CopyrightⒸ2016 KSAE / 145-09 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2016.24.6.684 Transactions of KSAE, Vol. 24, No. 6, pp.684-693 (2016)
고급차의 제동 신뢰성 향상을 위한 카본 세라믹 복합재의 제동 특성 제어 및 향후 기술 진화 트랜드 예측에 관한 연구
심 재 훈*1)․전 갑 배1)․이 중 희2)․박 병 준3)․임 동 원4)․ 현 은 재5)․정 광 기6)․김 기 정7)․김 홍 기8)
현대자동차 샤시플랫폼개발팀1)․현대자동차 샤시제어개발팀2)․현대자동차 R&D강건개발추진팀3)․ 데크카본 세라믹복합재팀4)․상신브레이크 제동개발팀5)․상신브레이크 선행연구팀6)․
남양공업 연구개발1팀7)․만도 CBS설계2팀8)
A Study on Braking Characteristics Control of Carbon Ceramic Composite for Brake Reliability Improvement of Luxury Car and
Future Technology Evolution Trend Prediction
Jaehun Shim*1)․Gabbae Jeon1)․Jounghee Lee2)․ByeongJoon Park3)․Dongwon Im4)․ Eunjae Hyun5)․Kwangki Jung6)․Kijeong Kim7)․Hongki Kim8)
1)Chassic Platform Development Team, Hyundai Motor Company, 150 Hyundaiyeonguso-ro, Hwaseong-si, Gyeonggi 18280, Korea
2)Chassic Control Development Team, Hyundai Motor Company, 150 Hyundaiyeonguso-ro, Hwaseong-si, Gyeonggi 18280, Korea
3)R&D Robust Engineering Team, Hyundai Motor Company, 150 Hyundaiyeonguso-ro, Hwaseong-si, Gyeonggi 18280, Korea
4)Ceramic Composites Team, DACC Carbon, 30 Unam-ro, Jeonju-si, Jeonbuk 54853, 561-202, Korea
5)Brake Development Team, Sangsin Bake, 90 Techno jungang-daero, Yuga-myeon, Dalseong-gun, Daegu 43023, Korea
6)Advanced Research Team, Sangsin Bake, 90 Techno jungang-daero, Yuga-myeon, Dalseong-gun, Daegu 43023, Korea
7)Research & Development Team 1, Namyang Industries, 150 Mongnae-ro, Danwon-gu, Ansan-si, Gyeonggi 15597, Korea
8)CBS Engineering Design Team 2, Mando Corporation, 21 Pangyo-ro 255Beon-gil, Bundang-gu, Seongnam-si, Gyeonggi 13486, Korea (Received 20 June 2016 / Revised 17 August 2016 / Accepted 9 September 2016)
Abstract : The luxury car industry has grown 10.5 % every year from 2010 to 2014. For this reason, it is very important for automotive companies to improve profitability and brand value. High-performance brake systems have become an absolute necessity because of the increase in engine power and customer preference among other factors. Also, competing automotive companies actively reinforce domestic production in order to maintain quality and infrastructure for luxury cars. In this regard, we demonstrated new carbon ceramic brakes to improve brake reliability for luxury cars and to improve the competitiveness of automotive companies. Finally, we propose the next-generation braking techno- logy by predicting technological evolution trends.
Key words : Carbon ceramic composite(카본 세라믹 복합재), Fiction coefficient(마찰 계수), Wear(마모), Fade(페 이드), Function analysis(기능 분석), Technology evolution trend(기술 진화 트랜드)
1. 서 론1)
신흥시장의 경기 침체 지속 및 기존 주력시장의
*A part of this paper was presented at the KSAE 2016 Spring Conference
*Corresponding author, E-mail: [email protected]
경쟁 가속화 상황 속에서 글로벌 자동차 회사들은 더욱 더 치열한 경쟁을 벌이고 있다. 이와 같은 글로 벌 자동차 시장의 변화 속에서 중대형 이상의 고급 세단 및 대형 SUV 등으로 분류되는 고급차 시장은 2010년부터 2014년 까지 연평균 10.5 %의 판매 증가
고급차의 제동 신뢰성 향상을 위한 카본 세라믹 복합재의 제동 특성 제어 및 향후 기술 진화 트랜드 예측에 관한 연구
율을 기록하면서 자동차 시장을 이끌고 있다. 이와 같은 원인으로는, 고급차 판매에 대한 수익성 증가 뿐만 아니라 강력한 자사 브랜드가 뒷받침되지 못 할 경우 향후 기술 경쟁력에서 뒤쳐짐을 인지하고 있기 때문으로 해석할 수 있다. 또한, 경쟁사들은 자 국내 고급차의 품질력 및 인프라를 지속적으로 확 보하기 위하여 자국내 생산 및 기술 국산화를 유지 하고 있다.
