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1 Elastomers and Composites Vol. 46, No. 1, pp. 10~21 (March 2011) 특집 자동차용소리, 진동차단성소재기술 김기석 최경은 * 류정석 ** 권영민 *** 강창기 **** 윤우원 **** 박수진 인하대화학과, * 전주교대실습교육과, ** 한국동서발전, *** 지오네트, **** 화승 R&A 접수일 (2011 년 1 월 10 일 ), 수정일 (2011 년 1 월 20 일 ), 게재확정일 (2011 년 1 월 27 일 ) Materials Technology for Car Sound and Vibration Barriers Ki-Seok Kim, Kyeong-Eun Choi*, Jeong-Seok Ryu**, Young-Min Kweon*** Chang-Gi Kang****, Woo-Won Youn****, and Soo-Jin Park Department of Chemistry, Inha University, Incheon , Korea *Dept. of Practical Arts Education, Jeonju National University of Education, Wansan-gu, Jeonju , Korea **Engineering Development Team, Construction Department, Korea East-West Power, Yeongdongdaero, Gangnam-gu, Seoul , Korea ***Xeonet Co., 804 Ssangyong IT Tower, Sangdaewon-dong, Seongnam, Gyeonggi-do , Korea ****R&D Team, R&D Center, HWASEUNG R&A, 147-1, Gyo-dong, Yangsan, Gyeongnam, , Korea (Received January 10, 2011, Revised January 20, 2011, Accepted January 27, 2011) 요약 : 최근자동차산업의발전과더불어수요자의요구가다양화, 고급화됨에따라차량의흡 / 차음에대한관심이크게증가하고있다. 일반적으로차내의소음과진동을줄일수있도록하기위하여섬유재료 ( 펠트, 유리섬유 ), 폴리우레탄 foam, PET 섬유재료등과같은소음진동흡수재료를사용되고있다. 이러한소음 진동을위한흡 / 차음재료들은자동차에장착되어다양한부분에서발생하는소음및진동을차단하여쾌적한승차감을주는주요한부품으로자리잡고있다. 또한, 차량의소음 진동제거를위한자동차용흡 / 차음재료의요구는최근들어더욱높아지고있으며소음 진동저감이외에연비개선을위한경량화, 비용절감등도함께고려되고있다. 따라서본고에서는자동차내장흡 / 차음재료의필요성과더불어관련기술에대하여중심으로살펴보도록하겠다. ABSTRACT:Recently, with developments in the automotive industry, sound and vibration damping have a considerable attraction with a diversified customer needs and advanced automobile. In general, among various materials, textile materials, such as felt and glass fibers, polyurethane foam, and PET fiber materials were used to reduce sound and vibration of the automobile. These materials were located in various main parts of the automobile to block sound and vibration, resulting in a comfortable ride. In addition, to improve fuel economy, weight reduction and cost saving for the automobile were also being considered together as well as the reduction of sound and vibration of the automobile. Therefore, in this paper, we focused on the need of interior sound and vibration absorption materials in the automobile and absorption materials-related technologies. Keywords:automobile, comfortable ride, sound and vibration damping, absorption materials Ⅰ. 서론 자동차에있어서차량의흡 / 차음재역할은자동차산업의발전과더불어수요자의요구가다양화, 고급화됨에따라자동차의성능중에가장큰현안으로대두되고있는문제중하나이다. 즉, 차내의안락감이나쾌적, 정숙성확보를위해서는엔진소음, 타이어소음, 거리소음등차내외에서발생하는다양한소음을감소시킬필요가있다. 1,2 이러한차내의소음을줄일수있도록하기위하여완성차 대표저자 sjpark@inah.ac.kr 업체는물론부품및원료소재업체들이다양한제품을개발중에있으며특히, 부품업체들은섬유재료 ( 펠트, 유리섬유 ), 폴리우레탄 foam, 3 poly(ethylene terephthalate)(pet) 섬유재료등과같은소음흡수재료를사용하여차체안쪽을도포하거나 sheet, film상의재질을삽입하는방식을이용하고있다. 또한, 소음흡 / 차음재료들은자동차의차체전부분에장착되어엔진및타이어등에서발생하는소음및진동을차단하여쾌적한승차감을주는주요한부품으로자리잡고있으며자동차의등급또는배기량에따라적용수지가다르며고급차일수록사용부위및사용량이많은것이일반적이다. 이처럼차량의소음제거를위한자동차용흡 / 차음재료의

