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[오토저널] 자기유변재료를 응용한 자동차 기술

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2016-11-02 16:17:30

본문

최근 다양한 분야에서 스마트 재료에 대한 활용 가능성이 각광받고 있다. 스마트 재료는 종래 사용하던 재료와는 다르게 외부 상황에 따라 혹은 내부 변화에 따라 그 성질이 변하는 재료들을 말한다. 예를 들어, 건물의 붕괴를 외부의 진동으로부터 방지하기 위해 스마트 재료를 활용한 구조물의 헬스 모니터링 시스템 등이 그 예이다.

 

이러한 스마트 재료에는 대표적으로 압전 재료, 형상기억합금, 자기유변재료 등이 있다. 현재 이러한 스마트 재료는 여러 분야에 있어 다양하게 적용이 되고 있는데 특히 자동차 분야에서도 적용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 고에서는 스마트 재료 중 자기장에 반응하는 스마트 재료인 자기유변재료(Magnetorheological Materials)의 자동차 부품에 적용한 기술에 대해서 소개하고자 한다.

 

기술동향
자기유변재료(Magnetorheological Materials)란 외부의 자기장의 영향으로 본래 가지고 있던 강성과 감쇠 성질이 변화되는 스마트 재료이다. 자기유변재료는 크게 유체 형태를 가지는 자기유변유체(Magnetorheological Fluid, MRF)와 고무의 형태를 가지는 자기유변탄성체(Magnetorheological Elastomer, MRE)로 나눌 수 있다.

 

이때 자기유변유체는 점성을 띄는 유체에 자기성을 가지는 입자를 첨가한 유체이고, 자기유변탄성체는 천연 고무나 실리콘 고무와 같은 폴리머 재료 안에 자기력에 의해 극성을 이룰 수 있는 입자들을 첨가한 탄성체이다. <그림 1>과 같이 자기장이 있을 때 자기유변재료는 내부의 자기 입자들이 방향성을 가지는 경향성이 있다는 것을 볼 수 있고, 이는 결과적으로 자기유변재료 전체의 물성값을 변화시킨다. 자기유변탄성체와 자기유변유체의 큰 차이는 재료의 상에 큰 차이와, 그에 따른 적용 분야가 다르다는 점이다. 자기유변유체는 자기유변탄성체와 달리 성능 발휘를 위한 밀폐(Sealing)가 필수적이다.

 

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이러한 특별한 성질을 가지고 있는 자기유변재료를 이용하여 자동차의 브레이크와 클러치, 쇽업소버, 댐퍼, 엔진마운트 등에 활용되고 있고 반 능동적으로 그 성능을 향상하고 제어하는데 사용되고 있다.

 

쇽업소버
자기유변재료의 반능동 특성 변화 성질을 이용하여, 많은 자동차 메이커들이 연구를 진행하고 있다. 그 중 자기유변재료의 자기유변유체를 이용한 쇽업소버가 있다. 자기유변유체는 쇽업소버의 오일 부분에 삽입되어, 코일에 의해 성질, 즉 댐핑값이 변화하게 된다. 차량의 전자제어 시스템인 ECU가 자기장을, 외부의 상황에 따라 인가 제어하게 되면 자기유변유체의 성질이 변하게 되고, 결과적으로 쇽업소버의 댐핑 값이 변하게 되어 차량의 진동을 유동적으로 제어하게 된다.

 

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이러한 성능을 활용하여 실제 Honda, Audi, Toyota 등 여러 자동차 메이커들이 본 기술을 상용화하고 있거나 개발하고 있다.

 

클러치
자기유변재료는 차량의 동력전달부분인 클러치 부분에도 적용되어 기존 클러치시스템을 대체함과 동시에 성능개선까지 도모하고 있다. 자기유변유체의 자기장에 따른 강성값 변화를 이용하여, 기존 클러치의 단계적인 기어변속 대신, 자기유변재료 클러치의 연속적인 동력전달 시스템 사용으로 그 성능을 개선하고 있고, 뿐만 아니라, 경제성, 안전성, 주행성 개선이라는 장점이 있다. 밀폐성에 따른 자기유변유체의 단점에도 불구하고, 이러한 많은 장점으로 인해 여러 자동차 메이커들이 상용화 확대를 위해서 연구를 수행 중이다. 티타늄의 값이 워낙 비싸기 때문에 다양한 분야에 적용이 어려워 보다 저렴한 대체재가 연구되고 있다.

 

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서스펜션 부싱
서스펜션 시스템의 주요 기능은 운전 혹은 코너링 감속중에 차량의 주행성을 높여주는 것과 동시에 적절한 조종성을 제공해주는데 있다. 특히 서스펜션의 부싱은 차량의 조종성, 주행 안정성에 있어 큰 중요성을 제공한다. 그러한 요인들에 적절히 대처하기 위해 자기유변재료의 활용이 가능하다. 이 경우 자기유변탄성체를 사용하여 외부 자기장에 의해 강성이 변화하는 특성을 이용하여 기존 고무 재료 대신 부싱에 적용되어 다양한 상황에 요구되는 필요 조건을 만족시킬 수 있다. 결론적으로 주행성과 조종성 두 가지 모두를 충족시키는 성능을 발휘할 수 있다.

