − Friction behavior of nanoporous anodic aluminum oxide(AAO) film was investigated. A 60 µm thick AAO film having nanopores of 45 nm diameter with 105 nm interpore-diatance was fabricated by mild anod- ization process. The AAO film was then saturated with paraffinic oil. Reciprocating ball-on-flat sliding friction tests using 1 mm diameter steel ball as the counterpart were carried out with normal load ranging from 0.1 N to 1 N in an ambient environment. The morphology of worn surfaces were analyzed using scanning electron microscopy. The friction coefficient significantly increased with the increase of load. The boundary lubrication layer of paraffinic oil contributed to the lower friction at relatively low load (0.1 N), but it is less effective at high load (1 N). Plastic deformed layer patches were formed on the worn surface of oil-enriched AAO at relatively low load (0.1 N) without evidence of tribochemical reaction. On the other hand, thick tribolayers were formed on the worn surface of both oil-enriched and as-prepared AAO at relatively high load (1 N) due to tribochemical reaction and material transfer.
Keywords − anodic aluminum oxide film(양극산화알루미늄박막), boundary lubrication(경계윤활), paraffinic oil(파라핀계 오일), friction and wear(마찰마모)
1. 서 론
나노기술이 발전함에 따라 나노구조를 가진 소재의 설계 및 개발에도 많은 진전을 이루고 있다. 특히 MEMS/NEMS 요소의 활용과 관련하여 나노구조를 가 진 표면에 대한 관심이 급증하고 있다. 양극산화 법으 로 제조한 산화 알루미늄(AAO: anodic aluminum oxide) 필름은 알루미늄 기판위에 형성된 알루미나 층 에 나노크기(20-300 nm)의 직경을 가진 튜브모양의 기
공(pore)를 규칙적으로 배열시킨 구조로 구성되는데 나 노튜브(nanotube)나 나노와이어(nanowire) 등의 나노구 조체를 만드는 틀(template)로 널리 사용되며 바이오센 서와 에너지저장용 등 다양하게 응용범위를 넓히고 있 다[1,2]. 지난 연구에서는 원자력현미경을 이용한 마찰 시험은 탐침의 선단반경(radius of curvature)가 10~
50 nm 크기인 탐침을 이용하므로 접촉압력이 MEMS/
NEMS 요소의 접촉부에 발생하는 접촉압력에 비해 과 다하게 높게 되어 실제적으로 활용할 수 있는 정보를 제공하지 않으므로 이 한계를 극복하고자 실제적인 접
†주저자·책임저자 : [email protected]
오일 중에 함침시켜 기공에 오일이 침투하도록 하였다.
AAO 필름이 마찰접촉을 할 경우에 함침된 오일이 접 촉계면으로 빠져 나와 경계윤활막을 형성 하는지와 경 계윤활막을 형성한다면 부가된 하중에 대한 마찰저감 효과의 변화를 분석하고 이에 따른 마멸현상을 조사하 고자 하였다.
2. 시험방법
2-1. 시편 제작
기공직경(pore diameter), 밀도와 두께가 제어된 정 전압 조건에서 H2C2O4를 전해질로 하여 양극산화 방 법을 통해 기공직경 45 nm, 기공간 간격 105 nm인 나노기공 산화알루미늄(AAO) 필름을 제조하였다[6].
제조된 AAO필름 시편을 파라핀계 오일인 pentadecane 오일을 넣은 용기에 500시간 동안 일정한 압력 하에 담가 놓아 나노기공에 오일이 함침되도록 하였다.
Pentadecane 오일의 기본 물성은 Table 1과 같다.
Fig. 1은 오일 함침된 AAO 필름의 개략도이다. 아래 쪽이 AAO 필름의 단면 형상을 보여주며 위쪽은 pentadecane 오일의 분자구조 형상을 보여주고 있다.
2-2. 마찰 마멸 시험
Fig. 2는 본 연구에 사용된 시험장치의 개략도이다.
미국 CETR사의 마찰시험기(UMT-2)이며 두 가지 힘 센서 (FVL과 DFM-0.5)를 사용하여 하중을 저 하중에 서부터 1,000배 이상 증가된 하중까지 폭넓게 적용할 수 있다. AAO 필름 시편과 접촉하는 상대재료는 직경 1 mm의 440C 스테인리스 강구이며 탄성계수 (elastic modulus)는 200 MPa이고, 포아송비 (Poisson's ratio)
는 0.27-0.30, 경도는 HRB 97이다. 상대재인 강구는 AAO 시편과 접촉하여 왕복동 운동을 하는데 미끄럼 속도는 0.5 mm/sec, 진폭은 3 mm, 하중은 0.1 N, 0.5 N과 1 N으로 접촉압력은 각각 478 MPa, 818 MPa 과 1030 MPa 이었다. 왕복동 싸이클 수는 300 싸이 클로 하였고, 시험은 한 조건에서 3회씩 실시하여 재 현성을 조사하였으며 마찰계수 값은 5% 이하의 편차 를 보이는 것으로 확인되었다.
3. 시험 결과 및 고찰
Fig. 3의 위 그림(Top)은 오일 함침된 AAO 필름 시편에 대해 하중을 변화시킴에 따른 마찰계수와 미끄 film.
Fig. 2. Schematic of the reciprocating wear tester.
