제조공정
산업 제조
기계 상태 모니터링과 유지보수 비용은 제철소에서 상당한 비중을 차지합니다. 트라이볼로지는 이 비용 절감에 기여합니다. '트라이볼로지(Tribology)'란 용어는 1966년 영국의 H. 피터 요스트 박사가 만들었습니다. 영국 의회 교육과학부에 제출된 '요스트 보고서'는 "트라이볼로지 원리와 실천의 더 나은 적용으로 연간 5억 1,500만 파운드 이상의 잠재적 절감 효과가 산업계에 있다"고 밝혔습니다. 하지만 트라이볼로지는 새로운 분야가 아닙니다.
어원은 그리스어 '트리보스(tribos, 문지르다/마찰)' + '올로지(-ology, 학문)' = '문지르는 것의 연구' 또는 '마찰·마모·윤활의 학문'입니다.
트라이볼로지는 상대 운동하는 상호작용 표면의 과학과 기술로, 마찰(Friction), 마모(Wear), 윤활(Lubrication) 세 가지를 연구합니다(그림 1).
오래된 공학 분야지만, 단일 학문도 아니고 정상 상태 공정으로 잘 설명되지도 않으며, 재료의 모든 복잡성이 관여하므로 고전 과학 중 가장 덜 발달된 분야 중 하나입니다.
트라이볼로지는 다학제적 성격으로 기계공학(저널·롤러 베어링, 기어 등 기계 요소), 재료과학(내마모성 연구), 표면기술(표면 거칠기 분석, 코팅), 윤활유·첨가제 화학을 포괄합니다. 신생 세부 분야로 바이오트라이볼로지(인공 관절 마찰·마모·윤활 등), 나노트라이볼로지(미세·나노 스케일 마찰·마모 연구) 등이 있습니다.
기계 내에는 베어링, 기어, 캠, 타이어, 브레이크, 피스톤 링 등 서로 문지르며 작동하는 부품이 많습니다. 저마찰(에너지 절감) 또는 고마찰(브레이크)이 요구되는 경우가 모두 있습니다. 트라이볼로지는 제철 산업을 포함한 모든 산업 분야에 적용됩니다.
기술 발전에 따라 재료·에너지 절약이 점점 중요해집니다. 마모는 재료 낭비의 주원인이므로 마모 감소로 큰 절감 가능. 마찰은 에너지 손실의 주원인으로 마찰 제어 개선으로 상당한 절감 가능. 윤활은 마모 제어와 마찰 저감의 가장 효과적 수단입니다.
트라이볼로지는 운동 부품 접촉면 사이에 물질을 도입해 마찰을 줄이고 열을 발산시키는 기술입니다. 베어링 등 기계 부품에서 윤활제가 표면을 분리하는 메커니즘을 이해하고 최적 윤활제를 선정하는 것이 주요 연구 영역입니다.
윤활은 상대 운동하는 두 표면 간 마찰 최소화가 목적. 고체 표면은 미시적으로 결코 매끄럽지 않습니다. 최상급 가공 표면에도 '거칠기(roughness)'라 부르는 봉우리(peak)와 골(valley)이 있습니다. 두 표면이 접촉하면 봉우리만 실제 접촉해 법선 하중을 지지하고, 소성 변형돼 냉간 용착(cold welding)됩니다. 법선 하중이 커지면 더 많은 봉우리가 접촉해 '실제 접촉 면적(real area)'이 '겉보기 접촉 면적(apparent area, 기하학적 면적)'보다 커집니다. 이 현상을 부착(Adhesion)이라 합니다.
마찰은 이 부착 때문에 발생한다고 봅니다. 두 표면을 상대 이동시키려면 이 접촉부를 전단(shear)시키는 힘이 필요한데, 이를 마찰력이라 합니다. 트라이볼로지는 상대 운동 표면 간 마찰·마모·윤활 문제를 개념적으로 더 잘 시각화하도록 돕습니다.
트라이볼로지는 마찰·마모 이론 계산이 제한적인 복잡한 과학이므로, 실용적 응용과 밀접하며 경험적 지식과 정교한 실험이 중요합니다. 트라이볼로지 특성은 접촉 재료에 지대하며, 시스템은 운전 조건과 환경에 민감합니다. 트라이볼로지 거동 이해를 위해 물리, 화학, 야금, 역학 지식이 필요해 학제간 과학입니다. 기계 부품이나 금속 가공 시스템 등 기술 응용에서 마찰·마모를 최적화하면 환경과 비용을 모두 절약할 수 있습니다.
마찰은 한 물체가 다른 물체에 대해 이동할 때의 저항으로, 금속 가공 작업에서 극히 중요합니다. 마찰은 재료 상수가 아니라 시스템 반응(반력 형태)입니다. 온도, 습도, 하중, 기계적 특성, 표면 거칠기 등에 의존합니다. 일반적으로 마찰 법칙(아몽-쿨롱 법칙)은 마찰 계수 μ를 마찰력 Ft(접선력)과 법선력 Fn(하중) 관계로 정의합니다.
