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저마찰 윤활 어셈블리{LOW-FRICTION LUBRICATION ASSEMBLY}
본 발명은, 적어도 제1 부재 및 제2 부재를 포함하는 저마찰 윤활 어셈블리에 관한 것이며, 그의 표면 또는 코팅은 서로 접동 접촉 상태에 있고, 그 때문에 1종 이상의 마찰 감소제(산소 함유 화합물)의 존재하에, 수소 및/또는 히드록실기를 포함하는 특이적이며 고유한 트라이보필름(tribofilm)이 발현된다.
현재의 선단 기술에 있어서, 윤활 시험에서 저마찰을 얻기 위해서는 CH 3 말단 트라이보필름을 형성시키거나, 또는 예를 들면 MoS 2 또는 붕산과 같은 고체의 성층 화합물의 존재하를 이용한다. 그러나, 얻어지는 전형적인 마찰 계수는 0.04 이상 0.1 미만이 대부분이며, 0.04 미만인 것은 현재 시점에서는 거의 보고되어 있지 않다. 최근, 지구 온난화 및 오존층 파괴와 같은 지구 환경 문제가 주목받고 있다. 지구 온난화에는 C0 2 방출의 영향이 크며, C0 2 방출의 삭감, 특히 CO 2 방출 기준의 설정이 어떠한 나라에 있어서도 중요한 관심사가 되었다. CO 2 방출을 삭감하기 위한 중요 과제 중 하나가 기계, 설비 등의 마찰 손실이 원인인 에너지 손실을 감소시키는 것, 특히 자동차의 연료 효율 또는 연료 절약을 개량하는 것이며, 이것은 엔진 접동 부재 및 그에 적용되는 윤활유의 성능에 의존한다. 자동차의 연료 효율을 개량하기 위해서는, 다음과 같은 접근 방법이 있다. (1) 윤활유의 점도를 저하시키고, 그에 따라 유체 윤활 영역에 있어서의 점성 저항 및 엔진 중에서의 교반 저항을 저하시키는 방법, 및 (2) 윤활유 중에 적절한 마찰 조절제 또는 기타 첨가제를 첨가하여, 혼합 윤활 및 경계 윤활 조건하에 있어서의 마찰 손실을 저하시키는 방법이다. (특허 문헌 1)에는, 표면과, 모재 표면의 적어도 일부에 형성된 경질의 카본 박막을 갖는 모재로부터의 저마찰 접동 부재가 개시되어 있으며, 여기서 경질의 카본 박막을 유기 산소 함유 화합물의 존재하에 대향하는 부재에 접동 가능하게 접촉시키면, 경질의 카본 박막 위에 에테르 결합, 옥사이드 및 히드록실기로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 관능기를 갖는 트라이보필름이 형성된다. 특허 문헌 1: 유럽 특허 제1510594A호 명세서
<발명이 해결하고자 하는 과제> 본 발명이 목적으로 하고 있는 것은, 현행 기술의 저마찰 어셈블리보다 개량된 접동 특성을 나타내는 저마찰 윤활 어셈블리를 제안하는 것이다. <과제를 해결하기 위한 수단> 이 과제는, 이하의 것을 포함하는 저마찰 어셈블리에 의해 해결된다. 제2 부재에 대하여 상대적으로 접동 가능하고, 그의 접동 표면 위에 OH기와의 화학 친화력을 갖는 제1 부재; 및 상기 제1 부재의 접동 표면 위에 위치하는 산소 함유 화합물로서, OH기와의 수소 결합 상호 작용에 의해 상기 화학 친화력을 갖는 제1 부재의 접동 표면에 위치하도록 트라이보필름을 형성하는 것이 가능한 1종 또는 복수의 산소 함유 화합물. <발명을 실시하기 위한 최선의 형태> 이하, 본 발명의 저마찰 윤활 어셈블리에 대하여 상세히 설명한다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 저마찰 어셈블리는 제2 부재에 대하여 상대적으로 접동 가능하고, 그의 접동 표면 위에 OH기와의 화학 친화력을 갖는 제1 부재; 및 상기 제1 부재의 접동 표면 위에 위치하는 산소 함유 화합물로서, OH기와의 수소 결합 상호 작용에 의해 상기 화학 친화력을 갖는 제1 부재의 접동 표면에 위치하도록 트라이보필름을 형성하는 것이 가능한 1종 또는 복수의 산소 함유 화합물을 포함한다. 본질적으로 중요한 것은, 제1 부재의 H 또는 OH 말단 표면과, 산소 함유 화합물(윤활제) 중에 존재하는 특정한 극성 분자간의 수소 결합 상호 작용이 있다는 것이며, 여기서 상기 산소 함유 화합물(윤활제)은 가스상일 수도 있고, 액상일 수도 있다. 구체적으로, 한편으로는 상기 수소 결합성 상호 작용, 다른 한편으로는 제1 및/또는 제2 부재의 H 말단 표면에 위치한 산소 함유 화합물(윤활제)이 고유한 저마찰 윤활 어셈블리 또는 시스템의 확립에 공헌하기 때문에, 마찰의 값을 감소시켜 마찰 계수 0.04 미만의 범위, 특수한 경우에는 0.01 미만으로 하는 것이 가능해진다. 환언하면, 2방향 메커니즘(two-way mechanism)에 있어서, 제1 및/또는 제2 부재의 C, Al, Si 등과 같은 표면 원자와, 산소 함유 화합물(윤활제) 분자 중에 존재하는 히드록실기(OH기)와의 트라이보 케미컬 반응이 발생하고, 그 후 산소 함유 화합물(윤활제) 분자가 수소 결합에 의해 OH 말단 표면에 흡착된다. 