Evaluation of Tribological Characteristics of Diamond-Like Carbon (DLC) Coated Plastic Gear

플라스틱 기어의 트라이볼로지적 특성 향상을 위한 DLC 코팅 적용

Abstract

Demand for plastic gears are increasing in many industries due to their low production cost, light weight, applicability without lubricant, corrosion resistance and high resilience. Despite these benefits, utilizing plastic gears is limited due to their poor material properties. In this work, DLC coating was applied to improve the tribological properties of polyamide66 gear. 0 V, 40 V, and 70 V of negative bias voltages were selected as a deposition parameter in DC magnetron sputtering system. Pin-on-disk experiment was performed in order to investigate the wear characteristics of the gears. The results of the pin-on-disk experiment showed that DLC coated polyamide66 with 40 V of negative bias voltage had the lowest friction coefficient value (0.134) and DLC coated PA66 with 0 V of negative bias voltage showed the best wear resistance ($9.83{\times}10^{-10}mm^3/N{\cdot}mm$) among all the specimens. Based on these results, durability tests were conducted for DLC coated polyamide66 gears with 0 V of negative bias voltage. The tests showed that the temperature of the uncoated polyamide66 gear increased to about $37^{\circ}C$ while the DLC coated gear saturated at about $25^{\circ}C$. Also, the power transmission efficiency of the DLC coated gear increased by about 6% compared to those without coating. Weight loss of the polyamide66 gears were reduced by about 73%.

1. 서 론

플라스틱 기어는 저렴한 생산 비용, 가벼운 무게, 무윤활 작동성, 내부식성, 그리고 높은 탄성으로 인해 여러 산업분야에서 그 수요가 늘고 있다[1, 2]. 특히, 자동차 산업에서 플라스틱 기어는 금속 기어를 대체하기 위한 좋은 대안으로 주목받고 있다[3]. 이는 플라스틱 기어의 낮은 관성 및 내부 댐핑 효과가 연비 및 noise-vibration-harshness성능을 향상시키기 때문이다[4]. 하지만, 이 같은 장점에도 불구하고, 플라스틱 기어는 금속기어에 비해 취약한 재료 특성으로 가혹한 환경에서 그 응용이 제한된다[5]. 일반적으로 플라스틱은 철보다 약 100배 낮은 탄성 계수를 가지고 있다[6]. 이를 보완하기 위해 유리 또는 탄소 섬유와 같은 강화 섬유를 첨가한 플라스틱 복합소재의 기어 개발로 플라스틱 기어의 하중전달능력을 향상시킨 사례가 보고된 바 있다[7-9]. 그러나 표면에 노출된 강화섬유가 상대 기어와 마찰 시마모를 유발하는 문제점이 발견되었다[2, 10]. 또한, 플라스틱은 낮은 열전도율 가지고 있어서 작동 중에 발생한 열이 기어 이빨에 축적된다[11]. 이로 인해 기어 이빨은 쉽게 연화되어, 심각한 마모를 초래한다[5]. 작동 중 발생하는 열원은 마찰열과 히스테리시스 열로 구분되며, 이 중 마찰열이 전체 열원에 대부분을 차지한다고 알려져 있다[12, 13]. 기어에서 발생하는 마찰을 저감하기 위해 주로 이용되는 방법에는 보호 코팅 적용이 있다. 이미 금속 기어에서는 우수한 마찰 특성을 갖는 보호 코팅이 적용된 연구가 활발히 진행되고 있다[14-16]. 최근 연구에서는 플라스틱 기어의 마찰 저감을 위해 서로 다른 4가지 보호 코팅(graphite, polytetrafluoro-ethylene, molybdenum disulphide, boron nitride)을 적용한 사례가 보고된 바 있다. 이 연구에 따르면, poly-tetrafluoroethylene (PTFE) 코팅이 작동 온도를 낮추고마모를 저감한 효과를 보였지만, PTFE보다 단단한 복합소재의 플라스틱에 적용했을 때 코팅이 쉽게 마모가 된다는 한계를 보였다[2].

