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스틱 - 슬립음발생저감을위한고분자소재간실험적미끄럼마찰특성분석 643 구를통해마찰에영향을주는각요소들에관한실험적분석을수행하였고, 1996년 Berman에 7,8 의해소재간의다양한특성에의해기준을분류하면서조건에따른스틱-슬립모델을제시하였다. 1999년 Bouissou에 9 의해같은소재간의접촉강성과하중에따른정지마찰계수 (static friction coefficient), 운동마찰계수 (kinetic friction coefficient) 차이에대한실험적연구를실시하였다. 이후많은고분자분야의발전이진행되었고, 2001년 Jibiki, 10 Briscoe는 11 마찰소음이소재간의상대변형에의한내부에너지소산에의해발생하는문제로써미끄럼속도 (sliding velocity) 와정지마찰에서동마찰로의전이시마찰소음에영향을준다고밝혔다. 2001년 Hunt, 12 2005년 Choi는 13 자동차부품으로많이사용되는고분자소재의마찰소음에관한실험적연구결과를발표하였다. 또한마찰과표면거칠기의관계에대해연구가발표되었다. 14 본연구에서는일반가전제품의부품제작에많이사용되는 ABS(acrylonitrile-butadiene-styrene), PP(polypropylene), POM (polyoxymethylene), MIPS(medium impact polystyrene) 고분자소재간의마찰특성에대해실험방법과장치를제안하고실험적방법을통하여고분자판재의표면거칠기, 상대속도, 수직접촉하중, 고분자소재의조합등에따라달라지는마찰거동특성과이에따른실제소음에미치는영향에대하여분석하고가장적합한고분자소재조합을제안하였다. 실 물질. 본연구에서사용된고분자재료는실제냉장고제작에주로사용되는 ABS, PP, POM, MIPS 를사용하였다. 각소재는판재형태로사출성형 (injection molding) 공정으로제작하였으며, 냉장고내부구조에사용되는 ABS 평판을기준시편으로하고나머지소재를 ABS 와미끄럼접촉에의한마 험 찰음특성분석비교시편으로하였다. 기초적인시편에대한고분자구조와주요정보를 Figure 1 에나타내었다. 시편의크기는기준시편인 ABS 의경우만크기가폭 100 mm, 길이 170 mm, 두께 3mm 로두었고, 비교시편은모두동일하게제작하였다. 또한시편의표면거칠기의경우도초기조건으로모두중심선평균거칠기 (arithmetical average roughness, R a ) 가 0.04~0.05 로동일한상태가되도록하였다. 실험장치구성. 고분자소재간의스틱 - 슬립에의한마찰음을분석하기위하여 Figure 2 와같이하중, 표면거칠기, 상대미끄럼속도제어가가능한실험장치를구성하였다. 본연구에서제안한실험장치는규격화된실험장치는아니며, 일반적으로마찰계수를측정하는장치와유사하다. 기준고분자시편 (specimen-b) 은 ABS 소재로동일하게하고아래면에고정한뒤그위에상대운동을하는고분자시편 (specimen-a) 를놓은다음원하는수직하중 (W) 을위치시킨다. 변위와속도조절이가능하도록와이어와도르래를이용한당김장치를구성하고상부시편을당겨서고분자소재간의마찰특성을분석하도록하였다. 당기는하중의크기를측정하기위하여로드셀 (load cell, UU-k2 > 2 kgf, Dacell) 을설치하고시간에따른하중의변화를모니터링하도록하였다. 또한고정시편과이동시편에는가속도계 (Type-4517, B&K) 를설치하여상대변위시상하방향가속도값을측정할수있도록데이터수집기 (NIcDAQ-9174, sensor module: NI9234, national instruments) 를구성하였다. 결과및토론 미끄럼속도에따른마찰특성. 고분자소재간의미끄럼속도에의한마찰특성을알아보기위하여 Figure 2 실험장치에서 2kgf 무게추에의한수직하중이유지되는상태에서두시편의접촉시간을 10 분간주었다. 실제접촉시간은고온조건에서는마찰력에영향을주지만실온에서는큰영향이없 Figure 1. Molecular formula and major material properties of ABS, MIPS, POM, and PP. Figure 2. Schematic diagram of experimental setup. Polymer(Korea), Vol. 37, No. 5, 2013