2 Materials Technology for Car Sound and Vibration Barriers 11 중요성은최근들어더욱높아지고있으며소음저감이외에연비개선을위한경량화, 비용절감등과더불어리사이클링문제도함께고려되고있다. Ⅱ. 흡 / 차음재개요 흡음재및차음재에있어서, 흡음재는표면에입사되는음향에너지를흡수하여열에너지로변환시켜소음을저감시키게된다. 또한차음재는입사되는음향에너지를흡수및반사시켜차음재가접하고있는매체의음향에너지가최대한적게전달되게하여소음을저감시키는역할을한다. 이러한흡 / 차음재는소음원이있는실내의소음저감재료와벽, 바닥, 천장등의건축부위, 차량및기계류등의방음재료로주로사용되며, 소음기및구조물의내장재료와기타소음저감을위해사용되는재료등에쓰이게된다. 자동차에있어서소음의원인은엔진의각부, 타이어나노면의마찰, 주행시의공기저항등복합적인요인으로발생되고있다. 이러한소음원은가속또는감속주행과더불어복잡한형태의소음이발생되어최종적으로차실내부공간을둘러싸고있는철판구조물을통해승객의신체에전달된다. 소음을막기위한방법으로는크게능동적인방법과수동적방법이있다. 능동적방법으로는소음원의출력자체를감소시키고그전달을적절히차단시키고매개된구조물의동특성을변경시키고소음원에관계된구조의형태를바꾸거나내부공간의형태를변경시키는방법이다. 한편, 수동적인방법은방음재료를사용하여이미발생된소음이수음자에게전달되지못하도록하는것이다. 소음제어기술중수동적인방법인방음재료의사용은가격의저감, 경량화의측면에서연구가활발히진행되고있다. 일반적으로차음재는차체바닥과도어, 트렁크, 엔진룸등에사용되며, 그자체의기능뿐만아니라값이싸면서경량화효과를가지는재료개발이실용화되고있다. 일반적으로사용되는차음재료로는균질재료, 발포재료들이사용되고, 흡음재료로는유리섬유, 발포재료, 발포충전제등이사용된다. 1. 자동차소음 차량의소음은엔진의각부, 타이어나노면의마찰, 주행시의공기저항등에의해발생되며이러한소음의종류는다시공기를매질로하는공기기인노이즈 (Air borne noise) 와구조물을매질로하는구조기인노이즈 (Structure borne noise) 로나뉘어실내로유입된다. 4 1) 공기기인노이즈 : 주로운전석및차체전방에서발생하며각종소음원으로부터공기전달로인해직접차내로유입되는소음. ( 예 : 엔진투과음, 윈드노이즈, 타이어노이즈, 기어노이즈, 브레이크노이즈 ) 2) 구조기인노이즈 : 차량을구성하고있는각종구조물의진동에의해발생되는소음. ( 예 : 로드노이즈, harshness, 구동계또는차체에의한노이즈 ) 자동차소음의발생의구체적인원인으로는크게엔진, 흡 / 배기, 경음기, 문여닫는소리, 주행소음등으로나눌수있다. 엔진노이즈는엔진의왕복운동에의해구동되므로주기적인충격이있으며, 이로인한엔진의측면으로부터소음을발생시킨다. 흡 / 배기노이즈는엔진의구동에필요한공기및가스를주기적으로흡입및배출하는과정에서소음이발생하며그로인하여소음기를설치하고있다. 타이어소음은타이어의패턴과도로면의마찰로인한노이즈가발생하며, 도로면의상태에따라노이즈의레벨이달라지게되는데타이어의소음은고속주행시문제가되며, 70 Km/h 이상이되면문제가커진다. 그밖에경음기나냉각팬, 벨트, 에어콘, 구동축등부수적인구성품에서도소음이발생된다. 또한주행소음은도로상태에영향을많이받고있으며, 주행속도가높음에따라소음의양도커지게된다. 2. 자동차소음원의특성자동차소음제어를위해서는각소음원의정보및소음전달경로에대한정보도필요하다. 대표적인소음원으로다음과같은엔진소음, 흡 / 배기계소음, 구동계소음, 그리고도로및타이어소음이있다. 2.1 엔진소음엔진에의해발생되는진동은왕복피스톤에의해서화학적에너지를회전운동으로변환시키는작동원리에의해발생된다. 엔진진동을유발하는힘은연소력, 왕복력, 회전우력의 3가지로나누어볼수있다. 다수의실린더를가진엔진은여러개의단일실린더가합쳐진형태로생각할수있다. 각요소들은왕복질량에의해불평형력을갖게되고이에따라엔진회전수에관계된 1차의성분과모든고조파성분이유발된다. 폭발적인연소과정에서유발된주기적변형에따른엔진구조의과도진동과밸브의충격, 피스톤과실린더의충돌등에의한기계적소음이발생한다. 이러한소음성분들은엔진구조자체에의해대부분의에너지가소실된다. 이외에도발전기, 파우스티어링펌프, 오일펌프, 압축기, 냉각용송풍기등의엔진보조기류등도마운팅이나평형이적절치않을때에는순음성분의소음을발생시킨다. 2.2 흡, 배기계소음흡기소음은공기의유동에기인한와류소음과피스톤및

3 12 Ki-Seok Kim et al. / Elastomers and Composites Vol. 46, No. 1, pp. 10~21 (March 2011) 밸브류의충격들이흡기관을타고외부로방사되는전달소음으로구분된다. 와류소음은가속과비례하여커지며모든대역의주파수를포함하는백색소음 (White noise) 의형태를가지고있다. 전달소음은조화성분으로이루어지므로특정한주파수로주위의매질을가진한다. 특히급가속시피스톤내의압축가스압력이커지게되므로폭발음과밸브개폐의충격음이자체만으로도매우커지게된다. 팽창과정중배기밸브가열리고고압의가스가관으로이루어진배기계로배출되면서배기계구조와관출구를통해소음이방사된다. 이때가장주된소음성분은엔진회전수성분이나관의길이에의한공명에따라때로는고조파성분도상당한크기일경우도있다. 2.3 구동계소음엔진의파워가자동차를구동시키는바퀴로전달되는과정에서구동계의주된소음이발생한다. 전륜구동형과후륜구동형은많은부분에서다른현상을갖게되는데예를들면후륜구동차량은추진축 (Propeller shaft) 과후륜축의진동문제가전륜구동형보다추가적으로나타날수있다. 트랜스미션기어에의한소음생성은각기어의굽힘진동뿐만아니라기어축의굽힘및비틀림진동과도연관된다. 기어소음은기어의종류와가공정밀도, 조립정도에따라서도차 이가있으며기어케이싱구조에따라서도다르게나타난다. 차축의소음은대개차동기어의이빨이맞물리는운동에따라기어소음으로나타나거나이에따른가진에의해차축이공진할때발생된다. 이소음은협대역의주파수특성을가지고있어아주작은레벨이어도수음자에게큰영향을미친다. 후륜구동의경우는차축의질량과강성을조절하여공진주파수를평상작동범위이상으로올리거나컨트롤암부시의강성을작게하거나축에감쇠기를장착하여차축소음을줄이는방법들이유효하다. 2.4 도로및타이어소음타이어소음은타이어제조과정및마모에의해발생되는불평형, 공차, 반경방향힘의비균질성등에의한가진과노면의비균질성및노면의거칠기에따른가진등에의해타이어가진동하게된다. 타이어고유모드에따른진동으로일부는자체표면에서소음으로방사되고대부분은현가계의기계적결합을통하여차체로전달되며차체패널의진동에따라내부에소음이유발된다. 타이어소음은 200 Hz부터 3 khz 사이에주로분포되어있어인간에민감하게작용한다. 