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자동차 고분자재료 개발동향

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2009-12-16 17:15:49

본문

1. 서론
자동차에 사용되는 재료는 자동차의 저연비, 온실가스(CO2)저감, 안전성 향상, 휘발성 유기화합물(VOCs)과 관련된 환경규제 등 다양한 인자를 고려하여 결정된다. 또한, 최근에는 단순히 교통 수단이 아닌 운전자의 개인 취향 및 감성 등 고객의 적극적인 요구사항이 접목되면서 자동차 각 부품에 적용되는 재료의 선택이 자동차 판매 실적과 밀접한 관계를 가지게 되었다.

자동차에 요구되는 규제사항을 만족하고 소비자의 요구사항인 고성능화, 햅틱(Haptic), 옵틱(Optic), 스크래칭(Scratching) 등과 같은 고감성화를 구현하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한, 연비관련규제 강화와 편의장비 적용 확대에 따른 차량중량 증대에 대응하기 위해 자동차 경량화에 대한 관심이 높아지고 있으며 전 세계적인 연비규제 강화 추세와 가솔린 가격 상승으로 연비성능이 차량 판매를 좌우하는 중요한 요소로 부각되고 있다.

본 고에서는 자동차용 재료, 부품의 복합화 기술동향 및 차세대 재료에 대하여 서술하였다.

글 / 강원구 (GM대우오토앤테크놀러지) 유승율(자동차부품연구원) 정선경(자동차부품연구원)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2009년 12월호


2. 자동차용 플라스틱 재료, 부품의 기술 동향
자동차에 사용되는 플라스틱은 1950년대 내장부품에 적용되기 시작하여 외장부품으로 확대 되었으며 또한 엔진과 기능부품에 엔지니어링 플라스틱이 적용되었고, 이후에는 모듈화를 수반한 폴리프로필렌(PP)의 사용이 확대되었다. 자동차 산업에서 고분자 재료의 사용량이 지속적으로 증가하고 있는 이유는 설계와 기능의 조합 면에서 플라스틱이 우수한 장점을 가지고 있기 때문이다. 플라스틱은 성형성이우수하여 복잡한 자동차 부품을 간소화시키는 모듈화에 유리하고 조립비용을 절감할 수 있어 전체 자동차 생산비용을 줄이는 장점을 가지고 있기 때문이다. 이에 따라 고분자 소재 생산기업들은“세계적인 공급요구에 어떻게 대응할 것인가, 동시에 물성이나 환경특성 등 매년 까다로워지는 요구 특성에 최적의 재료를 신속하게 개발할 수 있는가”하는 문제를 해결하기 위하여 노력하고 있다. 자동차에 사용되고 있는 플라스틱 소재는 차량 전체무게 대비 약 8% 정도로 철계 소재가 73%인 것에 비하면 미비하다고 할 수 있지만, 부피비중으로 보면 플라스틱 소재는 약 26%이고, 철계 소재는 30% 정도로 거의 유사한 부
품 비중을 차지하고 있다<그림 2>.

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자동차에 사용되고 있는 플라스틱 소재의 부품적용은 <표 1>과 같이 각 재료에 있어서 호모 폴리머에 비해 폴리머 Alloy 재료, 고무∙기능성 필러(Filler)를 첨가한 복합재료가 압도적으로 많다.

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PP는 일상생활에서뿐만 아니라 자동차용 재료로서도 광범위하게 이용되고 있다. ABEX
(Automotive Benchmarking & Exhibition)에 따르면<표 2>, PP는 자동차용 재료로서의 선두주자이며, Toyota Aygo, Renault Clio 그리고, BMW1은 자동차에 각각 총 플라스틱 대비 52%, 48%, 33%의 PP 소재를 적용하였다. 이는 PP 재료가 비중이 낮고, 내열 및 내화학 특성이 우수할 뿐만 아니라 수분에 대한 흡수성이 낮아 후변형이 적으며 성형 시 흐름성이 우수하고 재활용이 용이한 점 등 많은 장점을 가지고 있기 때문이다. 한편, PP는 저온 내충격성이 떨어지기 때문에, 탄산칼슘, 탈크(Talc), 유리섬유, Clay, 엘라스토머 등과 같은 충진재를 보강하여 굴곡 탄성률이나 경도, 열팽창률 등의 성능을 증가시킴으로써 더욱 더 자동차 부품으로의 적용 확대를 꾀하고 있다.

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현재, PP를 사용한 자동차 내장부품 동향은 재료의 원가절감과 재료의 단순화, 통합화를 통한 재료 개발기간의 단축 및 햅틱, 옵틱, 스크래칭 향상을 통한 감성화기술을 개발하는 추세로 진행되고 있다. PP는 저코스트, 내약품성, 성형성이 우수하여 인스트루먼트 판넬, 도어트림 등에 사용되고 있다.

