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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 부직포를 구성하는 섬유의 구조 변경을 통한 흡음 성능 향상에 대한 연구를 진행하였다. 이를 위해 기존 섬유와는 구조가 다른 중공 섬유를 흡음성 향상을 위해 사용하였다.
- 이는 NVH 성능을 향상시키기 위해 섬유 중량 상향과 같은 거시적인 인자 조정을 통하지 않고서도 섬유 내부 구조를 제어하여 NVH 성능을 향상시킬 수 있는 가능성을 제시한다. 전석의 경우 소음레벨이 1.
제안 방법
- 니들 펀칭 부직포의 흡음률 측정 결과 중공률 34 %의 삼엽 중공 섬유가 흡음 성능에 가장 유리한 것으로 나왔기 때문에 열융착 부직포는 삼엽 중공 섬유만을 평가하였다. 또한 두께 20 mm 이상으로 800 g/m2 이하의 부직포는 열융착 공정으로 제조하기에는 공정상 제약이 있기 때문에 이 연구에서는 중공 섬유 부직포 밀도를 800 g/m2으로 한정하였다.
- 니들 펀칭 부직포의 흡음률 측정 결과 중공률 34 %의 삼엽 중공 섬유가 흡음 성능에 가장 유리한 것으로 나왔기 때문에 열융착 부직포는 삼엽 중공 섬유만을 평가하였다. 또한 두께 20 mm 이상으로 800 g/m2 이하의 부직포는 열융착 공정으로 제조하기에는 공정상 제약이 있기 때문에 이 연구에서는 중공 섬유 부직포 밀도를 800 g/m2으로 한정하였다.
- 이 연구에서는 Table 2와 같이 중공률과 선밀도(denier), 구조가 다른 중공 섬유를 각각 사용하여 흡음 성능 평가용 부직포 흡음재를 제조하였으며, 비교 평가를 위해 6데니어(denier, de)의 일반 (regular) PET 섬유를 사용하여 기존 제품을 제조하였다. 또한 부직포 제조 공정은 니들펀칭(needle punching) 공정과 열 압착 공정을 각각 이용하였다. 데니어는 섬유의 선밀도 단위로서 섬유길이가 9000 m일 때 섬유의 중량이다.
- 이 연구에서는 자동차 NVH 부품의 경량화를 위해 중공 섬유를 이용한 대쉬 아이솔레이션 패드를 개발하였으며 성능 향상 효과를 확인할 수 있었다. 부품 원소재인 부직포 및 대쉬 아이솔레이션 패드 제품을 제조한 후 흡음률 측정 및 실차 성능 시험을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 삼엽 중공 섬유와 저융점 바인더 섬유를 일정 비율로 혼섬한 후 카딩 공정으로 800 g/m2의 웹을 형성한 후 열압착 공정을 이용하여 두께 20 mm의 부직포를 제작하였다. 또한, 비교 평가용 기존 제품도 동일한 방법으로 1000 g/m2의 흡음재를 제조하였다.
- 이에 전술한 부직포 흡음성능 평가 결과에 기초하여 비교 평가용 제품은 일반 섬유를 사용하여 800 g/m2의 니들펀칭 부직포를 제조하여 성형한 후 그 상부에 PU 85 kg/m3을 발포하여 기존 제품(case #1)을 제조하였고, 일반 섬유를 사용하여 800 g/m2의 니들펀칭 부직포와 1000 g/m2의 열융착 부직포를 제조한 후 성형 공정을 통해 기존 제품(case #2)를 제조하였다. 삼엽 중공 섬유의 흡음 성능이 선행 평가에서 가장 우수한 것으로 검증되었으므로 소형 승용차 실차 시험은 삼엽 중공으로 한정하였으며, PU와 중공 섬유 부직포로 구성된 제품에 대한 성능 평가는 중형 승용차에서 실시하므로 소형 승용차에서는 삼엽 중공 섬유를 사용하여 500 g/m2의 니들펀칭 부직포와 800 g/m2의 열융착 부직포를 제조한 후 성형 공정을 통해 시제품(case #3)을 제조하였다. 이를 통해 고밀도의 PU를 경량의 중공 섬유 부직포로 대체할 수 있는지를 검증하였다.