본 연구에서는 이와 같은 상황에 대응하기 위하 여 새로운 타입의 카본 세라믹 복합재 브레이크1)를 제안하고자 한다. 고급차에 걸맞은 제동 신뢰성을 확보하기 위하여 카본 세라믹 복합재의 세라믹 조 성 제어 및 마찰 특성1-5)분석을 수행하여 최적의 마 찰 및 마모 특성을 얻고자 하였으며, 기술 진화 트랜 트 예측을 통하여 향후 제동 시스템의 전반적인 발 전 방향에 대해서도 제시해보고자 한다.
2. 카본 세라믹 복합재의 구성 기존의 고급차에서 사용 중인 단일 주철 재질 브 레이크 디스크 또는 주철 마찰면에 알루미늄 Hat을 접합한 브레이크 디스크와 다르게 카본 세라믹 브 레이크 디스크는6-11) 세라믹 매트릭스에 카본 섬유 (Carbon fiber)를 보강한 복합제로 구성 된다.
카본 세라믹 복합재의 특징은 단일체 세라믹 (Monolithic ceramic) 소재의 장점인 고온에서의 열･
기계적 안정성, 내마모성, 내환경성을 유지하면서 단점인 취성 파괴 특성(Brittle Fracture Behavior)을 향상시켜 주철 재질 브레이크의 한계 제동 이상의 조건에서도 뛰어난 제동성능을 발휘한다.
한편, 브레이크 디스크는 차량의 운동에너지를 마찰재와의 마찰을 통해 열에너지로 바꾸어 차량을 멈추거나 속도를 줄인다. 이때 발생된 제동에너지 를 흡수할 수 있는 높은 내구성과 우수한 제동력 그 리고 발생된 마찰열을 빠르게 냉각시킬 수 있는 특 성인 동시에 브레이크 디스크에 요구된다.
본 연구에서는 이러한 요구 성능을 만족하는 카 본 세라믹 브레이크를 개발하기 위해 형상 및 소재 설계를 최적화 하였다.
카본 세라믹 브레이크 디스크는 Fig. 1(a)에서 나 타낸 바와 같이 카본 세라믹 복합재와 Hat의 체결구
(a) Structure of carbon ceramic brake disc
(b) Structure of carbon ceramic composite Fig. 1 Carbon ceramic brake disc
조로 구성된다. 여기서, 카본 세라믹 복합재는 다시 Fig. 1(b)에서와 같이 마찰층(Friction layer), 하중부 (Load bearing part), 냉각 채널(Cooling channel), 냉각 채널 베인(Cooling channel vane)으로 각각 구성된다.
Fig. 1(b)에 도시한 마찰층과 하중부에 서로 다른 성분 조성의 카본 세라믹 복합재를 설계하였다. 하 중부는 보강재(Reinforcement) 카본섬유를 증가시 켜 카본 세라믹 브레이크 디스크의 열·기계적 충격 저항성을 향상시켰다.
반면, 카본 세라믹 복합재의 양쪽 마찰층에는 하 중부보다 세라믹 매트릭스 함량이 높은 약 1 mm 이 하의 마찰층을 형성시켜 카본 세라믹 브레이크 디 스크의 마찰 및 마모 성능을 향상시켰다. 그리고 발 생된 마찰열을 효과적으로 제거하기 위해 냉각채널 을 내부에 형성시켜 카본 세라믹 브레이크 디스크 의 냉각효율을 향상시켰다.
3. 체결 구조 설계
구조적으로 주철 재질 디스크와 카본 세라믹 복 합재 디스크의 큰 차이점은 Hat과의 연결을 위하여
Jaehun Shim․Gabbae Jeon․Jounghee Lee․ByeongJoon Park․Dongwon Im․Eunjae Hyun․Kwangki Jung․Kijeong Kim․Hongki Kim
(a) Coupling structure function analysis and trimming (b) Substance-field model analysis
(c) CAE results (d) Novel coupling structure function analysis
(e) Pugh matrix analysis Fig. 2 Design result using substance-field model analysis
A Study on Braking Characteristics Control of Carbon Ceramic Composite for Brake Reliability Improvement of Luxury Car and Future Technology Evolution Trend Prediction
Fig. 3 Comparison with other discs
별도의 체결 구조가 필요하다는 점이다.
