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난삭재에 분자막 응용, 표면 응력의 방향으로 가공 특성 제어 모색
오사카대학과 프로테리얼

금속 재료의 취성(쉽게 부서지는 성질)이나 연성(늘어나는 성질) 등의 가공 특성을 분자막으로 제어할 수 있을 가능성이 대두되었다. 오사카대학은 프로테리얼(Proterial, 구 히타치금속)과 니켈기 내열합금 가공을 위한 공동 연구를 시작했다. 니켈기 내열합금은 내열성과 내식성이 뛰어나 터빈 블레이드 등에 채택되는 경우가 많다. 절삭 가공이 까다로운 난삭재로도 알려져 있다. 공동 연구팀은 이 난삭재 가공에 분자막을 응용한 가공 특성 제어 기술을 활용할 수 있을지 모색해 나갈 계획이다.

공동 연구팀은 우선, 니켈기 내열합금의 재료 조직을 조사하고, 분자막을 이용해 절삭 가공에 효과가 나타나는지를 검증한다. 핵심이 되는 것은 사전에 금속 표면에 특정 분자를 도포하면 분자 흡착으로 인해 피삭재(가공물)의 기계적 성질이 변하는 현상이다.

통상적으로 윤활제인 절삭유는 공구와 피삭재가 접하는 영역에서 마찰을 줄여 공구의 마모를 방지하거나, 온도 상승을 억제하는 목적으로 사용된다. 이것은 절삭 칩과 공구의 계면에 절삭유가 있는 상태에서 기능한다. 한편, 공동 연구팀이 주목한 것은 공구와의 비접촉 면에서 기능하는 효과이다. 피삭재의 자유면에 특정 분자를 흡착시키면 공구와 칩의 계면에 아무것도 없음에도 불구하고 절삭 저항이 감소하는 현상이 발생한다.

-- Al 합금의 절삭 저항이 5분의 1 이하로 --
오사카대학의 검증에서는 절삭 저항에 분자막이 영향을 미친다는 것을 확인했다. 알루미늄 합금의 표면을 ‘속도 5mm/s, 깊이 30µm’로 절삭했을 때, 기름 등의 분자막이 없는 상태에서는 절삭 저항이 최대 450N 정도의 값을 나타냈다. 반면, 분자막이 있는 경우에는 절삭 저항이 5분의 1 이하로 감소했다.

자유면의 흡착물이 피삭재에 영향을 미치는 메커니즘에 대해서는 1947년에 발표된 ‘레빈더 효과(Rehbinder effect)’를 비롯해 여러 가설이 제창되어 왔다. 예를 들면, ‘전단면을 통해 기름이 공구와 칩의 계면에 침투한다’, ‘가늘게 절삭된 칩이 기름으로 인해 미끄러지면서 절삭 저항이 줄어든다’ 등, 흡착물의 윤활 효과에 초점을 맞춘 가설이다. 그러나 잉크나 고체풀 등 윤활 효과가 작은 물질을 금속 표면에 도포한 경우에도 절삭 저항 감소가 일어났다는 연구 사례가 있다. 즉, 윤활 효과만으로는 전부 설명할 수 없다.

-- 분자막으로 바뀌는 칩의 움직임 --
오사카대학 대학원 공학연구과의 스기하라(杉原) 조교수가 이끄는 연구팀은 미국의 퍼듀 대학(Purdue University)과 함께 칩의 움직임을 확인했다. 구체적으로는 금속 표면에 ‘자기 조직화 단분자(Self-Assembled Monolayer, SAM)막’이라고 불리는 분자막의 유무에 따라 칩의 움직임이 어떻게 바뀌는지 ‘디지털 이미지 상관법(Digital Image Correlation, DIC)’으로 검증했다. DIC란 고속 카메라로 촬영한 물체 표면의 이미지로부터 변형 전후의 변위를 픽셀 단위로 시각화·추적하는 기법이다.

검증한 결과, 칩의 변형 움직임은 분자막의 유무에 따라 크게 달랐다. 먼저 분자막(SAM막)을 표면에 도포하지 않은 SAM막이 없는 상태에서는 칩이 뭉개지면서 공구 위에 쌓였다. 이에 반해 분자막을 도포한 SAM막이 있는 상태에서는 주기적으로 균열이 발생하며, 마치 얇은 칩이 겹겹이 쌓인듯한 ‘취성 변형(재료에 외력이 가해졌을 때 변형을 거의 겪지 않고 탄성의 한계를 넘어서는 순간 갑자기 파괴되는 성질)’을 보였다.