타이어에서발생되는소음은첫째, 에어펌핑 (Air pumping), 타이어가지면과접지하는부분인트레드가일정한패턴을갖고있고, 이부분이노면과 Booming noise Table 1. Basic Characteristics of Car Noise Phenomenon Frequency Main vibration sources Beat noise Slow Medium Fast 40~200 Hz 30~60 Hz (~50 kph) 60~100 Hz (50~80 kph) 100~200 Hz (80 kph) Harmonics at engine explosion cycle Close of harmonics at engine explosion cycle and tire rotating cycle Engine torque fluctuations Engine torque fluctuations Transmission of ingressive sound Engine torque fluctuations Transmission of ingressive sound Tire imbalance Road noise 30~60 Hz Road bumpy Rough paved road Harshness 200 Hz~10 khz Vibration of the friction brake pads and discs Gear noise 300~1500 Hz Gear adnation sound Engine transmission sound Tire noise Wind noise Various noise 300~500 Hz 100~1000 Hz 800 Hz~5 khz 300~1500 Hz Engine vibration Engine mechanical sound/ combustion noise Suction/exhaust sound Tire pattern Tire vibration Air Turbulence of car body Interior input-sound form various gaps Various parts of the mounting bad Injection fail of grease on rotating part

4 Materials Technology for Car Sound and Vibration Barriers 13 접지될때트레그홈사이의공기체적이급격히외부로방출되면서발생하는압축팽창음으로약 800 Hz~2.5 khz의주파수분포를갖는다. 둘째, 피치노이즈 (Pitch noise), 원주방향으로배열된타이어의패턴홈들이노면과충돌하며발생하는충격음으로이때발생하는음향파워는타이어의재료물성, 패턴의모양, 노면의형상및지반구조에의하여결정된다. 셋째, 진동음, 자동차가주행하고있을때에는대개타이어의트레드부가충격적으로노면에부딪히게되고이충격력에의해타이어의측면이진동하여음을방사하게된다. 자동차의소음을제어하기위해서는상기와같이각소음원에대한정보뿐만아니라, 소음전달경로에대한정보도필요하다. 주된소음원은엔진소음, 흡, 배기계소음, 구동계소음, 도로및타이어소음등 4가지정도로나눌수있으나이것이외에도기타승용차의소음원과그에따른주파수별소음특성이나타나는데하기의표 1에나타내었다. 3. 자동차방음원리 3.1 공기기인소음억제엔진, 흡배기계등과같은소음원에서의소음을근본적으로저감하는방법과엔진부위나 Floor, Roof 등에각종흡음재를사용하여소음을저감하는방법등이있다. 흡음재를적용하는경우재료표면에입사하는소리에너지일부를흡음재내부로흡수하여반사소음을감소시킴으로써소음을억제하는방법으로입사음중에반사되지않고재료속으로흡수되는에너지의비를흡음률 (α) 이라하며그림 1과같이표시할수있다. 일반적으로 α는 0에서 1사이의값이며수치가높을수록흡음성이우수하며주파수변화와설치방법에따라차이가있다. 주로 semi rigid foam과 slabstock foam이우수한 air borne noise 흡수폼으로사용되어왔다. 3.2 구조기인소음억제댐핑재료를사용하여진동원으로부터진동전달을억제하는방법으로높은댐핑상수를갖게하여주로엔진이나차체의진동에의한소음을억제하는방법이다. η = (f 2 - f 1) / f(x) Figure 1. Expression method of sound absorption coefficients. Figure 2. Vibration damping constant of various materials. (η=vibration damping coefficient, f(x) = 최대진동수일때주파수, f 1, f 2 = 최대보다 3dB 아래에있는 peak의주파수 ) 상기공식은진동댐핑상수를구하는공식이며일반적으로 η수치가클수록진동댐핑효과가크며폼의두께나밀도는크게영향을주지못한다. 그림 2는물질에따른진동댐핑상수를나타낸다. 주로 Cotten Felt나 Viscoelastic PU폼이 structural borne noise를방지하는데사용되며, cost down 목적이외에 damping 성능을향상시키기위하여일정량의 CaCO 3 나 BaSO 4 와같은무기충진제를 resin premix에첨가하여사용하기도한다. 4. 흡 / 차음재료자동차의방음재료는재활용성과경량화의관점으로흡음재료의개발이활발히연구되고있다. 특히최근에는흡음의단순한단일기능뿐만아니라값이저렴하면서도경량화효과가큰흡음재, 차음재의복합기능을병행한재료개발이실용화되고있다. 흡음재는판진동형, 공명형, 다공형으로분류된다. 일반적으로특정주파수대역의흡음에는판진동형과공명형이사용되며, 전주파수대역에서의흡음은다공형이이용되는데이들 3가지모형은독립으로또는, 복합형태로사용되고있다. 자동차에사용되는흡음재는다공형흡음재가많이사용되고있으나다공형흡음재는고주파수영역의소음을주로흡수하는성질을가지고있으며, 저주파수및중주파수대역의흡음효과를나타내기위해서는두께가두꺼워져중량의증가가생긴다는단점이있다. 흡음재료로는섬유재료 ( 펠트, 유리섬유 ), 발포재료 (Urethane, PE, Melamine), 폴리에스테르섬유재, 폴리프로필렌섬유재, 발포충전제 ( 에폭시, 우레탄 ) 가많이사용되며, 5 다공성및섬유상소재의흡음재료구조를그림 3에나타내었다. 이러한

14 Ki-Seok Kim et al. / Elastomers and Composites Vol. 46, No. 1, pp. 10~21 (March 2011) Figure 3. Images of porous and fibrous materials for sound absorption. Table 2.

