최근, 기기의 소형화 선호도 증가에 따라 기기를 구성하는 액추에이터 및 센서 등의 소형화가 활발히 연구 및 개발되고 있다. 이에 따라 초소형 모터, 펌프 등 다양한 소형기기에 필요한 부품 개발에 관련한 연구들도 활발히 이어지고 있다. 그러나 기기 소형화에 따른 제품의 낮은 신뢰성, 내구도, 정밀도 등으로 인해 제품의 질에 심각한 악영향을 끼치고 있으며, 이로 인해 기기 소형화의 한계점들이 대두되고 있다. 이를 해결하기 위해, 기기 생산 및 제작의 정밀도 및 정확도, 기기의 모션 분석 및 진동해석, 그리고 부품의 마찰 및 마모 저감 등을 통한 신뢰성 확보 등이 있을 수 있다.
본 연구에서는 이러한 기기 소형화를 해결하기 위한 다양한 방법 중, 트라이볼로지 측면에서 이러한 문제를 해결하기 위한 연구를 진행하였다. 소형기기는 거시적 물리 현상과는 달리 점착력 강화로 인한 높은 정지 마찰 특성을 보이고, 액체 윤활 적용에서의 한계를 보인다. 따라서 이를 해결하기 위한 방법으로는 부품의 상대운동에 따른 미끄럼마찰을 저감하는 방법으로서 접촉면 코팅을 통한 고체 윤활, 또는 n-Pentanol과 같은 기체 주입을 통한 기상 윤활 등이 대표적이다. 하지만, 두 방법 모두 미끄럼 운동을 기반으로 하기 때문에 우수한 마찰 특성을 갖기는 힘들뿐더러, 기체 및 고체 윤활의 공급 측면에서 실제 독립된 공간에서 장시간 동안 윤활의 지속적 공급 없이 사용되기 힘들다는 한계를 보여왔다.
따라서 부품의 미끄럼 상대운동에 의해 발생하는 마찰 및 마모를 저감하기 위해 미끄럼 운동을 구름 운동으로 바꾸기 위한 노력들이 진행되어 왔다. 소형기기 내에서 구름 운동을 형성할 수 있는 지름 1 mm 이하 크기의 볼을 이용하여, 소형 베어링, 선형 액추에이터 등의 개발 연구가 진행되고 있다. 하지만 이러한 마이크로 볼 베어링을 활용한 다양한 응용 연구에서의 문제점은 연구에서 사용된 볼의 지름이 285 μm 이상으로서 상대적으로 소형 기기의 제작 측면에서 크기의 한계를 갖게 한다는 점이다. 따라서 이를 극복하기 위한 시도로서 285 μm 보다 더 작은 볼들의 구름마찰 특성에 관한 연구가 진행되고 있지만, 이 또한 볼을 개별적으로 구를 수 있도록 하는 그루브의 제작 없이 연구가 진행되었기 때문에 실용적인 측면에서 연구적으로 좀 더 보완되어야 한다.
이번 연구에서는, 현재 마이크로 볼을 이용한 구름 운동 연구들의 단점을 보완하기 위하여 지름 62 μm 수준으로서 현재까지 연구되는 마이크로 볼 베어링 중 가장 작은 사이즈의 볼 베어링에 관한 연구가 진행되었다. 붕규산 유리 재질의 마이크로 볼을 사용하였으며, 간단한 방식의 전자기 액추에이터를 이용하여 액추에이터 내에서의 볼의 트라이볼로지적 특성 연구를 진행하였다. 로렌츠힘을 통한 액추에이터의 움직임을 바탕으로 마찰 및 마모 실험을 진행하였으며, 액추에이터의 움직임을 광학 센서를 통해 변위를 측정하여 계산을 바탕으로 마찰계수 측정을 진행하였다.
실험 결과, 액추에이터의 1000만회 왕복 후에도 0.02 이하의 낮은 마찰계수를 보이며 정상적으로 작동됨을 알 수 있었으며, 주된 마모의 원인은 볼과 그루브의 점착력에 따른 점착성 마모가 주된 마모의 원인임을 알 수 있었다. 또한, 그루브 위의 표면처리에 따른 트라이볼로지적 특성 변화 실험에서는, 코팅의 두께 및 기계적 특성에 따라 액추에이터의 내구성 및 마찰특성에 큰 영향을 끼침을 알 수 있었다. 본 연구결과를 통해, 본 연구가 향후 소형 및 초소형 기기의 신뢰성, 내구성, 정밀도 확보 및 수명향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

Recently, as the preference for miniaturization of devices increases, there have been many researches and developments regarding the miniaturization of actuators and sensors that make up machines. Accordingly, elements which are necessary to miniature devices, such as miniature motors and pumps, have been researched. However, the low reliability, durability and accuracy of the product due to the device size reduction have been raised as critical issues of miniaturization. Thus, the improvement of manufacturing accuracy, various analysis, and reduction of friction and wear are needed to overcome this problem.
In this research, among various methods to overcome the problem regarding miniaturization, the researches within tribological aspects have been conducted. On behalf of traditional approaches to reduce friction and wear such as surface coatings, the method to change the motion from sliding to rolling was utilized in this research. As the smallest ball for micro-ball bearing, the ball having diameter of 62 μm was used as elements of ball bearing. The material of micro-ball was borosilicate glass and the tribological characteristics of micro-balls were investigated with the simple electromagnetic actuator based on Lorentz force. The displacement of the actuator was measured by optical sensors and the rolling coefficient of friction of the actuator was calculated by the measured displacement.
As a result of this research, it was shown that the actuator with micro-ball bearing can last over 10 million cycles with lower friction coefficient than 0.02. It was also shown that the main wear mechanism was adhesive wear because of size effect. Furthermore, the surface treatment by coatings showed its applicability for micro-ball bearing to improve the reliability and durability of micro-ball bearing. Through this research, it is expected that the results in this research can contribute the developments of miniature devices with higher durability, accuracy and reliability.