- 이 연구에서 진행한 실차 성능 평가는 무향실에서 수행하였으며, 자동차 완성차 업체에서 주로 NVH 성능을 평가하는 기준인 2단 기어 급가속(WOT, wide open throttle) 조건으로 시험하였다. 소음은 전석의 경우 운전석의 오른쪽 귀 위치에서 측정하였으며, 후석의 경우 뒷자석의 중간 위치에서 측정하였다. 또한 측정 주파수는 partial overall SPL의 경우 315~6300 Hz이었으며, AI의 경우 200~6300 Hz이었다.
- 이 연구에서 진행한 실차 성능 평가는 무향실에서 수행하였으며, 자동차 완성차 업체에서 주로 NVH 성능을 평가하는 기준인 2단 기어 급가속(WOT, wide open throttle) 조건으로 시험하였다. 소음은 전석의 경우 운전석의 오른쪽 귀 위치에서 측정하였으며, 후석의 경우 뒷자석의 중간 위치에서 측정하였다.
- 최종 평가용 시제품은 니들 펀칭 부직포를 제작한 후 부품 형상으로 성형하고 그 상부에 polyurethane(폴리우레탄, 이하 PU)를 밀도 85 kg/m3이 되도록 발포하여 제작된다. 이 연구에서는 중공 섬유의 경량화 및 성능 향상을 확인하기 위해 PU 층은 동일한 밀도로 한정하였다.
- 삼엽 중공 섬유의 흡음 성능이 선행 평가에서 가장 우수한 것으로 검증되었으므로 소형 승용차 실차 시험은 삼엽 중공으로 한정하였으며, PU와 중공 섬유 부직포로 구성된 제품에 대한 성능 평가는 중형 승용차에서 실시하므로 소형 승용차에서는 삼엽 중공 섬유를 사용하여 500 g/m2의 니들펀칭 부직포와 800 g/m2의 열융착 부직포를 제조한 후 성형 공정을 통해 시제품(case #3)을 제조하였다. 이를 통해 고밀도의 PU를 경량의 중공 섬유 부직포로 대체할 수 있는지를 검증하였다. 소형 승용차 실차 평가용 샘플 구성은 Table 4와 같다.
- 소형 승용차용 대쉬 아이솔레이션 패드는 일반적으로 니들펀칭 부직포 상부에 PU를 발포하여 제작되거나 니들펀칭 부직포 상부에 열융착 부직포를 적층하여 제조된다. 이에 전술한 부직포 흡음성능 평가 결과에 기초하여 비교 평가용 제품은 일반 섬유를 사용하여 800 g/m2의 니들펀칭 부직포를 제조하여 성형한 후 그 상부에 PU 85 kg/m3을 발포하여 기존 제품(case #1)을 제조하였고, 일반 섬유를 사용하여 800 g/m2의 니들펀칭 부직포와 1000 g/m2의 열융착 부직포를 제조한 후 성형 공정을 통해 기존 제품(case #2)를 제조하였다. 삼엽 중공 섬유의 흡음 성능이 선행 평가에서 가장 우수한 것으로 검증되었으므로 소형 승용차 실차 시험은 삼엽 중공으로 한정하였으며, PU와 중공 섬유 부직포로 구성된 제품에 대한 성능 평가는 중형 승용차에서 실시하므로 소형 승용차에서는 삼엽 중공 섬유를 사용하여 500 g/m2의 니들펀칭 부직포와 800 g/m2의 열융착 부직포를 제조한 후 성형 공정을 통해 시제품(case #3)을 제조하였다.
- 제조 상기에 기술한 중공 섬유와 저융점 PET(low melting PET) 섬유를 일정 비율로 혼섬한 후 카딩(carding)과 니들펀칭 공정을 거쳐 500 g/m2, 650 g/m2의 부직포를 제조하였으며, 비교 평가용 기존 제품도 동일한 방법을 이용하여 800 g/m2, 1000 g/m2의 부직포를 제조하였다. 이후 예열 후 냉간 금형으로 압착하여 두께 5 mm의 니들펀칭 부직포를 제조하였다.
