서 론

자동차는 엔진, 차체, 내장재, 구동계 및 제동계로 구성 되어 있으며, 제동계 중에서 브레이크 패드 소재는 마찰, 윤활 및 마모 성능의 최적화를 위하여 금속, 세라믹 및 폴 리머 등 약 30여 가지의 혼합 물질로 이루어져 있다[1, 2]. 자동차 브레이크 패드용 소재 구성은 바인더인 결합재, 철 계와 유리 섬유계 등의 섬유 보강재, 구리계, 흑연계 및 금 속 황화물계 윤활재, 알루미나와 석영 등의 연마재 및 다 양한 충진재의 5대 소재로 구성된다. 구리는 주로 섬유 형 태로 사용되며 보강재 역할을 하면서 높은 열전도도, 높은 고온 윤활성 등을 가지고 있어 수십 년간 주로 마찰개선 재로 사용되어 왔다[3-5]. 브레이크 패드의 마찰 및 윤활 성능 향상을 위하여 구리와 카본 나노 튜브, 세라믹 분말 을 혼합한 복합소재를 사용하여 마모 저항성을 향상하고, 안정적인 마찰 계수를 확보하고자 하는 등 다양한 연구가 수행되었다[6-10].

그러나, 미국에서 자동차 제동 시 발생하는 구리를 포함 하는 브레이크 패드의 분진으로 인한 하천 및 해양 오염 원으로 추적 및 판정되어 워싱턴주와 캘리포니아주 등에 서는 브레이크 패드 내 구리 함유량을 2021년에는 5 wt.% 미만, 2025년까지는 0.5 wt.% 미만을 사용할 것을 규제하 고 있어 구리를 대체할 수 있는 소재의 개발이 절실히 요 구되고 있다.

Lee et al.은 브레이크 패드에 구리 소재를 전혀 사용하 지 않고 친환경적인 지오폴리머(Geoploymer, 실리콘 기반 중합체로서 주원료가 지질 암석 형성 광물)와 천연 마섬 유질 등을 첨가하고 전체적인 유기물 등 성분 제어를 통 하여 마찰계수와 윤활성을 제어하여 구리 무첨가 브레이크 패드의 사용 가능성을 제시하였다[2]. Daei et al.은 20 wt.% 의 구리 소재 대신 약 15 wt.%의 정제 흑연 조각(purified flake graphite)과 재생 흑연 탄소(resilient graphite carbon)를 사용하여 친환경 패드의 적용 가능성을 연구하여 흑연의 사용으로 표면 산화를 감소시키고 안정적인 마찰력과 열 전도도를 갖는다고 보고하였다[11]. 현재까지 브레이크 패 드 마찰 보강재인 구리를 대체할 수 있는 최적의 소재는 개발되지 않은 상황이며 소재의 융점, 열전도도, 인장강도 등 물성이 유사한 알루미늄이 대체재로 사용 가능성이 있 어 이에 대한 다양한 연구가 수행되었다. Abhik et al.은 분말야금 공정을 사용하여 알루미늄 분말을 주성분으로 하고 실리콘 카바이드 강화 상의 함유량을 변화시키면서 브레이크 패드로 사용 가능성에 관한 연구를 수행하였다. 비록 소결 공정 최적화에 어려움이 있어 밀도나, 경도 면에 서 낮은 특성을 보였으나, 자동차 브레이크 패드 소재로 알 루미늄 복합 분말의 응용 가능성을 보였다[12]. Baradeswaran et al.은 Al 7075와 흑연 복합체의 마모 특성을 연구하여 약 5wt.%의 흑연을 첨가한 경우에도 브레이크 패드의 마모 특성이 향상된다고 보고하여 알루미늄의 마찰재로의 사용 가능성을 보였다[13]. Uyyuru et al.은 Al 기지에 실리콘을 첨가하고 실리콘 카바이드 분말 강화 상을 첨가한 복합재 료의 자동차 브레이크 패드를 개발하여 마모율과 마찰계 수를 제어할 수 있었으며 마찰층을 생성시켜 마모 거동을 향상할 수 있다고 보고 하였다[14].

