나노 다이아몬드 블랙 파우더 (단결정・다결정 혼합형)

나노 다이아몬드 블랙 파우더 (단결정・다결정 혼합형)

 

나노 다이아몬드의 기계 산업 응용

（1） 나노 다이아몬드 복합 도금

나노 다이아몬드 복합 도금 기술은 제품 제조에서 핵심 기술 중 하나입니다. 표면 도금을 통해 제품 표면에 조성 및 조직을 제어할 수 있는 보호 코팅층을 형성하여, 제품의 수명과 신뢰성을 현저히 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 환경이 열악한 해양 플랫폼, 대형 노천광산, 제철 및 석유화학 설비 등에는 장기 복합 보호 도금을 적용하면, 5~10년 동안 내부 부식이 억제됩니다. 기계 산업에서 폭넓게 사용되는 절삭 공구, 금형, 펌프류, 축류, 밸브 등에 표면 강화 처리를 적용하면, 수명이 3~5배 향상될 수 있습니다.

나노 다이아몬드 복합 도금 기술은 고품질, 고효율, 에너지 절약, 소재 절감, 친환경 및 경제성 향상의 효과적인 수단입니다. 통계에 따르면, 기계 제조에서 약 1/3의 에너지가 마모 및 침식으로 인한 손실에 직접 또는 간접적으로 소비되며, 전 세계 철강 생산량의 약 1/10이 부식 및 기타 손실로 소모됩니다. 영국, 미국 등의 조사에 따르면, 국내총생산의 2~4%가 부식으로 인한 손실로 나타났으며, 중국에서는 매년 부식으로 인한 손실이 400억 위안 이상으로 추산됩니다.
27개 성시의 약 400개 기계 산업 기업을 대상으로 한 조사에 따르면, 매년 116억 위안의 부식 손실이 발생하고 있습니다. 또한, 전 세계적으로 금속 부식으로 인한 연간 손실은 약 1500억 달러, 중국은 약 1500억 위안에 이르며, 이러한 기술적 문제를 해결하기 위한 수단 중 하나가 금속 전기도금입니다. 최근 들어, 다이아몬드가 복합 도금층에서 높은 경도와 내식성으로 주목받고 있습니다. 그러나 일반적으로 사용되는 다이아몬드 입자는 마이크로미터 또는 아크 마이크로미터 크기로 입자가 거칠어, 얻어지는 도금층의 조직이 정밀 기기, 고광택 표면, 정밀 가공, 고내마모성 등의 요구를 충족시키기 어렵습니다. 하지만 나노 다이아몬드 생산 기술이 급속히 발전하면서, 특히 2~12nm 크기의 다이아몬드가 등장함에 따라, 나노 다이아몬드를 이용한 복합 도금층 형성이 이러한 한계를 극복할 수 있는 가능성을 보여주고 있습니다.

최근 몇 년간, 다이아몬드는 복합 도금층의 고경도 및 내식성 향상에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 그러나 일반적인 다이아몬드 입자는 마이크로미터 또는 아형 마이크로미터 크기로, 입자가 비교적 거칠기 때문에, 얻어진 도금층의 조직은 정밀 기기, 고광택 표면, 정밀 가공 및 고내마모성과 같은 요구를 충족시키기 어렵습니다. 나노 다이아몬드 생산 기술의 급속한 발전, 특히 2~12nm 크기의 다이아몬드가 등장함에 따라, 나노 다이아몬드를 이용한 복합 도금층 형성은 이러한 한계를 보완할 수 있을 것으로 기대됩니다. 전기 브러시 도금 기술은 최근 전통적인 전기 도금 기술을 기반으로 발전된 신개념 표면 개질 기술로, 기존 기술로는 해결하기 어려운 기계 부품 수복 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다. 중국과학원 란저우 화학물리연구소의 고체 윤활 오픈 연구실은 란저우대학교 재료학과와 협력하여, 나노 다이아몬드를 함유한 복합 니켈 브러시 도금층의 트라이볼로지 특성에 대해 연구를 진행하였습니다. 연구 결과, 해당 도금층은 매우 우수한 감마 및 내마모 성능을 나타내며, 실험 범위 내에서 나노 다이아몬드 블랙 파우더의 함량이 증가할수록 감마 및 내마모 성능이 향상되는 것으로 나타났습니다.