5 14 Ki-Seok Kim et al. / Elastomers and Composites Vol. 46, No. 1, pp. 10~21 (March 2011) Figure 3. Images of porous and fibrous materials for sound absorption. Table 2. Application Areas and Demand Performances of Sound Damping Materials Application areas Dash Floor Roof Foil House Pillar Dash Side Coat Panel Demand performance Engine transmission sound Engine transmission sound, vibration radiated sound, road noise Automobile input-sound, engine reflection tone Tire transmission sound Transmission sound, air stream tone, sympathetic sound Transmission sound Road noise 방음재료를이용하여소음저감현상을적용부위별로나타내면다음표 2와같다. 흡음재료로사용되는유리섬유는내열성이우수하여주로 Hood Silence와 Engine Undercover용으로사용되고있으나인체에유해한성분으로인해대체재료의연구가진행되고있으며그중하나가 PET 섬유이다. PET 섬유는재활용과경량화가용이하며섬유의부직포로제조하면섬유간미세기공이형성되어소음의감쇠효과를거둘수있다. 차음재나흡음재의경우상술한 structural borne noise 에는 큰효과가없으나 air borne noise는대부분 500 Hz 이상의비교적높은주파수성분으로이루어져있기때문에사람의귀에거슬릴뿐만아니라차량실내소음의음질을결정하는중요한요소가되며차량의실내로유입되는 air borne noise( 공기전파소음 ) 을저감시키기위하여각종차음재가효과적으로사용되고있다. 그러나차량에사용되는차음재의중량은소음저감효과와밀접한관계가있지만차량의전체중량및비용의절감측면에서는서로상충되는요소가된다. 따라서제한된비용과중량내에서최대의효과를얻기위하여차음성능의최적화에대한연구가많이진행되고있으며이러한흡 / 차음의역할에대한비중이높아짐에따라흡 / 차음재의음향특성에대한이론적인연구와성능평가를위한측정기법에대한연구또한활발히진행되고있다. Ⅲ. 자동차용방진재최근자동차의기술의발전은동력학적인면과차체의외형스타일면에서구매자만족도가매우높은수준까지이르고있다. 이는자동차산업의육성과더불어기술축적이꾸준히이루어져왔음을알수있게하는것이며, 자동차부품에신소재의적용으로차량성능이향상되고있다는것을나타낸다. 그러나, 자동차의실내안락성과내부소음에서오는불쾌감

Materials Technology for Car Sound and Vibration Barriers 15 및모든진동요소의개선이동력성능의개선에비하여그기술축적이매우부진한실정이며이러한점을고려하여, 차체진동저감을위한방진재에대한연구가필요한과제로대두되고있는실정이다.

6 Materials Technology for Car Sound and Vibration Barriers 15 및모든진동요소의개선이동력성능의개선에비하여그기술축적이매우부진한실정이며이러한점을고려하여, 차체진동저감을위한방진재에대한연구가필요한과제로대두되고있는실정이다. 실제로 1970년대중반이후부터자동차의진동을해결하기위한분야에관련된논문, 특허등의기술문헌에는차내의진동의저감을위한차체구조의변경에대한보고와진동방지를위한방진시스템의기술이이미개시되기시작하였다. 이러한방진시스템의기술은현재까지도크게변화를보이지않고있으나점진적으로발전하고있다. 그이유에대해서는먼저차량의진동저감을위한방법은종래부터기술화되어있었지만승용차의상품성에대한진동의관심이높아짐에따라각자동차업체들에축적된노하우가점차생산되는자동차의사양에적용되어왔다는점을들수있다. 자동차의진동저감을위한방진고무 ( 그림 4) 가공업적으로채용되기시작한것은제2차세계대전때항공기용으로진동절연에의한금속의피로파괴대책목적이었으나그후자동차산업의비약적인발전으로그용도가다양해지고요구성능이고도화되면서방진고무의중요한역할을더한번인식하게되었다. 방진고무란 진동ᆞ충격의전달방지, 흡진또는완충목적으로사용되는가황고무제품이라고정의하고있으며, 이것은대부분이금속과고무의접착상태에서사용된다. 현재방진재료로사용되는기능을구분하면, 진동을방지하는방법으로는 1) 가진원의가진력을작게하는것, 2) 가진원에서진동을절연하는것, 3) 가진체의진동을제진하는것으로나눌수있다. 6 최근에는기술의고정밀화, 고품질화의요구로방진기술은종래의수동적기능 (Passive type) 에서능동적제어기능 (Active control type) 으로새로운형태의기술발전이진행되고있다. 일반적으로 passive 방진재료를사용한진동저감방법에는진동절연, 제진, 동흡진등이이에속하며, 또한동흡진은공진피크를억제할목적으로사용될경우에는제진으로분류 Figure 4. Carbon black-reinforced vibration damping rubber. 되기도한다. 또한이들의방법에는각각의특징이있어저감하려고하는진동의특성을충분히파악한후에적절한방법을선택할필요가있고, 경우에따라서는몇가지방법을적절히조합해서종합적인효과를겨냥해야할때도있다. 1. 