일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2020.12.14

수십 nm 영역의 마모량 예측식 제안
초소형 기계시스템의 장수명화에 기대

도호쿠대학을 중심으로 한 연구그룹은 도호쿠대학 금속재료연구소의 슈퍼컴퓨터 ‘MASAMUNE-IMR’을 활용해, 정밀한 초소형 기계(Micro Machine) 시스템으로 재료의 마모량을 예측할 수 있는 이론식을 도출했다. 금속재료연구소의 구보(久保) 교수와 도호쿠대학 대학원 공학연구과의 아다치(足立) 교수와 왕양(王楊) 조교, 중국 상하이해양대학의 Jingxiang Xu(許競翔) 교수의 연구그룹이 이룬 성과다. 드론이나 로봇, 자동차, 의료기계 등에 이용되고 있는 초소형 기계시스템의 장수명화나 고장∙사고를 방지할 수 있다고 한다.

이번 연구에는 크게 2개의 목적이 있다. 첫 번째는 실험적으로 직접 관찰하지 못하는 초소형 기계시스템의 마모 메커니즘과, 마모의 요인이 되는 화학반응을 명확히 밝히는 것이다. 두 번째는 그 지식을 바탕으로 초소형 기계시스템에서의 재료의 마모량 예측식을 제안하는 것이다. 연구그룹은 3000조회(兆回)/초의 계산이 가능한 MASAMUNE-IMR을 이용했다.

아울러 금속재료연구소가 개발한 대규모 분자동역학 시뮬레이터 ‘LASKYO’를 활용했다. 초소형 기계시스템에서 코딩재로 이용되는 DLC(Diamond‐Like Carbon)를 예로, 초소형 기계시스템의 마모의 원인이 되는 마찰계면에서의 화학반응을 시뮬레이션했다.

그 결과, 초소형 기계시스템의 마모는 (1) 2개 표면의 접촉에 의한 화학결합의 형성, (2) (1)에 의해 당겨진 원자 표면에서의 이탈 2단계에서 일어나는 것이 분명해졌다. (1)과 (2)에 반응속도론을 응용해 초소형 기계시스템에서의 재료의 마모량 예측식을 도출했다. DLC의 마모량 시뮬레이션을 통해 구축한 예측식의 유효성과 범용성을 검증했다고 한다.

초소형 기계시스템의 경우는 엔진이나 모터 등의 일반적 크기의 기계시스템에서는 문제가 되지 않는 아주 미세한 마모가 시스템 전체에 큰 영향을 미치기 때문에 극한까지 마모량을 줄일 필요가 있다. 그러나 초소형 기계시스템에서의 마모 현상은 수십 nm의 마모 계면에서 발생하고 있어, 일반적인 기계시스템에 사용하는 기존의 마모량 예측식은 적용할 수 없다. 그 때문에 어떠한 재료를 어떠한 조건에서 사용하면 어느 정도의 마모가 발생할 것인가를 정량적으로 예측할 수 있는 이론식 구축이 요구되고 있었다.

연구그룹이 제안한 예측식은 이러한 요구에 대응하는 것으로, 마모를 억제할 수 있는 재료개발이나 사용조건의 최적화가 가능해진다고 한다. 연구그룹은 앞으로 초소형 기계시스템을 구성하는 다양한 재료에 대해 예측식을 응용하고, 초소형 기계시스템의 장수명화와 고장∙사고의 방지를 도모할 수 있는 재료설계 및 재료개발을 추진한다. 이를 통해 초소형 기계시스템을 응용할 수 있는 분야와 시장의 확대, 내마모성 재료의 연구개발로도 연결해 나간다.

이번 연구는 문부과학성의 ‘포스트 『케이(京)』 맹아적 과제 『기초과학의 도전-복합∙멀티스케일 문제를 통한 극한의 탐구』’, 과학기술진흥기구(JST)의 전략적창조연구추진사업(CREST), 전략적이노베이션창조프로그램 ‘혁신적연소기술’, 과학연구비(Grant No. 17K14430, 19K05380, 18H03751) 조성의 지원으로 실시되었다.

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