따라서, 이 새롭게 생성된 마찰 계면(산소 함유 화합물(윤활제)을 포함함)은, H 말단 표면이거나 또는 OH- 및/또는 H-말단 표면 중 어느 하나이지만, 여기서 순수한 H 말단 표면보다 50 ％를 초과하는 양의 OH-말단 표면이 있는 것이 유리하다. 예를 들면, 제2 부재로서 생물학적 재료를 사용하는 경우에는, 예를 들면 OH- 및 SH-기를 포함하는 단백질이 제1 부재의 OH- 또는 H-말단 표면을 구성할 수도 있다. 바람직한 실시 양태에 있어서, 상기 제2 부재는 그의 접동 표면, 바람직하게는 OH 말단 접동 표면 위에 히드록실기를 추가로 포함하고, 트라이보필름도 접동 운동에 대응하여 수소 결합에 의해 제2 부재의 접동 표면에 부착된다. 또한, 상기 제1 부재는 비정질 물질 및 결정화 물질로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직한 실시 양태에 있어서는, 상기 제1 부재가 Si, SiO 2 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , MgO 또는 각종 단일 금속 또는 혼합 금속 조합의 산화물(옥사이드), 질화물(나이트라이드) 및 탄화물(카바이드)의 조합, 특히 실리콘 카르복사이드, 옥시나이트라이드 및 카르보나이트라이드, 화학 친화력을 갖고 히드록시드(예를 들면, 금속(OH)x)를 형성하는 경향을 갖는 원소로부터의 물질로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함한다. 화학 조성 및 결정 구조가 어떠한 경우에라도, 상기 제1 접동 부재가 다이아몬드 및 다이아몬드 라이크 카본으로 코팅될 수 있다. 이 다이아몬드 라이크 카본은 10 원자％ 이하의 양의 수소를 포함하고 있는 것이 바람직하지만, 이 다이아몬드 라이크 카본이 실질적으로 수소를 포함하지 않는 aC 타입이나 ta-C 타입의 다이아몬드 라이크 카본으로 형성되어 있는 것이 보다 바람직하다. 상기 제2 부재는, 비정질 물질 및 결정화 물질로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직한 실시 양태에 있어서는, 상기 제2 부재가 제1 부재와 동질이고 상기한 물질을 포함하거나, C, Fe, Al, Mg, Cu, Fe 합금, Al 합금, Mg 합금 및 Cu 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함한다. 상기 산소 함유 화합물(마찰 조절제, 윤활제)은 그의 화학식 중에 1개 이상의 히드록실기(OH기)를 갖고 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 산소 함유 화합물이 알코올, 카르복실산, 에스테르, 에테르, 케톤, 알데히드 및 카르보네이트로 이루어지는 군의 1종 이상, 및/또는 알코올, 카르복실산, 붕산, 에스테르, 에테르, 케톤, 알데히드 및 카르보네이트로 이루어지는 군의 1종 이상의 유도체를 포함하고 있는 것이 바람직하다. 한층 더 바람직한 실시 양태에 있어서는, 상기 산소 함유 화합물이 폴리알파올레핀(PAO), 글리세롤모노올레에이트(GMO), 글리세롤, H 2 O 및 과산화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하고, 상기 산소 함유 화합물이 H 2 O 2 또는 H 2 O와 H 2 O 2 의 혼합물, 특히 H 2 O 2 를 포함하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 별도의 바람직한 실시 양태에 있어서는, 상기 산소 함유 화합물(윤활제)이 글리세롤이다. 또한, 또 다른 별도의 바람직한 실시 양태에 있어서는, 상기 산소 함유 화합물(윤활제)이 윤활액 중에서 발견되는, 특히 루브리신-OH 이다. 더욱 바람직한 실시 양태에 있어서는, 상기 산소 함유 화합물(윤활제)이 PAO-에스테르이다. 한층 더 바람직한 실시 양태에 있어서는, 상기 산소 함유 화합물이 다가 알코올을 포함하고, 상기 다가 알코올이 이노시톨, 피로갈롤, 우루시올, 피로카테콜, 레조르시놀, 히드로퀴논, 풀러레놀, 펜타에리트리톨, 기타 당류, 이들의 이성체, 유도체 및 치환체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함한다. 상기 당류로서는 아가로오스, 아데노신삼인산, 아피오스, 아밀로오스, 아밀로펙틴, 슈가 글라스, 아라비녹실란, 알킬글리코시드, 알긴산, 알긴산나트륨, 알다르산, 알도오스, 알트로스, 알돈산, 아르부틴, 알로스, 이도스, 이눌린, 우론산, 에리트리톨, 에리트로오스, 올리고당, 카라기난, 갈락토오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 환원당, 크산탄 검, 희소당, 크실란, 크실리톨, 크실룰로오스, 크실로오스, 크실로글루칸, 키틴, 키토산, 구아검, 글리코겐, 글리코사미노글리칸, 글리코실기, 글리세르알데히드, 글루쿠로녹실란, 글루쿠로노락톤, 글루쿠론산, 글루코사민, 글루코오스, 글루코만난, 글루콘산, 굴로오스, 