마찰 공학 – 움직임에 대한 이야기

2013 10월 25, 16:49 CEST

자동차, 기차, 비행기, 로봇, 터빈, 컴프레서와 같이 일상생활에서 사용하는 수많은 기계의 성능은 움직임 시 접촉 표면에 따라 달라집니다. 적절한 내구성과 에너지 효율성을 위해서는 이러한 표면에 자주 윤활 처리를 해야 합니다. 윤활 처리를 하지 않는 경우에는, 의도한 성능 척도에 도달하기 위해 기계가 받는 마모 및 손상을 최소화시켜야 합니다. 이러한 모든 것을 위해 필요한 지식이 "마찰 공학"이라는 과학 분과에 담겨 있습니다.

고텐버그, 2013년 10월 25일: 마찰 공학은 상대 운동에서 상호 작용하는 표면에 대한 과학이자 공학입니다. 마찰 공학에는 마찰, 윤활, 마모 원리의 연구와 응용이 포함됩니다. 마찰 공학은 기계 공학 및 재료 과학의 분과입니다.

1966년에 영국 교육 과학성의 한 위원회가 펴낸 Jost Report [1]에서 이 분야 전체를 설명하기 위해 마찰 공학이라는 단어를 공식적으로 만들어 냈습니다.
마찰 공학(tribology)이라는 단어는 고전 그리스어로 "비비다"라는 뜻을 가진 그리스어 동사 tτρίβω(tribo)의 어근인 τριβ-와 -logia("~에 관한 연구", "~에 관한 지식")에 해당하는 -λογία인 접미사 -logy에서 유래합니다.

마찰 공학에 속한 지식은 모든 종류의 롤링 베어링 및 슬라이딩 베어링 설계에 이용됩니다. 롤링 베어링에서 마찰 공학은 응용, 베어링 설계, 베어링 재료 및 표면 선택과 관련하여 어떤 윤활유(오일 및 그리스)를 선택해야 하는지에 대한 정보를 제공합니다. 또한 마찰 손실, 열 발생 및 윤활유와 베어링 자체의 수명을 계산하는 데에도 이용됩니다.

예전에는 주로 재료에 대한 경험적 지식과 역학 및 재질 약화에 대한 기본적인 모델링 측면을 사용하여 롤링 베어링을 설계했습니다. 하지만 현대 산업에서는 고성능 롤링 베어링을 요구하므로 경험적 지식만으로는 이제는 충분하지 않습니다. 더 빠른 속도, 더 높은 온도, 더 높은 밀도, 더 얇은 윤활, 더 큰 베어링 크기, 더 가혹한 환경 조건 또는 첨가물, 더 높은 진동 등 많은 요구 사항이 접촉 표면에 영향을 미칩니다. 롤링 베어링은 일반적으로 고장이 날 가능성이 매우 낮지만, 고장이 나는 경우 그 근본 원인은 대개 표면에 있습니다. 예를 들어 윤활 불량, 오염, 마모, 마찰로 인한 과도한 열 발생 등이 있으며 마찰학적 지식은 이러한 문제를 해결하는 데 매우 용이합니다. 따라서 마찰학적 메커니즘과 혁신적인 마찰 공학적 솔루션의 개발을 이해하는 것은 베어링 업계에서 매우 중요합니다.

현대의 베어링은 재료의 선정에서 형상 및 표면 마감 설계에 이르기까지 매우 정교한 마찰 공학적 지식을 기반으로 하여 설계되며, 여기에는 안정적이고 안전한 작업을 위한 윤활유와 씰의 사양도 포함됩니다. 이와 관련된 마찰 공학적 지식에는 정교한 계산 모델과 세부적인 연구실 실험 및 테스트 방법이 필요합니다.

2012년, SKF는 연매출의 2.5%에 달하는 1억 8,000만 유로를 투자했습니다. 개발 활동 결과, 2012년에 660건의 발명신고서와 421건의 신규 특허를 제출할 수 있었습니다. 

SKF의 마찰 공학 지식을 통해 중요한 혁신이 이루어졌습니다. 예를 들어, E2(에너지 효율적) 베어링, 무마모 코팅, 하이브리드 베어링, 황동 및 고분자 중합체 케이지, 특수 응용 목적으로 우수하게 마감 처리된 베어링, 표면 텍스처링, 그리스 및 윤활유 사양, 저마찰 씰 등이 모두 SKF 연구 개발의 결과물입니다.

마찰 공학 지식은 또한 SKF의 많은 예측 도구 및 소프트웨어에도 적용되었습니다. 여기에는 BEAST, Bearing Beacon, 오프라인 및 온라인 카탈로그 모델, 롤링 베어링에 대한 SKF 마찰 모델, SKF 베어링 수명 모델(특히 윤활 및 오염 인자), SKF 그리스 수명 모델 및 SKF 표면 유발 피로 모델이 포함됩니다. 이들은 표면의 역할이 매우 중요한 상황에서 혁신 기능을 개발하고 베어링 성능을 예측하는 데 있어 중요한 도구입니다.


