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글로벌오토뉴스 채영석 국장은 30년 동안 자동차 전문기자로 활동해 왔으며 인터내셔널 엔진 오브 더 이어, 월드 카 오브 더 이어의 심사위원이다. 골드만 삭스 등 투자은행들과 다른 시각으로 산업 분석을 해 오고 있다. 지금까지 3,000종 이상의 차를 타고 시승기를 쓰고 있으며 세계적인 모터쇼와 기술세미나 등에 참석해 글로벌 차원의 트렌드 분석에 힘을 쏟고 있다. 2013년 골드만 삭스가 유가 200달러 시대를 이야기했을 때 역으로 유가 폭락 가능성이 있다는 칼럼을 쓰기도 했다.

99. 현대기아차의 세계 최초 신기술들
내연기관부터 수소 연료전지차까지

페이지 정보

글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2019-11-15 06:21:03

본문

현대기아차는 지금 글로벌 시장에서 어느 정도의 위치에 있을까? 글로벌 플레이어 중 현대기아차에 대한 소비자들의 인식을 객관화한 것 중 애널리스트들이나 경제학자들이 수치로 평가할 때 쓰는 브랜드 가치를 기준으로 하면 2019년 전 세계 모든 브랜드 중에서는 36위였고 자동차 브랜드 중에서는 현대차가 6위, 기아차가 12위에 랭크되어 있다. 인터브랜드의 조사를 기준으로 현대자동차는 2005년 처음으로 100대 브랜드에 랭크된 이후 올해까지 15년 연속 선정됐으며 그동안 브랜드 순위는 48계단, 브랜드 가치는 100억 달러가 올랐다. 자동차 브랜드 중 1위인 토요타가 562억 달러이고 메르세데스 벤츠가 508억 달러, BMW가 41억 달러, 혼다가 241억 달러, 포드가 143억 달러, 그리고 현대가 141억 달러이며 기아는 64억 달러다.

 

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스 국장)

 

기업이라는 것이 수익을 내기 위해 존재하는 것이고 그런 수익을 근간으로 선정하는 브랜드 가치는 분명 객관적인 기준으로 인용할만한 가치가 있는 것은 분명하다.

 

그런데도 자동차라는 제품에만 국한한다면 인터 브랜드 순위에서 자동차업체 중 가장 앞선 토요타의 제품이 기업 가치 기준으로 다음 순위인 메르세데스 벤츠나 BMW보다 더 좋다고 하는 의견에 동의하는 사람들은 많지 않을 것이다. 토요타는 생산 기술의 혁신으로 수익성 측면에서는 가장 높은 평가를 받고 있지만, 제품의 성능과 독창성 등 소위 말하는 프리미엄 브랜드가 갖추어야 할 조건에서 뒤지기 때문이다. 그것은 역시 시판 가격이라는 객관적인 수치로 입증되고 있다.

 

자동차회사의 브랜드 이미지는 하루아침에 이루어진 것이 아니다. 오랜 역사와 전통을 바탕으로 쌓아온 신뢰가 있어야 한다. 그것을 헤리티지라고 한다. 그 헤리티지는 기본적으로 자동차의 본질인 성능을 비롯해 독창성, 혁신성이 있어야 하며 소비자들과 소통하는 프리미엄 마케팅이 동반되어야 한다. 물론 여전히 희소성도 중요한 요소 중 하나다.

 

적어도 지금까지는 ‘달리고 돌고 멈춘다.’고 하는 자동차의 본질적인 측면에서의 성능이 모든 조건의 선행이 되고 있다. C.A.S.E가 화두로 등장하면서 ‘보고 생각하고 이동한다’라고 하는 명제로 자동차의 본질이 바뀔 것이라는 의견이 등장해 있지만 그렇게 정착되기까지는 적지 않은 시간이 걸릴 것이다. 그 이야기는 적어도 당분간은 주행성을 위주로 한 성능과 품질, 감성 등이 경쟁력의 원천으로 작용할 것이라는 얘기이다. 그래서 전통적인 자동차회사들은 여전히 인공지능과 소프트웨어는 물론이고 파워트레인과 섀시의 개량을 하고 있다. 트렌드세터의 지위를 지키기 위해 전방위적인 연구개발을 하는 것이다.


여기에서는 상대적으로 후발 업체인 현대기아차가 그런 트렌드 세터들과의 경쟁을 위해 세계 최초로 개발한 기술들을 정리해 본다. 크게는 파워트레인의 개량 부문에서도 새로운 기술들을 개발해 냈고 안전 기술과 소음 등 감성적인 측면에서도 새로운 아이디어로 시선을 끌고 있다. 무엇보다 전동화 부문에서는 연료전지 전기차에 가장 많은 비중을 두고 있고 세계 최초의 행보를 멈추지 않고 있다.

