[논문]모터팬 방진고무부품의 노화수명 예측

김완수; 우창수; 조상준; 김완두

문제 정의

보다 빠르게 진행되도록 하는 것이다. 본 논문에서는 여러 특성저하 인자 중에서 가장 주요한 인자인 온도만을 고려하여 실제 제품이 사용되는 곳의 온도 보다 높은 오븐에서 열 노화(heat aging) 시키는 가속 시험 방법을 선택하였다.
본 연구는 청정실에 사용되는 모터팬 방진고무부품의 기대 수명을 예측하기 위하여 50~110℃에서 가속 열 노화 시험을 하였다. 이때 수명 예측을 위한 시험 파라메터 (test parameter)로써 압축 영구 줄음률을 선택하였다.
본 연구에서는 모터 팬에 사용되는 방진고무부품의 수명을 초기 두께에서 압축 영구 줄음률이 20%에 도달하는 시간으로 보았다. 따라서 Figure 6 에서 y축에서 초기 두께를 1.

가설 설정

수명은 압축 영구 줄음률 변화율이 50%일 때로 가정하여 아레니우스 선도를 구하였다(Figure 12

제안 방법

% 첨가시켰으며 노화 온도를 각각 60, 80, 100, 120℃에서 일정 기간 노화시킨 후 압축 영구 줄음률을 측정하였다(Figure 12
방진고무부품은 EPDM으로 제조하였으며 모양은 Figure 2와 같으며 총 4개의 고무부품이 한 세트로 모터에 장착되어 있다. 고무 부품의 시편은 실제 방진고무부품을 실험의 편의상 두 부분으로 절단하여 그 중 한 쪽 부분을 시편으로 제작하였다. 이 시편을 실제 환기팬용 모터에 적용될 때와 같은 압축량을 주기 위하여 Figure 3과 같이 시편을 볼트와 와셔 사이에 삽입 후 너트를 조여 초기 두께로부터 2mm 압축하여 영구 줄음률 시험장치를 제작하였다.
이때 수명 예측을 위한 시험 파라메터 (test parameter)로써 압축 영구 줄음률을 선택하였다. 고무부품의 수명을 압축 영구 줄음률이 20%가 되는 시점으로 규정하여 시간-온도 환산식인 아레니우스 관계식을 구하였다. 이 관계식으로부터 15℃에서 사용 가능한 수명은 10.
노화 시험기는 온도 오차가 #이내인 싱글 챔버(single chamber) 형식의 오븐(oven)을 사용 하였다. 설정 온도는 50, 70, 90, 110℃에서 각각 1, 2, 3, 5, 7, 14, 30, 45, 60, 90여 일 까지 일정 기간 동안 압축 된 상태로 두어 열 노화(heat aging)시켰다.
압축된 시편은 시험 결과의 신뢰도를 위하여 3개씩 한 세트를 동일한 조건에서 시험을 하였다. 노화 시험기는 온도 오차가 #이내인 싱글 챔버(single chamber) 형식의 오븐(oven)을 사용 하였다.
비교하였다. 여기서 실온은 일정 온도가 아닌 최저 0℃에서 최고 30℃의 분포를 보이는 실험실에서 최고 6개월 동안 방치하고 나서 영구 줄음률을 측정하였다. Figure 11은 시편을 상온에 두고 노화시켰을 때 압축 영구 줄음률 결과를 보여준다.
이 가운데 아레니우스 모델은 비교적 간단하면서 효과적으로 수명을 예측할 수 있어 본 논문에서는 청정실에 사용되는 환기팬용 모터의 방진고무부품(isolating rubber)의 수명을 아레니우스 모델에 적용하여 예측하였다 그리고 얻어진 아레니우스식으로부터 새로운 가속 시험을 설계하였으며 제품에 첨가되는 노화방지제(antioxidant agent)가 수명에 어느 정도의 영향을 미치는 지를 알아보았다.
8에 이르는 시간은 Table 1과 같다. 이 때, 50 ℃에서의 수명은 시험데이터의 부족으로 외삽법(extrapolation)을 이용하여 예측하였으며 70, 90, 110℃에서는 내삽법(interpolation)을 이용하여 구하였다.
이 시간 동안 부품의 두께는 초기 압축상태보다 일정량 회복하여 두께가 약간 증가하게 되는데 이 때의 두께를 측정하였다.⁴ 시편의 초기 두께와 노화시킨 후 두께를 이용하여 식 (6)과같이 압축 영구 줄음률(compression set)을 계산하였다.
고무 부품의 시편은 실제 방진고무부품을 실험의 편의상 두 부분으로 절단하여 그 중 한 쪽 부분을 시편으로 제작하였다. 이 시편을 실제 환기팬용 모터에 적용될 때와 같은 압축량을 주기 위하여 Figure 3과 같이 시편을 볼트와 와셔 사이에 삽입 후 너트를 조여 초기 두께로부터 2mm 압축하여 영구 줄음률 시험장치를 제작하였다.
가속 열 노화 시험을 하였다. 이때 수명 예측을 위한 시험 파라메터 (test parameter)로써 압축 영구 줄음률을 선택하였다. 고무부품의 수명을 압축 영구 줄음률이 20%가 되는 시점으로 규정하여 시간-온도 환산식인 아레니우스 관계식을 구하였다.