케토오스, 케라토황산, 겐티오비오스, 콜로디온, 콘드로이틴, 콘드로이틴황산, 사포닌, 디기토닌, 시클로아와오도린, 시클로덱스트린, 시티딜산, 시니그린, 디히드록시아세톤, 질산전분, 자당, GF2, 수크랄로스, 수크로오스, 정제당, 셀룰로오스, 셀룰로오스에테르, 셀로비오스, 증점 안정제, 소르비톨, 소르보오스, 타가토스, 다당, 탈로스, 단당, 데옥시리보스, 덱스트린, 데르마탄황산, 전화당, 전분, 당알코올, 당단백질, 트레오스, 트레할로오스, 니코틴아미드아데닌 디뉴클레오티드인산, 니코틴아미드아데닌 디뉴클레오티드, 이당, 배당체, 히알루론산, 푸코이단, 푸코오스, 사이코스, 프타퀼로사이드, 과당, 펙틴, 헤파린, 헤미셀룰로오스, 말토오스, 만니톨, 만노오스, 락토오스, 람노오스, 릭소오스, 리불로오스, 리보오스, 루틴 등을 들 수 있다. 한층 더 바람직한 실시 양태에 있어서는, 상기 산소 함유 화합물이 상기 다가 알코올 중 1종 이상과 글리세롤의 혼합물을 포함한다. 한층 더 바람직한 실시 양태에 있어서는, 상기 산소 함유 화합물이 상기 다가 알코올 중 1종 이상과 H 2 O의 혼합물을 포함한다. 상기 산소 함유 화합물은 액상물, 가스상물, 나노 입자 또는 각종 사용 가능한 증착 기술에 의한 얇은 유기 증착막(예를 들면 랭뮤어ㆍ블로젯막)인 것이 바람직하다. 상기 제1 부재의 접동 표면에 전처리를 가한 후, 제2 부재에 대하여 접동시키는 것이 바람직하다. 특히, 정밀 기계의 가공(정밀 가공)시나 정밀 기계 그 자체에 있어서, 유지 등의 컨태미넌트(오염 물질)가 염려되지만, H 2 O 2 나 알코올 등의 휘발성 물질을 산소 함유 화합물(윤활제)로서 사용한 경우에는, 이러한 컨태미넌트가 발생하지 않는다. 따라서, "시계" 등을 비롯한 정밀 기계의 가공 공정의 접동 동작(금형을 박리하는 공정 등 접동 동작이 포함된 것)이나, 그 자체가 접동 부분에 유효하다는 것을 알 수 있다. 특히, 냉간ㆍ온간 기후에서 휘발되기 쉽기 때문에, 내컨태미넌트 효과에 최적이다. 또한, 상기 정밀 가공에는 냉간 가공과 온간 가공이 있다. 냉간 가공은, 금속의 재결정 온도보다 낮은 온도에서의 소성 가공이다. 온간 가공은, 재결정 온도 미만의 온도역에 금속 재료를 가열하여 행하는 소성 가공이다. 상기 전처리에는, 청정화; 기계적 활성화, 특히 특수한 약제, 예를 들면 H 2 O 2 를 사용한 연마; 특히 레이저 또는 전자빔 처리에 의한 물리적 처리를 행한 후 H 2 O 2 를 도포함에 따른 화학적 처리가 포함되어 있는 것이 바람직하다. 바람직하게는 산소 함유 화합물(OH기 함유 윤활제)을 도포하고, 제2 부재에 대하여 접동 접촉시키기 전에 제1 부재의 접동 표면을 수소 프리(실질적으로 수소를 포함하지 않음)로 하여, 제2 부재와의 접동 접촉을 행함으로써 OH 말단 접동 표면을 제조하지만, 상기 산소 함유 화합물(OH기 함유 윤활제)은 제1 부재의 접동 표면 위에 사전에 또는 동시에 도포한다. 본 발명의 저마찰 윤활 어셈블리는, 2개의 부재간에서 극단적으로 낮은 마찰이 필요한 각종 용도에 적합하다. 이 어셈블리는, 예를 들면 기계 공학, 물리학 또는 의학의 분야에서 사용할 수 있다. 이 어셈블리는 특히 연소 기관, 의료 기기(내시경, 카테터, 시린지, 바늘, 채혈 튜브, 의료용 전자 펌프 등), 마이크로 메카니컬 기기 및 나노 메카니컬 기기(MEMS; M icro E lectro m echanical S ystem, NEMS; N ano E lectro m echanical S ystem, 특히 시계 등의 정밀 기기), 기타 저마찰이 필요한 시스템(면도기, 압축기, 펌프, 기어, 베어링 등)에 있어서 사용하는 데 바람직하다. 또한, 가공에 사용하는 공구는 가공면의 절삭부 뿐만 아니라, 절삭편이 말려 들어감에 따라 커팅면, 경사면에서의 마찰, 응착이 문제가 되는 경우가 있기 때문에, 이들 저마찰 어셈블리에 의해 가공시의 구동력의 경감이 예상될 뿐만 아니라, 응착 방지에 의해 공구 수명을 대폭 연장시킬 수 있다. 신규 저마찰 어셈블리의 제1 부재 및 제2 부재는, 각종 광범위한 물질과 조합할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 우선 제1 부재를 결정하는 것에 초점을 맞추지만, 그에 비해 제2 부재는, 예를 들면 의학용 내시경에 의해 형성되는 윤활 어셈블리 및 인체의 피부 표면, 또는 인체의 체내 혈관까지 고려한 생물학적 물질로부터 금속, 금속으로 코팅한 표면이 서로 접동하는, 예를 들면 기계 공작이나 엔진 설계, 예를 들면 내연 기관의 접동 요소에 이르기까지 폭넓다. 적어도 제1 부재가 원활한 표면을 갖고 있고, 상기 표면이 박층 코팅, 예를 들면 모재를 구성하는 금속 또는 반금속 위의 DLC 코팅을 포함하고 있는 것이 바람직하다. 