 

 

효율성과 밸런스 추구하는 엔진과 변속기 기술

파워트레인 중 엔진 관련 기술은 크게 실린더 블록과 실린더 헤드 기술로 나뉜다. 유럽 메이커들은 모듈러 엔진이라는 개념으로 실린더 블록을 통합했다. 여기에 실린더 헤드 기술, 구체적으로는 연료 분사와 밸브의 작동 관련 기술에 많은 공을 들여왔다. BMW의 밸브트로닉과 더블 VANOS 등이 대표적인 예다. 여기에 21세기 들어 직접 분사 방식이 터보차저와 상성이 좋아 내연기관 엔진의 성능을 획기적으로 증강했다. 그러면서도 여전히 연비성능 향상과 배출가스 저감을 위해 밸브 관련 기술을 연구하고 있다.

 

일본 메이커들은 토요타가 고속연소 기술과 롱 스트로크화, 닛산은 가변 압축비 기술을 세계 최초로 상용화에 성공했으며 마쓰다는 20세기 말 메르세데스 벤츠가 시작한 균질예혼합압축착화엔진(HCCI) 기술의 실용화에 먼저 성공해 시선을 끌고 있다.

 

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그리고 현대기아차도 2019년 7월 세계 최초로 연속 가변 밸브 듀레이션(CVVD; Continuously Variable Valve Duration) 기술을 개발했다. CVVD기술은 지금까지는 부분적으로만 가능했던 엔진 밸브 열림 시간 제어를 획기적으로 늘려주는 기술로 상충관계인 엔진의 성능과 연료소비효율을 동시에 증가시키면서 배출가스까지 줄여주는 것이 특징이다.

 

가변 밸브 제어 기술로는 밸브의 여닫힘 시점을 제어하는 연속 가변 밸브 타이밍 기술(이하 CVVT; Continuously Variable Valve Timing), 밸브의 개폐 깊이를 조절해 실린더 내 공기량을 제어하는 연속 가변 밸브 리프트(이하 CVVL; Continuously Variable Valve Lift) 등이 있으며 이번에 현대차와 기아차가 처음 선보인 CVVD 기술은 엔진의 작동 조건에 따라 흡기 밸브가 열려있는 기간을 최적화하는 기술이다. 최적화된 밸브 열림 시간의 구현을 통해 동력 성능 4%, 연비성능이 5% 증강됐으며 배출가스는 12% 저감했다.

 

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여기에 더해 주행성능 높여주는 ASC 변속 기술도 세계 최초로 개발했다. 쏘나타 하이브리드에 적용된 이 기술은 하이브리드 전기차의 주행 모터를 활용한 능동 변속제어(ASC; Active Shift Control) 기술이다. 현대차그룹이 독자 개발한 ASC제어 로직은 하이브리드차를 구동하는 주행 모터를 활용해 자동변속기를 초당 500회씩 초정밀 제어하는 신기술이다. 이를 통해 기존 하이브리드차 대비 30% 빠른 변속이 가능해져 주행 성능은 물론 연비와 변속기 내구성 등 3가지 요소를 동시에 높일 수 있다.


이 기술의 채용으로 쏘나타 하이브리드는 이전 세대보다 연비는 10% 이상, 정지상태에서 시속 100km까지 가속하는 시간은 0.2초가량 단축됐는데 엔진 효율 향상과 경량화, 에어로다이나믹과 함께 ASC 기술이 기여를 했다.

 

전동화 시대를 위한 변속기의 개발은 전통적인 부품 메이커들이 주도하고 있다. 특히 뒷바퀴 굴림방식 변속기의 세계적인 업체인 ZF는 모듈 설계에 의해 48V 마일드 하이브리드부터 스트롱 하이브리드, 플러그인 하이브리드까지 모두 대응하는 8단 자동변속기를 개발했다. 33마력부터 218마력까지의 출력에 대응할 수 있는 이 변속기는 파워 일렉트로닉스가 외부가 아닌 하우징 내에 수납되어 있기 때문에 변속기 자체의 소형화에도 성공했다.

 

현대기아차는 변속기를 그룹 내 현대 트랜시스에서 자체적으로 개발해 조달하고 있는데 그 기술력에서는 이미 높은 평가를 받고 있다. 일본의 아이신 세이키는 아이신 AW와 합병을 통해 전동화 시대의 변속기 기술의 변화에 대응하고 있는 것을 고려하면 현대기아차의 능동 변속 제어 기술의 개발은 주목을 끌 만하다.

