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싱가포르 연구진은 DLC(Diamond-like-carbon, 다이아몬드 성분을 포함한 특수 카본) 코팅의 특성을 더 향상시킬 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 

DLC 코팅은 높은 기계적 인성과 매우 낮은 마찰을 가진 혁신적인 기술이다. 이런 특성들은 연마재에 매우 유용한 특성이고, 하드디스크 드라이브와 같은 마이크로전자기계적 시스템 속에 DLC 박막을 폭넓게 적용할 수 있는 길을 열어 줄 것이다. 

나노크기 마찰을 원자 수준으로 시뮬레이션함으로써, A*STAR 산하의 고성능전산연구소(A*STAR Institute of High Performance Computing)의 연구진은 DLC 코팅을 보호하고 윤활하기 위한 더 나은 시스템을 디자인할 수 있는 중요한 단서를 발견했다. 

퍼플루오르폴리에터(Perfluoropolyether, PFPE)는 마찰을 감소하고 손상으로부터 재료를 보호하기 위해서 DLC 코팅된 기판 사이에 일반적으로 삽입되는 테플론과 같은 폴리머이다. 이런 매우 얇은 박막 간의 마찰 메커니즘을 이해하는 것은 매우 까다롭다. 이런 재료들은 대조적인 하드 및 소프트 기계적 특성들을 가지고, 샌드위치 배열은 DLC 코팅의 원자 구조 및 활성을 직접적으로 관찰하기가 어렵게 한다. 

나노크기 윤활제가 마이크로장치 속에서 어떻게 작용하는지를 더 잘 이해하기 위해서, 이번 연구진은 3차원 컴퓨터 모델링 프로그램을 사용해서 DLC-PFPE-DLC 삼중 층을 구성했다. 이번 연구진은 기판으로서 한 개의 DLC 슬래브(slab)와 ‘슬라이더(slider)’로서 다른 것을 사용했다. 그 후에 이번 연구진은 슬라이더가 움직일 때 윤활유 박막이 어떻게 반응하는지를 시뮬레이션하기 위해서 분자역학 기술을 사용했다. 그러나 이것은 복잡한 재료 속의 원자 상호작용을 설명하는데 문제가 있고, 이번 연구팀은 이런 시스템 속의 다체 힘(many-body force)을 복제하기 위해서 몇 개의 위치 에너지가 결합된 하이브리드 계산 방법을 개발했다. 

서로 다른 PFPE 박막 두께를 가진 서로 다른 속도의 마찰 운동을 시뮬레이션함으로써, 윤활유 박막이 고체로서 반응한다는 것을 보여주었다. 폴리머는 내부 전단(internal shearing)의 변형 없이 이것의 모양을 유지했다. 그러나 윤활유 박막은 계면에서 다음과 같은 두 개의 독특하고 경쟁적인 운동을 가졌다: ‘스틱-슬라이드(stick–slide)’ 운동, 연속적인 운동. 이번 연구팀의 분석은 이런 유형의 운동이 열 운동과 계면 거칠기와 같은 마찰 요인들에 따라서 온/오프(on/off)를 전환시킬 수 있다는 것을 증명했다. 

슬라이딩(sliding) 계면을 따라서 국부적인 마찰력을 매핑(mapping)한 후에, 이번 연구진은 간단한 수학적 수식을 사용해서 나노크기의 마찰을 설명할 수 있는 법칙과 연결시켰다. 이 연구결과는 DLC 코팅의 표면 공학을 조사하는데 매우 중요할 것이다. 

이 모델이 산업용으로 상용화되는 재료와 유사하기 때문에, 이 연구는 차세대 실험적인 개발을 위한 가이드로서 사용될 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Langmuir에 “Molecular Dynamics Simulations on the Frictional Behavior of a Perfluoropolyether Film Sandwiched between Diamond-like-Carbon Coatings” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/la404680v). 

그림. DLC 코팅과 마찰에 따른 형상 변화. 

 

KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2014-08-18


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