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[오토저널] 일본의 차세대 친환경 자동차 기술 동향

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2018-04-02 12:31:59

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항공기 경량화를 위해 개발되어 온 CFRP(탄소섬유강화플라스틱)를 최근 자동차 바디에 적용하기 위한 연구개발이 전세계적으로 활발하게 이루어지고 있다. 그러나 항공기의 기체와 자동차의 차체에 요구되는 특성이 크게 다르기 때문에 항공기에서 축적해 온 CFRP 기술을 자동차의 바디에 응용하는 것은 현실적으로 어렵다. 자동차의 차체에서는 강도·강성과 함께 충돌안전성이 가장 중요한 요소로 다루어지고 재료 사양이나 차체의 구조가 이 충돌안전 대책에 의해 결정되는 경우가 많다. 본 고에서는 자동차 바디에 초점을 맞추고 경량화를 위한 바디 설계 접근 방법이나 바디에 요구되는 특성에 대해 소개하고자 한다.

 

CFRP/알루미늄 자동차 바디의 성형법

 

탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)은 흑연 섬유로 만든 기재에 에폭시나 불소 수지(Resin) 등을 함침한 것을 적층하고 가압한 후 가열/고체화시켜 만들어진다. 실제 BMW와 Toyota 등에서는 CFRP를 포함한 차량을 양산하고 있다<그림 1>.

 

CFRP를 포함한 차량의 예로써 렉서스 LFA와 BMW i3의 바디에 대해 알아보자. 두 차량 모두 열경화성(Thermosetting) CFRP를 주체로 하여, 플랫폼의 일부(렉서스 LFA) 또는 전부(BMW i3)에 알루미늄을 병용하고 있다.

 

차량의 CFRP 사용률은 렉서스 LFA에서 41%, BMW i3의 ‘라이프 모듈’이라고 불리는 캐빈에서 49%이다. 그러나 i3의 경우 바디의 일부가 섀시프레임을 포함하기 때문에 40% 전반이라 할 수 있다. CFRP 바디라고 부르지만 알루미늄이 상당량 사용되고 있어 CFRP의 사용률은 50% 미만인데, 그 원인으로써 다음의 사항들을 들 수 있다.


•서스펜션 접합부 등 반복해서 큰 하중이 가해지는 부위의 강도·강성❶ 등에 대해 CFRP 구조만으로는 아직 충분한 기술적인 확신이 없는 상태


•충돌을 가정했을때 발생하는 차량감속도와 차체흡수 에너지의 제어에 대해 CFRP 구조만으로는 아직 충분한 기술적인 확신이 없는 상태


•렉서스는 프론트 바디, i3는 모터, 배터리 등의 전원구동계 및 서스펜션 등을 이미 기술적인 노하우를 축적하고 있는 섀시프레임에 통합하는 것이 비용절감과 중량 밸런스를 포함한 전체의 성능 향상으로 이어진다고 판단

 

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다음으로 두 차종의 성형법에 대해 간단히 알아보자. 렉서스 LFA는, 열경화성 CFRP의 캐빈에 알루미늄 프레임 구조의 프론트 바디를 붙이는 구조를 이루고 있다. 알루미늄 프레임 구조로 충돌 시의 에너지를 최대한 흡수하고, 동시에 서스펜션으로부터의 압력하중을 받아들이도록 설계되어 있다. CFRP 캐빈의 성형가공은 주로 오토클레이브❷ 가공 및 고속RTM(Resin Transfer Molding, 수지주입성형)가공을 이용하고, 후드, 루프, 플로어는 RTM, 그 외 바디부품을 오토 클레이브로 가공한다. 플로어는 10분할된 예비성형품을 고속의 RTM으로 일체성형하고 있다. 한편, 도어, 프론트펜더, 리어펜더는 글래스가 들어간 SMC❸로 만들어져 있다.

 

 BMW i3의 라이프모듈(캐빈)의 CFRP 바디는 고속RTM성형으로 제작된다. 사용률은 CFRP가 49.8%, 알루미늄이 19.2%, 열가소성수지(Thermoplastic resin)가 9.6%, 철이 7.3%이다. 이러한 소재의 조합으로 동급 차량에 비해 250~350kg 정도 가벼워졌다.

