자동차 경량화는 우수한 물성을 가지는 경량 신소재의 개발을 통하여 기존 재료를 대체하는 방법과 신공법 개발로 최적화된 설계기법을 통하여 달성 가능하다. 특히, 소재적인 측면에서 비교적 비중이 높은 철을 마그네슘, 알루미늄과 같은 비철금속으로 대체 하거나 혹은 CFRP, GFRP 등과 같은 복합소재 등으로 대체하는 시도가 가장 활발히 진행되고 있으며, 소재의 변화에 대응하여 생산의 효율성을 고려한 다양한 성형 공정이 개발되고 있다.

서론

자동차 경량화의 필요성
가. 핸드오프 및 디지털 기술
세계 자동차 산업은 지구온난화와 자원고갈로 최대 격변기에 직면해 있다. 잘 알려진 것처럼 전 산업 분야 중 수송 부문의 온실가스 배출량은 약 25%로서 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 이런 문제점을 극복하기 위하여 온실가스 배출억제를 위한 자동차 분야 규제를 강화하고 있다. 선진 각국을 필두로 자동차 연비규제가 강화되고 있으며, 완성차 메이커는 2025년까지 생산하는 차량의 연비효율을 약 2배 이상 향상시켜해야만 한다. 이에 연비향상 기술은 향후 자동차 시장경쟁력을 결정짓는 핵심 사항으로 작용할 것이다. 각 국의 이산화탄소 배출 규제는 130g/km(EU, ‘15년), 140g/km (韓, ‘15년)이고, 연비규제는 16.6km/ℓ(美, ‘16년), 17km/ℓ(韓, ‘15년)으로 각국 정부에서 규정한 연비 규제율을 달성하기 위하여 다양한 연비 향상 기술이 연구되고 있는데, 크게는 엔진/구동계 효율 향상, 주행저항 감소, 경량화로 구분될 수 있다.
다양한 연비향상 방안 중 주목받고 있는 차량경량화 연구는 투입되는 연구개발비 대비 효과가 우수하여 완성차 메이커에서는 크게 관심을 갖고 있는 분야이며, 자동차 부품사들 또한 자발적으로 많은 연구를 수행중이다. 차량경량화의 중요성은 비단 연비향상 뿐만 아니라 배출가스 감소, 제동성 및 조정안정성 등 부가적으로 차량의 성능을 향상할 수 있는 장점을 지니고 있다.

 

자동차 경량화 방안    
자동차 경량화는 우수한 물성을 가지는 경량 신소재의 개발을 통하여 기존 재료를 대체하는 방법과 신공법 개발로 최적화된 설계기법을 통하여 달성 가능하다. 특히, 소재적인 측면에서 비교적 비중이 높은 철을 마그네슘, 알루미늄과 같은 비철금속으로 대체 하거나 혹은 CFRP, GFRP 등과 같은 복합소재 등으로 대체하는 시도가 가장 활발히 진행되고 있으며, 소재의 변화에 대응하여 생산의 효율성을 고려한 다양한 성형 공정이 개발되고 있다.
자동차 부품의 경량화와 관련된 높은 시장의 기술수요로 인하여 현재에도 다양한 차량 부품에 대한 산·학·연 연구가 진행되고 있으며 이에 대응한 보다 효율적인 생산 공정들이 해마다 새롭게 시장에 소개되고 있다. 특히, 타이어, 휠, 브레이크 등 현가장치 하부에 위치한 부품들에 대한 경량화는 현가하질량(Unsprung Mass)로서 현가장치 상부에 위치한 타 부품들에 비해 질량 저감에 따른 차량의 연비 개선 효과가 뛰어나다. 이에 따라 타이어, 휠에 대한 경량화는 다양한 소재와 제조 공법이 적용되어 많은 성과를 이루어 왔다. 그러나 제동 장치의 경우, 상대적으로 그 중요성이 부각이 되지 않고 있으며, 연구 사례 또한 마찬가지이다. 본 고에서는 제동 장치의 현 개발 동향과 경량화 사례를 분석하고 제동 장치의 발전 방향을 살펴본다.