우리나라는 현재 연간 30억 개 이상의 실린더를 생산하고 있으며, 이는 주로 자동차, 오토바이, 가전제품, 광산 기계, 섬유 기계, 선박 제조, 정밀 공작기계 및 계측기, 군수 산업 등 다양한 산업에 공급되고 있습니다. 이러한 산업에서는 나노 복합 전기 도금 공정의 업그레이드가 시급한 상황입니다. 또한, 우리나라의 금형 및 플라스틱, 유리 장식 도금 시장은 매우 방대하며, 대략적인 계산에 따르면 전기 도금 표면 면적이 3.0×10⁸ m²에 달하고, 도금층 두께를 5μm로 가정할 경우, 평방미터당 약 0.2g의 나노 다이아몬드가 필요합니다. 이에 따라 나노 다이아몬드-금속 복합 도금 첨가제로 요구되는 나노 다이아몬드의 총량은 약 6.0×10⁵ kg에 이를 것으로 추정됩니다. 나노 다이아몬드를 활용한 복합 전기 도금 기술은 매우 유망한 발전 가능성을 가지고 있습니다.

효과적인 보호 조치를 적용할 경우, 부식 손실을 15%~35% 이상, 마모 손실을 약 1/3 정도 줄일 수 있습니다. 또한, 표면 도금층은 매우 얇기 때문에 소량의 재료만으로도 표면 도금 및 개질을 통해 내식성, 내마모성 등의 성능을 현저히 향상시킬 수 있어, 귀금속 자재의 절약 및 제조 비용 절감 측면에서 뚜렷한 경제적 효과를 기대할 수 있습니다. 예를 들어, 마모된 금형, 크랭크축, 가이드 레일, 실린더 라이너, 기어박스, 샤프트류, 베어링 하우징, 버킷 이빨, 라이너 등의 부품과 궤도 차량 부품 등에 대해서는 전기 브러시 도금 기술을 활용해 정상적인 유지보수 작업이 가능하며, 이는 막대한 경제적 이점을 제공합니다.

나노 다이아몬드 복합 크롬 도금층의 트라이볼로지 성능을 연구한 결과, 복합 도금층에 나노 다이아몬드 분말을 첨가하면 균일하고 치밀한 복합 전기 도금층이 형성되는 것으로 나타났습니다. 나노 다이아몬드 분말의 첨가는 도금층의 결정립을 미세화시키고, 분산 강화 효과를 발휘하여 복합 크롬 도금층의 경도를 향상시킵니다. 오일 윤활 조건하에서 나노 다이아몬드 분말을 첨가하면 도금층의 내마모성이 현저히 향상되며, 도금층 두께가 27μm일 때 그 효과가 가장 뛰어나 순수 크롬 도금층에 비해 내마모성이 12배 향상되는 것으로 나타났습니다.

나노 복합 도금 기술은 불용성인 나노 다이아몬드 고체 입자를 도금액에 첨가하여 균일한 현탁액을 형성하고, 고체 입자와 금속 이온이 공동 석출되어 복합 도금층을 형성하는 일종의 석출 기술입니다. 현탁 기술을 활용하여 나노 입자를 충분히 분산시킴으로써, 얻어진 나노 다이아몬드 복합 도금층은 우수한 내마모성과 감마 특성을 갖추게 됩니다. 나노 다이아몬드 복합 도금층의 경도는 HV700~1100에 달할 수 있으며, 그 내마모성은 Cr15, 일반 니켈 도금층 및 마이크로 다이아몬드 복합 도금층보다 우수합니다. 마찰 계수는 일반 도금층의 1/3 수준에 불과하며, 독특한 자기윤활 효과를 가지고 있어 내마모 수명이 2-5배 향상됩니다. 기존의 크롬 도금, 니켈 도금 공정을 대체할 수 있으며, 다양한 산업의 정밀 내마모 부품 표면 처리에 광범위하게 적용될 수 있습니다. 적용 효과는 표 1표 3에 나타나 있습니다.