 


자동차 바디의 재료와 경량화 설계

 

●재료와 목표 중량

 

<표 1>은 스틸, 알루미늄, CFRP를 각각 주재료로 하는 양산차량 바디 중량의 예를 보여준다. 차량 사이즈 등이 다르기 때문에 엄밀한 비교는 할 수 없지만, 알루미늄 바디(93%)는 스틸 바디에 비해 약 70kg, 그리고 CFRP 바디(CFRP+수지가 55%)는 스틸 바디에 비해 약 140kg 가벼워져 있다.


CFRP 바디는, 앞서 언급한 것처럼 플랫폼에는 알루미늄을 병용하고 있기 때문에 알루미늄으로부터 CFRP에 치환 가능한 기술이 확보되면 스틸에 비해 150kg~200kg 정도 가벼운 200kg 이하의 초경량 바디 달성이 가능해진다. 이처럼 목표로 하고 있는 중량 경감폭에 따라 주재료를 정한다고 할 수 있다.


●바디의 어느 영역의 재료를 치환할 것인가


바디는 앞서 언급한 것처럼 골격 본체와 그 본체의 볼트/너트로 조립하는 도어, 후드, 펜더, 트렁크 또는 테일게이트(전동트렁크) 등 큰 조립 부분으로 구성되어 있다. 본체는 골격프레임과 플로어, 루프 등의 판넬을 점용접❹ 등으로 접합하는데, 이는 접합 후 분리가 쉽지 않다. 따라서, 리사이클 등을 고려하면 바디 본체에 스틸과 알루미늄 혹은 CFRP 등 이종재료를 혼합하는 것보다는 단일재료로 설계하는 것이 바람직다고 할 수 있다. 단, BMW7 시리즈와 같이 알루미늄, 스틸과 CFRP를 혼합해 금속 프레임을 보강하는 구조가 향후 주류가 될 가능성도 있다.


한편, 조립하는 도어, 후드 등은 조립 부품의 특징을 살려서 본체와 다른 재료(알루미늄, CFRP 등)을 이용해 경량화시키는 사례를 쉽게 볼 수 있다. 아울러, 도어, 후드, 트렁크, 테일게이트는 앞뒤 즉 외판의 스킨과 보강용 프레임 2장의 판넬을 접합하여 이루어져 있기 때문에, 다른 재료의 접촉에 의한 부식 등을 방지하는 대책을 세움으로써 외판만 경량 재료를 사용하는 경우도 있다.


경량화 접근 방법


자동차의 연비 향상과 이산화탄소 배출량을 저감하는 접근 방법으로는 <표 2>와 같은 사항을 들 수 있지만, 경량화에 대해서는 엔진, 바퀴, 차체의 어느 쪽이든 공통된 과제라고 할 수 있다. 차체의 경량화 접근 방법은 재료 치환, 성형 가공, 구조 설계로 나눌 수 있는데<그림 2> 본 고에서는 재료 치환에 의한 경량화에 대해 알아본다.

 

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●재료 치환에 의한 경량화


•재료를 얇게 하는 방법


재료의 강도를 높여서 얇게 만드는 방법으로써 스틸로는 고장력(High tensile strength)화, 알루미늄으로는 6000부터 7000계❺ 등의 소재 자체의 강도를 높이는 방법과 재료를 열처리하여 재료 강도를 높이는 방법 등이 있다. 또한 골격의 강성을 높여 얇게 만드는 방법도 있지만 동시에 하중이나 모멘트를 받았을때 발생하는 응력❻을 확인할 필요가 있다.


•재료의 강도 향상


보다 강도가 높은 재료를 이용해 얇게 만드는 방법이 있다. 이때 고장력화 등에서는 설비 능력과의 관계, 예를 들어 재료의 강도를 높이면 가공하는 기계 설비의 능력이 부족하지 않은가, 새로운 투자가 발생하지 않는가 등에 유의할 필요가 있다. 또한 강판을 담금질❼ 온도까지 가열하고 성형과 동시에 급랭시켜 강도를 높이는 방법이 있고 특히 최근에는 핫스탬핑❽의 사용이 자동차에서 확대되고 있다. 따라서, 단순히 고강도 재료를 사용하는 것 뿐만 아니라 가공법에 의해 강도를 높이는 방법도 검토함으로써 선택지가 넓어진다.


아울러, 알루미늄도 성형가공 시에 가열 후 냉각하면 강도가 높아지는 성질이 있으므로 같은 가공법의 응용 개발이 기대된다.