방진재료 방진재료로는자연계에서존재하는많은물질이사용될수있으나그효과와기능으로보아예로부터금속, 공기, 고분자재료를사용해왔다 금속 오래전부터가장많이사용되어온것으로코일과스프링으로자동차의 suspension이나차량의현가장치등에많이사용하고있으나금속은그성질상재료자체의질량이크기때문에외부에서진동이주어지면 spring 자체의고유진동수가나타난다. 따라서금속 spring은고주파수영역에서는좋은재료로불수없지만저주파수영역에서는방진효과가기대되는재료이다. 다만금속은내부마찰저항이작기때문에공진하면진폭이무한이커지는단점을가지고있어점성기구인 oil damper를이용하여공진진폭을억제하고있다. 1.2 공기 공기도사용방법에따라방진에도움이되나그자체만으로는사용할수없고용기가있어야한다. 그용기를고무로만든것이 air spring이며이것은가장우수한절연주파수영역범위를가지고있어공기압력을변화시켜 spring 정수를다르게할수있을뿐아니라 spring의높이도조정가능하나, 장치비용이비싸다는단점이있다. 1.3 고무 고무는여러산업분야에서방진, 내진, 충격흡수및완충재료로널리사용되고있는재료로서, 금속과달리고무자체가내부마찰에의한점탄성특성으로인하여외부에너지를소산시킬수있는특성을가지고있고그특징을금속과비교하면, 다음과같이 5가지로분류할수있다. 3 방향의 spring 정수를가진다. 가황고무의탄성변형은매우크고가역적이며, 탄성율은금속에비해아주작다. 또한형상자유도가높아형상, 치수를적당히선정하면상하, 좌우, 전후 3방향의 spring 정수를어느정도자유롭게설정가능하다는특징이있으며, 또한고무는금속과쉽게견고하게접착되어인장, 압축, 전단등어느방향으로도변화시킬수있어방진고무그자체를소형, 경량화할수있고지지방법도간단하다. 이때문에부착위치의공작오차를쉽게흡수할수있는실용상이점도있다. 비압축성의물질로서, 응력과변형간에는시간적인지연

7 16 Ki-Seok Kim et al. / Elastomers and Composites Vol. 46, No. 1, pp. 10~21 (March 2011) Figure 5. Comparison of vibration reducing and surging performance of metal spring and vibration damping rubber. 현상이있어비선형적인성질로방진재료, 제진재료로써효과가뛰어나다. 배합또는 polymer 에따라고무 spring 정수, 감쇄계수를어느정도선택할수있으며, 형상을일정하게하고 spring 정수를변형시키거나 spring 정수를일정하게유지하면서형상을쉽게바꿀수있는이점이있다. 감쇄 ( 내부마찰 ) 그림 5는금속스프링과방진고무의진동감쇠성능과 surging 을비교하여나타낸결과이다. 일반적으로가황고무의내부마찰은금속 spring에비해 1,000배이상크다. 금속 spring에서는공진시의진폭감소나충격에따른자유감쇄진동의조기정지를위해서는 spring에감쇄기능을추가로가져야한다. 이때문에금속 spring에서는금속판을몇장겹치거나 coil spring과 oil damper 를이용하여해결하고있으나저주파수진동영역에서만효과가있다. 이에대하여고무의감쇄는내부마찰에의한것으로고무분자상호간, 고무분자와충진제간의상호작용 에의한것으로특히고주파수진동에서도절연효과가매우크다. 내고온, 내저온성능유기화합물인방진고무가금속 spring에비하여떨어지는점은고온 ( 통상 70 이상 ), 저온 (-30 이하 ) 에서의특성변화가크다는것이다. 그러므로내열, 내후, 내한, 내오일등에대한특성이요구되는곳에서는사용의제한을받으나최근에는특수기능의합성고무, 약품의개발로그사용범위를점점확대하고있다. 2. 자동차용방진고무자동차용방진고무는진동, 소음을제어하는역할뿐만아니라조종안정성등자동차의운동성능에도영향을미치는것으로자동차의 FF화에따라그중요성이더욱증대되고있다. 진동관련부품으로대별하면 1) mount류, 2) bush류, 3) Item Table 3. Basic Demended Characteristics of Vibration Damping Rubber for Car ENG MTG Strut Mount Suspension Bush Bumper Stoper Center Bearing Support Torsional Damper Feature of Static - spring Dynamic - Fatigue resistance Heat resistance Contortion resistance - (*) Low temperature resistance Ozone resistance Metal adhesion (*) (*) - (*) (*)

8 Materials Technology for Car Sound and Vibration Barriers 17 bumper 류, 4) damper 류, 5) 구동계류등 5 가지로구분할수있다. 방진고무만으로보면 spring 정수가일정하고사용조건에따라특성변화가없고오랫동안그특성이유지되는것이바람직하다. 또한, 사용환경으로는온도, 기름, 오존, 일광등을고려해야하며, 8,9 자동차용방진고무의기본적요구특성을표 3에나타내었다. 최근에는외력에대해보다이상적인진동절연특성을갖도록하기위하여 active에동특성을조절할목적으로전기적점성유체를이용한 engine mount도실용화되고있다. 전기점성유체를전장내에두면전장의강약에따라점성이변하는성질을이용한것으로이반응은가역적인것으로반응시간이극히짧아현재까지의기계적제어방식과달리그응답성이좋으며, 많은분야에이용될가능성이있는방진시스템이다. 또사용되는재료는동적특성, 신뢰성에서 NR, BR, SBR 등이른바디엔계고무가많이사용되고, 이들고무가소정의탄성율을얻기위하여는카본블랙등으로보강되고있으나카본블랙의종류, 량에따라고무의동적특성이크게변하고, 혼합가공조건, 성형조건에따라서도변한다. 