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자기-아핀 표면 특성을 고려한 유기탄성체 복합재료 마찰 이론 및 타이어 트레드/노면 마찰 응용
윤범용,장윤진,김백환,서종환,Bumyong Yoon,Yoon Jin Chang,Baekhwan Kim,Jonghwan Suhr 한국복합재료학회 2023 Composites research Vol.36 No.3
This review paper presents an introduction of contact mechanics and rubber friction theory for sliding friction of elastomer composites in contact with rough surfaces. Particularly, Klüppel & Heinrich theory considers the self-affine (or fractal) characteristic for rough surfaces to predict adhesion and hysteresis frictions of elastomers based on the contact mechanics of Greenwood & Williamson. Due to dynamic excitation process of elastomer composites while sliding in contact with multiscale surface roughness (or asperity), viscoelastic properties in a wide frequency range becomes major contributor to friction behaviors. A brief description and examples are provided to construct a viscoelastic master curve considering nonlinear viscoelasticity of elastomer composites. Finally, application of rubber friction theory to tire tread compounds in traction with road surfaces is discussed with several experimental and theoretical results.
상변화물질을 이용한 PMMA 복합필름의 방열 성능 향상에 관한 연구
권준혁,윤범용,조승현,김형익,김동현,박경의,서종환,Kwon, Junhyuk,Yoon, Bumyong,Cho, Seung-hyun,Lee, Stephanie K.,Kim, Hyung-ick,Kim, Donghyun,Park, Kyungui,Suhr, Jonghwan 한국복합재료학회 2017 Composites research Vol.30 No.5
본 연구에서는 전자기기 사용에 이슈가 되고 있는 발열 문제를 해결하고자 상변화물질(PCM)의 잠열 특성을 이용하여 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 복합필름을 제조하고 방열 성능을 평가하였다. 이를 위해 용융온도가 서로 다른 두 가지의 상변화물질을 사용하여 제작한 PCM/PMMA 복합필름의 열적 특성을 비교 분석하여 다양한 사용조건에 따른 유효성을 검증하였고, Compression Molding 방법과 PCM Paste Sealing 방법에 따른 PCM/PMMA 복합필름의 방열 특성을 비교 분석하여 최대의 방열 효과를 달성할 수 있는 최적의 방법을 도출하였다. 또한 PCM/PMMA 복합필름의 방열 성능을 최대화하기 위해 열전도율이 높은 흑연과 그래핀을 추가로 적층하여 제조한 Hybrid 복합필름의 열적 특성을 분석하였고, 이들을 통해 향상된 방열 성능을 실험적으로 검증하였다. 본 연구를 통해 개발된 방열 성능이 우수한 복합필름은 다양한 전자기기에 활용되어 발열 문제를 효과적으로 해결할 수 있을 것으로 기대된다. The focus of this study is to experimentally investigate the heat dissipation characteristics of poly (methyl methacrylate) (PMMA) composite films with phase change materials (PCM) to resolve heat build-up problems encountered in various electronic devices. In this study, two different types of phase change materials were used to fabricate the composite films by compression molding method and PCM paste sealing method then compared. It was observed in this study that the heat dissipation capability of PCM/PMMA composite films was remarkably enhanced by applying graphite sheet or graphene film into the composite due to their high thermal conductivity. These PCM/ PMMA composite films were attached on the hot spot inside smart phone and tested its surface temperature change according to time. The heat dissipation capability of PCM/PMMA composite film incorporated smart phone was increased 154% and hybrid PCM/PMMA composite film incorporated smart phone was increased 286% over the reference, respectively.
