자동차 제동장치 경량화...1. 제동 장치 설계 개요································································99

ASTI 기술보고서

자동차 제동장치 경량화

최성배, 강현무, 정선경

2015. 12.

한국과학기술정보연구원

❚ 목 차 ❚

제 1 장 서 론··························································································1

제1절 자동차 경량화의 필요성·····························································1

제2절 자동차 경량화 방안·····································································3

제 2 장 자동차 제동장치 정의 및 구조···················································4

제1절 자동차 제동장치의 정의·····························································4

제2절 자동차 제동장치의 종류 및 구조···············································6

1. 자동차 제동장치의 종류····························································6

2. 자동차 제동장치 시스템 구조··················································12

3. 브레이크 패드의 마찰 메카니즘··············································13

4. 디스크 브레이크 부품······························································17

5. 드럼 브레이크 부품··································································17

6. 브레이크 시스템·······································································27

7. 자동차 브레이크의 주요 발생 문제점·····································28

제 3 장 제동장치 경량화 기술의 개발 동향········································31

제1절 제동장치 소재 경량화·······························································31

1. 브레이크 디스크 경량화···························································31

2. 브레이크 패드 경량화······························································40

3. 브레이크 패드의 주요 성분 ···················································44

제2절 연구 개발 동향··········································································54

1. 브레이크 패드의 연구개발 동향··············································54

2. 브레이크 캘리퍼 경량화···························································57

3. 브레이크 부스터 경량화 ·························································60

제 4 장 자동차 브레이크 시스템 개발 동향········································62

제1절 자동차 브레이크 시스템 기술 발전 동향·································62

제2절 자동차 브레이크 시스템의 종류···············································65

1. ABS(Anti Lock Brake System)··················································65

2. ESC(Electronic Stability Control) or ESP(Electronic Stability

Program)···············································································70

3. EHB (Electro-Hydraulic Brake) ················································73

4. EMB(Electro-Mechanical Brake) ···············································75

5. Brake-by-Wire··········································································77

6. 브레이크 시스템의 향후 전망··················································83

제3절 회생제동 브레이크 시스템························································84

1. 회생제동 브레이크 시스템 개요··············································84

2. 회생제동 브레이크 시스템 개발 동향·····································87

3. 회생제동 브레이크 시스템 기술··············································90

4. 회생제동 브레이크 시스템 전망··············································98

제 5 장 자동차 브레이크 설계 연구동향·············································99

제1절 자동차 제동 장치 설계·····························································99

1. 제동 장치 설계 개요································································99

2. 제동 성능 기본 설계 및 해석················································104

제2절 제동 시스템의 설계·해석 기술 동향 ··································111

1. 제동 장치의 수치해석 기반 최적설계 기법··························111

2. 열변형 및 열유동 해석 기법··················································113

3. 제동 소음 해석 기법······························································115

제 6 장 자동차 제동장치 시장 분석···················································118

제1절 국내 제동장치 시장·································································118

1. 국내 제동장치 시장 규모·······················································118

제2절 국외 제동장치 시장·································································120

1. 세계 브레이크 시장 규모·······················································120

2. 미국 브레이크 시장 현황·······················································122

제 7 장 국내외 업체동향·····································································125

제1절 국내 업체동향··········································································125

1. 브레이크 마찰재 국내 업체동향············································125

2. 브레이크 디스크 / 캘리퍼 국내 업체동향·····························127

제2절 국외 업체동향··········································································131

1. 브레이크 디스크 / 캘리퍼 / 패드 국외 업체동향·················131

제3절 선진 자동차 브레이크 시스템 분석········································141

1. 혼다 인사이트·········································································141

2. 닛산 리프················································································143

3. 르노 플루언스·········································································144

4. 도요타 프리우스·····································································145

5. 혼다 인사이트 II ·····································································147

6. Tesla Model S·········································································148

제 8 장 결론 및 시사점······································································150

<참고문헌>······························································································153

그 림 목 차

<그림 1-1> 각 국의 자동차 연비 규제 안···············································1

<그림 2-1> 자동차의 제동 시스템····························································5

<그림 2-2> 브레이크 작동 원리·······························································7

<그림 2-3> 유압식 브레이크 시스템························································8

<그림 2-4> 디스크 브레이크 및 드럼 브레이크······································9

<그림 2-5> 에어 브레이크 개념도··························································10

<그림 2-6> 디스크 브레이크 작동 원리·················································11

<그림 2-7> 드럼 브레이크 작동 원리····················································11

<그림 2-8> 브레이크 부품······································································13

<그림 2-9> 마찰면의 모식도···································································14

<그림 2-10> 브레이크패드의 Secondary Plateaus 단면도·····················14

<그림 2-11> Primary와 Secondary 접촉면의 SEM 사진························15

<그림 2-12> 압력에 따른 접촉면적의 변화···········································15

<그림 2-13> 브레이크 패드 온도에 따른 마모율··································16

<그림 2-14> 디스크 브레이크 부품························································17

<그림 2-15> 드럼 브레이크 부품····························································18

<그림 2-16> 브레이크 라이닝·································································18

<그림 2-17> 브레이크 라이닝 슈····························································19

<그림 2-18> 스프링 챔버········································································19

<그림 2-19> 드럼·····················································································20

<그림 2-20> 레버 파킹 브레이크····························································20

<그림 2-21> 웻지 드럼 브레이크····························································21

<그림 2-22> Anti Noise Shim··································································21

<그림 2-23> 브레이크 플레이트·····························································22

<그림 2-24> Cover Shim; MD FRIT························································22

<그림 2-25> 패드 스프링········································································23

<그림 2-26> Pad Wear indicator; MD FRT············································23

<그림 2-27> Vacuum Pump Ass’y························································24

<그림 2-28> 체크 밸브············································································24

<그림 2-29> 가이드 로드········································································25

<그림 2-30> 아웃풋 로드········································································25

<그림 2-31> Pump ABS···········································································26

<그림 2-32> Vacuum Booster··································································26

<그림 2-33> 브레이크 호스·····································································27

<그림 2-34> 마찰에 의한 온도변화에 따른 마찰계수와 마모도···········29

<그림 2-35> 베이버 록(Vapor lock) 현상···············································30

<그림 3-1> 디스크의 부위별 분류··························································32

<그림 3-2> piece 브레이크 디스크·························································33

<그림 3-3> 알루미늄 브레이크 디스크···················································35

<그림 3-4> 하드아노다이징 처리 전 / 후··············································36

<그림 3-5> 알루미늄 세라믹 복합소재 드럼 브레이크·························37

<그림 3-6> 금속/세라믹 복합재료의 발생열 및 마찰계수 값···············38

<그림 3-7> 금속/세라믹 복합재 적용 발열량 측정사진························38

<그림 3-8> 탄소-세라믹 디스크·····························································39

<그림 3-9> 브레이크 패드 구성·····························································41

<그림 3-10> 각기 다른 조성을 갖는 브레이크 패드의 마이크로 구조 42

<그림 3-11> 브레이크 패드(마찰재)의 종류···········································43

<그림 3-12> 강화 섬유 종류···································································48

<그림 3-13> Enlarged isometric view of a used brake pad·················49

<그림 3-14> 브레이크 소재별 특성 분석표···········································54

<그림 3-15> 속도변화에 따른 소음레벨·················································55

<그림 3-16> 소재별 특성에 따른 브래이크 패드의 방열 특성 분석····56

<그림 3-17> 티탄산칼륨의 형태·····························································57

<그림 3-18> 제동 시스템의 캘리퍼························································58

<그림 3-19> 주철 캘리퍼 및 루미늄 캘리퍼··········································58

<그림 3-20> 하이드로포밍 공정(Hydroforming Process) ························59

<그림 3-21> 브레이크 부스터 경량화····················································60

<그림 4-1> 브레이크 시스템의 기술 발전 동향····································62

<그림 4-2> Brake by Wire와 기존 유압식 제동장치····························64

<그림 4-3> ABS 효과···············································································66

<그림 4-4> ABS 시스템 구성도······························································67

<그림 4-5> EBD 시스템 효과(미장착 차량(상)과 장착 차량(하)) ··········68

<그림 4-6> VDC 효과··············································································70

<그림 4-7> ESP시스템 작동 원리···························································71

<그림 4-8> Control logic of the EHB·····················································74

<그림 4-9> ESP와 EHB 시스템 비교······················································74

<그림 4-10> EHB와 EMB 비교································································76

<그림 4-11> EMB의 시스템 레이아웃····················································77

<그림 4-12> 제동 시스템 부품-현대모비스···········································78

<그림 4-13> Brake-by-Wire 시스템 부품-현대모비스··························78

<그림 4-14> EHB의 구성부품(Bosch) ······················································79

<그림 4-15> MK C1(continental) ·····························································80

<그림 4-16> Full electric drive-by-wire system (continental) ···············81

<그림 4-18> Siemens VDO EWB····························································82

<그림 4-19> 전동 켈리퍼 및 전자 웻지 캘리퍼 원리···························82

<그림 4-20> 회생제동 시스템 개략도····················································84

<그림 4-21> 회생제동 시스템 작동 과정···············································85

<그림 4-22> 회생제동 시 에너지 흐름도···············································85

<그림 4-23> 하이브리드 자동차의 연비개선 효과·································86

<그림 4-24> 운동에너지식 회생제동 장치- Volvo 社 “Flyweel KERS” 87

<그림 4-25> 유압에너지식 회생제동 장치·············································88

<그림 4-26> 전기 에너지식 협조 회생제동 시스템·······························89

<그림 4-28> 협조 회생제동 시스템의 회생 제동량·······························90

<그림 4-29> HEV의 회생제동 시스템 제동 알고리즘···························91

<그림 4-30> 제동 제어로직의 입출력 관계···········································92

<그림 4-31> 차량 제동 시 운동에너지와 제동 토크와의 관계·············93

<그림 4-32> 협조 제어 시 회생/유압 제동력 관계································93

<그림 4-33> 모터의 충전 효율 특석 곡선·············································95

<그림 4-34> 인휠 모터 시스템·······························································97

<그림 5-1> 제동 장치의 구성·······························································103

<그림 5-2> 감속도, 제동거리, 제동시간 관계>····································104

<그림 5-3> 실 제동거리 및 제동시간···················································105

<그림 5-4> 노면과 타이어의 관계························································106

<그림 5-5> Pedal 구성 계략도······························································107

<그림 5-6> Caliper가 장착된 Wheel의 자유물체도·····························109

<그림 5-7> 브레이크 디스크의 열변형 최소화를 위한 단면 강건 설계 사례·111

<그림 5-8> Judder 진동/소음 저감을 위한 디스크 형상 최적화 프로세스·112

<그림 5-9> 최적화 기법을 통한 브레이크 디스크 Judder 진동 저감 사례·113

<그림 5-10> Valve cavity 최소화를 위한 Solenoid Valve의 형상 최적화 사례·113

<그림 5-11> 브레이크 디스크의 열간 저더 해석·································114

<그림 5-12> 통풍형 브레이크 디스크의 베인 형상에 따른 방열 특성 해석 사례·115

<그림 5-13> 브레이크 디스크의 방열 특성에 따른 제동 거리 변화 예측 사례·115

<그림 5-14> Squeal Noise Analysis Procedure·····································116

<그림 5-15> 수치해석을 통한 스퀼 노이즈 예측 사례························117

<그림 6-1> 국내 자동차 제동장치 및 부분품 시장·····························119

<그림 6-2> 미국 브레이크 부품 시장 성장률 (%)·······························122

<그림 7-1> 국내 브레이크 마찰재-새론오토모티브·····························126

<그림 7-2> 국내 브레이크 마찰재-상신브레이크·································126

<그림 7-3> 국내 브레이크 마찰재-KB오토시스···································127

<그림 7-4> 국내 브레이크 시스템-데크···············································127

<그림 7-4> 국내 브레이크 시스템-만도···············································128

<그림 7-5> 국내 브레이크시스템 상용화 제품-스톨즈························129

<그림 7-6> 국내 브레이크시스템 상용화 제품-카프리텍····················129

<그림 7-7> 국내 브레이크시스템 상용화 제품-로드텍························130

<그림 7-8> 아케보노 디스크 브레이크·················································131

<그림 7-9> TRW 홀딩스 브레이크 패드-COTEC·································132

<그림 7-10> 콘티넨탈 AG 브레이크 고정 캘리퍼·······························133

<그림 7-11> 해외 브레이크시스템 상용화 제품-브램보······················133

<그림 7-12> 해외 브레이크시스템 상용화 제품–스타탭······················134

<그림 7-13> 해외 브레이크시스템 상용화 제품-알콘·························135

<그림 7-14> 해외 브레이크시스템 상용화 제품–엔드리스··················135

<그림 7-15> 해외 브레이크시스템 상용화 제품-프로젝트 뮤·············136

<그림 7-16> 해외 브레이크시스템 상용화 제품–wppro·······················136<그림 7-17> 스파르타 에볼루션 브레이크 시스템·······························139

<그림 7-18> 포르쉐 브레이스 시스템···················································140

<그림 7-19> 혼다 인사이트···································································141

<그림 7-20> 닛산 리프··········································································143

<그림 7-21> 르노 플루언스···································································144

<그림 7-22> 도요타 프리우스 / 브레이크 부스터용 모터···················145

<그림 7-23> 도요타 프리우스 브레이크 페달······································146

<그림 7-24> 혼다 인사이트 II ·······························································147

<그림 7-25> 테슬라 모델 S 브레이크 시스템······································148

표 목 차

<표 2-1> 자동차 제동장치의 종류····························································6

<표 3-1> 브레이크 디스크 소재·····························································34

<표 3-2> 자동차용 탄소-세라믹 브레이크 디스크 개발업체················40

<표 3-3> 브레이크 패드 소재 특성························································44

<표 3-4> 바인더 소재의 장단점·····························································45

<표 3-5> 강화섬유 종류 및 특성····························································49

<표 3-6> 충전제에 따른 용도 분류························································52

<표 3-7> 마찰 첨가제에 따른 용도 분류···············································53

<표 3-8> 자동차 부품 경량화 사례와 경량화율····································61

<표 4-1>하이브리드 자동차의 회생제동 시스템····································96

<표 5-1> 브레이크 시스템 설계 고려 요소··········································100

<표 5-2> 제동 장치의 종류···································································101

<표 5-3> Weight Distribution································································108

<표 5-4> Idea Brake Force···································································108

<표 5-5> Caliper가 장착된 Wheel의 실제 제동력·······························110

<표 6-1> 국내 자동차 제동장치 및 부분품 시장(단위 : 백만원)········118

<표 6-2> 유럽 기초 브레이크 시장 (단위 : 유로) ·····························120

<표 6-3> 미국 자동차 브레이크 부품 수입동향>·································123

<표 6-4> 미국 애프터 마켓 자동차 부품 시장 규모 추이··················124

<표 7-1> 미국시장 점유율 (2011년 기준)·············································137

<표 7-2> 자동차용 브레이크 캘리퍼 주요 제조업체···························138

<표 7-3> 도요타 프리우스 브레이크 페달 사양··································147

ASTI 지식리포트 1

제 1 장 서 론

제1절 자동차 경량화의 필요성

세계 자동차 산업은 지구온난화와 자원고갈로 최대 격변기 직면해

있으며 글로벌 전 산업 분야 중 수송 부문의 온실가스 배출량은 25%로

각국은 온실가스 배출억제를 위한 자동차 분야 규제 강화와 선진 각국

을 필두로 자동차 연비규제가 강화되면서 2025년까지 연비효율 향상이

약 2배 이상이 필요하며, 규제 미달 시 가혹한 벌금이 부가될 전망이

다. 이에 연비향상 기술은 향후 자동차 시장경쟁력을 결정짓는 핵심 사

항으로 작용할 것이다. 각 국의 이산화탄소 배출 규제는 130 g/km

(EU,‘15년), 140 g/km (韓,‘15년)이고, 연비규제는 16.6 km/ℓ (美,‘16

년), 17 km/ℓ(韓,‘15년) 으로 각국 정부에서 규정한 연비 규제율을 달

성하기 위하여 다양한 연비 향상 기술이 연구되고 있는데, 크게 엔진/

구동계 효율 향상, 주행저항 감소, 경량화로 구분될 수 있다.

<그림 1-1> 각 국의 자동차 연비 규제 안

ASTI 지식리포트2

다양한 연비향상 방안 중 주목받고 있는 차량경량화는 투입되는 연

구개발비 대비 효과가 우수해 자동차 전 부품과 관련하여 많은 연구가

진행 중이다. 자동차 중량은 연비 효율을 결정짓는 핵심 요소로써, 차

량 경량화는 연료소비 및 배기가스 배출 감소와 더불어 주행저항 감소,

제동성, 조종 안정성 향상 등 차량 전반의 성능을 부가적으로 향상 가

능하다.


제2절 자동차 경량화 방안

자동차 경량화는 우수한 물성을 가지는 경량 신소재의 개발과 기존

재료의 기계적 성질을 향상 시키는 두 가지 방향으로 연구가 진행되고

있으며, 현재 연구되고 있는 경량 금속소재로는 탁월한 중량 감소효과

를 가지는 알루미늄, 마그네슘 등의 경량금속과 기존 스틸소재의 기계

적 성질을 향상시켜 높은 강도를 가지는 고강도, 초고강도강 등이 있으

며, 점증되는 연비관련 규제 강화로 인하여 자동차의 경량 소재 활용이

증가되고 있는 추세이다.

<그림 1-2> 2010년 및 2030년 산업 분야에서의 소재 적용 예상

자동차 경량화를 위한 소재 산업의 확대를 예상하면, 비철 금속(Al,

Mg), 고강성 플라스틱, 복합소재로 종류 및 수요가 증가될 것이며, 플

라스틱 소재의 기능성 부여에 따른 다양한 고분자 소재 개발이 필요할

것으로 예상된다.


제 2 장 자동차 제동장치 정의 및 구조

제1절 자동차 제동장치의 정의

제동장치란, 주행 중인 차량을 감속 또는 정지시키고, 정지된 차량을

정지 상태로 계속 유지시키기 위한 장치로 마찰력을 이용하여 제동 작

용을 하고 있다. 또한 운전자의 조작력이나 보조동력에 의해 발생되는

마찰력을 이용하여 자동차의 운동에너지를 열에너지로 바꾸어 제동하

는 장치를 뜻한다.

자동차의 주행 성능 향상, 환경 친화적 부품 사용, 서스펜션 기술의

진보에 따라 기존의 단순한 제동력 뿐 아니라 안전성 및 신뢰성, 내구

성 증의 제동장치에 대한 요구 성능이 엄격해지고 있다. 따라서 제동장

치는 안정성 관련 핵심 부품으로 작동이 확실하고 제동효과도 커야한

다.

최근 차량의 정숙감 및 승차감 등의 고급화 지향에 따라 제동장치의

소음이나 제동 시 조작감 등에 대한 감성영역의 요구도 크게 증대되어

이에 기술향상도 필요하다. 또한 안전성에 중요한 역할을 하므로 조작

이 간단하여야 하며, 정비 및 교체 또한 용이한 구조를 지녀야 하며,

제동장치가 작동하지 않을 때는 주행 시 각 차륜의 회전에 영향을 주

지 않아야 한다.


<그림 2-1> 자동차의 제동 시스템


제2절 자동차 제동장치의 종류 및 구조

1. 자동차 제동장치의 종류

브레이크는 운동하고 있는 기계의 속도를 감속하거나 정지시키는 장

치이다. 브레이크의 종류는 용도에 따라 1) 주브레이크, 2) 주차브레이

크, 3) 엔진브레이크로 나뉜다. 주브레이크는 흔히 풋브레이크라고 알

려져 있으며 주로 주행 중인 자동차를 정지 또는 감속할 때 사용된다.

주차브레이크는 정차 시 차량의 움직임을 방지하는 것으로 핸드브레이

크 또는 사이드브레이크로 표현하기도 한다. 엔진브레이크는 차량의 주

행속도와 엔진의 회전 수 차이를 이용하여 차량 속도를 감속시키는 것

이다. 내리막길 운행 중에 차량의 레버를 1단에 두고 주브레이크의 사

용 없이 저속으로 가는 원리를 생각하면 된다.

<표 2-1> 자동차 제동장치의 종류

브레이크의

종류

주브레이크 : 흔히 풋브레이크라고 알려짐, 주행 중

인 자동차를 정지 또는 감속

주차브레이크 : 핸드브레이크 또는 사이드브레이크,

주정차시 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 유

압시스템에 압력을 가해 유압력을 전환시킨다. 이 유압력이 브레이크

라인을 통해 휠 실린더에 전달된 뒤 휠 실린더에서 다시 기계적 압력


인 제동력으로 변환된다.