상기 신규 시스템의 저마찰의 성질은, 적어도 산소 함유 화합물(OH기 함유 윤활제)과 접촉시킨 후의 OH 말단 표면을 포함하는 제1 부재의 접동 표면의 고유한 조합을 베이스로 하고 있다고 생각되지만, 상기 OH 말단 표면은 가스상 또는 액상의 산소 함유 화합물(윤활제), 예를 들면 글리세롤과 수소 결합하는 것이 가능하다. 상기 OH 말단 접동 표면이 제2 부재의 접동 표면 위에 OH기의 윤활제 퇴적에 의해 확립되거나, 또는 제2 부재의 접동 표면 그 자체가 제1 부재 및 제2 부재의 OH 말단 접동 표면과 산소 함유 화합물(윤활제)의 OH기간의 상호 작용적인 수소 결합을 확립하여, 대향하는 표면의 OH 말단에 마주 향하도록 배치된다. DLC 코팅은, 제1 부재의 측에서 사용되는 것이 바람직하다. 적어도 제1 부재의 접동 표면을 전처리하여 조도를 평활화하고, 그의 연마면에 OH 히드록실기를 탑재하는 것이 바람직하다. 이하, 첨부한 도면을 사용하면서, 본 발명의 몇 가지 실시 양태에 기초하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 도 1 및 2에서는, 제1 부재와 제2 부재가 접동하고 있는 사이에, 제1 부재와 제2 부재의 재료와 그 사이에 개재하는 산소 함유 화합물(윤활제)의 트라이보 케미컬 반응에 의해, 양 접동 표면 위에 신규 표면 화학(OH-트라이보필름이라고 함)이 형성된다. 별도의 방법으로서, 사용하기 전에 표면을 전처리함으로써 이것을 형성시킬 수 있지만, 상기 "전처리"는 화학 반응, 진공을 이용한 청정화, 특수한 약제와의 반응 및 약제 존재하에서의 기계적 연마, 또는 이들 3종의 조합 등일 수 있다. 이러한 처리는 기계적(연마), 화학적 또는 기계 화학적(H 2 O 2 ), 또는 기타 청정화 또는 물리적 성질(전자 충격 또는 이온 충격) 등일 수 있고, 이들 모두 접동 표면에 존재하는 원자를 활성화하고자 하는 것이다. OH-트라이보필름의 두께는 통상적으로 ㎚의 범위이며, 상기 OH-트라이보필름이 히드록실기(OH) 및 H 원자로 형성된 말단을 갖고 있는 것이 바람직하지만, 말단이 OH 원자로 되어 있는 것이 보다 바람직하다. 표면 위에 50 ％를 초과하는 OH기가 있는 것이 보다 바람직하다. 또한, 100 ％ OH기인 것이 더욱 바람직하다. 상기 OH-트라이보필름은 각종 분자, 예를 들면 알코올, 에스테르, 에테르, 산, 아민, 이미드, 티올, 퍼옥사이드 및 물, 그 밖의 것(예를 들면 붕산) 등과 수소 결합을 형성하는 것이 가능하기 때문에 유리하다. 일반적으로는, 물과 용이하게 수소 결합하는 것이 가능한 분자이면 어떠한 것이어도 후보 재료가 될 수 있다. 수소 결합으로 결합된 분자에 의해 OH-트라이보필름의 말단이 밀봉되면, 바람직한 H 말단 표면이 된다. H 말단 표면과 OH 말단 표면간의 마찰이 양으로 하전된 수소 원자간의 반발력 때문에 매우 낮아지며, 산소 원자의 전기 음성도 때문에 그 OH 말단 표면은 반발력이 있다. OH-트라이보필름은, 트라이보 케미컬 반응에서 필요하면 연속적으로 재형성된다. 사이에 존재하는 산소 함유 화합물(윤활제)에 의해 형성되는 2개의 접동 표면 사이에 존재하는 수소 말단 때문에, 접촉하고 있는 접동 표면, 제1 부재 및 제2 부재간에 반발력이 형성되지만, 2개의 접동 표면의 사이가 히드록실기 말단인 경우에는 반발력이 더욱 증대되며, 이것은 COH 결합이 높은 유연성을 갖고 있다는 점에서도 바람직하고, OH 화합물은 CO 결합의 주위를 자유롭게 회전하여, 마치 정상 위치(stationary position)에 있는 것과 같이 된다. 높은 표면 에너지를 갖고, 그의 수소 결합 내에서 물에 젖지 않는 성질을 갖는 잘 알려져 있는 "CH 종단 표면"에 비해, "C-OH 종단 표면"은 낮은 표면 에너지를 갖고, 물에 젖기 쉬운 성질을 갖고 있다. 그 이유는, "CH 종단 표면"은 매우 강하고, "CH 종단 표면"의 "H"는 입체 효과 때문에 수분자와 함께 수소 결합을 형성하는 것이 불가능하다고 예측된다. 이 점에 대하여 "CH-----O"의 수소 결합을 고려하면, 3개의 원자가 거의 동일한 선 위에 배열되어 있는 것이 바람직하다. 반대로, 도 7에 도시한 바와 같이 ta-C의 "COH 종단 표면"은, CO 결합이 회전하기 때문에 자유도가 있고, 그 때문에 표면의 글리세롤의 OH기와의 수소 결합에 의해 형성될 수 있는 수분자(H-----OH)의 위치가 최적화되어, 간단하게 수소 결합을 형성할 수 있다. 산소 함유 화합물(윤활제)로서 글리세롤을 사용하는 것이 바람직하지만, 글리세롤은 1 분자당 3개의 OH기를 갖고, 3개의 수소 결합이 가능하기 때문에, OH 말단 표면 위에 분자를 보다 길게 체재시키는 것이 가능해지지만, CO 및 CC 결합이 이들 축의 주위를 자유롭게 회전할 수 있기 때문에, 다소의 반발 에너지를 갖고 있다. 글리세롤 윤활 시스템은 그의 분자 형상을 최적화시키고, 바람직한 O-----HO기의 배열의 관점으로부터의 상이한 결합력을 생각하면, 보다 양호한 수소 결합 상태가 될 수 있다. 