전기차 인너벨트 웨더스트립용 EPDM/PP Thermoplastic Vulcanizates 재료설계인자에 따른 점탄성과 글라스 마찰 소음 상관관계 연구
조승현 ( Seunghyun Cho ),윤범용 ( Bumyong Yoon ),이상현 ( Sanghyun Lee ),홍경민 ( Kyoung Min Hong ),이상현 ( Sang Hyun Lee ),서종환 ( Jonghwan Suhr ) 한국복합재료학회 2021 Composites research Vol.34 No.3
전기차의 수요 및 보급이 확대됨에 따라 차량 내 이음(buzz, squeak, rattle, BSR) 개선에 대한 요구가 커지고 있다. 이에 풍절음, 도어 글라스 및 차량 진동을 차단하는 인너벨트 웨더스트립(innerbelt weatherstrip)의 댐핑(damping) 특성 향상을 통해 BSR을 저감하는 기술 개발이 필수적이다. 기존 열경화성(thermoset) 탄성체 대비 가볍고 재활용이 가능한 열가소성(thermoplastic) 탄성체가 주목을 받고 있지만 낮은 소재 댐핑과 영구압축줄음률(compression set)로 인해 도어 글라스와 웨더스트립 간 마찰 소음을 발생하는 문제가 있다. 고분자 댐핑 특성은 점탄성(viscoelastic)에 좌우되므로, 본 연구에서는 인너벨트 웨더스트립과 도어 글라스 간 마찰 소음을 개선하기 위해 EPDM (ethylene-propylene-diene monomer)/PP (polypropylene) thermoplastic vulcanizates (TPV)의 재료설계인자(EPDM/PP 비율, EPDM 내 ENB 함량)에 따른 점탄성 분석을 통해 소재 댐핑 특성을 평가하였다. EPDM/PP 비율에 따른 분석을 통해 PP 비율이 낮을수록 소재가 연화되고, 탄성회복력(resilience)이 증가하여 저장탄성률(storage modulus)은 10.8% 감소하고 댐핑 특성을 의미하는 감쇠계수(tanδ)는 88.2% 증가함을 확인하였다. 또한 EPDM 내 ENB 함량이 높을수록 소재의 가교밀도(crosslink density)가 증가하지만, 동적가교(dynamic vulcanizate) 과정 중 PP에 분산된 EPDM particle의 크기가 감소한다. 이로 인해 증가된 EPDM/PP 계면 간 면적 증가로 인해 계면 미끄러짐에서 기인한 손실탄성률(loss modulus)이 24.7% 증가하여 댐핑 특성이 향상되었다. 재료설계인자에 따른 물성 분석을 바탕으로 최적 소재(낮은 PP 비율(14 wt%), 높은 ENB 함량 (8.9 wt%))를 배합한 결과 소재 댐핑 특성(tanδ peak)은 기존 소재(PP27, EPDM/PP 30/27, ENB content 5.7 wt%) 대비 140% 증가하여 재료설계인자에 따라 댐핑 특성을 제어할 수 있음을 확인하였다. 설계된 소재의 글라스 마찰 소음 개선 효과를 확인하기 위해 stick-slip 시험을 통해 마찰 소음을 평가하였다. 소재 댐핑 특성이 향상됨에 따라 마찰 진동의 가속도 peak가 약 57.9% 감소하였다. 이러한 결과로부터 재료설계인자에 따른 소재 댐핑 특성 향상을 통해 인너벨트 웨더스트립의 글라스 마찰 소음을 개선할 수 있음을 확인하였으며, 향후 소재 재료설계인자에 따른 물성 제어를 통해 부품의 요구 성능에 맞는 다양한 재료설계에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. Due to enormous market growing of electric vehicles without combustion engine, reducing unwanted BSR (buzz, squeak, and rattle) noise is highly demanded for vehicle quality and performance. Particularly, innerbelt weatherstrips which not only block wind noise, rain, and dust from outside, but also reduce noise and vibration of door glass and vehicle are required to exhibit high damping properties for improved BSR performance of the vehicle. Thermoplastic elastomers (TPEs), which can be recycled and have lighter weight than thermoset elastomers, are receiving much attention for weatherstrip material, but TPEs exhibit low material damping and compression set causing frictional noise and vibration between the door glass and the weatherstrip. In this study, high damping EPDM (ethylene-propylene-diene monomer)/PP (polypropylene) thermoplastic vulcanizates (TPV) were investigated by varying EPDM/PP ratio and ENB (ethylidene norbornene) fraction in EPDM. Viscoelastic properties of TPV materials were characterized by assuming that the material damping is directly related to the viscoelasticity. The optimum material damping factor (tanδ peak 0.611) was achieved with low PP ratio (14 wt%) and high ENB fraction (8.9 wt%), which was increased by 140% compared to the reference (tanδ 0.254). The improved damping is believed due to high fraction of flexible EPDM chains and higher interfacial slippage area of EPDM particles generated by increasing ENB fraction in EPDM. The stick-slip test was conducted to characterize frictional noise and vibration of the TPV weatherstrip. With improved TPV material damping, the acceleration peak of frictional vibration decreased by about 57.9%. This finding can not only improve BSR performance of electric vehicles by designing material damping of weatherstrips but also contribute to various structural applications such as urban air mobility or aircrafts, which require lightweight and high damping properties.
