Self-healing Surfaces
독일 연구팀이 도금 막 (electroplated layer)의 손상을 자가치료 (self-healing)하는 방법을 개발했다. 이들은 나노미터 크기의 캡슐을 포함하는 도금 막을 만들었는데, 막에 손상이 일어나면 부서진 캡슐로부터 흘러나온 액체가 손상을 수리한다.
인간의 피부는 조그만 상처 정도는 금방 치료되고 며칠만 지나면 흉터조차 남지 않는다. 하지만 소재의 경우에는 전혀 달라서, 예를 들어 금속 표면의 부식을 방지하기 위한 도금 막은 한 번 손상되면 부식을 막을 수 없다. 따라서 인체의 자가치료 능력을 모방하는 연구가 진행되고 있는데, 도금 막의 경우에는 보수 액이 들어있는 캡슐을 도입하는 방법이 시도되었다. 손상이 일어나면 캡슐이 깨지면서 보수 액이 흘러나와 자가 보수가 일어나는 원리이다.
하지만 아직까지는 이 방법이 성공하지 못했는데, 그 이유는 캡슐의 크기가 너무 크기 때문이었다. 도금 막의 두께는 10~15 마이크로미터인데 비해 캡슐의 크기는 20마이크로미터 정도라서 캡슐 때문에 도금 막의 기계적 특성이 변하게 된다.
독일 프라운호퍼 제조공학 및 자동화 연구소 (Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation IPA) 와 뒤스부르크 에센 대학 (Duisburg-Essen University) 연구팀은 폭스바겐 재단 (Volkswagen Foundation)의 지원을 받아 수백 나노미터 크기의 캡슐을 가지는 도금 막을 개발하는데 성공했다. 프라운호퍼의 Martin Metzner 박사는 도금 막을 만들 때 캡슐에 손상을 입히지 않는 것이 어려운 점이라며 캡슐이 작을수록 캡슐 벽은 얇아지는데 비해, 전기도금에 사용되는 전해질은 매우 강한 화학물질이라서 캡슐이 쉽게 파괴되어 버린다고 설명했다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 도금에 사용되는 전해질의 종류에 따라 적절한 캡슐의 소재를 찾아야 했다.
이 기술은 예를 들어 베어링과 같은 곳에 쓰일 수 있다. 베어링은 표면에 전기도금이 되어있는데, 여기에 윤활유를 넣은 캡슐을 넣는 것이다. 베어링 사용 중 윤활유가 부족하게 되면 베어링에 마모가 일어나서 도금 막에 손상이 일어나기 시작한다. 이 때 외각 층의 캡슐이 파괴되면서 윤활제를 방출하도록 할 수 있다. 즉, 일시적으로 윤활유가 부족하게 되더라도 베어링에는 손상이 일어나지 않는 것이다.
연구팀은 이 캡슐을 이용한 최초의 구리, 니켈, 아연 코팅을 만들었지만 아직 코팅면적은 센티미터 정도 크기 밖에는 되지 않는다. 전문가들은 부품의 표면을 모두 코팅할 수 있는 정도가 되려면 1년 반에서 2년 정도가 걸릴 것으로 보고 있다. 연구팀은 캡슐에 서로 다른 종류의 액체를 채워서 캡슐로부터 나온 액체들이 서로 반응을 하도록 하는 방법도 연구 중이다.
[그림] 자가 회복 표면
Self-healing Surfaces
ScienceDaily (Aug. 3, 2009) — The engineers‘ dream of self-healing surfaces has taken another step towards becoming reality – researchers have produced a electroplated layer that contains tiny nanometer-sized capsules. If the layer is damaged, the capsules release fluid and repair the scratch.^
Self-healing surfaces. (Credit: Image courtesy of Fraunhofer-Gesellschaft)
Human skin is a phenomenon – small scratches and cuts heal quickly, leaving no trace of a scar after just a few days. It’s a different matter with materials, such as metals – if the electroplated layer protecting the metals from corrosion is scratched, rust protection is lost. Engineers are working on transferring the self-healing effect of skin to materials. The idea behind this is to introduce evenly distributed fluid-filled capsules into the electroplated layer – rather like raisins in a cake. If the layer is damaged, the pellets at the point of damage burst, the fluid runs out and ‘repairs’ the scratch.
Until now, these plans have failed due to the size of the capsules – at 10 to 15 micrometers they were too large for the electroplated layer, which is around 20 micrometers thick. The capsules altered the mechanical properties of the layer.
Researchers from the Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation IPA in Stuttgart, together with colleagues from Duisburg-Essen University, have developed a process for producing electroplated layers with nano-capsules, in a project being financed by the Volkswagen Foundation. At only a few hundred nanometers in diameter, the capsules are measured on another scale entirely, compared with previous results. “The challenge lies in not damaging the capsules when producing the electroplated layer”, says Dr. Martin Metzner, Head of Department at IPA. “The smaller the capsules, the thinner and more sensitive their casing. The electrolytes used for these electroplated-technical processes are extremely aggressive chemically and can easily destroy the capsules”. The researchers therefore had to find a compatible material for the capsule casing depending on the electrolytes used.
Mechanical bearings are one example of possible applications – the materials of the bearings usually have a electroplated coating, in which the capsules can be embedded. If there is a temporary shortage of lubricant, part of the bearing’s coating is lost, the capsules at the top of the layer burst and release lubricant. The bearing is not therefore damaged if it temporarily runs dry.
The researchers have produced the first copper, nickel and zinc coatings with the new capsules, although surface coverage does not extend beyond the centimeter scale. Experts estimate that it will be another one and a half to two years before whole components can be coated. In a further step the team worked on more complex systems – involving differently filled capsules, for example, whose fluids react with one another like a two component adhesive.
Source :KISTI,.sciencedaily.com
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