본 연구에서는 플라스틱 기어의 내구성 향상을 위해 보호 코팅으로 diamond-like carbon (DLC)을 제안한다. DLC는 무윤활 환경에서도 낮은 마찰 특성을 나타내는 것으로 잘 알려져 있다[14]. 또한, DLC는 높은 경도, 내마모성, 내부식성 등 우수한 트라이볼로지적 특성 가지고 있어 베어링, 엔진 부품 및 절삭 공구와 같은 일반적인 기계 부품에 널리 적용되고 있다[17-20]. DLC는 탄소를 함유한 공급원으로부터 추출된 탄소 원자 간sp² , sp³ 결합의 비정질 구조를 갖는다[20, 21]. DLC의 sp² , sp³ 결합 비율은 증착 조건과 사용된 탄소원에 따라 크게 달라질 수 있으며, 이 비율은 DLC의 기계적, 트라이볼로지적 특성에 영향을 미친다[22]. 높은 sp2 결합을 갖는 DLC는 비교적 연질이며 흑연과 비슷한 거동을 하는 반면, sp³ 결합이 지배적일 경우 다이아몬드와 같이 높은 경도와 트라이볼로지적 특성을 갖는다[23]. 기판 위로 DLC를 증착하기 위해 physical vapor dep-osition (PVD) 혹은 chemical vapor deposition (CVD)을 통상적으로 사용한다[24]. CVD의 경우 증착 온도가 상대적으로 높아 낮은 녹는점을 가지는 플라스틱에 적용이 어렵다. 따라서 본 연구에서는 플라스틱 기판에DLC 코팅을 증착하기 위해 PVD방식인 magnetronsputtering을 사용하였다. 증착 변수로 negative bias voltage를 선정하였으며, 가장 우수한 내마모성 코팅 조건을 찾기 위해 pin-on-disk 타입의 마찰 실험을 진행하였다. 이를 통해 선정된 코팅 조건을 플라스틱 기어에 적용하여 동력전달효율과 트라이볼로지적 특성을 조사하였다.

 

2. 연구방법 및 내용

 

2-1. 시편 준비

본 연구에서는 서로 다른 negative bias voltage를 이용하여 DLC 코팅된 플라스틱 중 가장 우수한 내마모성을 갖는 코팅 조건을 선정하기 위해 pin-on-disk 마찰실험을 진행하였다. 이를 위해, 직경 20 mm, 두께 5mm를 갖는 실린더 형태의 polyamide66 (PA66) 시편을 준비하였다. 기어 실험의 경우 SUS304, PA66 재질을 각각 구동기어, 피동기어로 사용했다. 각 기어의 제원과 물성은 Table 1과 같다.

 

Table 1. Gear geometry and material information

 

2-2. 코팅 증착

기판 위로 DLC 코팅을 증착하기 위하여 Fig. 1에 보이는 magnetron sputtering을 이용하였다. 증착 전 챔버 내의 진공은 5×10^-6 Torr로 설정하였다. 이후 DC power (250 mA, 40 KHz)를 graphite target (99.99%)에 적용하였고, Ar 플라즈마 생성을 위해 작동 압력을 2× 10-3 Torr로 유지하였다. Sputtering 증착법은 증착 변수를 정확하게 제어할 수 있다는 장점이 있다. Sputter-ing power, negative bias voltage, 기판 온도와 같은증착 변수는 코팅의 물리적 특성에 큰 영향을 미친다[25]. 특히, 기판에 인가되는 negative bias voltage를 통해 이온의 운동 에너지를 제어할 수 있다[25]. 이는 기판으로 다가가는 이온의 충돌에너지를 조절하여, 코팅의 기계적 특성 제어를 가능하게 한다[25, 26]. 또한, negative bias voltage는 코팅의 트라이볼로지적 특성에도 영향을 미치기 때문에 본 연구에서는 이를 증착 변수로 선정하였다[26].

따라서, 본 연구에서는 negative bias voltage 0 V, 40 V, 70 V의 DLC 1 μm를 PA66 기판에 증착했으며, 증착 시 시편 홀더의 온도는 80^oC를 넘지 않도록 유지했다.