일반적으로 제1 부재와 산소 함유 화합물(윤활제) 사이 및/또는 제1 부재와 제2 부재 사이의 H 말단 표면은, OH 말단 표면을 제공하는 것보다 바람직하다고 생각된다. 본 발명의 바람직한 실시 양태에 있어서는, 상기 제1 부재가 수소 프리의 비정질 카본층(aC) 또는 수소 프리의 사면체 카본층(ta-C)의 코팅을 갖고 있다. 제2 부재도 수소 프리의 비정질 카본층(aC) 또는 수소 프리의 사면체 카본층(ta-C)의 코팅을 갖고 있는 것이 바람직하다. 특히 바람직한 것은, 제1 부재 및 제2 부재의 이하와 같은 조합이다. aC 코팅과 aC 코팅; ta-C 코팅과 aC 코팅; aC 코팅과 ta-C 코팅; ta-C 코팅과 ta-C코팅. 이들 코팅을 도포하는 데 특히 바람직한 모재는, SCM415(침탄 처리) 또는 가열 처리한 SUJ2이다. 상기 aC 및 ta-C는, 각각 도 8의 3원계 상태도에 도시한 범위에 위치하는 것이다. 이들 부재의 경우 바람직한 산소 함유 화합물(윤활제)은 글리세롤이다. 수소 프리의 카본층, 예를 들면 DLC는 산소 함유 화합물(윤활제)과 접촉함과 동시에, 산소 함유 화합물(윤활제) 위의 OH기와 반응한다. 이에 따라, OH 말단의 접동 표면이 형성된다. 도 3은, 제1 부재 및 제2 부재가 100 ％의 H 말단 표면을 포함하고 있는 신규 저마찰 윤활 어셈블리의 모델을 나타내고 있지만, 여기서 이들 사이의 반발 친화성(repulsive affinity)이 마찰 계수를 극적으로 저하시키고 있다. 이것은, 글리세롤 윤활을 사용한 수소 프리 DLC(실질적으로 수소를 포함하지 않음; ta-C)와 수소 프리 DLC 시스템의 성능을 나타내는 실험 데이터인 도 4로부터 명백하다. 별도의 방법으로서, 도 2에 있어서의 제1 부재 및 제2 부재간의 점선에 따른 마찰 계면이 OH기도 포함하고 있고, 제1 부재 및 제2 부재의 표면에 H 말단과 OH 말단이 혼합된 상태를 형성하며, 그에 따라 대향하는 부재를 서로 상대적으로 접동시킴으로써, 대향하는 부재의 H- 및/또는 OH-말단 표면간에 반발 계면을 형성시킨다. 특히 제1 부재 및/또는 제2 부재로서 DLC 및 기타 물질의 경우, 2단의 메커니즘을 구비한다. 우선, 부재 표면의 원자, 예를 들면 C, Se, Si 등과 산소 함유 화합물(윤활제) 중에 존재하는 히드록실기(OH기)의 트라이보 케미컬 반응에 기초하여, 부재 위에 OH 말단 표면을 제조한다. 이어서, 산소 함유 화합물(윤활제)의 분자를 수소 결합에 의해 그 제조된 OH 말단 표면 위에 흡착시켜, H- 및/또는 OH-말단 표면을 포함하는 제1 및/또는 제2 부재의 새로운 계면의 형성을 행한다. 이와 같이 하면, 상기 계면에 있어서의 반발력에 의해, 새로운 타입의 저마찰 윤활 어셈블리의 제조가 용이해진다.
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예로 한정되지 않는다. (실시예 1 내지 9 및 비교예 1 내지 4) 표 2에 나타낸 플레이트 및 핀을 각각의 모재에 코팅을 실시하여 제조하였다. 각 제조된 플레이트 및 핀은, 마찬가지로 표 2에 기재된 막 두께, 표면 경도 및 표면 조도를 갖는 것이다. (진동 마찰 마모 시험(SRV 마찰 시험)) 얻어진 플레이트 및 핀을 옵티몰사 제조 진동 마찰 마모 시험기(SRV 시험기)에 세팅하고, 표 2에 나타낸 윤활유(오일)로 플레이트 및 핀을 적셔, 표 1의 시험 조건으로 진동 마찰 마모 시험(SRV(핀ㆍ온ㆍ플레이트) 마찰 시험)을 행하여 마찰 계수를 측정하였다. 얻어진 결과를 표 1에 병기한다. 도 6은, 진동 마찰 마모 시험(SRV(핀ㆍ온ㆍ플레이트) 마찰 시험)의 요령을 나타내는 사시 설명도이다. 동도에 도시한 바와 같이 플레이트 위에 핀이 배치되며, 핀이 플레이트 위를 왕복 접동한다. 수직 방향의 화살표 (A)는 마찰 시험에 있어서 가해지는 하중 방향(상측으로부터 하측: 연직 방향), 수평 방향의 화살표 (B)는 핀이 플레이트면 위를 접동하는 방향(수평 방향)을 나타낸다.
본 발명의 더욱 바람직한 실시 양태에 있어서, 상기 제1 부재는 스틸, DLC 코팅 스틸 또는 Al 2 O 3 으로 제조한 것이다. 제2 부재도 스틸, DLC 코팅 스틸 또는 Al 2 O 3 으로 제조한 것이 바람직하다. 제1 부재 및 제2 부재의 특히 바람직한 조합은 이하와 같다. 스틸과 Al 2 O 3 ; DLC 코팅 스틸과 Al 2 O 3 ; DLC 코팅 Al 2 O 3 과 DLC 코팅 Al 2 O 3 ; 스틸과 스틸; Al 2 O 3 과 Al 2 O 3 ; Al 2 O 3 과 DLC 코팅 Al 2 O 3 ; DLC 코팅 스틸과 스틸; DLC 코팅 Al 2 O 3 과 스틸; DLC 코팅 스틸과 DLC 코팅 스틸. 이들 부재의 경우 바람직한 산소 함유 화합물(윤활제)은 글리세롤이다. 이하의 표 3에는, 산소 함유 화합물(윤활제)로서의 글리세롤을 스틸, DLC 코팅 스틸 및 Al 2 O 3 으로 제조한 부재와 조합한 경우의 실험 데이터를 나타낸다.