GM의 경우, 재료의 원가절감 및 감성품질 향상을 위하여PP+EPDM-TD20을 개발하여 적용하고 있다. 또한 외장부품에도 내장부품과 마찬가지로 재료의 단순화, 통합화를 통한 재료 개발기간 단축 및 간소화를 통한 원가절감을 달성하고 있다.

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미국 GM에서는 자동차 외장부품인 범퍼 훼시아(Fascia) 소재로 1990년 초기부터 TPO를 적용하였으며, 강성과 내충격성을 개선하였고 박육화가 가능한 무기물 충진제가 개발되면서 1990년 이후에 그 사용량이 증가하고 있다.

GM에서는 각 지역마다 다르게 적용되고 있는 20개 이상의 TPO 외장재료 규격을 2개로 간소화 및 모듈화하기 위한 논의를 진행했으며, 이러한 개발과정을 통해 공통 제품, 금형 디자인, 성형시간 단축 등의 효과를 기대할 수 있게 되었다. 특히, 재료규격 단일화, 일체화로 글로벌 재료통합구매가 가능해져 제조원가와 검증시간, 검증비용 등을 줄일 수 있게 되었다. 적용부품은 TPO 재료 적용이 가능한 범퍼 훼시아, 바디 사이드 몰딩, 도어록(Door lock) 커버등이 있으며 자동차 내∙외장부품에 적용되는 PP재료 특성을 <표 3>에 나타내었다.

GM 글로벌 플랫폼 차종부터 적용되는 TPO 외장재료 규격을 적용하기 위해서는 범퍼 훼시아 무게를 지탱할 수 있는 충분한 강성, 우수한 치수 안정성, 우수한 충격 안정성 및 글로벌로 사용 가능한 공통 금형의 수축율 등과 같은 여러 가지 사항들이 고려된 재료개발이 필요하다. 이러한 일환으로 GM에서는 각 지역별 범퍼 훼시아의 규제와 GM 글로벌 플랫폼 차종으로서 요구특성을 만족하는 재료규격의 최적화를 찾는 연구를 진행하여 <표 4>와 같이 GM 글로벌로 일체화, 통합화된 범퍼 훼시아 TPO 외장재료 규격(GMW15187 for Painting, GMW15188 for Mold-in-Color)을 만들었다.

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자동차용 재료 개발의 중요 요소인 가격 및 부품 요구사항에 부합하여 가장 많이 사용되는 플라스틱 재료는 범용재료인 PP와 엔지니어링 플라스틱 재료인 PA 재료이다. PA 재료는 알루미늄 등의 비철금속 부품 대체 재료로 유리섬유 강화 복합재료의 형태이며 사용량이 많아지고 있는 추세이다. PA 복합재료는 내열성이 뛰어나 내연기관이나 자동차 상판(Roof)을 대체하는 소재로 적용이 추진되고 있으며 인테크 매니폴드(Intake Manifold)를 필두로 라디에이터 탱크, 캐니스터(Canister), 엔진커버 등의 엔진 룸 부품과 가속 페달, 핸들 등의 내장부품으로 사용되고 있다. 외판이나 외장제품으로는 휠커버, 도어미러 등이 있고, 섀시 계통으로는 클러치 부품, 시프트 레버 등 자동차 분야에서 가장 많이 쓰이는 고성능 엔지니어링 플라스틱이라 할 수 있다.

엔진룸에서 적용되고 있는 플라스틱 재료는 아직 그 사용량이 미미하여 불과 10~15㎏에 지나지 않는다. 이것은 엔진의 폭발행정 등에서 생기는 온도상승과 엔진룸의 컴팩트화에 따른 부품 모듈화 등의 개발로 엔진룸의 온도가 많이 상승하여 엔진룸 사용 시 요구되는 재료의 높은 내열성 및 유체류(엔진오일, 부동액, 워셔액등)에 대한 내화학성 등의 물성을 만족시키기 어렵기 때문이다.

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그러므로 요즘은 특성별 요구조건에 맞는 재료의 개발이 이루어지고 있으며, 개발사례로는 내 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol)용 PA재료 개발이나 애쉬 트레이(Ash Tray)에 사용되는 신규 난연 평가조건을 만족하는 재료개발이 좋은 예라 할 수 있다. 자동차관련 연구기관인 Inpro는 엔진룸 부품의 플라스틱화 현상과 개발 가능성에 대해 보고하였다. 현재 금속소재를 플라스틱 재료로 대체하고 있는 부품으로는 라디에이터, 에어 인테이크, 에어 필터, 실린더 헤드 커버 등이 있으며 엔진, 기어박스, 파워트레인 및 스티어링 시스템 영역에서 향후 더 높은 대체가능성을 담고 있는 부품 후보로 검토 중이다. 또한 중량, 품질, 음향특성과 함께 추가로 내열성, 내약품성 및 동력 전달성 등의 새로운 요건을 검토하여 단기,중기적으로 플라스틱의 부품 적용 가능성이 커지고 있다.