 

 

안전장비와 소음 저감 기술도 세계 최초 행보

안전 장비에 대한 것도 이 시대 중요한 이슈다. 지금은 대부분 ADAS와 관련된 것들이 주를 이루고 있지만, 여전히 수동적 안정성 향상을 위한 기술도 개발되고 있다. 현대·기아자동차가 세계 최초로 1차 충돌은 물론, 복합 충돌 상황까지 고려한 에어백 시스템을 개발한 것도 그중 하나다. 기존 에어백 시스템이 복합 충돌이 일어나는 사고에서도 모든 충돌을 독립적인 1차 충돌로 인식하는 부분을 보완한 것이다.

 

복합충돌이란 차량의 1차 충돌에 이어 다른 자동차나 시설물과 연이어 충돌하는 경우를 뜻하는데, 북미에서 2000년부터 2012년까지 5만 6,000여 건의 교통사고 사례를 분석한 결과, 복합충돌이 약 30%에 육박할 정도로 자주 발생한다.

 

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현대·기아차의 복합충돌 에어백 시스템은 1차 충돌에서 에어백이 터지지 않을 만큼 충격이 약했을 경우, 탑승자의 불안정한 자세와 속도 등 여러 가지 조건을 정밀하게 계산해 이후의 충돌에서는 기준 충격 강도를 낮추거나 작동 시점을 조절해 에어백이 더 쉽고 빠르게 작동되도록 개선됐다.

 

에어백 부문에서는 ZF 역시 세계 최초로 측면 충돌로부터 탑승자를 보호하는 '프리 크래쉬 에어백(Pre crash airbag)'을 개발했다. 프리 크래쉬 에어백은 차량의 측면부에 장착되며, 측면 충돌 사고 직전에 작동되는 것이 특징이다. ZF의 내부 테스트 결과 탑승자의 중상 가능성을 최대 40%까지 줄일 수 있는 것으로 확인됐다.


측면 충돌은 가장 위험한 유형의 도로 교통사고 중 하나로 독일의 도로에서 거의 700명 이상이 사망하고 탑승자의 사망 1/3가량을 차지한다고 한다. ZF가 새로 개발한 프리 크래쉬 에어백 프로토 타입은 충돌 전 미리 차량 앞에 배치된 외부 사이드 에어백을 사용한다. 그로 인해 탑승자의 부상을 최대 40%까지 줄일 수 있다는 것. 이를 가능하기 위해 ZF는 에어백을 차량의 센서 시스템에 네트워크로 연결해 충돌이 임박했는지를 확인하고 에어백을 작동할지 여부를 결정할 수 있는 알고리즘을 개발했다. 차량 센서는 카메라와 레이더 및 라이다 등이 있다.

 

가장 큰 과제는 충돌이 발생하기 전에 피할 수 없는 충돌을 인지하고 외부 사이드 에어백을 작동하는 것이었다. 이 시스템은 약 150밀리초의 시간 동안에 일련의 프로세스가 진행되게 된다. 차량에 따라 280ℓ에서 400ℓ(운전자 에어백의 5~8배)의 용량을 갖는 에어백은 측면 도어로부터 위쪽으로 팽창해 A필러와 C필러 사이의 도어 영역에 추가 충격 흡수존을 형성한다. ZF는 이 외에 새로운 센터 에어백도 개발 중이다.

 

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현대자동차가 세계 최초로 개발한 능동형 노면 소음 저감 기술(RANC :Road-noise Active Noise Control)도 시선을 끈다. 제네시스 GV80부터 채용하게 될 이 기술은 다양한 유형으로 여러 곳에서 동시에 나타나는 노면 소음을 실시간으로 분석해 이를 상쇄시키는 반대 위상의 음파를 발생시켜줌으로써 실내 정숙성을 대폭 향상해준다.

 

RANC의 원리는 반응이 빠른 가속도 센서를 이용해 노면에서 차로 전달되는 진동을 계측하면 DSP(Digital Signal Processor)라는 제어 컴퓨터가 소음의 유형과 크기를 실시간 분석한 뒤 역위상 상쇄 음파를 생성해 오디오 시스템의 스피커로 내보내는 방식이다. 그리고 RANC용 마이크는 노면 소음이 제대로 상쇄되고 있는지를 지속해서 모니터링해 DSP가 소음 저감 효과를 높이도록 도와준다.

 

RANC 적용으로 감소하는 약 3dB의 소음은 이를 적용하지 않았을 때보다 실내 소음 에너지가 절반 수준으로 줄어드는 효과를 내는 것으로, 누구라도 쉽게 소음 저감을 체감할 수 있으며 한 체급 더 높은 차의 정숙성을 갖춘 수준이라고 할 수 있다.