본 연구에서는 향후 양산 제조성을 고려하여 당 사 고유의 체결 방식을 개발하고자 하였다.
새로운 타입의 체결 구조 컨셉 설계를 위하여 TRIZ 기술 개발 방법론 중 Fig. 2(a)에서와 같이 기능 분석 및 트리밍을 실시하여 모순 구조를 도식화 하 였으며, 순차적으로 모순 구조 해결을 위하여 Fig.
2(b)에서와 같이 물질-장 모델 분석을 통하여 새로 운 체결 구조 컨셉을 모델링 하였다.
기능분석 및 트리밍 수행시 구성요소 중 부쉬 가 이드 및 텐셔너를 과감하게 트리밍 하였으며, 이를 대체할 수 있는 방법을 물질-장 모델 분석을 적용하 여 웨이브 와셔와 부쉬를 이용한 새로운 체결 구조 컨셉을 완성하였다.
컨셉 설계 결과를 기반으로 해석 및 상세 설계를 수행하였으며, 최종적으로 설계 결과의 평가를 위 하여 pugh matrix를 적용하여 타당성을 검증하였다.
위의 Fig. 2는 기능분석부터 상세 설계 및 검증까지 의 일련의 과정을 나타내고 있다.
한편, Fig. 3은 기존 주철 재질 기반 디스크와 최종 설계된 카본 세라믹 복합재 기반 디스크의 결과를 각각 나타내고 있다. 도시된 바와 같이 외관 상품성 향상 측면에서 심플하고 고급스러운 프리미엄 이미 지를 형상화 할 수 있는 독자적인 체결 구조를 개발 하였다.
4. 카본 세라믹 복합재 성분 조성 제어 Hat 및 체결 구조, 카본 세라믹 복합재 타공 패턴 설계 및 마찰재 선정 후 본격적인 평가 계획을 수립 하기 위한 카본 세라믹 복합재의 마찰층 성분 조성 을 검토하였다.
아래의 Fig. 4에 최종 선정된 샘플에 대한 마찰층 성분 조성 및 미세 구조 사진을 도시하였다.
Fig. 4 Carbon ceramic composite friction surface
본 연구에서는 CASE A에서 CASE C까지 마찰층 표면의 세라믹 함량을 66 wt%에서 99 wt%까지 각 각 차이를 두어 제조하였다. 이와 같은 세라믹 함량 의 차이를 둔 이유는 마찰층 표면의 세라믹 함량 변 화에 따른 제동 특성 제어를 실시하여 평가 결과 분 석시 최적화 샘플을 판정할 수 있도록 하기 위함이다.
카본 세라믹 브레이크 디스크의 마찰층은 SiC, Si, C 세가지 성분으로 구성되어 있다. Fig. 4에는 SiC와 Si 성분의 합을 세라믹 함량으로 나타내었다. 그리 고 미세구조 사진에서 검은색은 C 성분, 회색은 SiC 성분 그리고 흰색은 Si를 각각 나타낸다.
CASE A의 경우, 수~수십 mm 크기의 카본 섬유 를 사용하였으며, 이러한 이유로 세라믹 합성 공정 후 많은 양의 탄소 성분이 SiC로 전환되지 않고 카 본 세라믹 복합재 내에 존재하고 있었다.
이러한 결과는 미세구조 관찰 및 성분 조성 분석 으로 확인되었다. 미세구조 사진에서 SiC 성분을 나 타내는 회색 영역과 C 성분을 나타내는 검은색 영 역이 대부분이며, Si 성분을 나타내는 흰색 영역은 매우 작은 영역으로 관찰되었다.
또한, 성분 조성 분석 결과 66 wt%의 세라믹 성분 과 34 wt%의 C 성분을 가지는 것으로 각각 계측되 었다.
CASE B의 경우, 수백 ㎛ 크기의 카본 섬유를 사 용하였으며, 이와 같은 카본 섬유는 세라믹 합성 공 정 후 대부분 SiC로 전환되었다.
미세구조에 나타낸 바와 같이 검은색의 C 성분이 매우 적었으며, 대부분 회색의 SiC 성분과 흰색의 Si 성분으로 관찰되었다. 성분 조성 분석 결과 90 wt%
의 세라믹 성분과 10 wt%의 C 성분으로 각각 계측 되었다.
CASE C의 경우, CASE B와 동일한 카본 섬유를 사용하였나, 세라믹 합성 전 공정단계에서 첨가되
심재훈․전갑배․이중희․박병준․임동원․현은재․정광기․김기정․김홍기
는 함량을 감소하여 제조하였다. 그 결과 세라믹 합 성 공정 후 세라믹 성분이 99 wt% 이상이고 C 성분 이 1 wt% 이하인 카본 세라믹 복합재를 제조할 수 있었다.