자동차 제동장치 정의 및 구조 

자동차 제동장치의 정의
제동장치란, 주행 중인 차량을 감속 또는 정지시키고, 정지된 차량의 상태를 계속 유지시키기 위한 장치로 일반적으로는 패드와 디스크(패드 타입 브레이크의 경우)의 접촉 시 발생하는 마찰력을 이용하여 제동 작용을 하는 장치이며, 물리적으로는 운전자의 조작력이나 보조동력에 의해 발생되는 마찰력을 이용하여 자동차의 운동에너지를 열에너지로 바꾸어 제동하는 장치로 설명되기도 한다.
차량의 제동장치는 기술의 진보와 높아진 소비자들의 눈높이를 충족하기 위하여 단순한 제동력을 발현하는 기구에서 차량의 주행 성능 및 안전성 향상에 기여해야 하며, 회생제동 등과 같이 신기술이 접목되어 차량의 새로운 에너지원을 공급하는 기구로서의 역할 또한 수행하여야 한다. 뿐만 아니라 과거부터 사용되고 있는 여러 유해환경 소재를 친환경 소재로 대체 하면서도 기존과 동등 수준이상의 성능이 구현되어야 하는 기술수요를 갖고 있다.
최근에는 차량의 정숙감 및 승차감 등의 고급화 지향에 따라 제동장치의 소음이나 제동 시 조작감 등에 대한 감성영역의 요구도 크게 증대되어 이에 기술향상도 필요하며, 조작이 간단하여 정비 및 교체 또한 용이한 구조를 지녀야 한다. 또한 비상시 제동장치가 작동하지 않을 때는 주행 시 각 차륜의 회전에 영향을 주지 않아야 하는 안전 기준을 갖고 있는 차량에서 엔진 다음으로 가장 중요한 부품 중 하나라고 볼 수 있다.

 

자동차 제동장치의 종류 및 구조
가. 자동차 제동장치의 종류
브레이크는 운동하고 있는 기계의 속도를 감속하거나 정지시키는 장치이다. 브레이크의 종류는 용도에 따라 1) 주브레이크, 2) 주차브레이크, 3) 엔진브레이크로 나뉠 수 있는데, 주브레이크는 흔히 풋브레이크라고 알려져 있으며 주로 주행 중인 자동차를 정지 또는 감속할 때 사용된다. 주차브레이크는 정차 시 차량의 움직임을 방지하는 것으로 핸드 브레이크 또는 사이드 브레이크로 표현하기도 한다. 엔진브레이크는 차량의 주행속도와 엔진의 회전 수 차이를 이용하여 차량 속도를 감속시키는 것이다. 내리막길 운행 중에 차량의 레버를 1단에 두고 주브레이크의 사용 없이 저속으로 가는 원리를 생각하면 된다.

자동차 제동장치의 종류  
▶ 주브레이크 : 흔히 풋브레이크라고 알려짐, 주행 중인 자동  차를 정지 또는 감속
▶ 주차브레이크 : 핸드브레이크 또는 사이드브레이크, 주정차 시 차량의 움직임 방지
▶ 엔진브레이크 : 차량의 주행속도와 엔진 회전수의 차이를  이용하여 감속

일반적인 주행 시 사용되는 풋 브레이크는 상용 브레이크의 유압식 브레이크에 속하며, 액셀러레이터 좌측에 위치하는 페달을 밟을 때 유압시스템에 압력을 가해 유압력을 전환시킨다. 이 유압력이 브레이크 라인을 통해 휠 실린더에 전달된 뒤 휠 실린더에서 다시 기계적 압력인 제동력으로 변환된다.

 

차량에는 다양한 방식의 브레이크가 적용될 수 있으며, 그 종류로는 크게 디스크, 드럼 방식의 브레이크로 나뉘고 대형차의 경우 에어 브레이크가 있다. 기존 일반 양산 자동차의 경우 전륜에 디스크 브레이크, 후륜에 드럼 브레이크를 장착하고 있으며, 이는 디스크 브레이크가 드럼 브레이크에 비하여 효력이 안정되어 있고 핸들 쏠림 방지나 안정된 제동 효력 확보의 측면에서 유리하기 때문에 전륜에 많이 장착하고 있다.