자동차 브레이크 패드의 마찰 성분인 중금속 구리 섬유 소재를 대체하고자 하는 다양한 연구에도 불구하고 자동 차의 특성상 내구성 확보와 구리를 대체할 소재의 열전도 도와 마찰 특성이 적합하지 않아 실제 자동차에 적용하기 어려운 경우가 많다.

본 연구에서는 자동차 브레이크 패드의 마찰 보강재로 사 용 중인 중금속 구리 섬유 소재를 대체하기 위해 알루미늄 -철계 합금 분말 소재 패드의 마찰 특성을 연구하여 차세대 브레이크 패드로의 사용 가능성을 확인하고자 하였다.

실험 방법

자동차 브레이크 패드(마찰재)의 보강재로 설계된 합금 계 중 열 전도성과 시효처리에 의한 석출 강화 상 형성을 고려하여 알루미늄을 기지 물질로 하고 철과 열팽창률 억 제와 내마모성 향상을 위해 실리콘, 바나듐을 함유하는 Al-8.5Fe-Si-V(Al-8Fe)과 Al-12.4Fe-Si-V(Al-12Fe) 조성의 합금 계를 설계하였다. 실리콘과 바나듐의 금속간화합물 을 만들어 고용 강화와 내마모성이 향상을 도모하였다. 알 루미늄은 캐나다에서 생산된 Alcoa사의 순도 99.9%의 잉 곳을 사용하였으며 철과 실리콘, 바나듐 원료 소재는 미국 의 Sigma Aldrich로부터 99.9% 이상의 순도를 갖는 shot 형태를 사용하였다. 10^-6 torr의 진공도를 갖는 진공유도용 해(VIM) 방법을 사용하여 고밀도 흑연도가니 내부에서 지름 30 mm, 높이 100 mm 크기의 잉곳으로 각각 조성에 대하여 10 kg씩 제조하였다.

Al-8Fe와 Al-12Fe 분말은 진공 가스 아토마이저(Hot gas atomizer, PSI, HERMIGA 100/2, UK)를 사용하여 제 조하였으며 상세 실험 공정은 다음과 같다. 10^-2 torr까지 진공 상태가 된 상부 체임버 내부에 비치된 고밀도 흑연 도가니 내부에서 Al-Fe계 모합금을 고주파 유도가열 및 용해하고 이렇게 만들어진 Al-Fe계 합금 용탕을 유동도 향상을 위해 약 800°C까지 가열한 뒤 지름 약 3 mm의 알 루미나 오리피스를 통해 아래 체임버로 유출 시키면서 이 용탕의 흐름에 고압의 가스를 분사하여 미세한 액적을 만 든 뒤 냉각시켜 합금 분말을 제조하였다. 가스 분무 공정 은 Al 합금 분말의 브레이크 패드 마찰 보강재로서의 봉 목상 분말 제조를 위해 Air를 사용하였으며 분사 압력은 약 30 bar의 압력을 사용하여 제조하였다.