 

RANC의 개발로 다양하고 불규칙한 노면 소음까지 줄이는 것이 가능해져 기존NVH저감 기술의 한계를 넘어 조용한 자동차 실내의 구현이 가능해질 것으로 기대된다. 특히 수소전기차와 전기차는 파워트레인 소음이 거의 없기 때문에 상대적으로 노면 소음이 두드러질 수밖에 없어 RANC가 적용되면 더욱 효과가 클 것으로 보인다.


그 외에도 현대기아차 세계 최초 기술들은 많다. 차세대 내장형 '주행 영상기록 장치'를 양산차에 세계 최초로 적용한 것을 비롯해 ‘스마트 지문인증 출입•시동 시스템도 세계 최초로 개발했다. 또한 ADAS 장비를 비롯한 총 6가지의 안전 관련 시스템을 일괄 검사할 수 있도록 하는 전장 집중 검사 시스템도 세계 최초로 개발했다. 현대∙기아차는 ADAS 기능이 장착된 자동차에 대한 소비자 선호도가 증가함에 따라 제조 과정에서의 신뢰성 확보가 무엇보다 중요하다는 판단에 2015년부터 3년간 연구개발을 통해 전장 집중검사 시스템을 개발하였다. 소형 상용 전기차의 적재 중량을 실시간으로 감지해 주행 상황에 맞도록 출력을 최적화하고 주행가능 거리를 안내하는 기술도 세계 최초로 개발했다.

 

 

세계 최초로 상용화한 수소 연료전지 시스템에 가장 많은 비중

현대기아차그룹의 세계 최초 행보 중 가장 시선을 끄는 것은 물론 수소연료전지 전기차에 관한 부문이다. 현대기아차는 2030년 연료전지 전기차 연간 50만대 생산 목표를 설정하고 투자를 늘려 가고 있다.

 

연료전지 전기차는 20세기 말 메르세데스 벤츠가 가장 먼저 시작했으며 미국에서는 PNGV(Partnership of Next Ge 업계와 학계, 정부가 공동으로 파트너십을 이뤄 연료전지 전기차 개발에 착수하기도 했었다. 연료전지가 아닌 수소 엔진 자동차도 BMW가 1990년 초부터 개발을 시작해 7시리즈를 베이스로 한 프로토 타입까지 만들었었다. 그 차는 한국에도 들여와 시승회를 개최하는 등 적극적인 자세를 보였으나 2010년대 들어서부터는 상대적으로 적극성이 떨어진 상태다. BMW도 지금은 토요타와 연료전지 전기차를 공동으로 개발하고 있다.

 

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현대자동차는 지난 1998년부터 연료전지차의 개발에 착수했다. 개발을 기점으로 하면 후발 업체에 속한다. 초기에는 차량 제작 가격이 25억 원에 달했다. 하지만 2013년 투싼 iX 베이스의 연료전지차를 출시할 당시에는 1억 원까지 낮아졌고 지금도 꾸준히 가격이 하락하고 있다. 혼다의 연료전지차 FCX도 2005년 당시 제작 비용이 100만 달러를 넘었지만 2013년경 FCX 클래러티는 12만 달러까지 낮췄다. 토요타는 2009년에 열린 CARB(California Air Resources Board)의 ZEV 기술 심포지엄에서 2015년까지 연료 전지의 비용을 10분의 1로 줄일 계획이라고 밝히기도 했다. 토요타는 상용화되는 시점에서는 6만 달러까지 낮추는 게 목표였다.


참고로 혼다의 FCX 클래러티는 2008년 6월부터 생산이 시작됐고 같은 해 하반기부터 미국과 일본에서 리스 판매가 시작됐다. 2010년에는 미국에 50대, 전 세계적으로는 200대가 리스 판매됐다.

 

그런데 현대자동차가 2013년에 투싼 iX를 베이스로 한 연료전지 전기차를 내놓으면서 세계 최초로 양산을 시작한다고 발표했다. 혼다의 리스와 다른 본격적인 시판용 차로서의 개념을 말하는 것이다. 토요타의 양산 연료전지 전기차 미라이는 2015년에 출시됐다.

