신에너지 차량(NEV)은 비전통적인 연료를 사용하는 자동차를 의미하며, 이에 더해 파워 컨트롤 및 주행 시스템에서의 첨단 기술이 결합된 차량입니다. 이러한 차량은 최첨단 기술 원리, 혁신적인 기술 및 새로운 구조를 특징으로 하여 구성 부품들의 업그레이드 및 조정이 불가피하게 이루어지고 있습니다. 따라서 고급 세라믹 구조 부품들이 점점 더 NEV 분야에서 채택되고 있습니다.
1. 엔진 세라믹 베어링
전통 베어링에 비해 모터 베어링은 더 높은 회전 속도에서 작동하므로 밀도가 낮고 내마모성이 우수한 소재가 필요합니다. 또한 전기 모터의 교류(AC)는 변동하는 전자기장을 발생시키므로 베어링 방전에 의한 전기 부식을 줄이기 위해 향상된 절연 성능이 요구됩니다. 또한, 베어링 볼은 마모를 최소화하기 위해 극도로 매끄러운 표면을 가져야 합니다.
엔진 세라믹 베어링은 주요 구성 부품으로 세라믹 소재를 사용하는 베어링으로, 고온, 고속, 고하중 작업 조건에서 현저한 장점을 가지고 있습니다. 다음은 세부 설명입니다.
주요 재료
질화규소(Si₃N₄): 엔진 세라믹 베어링에 일반적으로 사용되는 소재입니다. 높은 강도와 우수한 내마모성 및 탁월한 내열성을 갖추고 있으며, 최대 1200℃의 온도에서 안정적으로 작동할 수 있습니다. 동시에 상대적으로 낮은 밀도를 가지므로 베어링의 중량을 줄이는 데 도움이 됩니다.
탄화규소(SiC): 탄화규소는 경도가 높고, 내열성이 우수하며, 열전도성이 좋습니다. 혹독한 작업 환경에서도 우수한 기계적 특성과 내마모성을 유지할 수 있어 베어링에 대한 성능 요구가 높은 용도에 자주 사용됩니다.
2. 세라믹 구리 클래드 기판
높은 열전도성, 낮은 열팽창 계수, 우수한 납땜성, 내열성, 우수한 전기 절연성 및 뛰어난 열충격 저항성.
① 신에너지 차량용 헤드라이트를 위한 질화알루미늄(AlN) 세라믹 구리 클래드 기판.
② IGBT 모듈용 질화규소(Si₃N₄) 기판.
③ 자동차 센서 및 쇼크 업소버용 산화알루미늄(Al₂O₃) 세라믹 기판.
3. 제동 시스템용 세라믹 브레이크 패드
카본 세라믹 브레이크는 밀도가 낮고, 강도가 높으며, 마찰 성능이 안정적이고, 마모가 거의 없으며, 제동비가 높고, 내열성이 뛰어나며, 수명이 깁니다.
이 소재는 탄소섬유와 탄화규소(SiC)를 1700°C에서 합성한 강화 복합 세라믹입니다. 이와 같은 고도화된 조성은 우수한 내열성을 제공할 뿐만 아니라 동일한 크기의 기존 브레이크 디스크 대비 무게를 50% 이상 줄여줍니다.
장점
탁월한 제동 성능: 높고 안정적인 마찰 계수를 갖춘 세라믹 브레이크 패드는 브레이크 디스크 온도가 650°C에 달하더라도 마찰 계수가 약 0.45~0.55 수준을 유지하여 우수한 제동 성능을 보이며 제동 거리를 단축시킵니다.
긴 수명: 일반 브레이크 패드의 수명은 60,000km 미만이지만 세라믹 브레이크 패드는 100,000km 이상의 수명을 달성할 수 있습니다. 또한 세라믹 브레이크 패드는 브레이크 디스크에 흠집을 남기지 않아 기존 브레이크 디스크의 수명을 20% 연장할 수 있습니다.
저소음 및 편안함: 금속 부품을 포함하지 않기 때문에 전통적인 금속 브레이크 패드와 맞물리는 부품 간의 마찰로 인한 이상 소음을 피할 수 있어 조용한 주행 환경을 제공합니다.