표 1 나노급 다이아몬드를 포함한 크롬 도금층 드릴의 실험 결과

드릴 직경/ mm	가공 금속 종류	향상 배율 (사용 효과)
0. 8～1. 2	유리 섬유 테이프 보드	2. 7～3. 3
1. 0～2. 0	유리 섬유 테이프 보드	10. 0～20. 0
1. 5～2. 5	강	1. 5～1. 7
3. 5～10. 0	강	2. 0
6. 0～10. 0	스테인리스강	1. 8～3. 0
7. 2～8. 5	강	1. 5～1. 8
10. 0	스테인리스강	1. 9
20. 0	주철	6. 0～8. 0

 

표 2 크롬-다이아몬드 도금층 프레스 금형의 실험 결과

침탄, 질화, 크롬도금 강화 및 특수강 사용 공구와 비교한 상대 수명

표 3 크롬-다이아몬드 도금층 프레스 공구(암형, 수형)

판재 프레스 가공 시의 실험 결과

공정	가공 재료	향상 배율 (사용 효과)
냉간 압출	강구리, 알루미늄	1. 6～1. 82. 0～3. 0
펀칭	유리 섬유 접착 시트판 황동	1. 6～2. 42. 0～4. 0
인발 성형	황동 도금 강재	2. 8～3. 0.1 4～1. 8

 

(2) 나노 다이아몬드를 함유한 윤활제

나노 다이아몬드는 윤활유에서의 놀라운 효과로 많은 이들의 예상을 뛰어넘고 있으며, 이는 단지 엔진 오일 제조에만 국한되지 않고, 웜기어 오일, 기어 오일, 유압 오일, 진공 펌프 오일, 고속 기계 오일, 공작기계 오일 등 다양한 윤활유의 제조에도 활용될 수 있습니다. 최근 연구에 따르면, 윤활유에 나노 다이아몬드를 첨가하면 다음과 같은 뛰어난 특성이 나타나는 것으로 밝혀졌습니다：

⑴제품의 품질과 경쟁력을 향상시키고, 운송 장비 및 장치의 작동 수명을 연장시키며, 윤활유 자재를 절약할 수 있습니다.

⑵마찰 모멘트가 20%～40% 감소합니다.

⑶마찰면의 마모가 30%～40% 줄어듭니다.

⑷마찰쌍의 빠른 초기 맞물림이 가능합니다.

나노 다이아몬드의 단위 소비량은 윤활유 1,000kg당 0.01~0.20kg 수준입니다. 2002년 기준으로 우리나라의 윤활유 소비량은 약 4.0×10⁶톤에 달했으며, 판매액은 수천억 위안에 이르고, 매년 10%의 속도로 증가하고 있습니다. 나노 다이아몬드의 특성을 활용하여 개발된 고효율 전용 내연기관 윤활 오일은, 실험실의 물리화학적 지표 테스트 및 엔진 실차 테스트 벤치 실험을 통해, 작동 시간 단축, 연마 품질 향상, 엔진 부품의 표면 내마모 성능 개선, 엔진 수명 연장 등에서 탁월한 효과를 입증하였으며, 엔진 연마와 표면 개질의 유기적 결합을 실현하였습니다.

현재 일반적으로 사용되는 금속 윤활제는 마찰 부품의 표면을 사전 연마하여, 금속 윤활제의 내마모성을 마찰 부품 표면에 부여하는 방식입니다. 실험 자료에 따르면, 나노 다이아몬드 분말을 함유한 금속 윤활제는 마모도를 1.7~2.0배 감소시키고, 연마 시간을 1.5~2.4배 단축시키며, 마찰 계수를 1.25~2.0배 낮추는 것으로 나타났습니다.