 

Fig. 1. Schematic configuration of magnetron sputtering.

 

2-3. 코팅 기계적 특성 및 잔류응력 측정

Negative bias voltage 0 V, 40 V, 70 V로 증착된 DLC 코팅 내 잔류응력을 상대비교하기 위해 3D pro-filer (Dektak, Bruker 社)를 이용하여 DLC 표면의 곡률을 측정하였다. 이를 위해, negative bias voltage 0 V, 40 V, 70 V로 코팅된 DLC 100 nm를 실리콘 기판에 각각 증착했다. 측정된 곡률을 바탕으로 Stoney 식을 통해 잔류응력을 계산하였다[20, 26].

 

2-4. 마찰실험

코팅된 실린더형 PA66시편의 마찰 및 마모 실험은 pin-on-disk 타입의 마찰실험기(UMT2, CETR 社)를 이용하여 평가하였다. 마찰실험의 상대면은 직경 3 mm를 가지는 SUS304 볼을 사용했다. 수직하중은 200 mN을가했으며, 이는 접촉압력 66 MPa에 해당한다. 자세한 마찰실험 조건은 Table 2와 같다. 모든 실험은 건식으로 진행되었으며, 동일 실험 당 3번 이상 반복하여 반복성을 검증하였다.

 

Table 2. Conditions of pin-on-disk test

마찰실험 후, 가장 우수한 내마모성 코팅 조건을 선정하기 위해 Archard 마모 방정식을 이용하여 모든 실험의 마모율을 계산하고, 마모를 정량화하였다[20, 27].

 

2-5. 기어실험

플라스틱 기어의 내구성 평가를 위해 기어 테스터를 제작하였다. Fig. 2는 기어 테스터의 구성과 모식도를 보여준다. 기어 테스터는 AC모터에 연결된 구동축과 토크 부하를 제공하는 파우더 브레이크에 연결된 피구동축으로 구성되어 있다. 두 축에 토크 센서를 각각 설치하여 피구동축의 토크와 구동축의 토크의 비율로 동력전달효율을 계산하였다. 플라스틱 기어의 내구성 실험은 800 RPM의 회전 속도로 500,000 사이클 동안 진행하였다. 시스템의 부하는 1.1 N·m의 토크로 수행되었으며, 이는 접촉압력 42 MPa에 해당한다. 접촉압력은 국제 기어 표준 ISO 6336을 바탕으로 계산하였으며[28], 선행연구에서 제시한 값과 유사한 수준으로 설정하였다[1,28,29].

 

Fig. 2. (a) Image of gear tester components and (b) schematic of the configuration.

각 실험은 500,000 사이클 동안 진행하였다. 실험 전후 정밀 저울을 이용하여 플라스틱 기어의 중량 손실을 측정하였다. 또한, 기어의 온도를 측정하기 위해 실험 중 비접촉식 적외선 온도계를 통해 매 50,000 사이클마다 기록하였다.

 

3. 결과 및 고찰

 

3-1. 잔류응력 측정 결과

Fig. 3은 3D profiler를 이용하여 측정한 DLC 코팅의 잔류응력 측정 결과이다. 0 V, 40 V로 증착된 DLC 코팅의 평균 잔류응력은 각각 1.46 GPa, 3.21 GPa로 계산되었다. 70 V로 DLC를 증착한 경우 잔류응력이 평균 9.19 GPa로 급격히 상승한 것을 확인할 수 있다. 또한, Fig. 4에서 알 수 있듯이 DLC 코팅의 잔류응력, 경도, 탄성률이 전반적으로 negative bias voltage가 증가함에 따라 상승하는 경향을 보였다.

 

Fig. 3. Residual stress in DLC coating with respect to negative bias voltage.