브레이크 먼지 감소: 세라믹 브레이크 패드는 기존의 반금속 패드에 비해 브레이크 먼지를 덜 발생시켜 휠을 깨끗하게 유지하고 유지보수 시간과 비용을 절감할 수 있습니다.
우수한 내열성 및 방열성: 뛰어난 내열성과 열 안정성을 갖추고 있으며, 브레이킹 시 발생하는 열을 빠르게 방출하여 제동 성능의 안정성을 확보하고 차량 안전성을 향상시킵니다.
4. 세라믹 코팅
① 세라믹 자동차 페인트 코팅
주요 특성 및 혜택:
탁월한 보호 기능: 환경 오염물질로부터 희생 장벽 역할을 수행합니다.
자외선: 산화 및 페인트 페이딩 현상을 크게 줄입니다.
화학 얼룩: 산성 새 배설물, 곤충 흔적, 나무 수액, 도로 염분 등으로부터 손상을 저항합니다.
소규모 스크래치 & 스윙 마크: 투명한 코트 또는 백스에 비해 강화된 경화 (9H +) 를 제공하며 가벼운 마킹에 더 잘 저항합니다.
물 스펙팅: 페인트 에 미네랄 퇴적물 이 새겨지는 위험성 을 줄여준다.
우수한 수소공감성 및 자기 청소 효과:
매우 물을 거부하는 표면을 만듭니다. 물 은 단단 히 뭉쳐지고 힘 없이 돌아가고 있으며, 은 흙 과 먼지를 가지고 떠난다.
차량을 청소하는 것을 훨씬 더 쉽게 하고 세척의 빈도를 줄입니다.
향상된 광택과 깊이:
비늘이나 밀착제를 뛰어넘는 비례없는, 깊고 반사적인 "부건한 모습" 광택을 만듭니다.
이 코팅은 색상 하층의 선명함과 색감 깊이를 높여줍니다.
장기적 내구성:
전통적인 백스 (주간 지속) 또는 합성 밀착제 (개월간 지속) 와 달리, 세라믹 코팅은 제품의 품질, 응용, 유지 보수 및 환경 노출에 따라 일반적으로 1 ~ 5 년 (또는 더 오래) 동안 보호 기능을 제공합니다.
2 배기 시스템 세라믹 코팅
③ 세라믹 열 절연 코팅
5. 고전압 세라믹 릴레이
① 전통적인 내연기관 차량에서 릴레이는 제어 시스템, 시동, 에어컨, 조명, 와이퍼, 연료 분사 시스템, 오일 펌프, 파워 윈도우, 파워 시트, 전자 계기판 및 진단 시스템 등에서 널리 사용됩니다. 이러한 기존 자동차 릴레이는 저전압 제품으로, 일반적으로 12~48V 범위에서 작동합니다.
② 신에너지차량(NEV)에서 릴레이는 주로 고전압 DC 환경에서 사용되며, 고전류 DC 회로를 제어합니다. 다양한 사양을 갖추고 있으며 생산량이 적고 유연한 제조 기술이 요구되는 경우가 많습니다.
6. 세라믹 커패시터
신에너지차량에서는 저손실 세라믹 커패시터가 주로 전기 구동 시스템, 충전기 및 배터리 관리 시스템(BMS)과 같은 전력 전자 시스템에 사용됩니다. 주요 적용 분야는 다음과 같습니다.
① DC-DC 컨버터 및 인버터
기능: 회로에서 필터 커패시터 역할을 하여 전력 손실을 줄이고 에너지 변환 효율을 향상시킵니다.
② 충전기
기능: 잡음 억제 커패시터로 작용하여 전류 간섭을 완화시키고 충전 효율을 향상시킵니다.
③ 배터리 관리 시스템(BMS)
기능: 배터리 출력 전압을 안정화시켜 배터리 수명 주기를 연장하고 안전성을 확보합니다.