μ = Ft / Fn
이 법칙은 일반적인 접촉 압력(대부분의 접촉)에서 정확하다고 보며 쿨롱 마찰이라 부릅니다. 접촉 중 마찰은 일반적으로 두 성분으로 나뉩니다.
추가로 미세 수준 요철 변형과 관련된 요철 변형 성분도 쟁기질 성분에 포함됩니다.
트라이볼로지 접촉에서 두 표면 상호작용으로 표면 재료가 점진적으로 제거되는 현상(재료 손실). 마찰과 마찬가지로 마모도 시스템 파라미터입니다. 주요 마모 메커니즘: 마모성(abrasive), 부착성(adhesive), 피로(fatigue), 트라이보케미컬(tribo-chemical) 마모. 보통 여러 메커니즘이 복합적으로 작용. 마찰과 마모 간 상호 관계 존재. 보통 저마찰이면 저마모이나 일반 법칙은 아님(저마찰에도 고마모 사례 다수).
의도적 연마제 없이 두 금속체가 서로 문질러질 때 발생하는 손상. 마모성 마모는 외부에서 유입된 더 단단한 입자가 두 문지르는 면 사이에 끼어 표면을 손상시키는 것. 마모 입자 크기·각도, 금속과 연마제 경도 비율에 따라 심각도 결정.
부착성 마모는 상대 운동 중인 두 고체 요철 간 전단 접촉에서 기인. 탄소성 변형으로 접촉 면적에서 결합력이 강해져 용착. 접선 상대 운동으로 부드러운 재료 요철 내부에서 분리가 일어나(계면이 아닌) 재료 제거.
실접촉 면적은 표면의 모든 용착 요철 면적 합. 미끄러짐 중 재료 제거로 마모 발생 → 부피나 중량 감소로 측정. 통상 마모율(wear rate) 또는 마모 계수(wear coefficient)로 표현. 마모율 = 마모 부피 / (미끄럼 거리 × 하중).
접촉면 중 하나가 다른 하나보다 현저히 단단할 때 현저한 소성 변형과 함께 발생. 이체 마모(Two-body abrasion). 더 단단한 입자가 트라이보 시스템에 유입돼도 발생. 입자가 어느 면에도 부착 안 된 경우 삼체 마모(Three-body abrasion), 한 면에 부착된 경우 이체 마모. 날카롭고 단단한 요철/입자가 부드러운 표면에 박혀 소성 유동, 접선 운동으로 쟁기질하며 마모, 긁힘/홈 남음. 미세 절삭, 미세 피로, 미세 치핑 등으로 세분화. 마모율 정의는 부착성 마모와 동일.
주기적 하중을 받는 다이·공구(압연 롤 등)에서 필수적. 하중 시 표면 압축, 표면 아래 전단 응력 발생. 반복 하중으로 약점(개재물, 제2상 입자 등)에서 미세 균열 생성. 반복 재하중/언로딩으로 균열 전파, 보이드 합체. 임계 크기 도달 시 방향 바꿔 표면으로 나와 편평한 시트형 입자 박리 → 박리 마모(delamination wear). 입자 크면 스폴링(spalling). 법선 하중+미끄럼 결합 시 최대 전단 응력 위치 표면 쪽으로 이동 → 표면 결함서 피로 균열 기시.
피로 마모도 수많은 변수 영향. 외부/내부 응력 집중 피하기, 매트릭스-제2상 입자 간 강한 계면 확보 필요. 고온 가공 시 급격한 가열로 표면 팽창·벌크 간 응력 발생, 접촉 후 냉각 시 다시 응력. 하중 응력과 결합해 열피로 발생 → 모자이크형 균열 네트워크(크레이징/파이어 크래킹). 공구 돌발 파손(롤 완전 파손 등)도 유발.
접촉부 화학 반응이 마모 과정을 지배해 재료 소모. 환경 조건과 기계적 접촉 메커니즘 결합이 중요. 화학적 작용(확산, 용해 등)은 단독 마모 메커니즘이 아니라 다른 메커니즘과 결합·상호작용하며 접촉면 재료 특성을 변화시키는 추가 영향 인자로 보는 게 타당.
두 물체 미끄럼 시 접촉부의 국부 고온·고압 → 국부 전단 변형·파괴. 고온이 화학 반응 가속 또는 국부 용융 유발 → 마모 발생. 하지만 이 조건이 파괴적만은 아님. 새로운 트라이볼로지 특성을 가진 트라이보 필름 형성 가능. 보통 변환형(transformation type)과 퇴적형(deposition type)으로 구분. 둘 다 표면 거칠기, 화학성, 기계적 특성 변화시킴.
표면 거칠기, 화학적 반응성, 부착성 등이 트라이보 필름 형성에 영향.
윤활제는 주로 마찰(과 진동) 저감과 마모 저감을 위해 사용. 상대 운동하는 두 면 사이에 도입돼 마찰 최소화하는 물질. 윤활제 선정·적용은 기대 기능에 따라 결정. 주요 기능:
마찰 저감 메커니즘 두 가지:
저마찰 → 발열 감소 → 온도 저하.