SKF 마찰 공학 산학 협력
SKF는 베어링 업계에서 유일하게 마찰 공학 분야를 선도하는 몇몇 대학과 장기적인 협력 체제를 수립했습니다. SKF와 같은 첨단 기술 회사가 자체 내부 연구 개발 시설과 전문가를 보유하고 있음에도 불구하고 학계와 공동 연구를 하는 이유는, 장기적인 사고 방식 및 다른 접근 방식을 지닌 세계적인 과학자와 엔지니어와 접촉함으로써 전반적인 창의성을 높일 수 있는 이점이 있기 때문입니다. 이러한 경우 성과물을 얻는 데 걸리는 시간은 사내에서 단독으로 프로젝트를 수행할 때보다 훨씬 더 오래 걸리곤 합니다. 하지만 가장 중요한 것은 기업의 관점을 학계의 연구에 통합하고 전달하기 위해 회사 내부에서 최고 수준의 마찰 공학 연구를 지속하는 것입니다.

임페리얼대학교
세계 10대 대학으로 지속적으로 선정되어 온 런던 임페리얼대학교는 세계적인 기술 선도 대학 중 하나입니다 [2]. 임페리얼대학교의 기계 공학과는 SKF UTC(SKF 대학 기술 센터) 중 하나를 주도하고 있습니다. 이 센터는 2010년 1월에 설립되었으며 이곳에서는 주로 고급 모델링과 측정 방법을 사용하여 마찰 시스템에 대한 기초적인 연구를 수행합니다. [3] Hugh Spikes 교수와 Amir Kadiric [4] 박사가 현재 7명의 박사 과정 학생들과 2명의 박사후 과정 전임연구원으로 구성된 팀을 이끌고 있으며 팀의 규모가 빠르게 성장하고 있습니다. 임페리얼대학에 UTC를 설립한 것은 전 SKF 기술 이사였던 Stathis Ioannides 교수가 임페리얼대학의 초빙 교수였던 시절 SKF와 30년 이상 진행해 온 산학 협력을 통해 맺어진 결실입니다.

SKF UTC는 60여 년 전에 설립되어 마찰 공학 연구 분야에서 세계적인 그룹 중 하나로 널리 알려진 임페리얼 마찰 공학 그룹의 필수 기관입니다. 디젤 윤활과 마찰학 및 거친 표면 접촉의 모델링에 광학적 간섭 측정 기술 적용 등 마찰 공학 분야의 많은 선구적인 연구가 이곳에서 이루어졌습니다. 이 그룹에서 수행한 연구의 우수성은 3개의 Tribology Trust Gold Medals, STLE International Award, Imperial College Research Excellence Award뿐만 아니라 선도적인 마찰 공학 학술지로부터 20개 이상의 최우수 논문상을 수상하는 등 수많은 수상을 통해 입증되고 있습니다.

임페리얼대학 UTC 팀의 목표는 구성 부품의 내구성을 개선하고 마찰 손실을 줄이기 위해 접점에서 마찰학적 현상에 대한 세부적인 이해를 마련하는 것입니다. 이것은 새로운 실험적 기술과 고급 수치 모델의 결합을 통하여 얻어집니다. 현재 진행 중인 프로젝트에는 거친 표면 접촉에서의 EHL(탄성 유체 윤활), 가공 표면의 접촉 역학, EHL의 CFD(계산 유체 역학) 모델링, 윤활 첨가제의 성능, 저마찰 그리스, 거칠기가 접촉 마찰에 미치는 영향, 표면 균열의 시작 및 전파, 롤러 베어링의 스미어링 파손 및 베어링 씰 윤활 등이 있습니다. 

UTC는 네덜란드에 소재한 SKF 자체 공학 연구 센터와 긴밀하게 협력하고 있습니다. 이를 통해 UTC에서 정립한 기초적인 이해를 SKF가 성공적으로 활용함으로써 SKF 베어링의 마찰과 마모를 감소시키고, 사용 수명과 환경적 성능을 향상한다는 최종 목표에 더 가까이 나아갈 수 있습니다.

INSA de Lyon(리옹)
프랑스의 INSA de Lyon(리옹 국립 응용과학연구소)은 첨단 기술 분야에서 전문 지식과 연구인력이 가장 많이 집중된 대학 지역 중 한 곳으로서, 프랑스의 문화와 융합연구에 대한 열정을 잘 보여줍니다. 500명이 넘는 연구 인력과 650명의 박사 과정 학생들이 활동하는 21개의 실험실을 갖춘 INSA de Lyon은 기존의 틀을 깨는 과학 연구 결과를 제시하여 산업 파트너의 혁신 응용 분야에 종종 도움을 주는 독보적인 연구 센터입니다.

LaMCoS(INSA de Lyon, CNRS UMR5259) 실험실은 접촉 역학과 고체 역학 및 구조 동력학 분야에서 융합연구를 수행하는 기관입니다. 이 기관은 마찰 공학, 빠른 동역학, 진동 역학, 제어, 트랜스미션 시스템, 회전 기계 및 재료 형성 분야에서 수많은 전문 지식을 제공합니다. 이 실험실의 전반적인 과학적 목표는 접촉면을 고려하면서 기계적 시스템과 구조를 이해하고 제어하는 것에 관한 연구를 수행하는 것입니다.