④ 저손실 세라믹 커패시터의 주요 장점
고온 저항성
고전압 내성
고주파 성능
신에너지 차량 전자 제어 시스템에서의 핵심 역할
7. 세라믹 퓨즈
① 회로 보호 기능
② 하중 지지 능력 및 펄스 저항
③ 안전 기능
세라믹 퓨즈는 세라믹 소재를 외장으로 사용하는 퓨즈의 일종으로, 전기 회로를 보호하는 기능을 가지고 있습니다. 다음은 자세한 설명입니다:
구조 및 원리
기본 구조: 주로 세라믹 튜브, 금속 단자 캡, 용단 소자 및 규사로 구성됩니다. 세라믹 튜브는 내열성과 절연성을 제공합니다. 금속 단자 캡은 전기 연결에 사용됩니다. 용단 소자는 과전류 발생 시 용해되는 핵심 부품입니다. 튜브 내부의 규사는 아크 에너지를 흡수하고 아크를 소멸시키는 역할을 합니다.
작동 원리: 회로에 과전류 또는 단락 결함이 발생하면 용단 요소가 전류 증가로 인해 열을 발생하고 용융됩니다. 이때 튜브 내의 규사가 전기 아크의 에너지를 빠르게 흡수하여 아크를 소멸시키고 금속 슬래그를 감싸서 튀는 것을 방지함으로써 안전한 회로 차단을 실현하고 장비 및 회로의 안전을 보호합니다.
8. 세라믹 밀폐 커넥터
실링 링은 배터리 커버 바로 아래에 위치하며, 파워 배터리 커버와 극 사이에 밀폐되고 전도성 있는 연결을 형성하는 데 사용됩니다. 이를 통해 배터리가 우수한 밀봉 성능을 유지하며, 전해질의 누출을 방지하고 배터리 내부 반응에 적합한 밀폐 환경을 제공합니다. 동시에 배터리 커버가 눌러지는 경우에 감압 및 완충 역할도 하여 배터리 내부 부품의 정상 작동을 보장하고, 배터리의 수명과 안전성을 확보하는 중요한 역할을 합니다.
세라믹 실링 커넥터는 세라믹 소재를 본체로 사용하여 밀폐 연결을 구현하는 커넥터로, 전기 절연을 보장하고 외부 매질의 침투를 방지할 수 있습니다. 다음은 상세한 설명입니다:
구조 및 원리
기본 구조: 일반적으로 세라믹 본체, 금속 전극 및 밀폐 부품으로 구성됩니다. 세라믹 본체는 내열성, 절연성 및 기계적 강도를 제공합니다. 금속 전극은 전기 연결에 사용되며, 금속화 및 브레이징 등의 공정을 통해 세라믹 본체에 단단히 결합되어 있습니다. 가스켓 또는 실런트와 같은 밀폐 부품은 더욱 향상된 밀폐 성능을 구현하여 커넥터가 다양한 환경에서도 양호한 밀폐 상태를 유지할 수 있도록 보장합니다.
작동 원리: 세라믹 자체의 고밀도 및 저다공성 특성은 기체와 액체의 통과를 효과적으로 차단할 수 있습니다. 동시에 세라믹 본체와 금속 전극 사이의 계면을 정밀하게 설계하고 가공하며 적절한 밀봉 재료를 사용함으로써 외부의 습기, 먼지 등이 커넥터 내부로 침투하는 것을 방지하는 신뢰성 있는 밀폐를 형성하여 전기 연결의 정상적인 작동과 전기 회로의 안전성 및 안정성을 보장합니다.
특성
내열성 및 절연성: 세라믹은 우수한 내열성을 가지며 고온 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있습니다. 동시에 고전압 절연 성능을 갖추어 전기적 파단을 효과적으로 방지할 수 있습니다.
우수한 밀폐 성능: 고품질의 밀폐 효과를 제공하여 가스, 액체 및 먼지의 침투를 효과적으로 방지하며, 진공, 고압 및 부식성 환경과 같은 혹독한 환경에 적합함.
높은 기계적 강도: 세라믹은 높은 경도와 기계적 강도를 가지며, 일정한 기계적 응력과 진동을 견딜 수 있어 커넥터 사용 시 신뢰성을 보장함.
