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카본 파이버, 경량화의 주류가 되는가

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2017-07-26 07:39:55

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자동차의 주행성을 향상시키기 위한 가장 좋은 해법은 경량화다. 가속도와 코너링 성능, 핸들링과 브레이킹 성능을 모두 높이기 위해서는 경량화가 필수 조건이다. 뿐만 아니라 연비 개선, 배출가스 감소, 비용 절감 등에도 크게 기여한다. 내연기관 자동차가 탄생한 이래 자동차회사들은 엔진의 성능 향상과 더불어 차체 무게를 덜어 내는 데 엄청난 공을 들여왔다. 20세기 말부터는 알루미늄 차체가 등장하고 21세기 들어서는 카본 파이버의 기술이 발전하면서 레이싱 머신은 물론이고 양산 모델에도 채용이 늘고 있다.


2012년 포드가 카본 파이버 보닛 개발 계획을 발표했다. 당시는 기존 스틸보다 50% 가볍지만 강성은 5배가 강해 자동차 경량화를 위한 좋은 소재로 등장한 것이다. 같은 해 BMW는 보잉사와 카본 파이버 재활용에 합의했다. BMW는 i3과 i8에 혁신적인 카본 파이버 셀을 적용했으며 이를 위해 SGL 카본과 합작사도 설립했다. 보잉의 787 드림라이너는 보잉의 항공기 중에는 처음으로 기체의 절반을 카본 파이버로 제작했다.

 

BMW와 보잉은 퇴역한 항공기의 기체에서 수거한 카본 파이버를 다시 재활용하기로 했다. 두 회사는 카본 파이버 제조와 관련된 공정은 물론 기술을 공동으로 개발하고 공유하고 있다. BMW는 SGL 카본와 함께 미국에 오토모티브 카본 파이버 LLC를 설립하기도 했다. 람보르기니도 카본 파이버 개발을 위해 보잉과 파트너십을 체결했다.

 

2013년에는 폭스바겐이 골프의 카본 파이버 루프를 개발했다. 2016년에는 BMW가 카본 파이버 휠을 공개했으며 2014년에는 카본 파이버 생산을 세 배로 확대하기로 했다. 전동화차인 i3와 i8의 생산에 대응하기 위한 것이었다. 이 외에도 카본 파이버를 많이 사용하고 있는 수퍼카회사들 등 람보르기니가 2016년 엔진 내 커넥팅 로드를 카본 파이버로 하기로 해 주목을 끌었다.

 

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카본 파이버는 포뮬러 머신 등 레이싱 머신의 차체를 구성하는 주요 부품재료다. 정확히는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic), 즉 탄소섬유와 수제의 복합재로 우리는 탄소섬유강화수지라고 표현한다. 골프채와 낚시대, 테니스 라켓 등에서는 주류가 되어 있다. 물론 비행기와 선박, 철도차량 등에도 사용이 확대되고 있다.

 

이처럼 채용이 늘고 있는 것은 철보다 10배 강하고 무게는 25%에 불과하다는 장점 때문이다. 밀도도 1/5 수준이다. 2012년 포드가 사용을 시작한 지 5년여 만에 두 배가 더 강하고 가벼워졌다. 인장에 강한 탄소섬유와 압축에 강한 수지의 조합에 의한 것이다. 물론 그만큼 비싸다. 그래서 일반 양산차에의 채용은 만만치 않다. 고가의 프리미엄 모델들에서는 그것을 장기로 내 세울 수 있는 여력이 있지만 양산 모델에는 가격 때문에 쉽지 않다.

 

탄소섬유는 다이아몬드와 같은 흑연 결정구조라고 하는 극히 강한 분자구조로 강도와 탄성률이 뛰어나며 특히 인장강도가 아주 높다. 대부분이 원자량의 작은 탄소이기 때문에 가볍다는 것도 특장점이다.

