내마모성

[KIMS TECH] 극저온 부품 내구성을 높이는 트라이볼로지 코팅 기술

세계적인 탄소 중립 흐름에 따라 수소와 암모니아 같은 신재생 에너지가 주목받고 있습니다. 이러한 연료들은 극저온 상태에서 저장과 운송이 이루어져야 한다는 공통된 특징이 있습니다. 하지만 극저온 환경에서는 기존의 표면 코팅 기술이 쉽게 깨지거나 박리되는 등 물리적 한계를 보입니다. 밸브나 베어링 같은 기계 부품의 내구성과 기밀성을 확보하는 것이 에너지 전환 시대의 핵심적인 과제로 부상하고 있으며, 이를 해결하기 위한 정밀한 소재 공학적 접근이 절실히 요구되는 시점입니다. 한국재료연구원 연구팀은 계면층, 중간층, 표면층으로 구성된 혁신적인 다층 코팅 구조를 개발하여 이러한 문제를 해결했습니다. 모재 표면의 미세한 결함을 나노 수준으로 초평탄화 처리하여 계면의 접합력을 극대화한 것이 특징입니다. 또한 조밀한 판상 구조의 티타늄 기반 중간층을 적용하여 극저온에서 발생하는 열 응력과 외부 하중을 효과적으로 분산시켰습니다. 실험 결과 기존 대비 파괴 인성이 38% 이상 향상되는 등 극저온 환경에서도 구조적 안정성을 획기적으로 확보하는 데 성공했습니다. 일반적인 환경과 달리 극저온에서는 마찰열이 거의 발생하지 않아 저마찰 트라이보 필름이 자연적으로 형성되기 어렵습니다. 연구팀은 탄소계 표면층 내에 전이 금속을 특정 합금비로 도핑하는 기술을 통해 나노 다층 탄소 구조를 형성했습니다. 이를 통해 극저온 마찰 환경에서도 스스로 저마찰 트라이보 필름이 만들어지도록 유도했습니다. 결과적으로 초고진공 환경에서도 마찰 계수를 0.03 이하로 낮춤은 물론, 내마모성과 충격 저항성을 동시에 강화하여 부품의 수명을 획기적으로 연장할 수 있게 되었습니다. 산업 현장에서의 실용성을 높이기 위해 연구팀은 세 개의 레이어를 형성하는 과정을 하나의 챔버 안에서 수행할 수 있는 일체형 공정을 설계했습니다. 이 공정은 실제 파일럿 챔버에서 반복적인 실험을 거쳐 성능과 안정성을 철저히 검증받았습니다. 기술 이전과 양산 확대를 위한 스케일업 기반이 마련되어 있어, 실험실 단계를 넘어 실제 산업 현장에 즉시 적용할 수 있는 준비를 마쳤습니다. 상대재의 종류와 상관없이 일관된 마찰 특성을 발휘한다는 점은 실제 공정에서 매우 큰 강점이 됩니다. 이 기술은 친환경 선박의 극저온 펌프나 밸브부터 수소 모빌리티 시스템, 그리고 극한 환경인 우주 탐사체 부품에 이르기까지 폭폭넓은 활용 가능성을 지닙니다. 향후 친환경 에너지 인프라 시장이 급격하게 성장함에 따라 극저온 기술의 중요성은 더욱 커질 것입니다. 독보적인 기술적 우위를 바탕으로 글로벌 시장에서 경쟁력을 확보하고, 지속 가능한 에너지 생태계를 구축하는 데 중추적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 우리 기술은 미래 에너지 시장의 신뢰성을 지탱하는 핵심 소재 기술이 될 것입니다.