디스크 브레이크는 마스터 실린더에서 발생한 유압을 이용하여 바퀴와 함께 회전하는 디스크를 양쪽에서 패드로 압착하여 바퀴의 회전을 구속하는 제동 기구를 갖고 있으며 이 시스템은 디스크가 배기 중에 노출되어 있어 페이드 현상이 적고 소음 및 감성영역의 특성이 뛰어나 고급 중대형 자동차, 고성능 자동차 및 경주용 차량 등에 적용 폭을 점차 높여 가고 있다. 또한 페이드(Fade) 현상이 적음에 따라 방열성이 우수하여 브레이크력에 의한 디스크의 열변형이 적어 좌우 브레이크의 힘의 평형이 유지되어 제동 안정성이 좋은 장점을 지닌다.

 

드럼 브레이크는 휠 실린더 동작에 의해 브레이크 마찰 판이 외부로 확장되면서 드럼 내부의 마찰 면에 접촉하고, 이로 인해 제동력이 발생하는 방식이다. 드럼은 정적, 동적인 평형을 기본적으로 요구하며, 충분한 강성과 내마모성 및 방열 능력을 지니고 있어야 한다. 드럼 브레이크는 구조 상 마찰 면이 내부에 존재하여 열의 방출이 어렵다. 이로 인해 온도가 상승되어 마찰계수가 저하되는 페이드(Fade) 현상과 브레이크 액의 일부가 기화되는 베이버 록(Vapor lock) 현상이 잦다는 단점을 지닌다.

 

나. 자동차 제동장치 시스템 구조
자동차 브레이크의 작동원리는 물리학에서 잘 알려진 파스칼의 원리를 응용하고 있다. 파스칼의 원리는 밀폐된 공간에 채워진 액체에 작용하는 압력은 어느 점에서나 일정하다는 것이며, 이러한 원리를 이용하여 운전자가 브레이크페달을 밟으면 그 힘의 5~8배의 힘으로 마스터실린더를 밀어 유압을 발생시킨다. 이 때 발생한 유압은 피스톤을 거쳐 파이프를 통해 휠에 설치된 캘리퍼의 피스톤으로 전달된다. 그리고 전달된 유압이 피스톤을 밀어 디스크를 조이면 제동력이 발생한다.
제동장치의 주요 구성요소로는 브레이크페달, 브레이크부스터, 마스터실린더, 유압 비례 제어밸브, 휠실린더, 드럼과 라이닝, 파이프라인 등이 있으며, 이 가운데에서 브레이크 부스터와 마스터 실린더 및 비례제어밸브를 액추에이션(Actuation)부로 표현하며 전륜 및 후륜 브레이크를 파운데이션(Foundation)부로 분류하기도 한다.
제동장치의 개발을 위해서는 안정된 제동력, 열 방출성, 제동감 및 저소음, 내마모성, 부품교체 용이성을 확보해야만 한다. 아래에는 기본적으로 제동장치가 가져야 하는 특성을 요약하였다.
▶ 균일한 제동 성능 확보를 위한 일정한 마찰계수
▶ 제동시 발생되는 고열에 의한 성능 저하를 막기 위한 고방 열성
▶ 불규칙 마모 및 공진에 의한 소음 방지
▶ 패드의 낮은 마모율
▶ 우수한 부품 교체 용이성

 

다. 브레이크 패드의 마찰 메커니즘
자동차의 제동원리는 앞서 설명한 것과 같이 브레이크 패드와 디스크의 마찰에너지를 열에너지로 바꾸는 형태로 이루어지며, 제동과 관련된 마찰 메커니즘은 ① Contact Plateaus, ② Load Effects, ③ Temperature Effects 로 구분된다. 면접촉에 의한 효과는 디스크와 패드 표면의 작은 peak와 valley의 접촉에 의해서 일어나게 되는데 이때 접촉면은 Primary와 Secondary plateaus로 구분하게 된다.
Primary plateaus는 패드 내에 있는 연마재 성분이 마찰되면서 형성되며, Primary plateau가 패드와 디스크의 마찰에 의해 발생된 분말로부터 채널의 네트워크를 형성하고, 제동압력을 받게 되면 secondary plateaus가 형성되게 된다. 이때 접촉되는 면들이 실제로 마찰력을 발생시키는 면적이 되기 때문에, plateaus의 사이즈와 조성은 브레이크 패드의 제동성능을 결정하는 중요한 요소가 된다.