 

3-2. Pin-on-disk 실험 결과

 

3-2-1. 마찰 실험 결과

Negative bias voltage 0 V, 40 V, 70 V에 따른 DLC 코팅된 PA66의 마찰계수 측정 결과는 Fig. 4와 같다. 코팅이 적용되지 않은 PA66의 경우 평균 0.423으로 시편 중 가장 높은 마찰계수를 보여주었다. 0 V로 DLC 코팅된 PA66은 평균 0.182의 마찰계수가 측정되었다.40 V로 DLC 코팅된 PA66은 시편들 중 가장 안정적이며 낮은 0.134의 마찰계수 값을 보였다. 이는 코팅되지 않은 PA66보다 68% 낮은 마찰계수이다. 70 V로 DLC 코팅된 PA66은 평균 마찰계수 0.203으로 DLC 코팅된 시편들 중에서 가장 높은 마찰 계수를 가졌다. 또한 모든 시편과 비교하여 상대적으로 높은 편차의 마찰계수를 보여주었다. 전반적으로 DLC 코팅이 적용된 시편들은 코팅되지 않은 PA66보다 낮은 마찰계수 값을 보여주었다.

 

Fig. 4. Friction coefficient of bare PA66 and DLC coated PA66.

 

3-2-2. 마모 측정 결과

Fig. 5는 마찰실험에 따른 negative bias voltage 별마모율과 마모트랙의 형상을 측정한 결과이다. 마모율을 계산하기 위해 공초점 레이저 현미경(VK-X210, Key ence 社)을 이용하여 마모가 일어난 마찰면의 마모면적을 계산하였다.

 

Fig. 5. (a) Wear rate result and wear track profiles of (b) bare PA66, (c) 0 V DLC coated PA66, (d) 40 V DLC coated PA66, (e) 70 V DLC coated PA66.

코팅을 하지 않는 PA66의 경우 3.18×10^-8 mm³ /N· mm의 다소 높은 마모율을 보였다. 0 V로 DLC 코팅된 PA66은 9.83×10-10 mm³ /N·mm으로 시편들 중 가장 낮은 마모율을 보여주었으며, 코팅되지 않는 시편과 비교해 마모가 크게 감소한 것을 확인할 수 있었다. 40 V와70 V로 DLC 코팅된 PA66의 마모율은 각각 1.39× 10^-9mm3 /N·mm, 1.46×10^-7 mm³ /N·mm 측정되었으며, neg-ative bias가 증가함에 따라 마모율과 편차가 증가하는 경향을 보였다. 70V로 DLC 코팅된 PA66의 경우 시편들 사이에서 가장 높은 마모율이 관찰되었다. 이는 증착 중에 발생하는 DLC층의 내부 응력에 의한 것으로 예상된다. 따라서, DLC 코팅된 시편들 중에서 가장 우수한 내마모성을 보이는 0 V DLC 코팅 조건을 PA66기어에 적용하였다.

 

3-3. 플라스틱 기어 내구성 실험

 

Fig. 6. Bare PA66 gear and 0V DLC coated PA66 gear.

 

Fig. 7. Temperature of bare and 0 V DLC coated PA66 gear and weight loss during durability test.

Fig. 6은 negative bias voltage 0 V로 DLC 코팅 전후의 PA66기어를 나타낸다. 코팅은 magnetron sputter-ing의 챔버 내에서 기어를 2 rpm으로 회전시키면서 15시간 동안 증착하였다. Fig. 7은 코팅되지 않은 PA66기어와 0V로 DLC 코팅된 PA66 기어의 온도와 중량손실을 보여준다. 코팅되지 않은 PA66기어는 500,000사이클 회전하는 동안 초기 온도 21^o C에서 37^o C으로 상승하였다. 반면, 0 V로 DLC 코팅된 PA66 기어는 초기 온도 21^oC에서 25^oC로 약 4^oC 상승하였다. 이는 마찰에 의한 온도 상승 폭이 DLC 코팅된 시편에서 약 4배 감소한 것이다. 또한, PA66 기어의 중량 손실이 0.0071 g에서 0.0019 g으로 약 73% 감소되었다. Fig. 8은 코팅되지 않은 PA66기어와 0V로 DLC 코팅된 PA66기어의 효율을 계산한 것이다. 기어 효율은 150 rpm, 5,000 사이클의 실험 조건에서 측정하였다. 코팅되지 않은 PA66기어는 5,000 사이클 동안 평균 45%의 동력전달효율을 보였지만, 0 V로 DLC 코팅된 PA66기어는 51%로 약 6% 향상된 것을 확인할 수 있었다. 이 결과는 SUS304 재질의 피동기어가 코팅되지 않은 PA66보다 DLC 코팅된 PA66에서 미끄러질 때 상대적으로 낮은 마찰이 발생하기 때문인 것으로 판단된다.

