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[오토저널] 경량 자동차 구조용 금속소재 및 복합소재 개발 동향

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2017-02-02 18:01:07

본문

자동차 경량화는 과거부터 지속되어 온 자동차 업계의 화두이다. 가장 큰 이유는 미국과 EU를 비롯한 세계 각국의 연비규제 강화 때문이다. 미국 정부는 1975년 이후로 1만대 이상의 차량을 판매하는 완성차 업체를 기준으로 자동차 기업 평균연비 규제(Corporate Average Fuel Economy, CAFE)를 적용하여 규제 적용 10년만에 평균 연비를 두 배 가량 개선시켰다. 이후 미국 정부는 2025년까지 10인승 이하 승용 자동차에 대해 최소 23.2km/ℓ 연비를 규제로 내걸었으며, 완성차 업체들은 미국 시장을 위해 현재보다 평균연비를 50% 이상 개선해야만 한다.

 

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<그림 1, 2>에서는 각국의 연비규제 및 CO2 배출량 규제를 나타내었다. 세계 최고 수준의 환경기준을 유지하고 있는 EU와 대폭적으로 증가하는 연비규제를 볼 때, 앞으로 연비규제 강화 흐름은 더욱 증가할 것으로 보인다. 이러한 기준에 미달성 시 과태료를 부과하거나 아예 판매를 금지하고 있어, 이에 대한 적절한 대처가 향후 완성차 업체의 생존과 직결된다고 볼 수 있다.

 

이처럼 지구 온난화 문제와 유가 상승에 따른 에너지 문제에 발맞추어 각국에서 판매되는 차량에 대해 온실가스 배출량과 연비에 대한 규제를 만들기 시작했으며 이에 따른 완성차 업계의 대응이 이루어지고 있다.

 

초기 대응전략으로는 전자 센서를 통해 엔진 제어를 최적화 하거나 엔진 다운사이징을 통해 연비를 높이는 것이었으나, 엔진 효율화 만으로는 한계가 있으며 연구/개발 투자 대비 효과가 적은 단점이 있다. 게다가 자동차가 전자화, 고급화 될수록 부대장비가 늘어나 오히려 자동차 중량이 증가하는 추세이다. 이를 해결할 자동차의 연비개선 대책으로는 공기저항 저감을 위한 외형 설계 최적화, 대체 에너지 개발, 자동차 소형화 및 부품의 경량화 등이 있다.

 

하지만 공기역학적 디자인 개선으로 공기저항 계수를 감소시킬 수는 있지만, 차량 디자인의 다양성 때문에 일괄적용이 불가능하다는 점이 있으며 수소, 연료전지나 전기에너지를 사용하는 대체에너지 개발로 연비향상을 이룰 수는 있지만, 현재 단계에서는 이를 위한 장기 인프라 비용이 매우 큰 것으로 추산된다.

 

이에 반해, 차량의 경량화는 연비를 크게 향상시킬 수 있으며 가장 현실적인 대안이다. 게다가 차체는 차량 중량 비중 중 가장 큰 비율을 차지하므로 차세대 소재개발을 통한 차체의 경량화가 절실한 상황이다. 실제로 Ford에서는 2014년 100% 알루미늄 차체 적용의 F-150을 출시하였으며, GM에서는 2018년까지 알루미늄을 차체에 전면 사용하는 픽업차량을 개발하는 것을 목표로 하고 있고, 도요타는 2017년 출시 예정 신차에 알루미늄 소재 적용을 확대하는 것을 목표로 하고 있다. 향후 경량화 기술에 따른 연비차이가 자동차 업계의 경쟁력을 나타내는 하나의 지표가 될 것으로 예상된다.

 

이러한 차체 경량화를 위해 소재 자체를 가벼운 소재로 대체하는 방법, 성형 및 가공기술을 개발하는 방법, 기존 부품의 형상을 최적 설계하는 방법 등이 있으며, 이 중 첫번째 방법이 경량화 효과가 가장 크다.

 

초기에는 이러한 차체 경량화를 위한 소재로 알루미늄 합금이나 마그네슘 합금 등 비철금속이 주로 사용되었다. 알루미늄은 비중이 철의 1/3 정도로 가볍고, 내부식성이 좋기 때문에 자동차와 같이 제품수명이 길고 실외 사용이 대부분인 제품의 경우에 적합한 소재이다. 그러나 가격이 비싸고 성형성이 기존 철보다 낮기 때문에 적용 범위가 제한 적이었다. 또한 순수 알루미늄을 생산하기 위해서는 전기분해를 이용해야 하기 때문에, 전기료가 많이 발생한다. 게다가 알루미늄 합금으로 차체를 구성하기 위해서는 다양한 형상으로 제작할 수 있는 프레스 가공, 이종판재 접합기술 등 많은 관련기술의 개발이 필요하다.

