나노 다이아몬드 블랙 파우더 (단결정・다결정 혼합형)

나노 다이아몬드 블랙 파우더 (단결정・다결정 혼합형)

 

나노 다이아몬드의 기계 산업 분야 응용

（1） 나노 다이아몬드 복합 도금

나노 다이아몬드를 활용한 복합 도금 기술은 제품 제조에 있어 핵심 기술 중 하나입니다. 표면 도금을 통해 제품 표면에 성분과 조직을 제어할 수 있는 보호층을 형성함으로써, 제품의 수명과 신뢰성을 현저히 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 사용 환경이 열악한 해양 플랜트, 대형 노천 광산 채굴, 제철 및 석유화학 설비 등에 장기 복합 보호층을 적용하면, 510년의 사용 기간 동안 내부 부식이 발생하지 않도록 방지할 수 있습니다. 또한 기계 산업에서 널리 사용되는 공구, 금형, 펌프류, 축류, 밸브 등의 부품은 표면 강화 처리를 거치면 사용 수명을 3~5배까지 연장할 수 있습니다.

나노 다이아몬드를 활용한 복합 도금 기술은 고품질, 고효율, 에너지 절약, 자재 절감, 환경 친화적이며 경제적 효율을 높일 수 있는 효과적인 수단입니다. 통계에 따르면, 기계 제조 분야에서 약 1/3의 에너지가 마모 및 마멸로 인한 손실에 직접 또는 간접적으로 소비되며, 세계 철강 생산량의 약 1/10이 녹과 기타 부식으로 인해 손실됩니다. 부식과 마모는 국민 경제에 막대한 손실을 초래하며, 영국과 미국 등의 조사에 따르면 국민 총생산의 2%~4%가 부식으로 인해 손실되고 있습니다. 우리나라의 경우, 매년 부식으로 인한 손실이 최소 400억 위안에 이르며, 27개 성시의 약 400개 기계 산업 기업 조사 결과, 매년 부식으로 인한 손실은 약 116억 위안에 달합니다. 또한, 세계적으로 매년 금속 부식으로 인한 손실은 약 1,500억 달러로 추정되며, 중국의 연간 손실은 약 1,500억 위안에 이르고 있습니다. 이러한 기술적 문제를 해결할 수 있는 방법 중 하나가 바로 금속 전기 도금입니다.

최근 몇 년 사이, 다이아몬드는 복합 도금층에서의 고경도 및 내식성으로 인해 점점 더 많은 주목을 받고 있습니다. 하지만 일반적인 다이아몬드 입자는 마이크로미터 또는 아랫마이크로미터(서브마이크로) 크기로, 입자가 비교적 거칠어 도금층의 조직이 정밀 기기, 고광택 표면, 정밀 가공 및 보다 높은 내마모성 등의 요구를 충족시키기 어렵습니다. 나노 다이아몬드 생산 기술의 급속한 발전, 특히 2~12nm 크기의 나노 다이아몬드가 등장함에 따라, 이를 활용한 복합 도금층 형성은 이러한 한계를 보완할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다. 브러시 도금 기술은 최근 전기 도금 기술을 기반으로 발전된 신개념의 표면 개질 기술로, 기존 기술로는 해결하기 어려운 기계 부품의 복구 문제를 해결할 수 있습니다. 중국과학원 란저우 화학물리연구소 고체윤활 공개연구실과 란저우대학교 재료학과의 공동 연구에 따르면, 나노 다이아몬드를 함유한 복합 니켈 브러시 도금층의 마찰학적 특성을 조사한 결과, 해당 도금층은 탁월한 감마 및 내마모 성능을 지니고 있음이 확인되었습니다. 시험 범위 내에서, 나노 다이아몬드 블랙 파우더의 함량이 증가함에 따라 도금층의 감마 및 내마모 성능이 향상되는 것으로 나타났습니다.

현재 우리나라는 연간 30억 개 이상의 실린더를 생산하고 있으며, 이는 주로 자동차, 오토바이, 가전제품, 광산 기계, 방직 기계, 선박 제조, 정밀 공작 기계 및 계측기기, 국방 산업 등 다양한 분야에 공급되고 있습니다. 이러한 산업군에서는 나노 복합 전기 도금 공정의 업그레이드가 시급한 과제로 대두되고 있습니다. 또한, 국내의 금형 및 플라스틱, 유리 장식 도금 시장도 매우 거대합니다. 대략적인 계산에 따르면, 전기도금 처리 표면적이 약 3.0×10⁸ m²에 이르고, 도금층 두께가 5μm일 경우, 1㎡당 약 0.2g의 나노 다이아몬드가 필요합니다. 이 기준에 따라 산출하면, 나노 다이아몬드-금속 복합 도금 첨가제로 사용되는 나노 다이아몬드의 총 수요는 약 6.0×10⁵kg에 달하게 됩니다. 나노 다이아몬드를 활용한 복합 전기 도금 기술은 매우 넓은 응용 전망을 지니고 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 다이아몬드를 첨가한 복합 크롬 도금층의 마찰학적 성능을 연구한 결과, 복합 도금층에 나노 다이아몬드 파우더를 첨가함으로써 균일하고 치밀한 복합 전기도금층을 형성할 수 있음이 밝혀졌습니다. 나노 다이아몬드 파우더의 첨가는 도금층의 결정립을 미세화시키고, 분산 강화 효과를 유도하여 복합 크롬 도금층의 경도를 향상시킵니다. 윤활유 조건 하에서 나노 다이아몬드 파우더의 첨가는 도금층의 내마모성을 현저히 향상시킬 수 있으며, 도금층 두께가 27μm일 때 효과가 가장 뛰어나며, 내마모성은 순수 크롬 도금층에 비해 12배 이상 향상된 것으로 나타났습니다.

