작업대에서 떨어뜨려도 살아남은 전자 부품, 움푹 들어간 곳과 온도 변화를 통과하는 자동차의 후드 아래 전자 부품, 심지어 난기류를 통과하는 항공우주 부품을 쥐어본 적이 있다면 직장에서 진동 감쇠를 경험한 적이 있을 것입니다. 대부분의 사람들은 내구성을 가능하게 하는 조용한 장치에 대해 생각하지 않지만, 고진동 환경을 위해 설계하는 엔지니어에게 부품 실리콘은 단순한 실란트나 필러 그 이상입니다. 이는 안정적인 진동 관리의 중추입니다. 자동차에서 산업 제어에 이르기까지 산업을 지원하는 수십 년의 경험을 가진 부품 실리콘 공급업체로서 저는 이 소재가 어떻게 다른 옵션보다 뛰어난지 직접 확인했습니다. 그러나 이 소재의 고유한 특성이 어떻게 실제 진동 감쇠 성능으로 변환되는지 이해할 때만 가능합니다.
먼저 전자 및 기계 부품에 진동이 왜 그렇게 중요한 문제인지 분석해 보겠습니다. 도로 소음, 모터 작동, 대기 난류 등으로 인한 진동은 작은 납땜 접합부, 섬세한 센서 및 회로 기판에 주기적 응력을 생성합니다. 시간이 지남에 따라 이러한 스트레스는 부품이 과열되거나 젖지 않더라도 납땜 균열, 커넥터 느슨해짐, 센서 정렬 불량 등 피로 장애로 이어집니다. 진동 감쇠 재료가 필요한 곳입니다. 이 재료의 임무는 순환 에너지를 흡수하여 소량의 열로 변환하고 민감한 부품이 손상되지 않도록 하는 것입니다. 성분 실리콘은 분자 구조로 인해 특히 적합합니다. 길고 유연한 실리콘 중합체 사슬은 깨지지 않고 늘어나고 방향이 바뀔 수 있으며, 낮은 유리 전이 온도(Tg)와 결합되어 다른 재료가 경화되고 갈라지는 추운 조건에서도 유연성을 유지합니다.
이를 관점에서 볼 수 있도록 일반적인 대체 재료와 비교해 보겠습니다. 예를 들어, 에폭시는 단단하고 구조적 지지력이 우수하지만 Tg가 높으면 영하의 온도에서 부서지기 쉬워 농업 기계나 오프로드 차량과 같은 장비가 겨울에 작동할 때 진동 감쇠 기능이 좋지 않습니다. 우레탄은 에폭시보다 약간 더 유연하지만 UV 노출이나 고온(예: 많은 자동차 부품이 직면하는 120°C 엔진룸 환경)으로 인해 품질이 저하되어 시간이 지남에 따라 감쇠 성능이 저하될 수 있습니다. 반면, 성분 실리콘은 많은 제형에서 -60°C ~ 200°C의 온도 범위에서 유연성을 유지합니다. 이는 대부분의 진동이 심한 응용 분야에서 작동하는 범위입니다.
이제 진동 감쇠에 중요한 특정 성능 지표를 살펴보겠습니다. 여기서 중요한 숫자는 진동 에너지를 소산하는 재료의 능력을 측정하는 손실 탄젠트(tan δ)입니다. 0.1보다 큰 tan δ 값은 재료가 감쇠에 효과적이라는 것을 의미합니다. 0.3 이상의 값은 매우 효과적이라는 것을 의미합니다. 대부분의 진동 감쇠용 구성 요소 실리콘은 작동 온도 범위에서 0.2~0.5 사이의 tan δ를 가지며, 이는 에폭시(일반적으로 tan δ < 0.1) 및 심지어 많은 특수 우레탄 진동 감쇠 재료(극한 온도에서 종종 0.1 미만으로 떨어지는 경우가 있음)보다 성능이 뛰어납니다. 즉, 부품 포팅이나 부품 실리콘으로 밀봉된 부품이 진동에 노출되면 순환 에너지가 내부 부품으로 직접 전달되는 대신 20~50%를 흡수합니다.