 

연료전지 전기차의 환경이 가장 좋은 나라는 현재로서는 일본이다. 일본은 연료전지 시스템을 자동차뿐만 아니라 가정에서도 활용할 수 있는 방안을 국가적인 차원에서 연구하고 있다. 토요타는 닛산과 혼다 등과 공동으로 수소 충전소를 개발하고 있기도 하다. 일본 정부는 2014년 연료전지를 위한 전략적 로드맵을 발표한 바 있다. 국가적 차원에서 지원하는 것이다. 여기에는 연료전지차 구매 시 지급되는 보조금은 물론 수소 충전소에 대한 지원 방안도 포함돼 있다.

 

주 내용은 2020년 올림픽을 겨냥해서 연료전지차의 보급을 장려하는 방안이다. 일본은 당시 35개의 수소 충전소를 설립 중이었으며, 토요타와 혼다는 2020년까지 6,000대의 연료전지차 판매 목표를 설정했다. 일본 정부는 전기차보다 3배 이상의 보조금을 연료전지차에 지원하고 있다. 도쿄는 2025년까지 연료전지 승용차 10만대, 버스는 100대, 수소 충전소는 80개를 목표로 하고 있다. 나라별로 보면 일본과 한국이 연료전지 전기차에 가장 적극적이다.

 

현대자동차는 투싼 이후 2018년에는 넥쏘 연료전지 전기차를 출시하면서 그동안의 연구 결과와 실험을 바탕으로 본격적으로 연료전지 전기차 시장 확대에 나서고 있다. 2017년에 현대자동차가 글로벌 수소위원회 공동회장사로 추대되면서 완성차와 부품, 에너지, 중공업 등 수소 산업 관련 글로벌 기업들과 네트워크를 구축하고 글로벌 어젠더로 수소 사회를 부각하고 전 세계 대부분 지역의 정부, 지자체 및 기업 등과 다자간 공동 협업을 끌어내려는 행보를 보인다.

 

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현대자동차가 연료전지 전기차에 집중하는 배경은 전동화라는 시대적인 과제 중 배터리 전기차는 단거리 주행에, 연료전지 전기차는 장거리 주행에 적합하다는 논리를 배경으로 차세대 파워트레인의 트렌드 세터로 자리매김해 브랜드 가치를 제고하기 위한 것이다. 배터리 전기차 부문에서도 세계적으로 빠른 행보를 보이지만 그 분야에서는 닛산 리프와 테슬라 등이 선구자의 입지를 확고히 하고 있다.


전동화라는 큰 틀에서 장기적인 파워트레인의 목표인 배터리 전기차와 수소 연료전지 전기차 중 연료전지 전기차를 선택해 리더로서의 입지를 구축하고자 한다는 것이다. 물론 세계 최대 시장인 중국 시장의 NEV 규제와 전동화 전략도 영향을 미쳤다.

 

현대자동차의 연료전지 전기차 시장 확대를 위한 행보는 예상을 넘는 수준이다. 국내에서 각 지방 자치단체와 협력을 꾀하는 것은 물론이고 아우디와 수소차 동맹 결성, 스위스 H2 에너지사에 수소 전기 대형 트럭 1,000대 공급 계약, 프랑스 에어리퀴드 엔지사와 수소충전소 보급 확대를 위한 양해각서 체결, 중국 칭화공업개발연구원과 수소 에너지 펀드 설립, 토요타 등 글로벌 5개사와 사용 수소차 충전 부품 공동 개발하기 위한 양해각서 체결, 스위스 H2에너지와 합작법인 현대 하이드로젠 모빌리티 설립, 말레이시아 사라왁주에 넥쏘 공급, 넥쏘의 일본 최초 전시, 사우디 아람코와 수소 에너지 확산 전략적 협력 합의, 중국 최초 수소 비전관 개관, 북미 수소 연료전지 시스템 시장 진출 등 숨 가쁜 행보를 이어가고 있다.

 

현대차그룹의 정의선 부회장은 지난 6월 일본에서 열린 G20 에너지 환경 장관회의 공식 발언을 통해 “수소경제가 미래 성공적 에너지 전환에 있어서 가장 확실한 솔루션”이라고 강조했다. 탈 탄소, 친환경 에너지인 수소가 보편화하는 수소경제 사회를 서둘러 구축해 환경 오염과 지구 온난화에 적극적으로 대응하자는 것이다.

 

그룹 최고 경영자의 이런 행보는 내용도 중요하지만, 그 자체가 프리미엄 마케팅이다. 다임러 AG의 디터 제체와 토요타자동차의 아키오 도요타의 행보가 대표적이다. 시대를 관통하는 화두를 바탕으로 하는 뚜렷한 방향성 제시와 그것을 실현하기 위한 투자와 독려는 지속가능한 미래를 위해 중요한 활동이다. 현대기아차그룹의 세계 최초 행보가 어떤 결실을 보게 될지 귀추가 주목된다. 

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