（3） 나노 다이아몬드 를 함유한 신형 내마모 소재

1992년 미국의 Yashchenko 등은 분말야금법을 이용하여 새로운 유형의 내마모 소재를 개발하였습니다. 이 소재는 구리-아연 및 구리-주석 분말과 나노 다이아몬드 분말을 일정 비율로 혼합한 후, 압축 성형하고 수소 분위기에서 소결하여 제조됩니다. 이 신형 소재는 내연기관의 실린더 라이너 및 기타 동력 기계의 부싱 제조에 사용할 수 있으며, 슬라이딩 베어링 등의 제작에도 적합합니다. 이 신소재는 마찰 계수가 낮고 열전도율이 높은 나노급 다이아몬드 분말을 포함하고 있기 때문에, 뛰어난 긁힘 저항성과 내마모성을 갖추고 있습니다.

나노 다이아몬드를 사용하여 제조한 금속 수복제는 실험 측정 결과, 인장 강도가 71.98% 향상되었고, 비틀림 강도는 19.75% 증가하였으며, 내마모성은 154.82% 향상된 것으로 나타났습니다.

해외 보고에 따르면, 나노 다이아몬드는 항공기 및 선박의 기체, 날개, 선체 표면에 적용되는 유기 실리콘 코팅에 활용될 수 있으며, 이를 통해 코팅의 방청, 방빙, 내열, 내노화 성능이 향상됩니다. 또한 탄성, 파단 강도, 인열 강도 등이 증가하여 표면 코팅의 수명이 1.5~2.0배 연장되는 것으로 나타났습니다. 이와 동시에, 전체 비용 증가는 단지 1~2%에 불과합니다.

나노 다이아몬드 복합 재료

정제 전후의 폭굉 합성 생성물(나노 다이아몬드 블랙 파우더 및 그레이 파우더)을 불소 고무와 니트릴 고무에 적용하여 개질한 결과, 연구에 따르면 블랙 파우더는 고무의 경도를 향상시킬 수 있으나, 인장 강도와 파단 신율은 오히려 감소하는 것으로 나타났습니다. 반면, 나노 다이아몬드 그레이 파우더를 불소 고무에 첨가하면 고무의 종합적인 성능 지표가 향상됩니다. 이는 나노 다이아몬드 그레이 파우더가 하이드록실기, 카복실기, 메틸기 등의 작용기를 포함하고 있어 고분자와의 결합 활성도를 높여, 고무의 인장 성능, 경도, 내마모성 등의 성능 지표를 향상시키기 때문입니다.

러시아 학자들의 연구에 따르면, 불소 박막에 나노 다이아몬드를 첨가하면 내마모성이 1배 향상됩니다. 타이어에 사용되는 폴리이소프렌 고무에 나노 다이아몬드를 첨가하면, 내마모성, 신율, 노화 지연 등의 성능이 1.3~1.7배 향상되며, 고온 인열 저항 성능이 현저히 개선되고, 타이어의 파열 강도는 53MPa에서 154MPa로 증가합니다. 블랙 파우더를 실리콘 고무에 충진하면, 절대 신장 시 파단 강도가 약 3배 향상되어 53MPa에서 154MPa로 증가하며, 종합 탄성 강도는 35배 향상됩니다. 이때의 임계 및 최대 탄성 계수는 블랙 파우더 함량이 약 0.6%(중량 기준)일 때에 해당합니다. 또한, 불소 고무 조성물에 블랙 파우더를 첨가하면 마모 저항성이 1.5~2배 향상되며, 이는 폴리이소프렌 고무와 유사한 수준입니다.