* 표 3에 있어서의 "측정 불능"이란 용어는, 트라이보필름의 두께가 10 ㎚ 미만이고, 육안으로는 물론 통상적인 광학 현미경을 사용하여 관찰할 수 없다는 것을 의미하고 있다. 이들의 부재에 대하여 더욱 바람직한 산소 함유 화합물(윤활제)은 PAO-에스테르이다. 이하의 표 4에는, 산소 함유 화합물(윤활제)로서의 PAO-에스테르를 스틸, DLC 코팅 스틸 및 Al 2 O 3 으로 제조한 부재와 조합한 경우의 실험 데이터를 나타낸다.
윤활제에 PAO-에스테르를 사용한 DLC/스틸과 Al 2 O 3 의 조합이 특히 바람직하다. * 표 4에 있어서의 "브라운 트라이보필름"이라는 용어는, 광학 현미경으로 관찰할 수 있다는 것을 의미하고 있다. 도 5는 상기 수소 프리 DLC와 수소 프리 DLC 시스템을 가스상 H 2 O 2 윤활을 사용한 경우의 실험 데이터이며, 여기서도 마찰 계수가 극적으로 저하되어 있다. PAO-에스테르 및 글리세롤 윤활을 사용한 경우에는, 루비(Al 2 O 3 )/수소 프리 DLC 시스템에 있어서도 마찰 계수가 크게 저하된다. 이것은, 도 9 및 도 10으로부터 분명하다. 도 9는 글리세롤 윤활을 사용한 루비(Al 2 O 3 )/수소 프리 DLC 시스템의 성능을 나타내는 실험 데이터이고, 도 10은 PAO-에스테르 윤활을 사용한 루비(Al 2 O 3 )/수소 프리 DLC 시스템의 성능을 나타내는 실험 데이터이다. 또한, 마찬가지로 PAO-에스테르 및 글리세롤 윤활을 사용한 경우에는, 루비(Al 2 O 3 )/스틸(Fe; 철) 시스템에 있어서도 마찰 계수가 크게 저하된다. 이것은, 도 1 및 도 12로부터 분명하다. 도 11은 글리세롤 윤활을 사용한 루비(Al 2 O 3 )/스틸 시스템의 성능을 나타내는 실험 데이터이고, 도 12는 PAO-에스테르 윤활을 사용한 루비/스틸 시스템의 성능을 나타내는 실험 데이터이다. 이하, 상기 실시 양태로부터 파악되는 본 발명의 기술적 근거에 대하여 설명한다. (1) 제2 부재에 대하여 상대적으로 접동 가능하고, 그의 접동 표면 위에 OH기와의 화학 친화력을 갖는 제1 부재; 및 상기 제1 부재의 접동 표면 위에 위치하는 산소 함유 화합물로서, OH기와의 수소 결합 상호 작용에 의해 상기 화학 친화력을 갖는 제1 부재의 접동 표면에 위치하도록 트라이보필름을 형성하는 것이 가능한 1종 또는 복수의 산소 함유 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 저마찰 윤활 어셈블리. (2) 상기 (1)에 있어서, 상기 제2 부재가 추가로 그의 접동 표면 위에 OH기와의 화학 친화력을 갖고, 상기 트라이보필름이 접동 운동에 응답하여 OH기와의 수소 결합 상호 작용에 의해 상기 제2 부재의 접동 표면에도 형성되는 것이 가능한 저마찰 윤활 어셈블리. (3) 상기 (1)에 있어서, 일정한 접동 운동 후, 상기 제1 부재의 접동 표면에 1개 이상의 OH 말단이 부여되는 저마찰 윤활 어셈블리. (4) 상기 (1) 또는 (3)에 있어서, 상기 제1 부재의 표면에 부여된 1개 이상의 OH 말단과 상기 산소 함유 화합물 중의 OH기와의 수소 결합 상호 작용에 의해 제1 부재의 접동 표면에 위치하도록 트라이보필름을 형성하는 저마찰 윤활 어셈블리. (5) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 있어서, 일정한 접동 운동 후, 상기 제2 부재의 접동 표면에 추가로 1개 이상의 OH 말단이 부여되는 저마찰 윤활 어셈블리. (6) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제2 부재의 표면에 부여된 1개 이상의 OH 말단과 상기 산소 함유 화합물 중의 OH기와의 수소 결합 상호 작용에 의해 제2 부재의 접동 표면에 위치하도록 트라이보필름을 형성하는 저마찰 윤활 어셈블리. (7) 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 부재가 비정질 물질 및 결정화 물질로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 저마찰 윤활 어셈블리. (8) 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 부재가 Si, SiO 2 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , MgO 또는 각종 단일 금속 또는 혼합 금속의 산화물(옥사이드), 질화물(나이트라이드) 및 탄화물(카바이드)의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 저마찰 윤활 어셈블리. (9) 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 부재가 실리콘 카르복사이드, 옥시나이트라이드 및 카르보나이트라이드, 화학 친화력을 갖고 히드록시드(예를 들면 금속 (OH)x)를 형성하는 경향을 갖는 원소로 형성된 물질, 다이아몬드 및 다이아몬드 라이크 카본으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 저마찰 윤활 어셈블리. (10) 상기 (8) 또는 (9)에 있어서, 상기 다이아몬드 라이크 카본이 10 원자％ 이하의 양의 수소를 포함하는 저마찰 윤활 어셈블리. (11) 상기 (1)에 있어서, 상기 다이아몬드 라이크 카본이 실질적으로 수소를 포함하지 않는 aC 타입 또는 ta-C 타입의 다이아몬드 라이크 카본으로 형성되어 있는 저마찰 윤활 어셈블리. (12) 상기 (1) 내지 (11) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제2 부재가 비정질 물질 및 결정화 물질로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 