위의 방법으로 제조된 Al-Fe계 합금을 사용한 마찰재 제 조는 배합설계, 정량, 혼합, 가성형, 성형, 열처리, 스코칭 (Scorching, 황이 함유되는 합금의 경우 가공작업 중에 가 황이 되어 가공이 할 수 없게 되는 현상을 없애는 공정) 및 가공 순으로 진행하였다. 마찰재 내의 금속 섬유는 높은 열 전도성을 가져 성형 및 열처리 시 열전도도를 좋게 하여 마찰재 미세 조직을 균일하게 확보할 수 있으나, Al-Fe 합 금 마찰재의 경우 구리보다 낮은 열 전도성을 고려하여 성형 시간을 기존 대비 3분을 추가하여 성형 제조하였으 며, 성형압력을 높여 마찰재 내의 기공을 제거하고자 하였 다. 본 연구에서 적용한 마찰재 제조 공정은 다음과 같다. 원료 조성의 물질들을 혼합한 혼합물은 발열, 부피 변화 등 특이사항이 없는 것을 확인하였으며, 가성형 후 190 ton 열성형 프레스로 150°C에서 성형압력 650 kgf/cm²의 조건 으로 10분간 성형하였다. 열처리 공정에서는 전기로를 사 용하여 대기중 250°C에서 3시간 동안 유지하였고 열처리 후에는 Scorching 온도 조건을 500°C에서 120초 동안 무 게감량 0.8 g으로 진행하였다. Al-8Fe와 Al-12Fe 소재의 열적 거동을 알아보기 위하여 열분석(TG-DTA, SDT Q600, TA-Instruments, 미국)을 승온 속도 20°C/min, 1000°C까지 실시하였다. Al-8Fe와 Al-12Fe 분말의 입도는 레이저 산 란을 이용한 입도분석기(LS13 320, Beckman coulter, 미국) 를 사용하여 분석하였으며 결정성은 X-선 회절 분석기(D/ Max 2500, Rigaku, 미국)를 사용하여 분석하였다. 제조된 마찰재의 기계적 특성은 로크웰 경도기(HR-210MR, MITUTOYO, 일본)를 사용하여 경도를 측정하였으며 연 질의 표면을 가지기 때문에 스케일을 HRR(12.70 mm Ball, 10 kgf)로 수행하였다. 아르키메데스법을 사용하여 밀 도를 측정하고, 전단 강도(5982, INSTRON, 미국)를 측정 하였다. 마모 시험은 마모시험기(Tribometer, 제이엔엘 테 크, 한국) 장비를 사용했으며 ball-on-disk 타입으로 지름 5 mm의 Stainless steel ball을 장착하였으며 ASTM G133- 05 규격으로 평가 하였으며 마모 시험 편의 표면은 주사 전자현미경(JSM-5800, JEOL, 일본)을 사용하여 관찰하였 다. 자동차 실제 차 장착 테스트를 위하여 H사, S모델 앞 브레이크 디스크용 패드로 실차 장착하여 다이나모 테스 트(Dynamo test)를 진행하였다. 다이나모 테스트는 차량의 성능 및 밸런스, 연비 또는 결함을 테스트하기 위해 다이 나모 시험 장비 위에서 실제 차량에 장착하고 진행하는 테스트이며 SAE 브레이크 Dynamo test code 인 J2522 AK master 기준으로 실험을 진행하였다.

결과 및 고찰

진공유도 용해 공정으로 제조된 Al-8Fe와 Al-12Fe 합금의 열적 거동은 아래 그림 1과 같이 녹는점이 약 640~660°C로 브레이크 패드의 최고 사용 온도 500°C를 상회하기 때문에 브레이크 패드 마찰재로 사용하기 충분함을 알 수 있었다. 가스 분무 공정으로 제조된 Al-8Fe와 Al-12Fe 각 조성의 Al 합금 분말은 그림 2에서 볼 수 있듯이 그 평균 분말의 크기가 각각 약 60 μm와 70 μm였으며 현재 마찰재 보강 재로 사용 중인 구리 섬유(직경 100 μm, 길이 500 μm) 보 다 작음을 알 수 있었다. 가스 분무 공정으로 제조된 Al- 8Fe와 Al-12Fe 각 분말의 형상을 분석하기 위하여 주사전 자현미경으로 관찰하였으며 그 형상은 아래 그림 3에서 볼 수 있듯이 비구형(봉목상)이었으며 마찰재 보강재로 사 용 시 작은 분말 입도로 인해 기지에 균일하게 분포시킬 수 있으며 구형 분말보다 기지 조직과 결합력이 우수하여 탈착이 방지될 수 있을 것으로 판단된다. Al-8Fe와 Al- 12Fe 각 조성의 결정구조 분석과 상 분석을 위해 X-선 회 절 분석을 한 결과 그림 4과 같이 Al₃Fe가 형성되었으며 기타 금속간화합물이나, 불순물은 검출이 되지 않았다.