-- 절삭 저항은 ‘분자의 길이’에 따라 변화 --
재료의 기계적 성질이 변하는 현상에 대해 스기하라 조교수는 분자막에 의한 ‘표면 응력’이 원인이라고 보고 있다. 구체적으로는 분자 간에 작용하는 반데르발스 힘(분자 간이나한 분자 내 부분 간의 인력 또는 척력)과, SAM막의 흡착기와의 화학 결합으로 작용하는 쿨롱 힘(정전기적 힘) 중 어느 한쪽이 강하게 영향을 미침으로써 금속 표면에 작용하는 표면 응력의 방향이 바뀐다는 가설이다.

예를 들어, 관능기로 메틸기(CH₃)를 사용한 분자의 경우, 탄화수소 사슬의 길이를 나타내는 탄소 수가 3~6인 분자에서는 절삭 저항에 대한 영향이 거의 나타나지 않았다. 하지만 탄소 수 8인 분자에서 절삭 저항이 떨어지기 시작해 탄소 수 10 이상의 긴 분자가 되면 일반적인 알루미늄 합금을 절삭할 때에 비해 절삭 저항이 5분의 1 수준으로 줄어들었다. 반데르발스 힘에 영향을 미치는 ‘분자의 길이’에 따라 절삭 저항이 극적으로 변화한 것이다.

스기하라 조교수는 “긴 분자일수록 반데르발스 힘의 영향이 강하게 작용하여 인장 방향의 표면 응력장으로 바뀌고, 반대로 짧은 분자일 경우 상대적으로 쿨롱 힘의 영향이 커져 압축 방향의 표면 응력장으로 바뀐다”라고 설명한다. 실제로 탄소 수가 같은 분자에서 흡착기나 관능기를 바꾸어도 저항 감소율에 미치는 영향은 없었다. 만약 윤활 효과가 절삭 저항 감소에 영향을 미친다면 관능기의 종류에 따라 변화했을 것이다.

다만, 분자가 길면 길수록 절삭 저항이 끝없이 줄어드는 것은 아니다. 오사카대학의 검증에서는 탄소 수가 일정 값을 넘어서자 절삭 저항이 급감했다. 그 이상으로 탄소 수가 늘어나도 별다른 변동이 없었다. 스기하라 조교수는 “피삭재에 균열이 생기기 쉬워지는 일정한 임계값이 존재하며, 표면 응력이 그 값을 넘어선 순간 단번에 효과가 나타나는 것으로 보인다”라고 분석한다.

-- 분자막으로 금속 가공의 취성·연성 제어를 목표로 --
분자 흡착으로 표면 응력이 발생하는 현상 자체는 이미 일부 실용화되어 있다. ‘마이크로 캔틸레버 공법’이라고 불리는 대기 센서 기법은 캔틸레버에 흡착된 분자로 인해 발생하는 ‘처짐 양’을 통해 표적 분자를 검출하는 구조이다.

분자막으로 인해 발생되는 절삭 저항 감소도 이러한 분자의 표면 응력 때문에 일어나는 것으로 보인다. 오사카대학의 연구는 알루미늄 합금을 중심으로 한 검증이었다. 향후, 피삭재인 금속의 종류나 절삭 조건 별로 절삭 저항 감소가 발생하는 분자의 길이를 밝혀낼 수 있게 된다면, 가공 대상 별로 분자 레벨에서 최적화된 새로운 절삭유 개발을 기대할 수 있다.

반대로 짧은 분자를 사용하면 쿨롱 힘이 강해져 피삭재의 표면 응력이 압축 방향으로 작용한다. 그렇게 되면 외부 충격에 약해 균열이 발생하기 쉬운 금속을 균열 없이 가공할 수 있을 가능성이 있다. 오사카대학은 이미 금형을 이용한 V자 굽힘 가공 중의 균열 생성면을 관찰하는 실험에서 균열을 억제할 수 있다는 결과를 얻었다. 니켈반 내열합금을 비롯해 난삭재에 대한 분자막의 응용에 기대가 모아지고 있다.

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