644 이동규 박희진 박상후 기때문에임의의시간으로정하였다. 그뒤에당기는속도 (v) 를각각 0.5, 1.0, 3.0, 10.0 mm/min 로 4 가지조건으로일정한속도로당겼다. 각경우마다총 5 회측정후평균치를구하였다. 실험은상온조건과일반적인습도조건하에서실시하였다. Figure 3(a) 에는스틱 - 슬립현상에유사할것으로생각되는가장저속인 0.5 mm/min 속도로당길때의고분자소재조합에따른마찰력변화를나타낸것이다. 고분자소재조합간미끄럼마찰운동을할때마찰력의차이는두표면의접촉과정에서표면의돌기들이탄성접촉하여서로달라붙으려는응착현상이발생하고서로당기는힘이강하게작용하여마찰저항력을증가시키는데고분자소재간의물리적결합으로분자사이에서발생하는결합력 (Van der Waals' force) 이응착력에영향을미친다. 그러므로동일한시편의크기와미끄럼조건일때소재조합간재질에따라친화적성질이마찰력에영향을줄것으로사료된다. ABS 와 ABS 소재조합의경우같은재질의소재간미끄럼마찰시응착력에의한마찰력이크게발생하는것을알수있다. 따라서 Figure 3(a) 의 1 번곡선과같이전형적인스틱 - 슬립모션을보여준다. MIPS 와 ABS 조합 (Figure 3(a) 의 2) 에서도두소재가스티렌계고분자 (styrenic polymer) 의분자구조가동일하고, 모두비정질로분자구조가규칙적이지않으며사슬모양의얽혀있는형태로서로간의결합력이크게되어스틱 - 슬립거동을잘나타나는것으로사료된다. 따라서이러한재료조합의경우마찰소음발생가능성이다른조합에비하여높다고볼수있다. 반면에 PP, POM 소재는고정시편인 ABS 소재와의물리적결합력에의한응착력은상대적으로작은것을알수있다. 또한 POM 과 ABS 의조합에서는스틱 - 스립의현상이거의나타나지않음을알수있었다. 고분자소재조합간의미끄럼속도에대한정지마찰력과마찰계수를 Figure 3(b) 에나타내었다. 또한스틱 - 슬립거동을상대적으로확인하기위하여정지마찰력과동마찰력의차이 (S-K friction force) 를 Figure 3(c) 에비교하였다. 동일한조건에서접촉표면의응착력이큰조합인 ABS 와 ABS, MIPS 와 ABS 일때정지마찰력과마찰계수가가장크게나타났으며, 미끄럼속도가증가할수록비례적으로증가하였다. 또한정지마찰력과동마찰력의차이를비교해보아도 ABS 와 ABS, MIPS 와 ABS 조합인경우가다른경우에비하여높은값을나타내었다. POM 과 ABS, PP 와 ABS 조합에서는최대정지마찰력에도달한후동마찰력으로전환되어그차이가다른경우에비하여크지않음을알수있었다. 따라서기준시편 ABS 에대하여비교시편이 ABS>MIPS>PP>POM 순서로소재간미끄럼마찰력이크게나타났으며이것은표면에발생하는소재간의친화성에의한응착력의크기에의한영향으로분석된다. Figure 3. (a) Variation of friction force by combination of polymer plates (at sliding velocity of 0.5 mm/min); (b) static friction force and coefficient of friction according to diverse sliding velocities; (c) difference between static and kinetic friction force, and difference between static and kinetic coefficient of friction. 수직하중크기에따른마찰특성. 수직하중은두시편의접촉면에서실제접촉면적에직접적인영향을주게되므로결과적으로마찰저항에영향을주게된다. 수직하중과마찰특성을알아보기위하여미끄럼속도가 0.5 mm/min 으로일정 폴리머, 제 37 권제 5 호, 2013 년

스틱 - 슬립음발생저감을위한고분자소재간실험적미끄럼마찰특성분석 645 Table 1. Surface Roughness Conditions Surface, R a (µm) ABS MIPS POM PP Specimen-A 0.05 0.05 0.05 0.04 Specimen-B 0.26 0.25 0.20 0.22 Specimen-C 3.3 2.3 2.1 3.4 Figure 4. (a) Variation of static friction force according to the change of vertical load from 0.5 to 4 kgf; (b) change of static coefficient of friction depending on the same loading conditions. 