 

추가적으로 브레이크 패드에서 발생되는 현상을 설명하면 패드에는 주어지는 압력에 따라 접촉면(Plateaus)이 변하게 되는데, 낮은 압력 하에서는 약 50~500㎛ 접촉면적을 보이며 이는 nominal pad 면적의 약 10~30% 정도에 달하는 수준이다. 하지만 높은 압력과 온도조건 하에서는 Plateaus의 면적이 수 밀리미터 수준까지 확대되어 패드 면적의 대부분을 차지하게 되며, 자동차를 제동하는 역할을 하게 된다.

 

앞서 언급했던 것과 같이 제동 시에 대부분의 에너지는 열의 형태로 방출되는데, 이때 방출되는 열 효과에 대해서는 시스템적인 관점과 재료적인 관점이 모두 연구되고 있다. 발생되는 열은 패드 소재를 연화시킬 뿐만 아리나 섬유 매트릭스를 약화시키고 소재의 전체적인 강성을 약화시킨다. 또한 온도가 올라갈수록 소재의 전단 강도는 감소하게 되며 그 결과 마찰 계수 값이 감소하게 된다. 또한 온도상승은 표면에 Oxide의 형성을 촉진하게 되는데 이때 발생된 Oxide는 윤활역할을 하게 되어 페이드(Fade)현상의 주원인이 된다. 온도 상승은 또한 패드마모에도 영향을 주는 것으로 알려져 있으며, 그림 16은 온도에 따라 패드소재가 마모되는 정도를 보여주고 있다.

1) 디스크 브레이크 부품  
▶ 디스크 브레이크 부품 구조
- 디스크(Disk) : 원판형으로 바퀴와 같이 회전
- 캘리퍼(Caliper) : 디스크의 양측에 끼워져 있음
- 패드(Pad) : 2개로 디스크에 압착하여 마찰 작용

2) 드럼 브레이크 부품  
▶ 드럼 브레이크 부품 구조
- 휠실린더(Wheel cylinder) : 마스터 실린더에서 파이프를 통 해 압송된 오일은 휠 실린더 중앙에 들어와 2개의 피스톤에 서 좌우로 나뉘고 브레이크 슈를 작동시켜 제동함
- 브레이크 슈(Brake shoe) : 휠 실린더로부터 유압에 의해 브 레이크 내면에 압착하는 주요부로서 강판의 단면을 T형으 로 용접한 것
- 브레이크 라이닝(Brake lining) : 패드타입 브레이크에서 패 드와 동일한 역할을 하며, 라이닝은 패드와 마찬가지로 마 찰계수가 크고 마찰열에 의하여 고온이 되어도 마찰계수가  감소되지 않도록 내마모성, 내열성이 좋아야 하고 페이드 현 상에 견딜 수 있어야 함

 

▶ 브레이크 세부 부품 소개
- 브레이크 라이닝(Brake Lining) : 결합제로 페놀계 수지를,  보강제로 아라미드 및 세라믹섬유 등을, 마찰조 정재로는  석면(22.5%) 스틸파이버(10%), 코크스(12%) 등을 사용한다.
- 브레이크 라이닝 슈(Brake Lining Shoe) : 자동차의 제동 장치인 드럼브레이크에서 브레이크드럼 안쪽에 장착되는 부 품으로, 물품이 브레이크드럼에 밀착되어 자동차를 제동하 게 된다.

 