- 중공 섬유를 사용한 부직포의 흡음성능을 기존 일반 섬유 제품과 비교 평가하였다. 그 결과는 Fig.
- 중형 승용차용 시제품은 전술한 니들 펀칭 부직포의 흡음 성능 평가 결과에 기초하여 제작하였다. Table 3과 같이 니들펀칭 부직포층은 일반 섬유, 콘쥬게이트 섬유, 삼엽 중공 섬유로 각각 구성되었다.
대상 데이터
- 의 웹을 형성한 후 열압착 공정을 이용하여 두께 20 mm의 부직포를 제작하였다. 또한, 비교 평가용 기존 제품도 동일한 방법으로 1000 g/m2의 흡음재를 제조하였다.
- 이 연구에서는 Table 2와 같이 중공률과 선밀도(denier), 구조가 다른 중공 섬유를 각각 사용하여 흡음 성능 평가용 부직포 흡음재를 제조하였으며, 비교 평가를 위해 6데니어(denier, de)의 일반 (regular) PET 섬유를 사용하여 기존 제품을 제조하였다. 또한 부직포 제조 공정은 니들펀칭(needle punching) 공정과 열 압착 공정을 각각 이용하였다.
- 따라서 이 연구에서는 부직포를 구성하는 섬유의 구조 변경을 통한 흡음 성능 향상에 대한 연구를 진행하였다. 이를 위해 기존 섬유와는 구조가 다른 중공 섬유를 흡음성 향상을 위해 사용하였다. 경량화 및 성능 향상에 대해 기존 부직포 흡음재와 비교 검증을 실시하였으며, 최종 차량 평가를 통해 성능 향상 결과를 확인하였다.
- Table 3과 같이 니들펀칭 부직포층은 일반 섬유, 콘쥬게이트 섬유, 삼엽 중공 섬유로 각각 구성되었다. 최종 평가용 시제품은 니들 펀칭 부직포를 제작한 후 부품 형상으로 성형하고 그 상부에 polyurethane(폴리우레탄, 이하 PU)를 밀도 85 kg/m3이 되도록 발포하여 제작된다. 이 연구에서는 중공 섬유의 경량화 및 성능 향상을 확인하기 위해 PU 층은 동일한 밀도로 한정하였다.
데이터처리
- 이를 위해 기존 섬유와는 구조가 다른 중공 섬유를 흡음성 향상을 위해 사용하였다. 경량화 및 성능 향상에 대해 기존 부직포 흡음재와 비교 검증을 실시하였으며, 최종 차량 평가를 통해 성능 향상 결과를 확인하였다.
이론/모형
- 최종적으로 부품으로 제조하여 실차 성능 평가를 진행하기 전 선행평가로서 흡음재의 흡음 성능 평가를 ISO R 354의 시험방법에 따라 간이잔향실법으로 흡음 성능 평가를 진행하였다.
성능/효과
- Fig. 4와 같이 열융착 부직포 역시 중공 섬유를 사용하면 기존 제품 대비 저중량으로 흡음성이 향상되는 것을 확인할 수 있었으며, 부품으로 개발 시 기존 제품 대비 중량 저감이 가능할 수 있다는 것을 예상하였다. 하지만 열융착 부직포의 경우 흡음재의 두께 효과인 섬유 간 공극의 증가로 인하여 니들펀칭 부직포에서 발생한 중량 대비 흡음률 차이는 크지 않은 것으로 판단되었다.
- 그와 같은 결과는 음파와 점성 손실이 발생하는 비표면적이 일반 섬유 대비 중공 섬유가 상대적으로 높고 중공률이 높아질수록 점성 손실을 위한 비표면적이 넓어지기 때문인 것으로 판단되었으며, 중공률이 높을수록 흡음 성능에 유리하여 부품으로 개발 시 기존 제품 대비 중량 저감이 가능할 수 있다는 것을 예상하였다. 하지만, 콘쥬게이트형과 같이 섬유 구조상 반발탄성이 큰 것은 흡음 성능에 크게 기여하지 않은 것으로 판단되었으며, 차량의 실내소음 저감에도 크게 기여하지 않을 것으로 예상하였다.