그러나 중요한 것은 벌크 tanδ만이 아니라 실리콘이 적용되는 방식에 따라 큰 차이가 발생합니다. 예를 들어, 2액형 실리콘 포팅 컴파운드는 경화되어 부품 주위에 균일하고 응력 없는 층을 형성합니다. 이는 완전한 진동 보호가 필요한 회로 기판을 캡슐화하는 데 이상적입니다. 우리의SO-820 실리콘 포팅 컴파운드 | UL 94 V-0 RTV 캡슐화 재료 대만이를 위해 특별히 고안되었습니다. 실온에서 tan δ가 0.35이고 수축 없이 경화되며(수축으로 인해 부품 고장으로 이어질 수 있는 내부 응력이 발생하므로 큰 이점) 화재 안전이 중요한 응용 분야에서 UL 94 V-0 난연성을 충족합니다. 저는 엔진 제어 장치(ECU)를 에폭시 포팅에서 SO-820으로 전환한 자동차 제조업체와 협력하여 18개월 동안 현장 진동 관련 고장이 70% 감소한 것을 확인했습니다. 이유는? 실리콘의 유연성은 에폭시보다 회로 기판 재료의 열팽창 계수(CTE)와 더 잘 일치하므로 작동 중에 ECU가 가열 및 냉각됨에 따라 솔더 조인트에 응력을 생성하는 대신 기판과 함께 이동하는 동시에 연결이 깨질 수 있는 도로 및 엔진 진동을 흡수합니다.
밀봉 센서 또는 커넥터와 같이 완전한 캡슐화가 필요하지 않은 응용 분야의 경우 단일 구성 요소 RTV 실리콘이 더 나은 선택인 경우가 많습니다. 우리의Rtv-1 알콕시 전자 실리콘 실란트습기와 접촉하면 경화되어 현장이나 조립 중에 쉽게 도포할 수 있으며 -40°C ~ 150°C에서 tan δ가 0.28입니다. 속도 센서가 흔들리는 트랙터 엔진의 진동으로 인해 문제를 겪고 있던 농업 장비 산업의 고객이 기억납니다. 그들은 한 달 안에 단단한 층으로 굳어지는 범용 접착제를 사용하고 있었고 센서가 바뀌었습니다. RTV-1 알콕시 실리콘 실런트로 교체하면 센서가 진동에 따라 약간 움직일 수 있으며 실리콘의 감쇠 특성은 마운트를 느슨하게 만드는 고주파 엔진 소음을 흡수합니다. 그들은 전환 후 진동 관련 센서 오류가 전혀 없다고 보고했으며, 이로 인해 단일 수확 시즌에 보증 청구 비용이 $20,000 이상 절약되었습니다.
진동이 많이 발생하는 또 다른 일반적인 응용 분야는 자동차 엔진룸 및 차체 전자 장치입니다. 백색 자동차 열전달 실리콘 실런트는 밀봉, 열 방출, 진동 감쇠라는 두 가지 목적을 갖고 있습니다. 우리의백색 자동차 열전달 실리콘 실란트0.8W/mK(약 0.2W/mK인 표준 실리콘 실런트보다 훨씬 높음)의 열전도도와 일반적인 엔진룸 온도 범위에서 tan δ 0.3을 갖습니다. 모듈이 도로 진동에 노출되고 일정한 온도를 유지해야 하는 전기 자동차 배터리 관리 시스템(BMS)의 경우 이 실런트는 배터리 모듈을 섀시에 접착하고 모듈 연결을 피로하게 만드는 진동을 흡수하며 충전 및 방전 중에 발생하는 열을 제거하는 데 적합합니다. 우리는 BMS 모듈에서 경쟁사의 우레탄 제품에 대해 이 실런트를 테스트한 신생 EV 제조업체와 협력했습니다. 10g(자동차 부품 표준)으로 1,000시간 동안 진동 테스트를 실시한 결과, 경쟁사의 우레탄은 수분 침투를 허용하는 미세 균열이 발생한 반면, 당사의 실리콘 실런트는 균열 징후가 없으며 감쇠 특성을 유지했습니다.
그러나 모든 부품 실리콘이 진동 감쇠를 위해 동일하게 제작되는 것은 아닙니다. 귀하의 응용 분야에 적합한 재료를 선택할 때 찾아야 할 몇 가지 주요 요소가 있습니다. 첫째, 경화 속도: 부품을 신속하게 처리해야 하는 경우 당사와 같은 2성분 시스템을 사용하십시오.2부분 전기 실리콘 포팅 화합물실온에서 15~30분 안에 경화되는 것이 천천히 경화되는 1액형 시스템보다 낫습니다. 현장에서 수리하거나 대형 부품을 적용하는 경우 당사와 같은 원파트 시스템을 이용하세요.1개 부품 실리콘 실란트24시간 안에 치료하는 것이 더 실용적일 수 있습니다. 둘째, 온도 범위: 응용 제품이 극한의 추위나 열에 노출될 경우 실리콘의 Tg가 최저 작동 온도보다 낮고 최고 온도보다 높은지 확인하십시오. 많은 저등급 부품 실리콘의 Tg 값은 -20°C 정도입니다. 즉, 그 이하의 온도에서는 단단해져서 감쇠 능력을 잃게 됩니다. 당사의 모든 진동 중심 제제는 Tg 값이 -50°C 미만이므로 북극이나 고도가 높은 환경에서도 유연성을 유지합니다.