10,11 3. 방진고무에요구되는기본특성 3.1 내구성 고무는응력을주거나변형이일어나지않아도환경 ( 열, 오존, 기름등 ) 에의하여기능이저하된다. 환경조건에의해허용응력이나허용변위량이변하게된다. 3.2 열의영향 고무의기능저하는열에의하여촉진되므로사용가능온도에는한계가있고, 폭로시간, 고무형상등에따라다르며그개략온도는표 4와같다. 3.3 정적변형의영향 정적변형에의한기능저하로는처짐현상 ( 영구변형 ) 을들수있다. 피지지체의위치변동에의해간섭, spring 특성의변화등문제가발생된다. 처짐현상은변형량, 온도등에지배되고, 그크기는경과시간의대수값과대략비례관계가있다. Table 4. Using Limit Temperature of Various Rubbers Polymer Room temperature Transient temperature ( ) ( ) NR SBR CR NBR IIR EPDM 동적변형의영향고무에균열을발생시키는주원인이며변형을최소로할필요가있다. 변형율과수명과의관계는고무재질에따라다르므로재료의선택에는주의가필요하다. 또한형상적인측면에서는유한요소법에서국부적인해석도가능하므로변형을작게해서내구수명을연장할수있도록고무형상을설계할수있도록되었으며또이경우에는초기압축을가함으로해서피로수명이향상될수있다. 3.5 오존의영향오존의작용에의해서인장의직각방향으로국부적인균열이발생한다. 이균열은대기중의오존농도, 인장응력의크기, 일광, 습도의영향을받는다. 그방지대책으로는고무에노화방지제를배합하거나오존에강한 polymer 를사용또는고무표면에약품을피복하는방법을채택하고있다. 3.6 기름의영향기름이나약품을고무를팽윤시켜수명을저하시키거나고무와금속의접착면에침투해서박리시킬위험성이있다. 그방지대책으로는내유성고무를사용하거나기름이부착되지않도록하는여러방법을선정해야한다. 4. 방진고무의동적특성진동을방지하기위하여사용하는방진고무의동적성질은 1) 온도, 2) 압력진동수, 3) 진폭에따라탄성율, 감쇄율등이변하는특성이있다. 그러므로방진고무의동적성질을평가할때는반드시 3가지요소에대해서동시에실시해야한다. 4.1 온도의존성진동수, 진폭을일정하게하고온도를내려가면어떤온도영역에이르면동적탄성율이급격히상승한다. 이온도영역을전이영역 (Transition region) 이라하고전이영역에서손실계수는최대치로나타난다. 이현상은고무상태에서유리상태로의전이로서진동수가높을수록전이영역은고온측으로이동된다. 방진고무로서적절한온도범위의하한치온도는이전이영역으로결정된다. 전이영역은고분자의선정으로거의결정되며, 방진고무의온도범위상한치는산화에의한망목구조의파단, 내용연수와관련결정된다. 또실제사용시는계절에따라진동특성이크게달라질수도있기때문에사용에충분한주의가필요하다. 4.2 진동수의존성온도, 진폭이일정한상태로진동수를올려가면어느진동수영역에서동적탄성율이급격하게상승한다. 그리고이진동수영역에서손실계수가최대치로나타난다. 주파수를올렸

9 18 Ki-Seok Kim et al. / Elastomers and Composites Vol. 46, No. 1, pp. 10~21 (March 2011) 을때그특성은온도를낮추었을때의온도특성과유사한경향을나타낸다. 이전이영역은실온에서는가황고무에는초음파주파수영역에서나타난다. 200 Hz 이하의낮은가청주파수영역에서는동적탄성율은진동수에거의무관하고손실탄성율도진동수에거의무관하다. 4.3 진폭의존성 방진고무용고무배합은대부분카본블랙과같은보강재를함유하고있다. 카본블랙이첨가된가황고무의동적성질은변형진폭에의해변하고특히카본블랙의배합량에따라크게달라진다. 방진고무의동적 spring 정수가진폭과함께저하되는현상은방진고무에있어서는바람직한것이못된다. 실용상충분히주의를요하는현상이다. 공통적인경향으로 1) 순고무배합에서는동적탄성율, 손실탄성율과함께평탄성 ( 선형 ), 2) 충진제배합량과더불어동적탄성율이진폭이커짐에따라저하되고손실계수가증가하고손실탄성율의최대치가나타난다. 3) 미소진폭 (r0 0) 에있어서손실계수는충진제배합량과관계없이거의일정하다. Ⅳ. 흡음및방진소재의연구개발동향 최근자동차용 TPE(Thermoplastic Elastomer) 소재는상온에서는고무와같은탄성을보이고고온에서는소성변형이가능하여플라스틱성질을보이는양면성을가지고있다. 따라서고무와플라스틱의성질을가지고있어기존고무부품의대체소재로각광을받고있다. 기존고무부품은가황공정에따른배합약품이과다하게들어가고가황으로인한재활용이용이하지못하며다양한제품으로성형이쉽지않은단점을가지고있으나 TPE 신소재는이러한단점을보강하여새로운기능을부여하는소재이다. 12 기능성고무소재의개발동향에있어서최근의고무제품은고무탄성을이용한방음, 방진성능, 화학약품의안정성, 내환경성등의성능향상에역점을두고신소재를개발하고있다. 특히발포 foam을이용한기능성고무소재로서 EPDM이각광을받으면서 NITTO DENKO사에서는 Closed-Cell, Semi-Closed Cell, Open Cell 을특성에맞게조절하여특성에맞는발포고무 foam을제조하여자동차부품에적용하였다. 또한고유의발포기술을확보하여열안정성및화학약품의안정성을극대화시켜 door-mirror, tail lamp, door, air conditioner 등의부품에적용하고있다. 또한 RBX사에서는 Closed-Cell을이용한 press mold 방식으로발포고무 foam을개발하여각종흡 / 차음재로이용하고있으며, 소재로는 CR, EPDM, SBR, NBR, ECH, EVA, PE, PVC/ NBR을사용하여개발한제품들을자동차뿐만아니라건축용소재로도사용하고있다. 