현재 대부분의 연구는 나노 다이아몬드 또는 블랙 파우더를 기능성이 높은 고무 또는 플라스틱 제품의 충전제로 사용하는 데 집중되어 있으며, 일반적으로 저충전 방식으로 첨가량은 1% 미만입니다. 고무 가공 과정에서 나노 다이아몬드 블랙 파우더를 동일 중량 기준으로 기존 탄소계 충전제의 1~3%(중량 백분율)를 대체하면, 비극성 이소프렌 고무 자동차 타이어의 수명(주행 거리)이 약 30% 증가하고, 부싱 등 고무 부품의 수명은 30100% 향상될 수 있습니다. 또한, 나노 다이아몬드의 첨가로 인해 기공률이 감소하고, 혼합에 필요한 전력이 5~7% 줄어들며, 표면 기포, 파편, 점착 현상이 감소하고 탈형도 용이해집니다.

 

나노 다이아몬드 블랙 파우더와 나노 다이아몬드 그레이 파우더로 개질한 플라스틱의 효과는 다음과 같습니다：

(1) 개질되지 않은 블랙 파우더를 사용한 복합 소재는 공기 중에서의 열산화 안정성이 향상되었습니다. 블랙 파우더 0.5%를 충전한 HDPE 및 LLDPE 복합 소재는, 각각 순수 기지보다 열분해 온도가 9℃ 및 5℃ 상승하였습니다.

(2) 개질되지 않은 블랙 파우더를 고분자에 충전한 경우, 얻어진 복합 소재의 인장 강도는 크게 변화하지 않으나, 충전량이 많을수록 인장 강도가 감소하는 경향이 나타났습니다. 반면, 개질된 블랙 파우더를 충전한 경우에는 인장 강도가 향상되었습니다. 개질 여부와 관계없이, 블랙 파우더를 충전한 복합 소재는 모두 충격 강도가 감소하였습니다. 복합 소재의 마찰 마모 성능은 블랙 파우더의 첨가량이 증가함에 따라 향상되는 것으로 나타났습니다. 이러한 결과를 종합적으로 고려할 때, HDPE의 최적 블랙 파우더 첨가량은 0.5%, LLDPE의 적정 첨가 범위는 0.3%~0.5%로 판단됩니다.

(3) 0.5% 블랙 파우더를 충전한 HDPE 복합 소재는, 시험 하중이 2kg 이하일 경우 마찰 마모 성능에 큰 변화가 없었으나, 2.5kg을 초과하면 마찰 마모 성능이 현저히 저하되는 것으로 나타났습니다. 또한, 0.5% 블랙 파우더를 충전한 LLDPE 복합 소재는, 시험 하중이 10kg 이하일 경우 마찰 마모 성능에 큰 영향이 없었으나, 10kg을 초과하면 성능이 급격히 저하되었습니다.

(4) 개질되지 않은 나노 다이아몬드 블랙 파우더 또는 나노 다이아몬드 그레이 파우더는 PP 내에서 분산성과 상용성이 모두 양호합니다. 나노 다이아몬드 블랙 파우더 또는 그레이 파우더를 첨가하면 PP의 α-상 결정도의 향상을 가져오지만, 다른 결정 형태의 생성은 유도하지 않습니다. 0.06%의 나노 다이아몬드 블랙 파우더 또는 0.06%의 나노 다이아몬드 그레이 파우더를 첨가한 PP는 기재 대비 각각 16.74%, 25.83%의 결정도 향상을 보였습니다. PP 기반 복합 재료의 인장 강도는 충전제 함량이 증가함에 따라 상승하는 반면, 충격 강도는 감소합니다. 이는 자유 라디칼이 PP 기재의 결정 영역에서 유도 결정화를 일으키고, 비정질 영역에서 유도 배향 작용을 하기 때문으로, 나노 입자 함량이 증가함에 따라 충격 강도는 변동을 보이며, 약 0.06% 충전 비율에서 최대값을 나타냅니다. 전반적으로 나노 다이아몬드 그레이 파우더가 PP의 성능 개선 효과 면에서 블랙 파우더보다 우수합니다.

(5) 에폭시 수지 접착제에 나노 다이아몬드 그레이 파우더를 첨가하면, 파단 강도가 2~2.5배 향상됩니다.

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