<그림 2-2> 브레이크 작동 원리


<그림 2-3> 유압식 브레이크 시스템

차량에는 다양한 방식의 브레이크가 적용될 수 있으며, 그 종류로는

크게 디스크, 드럼 방식의 브레이크로 나뉘고 대형차의 경우 에어 브레

이크가 있다. 기존 일반 양산 자동차의 경우 전륜에 디스크 브레이크,


후륜에 드럼 브레이크를 장착하고 있으며, 이는 디스크 브레이크가 드

럼 브레이크에 비하여 효력이 안정되어 있고 핸들 쏠림 방지나 안정된

제동 효력 확보의 측면에서 유리하기 때문에 전륜에 많이 장착하고 있

다.

<그림 2-4> 디스크 브레이크 및 드럼 브레이크


<그림 2-5> 에어 브레이크 개념도

디스크 브레이크는 마스터 실린더에서 발생한 유압을 이용하여 바퀴

와 함께 회전하는 디스크를 양쪽에서 패드로 압착하여 바퀴의 회전을

구속하는 제동 기구를 갖고 있다. 이 시스템은 디스크가 배기 중에 노

출되어 있어 페이드 현상이 적고 소음 및 감성영역의 특성이 뛰어나

고급 중대형 자동차, 고성능 자동차 및 경주용 차량 등에 적용 폭을 점

차 높여 가고 있다. 또한 페이드 현상이 적음에 따라 방열성이 우수하

여 브레이크력에 의한 디스크의 열변형이 적어 좌우 브레이크의 힘의

평형이 유지되어 방향안정성이 좋은 장점을 지닌다.


<그림 2-6> 디스크 브레이크 작동 원리

드럼 브레이크는 휠 실린더 동작에 의해 브레이크 마찰판이 외부로

확장되면서 드럼 내부의 마찰면에 접촉하고, 이로 인해 제동력이 발생

하는 방식이다. 드럼은 정적, 동적인 평형을 기본적으로 요구하며, 충

분한 강성과 내마모성 및 방열 능력을 지니고 있어야 한다. 드럼 브레

이크는 구조상 마찰면이 내부에 존재하여 열의 방출이 어렵다. 이로 인

해 온도가 상승되어 마찰계수가 저하되는 페이드(Fade) 현상과 브레이

크 액의 일부가 기화되는 베이버 록(Vapor lock) 현상이 잦다는 단점을

지닌다.

<그림 2-7> 드럼 브레이크 작동 원리


2. 자동차 제동장치 시스템 구조

브레이크는 파스칼의 원리를 응용한 것이다. 파스칼의 원리는 밀폐된

공간에 채워진 액체에 작용하는 압력은 어느 점에서나 일정하다는 것

이다. 브레이크의 작동 방식은 운전자가 브레이크페달을 밟으면 그 힘

의 5~8배의 힘으로 마스터실린더를 밀어 유압을 발생시킨다. 이 때 발

생한 유압은 피스톤을 거쳐 파이프를 통해 휠에 설치된 캘리퍼의 피스

톤으로 전달된다. 전달된 유압이 피스톤을 밀어 디스크를 조이면 제동

력이 발생한다. 브레이크의 주요 구성요소는 브레이크페달, 브레이크부

스터, 마스터실린더, 유압 비례 제어밸브, 휠실린더, 드럼과 라이닝, 파

이프라인 등이 있다. 이 가운데에서 브레이크 부스터와 마스터 실린더

및 비례제어밸브를 액튜에이션(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.

- 균일한 제동 성능 확보를 위한 일정한 마찰계수

- 제동시 발생되는 고열에 의한 성능 저하를 막기 위한 고방열성

- 불규칙 마모 및 공진에 의한 소음 방지

- 패드의 낮은 마모율

- 우수한 부품 교체 용이성


<그림 2-8> 브레이크 부품

3. 브레이크 패드의 마찰 메카니즘

자동차의 제동원리는 앞서 설명한 것과 같이 브레이크 패드와 디스

크의 마찰에너지를 열에너지로 바꾸는 형태로 이루어지며, 제동과 관련

된 마찰 메커니즘은 ① Contact Plateaus, ② Load Effects, ③

Temperature Effects 로 구분된다. 면접촉에 의한 효과는 디스크와 로

터 표면의 작은 peak와 valley의 접촉에 의해서 일어난다. 이때 접촉면

은 Primary 와 Secondary plateaues로 구분되게 되는데, Primary

plateaus는 패드 내에 있는 연마재 성분이 마찰되면서 형성되며,


Primary plateau가 패드와 로터의 마찰에 의해 발생된 분말로부터 채널

의 네트워크를 형성하고, 제동압력을 받게 되면 secondary plateaus가

형성되게 된다. 이때 접촉되는 면들이 실제로 마찰력을 발생시키는 면

적이 되기 때문에, plateaus의 사이즈와 조성은 브레이크 패드의 제동

성능을 결정하는 중요한 요소가 된다.

<그림 2-9> 마찰면의 모식도

<그림 2-10> 브레이크패드의 Secondary Plateaus 단면도


[출처] Tribological Investigation on Automotive Disc Brakes 2013

<그림 2-11> Primary와 Secondary 접촉면의 SEM 사진

추가적으로 브레이크 패드에 주어지는 압력에 따라 접촉면(Plateaus)

은 변하게 되는데, 낮은 압력 하에서는 약 50-500㎛ 접촉면적을 보이는

데 이는 nominal pad 면적의 약 10-30% 정도에 달하는 수준이다. 하지

만 높은 압력과 온도조건 하에서는 Plateaus의 면적이 수 밀리미터 수

준까지 확대되어 패드 면적의 대부분을 차지하게 되며, 자동차를 제동

하는 역할을 하게 된다.

<그림 2-12> 압력에 따른 접촉면적의 변화


제동 시에 대부분의 에너지는 열의 형태로 방출되는데, 이때 방출되

는 열 효과에 대해서는 시스템적인 관점과 재료적인 관점이 모두 연구

되고 있다. 이때 발생되는 열은 패드소재를 연화시킬 뿐만 아리나 섬유

매트릭스를 약화시키고 소재의 전체적인 강성을 약화시킨다. 또한 온도

가 올라갈수록 소재의 전단강도는 감소하게 되며 그 결과 마찰 계수

값이 감소하게 된다. 또한 온도상승은 표면에 Oxide의 형성을 촉진하게

되는데 이때 발생된 Oxide는 윤활역할을 하게 된다. 온도 상승은 패드

마모에도 영향을 주는 것으로 알려져 있으며, 아래 그림은 온도에 따라

패드소재가 마모되는 정도를 설명하고 있다.

<그림 2-13> 브레이크 패드 온도에 따른 마모율


4. 디스크 브레이크 부품

가. 디스크 브레이크 부품 구조

- 디스크(Disk) : 원판형으로 바퀴와 같이 회전

- 캘리퍼(Caliper) : 디스크의 양측에 끼워져 있음

- 패드(Pad) : 2개로 디스크에 압착하여 마찰 작용

<그림 2-14> 디스크 브레이크 부품

5. 드럼 브레이크 부품

가. 드럼 브레이크 부품 구조

- 휠실린더(Wheel cylinder) : 마스터 실린더에서 파이프를 통해 압송

된 오일은 휠 실린더 중앙에 들어와 2개의 피스톤에서 좌우로 나우

어지고 브레이크 슈를 작동시켜 제동함

- 브레이크 슈(Brake shoe) : 휠 실린더로부터 유압에 의해 브레이크


내면에 압착하는 주요부로서 강판의 단면을 T형으로 용접한 것

- 브레이크 라이닝(Brake lining) : 라이닝은 마찰계수가 크고 마찰열

에 의하여 고온이 되어도 마찰계수가 감소되지 않도록 내마모성, 내

열성이 좋아야 하고 페이드 현상에 견딜 수 있어야 함

<그림 2-15> 드럼 브레이크 부품

나. 브레이크 세부 부품

- 브레이크 라이닝(Brake Lining) : 결합제로 페놀계 수지를, 보강제로

아라미드 및 세라믹섬유 등을, 마찰조 정재로는 석면(22.5%) 스틸파

이버(10%), 코크스(12%) 등을 사용

<그림 2-16> 브레이크 라이닝


- 브레이크 라이닝 슈(Brake Lining Shoe) : 자동차의 제동장치인 드럼

브레이크에서 브레이크드럼 안쪽에 장착되는 물품으로, 본 물품이

브레이크드럼에 밀착되어 자동차를 제동

<그림 2-17> 브레이크 라이닝 슈

- 스프링 챔버(Spring Chamber) : 브레이크 챔버로서 공기압력에 의해

다이어프램의 운동을 이용, 푸시로드를 밀어(푸시로드가 브레이크

캡, 브레이크슈를 작동시켜 드럼에 밀착) 제동작용 기능

<그림 2-18> 스프링 챔버

- 드럼(Drum) : 회전하는 냄비모양의 드럼 안쪽에서 브레이크 라이닝

을 바깥쪽으로 확장하면서 드럼에 제동력을 가하는 시스템으로 FF


차(Front engine Front drive)의 리어 브레이크 등에 사용

<그림 2-19> 드럼

- 레버 파킹 브레이크(Lever Ass’y-Parking Brake) : 차량 BODY

PANNEL에 장착되며, 케이블과 연결되어 레버의 작동으로 디스크/

드럼 브레이크에 힘을 작용하여 차량을 제동하는 역할

<그림 2-20> 레버 파킹 브레이크

- 웻지 드럼 브레이크(Wedge Drum Brake) : 익스팬더 유닛의 피스톤

이 밀리면서 브레이크 라이닝(라이드 슈)을 좌우로밀어주고, 라이닝

과 라이닝 외곽을 둘러싸고 있는 드럼의 마찰력을 이용하여 자동차

의 휠을 감속 및 제동 시켜 줌


<그림 2-21> 웻지 드럼 브레이크

- 4P Cover Assembly : 자동차 브레이크 페달 밑에 부착되어 제동 시

브레이크를 밟을 경우, 운전자 의 밟는 힘이 브레이크 페달을 거쳐

흰색의 ROD부분을 누르면 전기회로를 개폐

- Anti Noise Shim : 자동차 브레이크 패드 뒷면에 장착하여 브레이크

패드와 디스크가 마찰시 발생하는 소음을 최소화하는데 사용

<그림 2-22> Anti Noise Shim

- 브레이크 플레이트(Brake Plate) : 자동차 브레이크 패드 어셈블리의

부분품으로 브레이크 마찰재료가 부착되며 패드 스프링과 함께 캘

리버에 장착할 수 있도록 설계·제작된 물품


<그림 2-23> 브레이크 플레이트

- Cover Shim; MD FRIT : 브레이크 noise shim과 캘리버 피스톤 사이

에 장착되어 소음완화 및 피스톤 압착 시 브레이크 패드의 손상을

방지하는 기능을 수행

<그림 2-24> Cover Shim; MD FRIT

- 패드 스프링(Pad Spring) : 브레이크 패드를 캘리퍼 내에 고정시키는

데 사용하는 장착구로 SUS 철판 코일을 stamping, forming 한 후

teflon 코팅한 것


<그림 2-25> 패드 스프링

- Pad Wear Indicator; MD FRT : 브레이크 패드 back plate에 장착되

어 마찰재료의 마모 한계시(2mm) disk와 접촉하여 경고음(마찰음)을

발생시키는 것

<그림 2-26> Pad Wear indicator; MD FRT

- Vacuum Pump Assembly : 자동차의 디젤엔진 동력을 이용하여 차

량제동에 필요한 Break Booster의 작 동압력과 엔진성능, 배기가스

제어를 위한 Servo System(EGR, VGT,T/FLAP)의 작동압력을 최대진

공도 -1bar까지 생성하는 진공펌프


<그림 2-27> Vacuum Pump Ass’y

- 체크 밸브(Check Valve) : 운전자의 브레이크 페달 조작에 따라 ball

에 의하여 오일의 흐름을 차단 또 는 개폐하는 기능과 브레이크 오

일이 메쉬망을 통과할 때 오일에 포함된 불순물을 여과하는 기능을

통하여 ABS 블록 내부 유량 속도 제어

<그림 2-28> 체크 밸브

- 가이드 로드(Guide Rod) : 몸통부는 양면이 절삭되어 평면으로 되어

있고 두부에는 볼트가 체결될 수 있도록 탭이 가동되어 있음.

Sliding pin은 한 개의 Caliper에 A형과 B형 두 가지 TYPE으로 한

SET를 이루며, B-TYPE은 몸통 하단부를 절삭하여 단차 가 있음

(단, 판매는 SET로 하지 않고 별개의 품번으로 구분하며 브레이크

작동시 마스터실린더의 유압이 캘리퍼에 전달되어 유동 CALIPER가

디스크 방향으로 수평으로 움직이도록 방향을 유지해주는 역할)


<그림 2-29> 가이드 로드

- 아웃풋 로드(Output Rod) : 철강제의 직경 약 35mm, 높이 약 17mm

원형의 마개 형태 부분과 중앙부에 홀가공된 직경 약 9mm, 길이

약 68mm 크기의 봉을 용접한 것으로 자동차 브레이크 부스터에 장

착되어 마스터 실린더에 부스터에서 발생된 압력을 전 달하는 기능

을 수행하는 부품

<그림 2-30> 아웃풋 로드

- Pump ABS(Anti-lock Brake System) : Accumulator로 Dump되어서

저장되어 있는 액량을 Master cylinder 회로 쪽으로 퍼내는(순환시

키는) 기능 수행하거나 Master Cylinder로부터 Brake Oil을 흡입하여

Wheel Cylinder로 토출하는 기능을 수행하는 펌프이며, accumulator


의 1차 압력에 의해 슬리브의 오일이 차고 모터의 힘에 의해 pump

piston이 슬리브의 오일에 압력을 가하면 볼 밸브가 개방되어 ABS

Block에 유압을 공급하는 구조임

<그림 2-31> Pump ABS

- Vacuum Booster : 엔진이 시동되면 Brake booster내의 공기를 흡입

및 배출하면서 Diaphragm 을 기준으로 Brake booster내를 진공이

형성되는 부분과 대기압이 남아 있는 부분으로 나누며, 운전자가

Brake pedal을 밟으면 Brake booster내에 대 기압 부분에 존재하는

공기를 진공부분으로 이동하게 하여 비교적 작은 힘으로

Diaphragm을 진공부분으로 이동시킴으로써 Brake를 제동하는 기능

<그림 2-32> Vacuum Booster


- 브레이크 호스 : 자동차의 유압식 브레이크시스템에 서 브레이크 파

이프와 함께 브레이크 라 인을 구성하여 마스터 실린더에서 발생한

액압을 캘리퍼로 전달하는 기능

<그림 2-33> 브레이크 호스

6. 브레이크 시스템

브레이크 시스템은 크게 CBS(Conventional Brake System, Hydraulic

brake)와 BBW(Brake By Wire)로 구분 할 수 있다. 그 중 CBS는 파스

칼의 원리를 이용하여 마스터 실린더에서 발생한 유압을 휠 실린더 및

캘리퍼에 전달하여 브레이크 슈 및 패드를 가압하여 제동력을 발생시

키는 형식으로 안정적인 제동력을 확보할 수 있는 장점을 가지며 현재

까지 폭 넓게 적용되고 있다. 그리고 BBW는 차량에 적용되던 유압브

레이크 시스템 대신 운전자가 브레이크 페달을 밟는 힘을 전기적 신호

로 전환해 제동한다.

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.

7. 자동차 브레이크의 주요 발생 문제점

브레이크 작용은 자동차가 가지고 있는 운동에너지를 브레이크 장치

에서 열에너지로 바꾸는 것이므로, 최근과 같이 자동차과 대형화, 고속

화에 따라 브레이크 장치에서 흡수하는 열에너지고 커지고 온도상승도

심하여 순식간에 700℃ 이상에 도달한다. 이와 같이 특히 드럼과 슈의

온도가 상승하면 열변형으로 드럼의 안지름이 커짐과 동시에 그 형상

에 의하여 복잡한 변형을 일으켜 슈와 드럼의 틈새가 크게 되고, 그 결

과 페달을 밟는 양이 증가하게 된다.

드럼 브레이크 부분에서 라이닝이나 패드는 차가울 때 마찰계수는

다소 낮으나 몇 번의 브레이크 작동에 의하여 브레이크 마찰부분의 온

도가 정상적으로 따뜻한 정도에 이르면 마찰계수는 다소 증가하여 가

장 마찰력을 크게 일으켜 가장 제동효과가 커지나 과도한 마찰에 의하

여 마찰부분의 온도가 아주 높아지면 마찰계수는 급격히 저하된다.


<그림 2-34> 마찰에 의한 온도변화에 따른 마찰계수와 마모도

이와 같이 고속에서 단시간에 브레이크를 연속으로 반복 조작하여

온도가 상승되어 마찰계수의 저하로 인한 제동능력이 저하하는 현상을

페이드(Fade) 현상 이라고 하며, 이는 브레이크의 방열성의 중요함을

보여준다. 또한 긴 내리막길과 같은 곳에서 브레이크를 연속적으로 사

용하거나, 브레이크 슈의 미끄럼 등으로 인하여 브레이크 계통의 온도

가 과도하게 상승하여 브레이크액의 일부가 기화되어 유압배관 내에

공기가 들어간 것과 같은 상태가 되어 압력전달이 불가능한 상태를 베

이퍼 록(Vapor lock) 이라고 한다.


<그림 2-35> 베이버 록(Vapor lock) 현상


제 3 장 제동장치 경량화 기술의 개발 동향

제1절 제동장치 소재 경량화

1. 브레이크 디스크 경량화

자동차용 샤시 부품 중 서스팬션 스프링 아래 부분의 부품들의 무게

를 언스프링 중량이라고 하며, 이러한 언스프링 중량은 승차감 및 조종

안정성 그리고 연비와 관련된 특성에서 결정적인 역할을 한다.

고성능 브레이크 디스크는 브레이크의 진동, 떨림 진폭 감쇠능과 함

께 열전도성이 우수해야 하는 특성이 요구되며 브레이크의 제동성은

디스크의 열전도성이 직접적인 영향을 미치게 되고 제동 시 Judder(떨

림 현상) 발생은 디스크의 가공정밀도 및 재질의 내열성 등이 중요한

역할을 한다. 이러한 브레이크 디스크는 주행 시 휠 허브 또는 구동축

에 고정된 상태로 회전하다가 패드와의 마찰로 인해 감속 및 정지하게

되면서 제동 역할을 한다.

언스프링 중량의 대표적인 부품인 브레이크 디스크는 경량화의 필요

성을 띄고 있으나 엔진 및 동력 특성의 향상에 따른 제동특성 및 디스

크 열용량도 향상되어야 한다는 상반된 특성도 요구되고 있다. 제동성

능은 디스크의 크기와 비례 관계에 있으며, 열에 대한 내구성, 즉 열용

량 또한 디스크의 마찰면 중량에 비례한다. 차량의 주행성능의 고성능

화에 맞추어 제동성능과 열용량을 만족하기 위해 디스크의 크기와 중

량을 증대 시키게 되면 언스프링 중량의 증대로 인한 승차감 및 조종


안정성, 연비가 저하되는 단점을 가져오게 된다. 따라서 디스크의 마찰

재, 브릿지 등의 소재나 구조의 변경을 통해서 크기와 중량을 늘리지

않고 성능을 향상시키는 방안이 필요하다.

브레이크 디스크의 역할을 기준으로 HAT 부분과 마찰재, 브릿지 부

분으로 나눌 수 있으며, 이 중 마찰면은 제동 성능 및 내구성에 가장

밀접한 관계가 있다.

<그림 3-1> 디스크의 부위별 분류

HAT 부분과 브릿지 부분은 마찰이 일어나지 않는 차량의 허브에 장

착하기 위한 부분으로 열이나 마모가 발생하지 않으므로 인해 기존의

철보다 알루미늄 등의 경량화 소재로의 대체 가능성이 가장 큰 부분이

다.

브레이크 디스크의 경량화 소재로는 열발생, 내구성 등을 확보하기

위해 알루미늄으로의 대체가 가장 많이 이루어지고 있다. 대부분 브레

이크 디스크는 주철 또는 주강으로 제작 되며, 일반적으로 가격이 저렴


한 One piece 형태의 브레이크 디스크를 사용하나 그러나 One piece형

태의 브레이크 디스크는 일체형으로 무거우며, 소모품인 브레이크 디스

크를 교체할 경우, 부품을 전체 교체해야 하는 단점을 지니고 있다. 이

에 따라 멀티 piece를 사용하는 브레이크 디스크가 개발되고 사용되는

추세이다.

멀티 piece를 적용할 경우 1 piece 형태보다 가볍게 제작할 수 있으

며, 부품 교체 시 마찰로 인해 제동성능을 잃은 디스크 부분만 교체함

으로 유지관리 비용도 절감할 수 있으며, 디스크 면의 패턴을 개발하여

마찰력을 증가시키고 디스크 내부의 리브 구조를 설계 개발하여 방열

성, 중량감소, 내구성이 우수해 질 수 있다.