대상 데이터

A)를 측정한 것이다. 36 개의 시편을 측정하였으며 값은 대략 53~60 정도로 시편 간 편차가 약간 있었다. Figure 5는 각 온도에서 노화 시간에 따른 압축 영구 줄음률을 나타낸 것으로 시간이 증가하고 노화 온도가 높을수록 압축 영구 줄음률은 증가함을 알 수 있었다.
하였다. 노화 시험기는 온도 오차가 #이내인 싱글 챔버(single chamber) 형식의 오븐(oven)을 사용 하였다. 설정 온도는 50, 70, 90, 110℃에서 각각 1, 2, 3, 5, 7, 14, 30, 45, 60, 90여 일 까지 일정 기간 동안 압축 된 상태로 두어 열 노화(heat aging)시켰다.
있다. 방진고무부품은 EPDM으로 제조하였으며 모양은 Figure 2와 같으며 총 4개의 고무부품이 한 세트로 모터에 장착되어 있다. 고무 부품의 시편은 실제 방진고무부품을 실험의 편의상 두 부분으로 절단하여 그 중 한 쪽 부분을 시편으로 제작하였다.

데이터처리

가속 열 노화 조건에서 시험결과로부터 예측한 수명의 신뢰성을 확보하기 위하여 실온에서의 시험 결과와 비교하였다. 여기서 실온은 일정 온도가 아닌 최저 0℃에서 최고 30℃의 분포를 보이는 실험실에서 최고 6개월 동안 방치하고 나서 영구 줄음률을 측정하였다.

이론/모형

가속 시험을 통하여 얻어진 데이터로 고무제품의 수명을 예측하는 방법에는 아레니우스(Arrhenius) 모델과 WLF(Williams Landel Ferry) 모델이 있다.² 아레니우스 모델은 여러 온도에서 고무제품의 초기 특성값의 일정 변화가 발생하는 시점을 수명으로 판단하여 시간-온도의 master curve 및 관계식으로 표현된다.
시험데이터에서 노화 온도(heat aging temperature)와 수명 시간(life time)의 관계로부터 최소자승법(least square method)을 이용하여 Figure 7과 같이 아레니우스 선도(Arrhenius plot) 및 관계식 (7), (8)을 구할 수 있다. Figure 7에서 점선으로 된 곡선 1 및 식 (7)은 Table 1에서 70, 90, 110℃에서의 시험 결과를 이용하여 얻어진 식이며, 실선으로 된 곡선 2 및 식 (8)은 Table 1에서 50, 70, 90,110℃에서의 시험 결과를 이용하여 구하였다.

성능/효과

또한 도출한 아레니우스 관계식으로부터 시간과 비용을 절감할 수 있는 새로운 가속 시험을 설계하여 18℃에서 10년 사용할 때와 동일한 가속 시험은 100℃에서 약 8 일간 열 노화시켜야 하는 것으로 나타났다. 그리고 방진고무부품에 첨가되는 노화방지제 양에 따른 기대 수명을 예측한 결과 첨가되는 노화방지제의 양이 수명에 상당한 영향을 끼치는 것으로 나타났다.
4 kJ/mol로 나타났다. 또한 도출한 아레니우스 관계식으로부터 시간과 비용을 절감할 수 있는 새로운 가속 시험을 설계하여 18℃에서 10년 사용할 때와 동일한 가속 시험은 100℃에서 약 8 일간 열 노화시켜야 하는 것으로 나타났다. 그리고 방진고무부품에 첨가되는 노화방지제 양에 따른 기대 수명을 예측한 결과 첨가되는 노화방지제의 양이 수명에 상당한 영향을 끼치는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 가속 시험 시 시편, 장치 및 시험자에 의한 측정오차가 아레니우스 모델을 이용한 수명예측에 많은 영향을 주게되므로 재현성(reproducibility)을 위해서는 보다 정확한 시험과정과 균일한 시편이 필요하다는 것을 알았다.

후속연구

마지막으로 좀 더 정확하고 새로운 수명예측법의 연구 및 제품이 사용되는 환경과 유사한 조건에서 좀 더 많은 시험 데이터 수집이 이루어진다면 고무부품의 수명예측에 상당한 도움을 줄 수 있으리라 본다.

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