 

Fig. 8. Transmission efficiency of bare and 0 V DLC coated PA66 gears.

Fig. 9는 실험 후 DLC 코팅이 플라스틱 기어 이빨뿌리 부근에서 제거된 것을 보여준다. 이는 구동기어의 날카로운 이빨 끝단이 피동기어와 처음 접촉할 때 생기는 응력의 집중으로 인해 코팅이 쉽게 제거된 것으로 판단된다.

 

Fig. 9. Gear tooth flank of DLC coated gear after durability test.

또한, 실험 후 주사전자현미경(Scanning electronmicroscope, SEM, JSM-6610, JEOL 社)을 이용하여 구동기어인 SUS304 기어의 마찰면을 관찰하였다. Fig. 10에서 볼 수 있듯이, SUS304 기어의 마찰면 위로transfer layer가 형성되었음을 확인할 수 있다. 이는 플라스틱 기어에 증착된 DLC 코팅이 구동기어에 의해 마모되어 상대면에 압착된 것으로 사료된다. 이를 확인하기 위해 형성된 transfer layer에 대해 EDS (INCA X-act, Oxford Instruments 社)를 이용하여 원소분석을 수행하였다. EDS분석 결과, C(63.1 at%), O(9.48 at%), Cr(6.61 at%), Fe(18.3 at%), Ni(1.78 at%), Si(0.47 at%), Mn(0.26 at%)의 원소가 검출되었다. C원소가 다량으로 검출된 것을 보아 마모된 DLC가 SUS304기어의 마찰면으로 transfer layer를 형성한 것으로 판단된다. Fig. 9와 같이 DLC 코팅이 PA66 기어에서 일부 제거됨에 따라 코팅의 효과를 잃을 가능성이 있으나, 상대 기어의 마찰면에 transfer layer가 표면을 보호한 것으로 판단된다.

 

Fig. 10. SEM image of SUS304 gear flank (a) and transfer layer (b).

 

4. 결론 및 고찰

본 연구에서는 PA66기어의 내구성 개선을 위해 DLC 코팅을 적용하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. Pin-on-disk 마찰실험 결과, 40 V로 코팅된 DLC가 가장 낮은 마찰계수 값(0.134)을 보였으며, 0 V로 코팅된 DLC가 가장 우수한 내마모성(9.83×10-10 mm3 /N· mm)을 보였다.

2. 70 V로 코팅된 DLC의 경우, 시편들 사이에서 가장 높은 마모율(1.46×10-7 mm3 /N·mm)을 보였다. 이는 증착 시 발생하는 DLC층의 잔류응력에 의한 것으로 판단된다.

3. 0 V로 DLC 코팅된 PA66은 코팅되지 않은 PA66보다 12o C의 작동 온도 감소, 73%의 중량 손실 저감, 6%의 동력전달효율 개선 효과를 얻을 수 있었다.

4. PA66 기어 뿌리 부근에서의 DLC 코팅의 마모 심화 현상은 응력 집중 및 코팅의 접착력 부족에서 기인한 것으로 판단된다.

5. 마모된 DLC는 구동기어인 SUS304 기어의 마찰면에 부분적으로 transfer layer가 형성된 것을 확인할 수 있었다. 이는 보호층이 효과적으로 재형성하여 트라이 볼로지적 특성에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 판단된다.

본 연구의 결과는 보호 코팅을 이용한 플라스틱 기어의 내구성 개선 연구에 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.