 

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아이솔레이터
자기유변재료는 차량의 다른 부분인 차량 운전자 좌석의 서스펜션에도 적용될 수 있다. 차량 운전자의 좌석은 차량 운전자에게 도로 노면과 차량 차체에서 전달되는 진동에너지를 전달하는 부분으로 승차감 뿐만 아니라 안전에 직접적으로 영향을 미치는 부분이다. <그림 5>에 나타난 바와 같이 자기유변탄성체를 좌석 하단 서스펜션에 코어와 베이스 사이에 적용하여 진동 절연 아이솔레이터 역할을 하고 있다. 따라서 다양한 외부 진동수에 따라 능동적으로 대처할수 있는 성능을 발휘할 수 있다.

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타이어
자동차의 성능이나 항공기의 성능에 직접적으로 영향을 미치는 타이어는 그 자체에 대한 성능 신뢰도와 수명이 개발단계에 있어 상당히 민감한 부분이다. 자기유변탄성체는 차량의 타이어에도 적용되어 타이어의 강성변화를 통해 주행조향 안정성과 제동성능까지 개선시킬 수 있을 것으로 예상된다. <그림 6>과 같이 솔레노이드 자기장 발생 장치와 같이 자기유변탄성체를 적용하여 능동적으로 타이어의 강성 변화를 통해 타이어에 작용하는 충격 및 변형을 감소시키는 방향으로 그 성능을 제어할 수 있다.

 

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구동축
자기유변탄성체의 강성 변화 특징을 차량의 구동축에도 적용이 가능하다. 구동축이란 일반적으로 기계시스템에서 동력 전달의 역할을 하고 있는 부분이다. 따라서 구동축은 동력 전달 효율이 중요하기 마련인데, 그에 앞서 외부에서 전달되는 진동에 의해 기계 시스템이 공진하는 현상을 방지하기 위한 장치들이 구동축에 적용되고 있다.

 

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특히 중공 타입의 구동은 질량 댐퍼나 CLD(Constrained Layer Damping) 방식을 중공축에 적용하고 있는데, 이는 외부 특정 진동 모드에서만 효과를 보이며 다른 진동에  대해서는 유동적으로 대처하지 못한다. 특히 질량 댐퍼 방식은 중공축의 질량을 증가시켜 동력 전달의 효율을 감소시킨다. 따라서 상기 문제점과 성능개선을 위해 자기유변탄성체를 기존 질량 댐퍼에 결합하여 다양한 외부 진동주파수에 대해, 최적의 차량 공진현상 방지를 기대해 볼 수 있다. <그림 7>과 같이 중공축 내부에 자기유변탄성체가 삽입되어 외부 자기장 인가 장치인 솔레노이드를 통해서 직접 접촉 없이 고속 회전 중인 중공축의 강성 값을 변화하게 만든다. 그 결과 외부 진동수에 대한 구동축 공진현상을 중공축의 강성값 변화로 흡수할 수 있고, 이는 자기유변탄성체만 가지고 있는 특성을 활용한 것이라 볼 수 있다.

 

엔진 마운트
자기유변재료는 자동차 마운트 부분에도 적용 가능하다. 마운트는 차체의 노면으로부터 혹은 엔진으로부터 차체로 전달되는 진동을 감쇠시켜 각 기관에 대한 안정성 혹은 차량 주행성에 영향을 미치지 않도록 해주는 중요한 부품이다. 따라서 마운트는 각 주행 조건별로 (저속 혹은 고속) 적절히 구동에 관한 최적의 댐핑 상황을 조정할 필요가 있다. 그에 따라 자기유변재료는 엔진 마운트에 사용되어, 엔진으로부터 발생되는 진동을 효과적으로 제어하게 된다. <그림 8>은 자기유변유체를 적용한 예로 마운트 부품에서 유동체 사이에 삽입이 되어 외부 진동에 대해 효과적으로 진동을 흡수 할 수 있게 된다.

 

자기유변재료는 이미 자동차의 여러 기술에 적용되고 있고, 또한 다른 여러 부품의 적용을 위한 연구가 끊임없이 진행되고 있다. 자기유변재료의 강성 변화 및 감쇠 특성 변화를 이용하여 기존 재료를 대체함과 동시에 해당 적용 부품에 대한 향상된 진동 절연 성능과 기능 발휘를 기대할 수 있는 것이다. 이러한 특성을 활용하면 자동차에만 국한되는 것이 아닌 일반 산업의 다양한 분야에서의 활용이 가능할 것으로 예상된다. 자기유변재료에 대한 깊은 연구와 창의적이고 다양한 접근 방식의 여러 개발이 진행되고 적용될수록 더욱 더 ‘스마트’한 자동차의 기술들을 빠른 시일 내에 우리 주변에서 볼 수 있을 것으로 사료된다.

 

글 / 이철희 (인하대학교)
출처 / 오토저널 16년 5월호 (http://www.ksae.org) 
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