CASE A, CASE B, CASE C 마찰층의 미세구조에 나타낸 바와 같이 세라믹 성분 함량이 증가할수록 미세구조 상의 각 성분은 더욱 균일한 분포를 나타 내었고, 잔류 기공이 없는 치밀한 구조를 가지는 것 으로 관찰되었다.
5. 제동 감속도 변화에 따른 가혹 내구 평가 3장의 체결구조 및 카본 세라믹 복합재 타공 패턴 설계 결과와 4장의 카본 세라믹 복합재 성분 조성 제어 결과를 모두 반영하여 최종적으로 제작된 카 본 세라믹 브레이크 디스크에 대한 가혹 내구 평가 를 실시하였으며, 아래의 Fig. 5에 평가 결과를 도시 하였다.
도시된 바와 같이 평가 모드는 초기 저감속 구간 에서는 Heating 구간을 경험하고, 중반부의 Hot Performance 구간을 마친 후, 후반부 고감속 구간에 서의 Spike Braking을 싸이클로 하여 종합적인 내구 성능이 평가되도록 하였다.
이와 같은 평가는 카본 세라믹 복합재 뿐만 아니 라 본 연구에서 새롭게 개발된 Hat 및 체결 구조에 대한 가혹 반복 제동 모드 상태에서의 내구성을 확인 할 수 있다는 점에서 매우 중요한 평가라 할 수 있다.
일반적으로 개발 단계에서 이와 같은 가혹 제동 모드를 만족하지 못하는 디스크의 경우 제동 모드
Fig. 5 Endurance test results
평가시 Hat 및 체결 구조에서 이음 및 파단 등이 발 생하게 된다. 또한, 충분한 내구성을 확보하지 못할 경우 카본 세라믹 복합재의 마찰면에 균열 및 박리와 같은 심각한 안전상의 문제점을 발생시키게 된다.
그러므로 새롭게 개발된 본 연구 결과에 대하여 실차 상당의 내구성을 확인할 수 있다는 점에서 제 동 감속도 변화에 따른 가혹 내구 평가는 매우 중요 한 평가 결과를 의미한다고 할 수 있다.
최종적으로, 내구 평가를 마친 결과 전체 부품에 대한 파단, 균열 및 기타 이상 없음을 위의 Fig. 5에 서와 같이 확인하였으며, 본 연구에서 제안한 Hat, 체결 구조 및 카본 세라믹 복합재의 타공 패턴 설계 가 적합함을 확인하였다.
6. 마찰계수 및 페이드 분석
마찰계수는 제동성능을 결정하는 가장 중요한 인 자로서 카본 세라믹 복합재 및 마찰재의 조성 컨트 롤에 대한 결과를 정량적으로 판단할 수 있을 뿐만 아니라 차량의 제동 특성을 판단할 수 있다는 점에 서 매우 중요한 인자라 할 수 있다.
Fig. 6은 내구 진행에 따른 마찰계수의 변화량을 나타내고 있다.
카본 세라믹 복합재의 세라믹 함량 변화에 따른 마찰계수의 변화 결과를 계측하기 위하여 66 wt%와 99 wt%를 각각 함유시킨 카본 세라믹 복합재를 제 작하여 평가를 수행하였다.
또한, 평가시 내구 싸이클 변화에 따른 마찰계수 의 변화량 정도를 확인하기 위하여 0 싸이클 ~ 120 싸이클 구간 동안 매 30 싸이클 구간별로 마찰계수 의 변화 결과를 계측하였다.
도시된 바와 같이 저감속 영역에서 66 wt% 세라 믹과 99 wt% 세라믹을 각각 함유하고 있는 카본 세 라믹 복합재 모두 안정적인 마찰계수 결과를 나타 내고 있다. 그러나, 고감속 영역에서는 세라믹 99 wt%을 함유한 카본 세라믹 복합재의 마찰계수가 세 라믹 66 wt%을 함유한 카본 세라믹 복합재 대비 더 높고 안정적인 결과를 얻을 수 있음을 확인 하였다.
또한, 66 wt%를 함유한 카본 세라믹 복합재는 고 감속 영역에서 마찰계수의 계측 값이 급격하게 불 안정함을 확인할 수 있었다.