- 스프링 챔버(Spring Chamber) : 브레이크 챔버로서 공기압 력에 의해 다이어프램의 운동을 이용, 푸시로드를 밀어(푸시 로드가 브레이크 캡, 브레이크 슈를 작동시켜 드럼에 밀착)  제동작용 기능을 수행한다.
- 드럼(Drum) : 회전하는 냄비모양으로 드럼 안쪽에서 브레이 크 라이닝을 바깥쪽으로 확장하면서 드럼에 제동력을 가하 는 시스템으로 FF차(Front engine Front drive)의 리어 브 레이크 등에 사용한다.
- 레버 파킹 브레이크(Lever Ass’y-Parking Brake) : 차량  BODY PANNEL에 장착되며, 케이블과 연결되어 레버의 작 동으로 디스크/드럼 브레이크에 힘을 작용하여 차량을 제동 하는 역할 수행
- 웨지 드럼 브레이크(Wedge Drum Brake) : 익스팬더 유닛 의 피스톤이 밀리면서 브레이크 라이닝(라이드 슈)을 좌우로  밀어주고, 라이닝과 라이닝 외곽을 둘러싸고 있는 드럼의 마 찰력을 이용하여 자동차의 휠을 감속 및 제동하는 역할 수행
- 4P Cover Assembly : 자동차 브레이크 페달 밑에 부착되 어 제동 시 브레이크를 밟을 경우, 운전자의 밟는 힘이 브레 이크 페달을 거쳐 흰색의 ROD부분을 누르면 전기회로를 개 폐하는 부품임
- Anti Noise Shim : 자동차 브레이크 패드 뒷면에 장착하여  브레이크 패드와 디스크가 마찰시 발생하는 소음을 최소화 하는데 사용되는 부품
- 브레이크 플레이트(Brake Plate) : 자동차 브레이크 패드 어 셈블리의 부분품으로 브레이크 마찰재료가 부착되며 패드  스프링과 함께 캘리퍼에 장착할 수 있도록 설계·제작된 부품
- Cover Shim; MD FRIT : 브레이크 noise shim과 캘리퍼  피스톤 사이에 장착되어 소음완화 및 피스톤 압착시 브레이 크 패드의 손상을 방지하는 기능을 수행
- 패드 스프링(Pad Spring) : 브레이크 패드를 캘리퍼 내에  고정시키는데 사용하는 장착구로 SUS 철판 코일을  stamping, forming 한 후 teflon 코팅한 부품
- Pad Wear Indicator; MD FRT : 브레이크 패드 back  plate에 장착되어 마찰 재료의 마모 한계(2mm)시 disk와  접촉하여 경고음(마찰음)을 발생시키는 것
- Vacuum Pump Assembly : 자동차의 디젤엔진 동력을 이 용하여 차량제동에 필요한 Break Booster의 작동 압력과  엔진성능, 배기가스 제어를 위한 Servo System(EGR,  VGT, T/FLAP)의 작동압력을 최대진공도 -1bar까지 생성 하는 진공펌프
- 체크 밸브(Check Valve) : 운전자의 브레이크 페달 조작에  따라 ball에 의하여 오일의 흐름을 차단 또는 개폐하는 기능 과 브레이크 오일이 메쉬망을 통과할 때 오일에 포함된 불순 물을 여과하는 기능을 통하여 ABS 블록 내부 유량 속도 제어
- 가이드 로드(Guide Rod) : 몸통부는 양면이 절삭되어 평면 으로 되어 있고 두부에는 볼트가 체결될 수 있도록 탭이 가 동되어 있으며, Sliding pin은 한 개의 캘리퍼에 A형과 B형  두 가지 TYPE으로 한 SET를 이루며, B-TYPE은 몸통 하 단부를 절삭하여 단차가 있다(단, 판매는 SET로 하지 않고  별개의 품번으로 구분하며 브레이크 작동 시 마스터실린더 의 유압이 캘리퍼에 전달되어 유동 CALIPER가 디스크 방 향으로 수평으로 움직이도록 방향을 유지해주는 역할)
- 아웃풋 로드(Output Rod) : 철강제의 직경 약 35mm, 높 이 약 17mm 원형의 마개 형태 부분과 중앙부에 홀 가공된  직경 약 9mm, 길이 약 68mm 크기의 봉을 용접한 것으로  자동차 브레이크 부스터에 장착되어 마스터 실린더에 부스터 에서 발생된 압력을 전달하는 기능을 수행하는 부품
- Pump ABS(Anti-lock Brake System) : Accumulator로  Dump되어서 저장되어 있는 액량을 Master cylinder 회로  쪽으로 퍼내는(순환시키는) 기능 수행하거나 Master  Cylinder로부터 Brake Oil을 흡입하여 Wheel Cylinder로  토출하는 기능을 수행하는 펌프이며, accumulator의 1 차 압력에 의해 슬리브의 오일이 차고 모터의 힘에 의해  pump piston이 슬리브의 오일에 압력을 가하면 볼 밸브가  개방되어 ABS Block에 유압을 공급하는 구조임
- Vacuum Booster : 엔진이 시동되면 Brake booster내 의 공기를 흡입 및 배출하면서 Diaphragm을 기준으로  Brake booster내를 진공이 형성되는 부분과 대기압이 남아  있는 부분으로 나누며, 운전자가 Brake pedal을 밟으면  Brake booster내에 대기압 부분에 존재하는 공기를 진공부 분으로 이동하게 하여 비교적 작은 힘으로 Diaphragm을  진공부분으로 이동시킴으로써 Brake를 제동하는 기능
- 브레이크 호스 : 자동차의 유압식 브레이크시스템에서 브레 이크 파이프와 함께 브레이크 라인을 구성하여 마스터 실린 더에서 발생한 액압을 캘리퍼로 전달하는 기능