<1 piece> <2 piece>

<그림 3-2> piece 브레이크 디스크

브레이크 디스크가 가져야 할 주요 물성은 높은 마찰도와 낮은 마모

율, 변형과 균열을 방지하기 위한 높은 열용량을 들 수 있다. 현재 주

로 사용되고 있는 주조 철의 경우 높은 강도와 열전도도, 내마모성, 낮

은 가격 등의 장점을 지니지만 무게가 무겁다는 큰 단점을 지니고 있


다. 이러한 주조철의 물성을 개선하기 위한 주요 개발 소재는 다음과

같으며 소재 물성의 장단점을 고려하여 다양한 연구개발이 이루어지고

있다.

<표 3-1> 브레이크 디스크 소재

소재 물성

알루미늄 금속 복합소재

+ 높은 인장 강도+ 높은 열전도도+ 높은 내마모성+ 경량+ 높은 열 손실율

티타늄 금속 복합소재+ 내부식성- 낮은 내마모성- 낮은 내구성

세라믹 복합소재

+ 높은 마찰력+ 높은 열 특성+ 경량+ 고온 성능- 깨지기 쉬움

카본-카본 복합소재+ 열전도도+ 경량- 높은 가격

가. 알루미늄 소재

기존의 주철 브레이크 디스크는 가공 후 코팅작업에 의한 환경공해

와 녹이 잘 발생한다는 단점을 지니고 있어 이를 보완하기 위해 알루

미늄 소재를 사용한 브레이크 디스크가 개발 되고 있다. 알루미늄의 경

우 단일 소재로의 사용보다는 다양한 형태의 합금 및 복합재료 등으로

제조하여 사용할 경우 더 나은 기계적 특성을 보이는 것이 일반적이다.


<그림 3-3> 알루미늄 브레이크 디스크

알루미늄은 가볍고 열 및 전기의 양도체이고, 전성과 연성이 풍부하

여 가공하기가 쉬우며, 공기 중에서 녹이 잘 슬지 않으나 산과 알칼리

에 부식되므로 전기 제품, 장식품, 합금용 재료, 식품 포장재에 사용하

고 있으며, 기계적 성질은 좋지 못하여 알루미늄 합금을 많이 사용하고

있다. 알루미늄의 열전도율은 Cu의 열전도율의 60%이상이며, 가볍고

내식성이 있으므로 전선에 많이 사용되며, 알루미늄의 기계적 성질은

그 재료의 순도·가공도·열처리 조건·시험 온도 등에 따라 달라진다.

순도가 높을수록 연질이 되며, 불순물 중 문제가 되는 Fe, Si, Cu 등의

함량에 따라서 성질이 변한다.

- 하드 아노다이징 처리 알루미늄 재료

알루미늄 소재는 낮은 밀도로 경량성을 가지며, 부식에 뛰어난 저항

성 등의 특징을 지니고 있으나 경도가 낮고 표면 손상이 쉽고 높은 마

찰특성을 가지는 단점을 지니고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해서

적절한 표면처리에 대한 연구가 진행 중이다. 부품의 경량화를 추구하


면서 브레이크 특성상 표면 강도를 유지해야 함으로 그에 상응하는 표

면처리 기술이 필요하다.

아노다이징 기술은 양극 산화법을 이용하여 알루미늄 표면에 산화

피막을 형성하는 것으로 표면 경도를 증가시키고 마멸과 부식에 대한

저항성을 증가시킨다. 하드아노다이징 기술은 황산의 농도가 더 높고,

처리 온도가 더 낮으며, 전압과 전류밀도는 더 높은 처리 기술을 말한

다.

<그림 3-4> 하드아노다이징 처리 전 / 후

하드 피막은 상당히 단단하고, 입자가 치밀하며, 내마모성이 우수하

다. 저온에서 높은 전류와 강한 산으로 처리할 경우, 좀 더 치밀한 구

조의 피막이 형성되며 이는 브레이크 디스크의 특성 향상에 도움을 가

져온다.

나. 금속-세라믹 복합재료

세라믹 강화 복합소재의 경우 강도, 탄성률 등이 우수하고 낮은 열팽

창계수를 갖는 특징으로 인하여 알루미늄합금의 대체소재로 개발이 활

발히 이루어지고 있다. 알루미늄 소재에 약15~30%의 세라믹(SiO2, SiC


등) 입자를 섞어 알루미늄의 단점인 내마모성을 향상시키고 내열성 또

한 향상 시키는 방향의 연구가 진행중이다.

<그림 3-5> 알루미늄 세라믹 복합소재 드럼 브레이크

Fireline 社에서 개발한 TCON 소재는 Metal penetration process를 적

용하여 개발된 복합재로로 금속과 세라믹 페이스가 networking 되어

있는 구조의 소재이다. 연구개발 자료에 따르면 해당 소재는 기존 금속

과 세라믹 재료 대비 기계적, 물리적, 열적 특성이 우수한 특성을 보여

주고 있으며, 상대적으로 적은 비용으로 원하는 모양과 크기의 제품을

생산할 수 있는 것으로 조사되었다. Oak Ridge 연구소를 포함한 여러

민간연구소에서 분석한 결과에 따르면, TCON 소재를 적용한 브레이크

로터의 경우 기존 Cast Iron과 Titanium 소재대비 마찰계수 값은 높게

유지하면서도 발생되는 열량은 상대적으로 적은 결과를 보여주었다.


<그림 3-6> 금속/세라믹 복합재료의 발생열 및 마찰계수 값

<그림 3-7> 금속/세라믹 복합재 적용 발열량 측정사진

다. 탄소-세라믹 브레이크 디스크 개발

SiC(Silicon Carbide) 기지에 탄소섬유(Carbon Fiber Reinforcement)를

보강재로 하여 제조한 탄소-세라믹 브레이크 디스크는 주철 브레이크

디스크(Cast Iron Brake Discs) 대비 낮은 비중을 가지므로 차량의 언스

프렁 질량(Unsprung Mass)을 약 50%까지 감소시킬 수 있다. 1,400 ℃


이하의 온도에서 매우 우수한 열·기계적 안정성을 가져 브레이크 디

스크 열 변형에 의해 발생되는 저더(Judder) 및 소음(Noise) 현상을 제

거할 수 있다. 그리고 고온에서 재료 열화(Degradation) 현상이 없으므

로 매우 우수한 페이드 방지(Anti-fade) 특성을 가지고 뛰어난 마찰·

마모 특성을 가지므로 주철 브레이크 디스크 대비 4배 이상의 내구수

명을 가진다. 1976년 던롭이 개발 한 카본 세라믹이 브라밤 F1 머신에

적용되면서 모터스포츠에서는 카본 계열의 재료를 사용한 브레이크 디

스크가 대부분을 차지하게 되었다.

<그림 3-8> 탄소-세라믹 디스크

탄소 소재 개발사인 SGL Carbon Group은 2000년도부터 내산화성이

우수한 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 개발하여 고급 상용차 Porsche,

Benz등에 적용 실용화가 진행 중이다. 또한 Daimler-Chrysler AG 및

Brembo가 합작하여 2004년 15,000 개의 탄소-세라믹 브레이크 디스크

를 생산할 수 있는 합작회사를 설립하였으며, Stirfire System 및

Surface Transform의 업체들도 자동차용 탄소 세라믹 브레이크를 개발

하고 있다.


국가 업체 적용차량적용 시점

독일 SGL Brake GmBH Porsche 911 Model 2000년

미국-이태리Daimler-Chrysler AG

Brembo Benz CL 55 AMGSLR McLaren

2004년

미국 Stirfire SystemsSUV and Light Truck(Chevrolet Tahoe SUV)

2003년

영국 Surface Transform Racing Car (F1, Indy Car) 2002년

<표 3-2> 자동차용 탄소-세라믹 브레이크 디스크 개발업체

탄소-세라믹 디스크는 개당 중량이 4kg에 불과하여 기존의 디스크에

비해 약 40% 정도의 무게 감소를 보이며, 탄소-세라믹 디스크의 운동

성능이라는 측면에서도 기존 금속 소재보다 큰 장점이 있다. 하지만 현

재 가격적 측면에서 기존 브레이크 디스크 소재보다 월등히 비싸다보

니 사용차로의 적용은 한계를 보이고 있으나 경주용차와 스포츠카에만

사용되던 소재가 최근에는 고급 승용차에 단계적으로 적용되어지고 있

다.

2. 브레이크 패드 경량화

브레이크 패드의 경우 브레이크 소재 중 소모품에 해당하며, 디스크

와의 마찰에 의해 제동성능을 나타내게 된다. 브레이크 패드는 우수한

내마모성을 지녀야 하지만 브레이크 디스크에 비해서는 낮은 마모성을

띄어야 한다. 이는 부품 교체 면에서 패드의 교체가 더 용이하기 때문

에 디스크의 마찰에 의한 마모를 막기 위해서이다.


<그림 3-9> 브레이크 패드 구성

브레이크 패드(마찰재)는 차량의 제동장치 중 핵심부품으로 공기압

또는 유압으로 디스크와 접촉 마찰하여 차량의 운동에너지를 열에너지

로 바꾸어 주행 중인 차량을 감속 및 정지시키고 정지 상태를 유지하

는 중요한 역할을 담당한다. 다음은 브레이크 패드가 기본적으로 지녀

야 할 성능이다.

브레이크 패드에 요구되는 성능으로는

- 안정적인(속도, 온도) 제동력과 제동 떨림(Judder)등의 마찰진동이 적

을 것

- 수명이 적당 할 것 (디스크에 비해 마모성이 떨어질 것)

- 소음(Noise), 디스크 공격성이 적을 것

- 내열성이 높을 것


패드의 성분을 기능별로 분류하면 기본 물질로 사용되는 섬유재, 마

찰재를 이루는 구성 요소를 결합시키는 결합재, 마찰재와 상대재의 마

모를 줄이는 윤활재, 마찰계수를 높이기 위한 연마재, 전반적인 패드

볼륨을 유지시키기 위한 충진재 등으로 구성된다. 일반적으로 섬유재는

마찰재의 형상유지, 강화 및 열적안정성의 증가를 위해 첨가되며, 섬유

재의 종류, 함량 그리고 재질특성이 마찰특성에 큰 영향을 미치며, 환

경규제의 강화로 인하여 사용제한 및 사용량 규제에 부응하면서도 제

동성능을 유지할 수 있도록 친환경 소재의 발굴과 배합기술의 개발을

추진하고 있다.

브레이크 패드의 목적에 따라 상이한 조성을 갖고 있으며, 기업마다

고유의 패드용 조성을 보유하고 있으며, 예를 들어 브레이크 패드에 첨

가되는 충진제는 목적에 따라 15~약 70%까지 다양하게 처방된다.

<그림 3-10> 각기 다른 조성을 갖는 브레이크 패드의 마이크로 구조

출처 : Proc. Instn Mech. Engrs Vol 219 Part D: J. Automobile Engineering


<그림 3-11> 브레이크 패드(마찰재)의 종류

자동차용 브레이크 패드는 다양한 온도, 습도, 속도 및 감속도 등의

작동환경에서도 마찰계수가 안정적으로 유지되어야 함은 물론 소음과

진동의 발생이 적어야 하며, 마모에 대한 저항성이 우수하여야 하며,

높은 열에도 연소하지 않도록 내열성이 높아야 한다. 여러 가지 필수적

인 조건을 하나의 단일 성분 물질로서 만족시킨다는 것은 불가능하므

로 현존하는 브레이크 마찰재는 10~20여 가지 물질을 혼합, 압축, 성형

시킨 복합재의 형태를 지니고 있다.

철, 구리 등으로 강화된 금속재료를 사용한 패드의 경우 고강도, 높

은 열전도도 등의 특성을 지니나 소음이 강하고, 부식에 취약하다는 단

점을 지닌다. 비석면 유기 또는 세라믹 재료의 경우 고강도, 고내열,

내마모성, 경량, 낮은 소음 등의 장점을 지니나 깨지기 쉬우며 고온에

서의 내마모성이 떨어지는 단점을 지닌다. 스포츠카나 경주용 차에 주

로 사용되는 탄소계 소재의 경우 경량, 마찰력, 내마모성, 열전도도 등

많은 장점을 지니지만 저온에서의 효율이 떨어지고 가격이 비싸다는

한계를 지니고 있다.

브레이크 패드와 디스크 간의 마찰에 의해 발생되는 미세 물질들에


때문에 최근 브레이크 패드의 소재로 관심을 받고 있는 친환경 소재

(사이잘, 아마, 대마, 주트, 코코넛 쉘, 바나나 껍질 등의 섬유 강화 복

합재료)의 경우 높은 기계적 강도와 균일한 마찰력, 내마모성, 경량, 낮

은 가격 등의 장점을 지니나 혼합 불균일성, 환경에 의한 영향 등의 단

점을 지니고 있다.

<표 3-3> 브레이크 패드 소재 특성

구분SEMI-MET

AL材LOW

STEEL材 NAO材 세라믹 係 (CERAMIC係)

제동력 △ ◎ ◎ (고온/고속 △) ◎ (고온/고속 ◎)

마모 ○ ◎ ◎(고온/고속 △) ◎ (고온/고속 ◎)

소음 ○ ○ ◎ ◎

오염 △ ○ ◎ ◎

특징

녹발생 심함 녹발생 中 고온/고속 제동력 하락부드러운 CERAMIC FIBER係 재질 사용

저온 제동력부족

저온 제동력 中 고온/고속 급격한 마모증가

CERAMIC FIBER의 특징 (1,000~1,500℃ 고온에서 사용가능)

DISC 대면 공격성大

DISC 대면공격성中

고온/고속 FADE현상 발생

고온, 고속에서 탁월한 제동력과 내마모성, 내FADE성 발휘

DISC,WHEEL 오염大

DISC, WHEEL 오염 中

내마모성이 좋아 DISC 대면공격성과 WHEEL 오염을 개선

3. 브레이크 패드의 주요 성분

- 바인더

- 강화섬유: Metal, Glass, Kevlar, Carbon, Ceramic, Natural fiber로

강도 보강


- 필러

- 첨가제: 연마재, 윤활재

가. Binder

바인더 소재는 기계적 열적 스트레스 하에서도 브레이크패드의 형상

을 유지시키는 소재를 지칭하며, 브레이크패드의 구성성분이 마찰과정

중 열적 스트레스에 의하여 분해되는 것을 방지하기 위한 목적이 있다.

바인더용 소재가 가져야 하는 이런 특성들로 인하여 일반적으로 에폭

시와 실리콘계 수지가 적용되고 있다. 바인더용 소재가 지니는 일반적

인 특징은 아래 표에 정리하였다.

<표 3-4> 바인더 소재의 장단점

바인더 소재 장점 단점

페놀계 resin 가격이 저렴하며 가공용이Brittle, 충격강도가 낮으며, 유독함, 낮은 온도에서 분해됨

COPNA resin그라파이트와 결함력 우수하여 마찰저항 특성이 페놀계 수지보다 우수함

저온에서 분해되는 특성보유

실리콘 계질된 페놀계 수지

충격강도, 내화학, 내열 특성이 페놀계 보다 우수하며, 수분에 강함

페놀계 수지기반으로 여전히 유독함

Cyanate ester 수지내열, 내화학성, 진동특성 우수

Brittle, 충격특성 부족

에폭시 계질된 페놀계 수지

내열특성 우수 유독

열가소성 폴리이미드계 수지

마모특성 우수하며 thermal fade 현상이 없음

열전도도가 페놀계 수지대비 3배이상 낮음


◼ Phenolic Resin페놀계 수지는 브레이크 바인딩 소재로 가장 일반적으로 사용되는

소재이며, 페놀과 포름알데하이드의 축합중합에 의하여 형성되며, 다른

기재와 쉽게 결합되는 특성을 보유하고 있다. 축합중합은 산과 알칼리

촉매에 의하여 중합되며, 각기 다른 형태로 페놀수지화 된다. 페놀계

수지는 450℃에서부터 탄화가 시작되어 마찰표면의 밀도가 감소되고,

기공이 증가하게 되어 궁극적으로는 전체구조를 지지할 수 없게 되며,

Brittle 하고 저온에서의 충격강도가 약하기 때문에 에폭시 레진과 같은

toughener 혹은 목질계 분말 등을 혼합하여 연성을 증가키는 경우도

있다. 이러한 이유로 인하여 페놀계 수지를 대체할 수 있는 다양한 바

인더 수지에 대한 연구가 진행 중에 있다.

◼ COPNA ResinCOPNA (condensed polynuclear aromatic resin)는 그라파이트와 유사

한 분자구조를 지니고 있어 분자 간 결합력이 매우 높고 따라서 그라

파이트가 사용된 브레이크 패드의 구조를 지지하는데 적합하다. 하지만

400-500 ℃에서 분해되기 때문에, 내열특성은 그다지 유리한 편은 아니

다.

◼ Silicone Modified Resin실리콘이 계질된 수지의 경우는 일반적으로 실리콘 오일 혹은 실리

콘 러버와 페놀계 수지를 통해서 만들어 진다. 페놀계 실록산 레진의

경우는 내열 및 내화학 특성이 일반 페놀계 수지대비 우세하며, 소수성

특성으로 인하여 브레이크 패드에 발생하는 수분 흡수에 따른 문제가

상대적으로 적다.


◼ Cyanate ester resinCyanate ester resin의 경우는 페놀계 수지와 같이 brittle 한 특징이

있지만, 350℃까지 소재의 가용 범위 내의 마찰계수를 유지할 수 있으

며, 내구성이 양호한 특징을 지니고 있다.

◼ Epoxy modified resin

일반적으로 에폭시 수지는 260℃에서 분해되는 특성을 보이며, 브레

이크 패드로 적용되기 위해서 특수한 형태의 Curing agent가 사용되는

데 이 경우 에폭시 수지의 사용가능온도는 400℃까지 증가하게 된다.

에폭시 수지는 페놀계 수지와 혼합하여 사용되며, 이 경우 내열특성 및

마모 특성이 향상되게 된다.

◼ Thermoplastic polyimide resin

폴리이미드 수지는 Fluoro resin 과 calcium carbonate를 반응하여 만

들어 지며, 페놀계 수지로 만든 브레이크 패드에서 쉽게 발생하는

Fade 현상과 급격한 패드의 마모가 없는 편이다. 또한 사출 및 기타

용융가공법을 이용하여 제조할 수 있으며, 기계적 강도 및 내열특성을

동시에 향상할 수 있다. 하지만 방열특성은 페놀수지보다 떨어지는 단

점이 있다.

나. 강화섬유

브레이크의 석면섬유는 1908년 영국의 Herbert Frood가 최초 개발한

이후 가격대비 우수한 성능으로 오랜 시간 브레이크 패드에 적용되어

왔으나, 인체 유해성 문제로 1980년대 이후에는 대체 소재가 지속적으


로 검토 중에 있다. 브레이크 패드에서 강화섬유의 역할은 마찰제의 기

계적 강성 유지이며, 연구결과(Eriksson, M., 2002)에 따르면 브레이크

패드에 의한 제동은 마찰 소재 대비 상승해 있는 작은 평면(plateaus)에

의하여 결정되는데, 이 작은 평면들은(plateaus)는 압축 연화된 구성성

분에 둘러싸인 강화섬유에 의해서 형성되기 때문에, 강화섬유의 역할은

매우 중요하다고 볼 수 있다. 평면(Plateaus)는 compacted debris에 의

해서 형성되며, 강화섬유가 없이는 형성될 수가 없기 때문에, 마찰제의

마모율은 강화섬유 함량이 증가함에 따라 감소되는 경향을 보이게 된

다.

<그림 3-12> 강화 섬유 종류

Morgen(Wear, 1999, 232, 168-175)은 동일 제동력 하에서 강화섬유

함량에 따른 특성을 분석하였는데, 이 실험 결과를 통하여, 세라믹 섬

유가 내열특성과 무게 제동성능 등에서 일반적으로는 가장 우수한 것

으로 분석하였다. 브레이크 패드의 세라믹 소재적용은 진동과, 로터의

마모감소율, 소음 특성이 우수하여 일본계 자동차 메이커와 다임러 크

라이슬러사에서 개발 초기부터 적용하기 시작하였다.


<그림 3-13> Enlarged isometric view of a used brake pad

<표 3-5> 강화섬유 종류 및 특성

소재 장점 단점

Glass우수한 Thermal resilience,높은 용융점 1430℃, 하지만 600℃에서 연화 시작됨

Brittle

Metallic열처리된 금속과 구리합급의 용용점은 1000℃이상 구현 가능

Rotor의 마모를 가속화

시킬 수 있으며, 부식

Aramid무게대비 Stiffness 우수하며, Thermal resilience가 좋음

Soft, 타 섬유소재와 함께

사용할 수 없음

Potassium

titanate

Thermally resilient (최대용융점 약 1371℃); 마찰저항력 우수, 경도높음

유해물질

SepioliteThermally resilient (최대용융점 약 1550℃);

유해물질

CeramicThermally resilient (최대용융점 약 1700 – 2040℃), 무게대비 우수한 Stiffness

Brittle


◼ Metallic Fiber금속 칩 혹은 Granules 형태로 사용되는 금속강화섬유는 일반적인 섬

유 형상은 아니지만, 강화섬유로 구분되어 브레이크 패드에 적용되고

있다. 금속섬유는 Steel, Brass, Copper 등이 사용되나, 장기간 미사용시

나, 해안가 지역 환경에서는 부식 등에 문제 발생 가능하여 브레이크

성능저하에 원인이 될 수 있다. 또 다른 문제점은 금속섬유의 경우 디

스크의 마모를 촉진할 수 있는 단점을 갖고 있지만, 열전도성이 높아

마찰표면의 열을 효율적으로 방출 할 수 있는 특성이 있다.