한조건에서무게추를 0.5, 1, 2, 4 kgf 로각각달리하면서실험을실시하였다. 실험결과에서수직하중의크기가증가할수록접촉면적증가와소재간응착력의증가로인하여마찰력이증가하였다. Figure 4(a) 에나타낸것처럼모든소재조합의경우에하중증가에따라최대정지마찰력이증가하였다. 하지만, Figure 4(b) 와같이마찰계수입장에서보면하중의증가에따라큰변화가없는것을알수있다. ABS 와 ABS 소재가접하는경우에는오히려수직하중의증가로인하여접촉면적이증가하여균일한하중이가해지는형태가되어서마찰계수가 20% 줄어드는경향이나타났다. 표면거칠기에따른마찰특성. 고분자시험편의표면의거칠기정도를달리하여소재간의마찰실험을실시하여스틱 - 슬립현상에미치는영향을알아보았다. 실제접촉표면의미세돌기들의영향은마찰이론의거칠기가설과응착이론의복합적인형태로소재간의마찰과마멸과의관계가복잡하 다. 하지만, 본연구에서는가전제품에들어가는고분자소재를다루기때문에대체적으로저속상대운동, 저하중조건일때수행한실험으로단순표면거칠기조건에따른마찰경향만파악하고자하였다. 실험방법으로고정시편인 ABS 소재의표면평균거칠기는일정한값 (R a =0.05) 으로두고비교시편을사포 (sand paper, No.600) 로표면을거치게한다음기계적으로폴리싱하여거칠기조건을변경하였다. 상대미끄럼속도 0.5 mm/min, 수직하중 2 와 4kgf 조건에서각각실시하였다. 실험에사용된표면거칠기조건에대하여 Table 1 에나타내었다. 실험결과소재간의결합력이상대적으로큰 ABS, MIPS 소재에관하여동일한조건에서표면거칠기값을증가시켰을때평균거칠기값이두소재모두약 0.2 µm 부근에서마찰력이감소하는경향을나타낸다 (Figure 5(a) 와 5(b)). 이것은기준시편인 ABS 의경우표면거칠기가매우고운상태로유지하고비교시편만거칠기가조금올라감에따라접촉면적이오히려줄어들어서마찰계수가줄어드는경향이나타나는것으로판단된다. 그러나하중이 4 kgf 로증가하는경우에는유의차없이마찰계수가거의일정함을알수있었다. 그러나표면거칠기가 2~3 µm 로크게증가할경우에는마찰계수가증가하는경향을나타내는데이러한현상은표면거칠기가초기상태에비하여약 40 배이상증가함에따라시편접촉면사이에서실제접촉하는면적이급격히줄어들고이에따라수직하중에의한거칠기돌기당집중하중값이증가하게된다. 따라서미끄럼마찰접촉운동시응착에의한결합력이크게작용하여마찰계수가증가하는것으로사료된다. 특히하중이증가하는 Figure 5(b) 의경우거칠기가증가할수록마찰계수가뚜렷하게증가됨을보여준다. 기준시편 ABS 와결합력이상대적으로약한 POM, PP 소재는하중이 2 kgf 일때표면거칠기증가에따른마찰계수의크기변화가크지않을것을알수있다. 이결과로볼때저속, 저하중조건 (v = 0.5 mm/min, W=2kgf) 일때마찰력에기인하는요소는소재의표면돌기들에의한실제접촉면적영향보다는소재간의친화성에의한결합력의영향이더큰것으로판단된다. 또한 POM, PP 소재가수직하중이 4 kgf 조건에서 ABS 와미끄럼운동을할경우다른소재와는다르게표면거칠기 2~3 µm 수준으로크게증가함에따라실제접촉면적의감소로마찰계수가줄어드는경향이나타났다. 이것을통하여마찰계수는접촉하는두고분자소재의친화 Polymer(Korea), Vol. 37, No. 5, 2013

646 이동규 박희진 박상후 Figure 5. Variation of static friction coefficient according to surface roughness in case of (a) vertical loading of 2 kgf; (b) 4 kgf. 성에영향을받아서표면거칠기가증가함에따라친화성이큰소재의경우는마찰계수가응착력에의해증가하고친화성이작은경우는오히려실제접촉면적의감소로인해서마찰계수가줄어드는것으로사료된다. 마찰특성에따른스틱 - 슬립음변화. 고분자소재의접촉부에서미끄럼이발생하는경우에에너지가발산되면서스틱 - 슬립음을만들게된다. 따라서고분자소재의조합에따라마찰에의한진동이실제스틱 - 스립음에어떠한영향을주는지알아보기위하여가장스틱 - 슬립이잘발생하는소재조합인 ABS 와 MIPS 의미끄럼거동에대하여알아보았다. 기준시편인 ABS(R a =0.05µm) 의접촉뒷면에서수직방향가속도를측정하였으며, 이동시편 (MIPS, R a = 0.05 µm) 에서는수평방향가속도를측정하였다 (Figure 2 참조 ). Figure 6(a)-(c) 와같이시간축을동일하게두고접촉하고있는두소재를미끄럼운동시켰을때발생하는마찰력곡선과정지상태에서수평가속도 (Figure 6(b)), 수직가속도 (Figure 6(c)) 을비교해보면정지마찰에서운동마찰로전환시시편의수평미끄럼가 Figure 6. (a) Variation of friction force between MIPS and ABS plates; (b) horizontal; (c) vertical acceleration values between them. 