- 끝으로 이 연구를 통해 성능 저하 없는 NVH 부품 경량화를 달성할 수 있었다. 부품 경량화는 엔진 효율을 높여 연비를 향상시킬 수 있으며, 환경유해물질 방출 저감에 효과적이다.
- 4 dB 증가하기는 하였으나, 일반적으로 인간이 인지할 수 있는 음압레벨 변화는 3 dB 이상이므로 음압레벨 측면의 성능 저하는 미미한 것으로 판단된다. 단품 흡음률 시험에서 확인하였던 중공률이 높을수록 흡음 성능에 유리하다는 경향성을 실차 성능에서도 확인할 수 있었으며, 콘쥬게이트형과 같이 섬유 구조상 반발탄성이 큰 것은 실차 성능에서도 크게 기여하지 않은 것을 재확인 할 수 있었다.
- 또한 중공 구조의 단면 형상, 특히 중공률이 높아질수록 흡음성능 향상 효과가 증대됨을 확인하였다.
- 1 %가 저감된 수준으로 기존 소형 승용차와 동등 소음 수준을 달성할 수 있음을 확인할 수 있었는데, 이 역시 중형 승용차의 평가결과에서 기술한 중공 섬유 부직포의 고흡음성에 기인한 것으로 판단된다. 또한, 경량의 중공 섬유를 소프트 레이어 흡음재로 사용하였을 경우 고중량의 PU 소프트 레이어 흡음재와 동등 수준 이상의 성능을 발휘할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
- 소형 승용차를 대상으로 실시한 성능 평가 결과는 Table 6과 같다. 소형 승용차로 평가한 결과 역시 기존 제품인 case #1과 case #2 대비 시제품 case #3의 경우 중량이 각각 27.2 %와 14.1 %가 저감된 수준으로 기존 소형 승용차와 동등 소음 수준을 달성할 수 있음을 확인할 수 있었는데, 이 역시 중형 승용차의 평가결과에서 기술한 중공 섬유 부직포의 고흡음성에 기인한 것으로 판단된다. 또한, 경량의 중공 섬유를 소프트 레이어 흡음재로 사용하였을 경우 고중량의 PU 소프트 레이어 흡음재와 동등 수준 이상의 성능을 발휘할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
- 이 연구에서는 자동차 NVH 부품의 경량화를 위해 중공 섬유를 이용한 대쉬 아이솔레이션 패드를 개발하였으며 성능 향상 효과를 확인할 수 있었다. 부품 원소재인 부직포 및 대쉬 아이솔레이션 패드 제품을 제조한 후 흡음률 측정 및 실차 성능 시험을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 3과 같다. 중공률이 34 %인 삼엽 중공, 30 %인 콘쥬게이트 중공, 22 %인 이엽 중공 순으로 흡음성능이 향상되었다.
- 중형 승용차를 대상으로 실시한 성능 평가 결과는 Table 5와 같으며, 단품 흡음률 시험에서 나타났던 경향이 중공 섬유를 사용한 시제품에서도 유사하게 나타났다. 즉, 기존 제품인 case 1 대비 시제품 case 2와 case 3의 경우는 중량이 각각 29.5 %와 37.5 %가 저감된 수준으로 기존 중형차에서 발생하는 유사한 소음 수준을 달성할 수 있음을 확인할 수 있었다. 일반적으로 흡음재의 중량이 감소되면 NVH 성능이 저하되는데, 이 결과에서는 흡음재 중량 저하에도 불구하고 동등 수준의 NVH성능을 보여주고 있다.
- 최종적으로 실차 성능 평가를 통해 기존 제품 대비 중량을 저감하여도 동등 수준 이상의 NVH 성능 유지가 가능하다는 것을 재확인할 수 있었다. 또한 PU 흡음재를 중공 PET 흡음재로 대체할 경우 경량화 이외에 복합 소재의 소재 단일화를 통한 친환경 부품으로 개발이 가능하다.
후속연구
- 중공 섬유를 사용한 흡음재는 지금까지 언급해온 대쉬 아이솔레이션 패드 이외의 부품에 사용할 수 있으며 자동차 NVH 부품의 경량화 및 성능 개선에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
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