고분자복합재료의소재동향으로독일의 ICT 사는유 / 무기 hybrid 복합재료인 LFT(Long glass Fiber Thermoplastic) 소재를개발하여프론트엔드모듈, 도어모듈, foot rest용방음재등으로사용하고있다. LFT는기존의단섬유강화복합재료인 GMT에비해구조강도, 충격강도, 굴곡탄성률등이우수하여최근에주목받고있는신소재이며, 자동차의연비향상을위한경량복합재료로 LFT의채용가능성이아주높은것으로알려져있다. 국외에서는주로흡음 / 차음 / 제진재의전문업체에서기술개발을주도하여나가고있으며, UK, SA, Pelzer, HP-Chemie, Roth, Borgers, Kaliko, Stank, NTT 등 10여개업체가유럽, 미국, 일본의유수자동차업체에납품하고있다. 이중에서특히 UK(Unikeller) 사는약 150종의재료에대한 database를완성한바있으며, TROPP 라는최적화시뮬레이션패키지및최근일본의 Honda 사와공동개발의성과로서 SOPACO 라는내부트림류의최적화기법을완성하여, 최소한의중량으로서, 최대한의음향효과를얻는기술을확보하였다. 이밖에주로 BMW, Ppel, Ford, Fiat 등의 Europe 자동차제작사및 Nissan, Honda, Toyota 등일본자동차제작사의자체기술로흡음 / 차음 / 제진에의한내부소음의최적화에노력하고있다. 향후동향으로차음재료의경우차체판넬에알루미늄이나플라스틱의채용이진전되어간다면차음성은크게저하되므로최소중량으로최대차음효과를낼수있는차음재의개발과현재사용되는표피재, 팩킹재, 펠트, 우레탄등의중량배분의최적화에의한경량화와더불어차외소음대책용으로중요한흡음재의지속적인개발이추진될것으로예상된다. 현재국내에서는몇몇중소기업에의해흡음 / 차음 / 제진재가생산되고있으며, 이들기업들은자본의영세성과기술인력의부족으로인하여대부분대기업인자동차제작사들이정해준요청사양에따라, 또는적용대상차량의구조음향특성과는관계없이외국제품을본뜬제품을생산하여납품하고있다. 그러나, 생산품의조성, 두께, 물성, 적용성, 문제점, 단위가격등에관한데이터베이스가되어있지않다. 이러한점때문에설계개념, 문제소음튜닝및최적적용에관한기술은자동차제작사와재료제작사모두선험과직관에의한시행오차에의해시행되고있는단계에머물러있어개발기간장기화및비용과인력의낭비를초래했다. Ⅴ. 문헌연구최근, 방진및방음기술은항공산업, 자동차, 가전제품및건축자재등에이르기까지광범위한분야에서아주중요한역할을하고있다. 자동차에요구되는정숙성, 쾌적성, 제진성은다양화, 개성화, 고성능화와함께수요자들의중요한선택척도가되고이와관련된자동차의진동과소음을줄이거나제거하기위하여방진고무와같은고분자재료의사용이효

10 Materials Technology for Car Sound and Vibration Barriers 19 과적이라고알려져있다. 13 방진고무는흔히카본블랙과같은보강제를첨가하여제조하며감쇄성능을높이기위해서는다량의보강재를첨가하여야하는데이경우보강제의구조의형성, 붕괴, 분산등에의해동특성에서비선형거동을보이게된다. 천연고무의동비율은다른고무에비해낮은편이며, 일반적으로고무의동비율을낮추기위해서는분자회전용이성, 분자간상호작용이작고분자운동이활발할것, 분자간얽힘이적을것, 보강제와의결합이강할것, 충분한화학가교등의조건이요구된다. Lee 14 연구팀은카본블랙을필러로사용하여가황천연고무의방진특성에미치는카본블랙특성의영향의고찰을통하여카본블랙에따른가황천연고무의동비율, loss tangent, 동적점성율의변화를해석하고방진성능과의관계를검토하였다. 카본블랙에따른천연고무의방진특성의변화를그림 6에나타내었다. 카본블랙혼합고무컴파운드에서나타나는동비율, loss tangent, 감쇄계수는카본블랙종류및혼합량에따라다른값을갖게되는데카본블랙에대한의존성을확인하기위해 Medalia 15 등이제안한카본블랙표면적과혼합량의단순조합함수인부하-계면적매개변수 (Loading-interfacial area parameter( ) 와이들특성값들의상관곡선을그림 6에나타내었다. 그림 6에서보듯이 가증가함에따라동비율은직선적으로증가하였으며카본블랙종류에의한영향은볼수없었다. 그림의 에대한 loss tangent는카본블랙표면적과혼합량에대해일정경향성을보여주고있어 의함수임을알수있었다. 방진용고무재료의또다른요구인자는감쇄계수 (Damping coefficient, c) 인데이는일정한단면적과길이를갖는시료가동일한진동수에서사용된다고가정하면 c는동적점성율 (E'') 과동일한값이된다. 그림 7에서보는바와같이 =1 이하에서는 증가에대해 E'' 증가량이아주적은데비해 =1 이상에서는직선적인증가를확인할수있으며양호한상관성을보여준다. 이러한결과를토대로하여방진고무의제작시적절한카본블랙의함량을구할수있게된다. 최근자동차에주거공간과감성품질개념이도입되면서차량내부의쾌적감, 안락감, 정숙감등을향상시키기위한 Figure 6. Changes of dynamic ratio (Ed/Es) depending on loading-interfacial area parameter (øø) for carbon black of NR vulcanizates. Figure 7. Changes of loss tangent (2.0% DSA) depending on loading-interfacial area parameter (øø) for carbon black of NR vulacanizates.