 

마그네슘의 경우 비강성 및 비강도가 우수한 경량 소재이며, 진동 감쇠, 전자파 차폐 등 고유 특성을 가지고 있어 통신기기나 자동차용 라디오 등 전자파 차폐가 필요한 부위에 사용될 수 있다. 그러나 소재 가격이 알루미늄보다도 약 1.5~2배 정도 비싸며, 상대적으로 인성이 낮고 부식특성이 좋지 못해 장기간 사용에 따른 내구성의 확보가 중요한 다양한 자동차 부품으로의 적용에 어려움이 있다.

 

이를 해결하기 위해 비철금속 개발과 함께 국내외 완성차 업계에서는 고분자 기반의 탄소섬유 복합재를 자동차 차체에 적용하려 하고 있다. 전통적으로 섬유강화복합소재의 경우 열경화성 수지를 기반으로 하였으나 최근 공정적인 문제 및 비용적인 문제 등으로 인하여 열가소성수지에 대한 관심이 커지고 있다.

 

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<표 1>에는 복합소재에 사용하는 레진으로서 열경화성 수지와 열가소성 수지를 비교하였다. 다른 물성들에 비하여 짧은 curing time은 복합소재의 상용화에 매우 중요하므로 이러한 변화는 앞으로도 가속될 것임을 알 수 있다. PP나 PE, PVC 등 범용 엔지니어링 플라스틱보다 월등한 물성을 가지며 내열성, 난연성 등의 특성을 지닌 PEEK, PPS, LCP, PEI와 같은 슈퍼 엔지니어링 플라스틱이 개발됨에 따라 탄소섬유 기반 복합재의 차체 적용이 가시화되고 있으며 실제로 차체의 플라스틱 사용 비율이 점차 늘어나고 있는 추세이다.

 

실제로 BMW 1 series에서는 무게 대비 12%, 부피 대비 약 40%의 플라스틱이 사용되고 있다. 또한 탄소섬유 외에도 mineral fiber나 natural fiber 그리고 전통적인 고분자 섬유나 유리섬유의 활용이 다각적으로 접근되고 있다.

 

최근 북미에서도 열가소성 소재 기반 복합소재의 적용이 성공적으로 이루어진 경우가 많다. 전통적으로는 열가소성 고분자 소재의 경우 차량의 도어모듈, 인스트루먼트 패널 캐리어, 비상용 타이어 장착장비 등 내장재나 하중을 많이 받지 않는 부품에 한정하여 사용되었지만 최근에는 다양한 소재 및 가공기술의 발달로 샤시, 루프, 도어, 후드나 테일게이트와 같은 부분에 대한 자동차 구조용 소재로도 그 응용분야가 점점 넓어지고 있는 상황이다.

 

그 한 예로서 캐나다 Magna Exteriors Corp.의 Polycon Industries는 열가소성수지를 활용하여 최초로 대량생산 가능한 CFRP 기반 자동차 후드를 개발하였고, 이 후드는 2016년형 캐딜락 ATS-V와 CTS-V에 적용되었다. CFRP 후드는 기존의 스틸 후드에 비하여 72% 그리고 알루미늄 후드에 비하여 27%의 중량 감소를 실현하였다. 이 제품은 2016년 5월에 미국 Atlanta에서 열린 JEC America Composites Show & Conference에서 Automotive 부문 Innovation Award를 수상하였다.

 

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일본 Teijin이 개발한 Sareebo를 적용한 대량생산이 가능한 열가소성 복합소재 개발도 미국 GM과의 협력관계로 진행이 되고 있다. 아직 기술적인 큰 진전이나 실제 제품생산에 대한 소식이 없기는 하지만 방향적인 측면에서 매우 중요한 것으로 판단된다. 미국 Ford가 미국 Dow Chemical Company와 터키 Aksa Akrilik Kimya Sanayii의 합자회사 인 DowAksa와 2015년부터 CFRP의 개발에 대한 협력을 맺고 관련 기술을 개발하고 있는 것도 이와 같은 맥락에서 접근할 수 있을 것이다.

 

미국 뿐 아니라 전 세계적으로 강화되고 있는 연비규제, 가볍고 고물성의 고분자 개발 추세 등을 볼 때, 국내 완성차 업체들은 주도적으로 자동차 경량소재 개발에 참여해야 하며, 가벼운 비철금속, 특히 고분자 복합소재를 종합적으로 사용하기 위한 생산기술을 확보해야 한다. 소재업체들은 자동차용 경량화 소재 및 가공기술을 개발할 필요가 있다. 결국 현재 고비용의 탄소섬유 복합재가 양산시장에 진입하기 위해 그 생산속도, 비용, 성능 세 가지가 모두 합리적으로 만족될 수 있도록 기존의 열경화성 고분자를 활용한 복합소재의 개선은 물론 최근 많은 관심을 받고 있는 열가소성 고분자 기반의 자동차용 복합재료에 대한 추가적이고 지속적인 연구 개발이 필요할 것으로 생각된다.

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