트라이볼로지 기반 도장면, 도어트림, 웨더스트립의 표면특성과 스퀵 노이즈의 상관관계 연구
김성원(Sungwon Kim),윤범용(Bumyong Yoon),이상현(Sanghyun Lee),서종환(Jonghwan Suhr) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6
웨더스트립은 자동차 외부로부터 먼지, 비, 바람, 소음 등의 유입을 차단하는 필수적인 부품이다. 내연기관의 엔진소음이 줄어들고, 수소차와 전기차의 수요가 점차 증가함에 따라 마찰 소음의 기여도가 증가하는 추세이다. 또한 지속적인 마찰 소음 발생은 감성품질에 직접적인 영향을 미치기 때문에 마찰 소음의 개선 요구가 꾸준히 증가하고 있다. 본 연구에서는 웨더스트립과 도어트림, 웨더스트립과 도장면의 접촉면에서 발생하는 마찰 소음을 개선하기 위해 도장면, 도어트림, 웨더스트립의 표면설계인자에 따른 표면특성의 변화 및 마찰 소음과의 상관관계를 분석하였다. 표면설계인자로 도장면은 유/무광과 펄 유무, 도어트림은 셀 비율과 Peak-to-Valley, 웨더스트립은 코팅제 레진의 실리콘, 우레탄 비율(0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0)과 저마찰 계면 형성을 위한 비드 크기 별 인자가 있다. 해당 인자들에 따른 표면에너지, 표면거칠기, 경도를 각각 측정 및 분석하고 마찰계수 및 마찰소음 시험을 통해 마찰속도, 하중에 따른 마찰 계수와 마찰 소음의 가속도 변화를 분석하였다. 스트라이벡 커브를 이용해 기울기에 해당하며 2차 시스템 운동방정식에서 Damping term 중 하나인 λ값을 분석하여 마찰소음과의 연관성을 확인하였다. 표면특성 실험 결과 펄 입자가 포함된 도장면과 나일론(PA6) 소재가 사용된 도어트림 시편에서 극성표면에너지가 높은 것을 확인했으며 웨더스트립의 코팅제 레진 비율 인자에서 실리콘이 함유된 시편의 표면에너지가 최대 256% 낮은 경향을 확인하였다. 마찰계수 및 마찰소음 시험 결과 마찰가속도의 크기가 표면에너지와 표면거칠기에 비례하며, 웨더스트립, 도어트림, 도장면의 표면설계인자 조절을 통해 표면특성의 제어가 가능함을 확인하였다. λ값의 경우 웨더스트립 코팅제의 실리콘 함량이 높을 때 Stable Regime(양의 기울기)에 해 당하고, 우레탄 함량이 높을 경우 Unstable Regime(음의 기울기)에 해당함을 확인하였다.