INSA de Lyon과 SKF 간의 마찰 공학 공동 연구는 대형 회전 접촉면을 테스트하는 기계를 개발하려는 아이디어가 최초로 나왔을 때인 20여 년 전으로 거슬러 올라갑니다. 이 기계는 이제 현실이 되었습니다. 이것은 Tribogyr [5]라는 것으로 이미 롤링 요소에서 마찰 행동에 대한 새로운 통찰력을 제공하고 있으며 이것은 베어링에서 더 높은 출력 밀도와 마찰 감소를 필요로 하는 업계의 요구사항을 충족하는 데 매우 중요합니다. 그 밖에도 SKF ERC(공학 및 연구 센터) 연구원인 Guillermo Morales Espejel은 2004년부터 INSA de Lyon(LaMCoS)에서 초빙 교수로 일하고 있습니다.

최근, SKF와 INSA de Lyon은 미래를 위한 윤활 접점에 관한 SKF 위원회를 INSA de Lyon에 설립하기로 하여 그들의 협력관계를 더욱 공고히 해 왔습니다 [6]. 6년간 활동하게 될 이 위원회의 목표는 윤활된 접점에 의해 발생하는 극단적인 조건 하에서 윤활제의 활동에 대한 파악, 이해, 모델링을 다루는 업스트림 방식의 교차 연구를 수행하는 것입니다. 특히 항공 우주 분야에서 윤활유(대개 그 특징과 구성상 복합 유체인 경우가 많음)는 마찰 손실, 마모 및 손상의 위험을 경감하는 데 중요한 역할을 합니다. 이 위원회의 목표 중 하나는 경제적, 사회적, 환경적 제약에 따른 미래의 신개발품을 예측하는 것입니다.

특히 중점적으로 다루어질 주제는 다음과 같습니다.
- 윤활액: 유동학에서 윤활까지,
- 윤활유 및 복합 유체: 분자 기전에서 윤활까지,
- 윤활, 유체/고체 상호작용에서 자유수면 흐름.

연구 이외에도 이 위원회는 여러 SKF 프랑스 또는 SKF ERC(공학 및 연구 센터)에서 수행되는 인턴십이나 단기 프로젝트 연구를 통해 젊은 연구원과 학생들을 SKF에 유치하기 위한 목적으로 운영됩니다.


트웬테 대학교 (University of Twente)
마찰학 분야에서 SKF와 장기 협력 관계를 맺고 있는 또 한 곳은 네덜란드 트웬테 대학교의 마찰 및 유체 역학과입니다. ERC의 연구원인 Piet M. Lugt는 트웬테 대학 마찰공학과 마찰학 기반 유지보수 분야의 초빙 교수이며, 유체역학과의 C.H. Venner 박사는 SKF ERC의 초빙 과학자입니다.

“마찰학 기반 유지보수”(예측 유지보수) 분야의 초빙 교수제를 통해 다루는 분야는 다음과 같습니다.

1. 베어링 시스템의 안정성을 위한 모델
2. 재윤활 간격
3. 그리스 유동학

ERC의 Venner 박사는 유체-고체 상호작용에 대한 새로운 모델링 기술에 초점을 맞추어 새로운 예측 도구 개발을 위한 장기적인 연구에 직접 관여하고 있습니다.

참고 자료

1. Jost, H. P. (ed.) 1966 Lubrication—tribology. 교육 및 연구. 보고서 런던: HMSO.
2. http://www.topuniversities.com/university-rankings/world-university-rankings/2012
3. Cooperation for Creative Changes, SKF Evolution, 2011, No. 1. http://evolution.skf.com/cooperation-for-creative-changes/
4. Slick Research, SKF Evolution, 2013, No. 2 http://evolution.skf.com/slick-research/
5. The Beast of Lyon – Putting Large Bearing Contacts to the Test, SKF Evolution, 2012, No. 1 http://evolution.skf.com/the-beast-of-lyon-%E2%80%93-putting-large-bearing-contacts-to-the-test/
6. SKF Chair Presentation (INSA de Lyon). http://fondation.insalyon.fr/news/enewsletter3/download/SKF_CHAIR_PRESENTATION.pdf

Aktiebolaget SKF
(publ)

보다 자세한 정보는 아래로 문의하시기 바랍니다.
보도 자료: Nia Kihlström, +46 31-337 2897; +46 706 67 28 97; nia.kihlstrom@skf.com

SKF는 베어링, 씰, 메카트로닉스, 윤활시스템과 기술지원, 유지보수, 안정성 서비스, 엔지니어링 컨설팅과 교육을 망라한 서비스를 제공하는 데 있어 세계적 선도기업입니다. SKF는 전 세계 약 130여 개국에 진출해 있으며, 15,000여 개의 지역대리점을 가지고 있습니다. 2012년도 연간 매출액은 64,575천만 스웨덴 크로네이며 직원은 46,775명에 달합니다. www.skf.com

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