Fig. 1

Thermal analysis results of (a) Al-8Fe and (b) Al- 12Fe alloy.

Fig. 2

Particle size analysis results of gas atomized (a) Al-8Fe and (b) Al-12Fe alloy powder.

Fig. 3

Scanning electron microscope images of gas atomized (a) Al-8Fe and (b) Al-12Fe alloy powder.

Fig. 4

X-ray diffraction analysis results of gas atomized (a) Al-8Fe and (b) Al-12Fe alloy powder.

본 연구에서 개발된 마찰재에 대한 브레이크 패드의 성 능을 판단할 수 있는 대표적인 4대 물성(밀도, 경도, 압축 변형량, 전단 강도) 평가를 수행하여 표 1에 나타내었다. 측정 결과 기준 재질인 구리 섬유 패드의 밀도는 2.19 g/ cm³에서 알루미늄 합금을 활용한 패드는 2.06 g/cm³로 감 소하였고 압축변형량(Compressive strain)이 154 μm에서 약 11~19 μm씩 감소하였다. 경도 값은 모두 80 HRR(로크 웰)이상을 보였다. 마찰재 압축변형량이 감소는 마찰재의 진동을 흡수해서 억제해주는 댐핑성이 감소될 것으로 판 단되며, 전단 강도는 구리 섬유를 활용한 마찰재 대비 500~700 kgf 정도 강화된 것을 알 수 있었는데, 이는 봉목 상의 Al 합금 분말이 기지에 균일하게 분포된 효과로 판 단된다.

Table 1

Mechanical properties of (a) Cu fiber pad, (b) Al- 8Fepowder pad and (c) Al-12Fe powder pad.

	Cu Fiber	Al-8Fe Powder	Al-12Fe Powder
Thickness (mm)	16.9	16.92	16.9
Hardness (HRR)	84	81	80
Compressive deformation	154	135	136
Density (g/cm3)	2.19	2.06	2.06
Shear strength (kgf)	2733	3410	3220

표 2에 본 연구에 사용된 시편의 다이나모(Dynamo) 시 험 결과를 나타내었다. 구리 섬유를 함유한 마찰재의 경우 평균 두께변화량이 0.568 mm로 나타났으며, Al-8Fe 분말 을 이용한 마찰재는 0.541 mm로 기존 소재에 상응하는 결 과를 보였으나, Al-12Fe 분말을 사용한 마찰재는 0.736 mm 로 기준 재질 대비해서 상대적으로 마모 정도가 크게 나타 났다. 이는 Al-Fe계열의 마찰에 의한 산화막의 영향을 받 는 것으로 판단되며 Al-8Fe 마찰계수의 경우 구리 섬유 패 드보다 상대적으로 마찰계수가 높게 나타나고 있으며, 마 찰재 마모뿐만 아니라 디스크 마모에 큰 영향성이 있을 것 으로 판단된다. Al과 Fe의 산화성이 기존 Cu에 대비해 높 아 디스크와 마찰재 표면에 산화막이 형성되기 때문인데 이에 대한 상세내용은 마모시험 결과에 기술하였다.

Table 2

Dynamo test results of (a) Cu fiber pad, (b) Al-8Fe powder pad and (c) Al-12Fe powder pad.

		Cu	Al-8Fe	Al-12Fe
		Fiber	Powder	Powder
Wear Thickness	Inner (mm)	0.610	0.553	0.783
	Outer (mm)	0.527	0.529	0.689
	Average (mm)	0.568	0.541	0.736
Wear rate of Disc (g)		2.60	2.50	2.40
Roughness (mm)	Before (In/Out)	16.33/17.19	6.44/9.03	14.31/9.39
	After (In/Out)	29.85/31.47	12.82/5.54	7.99/6.60
Average friction coefficient		0.366	0.411	0.444