3. 자동차 실내 VOCs 저감 소재
POM(Polyoxymethylene)은 포름알데히드의 중합에 의해 제조되며, 기계적 강도, 내약품성, 마찰마모 특성, 내피로성 및 열적 특성 등이 우수하며 성형가공성이 우수한 엔지니어링 플라스틱으로서 전기 및 자동차 분야에서 널리 사용되고 있으며 자동차 부품으로는 도어록 부품, 어린이용 좌석 부품, 모터기어, 스위치 및 각종 잠금장치(Lock) 등으로 쓰이고 있다. 또한, POM은 엔지니어링 플라스틱 중에서도 결정화 속도가 빠르고 결정화도가 높기 때문에 사출성형을 이용한 제품화에 적합한 재료이다.

정부에서는 새 자동차의 실내 내장재 등에서 배출되는 포름알데히드나 휘발성 유기화합물로 인하여 피로, 두통 및 눈 자극 등의 증상이 나타날 수 있는 이른바‘새차 증후군’에 대한 실태조사를 2005년 5월부터 12월까지 승용차 7종 및 대형승합차 2종 등 총 9종을 대상으로 실시한 바 있다. 조사 결과 승용차의 경우, 포름알데히드와 휘발성 유기화합물 중 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 스틸렌(Styrene)등 대부분의 조사항목이 국내‘신축공동주택 실내 공기질 권고기준’을 초과하지 않았으나 일부 차종에서 에틸벤젠(Ethyle Benzene)이 권고기준보다 1.65배, 자일렌(Xylene)이 1.31배로 나타났으며 대형버스의 경우는 6개 항목 중 2~4개 항목에서 권고기준을 초과하는 것으로 나타났다. 이동수단에서 현대인의 움직이는 생활공간으로서 자동차의 역할이 커지고 있는 점을 감안하여 정부에서는 신규제작 자동차의 실내 내장재로부터 방출되는 인체 유해물질에 대하여 적절한 관리가 이루어질 수 있게 하기 위하여 2007년 6월‘신규제작자동차 실내 공기질 권고기준(이하 권고기준)’을 제정, 추가사항으로 2010년 7월 1일 이후 신규 제작 및 판매되는 승용자동차는 권고기준에 만족해야 하며 매 2년 마다 시험 등을 거쳐 권고기준 준수여부를 평가 및 발표할 예정이다. 권고기준 제정으로 운전자들은 쾌적한 자동차 실내 환경이 조성되어 삶의 질 및 운전과정에서의 안정성 등이 향상되는 한편, 자동차 제작 관련기술에 대한 국제 경쟁력 확보의 계기로도 작용할 것으로 예상된다. 해외는 물론 국내 주요 자동차 업체에서도 시험방법을 표준화하고 그에 따른 시험을 통해 개선활동을 도모하고 있다.

이러한 휘발성 유기화합물 규제에 가장 민감하고 개선이 필요한 재료가 POM 재료이다. POM 재료는 고분자 가공과정에서 과열되거나, 부적절한 안료 및 재생재 사용에 의해 분해가 촉진되는 경우 휘발성유기화합물 중 포름알데히드 방출이 증가될 가능성이 있기 때문이다. 따라서 현재 POM재료 개발의 가장 큰 개발방향은 휘발성 유기화합물 발생을 최소화하기 위한 저취기성, 저휘발성 유기화합물 재료의 개발이다. 특히 유럽에서는 환경의식이 높아 자동차업계에 있어서도 이미 재료를 엄선하고 있다. 현재 POM재료를 생산하는 재료업체에서는 기존에 자동차에서 요구되는 고강성, 내마모성, 내후성 및 내구성을 만족시키면서 저취기성, 저휘발성 유기화합물에 대한 재료개발이 중요한 것으로 예측된다.

4. 결론
자동차는 수많은 부품들로 만들어진 복합체이고 부품은 시간에 따라 다양한 소재로 만들어지며 최근에는 가볍고 강성이 뛰어난 소재들이 기존의 철강 소재들을 대체하고 있는 추세이다. 특히 1990년대 들어 신장하고 있는 자동차 부품의 플라스틱화는 외장과 내장 부품에서 구조나 기능부품으로 확대 채용되고 있으며 이후에도 부품의 플라스틱 대체는 증가할 것으로 예상된다.

현재 자동차 플라스틱 재료 관련 개발동향은 고기능, 고성능 재료의 개발 및 녹색성장에 따른 지구환경 문제를 해결하기 위한 재활용성 등 환경기술과 재료기술의 접목을 통한 융복합 기술이라고 말할 수 있다. 즉 이러한 개발 동향은 보다 친환경적이고, 소비자의 감성품질을 만족시킬 수 있는 플라스틱 재료 개발로 이어져 향후 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 연료전지 자동차 개발 등 그린카를 실현하는데 핵심적인 역할과 기능을 하게 될 것이다.

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