마모 저감: 두 고체 표면 완전/부분 분리. 윤활제가 온도 낮추고, 마모 입자 운반, 외부 오염 방지.
윤활제 잔류물이 생산 공정에서 문제되기도 함(예: 공구에서 강판으로 전이돼 자동차 차체 래커링 악화). 친환경 세정제 필요 사례도. 윤활제 자체가 보건/환경상 부적합할 수도 있음.
윤활제는 액체/고체 가능. 오일/그리스만 해당 안 함. 금속, 산화물, 황화물, 흑연 등도 윤활제 역할 가능. 일반적인 분류:
용도 요구사항에 따라 적정 종류 선택.
액체는 유압 작용으로 운동 부위 사이에 인입되기 쉬워 선호. 부품 분리 유지 외 열 운반체 역할도 함. 선정 시 주 고려사항: 온도 변화에 따른 점도 변화 최소화. 금속 표면 및 타 부품에 대해 일반적으로 불활성.
현대 정제 기술로 다양한 원유에서 양질 베이스 오일 생산 가능. 정유공장은 점도별 베이스 오일 스톡만 생산. 직접 사용 불가 → 배합으로 적정 점도 맞추고 첨가제로 타 특성 개선.
합성 액체 윤활유: 기름지고 중성인 액체. 석유 원유서 얻지 않으나 석유 윤활유와 유사 특성. 석유유 사용 불가한 상황에 적용. 주요 화학 계열: 디에스테르, 유기인산에스테르, 실리콘 폴리머 등.
정제·제조 공정으로 양호한 특성 부여되나 직접 사용 불가. 윤활유는 가혹 조건에서 오염·분해되기 쉬움 → 첨가제(화학 화합물 등) 첨가. 현대 윤활유 첨가제 대분류:
첨가제 사용 범위 광범위(경량 계기·스핀들 오일 ~ 중량 기어유, 자동차유, 절삭유, 유압유). 베이스 오일 50여 특성 개선 가능. 첨가제 일반 요건: (1) 베이스 오일 용해성, (2) 수용액 불용·무반응, (3) 암색 유발 안 함, (4) 저휘발성, (5) 배합·보관·사용 중 안정, (6) 악취 없음.
산업·자동차용 윤활유 300여 종. 통상 분류: (1) 스핀들유, (2) 기어유, (3) 일반 베어링유, (4) 전동기유, (5) 증기실린더유, (6) 터빈유, (7) 공기압축기유, (8) 냉동압축기유, (9) 유압유, (10) 절삭유, (11) 자동차유. 각 용도에 적합한 특성 보유.
반고체 윤활제. 보통 광물유에 특수 비누(증점제) 첨가해 가소성 혼합물 제조. 오일처럼 첨가제 추가로 특성 부여.
그리스 장점:
주성분: 비누 + 광물유. 비누는 동·식물 지방 또는 지방산 유래. 필러 추가로 특성 부여하기도 함.
비누 종류별 분류: (1) 칼슘 베이스, (2) 나트륨 베이스, (3) 리튬 베이스, (4) 바륨 베이스. 비누 종류가 특성에 큰 영향.
초고온·고하중엔 비누 베이스 그리스 한계 → 비비누 베이스 그리스(Non-soap base grease) 사용. 변성 벤토나이트 클레이, 실리카 겔 + 합성유. 비누 베이스에 합성유 사용하기도 함. 첨가제(항산화제, 부식억제제, EP제, 녹억제제, 점착제 등) 추가.
그리스 양대 핵심 특성:
두 문지르는 면 사이에 개재된 얇은 고체 필름으로 마찰·마모 저감. 기술 발전에 따라 수요 급증. 특성: 낮은 전단 강도, 낮은 경도, 기재 재료에 높은 부착성, 연속성, 자기 치유력(파손 시 즉시 재형성), 비마모성 불순물 없음, 열 안정성, 화학적 불활성.
무기 화합물(흑연, 이황화몰리브덴, 이황화텅스텐, 질화붕소), 유기 화합물(알루미늄, 아연, 나트륨, 리튬 스테아레이트, 왁스 등) 사용. 기존 석유유가 작동 못 하는 극한 조건에서 폭넓게 응용.
제조공정
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TIP120이란? NPN과 PNP 트랜지스터는 일반적으로 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)를 이룹니다. 전자 기기에는 증폭, 전압 안정화, 검출, 정류 등 다양한 기능을 수행하는 트랜지스터가 들어 있습니다. 여러 연산을 수행하기 위해 다양한 트랜지스터가 존재하는 것은 당연합니다. 이 글에서는 증폭 모드로 동작하는 특정 NPN 트랜지스터인 TIP120 트랜지스터에 초점을 맞춥니다. TIP120 트랜지스터는 전자 회로에서 중전력 스위칭 및 범용 증폭 응용에 적합한 NPN 달링턴 파워 트랜지스터입니다. 기본 구성 요소는 컬렉터, 이미터