그림 5는 다이나모 시험 후 구리 섬유를 첨가한 브레이 크 패드와 Al-8Fe 합금분말을 이용한 브레이크 패드의 단 면에 대한 주사전자현미경 사진이다. 기존 구리 섬유를 첨 가한 브레이크 패드와 Al 합금 분말을 첨가한 브레이크 패드 안에 강화재의 분포와 형상은 에너지 분광 분석 (EDS)을 통하여 확인하였으며(그림 5에는 5DS 분석 결과 를 따로 나타내지 않았음.) 기존의 구리 섬유를 첨가한 패 드보다 Al 합금 분말을 첨가한 패드에 균일하게 강화재가 분포되어 있으며 강화재의 형상이 서로 다른 와이어와 분 말의 형태를 나타내고 있다. 그림 5(a)의 구리 섬유가 첨 가된 패드의 경우, 금속처럼 치밀한 조직을 가지는 형태는 아니며, 표면과 브레이크 내부에 100 μm 두께와 500 μm 의 길이의 구리 섬유가 기지에 분산되어 있으며, 표면에 구리 섬유의 이탈 흔적이 존재하지 않는 것으로 보아 기 지와 강화재의 결합력이 우수한 것으로 판단된다. Al-8Fe 합금 분말의 패드의 경우(그림 5(b)), 평균 입도 약 70 μm 크기의 Al-Fe 합금 분말이 기지에 균일하게 분포된 것으 로 알 수 있었다.

Fig. 5

Cross-sectional scanning electron microscope images of the brake pad surface: (a) Cu fiber pad and (b) Al-8Fe powder pad.

그림 6에 구리 섬유를 사용한 패드와 Al-Fe계 합금분말 을 사용한 패드에 대하여 ball on disc 방식의 마모시험을 수행한 뒤 강화재의 종류에 따른 마찰 계수의 변화를 그 래프로 나타내었다. 구리 섬유를 사용한 경우에는 우수한 열전도율 때문에 마찰 계면에서의 열 확산이 유리하게 작 용하며 또한 마찰계면에서 구리 성분이 디스크의 표면에 전이된 후 산화물로 변화되어 마찰 발생 시 고온에서 마 찰 계수의 감소를 방지하는 역할을 한다. Al 합금 분말을 활용한 패드는 구리 섬유를 사용한 브레이크 패드보다 마 찰계수가 약 15% 증가하였으며 이는 약 70 μm 크기 금속 성분의 Al-Fe계 분말이 패드 전 면적에 균일하게 분포하 고, 열전도도가 구리 섬유에 비교하여 낮기 때문으로 판단 된다[17]. 회전 횟수와 압력에 따라 마모 시험을 진행하는 동안 마찰 계수의 변화 살펴보면 10 N 압력으로 실험을 진행했을 때 마모 초기에 마찰계수가 증가한 후 이후 일 정하게 나타난다. 모든 샘플에서 비슷한 경향의 그래프 모 양을 나타내고 있으며, 이러한 결과는 초기에 거친 응착마 모 때문에 마모 면에서 마모 입자들의 탈락이 진행되고 마모 표면에 거친 면보다 매끈한 면으로 변화되며 마찰계 수의 변화가 안정적으로 유지되는 것으로 판단된다. 그림 6에서 볼 수 있듯이 마모 테스트 실험 결과 현재 자동차 에 활용되고 있는 구리 섬유의 브레이크 패드의 평균마찰 계수보다 알루미늄 합금 분말을 첨가한 브레이크 패드의 마찰계수가 높고 마찰계수의 변화량이 거의 없는 것으로 보아 Judder 현상(브레이크 작동 시 진동)이 적을 것으로 판단된다. 마찰 시 마찰 계면에 형성되는 마찰막은 마찰재 와 상대재 원료물질로 구성되며, 균일한 마찰막은 디스크 와 마찰재의 직접적인 접촉을 방지하여 자동차의 제동 특 성을 향상시키는 것으로 알려져 있다. 디스크와 마찰재 표 면의 손상이 심할 경우 마찰계수의 진동 현상과 관련이 있으며 자동차 제동 시 나타나는 소음 및 떨림 현상의 근 원이다. 기존 구리 섬유를 첨가한 브레이크 패드보다 알루 미늄 합금 분말 첨가한 브레이크 패드 내부에 알루미늄 합금 분말은 산화성이 높아 마찰 시 산화가 더 잘되며 이 는 산화막이 마찰 계면에 균일하게 형성되어 위와 같은 현상을 나타낸다고 판단된다.