◼ Glass Fiber유리섬유의 브레이크 패드적용은 1970년대로 거슬러 올라가며, 석면

의 용융점인 800-850℃ 대비 높은 1430℃의 용융점을 보유하고 있어

내열특성은 우수하나, 열전도도가 0.04W/mK로 매우 낮아 불리한 특성

을 갖고 있다.

◼ Aramid Fiber

아라미드 섬유는 isophthalic 혹은 terephthalic acids 와 m-/p-

phenylenediamine 의 축합중합으로 만들어진 제품으로 일반적으로 알

려진 Kevlar 섬유대비 상대적으로 soft한 특성을 지닌 섬유이며, 우수한

내열특성과 무게대비 우수한 stiffness. 를 지니고 있다. 카본섬유, 아라

미드섬유는 anti-fade 특성이 석면소재 대비 우수하다. 또한 아라미드

섬유는 상대적으로 쉽게 프레이크 패드에 가공할 수 있으며, 마모특성

도 우수한 편이다.


◼ Potassium titanate (K2TiO3)

포타슘타이타네이트는 높은 용융온도(1250-1310℃)을 지니며, 브레이

크 패드용 소재로 연구되었으나, 흡입 시 중피종의 원인이 되는 일종의

발암물질로 사용이 제한되어 왔지만, 인체 흡입이 어려운 형태인 파우

더 타입으로 변경하여 적용하는 방안이 Akebono Brake Industry에서

연구된 적이 있다.

◼ SepioliteSepiolite 는 마그네슘 실리케이트의 섬유형상의 무기질로 다공성을

지니고 있으며, 양이온 교환능력으로 수분 흡수 특성이 우수하며 고온

환경에서 안정적이다. Sepiolite는 약 1000℃에서도 마이크로 다공주고

와 섬유형상을 유지하는 것으로 보고되어 있다. 하지만 인체유해물질로

분류되어 사용에 제한이 있다.

◼ Ceramic fiber

세라믹 섬유는 금속섬유 대비 상대적으로 새로운 형상이며, 일반적으

로는 금속산화물인 알루미늄옥사이드나 실리콘 카바이드 등과 같은 원

료이다. 높은 용융점을을 갖고 있으며 가볍고 강성이 우수하여, 브레이

크 패드뿐만이 아니라 디스크용 소재에도 적용되고 있다.

다. Fillers

충전재는 일반적으로 브레이크 패드의 가공성과 비용절감을 위해서

사용되지만, 주 소재들의 부족한 특성을 보완하는 용도로도 사용되고

있다. 예를 들면 금속패드의 경우 브레이크 소음을 유발하는 경우가 있

는데 이 경우에는 cashew와 mica 등의 충전제가 사용되며, 브레이크패


드의 내열특성을 향상하는 경우나 크랙을 방지하기 위해 사용하는 경

우도 있다. 충전재는 보통 유기와 무기 충전재로 구분이 되며, 기초적

인 특성은 아래 표에 정리하였다. 무기 충전제는 Barium sulphate,

Mica, Vermiculite, Calcium carbonate 등이 있으며, 높은 용융온도를 갖

고 있다. 유기 충전제의 경우는 Cashew, rubber 등의 소재가 적용되며,

일반적으로는 소재가 같은 우수한 viscoelastic 한 특성을 이용하여 브

레이크의 소음감소 시킨다. 하지만, 이런 유기 충전제는 패드에서 상대

적으로 쉽게 분리되어 큰 기공을 만들고 궁극적으로는 크랙을 유발하

게 되는데 이를 방지하기 위하여 코팅제나 혹은 접착제가 함께 적용되

기도 한다.

<표 3-6> 충전제에 따른 용도 분류

Filler 용도

Barium sulphate 내열특성 향상

Calcium carbonate 내열특성 향상

Mica 저진동에서의 브레이크 노이즈 감소

Vermiculite 저진동 노이즈 감소/내열특성 약함

Alkali metal titanates 마찰성능 향상

Molybdenum troxide Thermal fade 감소와 라이닝의 크랙 방지

Cashew dust 마찰소음 감소

Rubber dust 마찰소음 감소

다. 마찰첨가제

마찰첨가제는 마찰계수 및 마모율을 조정하기 위해 첨가되는 구성성

분으로 마찰계수와 마모율을 낮추는 윤활제와 반대로 상승시키는 연마


제로 크게 구분되며, 브레이크의 중요한 특성을 조정할 수 있는 구성요

소로 매우 중요한 역할을 하고 있다. 아래 표에 일반적인 마찰첨가제에

대하여 서술하였다.

<표 3-7> 마찰 첨가제에 따른 용도 분류

마찰첨가제 용도

Graphite널리 사용되는 윤활제로, 천연에서 혹은 합성이 가능하다. 일반적으로는 Flake 혹은 파우더 형상이며, Self sustaining 윤활층을 형성한다.

Metal sulphides그라파이트 대비 낮은 전도특성을 지니지만 우수한 윤활 특성을 보인다. 안티몬, 주석, 구리 납, 황화물 등이 있다.

Metal oxides/silicates연마제의 경도범위는 500HV(쿼츠)부터 1750HV(산화알루미늄)까지 있으며, 실리콘옥사이드, 지르코늄실리케이트, 지르코늄 옥사이드, 알루미늄 옥사이드 등이 있다.


제2절 연구 개발 동향

1. 브레이크 패드의 연구개발 동향

브레이크 패드의 개발방향은 유럽주도의 고 마찰계수 및 내 Fade 특

성이 우수한 Low Steel계 마찰재와 미국과 일본 주도의 NVH 성능이

우수한 NAO 타입이 주류를 이루고 있는데, 현대모비스에서는 두 소재

의 장점을 발현할 수 있는 하이브리드 타입의 소재를 연구 하였으며,

퓨전형 마찰재는 저금속성 마찰재의 높은 마찰계수와 내 Fade 특성을

유지하면서 비석면계 마찰재의 유기 이차막을 적절히 형성하여 우수한

마모 특성을 나타냄을 확인 하였다.

<그림 3-14> 브레이크 소재별 특성 분석표

Source: KSEA 2009


스위스의 Timcal 사에서는 미국에서 새롭게 시행되는 환경규제 (구리

함량을 5% 이하로 최종적으로는 0.5 이하로)에 대응하며 구리가 지닌

마모안정성과, 방열특성, 소음방지특성을 구현하면서도 이를 대체할 수

있는 그라파이트에 관련된 연구를 수행하였다. 연구진은 그라파이트 종

류와 표면형태, 입도크기의 분포를 달리하여 발생되는 소음특성 등에

대한 연구를 수행하였다.

- 녹색점 60db 이하, 황색점 80 db 이하, 붉은점은 80db 이상

<그림 3-15> 속도변화에 따른 소음레벨


[출처] Gilardi R. (2012) Materials

<그림 3-16> 소재별 특성에 따른 브래이크 패드의 방열 특성 분석

분석 결과 그라파이트가 첨가된 브레이크 패드의 방열특성과 소음

특성은 첨가되지 않은 경우 대비하여 모두 향상된 결과를 보였으나, 그

라파이트의 Morphology에 따른 방열 특성 패턴은 각기 상이한 것으로

분석되었으며, 입도크기분포에 따른 특성은 크지 않았다. 소음과 방열

특성 향상을 가장 큰 영향을 미친 변수는 앞서 언급되었던 그라파이트

의 Morphology로 분석되었으며, 이는 그라파이트의 표면 거칠기가 높

을수록 페놀계 수지와의 접착성능이 향상되어 그 결과로 NVH 성능이

함께 향상되는 것으로 설명하였다.

한국타이어 신소재 연구팀 또한 친환경 마찰재 개발을 위하여 우수

한 내화학성과 내열성을 지닌 티탄산칼륨(K2OnTiO2)을 적용한 마찰재

연구를 수행하였으며, 티탄산 칼륨의 Morphology에 따라서 마찰계수와

내마모성, 제동 시 최대온도, Disc 조도 등에 미치는 영향이 각기 상이


함을 확인하였다.

[출처] 정근중 2009 KSAE

<그림 3-17> 티탄산칼륨의 형태

2. 브레이크 캘리퍼 경량화

브레이크 캘리퍼는 브레이크 패드를 디스크 브레이크에 밀착시켜 앞

바퀴 브레이크를 잡아주는 장치이다. 브레이크가 작동하고 있을 때는

마스터 실린더가 유압을 받으면, 실린더 안의 브레이크 오일이 유압을

발생시켜 실린더 안에서 좌우로 힘이 작용하게 되며, 이 때 좌로 작용

하는 힘은 피스톤을 미끄러지게 만들어 안쪽 패드를 디스크에 압착하

고, 우로 작용하는 힘은 하우징을 오른쪽으로 미끄러지게 만든다. 이렇

게 되면 바깥쪽 패드가 디스크에 압착되어 안쪽 패드와 동시에 마찰력

을 일으키고 기계적 에너지를 열에너지로 변환시키면서 제동하게 된다.


<그림 3-18> 제동 시스템의 캘리퍼

캘리퍼는 유압에 의한 브레이크 패드 축력에 대하여 저항하는 구조

물이므로 유압으로 인하여 변형이 발생하면 유압손실로 인한 마찰력

감소 현상이 발생하며, 결국엔 제동성능이 저하될 수 있다. 기존에는

주철 혹은 알루미늄으로 제작되어 충분한 강성을 확보하였다. 주철은

탄성계수가 큰 대신에 비중이 크므로 최근에는 알루미늄 소재를 사용

한 캘리퍼 제작이 크게 증가하였으며, 구조적으로 불필요한 부분을 없

애는 프레임 형태의 캘리퍼가 개발되고 있다.

<그림 3-19> 주철 캘리퍼 및 루미늄 캘리퍼

고성능 제동력을 얻기 위해서는 캘리퍼 내의 패드가 더 큰 압력으로


디스크와 마찰되어야 하고 증가된 압력에 의한 캘리퍼의 변형이 없도

록 크기 또한 커져야 하지만 크기 증가에 따른 무게 증가로 연비 손실

을 가져오고 캘리퍼가 설치되는 공간은 한정적이기 때문에 본질적으로

재질의 변화가 필요하다. 기본 복합소재보다 우수한 물성을 보이고 있

으나, 가격 경쟁력이 형성되어 있지 않아 부품 적용이 확대되지 못하고

있는 실정이다.

◼ 하이드로 포밍(Hydroforming Process) 기술

하이드로 포밍 기술은 복잡한 형상의 성형으로 사전에 굽힘이나 압

축 공정을 거침으로 단일 구조 형태로 주조하는 기술을 말하며, 기존의

프레스 성형을 대체하는 기술로 부품을 부분적으로 성형하지 않고 일

체형으로 성형하는 기술이다.

<그림 3-20> 하이드로포밍 공정(Hydroforming Process)

성형이 비교적 용이한 알루미늄 소재의 일체 성형에 사용되며, 주로


브레이크 캘리퍼 개발에 적용되고 있다. 복잡한 구조의 캘리퍼를 일체

형으로 성형하여 공정수를 삭감하고 스폿 용적을 위한 플랜지가 없고

추가 접합을 위한 나사들이 필요하지 않아 보다 무게를 경량화 할 수

있다.

3. 브레이크 부스터 경량화

브레이크 부스터는 자동차 제동장치 중 하나로 운전자가 브레이크

페달에 가하는 힘을 증폭시키는 장치이다. 기존 일반 부스터는 페달의

힘을 받은 푸시로드가 셸 안으로 들어가면서 진공 상태가 만들어질 때

발생되는 힘을 지탱하기 위해 셸의 두께를 두껍게 해서 무게가 무거웠

으나 현대모비스에서 개발한 타이로드 부스터는 셸 안에 강성이 높은

타이로드 두 개가 삽입돼 셸 두께를 가볍게 할 수 있다. (10인치 기준

으로 약 500ｇ의 경량화가 가능함) 일반 부스터는 실내 공간에 스프링

만 있는 반면 타이로드 부스터는 나사 두 개가 길게 박혀 있는데 이

두 개의 기둥이 브레이크 페달 제동 시 부스터 셸에 가해지는 압력을

낮춰주기 때문에 셸의 두께를 얇게 할 수 있다.

<그림 3-21> 브레이크 부스터 경량화


부품 기존소재 신소재 경량화율(%)

스티어링너클 주철 알루미늄 합금 37.5

서스펜션암 주철 알루미늄 합금 31.2

드라이빙샤프트 철강 알루미늄 합금 66.7

허브 철강 고속도공구강 31.3

브레이크파이프 철강 플라스틱 22.2

토션빔 철강 고속도공구강 23.8

클러치하우징 철강 알루미늄 합금 69.4

브레이크드럼 철강 알루미늄 합금 52.3

<표 3-8> 자동차 부품 경량화 사례와 경량화율


제 4 장 자동차 브레이크 시스템 개발 동향

제1절 자동차 브레이크 시스템 기술 발전 동향

최근 ABS(Anti-Lock Brake System)를 능가하는 차세대 브레이크 시

스템이 개발되면서 향후 차량의 안전성 향상 및 사고방지에 크게 기여

할 것으로 전망된다. 한때, 첨단 브레이크로 인식되었던 ABS는 급제동

시 제동거리 단축에 따른 사고 방지 효과가 인정되어 대형 차량에 대

한 설치를 의무화 하는 등 이제는 보편화된 기술로 정착되었다.

그러나, 최근 들어 자동차 기술의 핵심 목표로서 연비 향상과 더불어

차량의 안전성 향상이 크게 대두됨에 따라 ABS 보다 제동 성능은 물론

좌우방향 미끄러짐과 흔들림을 크게 개선한 브레이크 시스템의 개발이

활발히 진행되고 있다.

<그림 4-1> 브레이크 시스템의 기술 발전 동향

최근 차세대 브레이크 시스템은 전기식 제동장치(Brake-by-Wire)로

기계식 조종 방식을 by-Wire에 의해 대체함으로써 얻을 수 있는 기대


효과로는 설계 및 수정의 유연성을 확보할 수 있기 때문에 디자인과

경량화 측면에서 유리하여 연비를 크게 향상시킬 수 있으며 우수한 첨

단 제어기술의 적용이 가능하다는 점이다. 특히 전기식 제동장치의 경

우 운전석에서 자동차의 모든 바퀴에 이르는 복잡한 유압식 또는 공압

식 제동 계통을 단순한 와이어에 의해 대체함으로써 그 효과를 더욱

극대화시킬 수 있고 제동 시 응답시간을 획기적으로 감소시켜 제동거

리를 단축시킴으로써 사고예방에도 크게 기여할 수 있다는 장점으로

그 활용 가능성이 매우 기대되고 있다.

특히, 이러한 차세대 브레이크 시스템은 종래에 비해 전자제어 기능

이 크게 향상된 것으로서 최근 개발되고 있는 지능형 자동차의 전자제

어 대상에 통합되어 제어될 경우 제동성능 향상과 더불어 자동운행 기

능, 주행성능 개선, 주행 시 안락성 향상에도 크게 기여할 것으로 예상

된다. 다만 제동장치의 경우 자동차 안전에 매우 중요한 부품이므로 기

계식 부품을 전자화하였을 경우에 발생할 수 있는 제어계통의 오류 및

단전, 단선 등에 대한 충분한 안전성이 담보되어야 하는 숙제가 남아

있다.


Brake by Wire 시스템 유압시스템

[출처 : 현대모비스]

<그림 4-2> Brake by Wire와 기존 유압식 제동장치

전기식 제동장치는 그 구현 방식 및 발전 단계에 따라 전기유압식

(EHB)과 전기기계식(EMB) 및 그 혼합형인 Hybrid EMB로 분류할 수 있

다.


제2절 자동차 브레이크 시스템의 종류

1. ABS(Anti Lock Brake System)

ABS(잠김방지 브레이크 시스템)는 급제동시 바퀴의 회전이 완전히 정

지되는 현상, 즉 “잠김 현상:으로 인한 차량의 미끄러짐을 해소하기

위해 짧은 시간 간격으로 바퀴의 회전을 허용하여 잠김 현상이 방지되

도록 함으로써 제동거리를 단축하는 시스템이다. ABS 시스템은 1952년

영국 Dunlop사가 항공기용으로 개발한 이래, 1966년 미국 크라이슬러

와 포드에서 승용차에 채용하면서 개발에 박차를 가하게 되었다. ABS

시스템은 주행하는 노면이 빙판, 빗물 등으로 어떤 악조건이 생기더라

도 완전 로크시키지 않음으로써 운전자는 핸들의 조절을 가능하게 하

면서 가능한 한 최단 거리로 차량을 정지시킬 수 있게 하는 장치이다.

ABS 시스템의 브레이크 액은 각 바퀴별로 노면의 조건에 따라 달라지

므로, 바퀴의 미끄러짐을 방지하여 핸들의 조향 성능을 최대한 유지하

면서 바퀴가 미끄러지기 직전의 상태로 각 바퀴의 제동을 On, OFF로

제어하는 것이다. ABS 시스템은 2007년부터 유럽에서는 신차에 의무

장착되었으며, 미국에서는 2011년 9월부로 FMVSS 규정에 따라 전자 안

정성 제어(Electronic Stability Control)와 함께 ABS를 의무화하고 있다.


[출처] 기아자동차

<그림 4-3> ABS 효과

ABS를 구성하는 주요 부품은 속도 센서(speed sensors), 밸브(valves),

펌프, 컨트롤러이다. 속도센서는 휠의 가속도 또는 감속도를 결정하는

데 사용하며, 이러한 센서 신호를 생성하기 위해 자석과 와이어의 코일

을 사용한다. 각 바퀴에 설치되어 있고 각 바퀴의 회전 속도를 검출해

슬립율을 산출한다.

슬립율(λ) = (차의 속도 – 실제속도(타이어 속도))/차의 속도) X 100 %

ABS에 의해 제어된 각 브레이크의 브레이크 라인에는 밸브가 있다.

보통 밸브는 3단계로 작동되며, 첫 번째로, 밸브는 개방되고 마스터 실

린더의 압력은 브레이크에 가해진다. 두 번째로, 운전자가 브레이크 페

달을 과하게 밟았을 때 압력이 상승하는 것을 방지하기 위해 라인을

차단한다. 세 번째로 밸브는 브레이크 압력의 일부를 해제한다. 밸브

시스템 문제점의 대부분은 밸브 막힘으로 발생하며 밸브가 막힌 경우

열거나 닫히는 작동을 할 수 없으며 이는 브레이크에 공급되는 압력을


제어하지 못하고 밸브를 조작할 수 없다.

ABS의 펌프는 밸브를 해제한 후, 유압 브레이크로 압력을 복원하는

데 사용된다. 휠 미끄러짐을 감지하였을 때 컨트롤러부터의 신호로 밸

브는 압력을 해제하고, 이 후 펌프는 제동 시스템의 압력을 복원하는데

사용된다. 컨트롤러는 압력의 적정량을 제공하고 미끄럼을 감소시키기

위해 펌프의 상태를 조절한다.

컨트롤러는 ECU(Electric Control Unit) 타입으로 각각의 휠 속도 센

서로부터 정보를 받아들여 차속과 바퀴의 회전상황에서 최적의 제동력

이 작용하도록 휠 실린더로 지시를 하고 시스템 전체를 제어한다.

[출처] www.roaddriver.co.uk

<그림 4-4> ABS 시스템 구성도


ABS시스템은 ABS시스템에 전자제어제동력 배분장치(Electronic Brake

force Distribution, EBD)가 장착된 시스템으로 발전하고 있다. 일반 차

량의 경우 앞 바퀴에 제동력이 집중되기 마련이지만, 화물이나 탑승 인

원이 많아 차량 뒷부분의 무게가 늘어나게 되면 제동력을 다시 조정해

야 하는 문제가 생기게 된다. EBD-ABS는 이를 방지하기 위해 차량의

각 바퀴에 전달되는 무게에 따라 제동력을 가장 알맞은 상태로 배분해

주는 장치이다. 이 시스템은 승객에 따라 선회하는 정도에 따라 각 바

퀴에 전달되는 제동력을 다르게 주는 것이 특징이며, EBD-ABS가 장착

된 차량은 앞으로 나아갈 때 높은 안정성을 유지할 수 있다.

