안녕하세요. 에스지오 기술연구소입니다.

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오늘은 매립형 오일레스 베어링에 적용되는 고체 윤활(Solid Lubrication)제인 흑연(Graphite)소재가 마찰면에서 작용하는 특성을 알아보겠습니다.

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먼저 고체윤활제는 윤활 성분으로 잘 알려진 흑연, 이황화몰리브덴(MoS2) 및 기타 수지류를 혼합하여 압축 성형, 소결한 것인데요. 이는 기계 장치에 일반적으로 사용하는 윤활유인 그리스 유체윤활(Fluid Lubrication)제와는 다른 양상으로 마찰 작용을 수행합니다.

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유체 윤활이란, 마찰 운동하는 양쪽 마찰면에 충분한 두께의 오일이 공급되었을 때 유막을 형성하여 양쪽 마찰면이 서로 분리되어 직접 접촉하지 않는 상태로서 가장 이상적인 윤활 형태로 볼 수 있습니다. 그러나 정기적인 급유가 어려운 환경에 적용하는 오일리스 베어링에는 적합하지 않으며 고체 윤활제에 유체 윤활제를 소량 사용하는 것이 일반적인 형태입니다.

고체 윤활제로 가장 많이 사용되는 흑연은 대기 중에서 가장 안정적인 화학 구조인 층상 구조(Layer Structure)를 가지고 있습니다. 각 층은 비교적 약한 결합력을 가지는 반데르발스힘(Van Der Waals Force)에 의한 결합을 이루고 있어 작은 응력에서도 쉽게 분해되며, 다습한 환경에서는 오히려 윤활에 유리하게 작용하여 진공 분위기에는 효과적이지 못하다는 특징이 있습니다.

※반데르발스 힘(Van Der Waals Force) : 중성 분자 혹은 원자 사이의 거리가 가까워지면 인력이 강해진다. 이 힘의 근원은 쌍극자-쌍극자, 쌍극자-유도 쌍극자, 유도 쌍극자-유도 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력이며, 이 힘을 통칭하여 반데르발스 힘이라고 한다. 반데르발스 힘은 네덜란드의 과학자 반데르발스(Johannes Diderik van der Waals, 1837-1923)의 이름에서 유래한다. 반데르발스 힘은 분자 간에 작용하는 힘(intermolecular force)을 말하며, 원자들의 결합에 의한 이온 결합 또는 공유 결합과 같은 힘(intramolecular force)과 구별된다. 유기 화합물, 고분자 화합물, 분자성 고체 등의 다양한 물리적 특성은 반데르발스 힘에 의한 것이다.

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흑연이 마찰면에서 윤활 작용을 수행하는 방식은 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 먼저 초기 마찰에 의해 마모재(Abrasion Material)가 일부 깎여져나가면서 고체 윤활제의 마모를 촉진합니다. 이 때 초기에 도포되는 그리스와 다공질로 이루어진 고체 윤활제의 내부 기공(Pore)에 함침된 유체 윤활제가 윤활을 돕는 역할을 수행합니다. 다음으로 마모재와 흑연 입자 및 윤활제가 혼합하여 마찰면 내부의 빈 공간을 채우게 되며 이는 곧 두터운 막을 형성하여 마찰면에 도포됩니다. 이후로는 안정적인 마찰계수를 보유하면서 장시간 윤활 작용을 수행하게 됩니다.

이는 오일레스 베어링의 시간별 마찰계수, 마찰온도 그래프를 통해서도 확인할 수 있습니다. 다음은 SGO의 오일레스 베어링을 고면압에서 테스트한 자료 중의 일부로, 그래프의 세로축은 각각 마찰계수와 마찰온도를 의미하며 가로축은 시험 사이클 횟수로 곧 시간과 동일하다고 할 수 있습니다.

두 그래프 모두 초기 마찰 단계에서는 값이 높아졌다가 점차 낮아지고 이후에는 일정한 값에 수렴하는 형태를 보이게 됩니다. 그러나 면압 환경에 적합하지 않는 소재, 설계가 적용된 경우에는 그래프의 형태가 매우 불안정하게 나타날 뿐만 아니라 소재 자체의 마모가 너무 심하여 제품을 조기에 교체해야 하는 문제가 발생할 수 있습니다.

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에스지오에는 설계·시험할 수 있는 인프라가 구축되어 있습니다. 다양한 면압 조건에 부합하는 최적의 제품을 생산하기 위한 기술적 역량 또한 보유하고 있으니 오일레스 베어링에 대해 궁금한 점이 있다면 언제든 기술연구에 문의주시길 바랍니다! :)