9. 세라믹 히터 PTC
PTC 히터는 낮은 열저항과 높은 열교환 효율의 장점을 가지며, 자동 온도조절 기능과 에너지 절약형 전기 히터임. 이 제품의 두드러진 특징 중 하나는 안전성에 있음: 어떤 사용 환경에서도 전열관 히터처럼 표면이 '타오르는 붉은 상태'가 되지 않아 화상이나 화재와 같은 잠재적 안전 위험을 유발하지 않음.
PTC 세라믹 히터는 양온도 계수 세라믹 난방 요소를 사용하는 전기 히터이며, 저항 난방 원리를 통해 열을 발생시킵니다. 자세한 소개는 다음과 같습니다.
작동 원리
PTC 세라믹 히터는 특수 세라믹 소재로 만들어집니다. 전압이 인가되면 온도가 상승함에 따라 저항도 증가합니다. 온도가 키리 포인트(Curie point)보다 낮을 때는 저항률이 매우 낮아서 가열 속도가 매우 빠릅니다. 일단 키리 포인트 온도를 초과하면 저항률이 갑자기 증가하여 전류가 안정된 값으로 감소하게 되고, 이를 통해 자동으로 온도를 제어하고 일정한 온도를 유지할 수 있습니다.
10. 세라믹 패키지 하우징
IGBT 패키징용 새로운 세라믹 하우징은 IGBT의 모든 칩 유닛의 게이트 연결 및 인출을 구현할 수 있습니다.
"세라믹 패키지 하우징"이란 전자 장치 패키징에 사용되는 고성능 소재의 외함을 의미합니다. 관련 소개는 다음과 같습니다.
특성
우수한 물리적 특성: 높은 강도, 뛰어난 내열성, 내식성, 절연성 및 열전도성을 가지고 있습니다.
우수한 전기적 특성: 높은 유전율, 낮은 유전 손실, 높은 절연 파괴 강도를 갖추어 제품의 신호 전송 품질 및 성능 지표 향상에 기여합니다.
우수한 열 관리: 뛰어난 열전도성과 열확산 성능을 통해 칩에서 발생하는 열을 외부 환경으로 효과적으로 전달하여 칩의 안정성을 유지합니다.
높은 신뢰성: 진동 및 충격과 같은 환경에서 더 나은 내성을 보여주어 패키징된 제품이 혹독한 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있습니다.
일반적인 재료
알루미나 세라믹: 가장 일반적으로 사용되는 세라믹 소재로 일정한 기계적 강도와 절연 특성을 가지나 상대적으로 열전도도가 낮습니다.
질화알루미늄 세라믹: 높은 열전도율, 우수한 유전 특성, 높은 전기 절연 강도, 안정된 화학적 특성을 가지고 있으며, 그 열팽창 계수가 실리콘과 잘 일치하여 반도체 패키징을 위한 이상적인 기판 소재입니다.
산화베릴륨 세라믹: 매우 높은 열전도율을 가지고 있으나 독성이 있으며 제조 비용이 높아 주로 군사 및 항공 우주 전자 장비에 사용됩니다.
11. 세라믹 압력 센서
우수한 내식성, 내충격성 및 높은 탄성 등의 특성을 가지며 대부분의 매질과 직접 접촉할 수 있습니다. 또한, 세라믹의 극도로 높은 열 안정성으로 인해 작동 온도 범위가 -40℃~150℃에 이르므로 자동차 및 산업용 프로세스 제어 등 다양한 분야에 널리 사용될 수 있습니다.
세라믹 압력 센서는 세라믹의 물리적 특성을 이용하여 압력을 측정하는 장치입니다. 다음은 세부 설명입니다:
작동 원리
압력이 세라믹 다이어프램의 앞면에 직접 가해지면 약간의 변형이 발생하며, 이는 압전 저항 효과를 기반으로 작동합니다. 두꺼운 필름 저항체가 세라믹 다이어프램의 뒷면에 인쇄되어 있으며 브리지 회로(Wheatstone bridge)를 형성하도록 연결되어 있습니다. 압전 저항체의 압전 효과로 인해 브리지 회로는 압력과 직선적으로 비례하며 여기 전압에 비례하는 전압 신호를 생성합니다.