고급차의 제동 신뢰성 향상을 위한 카본 세라믹 복합재의 제동 특성 제어 및 향후 기술 진화 트랜드 예측에 관한 연구
(a) 30 cycles
(b) 90 cycles
(c) 60 cycles
(d) 120 cycles
Fig. 6 Analysis of coefficient friction per cycles
이와 같은 원인은 내구가 진행됨에 따라서 고감 속 영역에서 카본 세라믹 복합재의 표면 조도가 급 격히 악화되면서 일시적으로 마찰계수가 증가된 결 과이다. 마찰계수의 급격한 증가는 차량의 선형적 인 제동감 구현에 악영향을 줄 뿐만 아니라 마찰재
의 마모 및 NVH 문제를 발생시키게 된다.
이에 대해서는 8장에서 좀 더 상세하게 다루어보 고자 한다.
한편, 내구 싸이클 진행에 따른 내페이드 특성을 관찰한 결과 두가지 복합재 모두 저감속 및 고감속 영역에서 안정적인 내페이드 특성을 갖는 것을 확 인할 수 있었다.
따라서, 반복적인 가혹 제동 조건하에서 상시 노 출되고 있는 고급차의 요구 사항을 고려했을 때 세 라믹 99 wt%가 함유된 카본 세라믹 복합재가 저감 속 뿐만 아니라 고감속 영역 모두에서 안정적인 마 찰계수와 내페이드 특성에 적합함을 확인할 수 있 었다.
7. 세라믹 함량에 따른 마찰/마모 특성 분석 마찰계수 분석을 마친 평가 샘플에 대하여 아래 의 Fig. 7과 Fig. 8에서와 같이 카본 세라믹 복합재의 세라믹 함량에 따른 마찰재 마모량 분석 및 복합재 표면 분석을 실시하였다.
먼저, 마찰재의 마모량 분석의 경우 초기 30싸이 클 구간에서 세라믹 66 wt%을 함유한 복합재가 세 라믹 99 wt%를 함유한 복합재 대비 마모량이 3.3배 높은 것으로 나타났으며, 30 싸이클 이후 구간에서 도 내구가 진행됨에 따라 마모량이 증가하는 것으 로 나타났다.
그리고 최종적으로는 마모량이 54 % 이상 증가 하는 것으로 나타났다.
또한, 카본 세라믹 복합재의 표면 조도를 분석한 결과 세라믹 66 wt%를 함유한 카본 세라믹 복합재 와 마찰재는 초기 상태 대비 내구가 진행 될수록 표 면의 거칠기가 급격히 증가 되는 것을 확인하였으
Fig. 7 Wear volume of material following ceramic volume
Jaehun Shim․Gabbae Jeon․Jounghee Lee․ByeongJoon Park․Dongwon Im․Eunjae Hyun․Kwangki Jung․Kijeong Kim․Hongki Kim
Fig. 8 Analysis of friction Surface following ceramic volume
며, 세라믹 99 wt%를 함유한 카본 세라믹 복합재와 마찰재는 초기 상태 대비 표면 거칠기가 안정적으 로 유지됨을 확인하였다.
따라서, 6장의 내구 싸이클별 마찰계수 안정성 결 과와 7장의 마찰재 및 카본 세라믹 복합재 분석 결 과를 통하여 세라믹 99 wt%을 함유한 카본 세라믹 복합재가 세라믹 66 wt%을 함유한 카본 세라믹 복 합재 대비 우수한 제동성능을 구현할 수 있음을 확 인하였다.
8. 마모 평가 결과 및 원인 분석 카본 세라믹 복합재의 조성 이외에 추가적으로 마찰 및 마모에 영향을 주게 되는 타공 및 챔퍼의 기 여도를 종합적으로 검증하기 위하여 아래의 Fig. 9 와 같이 CASE A에서 CASE E까지 샘플을 제작 및 평가하였다.
평가 결과 타공 및 챔퍼의 영향도는 타공 및 챔퍼 가 동시에 적용된 경우 마모율이 2.2 % 증가하는 것 으로 계측되었으며, 타공은 적용하면서 챔퍼를 적 용하지 않았을 경우 마모율이 6.2 % 증가되는 것으
Fig. 9 Wear test results following SiC volume, hole, champer
로 각각 계측되었다.
한편, 카본 세라믹 복합재의 세라믹 함량을 99 wt%로 증대시켰을 경우 최대 2배 이상의 개선 효과 를 얻을 수 있었다.
따라서, 타공 및 챔퍼와 같은 가공적인 인자 제어 는 마모 개선 효과가 미흡하였으며, 카본 세라믹 복 합재의 세라믹 함량을 증대시키는 것이 바람직한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
참고적으로, 유럽 경쟁사의 경우 약 30,000 km 전･
후의 마모 성능을 나타내고 있는 것과 비교할 때 이 와 같은 마모 성능은 매우 경쟁력 있는 결과라 할 수 있다.