저마찰 윤활 어셈블리. (13) 상기 (1) 내지 (12) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제2 부재가 Si, SiO 2 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , MgO 또는 각종 단일 금속 또는 혼합 금속의 산화물(옥사이드, 질화물(나이트라이드) 및 탄화물(카바이드)의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 저마찰 윤활 어셈블리. (14) 상기 (1) 내지 (13) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제2 부재가 실리콘 카르복사이드, 옥시나이트라이드 및 카르보나이트라이드, 화학 친화력을 갖고 히드록시드(금속 (OH)x)를 형성하는 경향을 갖는 원소로 형성된 물질, 다이아몬드 및 다이아몬드 라이크 카본으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 저마찰 윤활 어셈블리. (15) 상기 (1) 내지 (12) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제2 부재가 C, Fe, Al, Mg, Cu, Fe 합금, Al 합금, Mg 합금 및 Cu 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 저마찰 윤활 어셈블리. (16) 상기 (1) 내지 (15) 중 어느 하나에 있어서, 상기 산소 함유 화합물이 접동 표면에 부착된 1개 이상의 히드록실기를 갖는 저마찰 윤활 어셈블리. (17) 상기 (1) 내지 (16) 중 어느 하나에 있어서, 상기 산소 함유 화합물이 알코올, 카르복실산, 에스테르, 에테르, 케톤, 알데히드 및 카르보네이트로 이루어지는 군의 1종 이상 및/또는 알코올, 카르복실산, 에스테르, 에테르, 케톤, 알데히드 및 카르보네이트로 이루어지는 군의 1종 이상의 유도체를 포함하는 저마찰 윤활 어셈블리. (18) 상기 (1) 내지 (17) 중 어느 하나에 있어서, 상기 산소 함유 화합물이 OH기를 1개 이상 포함하는 저마찰 윤활 어셈블리. (19) 상기 (1) 내지 (17) 중 어느 하나에 있어서, 상기 산소 함유 화합물이 폴리알파올레핀(PAO), 글리세롤모노올레에이트(GMO), 글리세롤, H 2 O 및 과산화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 저마찰 윤활 어셈블리. (20) 상기 (1) 내지 (19) 중 어느 하나에 있어서, 상기 산소 함유 화합물이 H 2 O 2 , H 2 O 2 와 H 2 O의 혼합물, 또는 H 2 O 2 와 글리세롤의 혼합물을 포함하는 저마찰 윤활 어셈블리. (21) 상기 (1) 내지 (19) 중 어느 하나에 있어서, 상기 산소 함유 화합물이 다가 알코올을 포함하는 저마찰 윤활 어셈블리. (22) 상기 (21)에 있어서, 상기 다가 알코올이 이노시톨, 피로갈롤, 우루시올, 피로카테콜, 레조르시놀, 히드로퀴논, 풀러레놀, 펜타에리트리톨, 기타 당류, 이들의 이성체, 유도체 및 치환체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 저마찰 윤활 어셈블리. (23) 상기 (1) 내지 (22) 중 어느 하나에 있어서, 상기 산소 함유 화합물이 상기 다가 알코올 중 1종 이상과 글리세롤의 혼합물을 포함하는 저마찰 윤활 어셈블리. (24) 상기 (1) 내지 (22) 중 어느 하나에 있어서, 상기 산소 함유 화합물이 상기 다가 알코올 중 1종 이상과 H 2 O의 혼합물을 포함하는 저마찰 윤활 어셈블리. (25) 상기 (1) 내지 (24) 중 어느 하나에 있어서, 상기 산소 함유 화합물이 윤활액에서 발견되는 저마찰 윤활 어셈블리. (26) 상기 (1) 내지 (25) 중 어느 하나에 있어서, 상기 산소 함유 화합물이 루브리신에서 발견되는 저마찰 윤활 어셈블리. (27) 상기 (1) 내지 (26) 중 어느 하나에 있어서, 상기 산소 함유 화합물이 루브리신-OH에서 발견되는 저마찰 윤활 어셈블리. (28) 상기 (1) 내지 (27) 중 어느 하나에 있어서, 상기 산소 함유 화합물이 액상물, 가스상물, 나노 입자 또는 각종 사용 가능한 증착 기술에 의한 얇은 유기 증착막, 특히 랭뮤어ㆍ블로젯막인 저마찰 윤활 어셈블리. (29) 상기 (1) 내지 (28) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 부재의 접동 표면에 전처리를 가한 후, 제2 부재에 대하여 접동시키는 저마찰 윤활 어셈블리. (30) 상기 (1) 내지 (29) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제2 부재의 접동 표면에 추가로 전처리를 가한 후, 제1 부재에 대하여 접동시키는 저마찰 윤활 어셈블리. (31) 상기 (29) 또는 (30)에 있어서, 상기 전처리가 청정화; 기계적 활성화, 특히 연마; 산소 함유 화합물의 도포에 의한 화학적 처리; 또는 레이저, 이온빔 또는 전자빔 처리에 의한 물리적 처리를 포함하는 저마찰 윤활 어셈블리. (32) 상기 (31)에 있어서, 상기 화학적 처리를 행하는 산소 함유 화합물이 휘발성이 높은 것인 저마찰 윤활 어셈블리. (33) 상기 (32)에 있어서, 상기 휘발성이 높은 산소 함유 화합물이 H 2 O 2 인 저마찰 윤활 어셈블리. (34) 상기 (1) 내지 (33) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 부재의 접동 표면이 산소 함유 화합물을 도포하여 상기 제2 부재에 대하여 접동 접촉시키기 전에는 수소 프리이지만, 상기 산소 함유 화합물을 제1 부재의 접동 표면 위에 사전에 또는 