 

라. 브레이크 시스템
브레이크 시스템은 크게 CBS(Conventional Brake System, Hydraulic brake)와 BBW(Brake By Wire)로 구분 할 수 있다. 그 중 CBS는 앞서 설명한 파스칼의 원리를 이용하여 마스터 실린더에서 발생한 유압을 휠 실린더 및 캘리퍼에 전달하여 브레이크 슈 및 패드를 가압하여 제동력을 발생시키는 형식으로 안정적인 제동력을 확보할 수 있는 장점을 가지며 현재까지 폭 넓게 적용되고 있다. 그리고 BBW는 차량에 적용되던 유압브레이크 시스템 대신 운전자가 브레이크 페달을 밟는 힘을 전기적 신호로 전환해 제동하는 방식이다. 운전자가 페달을 밟으면 페달에 부착된 시뮬레이터가 이를 전기적 신호로 바꿔 ECU에 전달하고 ECU는 차량 상태 및 제동력을 연산해 전동 캘리퍼를 제어하는 시스템으로 지금까지 개발된 브레이크 시스템 가운데 가장 발전적인 개념이라 할 수 있으며 자세한 브레이크 시스템 개발 방향은 다음 장에서 설명하도록 하겠다.

마. 자동차 브레이크의 주요 발생 문제점  
자동차 브레이크에서 발생하는 문제점은 소음, 진동과 같이 안전보다는 소비자의 감성 혹은 품질과 연결되는 문제점부터, 안전과 직결되는 페이드(Fade), 베이퍼록(Vapor lock) 등과 같은 문제점을 지니고 있다.

 

브레이크에 의한 제동 기구는 자동차가 가지고 있는 운동에너지를 브레이크 장치에서 열에너지로 바꾸는 것이므로, 최근과 같이 자동차과 대형화, 고속화됨에 따라 브레이크 장치에서 발생하는 크게 열에너지가 증가하여 브레이크 부품의 표면 온도가 700℃ 이상에 도달할 수 있다. 이와 같이 드럼과 슈의 온도가 상승하면 열변형으로 드럼의 안지름이 커짐과 동시에 그 형상에 의하여 복잡한 변형을 일으켜 슈와 드럼의 틈새가 커지게 되고, 그 결과 페달을 밟는 양이 증가하게 된다. 또한, 드럼 브레이크 부분에서 라이닝이나 패드는 차가울 때 마찰계수는 다소 낮으나 몇 번의 브레이크 작동에 의하여 브레이크 마찰부분의 온도가 정상 작동 온도에 이르면 마찰계수는 다소 증가하여 가장 큰 마찰력을 발생시켜 제동효과가 커지나 과도한 마찰에 의하여 마찰부분의 온도가 아주 높아지면 마찰계수는 급격히 저하되는 문제점이 발생한다.

 

이와 같이 고속에서 단시간에 브레이크를 연속으로 반복 조작하여 온도가 상승되어 마찰계수의 저하로 인한 제동능력이 감소하는 현상을 페이드(Fade) 현상이라고 하며, 이는 브레이크의 방열성의 중요함을 반증하는 현상이라고 볼 수 있다. 그리고 긴 내리막길과 같은 곳에서 브레이크를 연속적으로 사용하거나, 브레이크 슈의 미끄럼 등으로 인하여 브레이크 계통의 온도가 과도하게 상승하여 브레이크 액의 일부가 기화되어 유압배관 내에 공기가 들어간 것과 같은 상태가 되어 압력전달이 불가능한 상태를 베이퍼 록(Vapor lock) 이라고 한다.