[출처] 르노삼성자동차

<그림 4-5> EBD 시스템 효과(미장착 차량(상)과 장착 차량(하))

이 외에도 TCS(Traction Control System) 및 ASR(Anti Spin Reqular)가

있다. TCS는 ABS가 가지는 기능 외에 가속 순간의 접지력을 최대한

활용하기 위해 제동과 가속을 반복함으로써 바퀴가 헛도는 것을 방지

해주는 장치이다. TCS가 장착되지 않은 경우 눈길이나 빙판길 혹인 미


끄러운 언덕길에서 구동을 하거나 주행을 할 때 바퀴가 헛돌거나 조향

이 제대로 되지 않는 경우가 발생한다. 그러나 TCS가 장착된 차량의

경우는 빙판길과 같은 저마찰 노면이나 바퀴의 좌우 상태가 다른 노면

에서 출발을 하거나 속도를 높일 때 구동력을 확보하고 조정 안정성을

향상시켜 운전자의 안전 운전을 도와주는 기능을 한다.

ASR은 브레이크를 밟는 과정에서가 아니라 가속 페달을 밟는 과정에

서 바퀴가 헛돌지 않게 해주는 기능이다. ASR은 브레이크 제어 이외에

운전자가 가속 페달을 밟는 정도에 관계없이 노면 상태에 따라 엔진의

출력을 조절함으로써 미끄러운 노면에서 발진, 선회, 차선 변경 등의

가속 시에도 구동 바퀴의 공회전 또는 미끄러짐을 억제하여 최적의 구

동력 확보 및 차량 안전성을 향상시키는 시스템을 말한다.

이보다 발전된 시스템으로 ABS, TCS, EBD 시스템 등을 포함한

VDC(Vehicle Dynamic Control, 차체자세제어)가 있으며 쉽게 말해 차량

을 미끄러짐으로부터 안전하게 보호하는 차량 안전 시스템이다. 여기에

는 구동 중일 때 바퀴가 미끄러지는 것을 적절히 조절하는 TCS, ABS,

EBD, 자동감속제어, 요모멘트제어(yaw moment control, 한쪽으로 쏠리

는 것을 막는 자세제어)따위가 모두 포함된다. VDC 장착으로 교통사고

의 80%가 줄어들었다는 연구결과도 있으며, 최근 만들어진 안전 장치

중에 가장 효율적이란 평가를 받고 있다.


[출처] 기아자동차

<그림 4-6> VDC 효과

2. ESC(Electronic Stability Control) or ESP(Electronic Stability Program)

ESC(차량 자세 안정시스템)는 차체에 설치된 각종 센서로 부터 감지

된 데이터를 기초로 차량의 미끄러짐 현상을 실시간으로 감지하여 각

바퀴의 제동력을 개별적으로 제어함으로써 곡선 주행시 조향 성능을

향상한 기술이다. 차체가 언더 스티어(관성 때문에 회전반경이 커지는

현상) 혹은 오버스티어(회전반경이 작아지는 현상)인 상태로 밸런스를

잃을 때 ESC가 작동해 바퀴에 제동을 걸어주고 엔진 출력을 낮추면서

차체의 움직임을 제어해 균형을 잡아주는 역할을 하는 것이다.


[출처] Continental-automotive

<그림 4-7> ESP시스템 작동 원리

ESC는 안전운전에 대한 트랙션 컨트롤(traction control)을 사용한다.

ESC는 수직축의 좌우 움직임의 모니터링을 담당하고 있다면, 트랙션

컨트롤은 전후 이동을 담당하고 있다. 트랙션 컨트롤 시스템이 바퀴의

미끄러짐을 감지하는 경우, ESC 센서는 미끄러지는 방향을 찾아내고

스티어링 휠의 각도와 차량이 미끄러지는 방향 사이에 차이가 있을 경

우 ESC는 적절한 휠(하나 또는 여러 개)에 ABS가 작동하도록 하고 차

량 속도를 감소시키도록 제어한다.

ESC 정보는 세가지 유형의 센서를 통해 차량의 중앙 컴퓨터에 공급

된다. 휠 속도 센서(Wheel speed sensors)는 각 바퀴에 장착되어 있으


며 바퀴 속도를 측정하여 엔진 속도와 비교하는 역할을 수행한다. 조향

각 센서(Steering angle sensors)는 운전자가 차량을 목표로 하고자 하

는 방향을 측정하며 이 자동차가 실제로 주행 방향과 다르다면 ESC 시

스템이 작동한다. 회전 속도 센서(Rotational speed sensor)는 요 센서

(yaw sensor)로서 알려져 있으며 이는 차량의 좌우 운동을 측정하며 자

동차 중간에 하나가 있다. 이 외에도 가속페달 센서와 압력센서가 있으

며 차량 거동을 감지하기 위한 측방향 가속도 센서 등으로 구성된다.

[출처] VW

<그림 4-8> ESP시스템 구성 부품 예

안전운전에 ESC의 가장 중요한 역할은 충돌의 횟수와 심각성을 줄일

수 있다는 것이다. 대부분의 운전자는 폭풍우, 얼음 또는 눈으로 덮인

갑작스런 지면과 같은 어떤 점의 불쾌하고 미끄러운 주행 조건에서 사


고가 발생한다. ESC는 오늘날의 차량에 장착된 다른 안전 및 규제 장

치와 함께 운전자가 도로에 제어를 유지하는데 도움이 될 수 있다.

3. EHB (Electro-Hydraulic Brake)

EHB(전기유압식 브레이크)는 엔진의 동력에 의해 작동하던 종래의

유압식 브레이크를 개선한 것으로서, 전기모터에 의해 유압을 발생시켜

제동하는 방식이며, 엔진 정지 시에도 제동이 가능하여 하이브리드 자

동차에 적용되고 있다.

EHB는 by-Wire 시스템의 구조를 가지지만 여전히 유압을 매개체로

사용하기 때문에 습식(Wet type)으로도 불리며, Bosch의

SBC(Sensotronic Brake Control)와 도요타 프리우스에 적용된

ECB(Electronically Controlled Brake) 및 현대자동차 YF 쏘나타 하이브

리드에 적용된 HPU(Hydraulic Power Unit) 등이 대표적인 예라고 할 수

있다. 이 방식은 기존의 유압식 제동장치와 EMB의 중간단계로 볼 수

있으며, 브레이크 페달에 장착된 감지센서에 의해 운전자의 제동 작동

이 감지되면 자동차의 두뇌에 해당하는 ECU는 유압제어부(Hydraulic

Control Unit)를 제어함으로써 각 바퀴의 캘리퍼에 적절한 유압을 보내

주어 제동이 되게 하는 구조이다.


[출처] FISITA 2012 World Automotive Congress

<그림 4-8> Control logic of the EHB

<그림 4-9> ESP와 EHB 시스템 비교


EHB의 구성 부품은 기존의 휠 속도 센서, 조향각 센서, 센서 클러스

터(yaw rate + lateral acceleration), 기존 휠 브레이크 외에 EHB HU +

ECU, 전기적 페탈 모듈(Electronic pedal module with pedal feel

simulator and sensors) 등으로 되어 있다.

4. EMB(Electro-Mechanical Brake)

EMB(전기기계식 브레이크)는 종래의 유압식을 브레이크액이 필요없

는 기계식으로 전환한 것으로서 각 바퀴에 설치된 전기모터가 직접 힘

을 가하여 제동력을 형성하는 방식이며, 유압식에 비해 정밀제어가 가

능하고 최근 개발되고 있는 전기 자동차에 활용될 전망이다. 이 방식은

모터에 의해 캘리퍼를 작동시키는 방식으로 비교적 큰 제동력이 필요

한 전륜의 경우 기존 12V로는 불가능하기 때문에 한때 42V 시스템으

로 차량 전장체계의 설계변경이 검토되었으나, 현재는 쐐기형 구조의

강한 마찰력을 이용하여 작은 전압(12V)로도 큰 제동력을 낼 수 있는

전자웻지캘리퍼(Electronic Wedge Brake, EWB)가 개발되어 향후 점차

로 전륜은 EWB, 큰 제동력이 필요하지 않은 후륜은 EMB 형식으로 개

발이 진행되고 있다.


<그림 4-10> EHB와 EMB 비교


<그림 4-11> EMB의 시스템 레이아웃

5. Brake-by-Wire

국내업체(현대모비스, 만도 등)에서는 ABS를 비롯한 EBD, TCS, VDC,

ESC 시스템 개발이 완료되어 일반 자동차에 적용되고 있다. 또한 EHB

시스템은 국내 하이브리드 자동차에 적용되고 있다. 하지만 EMB 시스

템은 아직까지 연구 단계 수준으로 선진기술 대비 기술경쟁력 확보를

위해 많은 노력이 필요한 부분이라고 할 수 있다.


<그림 4-12> 제동 시스템 부품-현대모비스

<그림 4-13> Brake-by-Wire 시스템 부품-현대모비스


EHB 시스템은 Bosch, Continental-Teves, Delphi, Toyota,

Mercedes-Benz 등에서 상용화되어 있다. 전자식 브레이크 시스템은 각

각의 구성부품도 중요하지만 이를 구동하기 위한 레이아웃이 매우 중

요하다.

<그림 4-14> EHB의 구성부품(Bosch)

Continental의 최신 MK C1제품의 경우 브레이크 기능, 브레이크 부스

터 및 브레이크 압력 제어모듈(ABS, ESC)이 컴팩트하고 가벼운 브레이

크 유닛으로 통합됐다. 이는 시스템이 완벽한 전기 유압시스템(EHB)이

기 때문에 가능하며, 전기적으로 작동된 긴급 브레이크 테스트에서 브

레이크 거리가 종전의 시스템들보다 훨씬 짧게 나타난다고 밝혔다.


<그림 4-15> MK C1(continental)

EMB 시스템은 아직 상용화되지는 않았지만, 최근 양산형 모델 개발

이 거의 완료된 상황이다. Continental은 완전한 EMB 시스템을 개발하

였으며, 이는 전기식 모터와 기어박스를 사용하며, 핵심 구성 요소는

파킹 브레이크 래치(parking brake latch)이다.


<그림 4-16> Full electric drive-by-wire system (continental)

독일의 Siemens VDO는 프로토 타입의 EWB(electric wedge brake)로

시장을 선두하기 위해 노력하고 있다. EWB는 eSTOP이라는 회사에 의

해 개발된 기술을 기초로 하는 혁신적인 아이디어이다. Siemens는

2005년 초에 eSTOP을 인수하여 이후 EWB 개발을 계속 추진하였다.

이 시스템은 작은 압력으로 큰 제동력을 부여할 수 있기 때문에 앞서

설명한 바와 같이 EMB 시스템에서 전륜 제동에 사용될 수 있다.


<그림 4-18> Siemens VDO EWB

[출처] 현대모비스

<그림 4-19> 전동 켈리퍼 및 전자 웻지 캘리퍼 원리


6. 브레이크 시스템의 향후 전망

유럽의 한 연구기관(Research and Markets)의 조사결과에 의하면

X-by-Wire에 의한 비용 절감 효과가 2010년 3.2억 유로에서 2015년

6.6억 유로로 늘어날 것으로 기대되고 있다. X-by-Wire의 대표격인 전

기식 제동장치는 연비향상 효과와 설계용이성, 첨단제어기술 적용 등

제동장치의 혁신을 기대할 만큼 우수한 장치임에는 틀림없으나, 아직까

지는 전자제어장치의 오류나 오작동 등에 대비한 안전성 확보 및

Fail-Safety에 대한 보다 신뢰할 수 있는 대비책 마련이 필수적이다.

현재 EHB의 경우 이미 2000년대 초반부터 많은 하이브리드 자동차에

양산 적용되어 있으며, EMB는 지멘스, TRW, Continetal-Teves 등 유수

의 자동차 부품 회사에서 최근 양산형 모델 개발에 거의 완료된 상황

이다.

아직까지는 시판중인 완성차에 Full Brake-by-Wire가 적용된 예는 없

지만 시장도입을 막는 특별한 제도 법규적인 장벽이 없는 현실에서 앞

서 언급했듯이 첨단기술 적용과 설계의 용이성 및 연비향상, 원가 절감

등 수많은 잠성으로 인해 가까운 시일 내에 고장 안전에 대한 보완과

함께 완성차에도 활발히 도임될 것으로 기대되며, 일단 도입된 후에는

단기간 내에 기존 기계식 제동장치를 대체할 수 있을 것으로 예측된다.


제3절 회생제동 브레이크 시스템

1. 회생제동 브레이크 시스템 개요

회생 제동 장치는 자동차가 주행 시에 가지고 있는 운동에너지를 감

속 시에 다른 형태의 에너지 형태로 울트라 커패시터(Ultra Capacitor)

와 같은 에너지 저장장치에 일시 축적하였다가 발진, 가속, 등판 시에

재사용하는 일련의 시스템을 말한다. 해당 기술은 전기자동차가 휘발유

자동차에 비하여 1회 충전 항속거리가 짧다는 단점을 보완하기 위하여

개발되었으나, 현재는 전기 자동차뿐만 아니라 하이브리드 자동차와 연

료 전지 자동차에서 연비 개선의 목적으로 사용되고 있다.

<그림 4-20> 회생제동 시스템 개략도

운전자가 브레이크 패달(Pedal)을 밟음으로써 발생하는 유압을 검출

하고 해당 유압에 상당하는 제동력이 발생되도록 인버터를 제어하여

모터에 음의 토크를 발생시킨다. 이 때 해당 모터는 역기전력을 발생시

키는 발전기로써의 역할을 수행하여 생산된 전력을 이차전지나 울트라

커패시터에 축전한다. 검출된 유압을 분석하여 모터에서 발생시킬 수

있는 제동력 범위 내에서는 우선적으로 회생 브레이크를 작동시키고,


이상의 제동력에서는 회생브레이크 시스템의 협조 밸브를 통하여 유압

브레이크를 동시에 작동시켜 마찰 제동을 실시한다.

<그림 4-21> 회생제동 시스템 작동 과정

제동 시 회생제동 시스템 내에서 발생하는 에너지의 흐름을 아래 그

림에 나타내었다. 그림에 나타난 바와 같이 가능한 많은 에너지를 회생

시키기 위해서는 각 손실에너지를 적극적으로 저감시키는 것이 효과적

이 된다.

<그림 4-22> 회생제동 시 에너지 흐름도


이러한 회생제동에 의한 에너지 절감 효과는 모터, 배터리의 용량과

적용 대상 자동차의 운전 전략에 따라 달라지지만 30kW급 모터를 장

착한 하이브리드 자동차의 경우 도심 주행 시 동급 차량 대비 100% 이

상의 연비 향상 중 회생 제동에 의한 개선이 전체의 약 35%를 차지한

다고 알려졌다. 따라서 회생제동 기술은 하이브리드 자동차뿐만 아니라

전기 및 연료전지 자동차와 같이 에너지 저장 장치를 가지고 있는 전

기자동차에서 에너지 절감과 이에 의한 배기가스 감소효과를 얻을 수

있는 핵심 기술이다. 회생제동의 적용에 의한 효과는 연비 향상뿐만 아

니라 기계적 제동의 부담 감소로 인한 브레이크 패드의 수명 연장 및

전자식 브레이크 시스템의 확장을 통한 차량 안전성과 제동 응답성 향

상을 가져온다.

<그림 4-23> 하이브리드 자동차의 연비개선 효과


2. 회생제동 브레이크 시스템 개발 동향

회생제동의 일반적인 수단은 발전기, 전동기, 배터리의 전기에너지식,

플라이휠을 사용하는 운동에너지식, 펌프·모터, 어큐뮬레이터를 사용

하는 유압에너지식이 있다. 플라이휠을 이용하는 운동에너지식은 오래

전부터 트롤리 버스 등에서 실용화가 시도되었고, Volvo, Benz, Fiat가

시작차를 발표하였으나 관성 질량의 경량화, 하우진의 진공 기술, 베어

링, 안전성, 자이로 현상 등의 문제로 실용화에 이르지 못하였으나, 최

근 볼보 자동차 그룹에서 순수 기계식 하이브리드 플라이휠 회생제동

시스템을 개발하여 일반도로에서 기술 테스트를 완료한 바 있다.

<그림 4-24> 운동에너지식 회생제동 장치- Volvo 社 “Flyweel KERS”

유압식은 운동에너지와 유압에너지를 변환함과 동시에 무단 변속기

기능을 하는 가변 용량 펌프·모터와 질소 가스를 봉입한 어큐뮬레이


터로 구성이 되며 플라이휠 식에 비교하면 에너지 저장량은 떨어지나

제어와 제작이 용이하고 전기식 보다는 출력과 중량 면에서 유리하게

때문에 대형차에 실용화를 연구 중이며 독일 중심으로 노선버스, 건설

중장비에 적용시키는 연구가 이루어져 왔다.

<그림 4-25> 유압에너지식 회생제동 장치

운동에너지를 전기에너지로 변환하여 배터리에 충전하는 전기에너지

식은 하이브리드 자동차, 전기자동차, 연료전지 자동차 등의 개발 추진

에 따라 최근 연구개발이 활발하게 이루어지고 있으며, 특히 하이브리

드 자동차에는 1997년에 이미 상용화되었다. 최근에는 Electrical

Hydraulic Brake system(EHB)에 전기에너지식 회생제동이 협조제어 로

직과 결합하여 협조 회생제동 시스템이 적용되고 있다. 기존의 엔진 부

압을 이용한 브레이크 부스터를 제거하고 유압으로 배력하는 유압 브

레이크 부스터를 장차하여 아이들 정지 시나 기통 휴지 시 순수 전기


모터 구동을 가능하게 하며 유압 제동의 제어를 가능하게 하였다. 이에

구형 HEV에서는 운전자의 요구제동력을 유지하기 위해 일정량으로 제

한하고 있던 회생 제동 량을 10% 이상 증가시킴으로서 약 5% 이상의

연비를 향상시켰다.

<그림 4-26> 전기 에너지식 협조 회생제동 시스템

아래 그림은 하이브리드 자동차에 적용되는 전기 에너지식 협조 회

생제동 시스템 내에서 제동력 협조제어 로직에 의하여 기존회생 제동

대비하여 능동적으로 회생/유압 제동이 이루어지고 있는 형상을 나타

내고 있다.


<그림 4-28> 협조 회생제동 시스템의 회생 제동량

3. 회생제동 브레이크 시스템 기술

하이브리드 자동차의 회생제동 기술은 회생제동 제어모듈과 회생제

동 제어로직으로 구성된다. 회생제동 제어로직은 차량의 주행상태 및

운전자의 제동의지에 따라 차량의 안전성을 고려하여 능동적인 제동력

분배가 이루어져야 한다. 또한 회생제동의 크기는 모터나 배터리의 보

호를 위하여 모터의 특성이나 배터리의 충전 상태, 온도에 따라 제한되

어야 한다. 회생제동 제어기술은 하이브리드 연비향상에 가장 중요한

요소 중 하나로 회생제동 에너지 회수를 극대화하기 위하여 선진 자동

차 회사들은 모터·배터리 시스템의 효율 향상 및 엔진과 같은 구동계

의 마찰손실을 감소시키는 기술을 개발하고 있다. 제동에너지 회수율을

증가시키기 위하여 전륜과 후륜에 각각 독립 모터를 장착한 독립구동

방식 하이브리드 자동차가 개발됨에 따라 전·후륜의 제동에너지를 회

수함으로써 회생 제동량을 더욱 증가시키는 추세이다.


가. 회생제동 제어기술

회생제동 제어기술의 핵심은 모터에 의한 회생제동력과 브레이크 시

스템의 마찰제동력, 즉 2가지 다른 특성의 제동력을 능동적으로 분배하

는 제어기술이다. 따라서 회생제동력의 천이구간에서는 회생제동과 마

찰제동의 총제동력을 운전자가 요구하는 제동력에 대응하도록 하는 제

어가 요구된다. 한 예로, Toyota의 Prius에서는 회생제동의 천이구간에

서 토크 변동이 발생할 경우 EHB보다 응답특성이 빠른 모터의 응답시

간지연 보상 제어를 통하여 요구제동력의 변동을 최소화 시켰다. 아래

그림은 일반적인 HEV의 회생제동 제어 알고리즘 순서도를 나타내고

있다.

<그림 4-29> HEV의 회생제동 시스템 제동 알고리즘

회생제동 제어로직은 먼저 운전자의 제동의지를 감지하여 전·후륜


제동력 분배곡선으로 각 전·후륜의 요구 제동력을 계산한다. 요구 제

동력이 결정되면 전류의 모터 특성을 고려한 최적 회생 제동력을 결정

하며 배터리 SOC, 배터리 파워, 모터 파워, 변속 유무, 차량의 속도의

상태에 따라 회생 제동 가능 여부를 판단하고 회생 제동이 제한될 경

우 유압제동으로 전환하게 된다. 제동 제어 장치는 자동변속기의 특성

에 고려하여 설계되어야 하며 이의 최적 제어를 위하여 크게 회생 제

동력 계산, 제동력 분배, 회생 제동의 제한의 3개의 부분으로 구성된

요소를 최적화해야 한다. 제동 제어를 위한 입출력 관계는 아래 그림에

나타나 있다.