동시에 도포하여 제2 부재와의 접동 접촉을 행함으로써 OH 말단 접동 표면을 포함하는 저마찰 윤활 어셈블리. (35) 상기 (1) 내지 (34) 중 어느 하나 기재된 저마찰 윤활 어셈블리를 적용한 연소 기관. (36) 상기 (1) 내지 (34) 중 어느 하나에 기재된 저마찰 윤활 어셈블리를 적용한 것을 특징으로 하는 의료 기기. (37) 상기 (36)에 있어서, 내시경, 카테터, 시린지, 바늘, 채혈 튜브 및 의료용 전자 펌프인 의료 기기. (38) 상기 (1) 내지 (34) 중 어느 하나에 기재된 저마찰 윤활 어셈블리를 적용한 면도기. (39) 상기 (1) 내지 (34) 중 어느 하나에 기재된 저마찰 윤활 어셈블리를 적용한 것을 특징으로 하는 시계, 압축기, 펌프, 기어, 베어링 및 가공용 공구(바이트). (40) 상기 (1) 내지 (34) 중 어느 하나에 기재된 저마찰 윤활 어셈블리를 적용한 정밀 가공. (41) 상기 (40)에 있어서, 상기 정밀 가공이 냉간 가공 또는 온간 가공인 정밀 가공. (42) 상기 (1) 내지 (34) 중 어느 하나에 기재된 저마찰 윤활 어셈블리를 적용한 정밀 기계. (43) 제2 부재에 대하여 상대적으로 접동 가능하고, 그의 접동 표면 위에 OH기와의 화학 친화력을 갖는 제1 부재; 및 상기 제1 부재의 접동 표면 위에 위치하는 산소 함유 화합물로서, OH기와의 수소 결합 상호 작용에 의해 상기 화학 친화력을 갖는 제1 부재의 접동 표면에 위치하도록 트라이보필름을 형성하는 것이 가능한 1종 또는 복수의 산소 함유 화합물을 포함하는 저마찰 윤활 어셈블리를 적용한 시계. (44) 상기 (43)에 있어서, 상기 제2 부재가 추가로 그의 접동 표면 위에 OH기와의 화학 친화력을 갖고, 접동 운동에 응답하여 상기 OH기와의 수소 결합 상호 작용에 의해 상기 제2 부재의 접동 표면에도 상기 트라이보필름이 형성되는 것이 가능한 시계. (45) 상기 (43)에 있어서, 일정한 접동 운동 후, 상기 제1 부재의 접동 표면에 1개 이상의 OH 말단이 부여되는 시계. (46) 상기 (43) 또는 (45)에 있어서, 상기 제1 부재의 표면에 부여된 1개 이상의 OH 말단과 상기 산소 함유 화합물 중의 OH기와의 수소 결합 상호 작용에 의해 제1 부재의 접동 표면에 위치하도록 트라이보필름을 형성하는 시계. (47) 상기 (43) 내지 (46) 중 어느 하나에 있어서, 일정한 접동 운동 후, 상기 제2 부재의 접동 표면에 추가로 1개 이상의 OH 말단이 부여되는 시계. (48) 상기 (43) 내지 (47) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제2 부재의 표면에 부여된 1개 이상의 OH 말단과 상기 산소 함유 화합물 중의 OH기와의 수소 결합 상호 작용에 의해 제2 부재의 접동 표면에 위치하도록 트라이보필름을 추가로 형성하는 시계. (49) 상기 (43) 내지 (48) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 부재가 적어도 Al 2 O 3 을 포함하는 시계. (50) 상기 (43) 내지 (49) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제2 부재가 Fe 및 Fe 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 시계. (51) 상기 (43) 내지 (50) 중 어느 하나에 있어서, 상기 산소 함유 화합물이 폴리알파올레핀(PAO), 글리세롤모노올레에이트(GMO), 글리세롤로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 시계. (52) 상기 (43) 내지 (51) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 부재가 Al 2 O 3 이고, 상기 제2 부재가 Fe 또는 Fe 합금이고, 상기 산소 함유 화합물이 글리세롤인 시계. (53) 상기 (43) 내지 (52) 중 어느 하나에 있어서, 상기 Al 2 O 3 로 이루어진 제1 부재가 앵커에 설치된 플루크(fluke)이고, 상기 Fe 또는 Fe 합금으로 이루어진 제2 부재가 탈진 바퀴인 시계.
[도 1] 상이한 제1 부재와 제2 부재로 형성된 저마찰 어셈블리의 모식적이고 일반적인 개략도이다. [도 2] 유사한 제1 부재와 제2 부재를 사용한 저마찰 어셈블리의 모식도이다. [도 3] OH 말단 표면을 갖는 제1 및 제2 부재를 갖는 저마찰 어셈블리와, 각각의 표면 위의 산소 함유 화합물(윤활제)로서의 글리세롤의 단분자층을 나타낸 도 면이다. 점선은 수소 결합과 접동 계면을 나타낸다. [도 4] 글리세롤 윤활을 사용한 수소 프리 DLC와 수소 프리 DLC 시스템의 성능을 나타낸 도면이다. [도 5] 가스상 H 2 O 2 윤활을 사용한 수소 프리 DLC와 수소 프리 DLC 시스템을 나타낸 도면이다. [도 6] 진동 마찰 마모 시험기(SRV 접동 시험)의 시험 조건을 모식적으로 나타낸 도면이다. [도 7] 글리세롤과 ta-C간의 결합을 나타낸 설명도이다. [도 8] ta-C 및 aC의 범위를 나타낸 3원계 상태도이다. [도 9] 글리세롤 윤활을 사용한 루비(Al 2 O 3 )/수소 프리 DLC 시스템의 성능을 나타낸 도면이다. [도 10] PAO-에스테르 윤활을 사용한 루비(Al 2 O 3 )/수소 프리 DLC 시스템의 성능을 나타낸 도면이다. [도 11] 글리세롤 윤활을 사용한 루비(Al 2 O 3 )/스틸 시스템의 성능을 나타낸 도면이다. [도 12] PAO-에스테르 윤활을 사용한 루비(Al 2 O 3 )/스틸 시스템의 성능을 나타낸 도면이다. [도 13] 1 중량％의 이노시톨을 포함하는 글리세롤을 윤활제로서 사용한 루 비(Al 2 O 3 )/스틸 시스템의 성능을 나타낸 도면이다. |