11 20 Ki-Seok Kim et al. / Elastomers and Composites Vol. 46, No. 1, pp. 10~21 (March 2011) Figure 8. Sound absorption ratios of PU foams: (a) B series, (b) S series, (c) R series, and (d) P series. 연구가활발히진행되고있다. 이러한관점에서자동차내ᆞ 외부에서발생하는소음저감및제어를위하여다각적인노력을기울이고있으며, 흡음이나차음에관한연구가활발히진행되고있다. 2007년 Jeong 16 연구팀은다양한필러를이용한폴리우레탄폼의방음재료로의사용을연구하였다. Bentonite, organophilic clay, Na-MMT/PEG를 polyol과 mixing한후복합재료를제조하였고, 각필러의양을변화시켜방음효과에대한효과를고찰하였다. 복합재료시스템에서필러들의함량이증가할수록그림 8에서보는바와같이폴리우레탄폼의방음효과는증가하는것을확인하였다. 또한그림으로부터폴리우레탄폼에필러들이균일하게분산됨으로써방음효과는더욱증가하며판상의필러를사용하는경우더넓은주파수영역에서방음효과가향상되는것을확인하였다. 이러한결과는클레이의판상형태와높은종횡비의특성에기인하는것으로판단된다. 이로부터유 / 무기고분자복합재료를이용한방음재의제조시필러의형태와우수한분산성이매우중요한인자임을확인할수있었다. Ⅵ. 맺음말자동차를위한흡 / 차음재및방진재의경우내부안락도, 특히정숙도에대한구매자의요구가점점심화되어서, 국산차량의국제경쟁력을갖추기위해서는대폭적인저소음화와진동저감이절실하다. 이를해결한대표적인예로서 Toyota 의 Lexus 모델이있으며, 미국시장을석권하였다. 일부국산수출차량의주요판매부진원인중의하나로서내부소음및진동이거론된점을들수있다. 또한차량의고부가가치화를위하여서도, 내부소음의정숙성은필수불가결한목표라고할수있다. 이러한내부정숙화와더불어경량화, 고효율화, 고속안정주행화등의다른진화목표들이추진되고있으나, 이들은일반적으로내부정숙화와상충적인관계를맺고있는점이문제를어렵게만들고있다. 이를해결하기위해서는가능한한각종재료의물성을데이터베이스에근거하여여타성능을고려한차량개발목표치를최적화하는기술을근시일내에개발하여야한다. 이러한재현성있는기법에의하여는신규모델을개발할때에, 반복적인선험및시행오차에의한장기간의 NVH 개발시간을

12 Materials Technology for Car Sound and Vibration Barriers 21 최소화할수있어서, 최단기의적정한시점에제품을출하할수있으며, 개발단가및전담인력도줄일수있고, 재현성있는개발과정을갖게된다. 감사의글 본연구는지식경제부의엔지니어링원천기술개발사업과국방과학연구소의연구비지원으로수행되었으며이에감사드립니다. 참고문헌 1. 자동차내장용흡 / 차음재, 한국과학기술정보연구원, D. W. Kang and S. M. Kim, Preparation and properties of polyorganosiloxane modified maleated EPDM/EPDM rubber vibration isolator, Appl. Chem. Eng., 21, 581 (2010). 3. B. Y. Lee, S. Y. Kim, K. H. Lee, and B. S. Jin, Microstructuresound absorption relationships of polyurethane foam and application of low monol polyol, Polymer(Korea), 31, 289 (2007). 4. N. Park, Y. Kim, and C. Park, The effect of additives on sound absorption coefficient of polyurethane foam, J. Kor. Ind. Eng. Chem., 8, 197 (1997). 5. L. Jaouen, A. Renault, and M. Deverge, Elastic and damping characterizations of acoustical porous materials: Available experimental methods and applicationsto a melamine foam, Appl. Acoustics, 69, 1129 (2008). 6. 김진국, 김용택, 김인환, 방진고무의기본개념과적용, 고분자과학과기술, 10, 335, (1999). 7. D. D. L. Chung, Materials for vibration damping, J. Mater. Sci., 36, 5733 (2001). 8. C. Y. Park, W. K. Lee, and S. K. Min, Effects of environmental factors such as temperature and ozone concentration on the properties of BR/crystalline rubber blend, Elastom. Compos., 45, 94 (2010). 9. C. K. Hong, H. Jin, S. Park, and S. Kaang, Variation of thermal stress and dimension of rubber solids upon heating, J. Ind. Eng. Chem., 15, 483 (2009). 10. S. J. Park, K. S. Cho, and M. Zaborski, Filler-elastomer interactions 5. Effect of silane surface treatment on interfacial adhesion of silica/rubber composites, Polymer(Korea), 26, 445 (2002). 11. F. L. Jin and S. J. Park, Thermo-mechanical behaviors of butadiene rubber reinforced with nano-sized calcium carbonate, Mater. Sci. Eng. A, 478, 406 (2008). 12. E. F. Gobel and A. M. Brichta, Rubber spring design, Newnes-Butterworths, S. S. Choi, H. S. Chung, Y. T. Joo, B. K. Min, and S. H. Lee, Treatment of whitening of a car TPE component, Elastom. Compos., 45, 94 (2010). 14. B. C. Lee, W. Y. Kim, and D. S. Lee, A study on the vibration damping of natural rubber vulcainzates filled with various carbon blacks, Polymer(Korea), 20, 971 (1996). 15. A. I. Medalia, Effective degree of immobilization of rubber occluded within carbon black aggregates, Rubber Chem. Technol., 45, 1171 (1972). 16. C. H. Sung, K. S. Lee, K. S. Lee, S. M. Oh, J. H. Kim, M. S. Kim, and H. M. Jeong, Sound damping of a polyurethane foam nanocomposite, Macromol. Res., 15, 443 (2007).

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<30342DB1E2C8B9C6AFC1FD2DC0AFC1BEC7F D E687770> 유종현 ㆍ조병철ㆍ이원구엔브이에이치코리아 ( 주 ) Development Trend of Chemical Materials for Automotive Sound Insulation Elements Jong Hyun Ryu, Byoung Chul Jo, Won Ku Lee NVH KOREA. INC Abstract: NVH Package 는엔진룸에서발생되어진소음을효과적으로제어하여차량의정숙성을향상시키고강화되는소음법규에대해서대응하기위한부품으로흡음재와차음재로구분되어진다.