Fig. 6

Friction coefficient of brake pads according to the lap times at 10 N.

그림 7에는 마모 시험 후 마찰재의 마찰표면을 주사전 자현미경 사진으로 관찰한 결과를 나타내었다. 마모 시험 은 10 N 하중으로 진행하였고 트랙 표면의 변화를 관측하 였으며 각 사진의 화살표는 볼의 진행 방향을 나타낸다. 구리 섬유를 사용한 패드의 표면(그림 7(a))은 마찰 계수 결과에서 알 수 있듯이 거친표면을 가지고 있으나, Al 합 금 분말을 활용한 브레이크 패드(그림 7(b,c))는 전체적으 로 고른 마찰막이 균일하게 형성되어 이러한 균일 마찰막 과 균일한 분말의 분포가 마찰 계수의 변화를 작게 하는 데 영향을 미친 것으로 판단된다. 구리 섬유를 사용한 패 드 표면에서는 debris의 형상을 확인 할 수 없었으며, Al 합금 분말을 사용한 패드의 마찰계면에서 물질 전이나 표 면 손상이 나타나지 않았으나 Al-8Fe와 Al-12Fe 패드의 마찰 표면에서는 Al 성분의 debris(그림 7(d))가 확인되었 으며 생성된 둥근 debris가 반복적인 접촉을 가지는 동안 균일한 마찰계수로 연삭 마모가 시작되어 매끈한 마찰막 이 형성되었을 것으로 판단된다.

Fig. 7

Scanning electron microscope images of surface and debris after wear test: (a) Cu fiber pad, (b) Al-8Fe powder pad, (c) Al-12Fe powder pad and (d) Al-Fe alloy debris.

결 론

본 연구에서는 자동차 브레이크 패드 마찰재의 구성 원 소 중 하나인 중금속 구리 섬유를 대체할 수 있는 환경 친 화적 마찰 소재 개발을 위하여 알루미늄-철계 합금 분말 의 마찰 특성에 관한 연구를 수행하였다. 진공 가스 아토 마이저를 사용하여 제조된 봉목상의 Al-Fe계 합금 분말(약 70 μm)은 브레이크 패드 기지에 기존의 조대한 구리 섬유 (약 500 μm) 보다 균일하게 분산시킬 수 있었다. Al-8Fe 합금 분말을 사용한 마찰재의 경우 구리 섬유 소재보다 상대적으로 낮은 마모량을 보였으며 마찰 시간에 따른 마 찰 계수의 변화량도 구리 섬유를 사용한 패드의 경우는 7.2%였으나, Al-Fe 합금 소재의 경우에는 3.8%이내로 우 수한 judder 특성을 보였다. 이는 기지에 Al-Fe 합금 분말 이 균일하게 분포하여 마찰 계면에 균일하게 산화막을 형 성하여 우수한 마찰 및 윤활 특성을 보인 것으로 판단된 다. Al-Fe계 분말 소재 사용 시 기존 브레이크 패드의 마 찰 및 윤활 성능을 유지하면서 구리 섬유를 대체함으로써 제동 시 발생하는 중금속 구리 분진의 오염을 막을 수 있 을 것으로 기대된다.

Acknowledgements

감사의 글

본 연구는 2017년도 산업통상자원부 및 산업기술평가관 리원(KEIT) 연구비 지원(10062475, 자동차 브레이크 마찰 재용 Cu 대체 금속개발(Cu 0.5wt% 미만) 및 그 마찰재 제 조 기술 개발)에 의해 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

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Figure & Data

References

Citations

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