H사 협력사 엔진부품에 적용, 고경도·저마찰 나노복합코팅기술 실용화

국내 연구진이 내연기관차의 엔진 내부나 부품을 단단하면서도 매끄럽게 코팅해 마찰·마모·부식으로 인한 에너지 손실을 줄이고, 부품 수명을 늘리는 저마찰 코팅기술을 개발했다.

한국생산기술연구원(원장 이낙규) 친환경열표면처리부문 문경일 박사, 윤혜원 박사 연구팀이 기존 코팅 막과 경도는 같으면서 마찰계수는 30%가량 줄인 고경도·저마찰 나노복합코팅기술을 개발했다.

개발된 기술은 다양한 물질을 단일 합금타겟으로 만들고, 융복합 공정을 통해 고속으로 스퍼터링 할 수 있는 제조기술을 확보했다는 점에서 국내 최초이자 최고 기술로 평가받고 있다.

나노복합코팅기술 개발 성과는 물리·화학적 특성이 다른 3가지 이상의 물질을 혼합해 단일 합금타겟으로 만든 것이 핵심이다.

고경도·저마찰 기능을 부여해주는 원소들은 물과 기름처럼 섞이지 않아 각각의 타겟을 따로 제조해야 하는데, 단일합금 타겟은 여러 성분을 하나의 타겟으로 만들어 증착공정은 줄이고 증착 속도는 5배 높였다.

연구팀은 마찰계수를 낮추는 연질금속과 원소들을 혼합해 급속 냉각시키는 방식으로 합금분말을 제조하고, 여기 압력과 열을 가해 다성분 단일 합금소재를 생성해 냈다.

이 금속소재를 가공한 후 스퍼터링 공정을 통해 다양한 특성을 동시 에 구현하는 나노구조의 코팅 소재로 합성한 것이다.

개발된 나노복합코팅 소재는 2개 이상의 상(Phase)이 공존하는 구조로, 비정질 기반에 10나노미터(㎚) 미만 크기의 다양한 결정상들을 균일하게 포함하는 형태이다.

코팅의 기능성을 높이기 위해 투입되는 Zr(지르코늄), Cu(구리), Si(규소)가 윤활 환경에서 ‘트리보필름(Tribofilm)’을 형성해 마찰·마모로부터 표면을 보호할 수 있도록 개발되었다.

‘트리보필름’은 윤활제와 코팅의 상호작용에 의해 마찰 표면에 형성되는데, 이 필름이 카페트와 같은 역할을 해 심각한 마모로부터 엔진부품을 보호하게 된다.

개발된 소재는 가혹한 윤활 환경에서 Tribofilm을 빠르게 형성하기 때문에 기존 자동차 부품에 적용돼 온 CrN(Chromium Nitride) 코팅과 비교해 부품 마모율이 75% 개선된 것으로 나타났다.

윤혜원 박사는 “단일 합금타겟 및 고속 증착기술을 통해 구현된 나노복합코팅기술을 자동차 내연기관에 적용할 경우 연비를 4~7% 높일 수 있어 H사 협력사의 엔진부품에 적용해 실용화 중”이라고 말하며 “향후 추가 연구를 통해 전기자동차, 우주·항공, 로봇 분야에도 적용할 수 있는 나노복합코팅기술을 개발할 계획”이라고 밝혔다.