기본 구조
주로 세 부분으로 구성되어 있습니다: 세라믹 링, 세라믹 다이어프램, 세라믹 커버입니다. 힘을 감지하는 탄성체로서의 역할을 하는 세라믹 다이어프램은 95% Al₂O₃ 세라믹으로 정밀 가공하여 제작되었습니다. 세라믹 링은 열간 다이캐스팅과 고온 소결을 통해 형성되었습니다. 세라믹 다이어프램과 세라믹 링은 두께막 인쇄 및 열처리 기술을 통해 고온 유리 페이스트와 함께 소결되어 주변부가 고정된 컵 형태의 힘 감지용 탄성체를 형성합니다. 세라믹 커버는 하부에 원형 홈이 있어 다이어프램과 일정한 간격을 형성하며, 과부하 시 과도한 휨으로 인해 다이어프램이 파손되는 것을 방지합니다.
특성
고정밀 및 안정성: 세라믹은 탄성이 높고, 내식성, 내마모성, 충격 및 진동 저항성이 뛰어납니다. 작동 온도 범위는 -40°C에서 135°C까지 도달할 수 있으며, 측정 정확도와 안정성이 높습니다. 전기 절연도는 2kV 이상이며, 출력 신호가 강하고 장기적인 안정성이 우수합니다.
우수한 내식성: 세라믹 다이어프램은 별도의 보호 없이도 대부분의 매질과 직접 접촉할 수 있어 냉각, 화학, 환경 보호와 같은 응용 분야에서 독특한 장점을 가지고 있습니다.
세라믹 압력 센서는 다른 산업 분야에서도 사용할 수 있습니다.
공정 제어, 환경 제어, 유압 및 공압 장비, 서보 밸브 및 변속기, 화학 및 석유화학 산업, 의료 기기 등 다양한 분야에서 널리 활용됩니다.
12. 압전 세라믹이 타이어 공기압을 감지함
압전 세라믹과 타이어 공기압 모니터링 칩 사이에 전기적 연결이 형성되어, 압전 세라믹이 타이어 공기압 모니터링 칩에 전력을 공급할 수 있게 한다. 이 타이어 공기압 모니터링 장치에서 차량 주행 중 타이어 내부의 공기압 변화로 인해 공기압 블래더(deformation bladder)가 변형되며, 이로 인해 압전 세라믹도 변형된다. 압전 세라믹의 변형에 의해 생성된 전류는 타이어 공기압 모니터링 칩에 전력을 공급하는 데 사용된다.
압전 세라믹은 타이어 공기압 측정 시스템에 적용될 수 있으며, 이는 기계적 압력을 전기 신호로 변환하는 독특한 압전 효과를 활용하여 타이어 공기압을 모니터링한다. 간략한 개요는 다음과 같다.
작동 원리
타이어에 공기를 주입할 때, 내부 공기압이 압전 세라믹 소자(일반적으로 타이어 밸브 또는 내부 라이너에 내장됨)에 기계적 힘을 가한다.
압전 세라믹은 가해진 압력에 비례하는 작은 전기 신호를 생성합니다.
이 전기 신호는 센서 모듈에 의해 처리(증폭되고 디지털 데이터로 변환됨)되어 무선으로 차량의 탑재 시스템에 전송되며, 타이어 압력이 실시간으로 표시됩니다.
13. 압전 가속 센서
압전 가속 센서는 압전 결정체의 압전 효과를 기반으로 작동합니다. 압전 가속 센서는 자동차 에어백, 항정지 브레이크 시스템(ABS), 구동력 제어 시스템과 같은 안전 성능 분야에도 적용됩니다.
신에너지 차량의 연구 개발 및 생산 단계에서 점점 더 많은 신소재와 신공정이 도입되고 있으며, 이는 신에너지 차량에 대한 소비자의 요구인 경량화, 저비용, 지능화, 경제성 및 신뢰성을 만족시킬 수 있는 가능성을 열어줍니다. 새로운 재료의 적용 측면에서 세라믹 소재는 다양한 우수한 특성과 독특한 성능을 갖추고 있어 신에너지 차량에 적용할 경우 차량 자체 무게 감소, 모터 효율 향상, 에너지 소비 절감, 내구성이 낮은 부품의 수명 증가 및 신에너지 차량의 지능형 기능 개선에 긍정적인 의미를 제공합니다.
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