한편, 아래의 Fig. 10은 카본 세라믹 복합재의 세 라믹 함량 변화에 따른 마모 매카니즘 및 원인 분석 결과를 나타내고 있다.
도시된 바와 같이 세라믹 99 wt% 함유된 카본 세 라믹 복합재는 세라믹 66 wt% 함유된 카본 세라믹 복합재 대비 111 % 이상의 마모 성능 향상을 얻을 수 있었다.
제동시 카본 세라믹 브레이크의 최대 온도는 약 850 °C 정도로 세라믹 성분의 열･기계적 특성 변화 에 영향을 주는 온도보다 낮다.
그러나 카본 세라믹 복합재에 함유된 카본 성분 은 350 °C 이상의 온도에서 산소와 반응하여 산화되 며, 산화가 발생된 카본 성분 위치에는 거친 모서리 형상의 표면 기공이 생성된다.12,13)
따라서, 가혹한 제동모드가 마찰층 표면에 연속적 으로 진행될 경우 상대적으로 많은 카본 성분을 가
Fig. 10 Wear cause analysis following SiC volume
A Study on Braking Characteristics Control of Carbon Ceramic Composite for Brake Reliability Improvement of Luxury Car and Future Technology Evolution Trend Prediction
지고 있는 세라믹 66 wt%의 카본 세라믹 복합재는 세라믹 99 wt%의 카본 세라믹 복합재에 비하여 급 격한 카본 성분의 산화가 발생하게 된다.
이와 같은 과정은 결과적으로 카본 세라믹 복합 재의 표면에 넓고 거친 모서리 형태의 다수 기공을 형성하여 마찰재의 마모를 악화시키는 결과를 초래 하게 된다.
반면에 세라믹 99 wt%의 카본 세라믹 복합재의 경우, 마찰층에 함유된 카본 성분이 1 wt% 이하로 상대적으로 매우 적다.
따라서, 고온 마찰열에 의해 카본이 산화되는 현 상은 상대적으로 거의 발생하지 않았으며, 세라믹 66 wt%의 마찰층에서 발생되는 다수의 기공도 생성 되지 않는다.
이러한 특성은 Fig. 8에 나타낸 제동 평가 전·후의 카본 세라믹 복합재의 표면 조도 측정결과로 확인 할 수 있었다.
따라서, 세라믹 99 wt% 카본 세라믹 복합재는 표 면 조도 악화에 의한 마찰재의 마모를 가속시키지 않고 최소화할 수 있게 된다.
결론적으로, 지속적이고 안정적인 제동 마찰·마 모 특성을 확보하기 위해서는 마찰층의 세라믹 함 량을 증가시키고, C의 함량을 적게 가져가는 것이 타당한 결과임을 도출하였다.
9. 파급 효과 및 기술 진화 트랜드 예측 본 장에서는 카본 세라믹 복합재를 이용하여 차 량에 적용할 경우 발생되는 파급 효과 및 향후 제동 분야에 대한 기술 진화 트랜드를 예측하고자 한다.
첫째, 가장 중요한 효과 중 하나는 전술한 바와 같 이 매우 우수한 제동성능을 구현할 수 있다는 점이 었다.
둘째, 매우 탁월한 경량화 효과를 통한 주행성능 및 연비 향상 효과를 얻을 수 있게 된다.
이와 같은 결과는 카본 세라믹 복합재의 소재 특 성 가운데 하나인 밀도가 단일 주철 재질 대비 33 % 수준이면서, 열적･기계적 특성이 우수하기 때문에 가능한 결과이다.
아래의 Fig. 11은 3가지 브레이크 디스크 재질에 대하여 동일 사이즈를 고려하여 설계했을 경우 각
각의 재질별 중량 차이를 비교한 결과이다.
도시된 바와 같이 카본 세라믹 브레이크 디스크 는 단일 주철 재질 디스크와 비교시 약 50 % 이상의 경량화 효과를 얻을 수 있으며, 주철 기반의 이종 재 질 디스크와 비교해서는 약 42 % 이상의 경량화 효 과를 각각 얻을 수 있게 된다.
이와 같은 결과를 통하여 차량의 스프링 아래 질 량(Unsprung mass)를 크게 저감할 수 있게 되어 노면 조건에 따른 Riding & Handling 성능, 타이어 노면 접지력 및 연비 향상에 크게 기여할 수 있게 된다.