속도가표면마찰력의변화 (Figure 6(a)) 와정확하게일치하는것을알수있었다. 이것은미시적인측면에서볼때마찰표면의돌기들이미끄럼운동을하면서상호간에받는충격력이진동으로표현됨을알수있다. 상하방향의수직가속도의경우는고정된 ABS 기준시편에서측정을하였으며, 정지마찰력이가장큰첫번째피크에서만가속도값이측정되었다. 이것은스틱 - 슬립거동시에상대적으로약한정지마 폴리머, 제 37 권제 5 호, 2013 년

스틱 - 슬립음발생저감을위한고분자소재간실험적미끄럼마찰특성분석 647 찰력을보인나머지조건에서는시편의고정된경계조건에의하여반응을보이지않은것으로사료된다. 고분자소재간의평판마찰에의해스틱 - 슬립거동이발생할때진동의형태는최대정지마찰력에서운동마찰력으로전환시가장크게발생하였고이후발생하는스틱 - 슬립구간에서미끄럼속도에따라마찰형태는다르게나타나지만진동크기는마찰력의크기에따라비례하게발생하는것을알수있었다. 진동가속도레벨 (vibration acceleration level, VAL) 은진폭을나타내는단위로 db 를사용하여표현할수있는데식 (1) 과같이나타낸다. VAL(dB) = 20 log(a rms /A ref ) (1) 여기서, A rms 는측정된가속도실효치가되며, A ref 는기준가속도값이되는데, 여기서는일반적으로사용하는기준값인 10-5 m/s 2 으로두었다. 15 또다른측정치로소음레벨 (sound pressure level, SPL) 을나타내면식 (2) 와같으며, 여기서 P e 와 P 0 은각각마이크로폰에서측정된음압과기준음압을의미하며기준음압의경우통상적으로사용하는값인 2 10-5 Pa 로두었다. 15 SPL(dB) = 20 log(p e /P 0 ) (2) 앞에서구한실험결과를이용하여측정된마찰력에따른진동및소음크기를최대정지마찰력에대하여나타내면 Figure 7 과같다. 마이크로폰을이용하여실험환경에서의고분자두평판이접촉하여미끄럼운동이발생할때의 VAL 값과 SPL 값을측정해보면각각평균치로 67, 52 db 로나타났다. 따라서정지마찰에서동마찰로변환되면서발생하는스틱 - 슬립음은최대정지마찰력이 5N 이상에서수평방향가속도가증가하고이에따른 VAL 과 SPL 값도증가됨을알수 Figure 7. Comparison of sound pressure level (SPL) and vibration acceleration level (VAL) according to the variation of static friction force. 있다. 따라서스틱 - 스립음은최대정지마찰력이 5N 이상에서잘발생되는것으로판단된다. 또한최대정지마찰력의크기가클수록미끄럼이발생할때많은에너지가순간발산되면서스틱 - 슬립음이크게발생되는것으로분석된다. 결 고분자소재의재료조합에따른평판마찰실험을실시한결과소재별조합에따라최대정지마찰력이동일한표면조건에서달라짐을알수있었다. 또한최대정지마찰력에서동마찰력으로전환되면서미끄럼이순간발생하면서스틱 - 슬립음을만들게되는것을실험적으로확인하였다. 본연구에서실제가전제품에주로사용되는소재중심으로마찰특성을분석한결과 ABS 와 ABS 조합, MIPS 와 ABS 조합의경우소재간의친화성높아서응착력이크기때문에스틱 - 슬립현상이잘발생하고마찰력의크기또한다른소재조합에비하여높음을알수있었다. 반면에, 소재간친화성이상대적으로작은 PP 와 ABS 조합, POM 와 ABS 조합인경우에는마찰력의크기도작으며, 스틱 - 슬립음이거의발생하지않음을알수있었다. 또한기계적특성에따라 POM 과 ABS 소재조합일때가장마찰력이작게발생하고마찰계수또한낮아스틱 - 슬립현상에영향을거의받지않는것으로나타났다. 접촉한고분자판의상대미끄럼속도에따라최대정지마찰력의변화가모든소재조합에있었으며, 미끄럼속도가 0.5 에서 10.0 mm/min 으로증가할경우대체적으로정지마찰력이대부분의소재조합에따라약 50% 정도증가하였다. 하중의크기가증가할수록동일한표면조도조건에서최대정지마찰력의크기가증가하였으며, 4 kgf 수직하중조건에서 POM 과 ABS 의조합은 MIPS 와 ABS 조합에비하여최대정지마찰력이약 2.9 배정도작음을알수있었다. 