세라믹터보챠져 (Ceramic Turbocharger)
1. 머리말
1985년에 세계 최초로 일본에서 세리믹터보챠져(Ceraturbo) 로터가 실용화되었다. 이것은 질화규소 세라믹스를 엔진주위(circumference)의 고응력을 받는 부품으로 사용하기 시작한 예이며, 세라믹업계를 배경으로 등장하였다.
2. 장점 및 특징
약 900℃의 고온 배기가스에 노출되는 고온부의 터보챠져로타에 질화규소를 사용하는 것으로, 세라믹터보챠져는 금속제에 비하여 약 40%가 가볍기 때문에 관성모멘트가 약 40% 감소하여, 터보래그의 단축 및 응답성능 향상이라는 효과가 발휘된다. 터보챠져로타에서 요구되는 특성은 ① 내열성 및 내산화성 (사용온도는 가솔린차에서 900℃∼1000℃), ② 신뢰성 및 내구성 (10만rpm 이상의 파괴회전수), ③ 이물질에 대한 내충격성, ④ 금속제와 동등한 공전성능, ⑤ 금속제 터보챠져로타보다 크게 비싸지 않은 가격 등이다.
3. 기술개발
세라믹 터보챠져 제조와 관련하여 개발된 기술은 ① 설계기술 (로터에의 응력집중의 배제와 세라믹부와 금속축과의 적당한 접합부의 설계), ② 재료기술 (개발시점에서 저강도 질화규소 재료를 대신하는 고강도·고신뢰성 재료의 개발), ③ 성형기술 (사출성형과 고형주입성형에 의한 near-net-shaping성형), ④ 접합기술 (압입법과 brazing) 공정에 의한 열팽창 차이를 고려한 질화규소제의 날개부분과 금속제 축과의 접합), ⑤ 연마 가공기술 (고회전에서 사용하기 위한 고정밀도의 balance 수정), ⑥ 검사기술(취성재료이므로, 외관검사, 형광탐상 검사 외에 X선탐상 검사와 초음파탐상 검사 등에 의한 내부결함의 비파괴 검사가 필요), ⑦ 평가기술 (부품실체의 강도평가 및 피로수명의 예측) 등이다.
4. 성공 요인
세라믹 터보챠져로타는
가속응답성 개선과 고출력화라는 시장의 요구와 자동차용 구조부품에의 본격적인
세라믹 적용이라는 선진성에 부응하여 시장이 순조롭게 증가하였고, 200만대 이상이
출하되었다. 판매이래 10년 이상이 경과하였지만, 염려되었던 신뢰성에 관하여는
아무런 문제가 없다는 것이 시장에서 입증되고 있다. 터보챠져로타의 세라믹스화는
가혹한 환경(고온, 고회전성 및 고진동) 아래서 세라믹스의 신뢰성을 증명한 것이며,
취성재료인 세라믹스를 구조재료로 사용하는 방법이 확립되었다고 할 수 있다.
세라믹터보챠져의 성공요인은 질화규소의 강도(strength)와 인성(toughness)을 비약적으로
향상시킨 것을 들 수 있다. 또한 구조해석기술과 비파괴검사기술 등의 주변기술도,
급속한 발전의 큰 성공 요인으로 들 수 있다.
5. 맺음말
배기용량이 큰 차(motor car)의 세제 경감을 배경으로, 세라믹 터보챠져로타 시장은 순조롭게 증가할 것으로 예상되었으나 터보장착 차의 line up 감소, 시장의 저가격화 요구, 또 일본경제의 bubble 붕괴라는 여러 가지 요인으로 지난 수년간 시장의 성장은 기대에 미치지 못했다. 세라믹 터보챠져로타의 개발은 세라믹스를 금속, 플라스틱에 다음가는 제3의 구조재료로 육성하는 역할을 했다고 확신한다. 또한 터보챠져는 엔진효율을 높이고 연비(연료소비)를 낮추었기 때문에, 21세기에는 그 중요성이 재인식 될 것이다.
참고문헌
1. T. Shimamori, "Ceramics Turbocharger and Ceramics Glow Plug," Ceramics 35 [1] 44-45 (2000).
2000년 6월 19일 김영욱