 

이 탄소섬유의 원사는 다양한 용도로 가공되어 제품화된다. 제품화 과정에서 경화된 수지는 압충 강도가 뛰어난 특성을 갖게 된다. 더불어 인장에도 압축에도 강한 경량의 성형품으로 완성된 것이 카본이다. CRFP제품은 강도와 강성, 내구성 등의 점에서 아주 우수하지만 그만큼 제조 시간이 많이 걸리고 제조가 복잡하다는 것이 단점이다.

 

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하지만 최근의 카본에는 다양한 성형법이 등장해 사용 폭을 넓히고 있다. BMW i3에 라이프 모듈이라고 하는 CFRP 차체를 채용했는데 이는 RTM(Range Transfer Molding) 성형법에 의한 것이다. 기존의 성형법에 비해 아주 빠른 시간에 제조할 수 있다는 것이 큰 장점이다.

 

BMW i3와 i8은 ‘BMW 라이프 드라이브’라고 하는 상하 분할 유닛형 차체 구조가 특징이다. 프레임 주위로 구축되는 차량들과 마찬가지로 라이프드라이브 컨셉은 드라이브와 라이프 모듈 등 2개의 수평으로 분리된 독립적인 모듈로 구성된다. 드라이브 모듈 (섀시)은 차량의 토대를 형성하고 배터리와 모터, 구동시스템 등 알루미늄 프레임의 하부 유닛을 말한다. 이는 구조적이고 기본적인 충돌 기능을 하나의 구조로 결합시킨다. 배터리 등 무거운 부품을 낮은 위치에 탑재함으로써 주행성능에 대해 나쁜 영향을 최소화하고 안정성 등을 높이기 위한 것이다. 라이프 모듈은 탄소 섬유 강화 플라스틱으로 만들어진 고강도 초 경량 탑승자 공간으로 구성된다. 이는 프레임과 캐빈 구조에 가까워 강도 및 강성과 중량의 밸런스를 제어하기가 용이하다. 이 컨셉을 통해 BMW 그룹은 경량 디자인, 차량 아키텍처, 충돌 안전 분야에 새로운 기준을 만들었다.

 

알루미늄 차체 채용에 선구적인 아우디도 신형 A8에 뒤 방화벽 부분에 CFRP를 채용해 경량화와 강성 향상을 양립했다. 아우디의 알루미늄 차체 구조는 ASF로 잘 알려져 있는데 신형은 강판, 알루미늄, 마그네슘, CFRP를 적소에 사용해 한 단계 업그레이드했다.

 

이 외에도 SMC(Sheet Molding Compound)성형법에 의한 CFRP도 실용화되어 있다. 토요타 프리우스와 렉서스 LFA의 루프 프레임과 닛산 GT-R의 리어 언더 플로어 커버 등에 채용된 것이 이것이다. 현행 프리우스 프라임(PHEV)에는 뒷 도어의 골격 구조에 CFRP를 채용했다. 프리우스 프라임은 구동용 배터리 탑재 공간을 확보하기 위해 리어 오버행을 베이스 모델보다 80mm 늘렸다. 그로 인핸 중량 증가분을 해소하기 위해 알루미늄 비율을 40% 정도로 해 경량화를 꾀했다고 한다. 또한 CFRP에 의해 리어 컴비내이션 주변의 트림도 달리했다.

 

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최근 국내에도 공개된 렉서스 LC에도 차체 주요 부분에 CFRP를 채용했다. 우선 루프 부분은 RTM 성형법에 의한 부재를 사용했다. 더불어 차체 안쪽 요소요소에 SMC 성형법에 의한 부품을 채용했다.

 

카본 파이버는 아직까지 그 채용 범위가 넓지 않다. 하지만 처음 양산차에 적용하기 시작했던 때의 분위기를 감안하면 상당한 진전을 이룬 것은 분명하다. 갈수록 엄격해져 가는 배출가스와 연비 규제에 대응하기 위해 파워트레인의 개량과 함께 경량화도 중요한 과제로 부상한 만큼 규모의 경제를 실현해 단가를 낮출 수 있다면 그 사용폭은 더 넓어질 것으로 보인다.

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