특히, 최근 크게 각광 받고 있는 전기차 등의 친환 경차량의 경우 항속 거리 확보를 위하여 배터리 용 량을 최대한 증가 시켜야하기 때문에 카본 세라믹 복합재를 필수적으로 적용할 것으로 예상된다.
셋째, 미래 제동 기술 분야인 BBW(Brake By Wire) 기반의 EMB(Electro Mechanical Brake) 시스템을 고 려할 경우 카본 세라믹 복합재를 적용하여 기존 브 레이크 시스템보다 상대적으로 뛰어난 마찰 특성을 얻게 된다면, EMB의 모터 사이즈를 대폭 축소하는 것이 가능하게 된다.
이와 같은 효과는 원가 절감 및 차량의 충돌 성능 향상을 가져올 수 있게 되며, 순차적으로 EMB의 실 차 적용에 있어 기술적으로 한발 더 다가갈 수 있게 될 것이다.
넷째, 차량의 제동 안정성 기술 향상 측면에서도 AEB(Automatic Emergency Braking) 등과 같은 타 시 스템과의 협조 제어 기술을 향상시키기 위해서는 기본적인 제동 성능 확보 토대위에서 제어 기술을 지속적으로 발전시켜야 전체적인 차량의 제동 제어 안정성을 향상 시킬 수 있을 것이다.
Fig. 11 Weight comparison
심재훈․전갑배․이중희․박병준․임동원․현은재․정광기․김기정․김홍기
다섯째, 경쟁사들의 경우 카본 세라믹 브레이크 를 독자적인 모델로 활용하면서 높은 수익성 및 자 사 고급차의 브랜드 가치를 높이고 있다.
따라서, 고급차 시장에서 지속적으로 경쟁하면서 기존 차량과의 성능 및 브랜드 차별화를 이루기 위 해서는 카본 세라믹 브레이크의 필수적인 적용이 요구되어 질 것이다.
한편, 아래의 Fig. 12는 향후 브레이크 시스템에 대한 기술 진화 트랜드 예측 결과를 나타내고 있다.
일반적으로, 기술 시스템의 발전 단계는 유아기, 성장기, 성숙기, 쇠퇴기의 총 4단계를 거쳐 진화 및 쇠퇴를 하게 된다.
1단계 유아기에서는 새로운 기술 시스템이 출현 하게 되는 시기로써 기술 시스템은 서서히 발전을 하게 된다.
그리고 2단계인 성장기에서는 대량 생산 체계를 갖추어 급속도로 기술이 발전하는 시기를 거치게 되며, 3단계에서는 기술 시스템의 원가 절감 강화 및 내구 향상과 같은 최적화 측면에서 성숙기를 거 치게 된다.
끝으로, 4단계에서는 더 이상의 기술적 발전 없이 쇠퇴기를 맞게 되는데 이때 한층 진보한 새로운 기 술 시스템이 다시 출현하여 기존 기술 시스템과 관 련된 새로운 기술 시스템으로 대체되게 된다.
현재 카본 세라믹 브레이크 시스템은 고급 세단 및 SUV 등에 서서히 적용되고 있으며, 기술 진화 트 랜드에 비추어 볼 때 2단계 들어서고 있다고 할 수 있다.
기존 기술 시스템을 대체할 수 있는 최종 승자가 되기 위해서는 현실적으로 저가 카본섬유 개발, 성
Fig. 12 Prediction for brake technology evolution trend
형체 제조 및 치밀화 공정의 자동화 등의 추가적인 제조 경제성 등을 확보하여야 할 것이다.
그러나 전술한 여러 가지 파급 효과가 주는 장점 과 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 및 친환경 차 생산 확대에 의한 연비 중요성 등의 시장 니즈를 고려하였을 때, 향후 제동 시스템 전반에 대하여 커 다란 기술적 발전을 가져올 것으로 예측된다.
10. 결 론
본 연구는 자동차 산업에서 활발한 연구가 이루 어지고 있는 탄소 기반 복합재 중 하나인 카본 세라 믹 복합재를 이용한 최적 설계 및 제동 특성 제어에 대한 연구였으며, 아래와 같은 유효한 결론을 얻을 수 있었다.
1) TRIZ 기술 개발 방법론인 기능 분석과 물질-장 모델 분석을 통하여 새로운 타입의 카본 세라믹 복합재 체결 구조를 제시하였으며, 강건설계 방 법론인 pugh matrix를 통하여 차별화된 복합재 체결 구조의 우수성을 확인하였다.