<그림 4-30> 제동 제어로직의 입출력 관계

- 회생 제동력 계산 :

질량과(m), 속도(v)를 갖는 하이브리드 차량이 t초 동안 제동 시간을

가질 때운동에너지와 제동 토크의 관계는 아래와 같다. 여기서 Pb는

회생제 동파워, Rt는 타이어 반경, w는 차륜의 회전 속도를 나타낸다.


<그림 4-31> 차량 제동 시 운동에너지와 제동 토크와의 관계

이때 제동 토크는 협조 제어를 통한 회생/유압 제동이 동시에 작용

하므로 아래 식으로 나타낼 수 있으며, 해당 차량의 주행 속도와 모터

전류 등의 내 부 시스템 정보를 통하여 회생 제동을 위한 모터 토크와

유압 제동력을 계 산 가능하다.

<그림 4-32> 협조 제어 시 회생/유압 제동력 관계


- 제동력의 분배 :

제동력의 분배로직은 차량의 안전성을 고려하여 운전자의 제동의지

와 차 량 상태에 따라 능동적인 제동력 분배가 이루어져야 한다. 제동

시 차량의 전륜과 후륜에 적절하지 못한 제동력이 분배될 경우 슬립

또는 요잉과 같 은 현상이 발생하여 차량이 불안정한 상태에 처할 수

있다.

- 회생 제동력의 제한 :

회생제동으로 인하여 배터리가 과충전 되면 배터리의 수명을 단축

하게 될 뿐만 아니라 폭발의 위험성이 있다. 따라서 최대 회생 제동의

크기는 배터 리 SOC에 따라 제한을 하여야 한다. 일반적으로 차량 제

동 시 회생제동을 금지히야 하는 경우를 아래 나타내었다.

i) 배터리의 SOC가 0%~80%까지 가능한 최대 회생제동 토크를 사용하

며초과되는 변위에서는 회생제동을 제한함

ii) 급제동 시 모터에 의한 과도한 동력 발생으로부터 배터리를 보호

하기위하여 모터의 파워가 배터리의 파워보다 커질 경우 회생제동 제

한함

iii) CVT 변속기의 경우 변속치 클러치의 영향을 받지 않으므로 회생

제동시 클러치 engage와 dis-engage를 고려하지 않아도 되지만, AT 변

속기의 경우 변속시 클러치의 영향을 받으므로 변속 중에 회생 제동을

제한함


iv) 저속에서의 빈번한 회생제동은 승차감을 떨어뜨리게 되므로 일정

속도이하에서는 회생제동을 제한함

아래 그림은 모터의 충전 효율 특성 나타내는 곡선으로서 이를 통하

여 제동 분배 기초 자료로 사용된다. 제동 시 모터가 낼 수 있는 최대

회생제동량 보다 클 경우 나머지 제동력은 유압제동력으로 잡아준다.

요구되는 제동력이 B지점에서 발생되어 지면 모터의 용량 허용범위 내

에 있으므로 100% 회생 제동을 한다. 그러나 C 라인 선상에서 제동력

이 요구되어진다며 모터가 낼수 있는 최대 허용 범위인 D 지점에서 최

대 회생 제동력을 발생하고 나머지 제동력은 유압 제동이 담당하게 된

다.

<그림 4-33> 모터의 충전 효율 특석 곡선

나. 회생제동 모듈기술

회생제동 제어모듈은 회생제동 구현 기능과 기존의 마찰제동 기능을

가지고 있어야 한다. 이는 회생제동만으로는 운전자에 의해 요구되는

제동력을 보장할 수 없기 때문이다. 회생제동 모듈은 운전자의 제동의


지와 주행 상태에 대응하는 회생제동량에 대하여 적절한 마찰제동 수

단을 갖추어야 한다. 일반적으로 회생제동량이 결정됨과 동시에 회생제

동에 상당하는 만큼 마찰제동의 크기를 감소시켜야 하며 X-by-Wire

시스템의 경우 운전자의 제동 페달 답력의 이질감을 방지하기 위하여

운전자의 적절한 페달감을 구현 할 수 있는 장치가 요구된다.

아래 그림은 대표적으로 상용화된 HEV 차량과 회생제동시스템을 나

타내었다. 지금까지 하이브리드 자동차에 적용된 회생제동 시스템은 크

게 기존 유압 브레이크 시스템과 BBW에 기반을 둔 EHB 시스템으로

나눌 수 있다.

<표 4-1>하이브리드 자동차의 회생제동 시스템

구분 Advics Nissin Teves

브레이크 시스템 형식

유압 브레이크(부스터)

○

EHB ○ ○

회생/일반 제동 분배

자동분배 ○ ○

고정분배 ○

적용차종

Toyota(Hard HEV)

Honda(Soft HEV)

Ford(Hard HEV)

기존 유압 브레이크 시스템을 사용하는 회생제동 제동 시스템은 모

터용량이 작은 소프트타입 HEV에 적용이 되었으며 차속에 따라 회생

제동과 마찰제동의 분배 비율이 고정되어있다. 이에 비해 BBW에 기반

을 둔 EHB 타입의 회생제동 시스템은 하드 타입 HEV에 적용되었으며


가변적인 마찰 제동량의 구현이 가능하기 때문에 회생에너지 회수의

극대화가 가능하다. 그러나 2004년 벤츠와 다임러 크라이슬러의 EHB

문제로 인한 리콜로 당분간 양산차량에 EHB 적용은 중단된 상태이다.

EHB 시스템의 신뢰성 문제로 인해 향후 회생제동 시스템은 진정한 의

미의 BBW인 EMB(Electro Mechanical Brake) 시스템이 적용될 것으로

기대된다. 특히 EMB 시스템 적용 시 문제점인 전력 문제가 HEV에서

해결되기 때문에 선진 브레이크 업체들은 EMB 시스템의 개발을 활발

히 진행하고 있으나 양산 적용을 위해서는 아직 해결해야할 문제들이

많이 남아있어 기존 EHB의 문제점을 해결하기 위한 연구도 병행하고

있다. 또한 아래 그림과 같이 휠 내에 모터가 장착되어 차량의 구동과

제동시 각휠 모터의 능동적인 제어로 향후에는 브레이크 시스템이 보

조적인 제동장치가 될 것이며 최종적으로는 마찰 브레이크 시스템이

사라질 것으로 전망된다.

<그림 4-34> 인휠 모터 시스템


4. 회생제동 브레이크 시스템 전망

하이브리드/전기/연료전지 자동차 기술은 동력 전달 장치, 모터/배터

리 기술, 차량 제어, 회생제동 등 여러 가지 기술로 구성되지만 이중에

서도 회생제동 기술은 해당 차량의 연비를 좌우하는 핵심 기술로서 회

생제동 에너지의 극대화는 결과적으로 에너지 사용을 최소화함으로써

환경오염을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 회생제동 기술은 회생제동 에

너지 회수 극대화를 위하여 엔진, 모터, 배터리 변속기 등 친환경 차량

의 파워트레인 시스템의 각 요소의 기술들과 통합되고 있다. 또한 회생

제동 시스템은 지금까지 CBS, EHB 단계를 거쳐 진정한 BBW인 EMB

시스템으로 발전될 전망이며 제동에너지 회수뿐만 아니라 차량의 안정

성 향상을 위하여 ABS, TCS, ESP 등의 기술과 통합이 이루어지고 있으

며 최종적으로는 인휠 모터를 사용한 브레이크 시스템으로 발전할 것

으로 기대된다.


제 5 장 자동차 브레이크 설계 연구동향

제1절 자동차 제동 장치 설계

1. 제동 장치 설계 개요

제동 장치의 설계는 차량의 속도를 감속 혹은 정지 시키거나 주차

중에 차량이 움직임을 방해하는데 사용하는 기계 장치의 일련의 설계

과정을 말한다. 이러한 제동 장치는 차량의 중량, 차량의 진행 방향,

노면의 상태, 브레이크 라이닝의 노후 상태 등에 상관없이 항상 안전적

인 성능이 발휘되도록 설계되어야 한다.

차량에서 발생하는 모든 제동력은 노면과 접촉하고 있는 타이어의

작은 면적으로부터 발생한다. 즉, 지면에 대한 차량의 수직하중과 타이

어-노면 마찰계수를 곱한 힘보다 작거나 같은 힘만이 타이어 또는 휠

에 전달된다. 따라서 이상적인 제동시스템이라 할지라도 타이어와 노면

의 접촉에 의하여 발생하는 마찰력 이상의 힘을 발생시킬 수는 없다.

제동 장치의 이상적인 설계는 이러한 제동 시 이러한 마찰력을 최대로

발생시키기 위한 과정이 되어야 한다.

제동 장치의 기본적인 기능은 크게 3가지로 구분할 수 있다. 1) 정지

를 포함한 차량의 감속, 2) 내리막길에서 차량의 속도 유지, 3) 경사면

에서 차량의 정지 상태 유지, 해당 3가지의 차량 상태에 대한 통제가

브레이크 시스템을 설계하는데 우선적으로 고려해야 하는 요소가 된다.


<표 5-1> 브레이크 시스템 설계 고려 요소

차량의 상태 브레이크 시스템 설계 고려 요소

감속

- 차량의 운도에너지가 열에너지로 변화- 설계 시 주요 고려 요소 : 제동 안전성, 제동력 분배, 타이어/노면 마찰 계수 변화, 디스크 페이드, 마모, 선회 제동, 제동 거리 등

내리막 속도 유지- 차량의 포텐셜(Potential) 에너지가 열에너지로 변화- 설계 시 주요 고려 요소 – 라이닝 페이드 현상, 제동 액의 기화 현상(유압식 브레이크의 경우)

경사면 정지 유지

- 주차 브레이크 이용- 브레이크 시스템 내부의 Mechanism만 이용- 주차 브레이크는 응급 상황 시 차량의 감속에도 이용되므로 열적인 요소와 동적인 요소를 모두 고려하여 설계

그외 - 제동 시 소음 저감 및 시스템 조작감 향상

제동 장치는 분류의 목적에 따라 다양하게 구분 가능하며 해당 브레

이크에 따른 고유의 특징을 가지고 있어 각 특징에 따른 적정한 설계

가 이루어져야 한다. 아래 표는 제동장치의 목적에 따른 분류에 대항

제동 장치의 특징을 정리하고 있다.


형식 특징

용

도

별

상용브레이크

(주 브레이크)감속 및 정지에 사용하는 통상의 브레이크(서비스 브레이크)

보조브레이크 상용 브레이크를 보조하는 것 (배기 브레이크)

비상브레이크상용 브레이크의 고장 상태에서 작동하는 것 (에어 브레이

크 시스템의 스프링 브레이크)

주차브레이크

에

너

지

원

별

인력 브레이크 배력 장치를 사용하는 않는 보통의 브레이크

비 인력 브레

이크

페달 압력은 제어에만 사용하고 힘은 액압, 공기압 등의 에

너지원으로부터 얻는 것

에너지 보조브

레이크

액압, 진공, 공기압 등 다른 에너지원으로부터의 힘으로 답

력을 배력하는 것

전기 브레이크 전기적 에너지에 의하여 제동력을 내는 것

제

어

방

식

별

풋 브레이크 발로 조작하는 것. 상용과 주차 브레이크가 있음

핸드 브레이크 손으로 조작하는 것, 주로 주차 브레이크

관성 브레이크차의 관성을 에너지원으로 사용하는 것으로 주로 소형 트레

일러에 사용

전

달

매

체

별

기계, 전기, 유

압, 공기식

복합 브레이크 공기압과 액압을 동시에 사용하는 것

접

속

방

식

별

싱글 서킷 브

레이크

브레이크 장치가 1개의 그룹으로 이루어지고, 작동력 1계통

으로 전달

듀얼 서킷 브

레이크

브레이크 장치가 2개의 그룹으로 분할되고, 작동력 2계통으

로 전달

멀티 서킷 브

레이크브레이크 장치가 2개의 이상의 그룹으로 분할 전달

<표 5-2> 제동 장치의 종류


일반적으로 제동장치를 설계하는데 있어 기본적으로 제공되어야 할

자동차의 설계 요소가 있다. 해당 요소의 정보에 따라 자동차의 제동장

치의 설계가 영향을 미치게 된다.

1) 만차(Laden)/적차(Unladen) 시 차량 중량, 2) 만차/적차 시 차량의

정적 하중 배분(Static Weight Distribution), 3) Wheel Base 길이, 4) 만

차/적차 시 차량의 무게중심 (Center of Gravity) 높이, 5) 제동 시 요구

되는 차량의 성능, 6) 타이어와 림(Rim) 사이즈, 7) 차량 최대 속도, 8)

해당 자동차 시장의 제동 법규 등이 기본적인 제동 설계에 제공되어야

할 사항이 된다. 특히, 제동 장치 설계 시 제한 조건이 되는 제동법규

를 만족시키기 위해 좋은 재료에 좋은 부품을 사용하며 전체 단가가

너무 높아져 시장 경쟁력을 잃게 된다. 따라서 제동 성능에 관한 이론

을 바탕으로 법규를 만족시키면서 제작 가능한 제동장치의 설계가 이

루어져야 한다.

기본적인 제동 장치의 설계 순서는 1) 제동력 배분 결정, 2) 필요 제

동력(압)을 내기 위한 Master Cylinder와 Wheel Cylinder의 사이즈 결

정, 3) 마찰재의 수명과 열적 거동, 소음 등을 근거로 휠 브레이크 결

정, 4) Pedal과 Booster 시스템의 설계의 4가지의 일련의 프로세스로 진

행된다. 그러나, 이러한 제동 장치의 설계는 한 영역의 작은 변화가 전

체 시스템의 성능에 민감한 영향을 미침으로 전적으로 각 요소의 설계

가 아니라 시스템의 전체적인 성능을 설계되어야 한다. 예를 들면, 뒷

브레이크로 드럼 브레이크를 사용했을 때, 라이닝의 수명을 증가시키기

위해 드럼 반경을 크게 하면 제동력이 상승하나 이는 뒷바퀴의

Lock-up을 유발시킨다.


<그림 5-1> 제동 장치의 구성


2. 제동 성능 기본 설계 및 해석

가. 감속도, 제동거리, 제동시간의 관계

자동차가 제동됨에 따른 감속도와 속도 변화 및 제동 거리는 아래와

같은 관계로 나타낼 수 있다.

<그림 5-2> 감속도, 제동거리, 제동시간 관계>

나. 실 제동거리 및 제동시간

실제 운전자가 제동의 필요성을 인지한 시각부터 제동이 종료될 때

까지의 시간에 따른 감속도의 변화를 아래와 같이 나타낼 수 있다.


<그림 5-3> 실 제동거리 및 제동시간

다. 제동력과 마찰력의 관계

자동차의 제동력은 타이어와 노면의 마찰에 의하여 발생하므로 아래

계산된 마찰력이 차량이 낼 수 있는 제동력의 최대값이다. 이때 브레이

크가 너무 세게 작동하여 바퀴가 잠기면 타이어와 노면 사이의 마찰은

운동 마찰이 되며, 브레이크가 덜 세게 작용하여 계속 회적하면 결과적

으로 정지마찰이 된다. 정지 마찰 계수는 은 운동 마찰 계수보다 크기

때문에 바퀴가 잠기지 않는 상태에서 더 큰 제동력/ 더 짧은 제동 거

리를 갖는다.


<그림 5-4> 노면과 타이어의 관계

라. 페달(Pedal) 설계

자동차 브레이크 시스템에서 페달(pedal)은 운전자의 제동의지를 제

동 시스템으로 전달하는 장치로서 페달 답력(Pedal Effort) 즉, 운전자

가 페달을 밟는 힘에 따라 제동력을 조절한다. 통상적으로 0~70kgf 수

준의 페달 답력을 조절 가능하며 급정거 시 최대 페달 답력을 이용한

다. 페달 비(Pedal ratio)는 지렛대 원리에 따라 페달 답력에 의한 제동

시스템에 제공되는 출력 하중을 결정한다. 페달 효율은 페달 답력과 출

력 하중을 비를 나타낸다.


<차량 정차 시 하중 배분> <차량 감속 시 동적 하중 배분>

<그림 5-5> Pedal 구성 계략도

마. 제동력(Brake Force)과 제동압(Brake Pressure)

앞서 언급한 바와 같이 제동력은 차량의 수직항력과 타이어-노면의

마찰계수에 의하여 결정된다. 이 때 차량의 수직항력은 차량의 제동 시

에 결정되므로 차량의 동적 하중 배분(Dynamic Weight Distribution)에

의하여 계산되어야 한다.


전류 및 후륜 타이어와 지면과의 접촉점에서 모멘트 평형을 취하면

차량의 정차 시 하중 배분 값을 이용하여 차량 감속 시 전/후륜의 동

적 하중 배분 량을 계산 가능하다. 차량 제동 시 정지 상태의 하중 배

분에 대하여 일정량의 하중이 전륜으로 이동한다.

<표 5-3> Weight Distribution

전륜 후륜

Static weight

distribution

Dynamic weight

distribution

이때 차량이 발생해야 하는 이상 제동력(ideal brake force)는 감속도

(α)와 타이어 노면의 마찰 계수가 동일할 때 발생하므로 아래와 같이

나타낼 수 있다.

<표 5-4> Idea Brake Force

제동력 이상제동력

전륜 제동력

후륜 제동력

이상 제동력은 차량을 제동시키기 위하여 차체에 작용해야하는 힘을

의미하며 실제 제동은 Caliper 가 장착된 Wheel에서 브레이크 패드에


의하여 이루어지므로 실제 제동력(Actual Brake Force)을 도출할 수 있

다. 아래 wheel의 자유물체도(Free Body Diagram)의 타이어 중심(O)에

서의 모멘트 평형을 이용하면 실제 제동력(BF)을 제동력 상수(C)와 함

께 나타낼 수 있다. 이때, LP와 TP는 차량의 배관(Pipe)에 형성된 Line

Pressure(LP)와 작동압 Threshold Pressure(TP)을 의미한다.

<그림 5-6> Caliper가 장착된 Wheel의 자유물체도

전륜 및 후륜에 필요한 제동력은 제동력 상수를 결정하는 캘리퍼의

설계 요소, 패드 마찰계수 및 휠의 기하형상과 브레이크 페달(Pedal)로

부터 전달되는 Line Pressure으로 결정된다. 이러한 하중 분석을 통하

여 해당 차량에 적절한 제동력을 부과하기 위한 브레이크의 요소 및

제동압의 설계가 가능하다.


<표 5-5> Caliper가 장착된 Wheel의 실제 제동력

실제 제동력 제동압

전륜 실제 제동력

후륜 실제 제동력


제2절 제동 시스템의 설계·해석 기술 동향

제동 장치의 제동 성능을 설계하고 예측하기 위하여 앞서 언급한

제동 성능에 대한 해석적 접근 방법 기초로 하여 다양한 설계 및 해석

기법이 도입되었다. 컴퓨터의 성능 향상과 수치해석 기술의 발달로 인

하여 기존의 해석적 방법으로 수행하기 어려웠던 최적화 기법을 통한

Computer Aided Design, 열전도 및 열변형 수치해석, 소음·진동 해석

과 차량 시 발생하는 유동의 흐름까지 고려한 Computational Fluid

Dynamics(CFD) 연동 성능 해석 등 제동 장치의 다양하고 상세한 환경

및 하중 조건을 고려하여 고정도의 수치해석이 진행되고 있다.

1. 제동 장치의 수치해석 기반 최적설계 기법

제동 장치의 적용된 최적화 기법은 다구찌 강건 설계 기법, 반응표

면법 등의 실험계획법에 기반으로 다양하게 이루어져 왔다. 또한, 디스

크 중량 저감, Judder 소음 저감, 디스크 열변형 최소화, 솔레노이드 밸

브의 공동 형상 억제 등을 목적합수로 하여 브레이크 디스크 형상, 패

드 형상, 밸브 형상 등의 구조적인 설계 최적화부터 접촉 강성, 패드

감쇄률, 마찰 계수 등의 설계 인자를 통한 시스템 최적화까지 넓은 범

위의 설계 최적화가 적용되어 왔다.

<그림 5-7> 브레이크 디스크의 열변형 최소화를 위한 단면 강건 설계 사례


이러한 수치해석 기반의 최적 설계 기법은 초기 해석 모델을 기준

으로 실험 계획이 진행되기 때문에 해당 초기 모델의 신뢰성 검증이

매우 중요하다. 신뢰성의 확보를 위해서는 검증 시험 모드를 선정하고

검증 항목을 선정함으로서 해석 모델의 신뢰도를 높이기 위한 설계 변

수가 구성되어야 한다.