나노 복합 도금 기술은 불용성 나노 다이아몬드 고체 입자를 도금액에 첨가하여 균일한 현탁액을 형성하고, 고체 입자와 금속 이온이 공동 석출되어 복합 도금층을 형성하는 일종의 석출 기술입니다. 현탁 기술을 활용해 나노 입자를 충분히 분산시킴으로써, 얻어진 나노 다이아몬드 복합 도금층은 우수한 내마모성 및 감마 특성을 갖습니다. 나노 다이아몬드 복합 도금층의 경도는 HV700~1100에 달할 수 있으며, 이는 Cr15, 일반 니켈 도금층 및 마이크로 다이아몬드 복합 도금층보다 우수한 내마모성을 보입니다. 또한 마찰 계수는 일반 도금층의 1/3 수준에 불과하며, 독특한 자가 윤활 효과를 가지며 내마모 수명은 2~5배까지 향상됩니다. 이 기술은 다양한 산업 분야의 정밀 내마모 부품 표면 처리에 광범위하게 응용될 수 있으며, 기존의 크롬 도금 및 니켈 도금 공정을 대체할 수 있습니다. 적용 효과는 표 1~표 3에 제시되어 있습니다.

표 1.나노급 다이아몬드를 포함한 크롬 도금층 드릴 비트의 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 프레싱 금형의 실험 결과

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

표 3 크롬-다이아몬드 도금 프레스 금형 (펀치 및 다이)

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 다이아몬드가 윤활유에서 발휘하는 특이한 효능은 많은 사람들의 예상을 뛰어넘는 수준입니다. 이 소재는 단순히 엔진오일 제조에만 국한되지 않고, 웜기어 오일, 기어 오일, 유압 오일, 진공 펌프 오일, 고속 기계 오일, 공작기계용 윤활유 등 다양한 분야에 활용될 수 있습니다. 최근 연구에 따르면, 나노 다이아몬드를 윤활유에 첨가할 경우 다음과 같은 뛰어난 성능이 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 1000kg당 0.01～0.20kg 수준으로 첨가됩니다. 2002년 기준으로 우리나라의 윤활유 소비량은 약 4.0×10⁶톤에 달하며, 판매액은 수천억 위안에 이르고 있으며, 매년 10%의 속도로 증가하고 있습니다. 나노 다이아몬드의 특성을 활용하여 개발된 고효율 내연기관 전용 러닝인 오일은, 실험실의 물리화학적 지표 테스트 및 엔진 실차 시험대 평가를 통해 다음과 같은 효과가 입증되었습니다：러닝인 시간을 현저히 단축하고, 러닝인 품질을 향상시키며, 엔진의 마찰 부위 표면 내마모 성능을 개선하고, 엔진의 수명을 연장하는 등, 엔진 러닝인과 표면 개질의 유기적 통합을 실현할 수 있습니다.

현재 일반적으로 사용되는 금속 윤활제는 마찰쌍의 표면을 사전 연마하여 금속 윤활제의 내마모 성능을 마찰쌍 표면에 부여하는 방식으로 활용되고 있습니다. 실험 자료에 따르면, 나노 다이아몬드 분말을 함유한 금속 윤활제는 마모 정도를 1.7～2.0배 줄이고, 러닝인 시간을 1.5～2.4배 단축시키며, 마찰 계수를 1.25～2.0배 감소시키는 우수한 성능을 나타냅니다.

（3）나노 다이아몬드를 함유한 신형 내마모 소재

1992년, 미국의 Yashchenko 등 연구진은 분말야금법을 이용하여 신형 내마모 소재를 개발하였습니다. 이 소재는 구리-아연 및 구리-주석 분말을 나노 다이아몬드 분말과 일정 비율로 혼합하여 압축 성형한 후, 수소 분위기에서 소결하여 제조된 것입니다. 이 새로운 소재는 내연기관의 실린더 라이너 및 기타 동력 기계의 부시 제조에 사용할 수 있으며, 슬라이딩 베어링 등의 제조에도 적합합니다. 특히, 이 소재는 마찰 계수가 낮고 열전도율이 높은 나노급 다이아몬드 분말을 포함하고 있어, 스크래치 저항성과 내마모성이 매우 우수한 것이 특징입니다.

나노 다이아몬드를 사용하여 제조한 금속 보수제는 실험 측정을 통해 다음과 같은 성능 향상이 확인되었습니다. 인장 강도는 71.98%, 비틀림 강도는 19.75%, 내마모성은 154.82% 향상되었습니다.