또한, 카본 세라믹 복합재 타공에 대한 다양한 패 턴 설계를 실시하였으며, 이를 통해 세련되고 고 급스러운 외관 이미지를 실현하였을 뿐만 아니 라, 마찰재 전면의 불필요한 유기물질 형성막 제 거를 할 수 있게 함으로서 제동성능이 극대화 되 도록 하였다.
2) 카본 세라믹 복합재의 SiC 조성 제어를 통하여 시장에서 요구하는 고급차의 고성능 마찰 특성 을 만족하도록 하였다.
3) 내구 진행에 따른 평가 검증을 통하여 고급차 브 레이크 시스템에서 가장 중요한 특성 중 하나인 내 페이드 안정화 특성을 검증하였다.
4) 세라믹 함량에 따른 카본 세라믹 복합재의 표면 분석 결과를 기반으로 마모 평가를 수행하였으며, 경쟁사 동등 이상의 마모 성능을 얻을 수 있었다.
5) 경량화에 대한 효과 분석을 수행하였으며, 본 연 구 결과를 활용할 경우 R&H 성능 및 연비 향상 에 크게 기여함을 확인하였다.
6) 기술 진화 트랜드를 기반으로 카본 세라믹 브레 이크 시스템에 대한 발전 방향 및 다른 제동 관련 기술에 대한 파급 효과를 함께 예측하였다.
고급차의 제동 신뢰성 향상을 위한 카본 세라믹 복합재의 제동 특성 제어 및 향후 기술 진화 트랜드 예측에 관한 연구
References
1) M. Krupka, “Fiber Reinforced Ceramic Com- posite for Brake Discs,” SAE 2000-01-2761, 2000.
2) P. Ioannidis, D. C. Barton and P. C. Brooks,
“Noise and Vibration Characterization of Cast Iron and Siliconised Carbon Composite Brake Rotors,” SAE 2005-01-2313, 2005.
3) Y. Lu and G. S. Martynkova, “Ceramic Abra- sives in Brake Friction Materials,” SAE 2008- 01-2538, 2008.
4) A. L. Swarbrick, “Surface Conditioning of Carbon-fiber Ceramic Rotors against Organic Pads,” SAE 2012-01-1833, 2012.
5) A. Stenkamp,“Friction Materials for Ceramic Composite Brake Disks,” SAE 2014-01-2486, 2014.
6) M. Patel, “High Temperature C/C-SiC Compo- site by Liquid Silicon Infiltration: A Literature Review,” Bull. Materi. Sci., Vol.35, No.1, pp.63- 73, 2012.
7) M. Frieb, R. Renz and W. Krenkel, “Graded Ceramic Matrix Composites by LSI-processing,”
Advanced Inorganic Structural Fiber Compo- sites IV, pp.141-148, 2003.
8) H. A. El-Hija, W. Krenkel and S. Hugel, “De- velopment of C/C-SiC Brake Pads for High Performance Elevators,” Int. J. Appl. Ceram.
Technol., Vol.2, No.2, pp.105-113, 2005.
9) R. Renz, G. Seifert and W. Krenkel, “Integration
of CMC Brake Disks in Automotive Brake Systems,” Int. J. Appl. Ceram. Technol., Vol.9, No.4, pp.712-724, 2012.
10) W. Krenkel, “Carbon Fiber Reinforced CMC for High-performance Structures,” Int. J. Appl.
Ceram. Technol., Vol.1, No.2, pp.188-200, 2004.
11) W. Krenkel, B. Heidenreich and R. Renz,
“C/C-SiC Composites for Advanced Friction Systems,” Advanced Engineering Materials, Vol.4, No.7, pp.427-436, 2002.
12) R. Weiss, Carbon Fiber Reinforced CMCs:
Manufacture, Properties, Oxidation Protection, Wiley-VCH, Weinheim, Germany, pp.440-456, 2001.
13) B. Heidenreich and R. Renz, Short Fibre Rein- forced CMC Materials for High Performance Brakes, Wiley-VCH, Weinheim, Germany, p.809, 2001.
14) B. Y. Seo, W. S. Lee, K. S. Kang, H. S. Jung and D. U. Kim, “Development of Opposite-type AI Caliper for Carbon-ceramic Disc,” KSAE Fall Conference Proceedings, pp.1849-1854, 2006.
15) J. H. Shim, D. W. Lim, E. J. Hyun, K. K. Jung, K. J. Kim and H. K. Kim, “A Study on Coup- ling Structure of Carbon Ceramic Composite Using Substance-field Model Analysis and Friction/Wear Characteristics Control,” KSAE Spring Conference Proceedings, pp.380-388, 2016.