<그림 5-8> Judder 진동/소음 저감을 위한 디스크 형상 최적화 프로세스


<그림 5-9> 최적화 기법을 통한 브레이크 디스크 Judder 진동 저감 사례

<그림 5-10> Valve cavity 최소화를 위한 Solenoid Valve의 형상 최적화 사례

2. 열변형 및 열유동 해석 기법

디스크 브레이크의 경우 차량의 디스크와 패드의 높은 온도 압력

하에서 고속의 미끄럼마찰을 함으로서 급격한 온도 상승이 유발되고

금속의 물리적 변화와 마찰계수의 변화가 나타난다. 정상 주행 상태 하

에서 브레이크는 제동과 주행을 반복하게 되면, 상대적으로 극히 적은


시간 동안 디스크와 패드 사이에 마찰이 발생하여 고온의 열이 발생한

다. 특히 반복적인 급제동 시 마찰 표면과 외부 환경의 온도차에 의하

여 수축과 팽창이 반복되어 적열점과 같은 국부적인 고온부가 형성되

어 열간 저더(Judder)가 발생하여 제동 진동에 의한 심각한 제동력 불

균일이 발생한다. 많은 부분의 열변형 해석이 이 열간 저더 현상의 제

현과 이에 따른 제동 영향을 예측하기 위하여 진행되었다.

<그림 5-11> 브레이크 디스크의 열간 저더 해석

열간 저더와 같은 특수한 경우에 발생하는 현상에 대한 수치해석

외에도 제동 시 발생하는 마찰열을 효과적으로 방열하기 위한 구조를

제안하기 위한 방법으로서 차량 주행 시 브레이크 디스크를 통과하는

유동을 고려한 열전달 해석을 통하여 브레이크 디스크의 제동 특성을

예측한 바 있다. 아래 그림은 통풍형 브레이크 디스크의 베인 형상에

따른 디스크 내의 유동의 변화로 방열 특성이 차이를 나타내고 있음을

보여주고 있다.


<그림 5-12> 통풍형 브레이크 디스크의 베인 형상에 따른 방열 특성 해석 사례

<그림 5-13> 브레이크 디스크의 방열 특성에 따른 제동 거리 변화 예측 사례

3. 제동 소음 해석 기법

브레이크 시스템의 진동 소음 현상은 주파수 대역에 따라 다양하게

구분되나 디스크 브레이크 시스템의 주요 발생 소음은 제동 후반부에

고주파 영역에서 발생하는 스퀼 노이즈(Squeal Noise)이다. 이 스퀼 노

이즈는 차량의 제동 성능에는 큰 문제가 없으나 감성적인 관점에서 브

레이크 시스템의 신뢰성을 저하시키는 원인이 되기 때문에 이를 설계

단계에서 예측하고 저감하고자 다양한 수치 해석적 접근 방법이 이루


어져 왔다.

<그림 5-14> Squeal Noise Analysis Procedure

대부분의 스퀼 소음 예측은 스퀼 소음 시험 결과에서 나타난 소음

영역과브레이크 디스크의 복소 고유치 해석을 통하여 얻은 고유 진동

수를 비교하여 해석 결과가 타당한지 검토하고 해당 영역에서 발생한

불안정성에 대하여 분석을 수행하고 개선방향을 제시하는 과정으로 진

행된다.


<그림 5-15> 수치해석을 통한 스퀼 노이즈 예측 사례

이외에도 브레이크 패드의 마모 영향성 예측, 차량 관점에서의 제동

시간/거리 예측 등 다양한 영역에서 수치해석 기법이 사용되어 설계

과정에서 발생하는 경제적 시간적 문제를 해결하고 있다. 컴퓨팅 속도

와 해석 기법의 향상을 통하여 브레이크 시스템의 설계와 성능을 예측

하는데 있어 조금 더 현실과 가까운 조건에 대한 해석이 가능하며 이

에 따른 해석의 정확도도 높아 질 것으로 판단된다. 이러한 지속적인

발전은 다양한 기계적 현상이 복잡하게 나타나는 브레이크 시스템의

컴퓨터 기반 설계 기술은 더욱이 확대를 이끌 것으로 예상된다.


제 6 장 자동차 제동장치 시장 분석

제1절 국내 제동장치 시장

1. 국내 제동장치 시장 규모

통계청 자료(품목분류별 사업체수, 생산액, 출하 및 연말 재고액)에

따르면 국내의 자동차 제동장치 및 부분품 판매금액은 다음 표, 그림과

같이 2003년부터 10년간 연평균 약7.8% 증가하며 꾸준한 성장세를 보

이고 있다. 또한 이러한 성장세를 고려한다면 2020년 자동차 제동장치

및 부분품의 판매금액은 6조 267억원에 달할 것으로 예상된다.

<표 6-1> 국내 자동차 제동장치 및 부분품 시장(단위 : 백만원)

연도 사업체수 생산액 출하금액 연말재고

2003 328 2,310,142 2,306,432 54,581

2004 308 2,753,395 2,746,711 58,071

2005 308 2,944,082 2,932,657 60,439

2006 336 3,494,891 3,482,278 76,672

2007 245 3,632,215 3,624,754 75,823

2008 234 3,802,153 3,802,784 74,526

2009 224 3,356,992 3,356,562 78,896

2010 256 4,165,582 4,176,841 83,619

2011 241 4,517,265 4,502,164 101,473

2012 254 5,752,864 5,745,935 146,432

2013 220 4,383,157 4,382,030 93,397


<그림 6-1> 국내 자동차 제동장치 및 부분품 시장

국내의 에프터 마켓 시장에서는 순정품 대체 품목의 저가형 제품들

이 주를 이룸. 그리고 순정품의 성능 업그레이드(튜닝)를 위한 제품이

있으나 저가의 대만산이나 중국산이 주를 이룬다. 고성능 차량의 경우

에는 유럽제품들의 판매가 주로 이루어지고 있다.

국내의 제품은 주 경쟁국인 중국제품에 비해 품질에서 인정받고 있

으며, 미국 주요기업들은 OEM 방식의 제조 파트너로 한국을 선호하고

있다. 그리고 A/S 부품의 경우 중국산에 비해 가격이 높아 세계 시장

진출이 어려웠으나, 최근 원화 평가 절하로 인해 경쟁력을 갖추고 있다

고 평가되고 있다. 자동차 부품 시장의 유통채널이 단순화되면서 대형

1차 공급업체로 직접 납품이 가능한 경우가 늘어나는 추세이다.


제2절 국외 제동장치 시장

1. 세계 브레이크 시장 규모

자동차용 브레이크 장치는 부스터, 마스터실린더 등의 유압계, 캘리

퍼, 디스크, 드럼, 마찰재 등을 포함한 기초 브레이크(Foundation brake)

와 ABS(Anti-lock brake system), ESP(Electronic stability program),

TCS(Traction Control System)등의 제어 장치로 구분 할 수 있다. 전 세

계 기초 브레이크 시장은 약 34.2조원으로 조사되며, 2009년 유럽시장

브레이크 시스템 매출액 및 북미 시장 애프터마켓 브레이크 요소 부품

매출액을 기준으로 세계 기초 브레이크 시장을 예측하였으며 산출과정

은 다음과 같다. 2009년 유럽 OEM 기초 브레이크 시장의 규모는 약 6

조원이다 . 유럽 자동차 시장은 전 세계 시장의 약 25%를 차지하고 있

으며, 2010년 유럽 OEM 기초 브레이크 시장 규모를 기준으로 세계 기

초 브레이크 시스템 시장규모를 추정하면 약 24조원으로 예측할 수 있

다.

<표 6-2> 유럽 기초 브레이크 시장 (단위 : 유로)

ProductCategorySum of 2006

Sum of 2007

Sum of 2008

Sum of 2009

Sum of 2010

Brake By WireSystems

0 0 0 0 0

Hybrid BrakingSystems

0 0 0 0 35,301,700

HydraulicBraking Systems

5,205,264,675 5,398,438,285 5,020,880,625 3,995,827,255 3,837,949,845

총합계 5,205,264,675 5,398,438,285 5,020,880,625 3,995,827,255 3,873,251,545

[출처] Frost & Sullivan, Dashboard for European Automotive Chassis Systems

Market-Q3 2009


North American Brakes Aftermarket (Friction Parts, Frost & Sullivan,

2010년 6월) 자료에 따르면 2009년 북미 애프터마켓 시장에서 브레이

크 패드 시장 규모는 1.5조원 정도이고, 브레이크 캘리퍼 시장 규모는

4,500억원이다. 세계 자동차 시장 대비 북미 시장의 시장 비율은 20%

미만으로 형성되어 있으며 따라서, 전세계 애프터마켓 패드 시장의 규

모는 약 8조원, 캘리퍼 시장의 규모는 2.2조원으로 계산된다. 이상

OEM 시장과 애프터마켓의 시장규모를 합산한 전세계 기초 브레이크

시스템 시장규모는 34.2조원이다.


2. 미국 브레이크 시장 현황

‘OIS (overseas investment information system) 시스템 시장정보’에

따르면 미국 브레이크 부품 시장규모는 2008년 기준 전년 대비 3.5%

증가한 90억 달러이다. 그리고 자동차 부품산업은 2001년의 9.11 테러

사태 이후 여행 안전에 민감해진 미국 소비자들이 자동차로 편하게 이

동할 수 있는 가까운 휴양지를 여행지로 선호하면서 빠르게 성장. 즉,

연평균 운행거리가 증가함에 따라 부품 수요가 늘어나고 있다.

[출처] IBIS World Industry Report 2010

<그림 6-2> 미국 브레이크 부품 시장 성장률 (%)

또한 자동차용 브레이크 제품군의 2008년 수입액은 전년 대비 4.8%

줄어든 39억 달러 규모로, 멕시코·중국·캐나다 등으로부터 전체 수입

량의 60% 정도가 수입되고 있다.

미국 제조업체들이 중국에 합작회사를 설립해 수입하는 경우가 많아


짐에 따라 중국으로부터 수입되는 물량은 꾸준히 증가하는 추세이다.

미국의 브레이크 부품 수입시장은 미국의 완성차 생산량 감소에도 불

구하고 완성차업계 및 대형부품업계의 글로벌 아웃소싱 확대에 힘입어

2009년에는 전년대비14.3%의 증가세를 기록하고 있다. 2009년 AAIA 보

고서에 따르면 소매시장을 포함한 미국 전체 애프터마켓 자동차 부품

판매는 2009년에 2,740억 달러였으나 2010년에는 2,844억 달러로 전년

대비 3.8% 상승할 것으로 전망하고 있었으며 지속적인 상승이 예상된

다.

<표 6-3> 미국 자동차 브레이크 부품 수입동향>

(단위 : 천달러, %)

국가 2007 수입액 2008 수입액 2008 시장점유율 수입액 변화율

전체 4,060 3,866 100.0% -4.8%

멕시코 854 862 22.3% 1.0%

중국 702 861 22.3% 22.7%

캐나다 755 593 15.3% -21.5%

일본 631 538 13.9% -14.8%

독일 255 230 5.9% -9.8%

한국 251 209 5.4% -16.9%

브라질 189 161 4.2% -14.6%

이탈리아 90 97 2.5% 8.8%

인도 46 68 1.8% 47.9%

[출처] US Customs


<표 6-4> 미국 애프터 마켓 자동차 부품 시장 규모 추이

Year AutomotiveMedium and

heavy duty

Total

Aftermarket

Yr./Yr. %

Chg.

1997

1998

1999

2000

2001

2002

CARG(‘97-02)

2002

2003

2004

2005

2006

2007

CARG(‘02-07)

2007

2008

2009

2010

2011

2012

CARG(‘07-12)

$138.8

$141.8

$148.7

$157.2

$166.4

$178.1

5.1%

$178.1

$182.2

$187.9

$194.9

$202.4

$209.9

3.3%

$209.9

$210.2

$206.6

$214.5

$222.0

$230.3

1.9%

$53.4

$55.3

$58.6

$61.5

$60.9

$61.8

3.0%

$61.8

$62.6

$63.5

$64.3

$67.0

$68.8

2.2%

$68.8

$70.5

$67.4

$69.9

$72.2

$74.6

1.6%

$192.2

$197.1

$207.3

$218.7

$227.3

$239.9

4.5%

$239.9

$244.8

$251.4

$259.2

$269.4

$278.7

3.0%

$278.7

$280.7

$274.0

$284.4

$294.2

$304.9

1.8%

2.6%

5.2%

5.5%

3.9%

5.6%

5.6%

2.0%

2.7%

3.1%

3.9%

3.5%

3.5%

0.7%

-2.4%

3.8%

3.4%

3.6%

[출처] 미 상무부 2011년 AAIA 보고서,(단위 : USD Billion)


제 7 장 국내외 업체동향

제1절 국내 업체동향

1. 브레이크 마찰재 국내 업체동향

비석면계 마찰재로 국내 OE시장의 약 85%를 3사(새론오토모티브(주),

상신브레이크(주), KB오토시스(주))가 점유하고 있으며, 이 기업들은 자

동차회사와 공동으로 마찰재를 개발하고 있고 일부업체는 외국의 선도

회사로부터 막대한 기술료를 주고 Pre-Mix를 도입하여 OEM시장에 적

용하고 있다. 국내의 홍성브레이크(주), 프릭사 등은 자체적으로 개발한

LOW-STEEL계와 CERAMIC계 등 비석면 제품으로 국내외에서 A/S시장

을 위주로 영업하고 있다.

가. 새론오토모티브(국내)

일본의 닛신보홀딩스에 소속된 계열사이며, 승용차 브레이크 마찰재

전문 제조업체로 OEM 내 국내 시장점유율 42%를 차지하고 있다. 2011

년 연결기준 매출은 브레이크 패드 89%, 브레이크 라이닝 8% 로터페이

싱 3%로 구성되어 있다. 유럽 시장에서 사용되는 Low Steel계 마찰재

와 반대되는 특성을 지닌 Non Steel계 마찰재에 강점을 가지고 있으며,

이는 북미와 아시아 시장에서 주로 사용되고 있다.


<그림 7-1> 국내 브레이크 마찰재-새론오토모티브

나. 상신브레이크(국내)

OE/RE 포함한 마찰재 국내 시장에서 매출액 기준 점유율 43%로 국

내 1위 업체이다. Non Steel계 마찰재를 주로 생산하며, 중국, 인도 이

외 중장기적으로 미국, 러시아 등으로의 해외공장을 추진하는 증 성장

에 대한 비전을 보여주고 있다.

<그림 7-2> 국내 브레이크 마찰재-상신브레이크

다. KB오토시스(국내)

한국베랄이 사명을 변경한 것이며, 서독 베랄사와 영국 훼로도사로부

터 자동차용 비석면 마찰재 제조기술을 도입하여 브레이크 패드와 라

이닝 시장에 진입하였다. 석면의 유해성이 붉어지면서 1988년부터 비석

면 마찰재로 완성차 3사에 진입하였다. 글로벌 GM으로부터 2014~2018


년까지 총 1,300억원 규모의 대규모 수주를 받음으로써 높은 성장성을

보일 전망이다.

<그림 7-3> 국내 브레이크 마찰재-KB오토시스

2. 브레이크 디스크 / 캘리퍼 국내 업체동향

가. 데크(국내)

카본 복합 전문기업으로 탄소 세라믹 브레이크 디스크를 개발하여

현대자동차에 납품하고 있으며, 벤츠, 포르쉐 차량에 장착되어 상용화

되고 있으며, 탄소 세라믹 브레이크 디스크는 금속브레이크에 비해 약

40% 가볍고 수명도 3배정도 길다.

<그림 7-4> 국내 브레이크 시스템-데크


나. 만도(국내)

알루미늄 캘리퍼의 개발은 만도 및 모비스에서 진행하고 있으며 현

재까지는 Monoblock type 캘리퍼는 제한적으로 적용 되고 있으나 강성

이 낮고 고내열성 제품으로 적용에 한계가 있다.

<그림 7-4> 국내 브레이크 시스템-만도

보수용 부품은 일정한 품질수준 이상이 확보 되어야만 시장진입을

할 수 있으며 국내의 소수 중소기업들은 국내시장 영업보다는 해외 저

가시장 진입에 주력하고 있다. 2013년도 프랑크푸르트 모터쇼에서는 능

동형 캘리퍼 (ARC) 브레이크를 선보여 운전자가 비제동시 브레이크와

디스크 사이에서 발생할 수 있는 끌림저항을 최소화 하여 연비를 향상

시킨 제품을 소개하였으며, 운전자의 제동의지에 맞춰 차량이 감속되는

지능형 통합브레이크 (IDB) 등에 대한 연구도 수행하고 있따고 발표하

였다.

다. 스톨츠 (국내)

국내 유일의 단조 알루미늄 합금 4피스톤, 6피스톤 캘리퍼와 투피스

디스크로터를 개발하였고, 제품은 국내의 튜닝 시장 및 순정 대체품 시

장에 판매(국내 시장 점유율 40%) 중에 있으며 다양한 제품군을 보유


하고 있다. 국내 업계 중 최장수 기업(12년)이며 가격이 국산제품 중

고가에 속한다.

<그림 7-5> 국내 브레이크시스템 상용화 제품-스톨즈

라. 카프리텍 (국내)

주조 알루미늄 합금 4피스톤 캘리퍼와 원피스 디스크로터를 개발하

였고, 제품은 국내의 튜닝 시장에서만 판매 (국내 시장 점유율 10%) 중

에 있으며 소규모 신규 업체로 일부 특정 제품군만 보유하고 있어 적

용할 수 있는 차종의 대상이 제한적이다. 중간 가격으로 제품을 판매하

고 있다.

<그림 7-6> 국내 브레이크시스템 상용화 제품-카프리텍


마. 로드텍 (국내)

주조 알루미늄 합금 6피스톤 캘리퍼와 투피스 디스크로터를 개발하

였고, 제품은 국내의 순정 대체품으로만 판매 (시장 점유율 10% 미만)

중에 있으며 신생 기업(3년 미만)으로 저가형 제품만을 취급하고 품질

이 다소 떨어져 저가로 판매 하고 있다.

<그림 7-7> 국내 브레이크시스템 상용화 제품-로드텍


제2절 국외 업체동향

1. 브레이크 디스크 / 캘리퍼 / 패드 국외 업체동향

가. 아케보노 (일본)

북미시장의 점유율 1위를 이어 가고 있으며, 브레이크 기업 중 가장

큰 규모를 보이고 있다. 브레이크 패드를 주로 생산하고 있으며, 세라

믹 소재를 사용하여 소음과 진동 저하, 긴 수명 등의 장점을 지닌 제품

을 개발하고 있다. GM, 크라이슬러, 캐딜락, 포드 등의 미국 완성차에

적용되고 있으며, 혼다, 인피니티, 렉서스, 닛산 등의 일본 완성차에도

적용되고 있다. 또한, 마찰에 의한 오염물 저하에 관심이 많은 유럽 시

장 진출을 위해서 더스트 트리 마찰 소재를 적용하고 있다. 유럽시장의

아우디, BMW, 재규어, 폭스바겐 등의 완성차 업체에 적용되고 있다.

<그림 7-8> 아케보노 디스크 브레이크

나. TRW 홀딩스 (미국)

브레이크 패드와 디스크를 제작하고 있으며, 북미시장 점유율은 아케

보노의 뒤를 이어 2위를 기록하고 있다. 연간 1200만개의 브레이크 디


스크를 생산하고 있으며, 유럽시장 및 에프터마켓의 큰 부분을 차지하

고 있다. 내부식성과 성능 강화를 위해 블랙 페인트 처리가 된 브레이

크 디스크를 개발하고 있으며 , 높은 Carbon 함량을 가진 디스크를 개

발하고 있다. 브레이크 패드의 마찰재는 넓은 사용 온도 범위와 속도

범위를 가지기 위해서 Graphite가 함유된 고무소재를 사용하고 있다.

또한, 기존 소재보다 더스트 발생율을 45% 감소시킨 세라믹 소재의 마

찰재도 생산하고 있다.

<그림 7-9> TRW 홀딩스 브레이크 패드-COTEC

다. 콘티넨탈 AG (독일)

알루미늄 소재를 사용한 브레이크 캘리퍼를 주로 생산하고 있으며,

경량, NVH, 내마모성 등을 주요 장점으로 내세우고 있다. 생산 가격

감소를 이용하여 아시아, 남미 시장으로의 진출을 꾀하고 있다. 또한,

고정 캘리퍼 개발로 안정적인 구조와 성능을 보이는 차세대 캘리퍼를

내세우고 있다.


<그림 7-10> 콘티넨탈 AG 브레이크 고정 캘리퍼

라. 브램보 (이태리)

단조 ,주조 알루미늄 합금 4피스톤, 6피스톤 캘리퍼와 원피스, 투피스

디스크로터를 개발하였고, 세계 1위 브랜드 인지도와 기술력을 가지고

있으며 페라리, 람보르기니, 포르쉐, 벤츠 등 고급, 고성능차량 및 레이

싱차량에 적용 하고 있다. 전 세계 고성능 시장에서 독보적인 1위를 차

지하고 있으며 고가로 판매하고 있다.

<그림 7-11> 해외 브레이크시스템 상용화 제품-브램보

마. 스탑텍 (미국)

단조 ,주조 알루미늄 합금 4피스톤, 6피스톤 개발 캘리퍼와 원피스,


투피스 디스크로터를 개발하였고, 제품은 미국 내에서 판매를 주로 하

고 있으며 고성능 파츠와 순정 대체 파츠를 모두 구비하고 있다. 도요

타 렉서스의 일부 고급 차량에 납품하고 있으며 미국 내 판매 1위의

업체이다.

