마모 없는 초저항 구조적 초윤활(SSL) 접점
개요: 전기 접점의 한계를 넘어
전기 접점은 전력과 신호를 전달하는 핵심 부품으로, 발전기 브러시, 팬터그래프, 스위치, 슬립링 등 다양한 장비에 사용됩니다.
그러나 전통적인 접점은 마찰과 마모, 불안정한 전류 전달, 한정된 수명이라는 문제를 겪어왔습니다.
이를 해결하기 위해 청정 마찰 상태인 구조적 초윤활(Structural Superlubricity, SSL) 개념이 도입되었습니다.
SSL은 두 고체면이 거의 마찰 없이 접촉해 사실상 마모가 없는 상태를 유지하는 현상입니다.
본 연구에서는 그래파이트(Graphite)와 다이아몬드 유사 탄소(DLC, Diamond-Like Carbon) 를 이용해
마찰계수 0.001 수준, 접촉저항 60 Ω μm 이하의 초저저항·무마모 전기 접점을 실현했습니다
실험 결과: 초윤활과 초전도성의 조화
연구진은 그래파이트 미세 블록을 금(Au), 니켈(Ni), DLC 표면 위에서 미끄러지게 하여
마찰과 접촉 저항을 정밀 측정했습니다.
마찰력(Ffric) : 약 30 kPa 수준, 마찰계수(COF)는 0.001 미만
접촉저항(Resistance Rs) : DLC 기반에서 평균 6.2 Ω, 최소 3.5 Ω
비저항(Contact Resistivity) : 약 56 Ω μm, 금속 접점보다 낮은 수치
결과적으로, 그래파이트/DLC 접점은 기존 금속–금속 접점 대비
낮은 마찰과 낮은 전기저항을 동시에 달성했습니다
이 현상은 완전한 접촉면과 낮은 전자 장벽(Electron Barrier) 덕분입니다.
전자 구조 해석 (DFT 계산)
밀도범함수이론(DFT)을 이용한 시뮬레이션 결과,
그래파이트/DLC 계면은 그래파이트/Au 또는 그래파이트/Ni 계면보다
전자 이동 장벽이 낮아 전하 전달이 훨씬 용이함을 확인했습니다.
이는 DLC층이 Ni 합금과 화학 결합(C–Ni Bond)을 형성해
전류 흐름에 유리한 전자 터널링 환경을 제공하기 때문입니다
응용: 마모 없는 전도 슬립링 (Slip Ring)
이 원리를 이용해 연구진은 SSL 전도 슬립링을 제작했습니다.
DLC 코팅 디스크와 그래파이트 접점이 지속적으로 접촉하면서
전류를 안정적으로 전달하는 구조입니다.
실험 조건: 1 V 인가, 회전속도 3 mm/s, 총 100 m 이상 연속 미끄럼
결과: 전류 0.88–0.92 mA 유지, 변동 ±4.5%
관찰: Raman 분석에서 D 피크 부재 → 마모 없음 확인
AFM 분석: 표면 손상 또는 파편 없음
즉, 이 슬립링은 무마모 · 저소비전력 · 장수명 특성을 보이며,
기존 귀금속 브러시 접점보다 높은 전류 밀도(≈ 55 MA/m²) 를 유지했습니다
기술적 의의 및 미래 전망
기계식 하드디스크
DLC 코팅이 기존 하드디스크 플래터에도 적용되어 있기 때문에,
SSL 기술을 응용하면 비행 높이 0에 근접한 무접촉 기계식 HDD 제작이 가능합니다.우주 및 고정밀 기계
마찰 또는 윤활유 문제가 심각한 우주 환경 또는 정밀 기계 분야에 적용 가능성이 매우 높습니다.차세대 MEMS 소자
미세 전기기계 시스템(MEMS)에서도 SSL 접점이 적용되면,
초소형 전기 스위치 및 마이크로 커넥터 개발에 돌파구가 될 것입니다.
결론
핵심 성과:
초저마찰(μ ≈ 0.001) 및 비마모 접점 확립
초저저항(≈ 56 Ω μm) 의 전도 특성 달성
100 m 슬라이딩 후에도 마모 0 확인
이 연구는 전기적 전도성과 기계적 내구성을 모두 갖춘
차세대 전기 접점 기술의 새 기준을 제시했습니다.
SSL 전기 접점은 슬립링, 모터 브러시, 전자 커넥터 등 다양한 산업 분야에서
반영구적 수명과 안정성을 제공할 잠재력을 가집니다.