표면거칠기를변화시켜서소재조합에따른마찰력의변화를알아본실험에서는거칠기가증가할수록마찰력이증가하는경향은보이지만수직하중이작은경우에표면거칠기는실제접촉하는면적에영향을주게되어 POM 과 ABS 소재조합의경우마찰력이표면거칠기가증가함에따라오히려감소하는경향을보였다. 실험적연구를통하여얻어진마찰력의변화와가속도값의변화를살펴본결과수평방향의가속도와피크위치가정확하게일치함을알수있었다. 이것을통하여스틱 - 슬립에의한이상소음이발생하는것을가속도측정을통하여예측가능함을알수있었다. MIPS 와 ABS 소재조합의경우에최대정지마찰력이 5N 이상에서주변평균소음보다더크게스틱 - 슬립에의한이상소음이잘발생됨을알수있었다. 본연구를통하여스틱 - 슬립저감을위한고분자소재조합실험방법이타당함을보였으며, 실제냉장고등전자제품에자주사용되는네가지의고분자소재간의조합을 론 Polymer(Korea), Vol. 37, No. 5, 2013

648 이동규 박희진 박상후 통하여마찰특성을비교하였다. 그중에서 POM 과 ABS 소재조합이스틱 - 슬립에의한이상소음방지를위해가장특성이우수함을알수있었다. 감사의글 : 본연구는한국에너지기술평가원연구과제 (No. 20101720200020-12-3-01) 로수행되었으며, 또한해외우수연구기관유치사업 (No. K20701002274-12E0100-05710) 의지원으로수행됨을알려드립니다. 참고문헌 1. A. Takushima, Y. Shinobu, S. Tanaka, M. Eguchi, and K. Matsuki, IEEE Trans. Ind. Appl., 28, 287 (1992). 2. S.-H. Jeong, S.-J. Yong, and Y.-Z. Lee, J. KSTLE, 21, 16 (2005). 3. D. G. Lee, J.-H. Park, K. H. Park, B.-K. Ha, H.-S. Kim, and S. H. Park, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, 37, 249 (2013). 4. K. Shin, M. J. Brennan, J.-E. Oh, and C. J. Harris, J. Sound Vibration, 254, 837 (2002). 5. A. R. Crowther and R. Singh, Noise Control. Eng. J., 56, 235 (2008). 6. C. L. Edward, Thesis in Master of Science, Virginia Polytechnic Institute and State University, 1995. 7. A. D. Berman, W. A. Ducker, and J. N. Israelachvili, Langmuir, 12, 4559 (1996). 8. T. Kuhl, Y. Guo, J. L. Alderfer, A. D. Berman, D. Leckband, J. Israelachvili, and S. W. Hui, Langmuir, 12, 3003 (1996). 9. S. Bouissou, J. P. Petit, and M. Barquins, Tribol. Lett., 7, 61 (1999). 10. T. Jibiki, M. Shima, H. Akita, and M. Tamura, Wear, 251, 1492 (2001). 11. B. J. Briscoe, A. Chateauminois, J. Chiu, and S. Vickery, Tribology Series, 39 D, 673 (2001). 12. K. Hunt, B. Redlers, R. Brlnes, R. McCormick, T. Lelst, and T. Artale, SAE Technical Paper, 2001-01-1547 (2001). 13. D. Choi and S. Lee, Proc. Korean Soc. Automo., Fall Meeting, 1986 (2005). 14. M. T. Bengisu and A. Akay, J. Acoust. Soc. Am., 105, 194 (1999). 15. D. A. Bies and C. H. Hansen, Engineering Noise Control: Theory and Practice, 3rd Ed., E&FN Spon, London, 2003. 폴리머, 제 37 권제 5 호, 2013 년