<그림 7-12> 해외 브레이크시스템 상용화 제품–스타탭

바. 알콘 (영국)

단조 알루미늄 합금 4피스톤, 6피스톤 캘리퍼와 투피스 디스크로터를

개발하였고, 이 기업은 브레이크 부품으로 가장 유명한 곳 중 하나이고

세계 타이틀을 보유한 레이싱 차량에만 제품을 판매하며 국한된 소비

층을 가지고 있다. 판매량은 많지 않으나 고성능이라는 고급 이미지를

가지고 있다.


<그림 7-13> 해외 브레이크시스템 상용화 제품-알콘

사. 엔드리스 (일본)

주조 알루미늄 합금 4피스톤, 6피스톤 캘리퍼와 투피스 디스크로터를

개발하였다. 제품은 일본 내에서 판매 1위이며 주로 고성능차량에 적용

하고 있으며, 레이싱 차량에도 적용하고 있으며 고가에 판매하고 있다.

<그림 7-14> 해외 브레이크시스템 상용화 제품–엔드리스

아. 프로젝트 뮤 (일본)

주조 알루미늄 합금 4피스톤,6피스톤 캘리퍼와 투피스 디스크로터를

개발하였다. 제품은 일본 내에서 판매 2위를 하고 있으며 중저가 제품

들을 판매 하는 업체이다.


<그림 7-15> 해외 브레이크시스템 상용화 제품-프로젝트 뮤

자. WP Pro (대만)

주조 알루미늄 합금 4피스톤 6피스톤 캘리퍼와 투피스 디스크로터를

개발하였고, 제품은 대만 내에서 판매 1위이며 중저가 브랜드를 대표하

나 품질은 상당히 낮은 수준이다.

<그림 7-16> 해외 브레이크시스템 상용화 제품–wppro

차. SGL Carbon Group(독일)

2000년도부터 내산화성이 우수한 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 개

발하고 있다. 제품은 고급 상용차 Porsche, Benz등에 적용되었고 실용


화가 진행 중에 있다.Daimler-Chrysler AG(미국) 및 Brembo(이태리)가

합작하여 2004년 15,000개의 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 생산할 수

있는 합작회사를 설립하였으며, Stirfire System(미국) 및 Surface

Transform(영국)의 업체들도 자동차용 탄소 세라믹 브레이크를 개발하

고 있다. 북미지역은 OE 및 보수용으로 일부 Semi - metallic계를 사용

하나 NAO계의 Ceramic 마찰재가 증가추세이다. 이는 NVH를 중요시하

기 때문이며 일본 AKEBONO사가 시장점유율의 약 27%를 차지하고 있

다. 반면 우수한 마찰계수와 내 Fade성을 중요시하는 유럽시장에서는

Low-Steel계를 선호하나 NVH열세이며 TMD가 시장점유율의 약 16%를

차지하고 있다. 세계시장은 환경문제 고조로 4대 중금속(납, 크롬, 수

은, 카드늄) 및 유해물질(미세 세라믹, 안티몬)의 규제를 강화하고 있으

며 대체 재료 사용을 권고하고 있다. 마찰재의 재질별 특성이 상이하여

특정 재질에 국한하지 않고 차량용도, 지역별 특성에 적합한 다양한 재

질을 선택하여 사용 하는 것이 세계적 추세이다.

<표 7-1> 미국시장 점유율 (2011년 기준)

순위 업체 점유율 (%)

1 아케보노 (Akebono, 일본) 38

2 TRW 홀딩스 (TRW Autimotive Holings, 미국) 16

3 만도 (Mando, 한국) 11

4 콘티넨탈 (Continental, 독일) 8

5 브램보 (Brembo, 이태리) 7

6 히타치 (Hitachi, 일본) 7

7 ADVICS (ADVICS, 일본) 6

[출처] Brake Market Faces Big Squeeze, Tom Murphy, 2012.02


기업명 핵심사업브레이크 부품

시장점유율

업체 전체

매출액

TRW

Automotive

Blackstone사의 자회사로서 자동차

서스펜션, 브레이크, 엔진, 각종 전

자기기 및 기타 부품을 설계·제조

하는 기업임.

14.1% 131억 달러

Delphi

Corporation

자동차 부품과 집적시스템을 전문

제조하는 기업이며, 1999년 5월 GM

사로부터 독립했음. 최근 GM자동차

부품수요가 줄어들면서 다른 완성차

업체와의 비즈니스 기회 발굴에 노

력하고 있음.

14.0% 264억 달러

Dana Holding

Corporation

2륜구동 자동차용 ABS(anti-lock

brake) 나 IBS(Intelligent brake

system) 시스템을 최초로 개발하는

등 신제품 개발활동을 활발히 펼치

는 기업임. Master cylinder, brake

cylinder, booster, caliper, disc,

drum등이 주력제품임.

13.3% 85억 달러

Robert Bosch

GmbH

독일기업의 자회사이며 브레이크 시

스템, ignition system, fuel injector

등의 OEM 제품을 주로 제조함.

11.8% 21억 달러

<표 7-2> 자동차용 브레이크 캘리퍼 주요 제조업체

[출처] Hoovers.com


카. 스파르타 에볼루션

고성능 레이싱용 부품을 개발하는 기업으로 캘리퍼 제조시 복합 단

조공정을 고집하는 기업이며, 이를 통하여 경량화를 실현하고 고속에서

강하고 잦은 제동으로 인한 스트레스 및 열에 대한 저항성이 뛰어난

캘리퍼를 제조함. 스파르타 에볼루션 브레이크 캘리퍼는 항공기에 사용

하는 알루미늄합금을 복합 단조공법으로 제조하여 가벼우면서도 견고

하고 대형 프레임을 사용하여 냉각에도 매우 효과적이다. 스파르타 에

볼루션에서 적용하고 있는 이중 기밀 시스템 (Double Seal System :

DSS) 는 피스톤의 동작이 매끈하고 부드럽도록 하기 위해 최신 고온

폴리머 실링을 사용한다. 캘리퍼 안쪽에 위치한 이 내부 실링은 피스톤

에 강력한 기밀 압력을 제공하며 외부 실링은 압력 챔버를 오염으로부

터 보호해 주는 역할을 한다. 캘리퍼에 사용되는 핀은 편리성과 시간절

약을 위해 퀵핀을 사용하고 높은 내구성 및 회전 방지를 위하여 캘리

퍼 절반 부분을 조절이 가능한 스틸 가이드 핀을 적용한 것으로 보고

되고 있다.

<그림 7-17> 스파르타 에볼루션 브레이크 시스템


타. 포르쉐

포르쉐는 2015년도 북미국제 오토쇼를 통하여 뉴카이엔 터보 S를 최

초로 공개하였으며, 기본 사양으로 탑재된 포르쉐 컴포지트 세라믹 브

레이크(PCCB)는 420mm 프론트 브레이크 디스크와 최초로 적용되는 10

피스톤 캘리퍼로 구성되었으며, 중량이 아주 가벼워 유사한 디자인 및

크기의 표준 디스크 대비 약 50% 이상 무게가 가벼운 것으로 보고 되

었다.

<그림 7-18> 포르쉐 브레이스 시스템


제3절 선진 자동차 브레이크 시스템 분석

본 장은 자동차산업에서 주요 이슈가 있는 차량을 분해하여 다양한

형태의 기술정보를 통합적으로 제공하고자 자동차부품연구원에서 수행

하였던 그린네트워크사업에서 조사되었던 선진자동차 정보 중에서 제

동시스템과 관련된 정보를 기술 하였다.

1. 혼다 인사이트

[출처] 그린네트워크

<그림 7-19> 혼다 인사이트


Front 디스크 브레이크 패드에 대한 성분 분석결과, NS236H는 금속

섬유를 사용하지 않은 비금속 마찰재로 마찰계수 유지를 위한 원재료

로 지르콘계가 사용된 것으로 추정된다. 발암유발물질로 규제가 예상되

는 안티몬 황화물을 현재까지는 사용하고 있고 다량의 황산바륨으로

마찰재가 충전되어 있다.

리어드럼 브레이크 라이닝에 대한 성분 분석결과시 전형적인 비금속

계의 마찰재 성분을 보여주고 있으며 마찰조정재의 함량이 낮은 것으

로 마찰계수 수준은 다소 떨어질 것으로 예상되었다. 프론트 디스크 브

래이크 패드에 다한 마찰재 물성 분석 결과, 경도, 압축량, 비중은 일

반적인 마찰재 범위 수준이고, 산화경향성을 보는 pH 값이 높은 것으

로 마찰제와 디스크의 고착문제에 대한 배합적인 설계가 이루어 진 것

으로 추정된다. 기공율이 약 17%이므로 Fade 특성은 우수할 것으로 예

상된다.

Front 디스크 브레이크 패드에 대한 열특성 분석 결과, 결합재의 열

분해로 인해 발생하는 초기 열감량 개시온도가 300℃ 이상에서 이루어

지고 있고 800℃ 고온상승시까지도 최종감량은 19% 정도인 것으로 내

열성이 우수한 결합재를 사용하여 Fade 특성이 우수할 수 있는 특성을

부여하였다.

SAE J2725 시험법에 의한 방향별 초음파 투과속도, 탄성상수, 탄성계

수 등의 변수를 고려할 때 혼다 인사이트는 NVH 특성이 우수한 조합

으로 구성되어 있음을 확인하였다.


2. 닛산 리프


<그림 7-20> 닛산 리프

브레이크 패드의 XRF, SEM-EDS 성분 분석 결과 금속섬유를 사용하

지 않았으며, Zr계 화합물이 사용된 것으로 추정되며, 발암 물질로 예

상되는 안티몬 황화물을 함유하고 있다. 닛산 리프는 순수 EV 차량이

긴 하지만 기존 내연기관의 브레이크 패드를 구성하는 마찰재와 크게

차이가 없는 것으로 보인다. TGA-DSC 분석 결과, 브레이크 패드의 결

합재 열분해로 인한 열감량 온도가 전륜 패드는 약 300℃에서 시작되

며, 최종 800℃까지 약 15%의 열감량율을 보이지만, 후륜 패드의 경우

약 280℃에서 시작하여 최종 800℃까지 약 23%^의 열감량율을 보이므

로, 전륜 패드 대비 후륜 패드의 유기물 함량은 상대적으로 높을 것으

로 보인다.

브레이크 패드의 초음파 기반 탄성 물질 분석 결과, SAE J2725(Road


Vehicle-Friction Material-Elastic Properties Measurement) 시험 방법에

의해 수행된 대상 브레이크 패드 샘플의 방향별 초음파 투과 속도를

이용한 탄성 상수 및 탄성 계수 측정값은 금속 섬유가 함유되지 않은

마찰대의 탄성 물성과 유사하다.

특히 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 성능과 상관관계가 높은 마찰

재의 수직방향 탄성계수가 매우 낮게 분석되어 우수한 NVH 성능을 발

휘할 것으로 예상된다고 한다.

3. 르노 플루언스


<그림 7-21> 르노 플루언스

캘리퍼의 가이드 로드 핀과 락 핀은 허브 너클부에 고정되어 있는

부와 유압 작동 시 운동하는 부를 연결시켜 주는 역할을 하며, 유압 작

동 시마다 연속적으로 캘리퍼 고정부 내경 안에서 왕복 운동을 하는

부품을 말한다. 현재 비조질강을 적용하는 추세이며, 르노 플루언스의

부품은 제품 체결 후 수소지연파괴저항성이 우수하여 차량의 성능 면

에서 유리할 것으로 판단된다고 한다. 표면처리는 하지 않았으며, 대신


Lubrication을 하여 녹 방지를 하였다. 냉간 단조 시 재료의 강도가 낮

아 생산성 및 금형의 수명이 좋아질 것으로 예상된다고 한다. 인장 강

도는 국내 제품에 비해 낮다.

피스톤 머신과 리어 피스톤은 캘리퍼 내에 내장되어 있으며, 브레이

크 페달을 밟아 발생된 유압이 피스톤을 밀어 패드와 디스크 로터가

압착하여 제동력이 발생되는 부품이다. 르노 플루언스의 경우 비조질강

이 적용되었으며, 표면은 크롬 질화 처리를 하였다.

가이드 핀은 페달에 의한 유압이 피스톤을 밀 때 사용되는 부품으

로 캘리퍼 내부에 위치한다. 르노 플루언스의 경우, 국내 SUS304와 유

사한 화학조성를 지니며, Austenite 계열의 스테인레스 소재가 사용되

었다.

4. 도요타 프리우스


<그림 7-22> 도요타 프리우스 / 브레이크 부스터용 모터

브레이크 부스터용 모터의 경우 PMDC모터로서 정밀제어 없이 차량

베터리 전원의 인가 유무에 따라 On/Off 장식으로 동작하기 때문에 제

작상의 비용절감이 우선으로 고려되러질 것으로 사료된다. 이에 Ferrite

자석을 이용하고자 전기차 코어 또한 저급 재질인 두께 1mm의 전기


자판이 적용되어 있으며 고정자 코어는 케이스로 대체되어 있다. 그리

고 회전자 코어에 2개의 보빈이 적용되어 조립상의 공정을 간편화 한

것으로 보인다.

그 외 특이 사항으로 회전자 코어 측면(공극면)에 가공이 되어 잇다.

이는 회전 시 밸런스를 유지하기 위한 것으로 진동을 저감하기 위해

적용된 것으로 보인다.


<그림 7-23> 도요타 프리우스 브레이크 페달

브레이크 페달은 자동차의 속도를 제어하기 위하여 풋브레이크를 작

동시키는 발판으로써 브레이크 페달을 밟으면 브레이크 마스터 실린더

에 유압이 발생되어 브레이크 올일이 각각의 휠 실린더를 작동시키게

되며 휠 실린더는 브레이크 라이닝을 밀어서 브레이크 드럼이나 브레

이크 디스크를 마찰시킴으로써 마찰력에 의하여 자동차를 감속 또는

정지시키는 역할을 한다. 도요타 프리우스의 브레이크 페달은 경량화에

중점을 두어 설계한 것으로 보이며, 브레이크 Arm의 용접은 일반 아크

용접이 아닌 레이저 용접을 사용하였다. 그리고 하이브리드 자동차에만

적용되어 있는 브레이크 페달 스트로크 센서가 장착되었다.


<표 7-3> 도요타 프리우스 브레이크 페달 사양

Brake Arm Upr . Lwr.Box’g Weld’g

Spring Tension Spring

Switch Stop Lamp Assy S/W

Sensor Brake Pedal Stroke Sensor

중량 1,580g

부품수 27ea

5. 혼다 인사이트 II

<그림 7-24> 혼다 인사이트 II

Parking brake cable은 고하중을 전달하는 Control cable로서 자동차

를 주차시 움직이지 않도록 고정하는 역할을 수행한다. 혼다 인사이트

II의 Parking barke cable은 Conduit 권선의 두께를 두껍게 한고 권선을

감는 Pitch의 길이를 감소시켰으며 효율과 강성을 증대 시켰으나 회정

이 되지 않아 Cable rute가 완만한 차량에서만 쓰일 수 있는 제한이 있

다.

중량 감소 및 원가절감을 위해 Conduit에 직접 Bracket을 스웨징하였

으나 완성차에서 조립성에 좋지 않다. 그리고 중량 삼소 및 원가절감을


위해 브레이크 측에 2중 수밀바이지 Sealing cap, Casing을 사용하였으

나HMC MD의 3중 Sealing cap, Casing에 비해 수밀성이 부족하여 문제

의 소지가 있다. 전체적으로 국내 Cable에 비하여 기술수준이 유사하

며, 경량화 및 원가절감으로 수밀 품질 및 완성차 조립성이 HMC MD

에 비하여 부족하게 Design이 되어있다. 혼다 인사이트 II 사양보다는,

현재 화두가 되고 있는 경량화, 고내구성, 탈착/장착의 용이성 등을 지

닌 신소재를 개발하여 신사양 및 신공법 등의 설계적인 보완이 필요하

다고 사료된다.

6. Tesla Model S


<그림 7-25> 테슬라 모델 S 브레이크 시스템


테슬라 Model S에 적용된 브레이크의 켈리퍼 하우징 및 피스톤 파트

에는 알루미늄소재를 적용하였으며, Front와 Rear 하우징은 아노다이징

을 Front 캘리퍼 피스톤은 니켈 무전해 도금을 사용하였다. 또한 디스

크 진행방향에 따른 Leading, Trailling 부분의 Piston Size를 차별화 하

여 제동성능 향상을 주려한 것으로 보이며, Front 알루미늄 피스톤은

단조공정 없이 직접 가공한 것으로 보여진다. Pad는 Noise shim과

Cover shim 사이에 Grase를 적용한 점과 프론트 켈리퍼 패드위에 Steel

Mass를 추가한 점은 노이즈를 저감하기 위한 것으로 분석되었다. 디스

크 직경은 350 mm로 국내차 기준 대형 세단 디스크보다 더 큰 직경의

디스크를 적용하였으며, 이는 디스크 중량의 향상을 초래하는데 중량

또한 12.435 kg으로 일반적인 국내 대형 디스크 세단보다 더 무거운

타입이다. 이는 일반적인 자동차 대비 중량이 무거운 전기자동차의 제

동성능을 향상시키기 위한 방안의 일환으로 보여진다.


제 8 장 결론 및 시사점

� 자동차의 제동성능은 주행성능 다음으로 기계적으로 중요한 요소

이며, 탑승자의 안전을 위한 가장 중요한 부품으로 과거부터 다양한 연

구들이 수행되고 있다.

� 최근 환경 및 연비규제로 인한 자동차 경량화에 대한 기술수요

증가로 인하여 친환경 및 경량소재를 적용한 연구뿐만 아니라 브레이

크 시스템을 보다 효율적으로 구성하기 위한 다양한 시도가 진행 중이

다.

○ 브레이크 패드의 경우 경량화 및 친환경 대한 연구가 가장 많이 수행

되고 있으며, 과거 사용되었던 Sb, Cu 등과 같이 환경에 유해한 성분들을 대

체하면서도 제동, NVH 성능을 기존 제품의 동등이상으로 구현하기 위한 연

구가 주를 이룬다.

○ 브레이크의 디스크 및 캘리퍼 부품은 기존 금속소재를 대체할 수 있는

고경량, 고강성 부품적용을 통한 경량화 연구가 주를 이루고 있다.

� 자동차의 안전성 및 에너지 효율 향상 요구에 따른 제동 시스템

의 지능화

○ 자동차 전장 및 제어 기술의 발달로 인하여 주행 중 차량의 불안정 주

행을 최소화하기 위하여 차량의 자세제어 알고리즘과 전자 제어 브레이크

시스템이 유기적으로 협조하는 방향으로 차량 제어 기술이 진화하고 있다.


○ 현재 선진 자동차 메이커 에서 진행되고 있는 차량의 자율 주행 기술

개발에 맞추어전자 제어 제동 시스템은 차량의 자세 제어 뿐만 아니라 이웃

차량이나 운전자의 상태에 따라 고지능화해 갈 것으로 예상된다.

○ 회생제동 시스템은 이른바 친환경 자동차의 연비를 좌우하는 핵심 기

술로 회생 에너지를 극대화하기 위하여 엔진, 모터 배터리 변속기 등 친환경

자동차의 파워트레인 시스템의 각 요소와 통합되어 기술 향상이 이루어고

있다.

○ 회생제동 시스템은 추후 BBW인 EMB와 통합되어 제동에너지의 회수뿐

만 아니라 ABS, TCS, ESP 시스템을 통한 차량의 안정성 향상에 기여할 것으

로 예상된다.

� 컴퓨팅 효율 향상과 수치해석 기술의 발달로 제동 시스템의 복잡

한 사용 환경과 제동 mechanism을 정확하게 고려한 다양한 제동 시뮬

레이션 가능해 졌으며 이에 따라서;

○ 자동차 제동 기구의 기본 이론을 바탕으로 한 제동 요소의 설계로부터

수치해석 기반의 최적 설계, 열/변형/유동을 동시에 고려한 성능 해석 및 진

동/소음 저감 연구까지 제동 안정성과 제동 효율을 향상시키고자 하는 연구

가 진행중임

○ 이러한 제동 특성 해석 기술은 자동차의 전자 제어 제동 시스템을 포

함한 전장 제어 시스템의 통합화에 따라 차량의 주행 조건과 제동 장치의 제

동 조건을 동시에 고려하여 차량의 Dynamics와 제동 장치의 제동 특성을 통

합적으로 고려하는 방향으로 고도화 될 것으로 예상됨


� 브레이크 시장은 자동차에 반드시 장착되어야 하는 부품으로 자

동차 보급률 상승에 따라 함께 성장하고 있으며 2003년부터는 10년간

연평균 7.8%의 높은 성장세를 보이고 있다. 최근에는 일반 브레이크 외

에도 튜닝 자동차 및 전력기반 자동차의 제동시스템에 대한 수요가 증

가하여 브레이크 관련 부품의 부가가치 및 시장이 지속적으로 성장할

것으로 예상된다.


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