해외 보고에 따르면, 나노 다이아몬드는 항공기 및 함선의 기체, 날개, 선체 표면에 적용되는 실리콘계 코팅제에 활용될 수 있으며, 해당 코팅의 방부식성, 방동성, 내열성 및 내노화성을 향상시키는 데 기여할 수 있습니다. 또한, 탄성, 파단 강도, 인열 강도 등을 높여 표면 코팅의 사용 수명을 1.5～2.0배 연장시킬 수 있으며, 그에 따른 비용 증가는 단지 1%～2% 수준에 불과합니다.

나노 다이아몬드 복합 재료

정제 전후의 폭굉 합성 생성물(나노 다이아몬드 블랙 파우더 및 그레이 파우더)을 사용하여 불소 고무 및 니트릴 고무에 개질 처리를 수행한 결과가 보고되었습니다. 연구 결과에 따르면, 폭굉 블랙 파우더는 고무의 경도를 향상시킬 수 있지만, 오히려 인장 강도와 파단 신율이 감소하는 경향을 보였습니다. 반면, 나노 다이아몬드 그레이 파우더를 불소 고무에 첨가한 경우에는 고무의 종합적인 물성 지표가 향상되었습니다. 이는 나노 다이아몬드 그레이 파우더가 하이드록실기, 카복실기, 메틸기 등의 작용기를 함유하고 있어, 고분자와의 결합 활성도를 높여, 고무의 인장 특성, 경도 및 내마모성과 같은 물성을 개선하기 때문입니다.

러시아 학자들의 연구에 따르면, 불소 박막에 나노 다이아몬드를 첨가하면 내마모성이 1배 향상되는 것으로 나타났습니다. 타이어용 폴리이소프렌 고무에 나노 다이아몬드를 첨가한 경우, 내마모성, 신율, 노화 지연 성능이 1.3~1.7배 향상되며, 고온 인열 저항성도 현저히 개선되었습니다.
특히, 타이어의 내파열 강도는 53 MPa에서 154 MPa로 증가하였습니다. 또한, 블랙 파우더를 실리콘 고무에 충진한 결과, 절대 길이 기준 파단 강도는 약 3배 증가하며, 53 MPa에서 154 MPa까지 향상, 종합 탄성 강도는 3~5배 증가하였습니다. 이때 임계 및 최대 탄성 계수는 블랙 파우더 함량이 약 0.6%(중량)일 때 가장 효과적입니다. 불소 고무 조성물에 블랙 파우더를 첨가하면 마모 저항력이 1.5~2배 향상되며, 이는 폴리이소프렌 고무와 유사한 수준의 내마모 특성을 제공합니다.

현재 대부분의 연구는 나노 다이아몬드 또는 블랙 파우더를 기능성이 우수한 고무나 플라스틱 제품의 충전제로 사용하는 데 집중되고 있으며, 대부분 저함량 충전 방식으로 적용되어 첨가량은 일반적으로 1% 미만입니다. 고무 가공 과정에서, 전통적인 카본 충전제의 1~3%(중량 기준)를 동일한 중량의 나노 다이아몬드 블랙 파우더로 대체할 경우, 비극성 이소프렌 고무로 제작된 자동차 타이어의 사용 수명(주행 거리)이 약 30% 연장됩니다. 또한, 부싱 등 고무 부품의 수명은 30~100% 증가할 수 있습니다. 이와 함께, 나노 다이아몬드의 첨가는 공극률을 낮추어 혼합 시 필요한 전력을 5~7% 절감시키며, 표면 기포, 이물질, 점착 현상을 줄여 성형 후 탈형이 더욱 용이해지는 장점이 있습니다.

 

나노 다이아몬드 블랙 파우더 및 나노 다이아몬드 그레이 파우더를 활용한 플라스틱 개질 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 및 그레이 파우더는 PP 내에서의 분산성 및 상용성이 모두 우수한 것으로 나타났습니다. 이 두 종류의 나노 다이아몬드를 첨가하면 PP의 α-결정 상태의 결정도가 향상되었으며, 다른 결정형이 생성되지는 않았습니다. PP에 0.06% 나노 다이아몬드 블랙 파우더 또는 0.06% 그레이 파우더를 첨가한 경우, 기지와 비교하여 결정도는 각각 16.74% 및 25.83% 증가하였습니다. PP 기반 복합 소재의 인장 강도는 충전제 함량 증가에 따라 향상되지만, 충격 강도는 감소하는 경향을 보였습니다. 이는 자유 라디칼이 PP 기지의 결정 영역에서 유도 결정 작용, 비정질 영역에서 유도 배향 작용이라는 이중 작용을 하기 때문이며, 이로 인해 나노 입자 함량이 증가함에 따라 충격 강도에 변동이 나타나고, 약 0.06% 충전량에서 최대값을 나타냈습니다. 또한, 나노 다이아몬드 그레이 파우더는 블랙 파우더보다 PP의 성능 개선 효과가 더 뛰어난 것으로 확인되었습니다.

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

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