종종 간과되는 또 다른 요소는 접착력입니다. 진동 댐퍼는 보호하는 구성 요소에 적절하게 결합된 경우에만 작동합니다. 실리콘이 회로 기판이나 하우징에서 분리되면 에너지를 흡수할 수 없어 댐퍼가 전혀 없는 것과 동일한 고장이 발생합니다. 이것이 바로 당사의 모든 부품 실리콘이 FR-4 회로 기판, 알루미늄 하우징 및 플라스틱 인클로저와 같은 일반적인 기판에 맞춰진 접착 촉진제로 제조된 이유입니다. 우리는 또한 적절한 접착을 보장하기 위한 표면 처리 지침을 제공합니다. 아무리 좋은 소재라도 잘못 적용하면 제 기능을 할 수 없기 때문입니다.
나는 엔지니어들이 더 높은 tan δ 실리콘으로 전환했지만 표면을 올바르게 준비하지 않았기 때문에 여전히 진동 문제가 발생하여 몇 달 사용 후 박리가 발생하는 프로젝트를 본 적이 있습니다. 이는 간단한 단계이지만 실제 성능에는 큰 차이를 만듭니다.
진동 감쇠는 일회성 작업이 아니기 때문에 장기적인 내구성에 대해서도 이야기해 보겠습니다. 많은 재료는 자외선, 화학 물질 또는 온도 순환과 같은 환경 노출로 인해 시간이 지남에 따라 감쇠 특성을 잃습니다. 부품 실리콘, 특히 특별히 제조된 등급의 실리콘은 이러한 요소에 대한 저항력이 뛰어납니다. 예를 들어, SO-820 실리콘 포팅 화합물은 10년간의 옥외 노출 테스트를 거쳤으며 여전히 원래의 tan δ의 90%를 유지합니다. 이는 원격 위치의 산업 제어 패널이나 먼지, 습기 및 태양 노출로 인한 UV에 노출되는 농업 장비와 같은 애플리케이션에 매우 중요합니다. 광산 업계의 한 고객은 -10°C ~ 80°C의 온도 범위에서 작동하고 지속적인 고주파 진동에 노출되는 시추 장비에 사용되는 센서에 당사의 두 부분으로 구성된 전기 실리콘 포팅 컴파운드를 사용했습니다. 현장에서 3년을 보낸 후 먼지와 열로 인해 분해되는 우레탄 포팅 컴파운드를 사용한 경우의 12%와 비교하여 이러한 센서의 고장률은 0.5% 미만이었습니다.
이제 저는 성분 실리콘이 최선의 선택이 아닐 수 있는 부분에 대해 투명하게 밝히고 싶습니다. 견고한 구조적 결합이 필요하거나 200°C 이상의 매우 높은 온도 응용 분야에서 작업하는 경우(세라믹 충전 에폭시 또는 금속 합금이 더 좋음) 구성 요소 실리콘이 적합하지 않을 수 있습니다. 그러나 자동차 전자, 산업 제어, 항공 우주 부품, 농업 장비, 심지어 정기적으로 떨어뜨리는 스마트폰과 같은 가전제품 등 진동이 심한 응용 분야의 90%에 대해서는 가장 안정적이고 비용 효율적인 옵션입니다. 초기 비용은 에폭시나 일반 접착제보다 약간 높을 수 있지만 보증 청구 감소, 현장 오류 감소, 구성 요소 수명 연장으로 인한 장기적 비용 절감으로 인해 투자 가치가 충분합니다.
진동이 문제가 되는 프로젝트를 진행 중이거나 현재의 댐핑 솔루션을 업그레이드하려는 경우 당사 팀에 문의하시기 바랍니다. 우리는 업계 전반에 걸쳐 수백 명의 고객이 특정 진동, 온도 및 응용 분야 요구 사항에 맞는 올바른 부품 실리콘을 선택하도록 도왔으며, 가장 까다로운 조건에서도 부품의 신뢰성을 유지할 수 있도록 맞춤형 공식, 테스트 지원 및 기술 지침을 제공할 수 있습니다.
참고자료
- Landrock, AH (1995).접착제 기술 핸드북(2 판). 윌리엄 앤드류 출판.
- ASTM D4065 – 21, 플라스틱에 대한 표준 테스트 방법: 동적 기계적 특성: 실온 이상 및 이하 온도에서의 인장, 굴곡 및 충격. ASTM 인터내셔널.
- SAE(Society of Automotive Engineers) J1455, 운송 전자 장비의 환경 테스트를 위한 표준 테스트 방법.
- 실바, MF, 그 외 여러분. (2005). 자동차 응용 분야용 실리콘 기반 복합재의 진동 감쇠 특성.폴리머 테스트, 24(7), 884-890.