럼 접촉 싸이클 수의 관계를 나타낸 것이다. 대체로 모 든 시험조건에서 200 싸이클 이후부터는 마찰계수가 안 정화됨이 관찰되었다. Fig. 3의 아래 그림(Bottom)은 as-prepared AAO 필름과 오일 함침된 AAO 필름의 하 중변화에 따른 마찰계수 값을 비교한 것이다. 하중(접촉 압력) 증가에 따른 마찰계수의 변화를 살펴보면, as- prepared AAO 필름의 경우 하중에 관계없이 마찰계수 가 매우 높았으며 하중 증가에 따라 약간 감소하는 경 향을 보였으나, 오일 함침된 AAO 필름의 경우 하중 이 낮은 경우에는마찰계수가 상대적으로 매우 낮으며 하중이 증가함에 따라 현저히 증가하여 as-prepared AAO 필름의 마찰계수 값으로 근접해 가는 경향을 보
였다. Fig. 4와 Fig. 5는 as-prepared AAO 필름과 오일 함침된 AAO 필름의 마찰면에 대한 전자주사현 미경(SEM) 분석 결과를 정리한 것이다. 하중이 0.1 N 으로 낮은 경우에는 as-prepared AAO 필름의 마찰접 촉면에는 심한 마찰흔적과 함께 두꺼운 변형층이 마찰 면 대부분에 형성되었으나 오일 함침된 AAO 필름의 경우에는 마찰흔적이 형성되긴 하였으나 마찰면에 형 성된 변형층의 두께가 상대적으로 얇으며 매끄러워 접 촉 환경이 as-prepared AAO 필름에 비해 현저히 개 선되었음을 알 수 있다.
Fig. 3. (Top): the coefficient of friction as a function of number of sliding cycles for oil-enriched nanoporous anodic aluminum oxide film. (Bottom): comparison of the friction coefficient against normal load between oil- enriched and as-prepared nanoporous anodic aluminum oxide film.
Fig. 4. SEM images of wear track, smooth layer and wear particles (the applied load is 0.1 N).
Fig. 5. SEM images of wear track, smooth layer and wear particles (the applied load is 1 N).
Fig. 7. SEM images and EDS analysis results for deformed layers of oil-enriched and as-prepared AAO (The applied load is noted in the inset of EDS diagram).
Fig. 6. SEM images and EDS analysis results for deformed layers of oil-enriched and as-prepared AAO film (The applied load is noted in the inset of the EDS diagrams).
Fig. 8. EDS analysis results for deformed layers of oil- enriched AAO (The applied load is noted in the inset of EDS diagram).
0.1 N으로 시험한 마찰면에 대한 분석결과인 Fig. 6을 보면 as-prepared AAO 필름의 마찰면에서 상대재인 스테인리스 강구의 주성분인 Fe와 Cr 성분이 검출되 어 물질전이(material transfer)와 화학적 반응(tribo- chemical reaction)이 복합적으로 발생하였음을 예측할 수 있으나 오일 함침된 AAO 필름의 경우 얇은 변형 층에서 AAO의 성분만이 검출되어 물질전이와 화학적 반응은 발생하지 않았음을 확인할 수 있었다. 따라서 접촉계면에 형성된 경계윤활막은 물질전이와 화학반응 을 방지하는 특성을 보이는 것으로 판단된다. 그러나 하중이 증가함에 따라 오일 함침된 AAO 필름과 as- prepared AAO 필름의 마멸면에 형성된 두꺼운 변형층 에서 공통적으로 상대재인 강구의 주성분인 Fe와 Cr 성분이 모두 검출되었으며 Fig. 8에서 보는 바와 같이 Fe와 Cr 성분의 검출강도가 하중의 증가에 비례해 증 가하고 있어 경계윤활막이 하중 증가에 비례해 점차 파손되었음을 예측할 수 있고 이에 따라 두 재료 간에 물질전이와 화학적 반응이 점차 활발하게 진행되었음 을 알 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 직경 45 nm인 튜브형 나노 기공을 가진 AAO 필름에 저점도의 파라핀계 오일(pentadecane 오일)을 함침시켜 하중의 변화에 따른 경계윤활막의 효 과와 마찰마멸 특성을 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 비교적 저 하중인 0.1 N에서는 시험 전 기간 동 안 경계운활막이 잘 보전되어 우수한 마찰 저감효과를 보였으나 하중을 증가시킴에 따라 경계운활막이 파괴 되어 마찰계수가 증가하였고 특히 1 N 하중에서는 경 계윤활 효과를 거의 볼 수 없었다.
(2) 하중이 비교적 작은 0.1 N에서는 오일 함침된
AAO 필름은 마찰흔적이나 소성변형층(plastic deformed layer)이 존재하기는 하나 as-prepared AAO 필름에 비해 상대적으로 미미하였으며, 접촉계면에 존재하는 경계윤활막에 의해 물질전이와 화학적 반응이 방지되 었다.
(3) 하중이 큰 영역인 1 N에서는 두 시편에서공통적 으로 심한 마찰흔적과 함께 두꺼운 변형층이 넓게 형 성되었으며, 경계윤활막의 손상으로 AAO필름과 강구 두 재료 간의 직접적 접촉에 따라 물질전이와 화학적 반응 현상이 모두 발생하였다.
참고문헌
1. P. Kohli, M. Wirtz, and C.R. Martin, "Nanotube Membrane Based Biosensors,” Electroanalysis, Vol.
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2. G.L. Che, B.B. Lakshmi, E.R. Fisher, and C. R. Mar- tin, “Carbon Nanotube Membranes for Electrochemi- cal Energy Storage and Production,” Nature, Vol.
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3. H. S. Kim, D. H. Kim, W. Lee, S. J. Cho, J. H.
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4. D. Julthongpiput, A. Sidorenko, H.-S. Ahn, D.-I.
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5. H.-S. Ahn, D. Julthongpiput, D.-I. Kim, and V.V.
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6. A. P. Li, F. Muller, A. Birner, K. Nielsch, and U.
Gösele, “Hexagonal Pore Arrays with a 50-420 nm Interpore Distance Formed by Self-organization in Anodic Alumina,” J. Appl. Phys., Vol. 84, pp. 6023- 6026, 1998.