•경량 재료로의 치환


부품의 일부 또는 전부를 수지(Resin)화하는 것 뿐만 아니라, 구조 전체의 수지화를 검토하는 경우도 있다. 승용차의 바디 본체에 CFRP를 채용한 최근의 예는, 앞
서 언급한 것처럼 렉서스 LFA와 BMW i3가 있는데, 렉서스 LFA는 일반적인 스틸 바디에 비해서 140~170kg 정도의 경량화를 실현하고 있다. 두 차종 모두 열경화성 CFRP를 사용하고 있는데, 금속에 비해 축방향의 인장강도는 크지만 휨 탄성률(Elastic modulus)은 작아지기 때문에 단순히 치환하는 것으로는 강성의 저하를 억제하기 어렵다. 그래서 CFRP를 바디 본체의 골격 부품에 사용하는 경우, 일정의 강성을 확보하려면 휨 탄성률이 높은 재료를 사용하던가, 단면의 사이즈를 크게 하던가, 두껍게 하던가 등의 보완이 불가피하다.

 

도어, 후드, 펜더, 트렁크, 백도어 등의 대형 조립 부품은 골격 본체와 같은 극한의 하중을 받는 일이 없으므로 기본적으로는 상품성에 직접 영향을 주는 면강성을 중시하여 판의 두께를 선정하면 좋다. 단, 각 부품들도 골격 본체와 조립하는 부분에는 스틸과 같은 강도를 확보할 필요가 있다.


접합에 관해서는 스틸사이를 접착시키는 구조용 접착제의 사용지침에 대해서는 어느 정도 알려져 있지만, 수지사이 혹은 이종 재료와의 접착은 접합면의 조건이나 강도를 포함해서 신중하게 검토할 필요가 있다. 에폭시계 열경화성 수지를 사용한 CFRP간 접합에서는 에폭시계 접착제를 사용다. 이때 고장력화 등에서는 설비 능력과의 관계, 예를 들어 재료의 강도를 높이면 가공하는 기계 설비의 능력이 부족하지 않은가, 새로운 투자가 발생하지 않는가 등에 유의할 필요가 있다. 또한 강판을 담금질❼ 온도까지 가열하고 성형과 동시에 급랭시켜 강도를 높이는 방법이 있고 특히 최근에는 핫스탬핑❽의 사용이 자동차에서 확대되고 있다. 따라서, 단순히 고강도 재료를 사용하는 것 뿐만 아니라 가공법에 의해 강도를 높이는 방법도 검토함으로써 선택지가 넓어진다.


아울러, 알루미늄도 성형가공 시에 가열 후 냉각하면 강도가 높아지는 성질이 있으므로 같은 가공법의 응용 개발이 기대된다.


•경량 재료로의 치환


부품의 일부 또는 전부를 수지(Resin)화하는 것 뿐만 아니라, 구조 전체의 수지화를 검토하는 경우도 있다. 승용차의 바디 본체에 CFRP를 채용한 최근의 예는, 앞 서 언급한 것처럼 렉서스 LFA와 BMW i3가 있는데, 렉서스 LFA는 일반적인 스틸 바디에 비해서 140~170kg 정도의 경량화를 실현하고 있다. 두 차종 모두 열경화성 CFRP를 사용하고 있는데, 금속에 비해 축방향의 인장강도는 크지만 휨 탄성률(Elastic modulus)은 작아지기 때문에 단순히 치환하는 것으로는 강성의 저하를 억제하기 어렵다. 그래서 CFRP를 바디 본체의 골격 부품에 사용하는 경우, 일정의 강성을 확보하려면 휨 탄성률이 높은 재료를 사용하던가, 단면의 사이즈를 크게 하던가, 두껍게 하던가 등의 보완이 불가피하다.

 

도어, 후드, 펜더, 트렁크, 백도어 등의 대형 조립 부품은 골격 본체와 같은 극한의 하중을 받는 일이 없으므로 기본적으로는 상품성에 직접 영향을 주는 면강성을 중시하여 판의 두께를 선정하면 좋다. 단, 각 부품들도 골격 본체와 조립하는 부분에는 스틸과 같은 강도를 확보할 필요가 있다.


접합에 관해서는 스틸사이를 접착시키는 구조용 접착제의 사용지침에 대해서는 어느 정도 알려져 있지만, 수지사이 혹은 이종 재료와의 접착은 접합면의 조건이나 강도를 포함해서 신중하게 검토할 필요가 있다. 에폭시계 열경화성 수지를 사용한 CFRP간 접합에서는 에폭시계 접착제를 사용하고, 높은 접착력을 얻을 수 있다. 또한 접착면적을 크게함으로써 강판간의 점용접과 같은 접착강도를 얻을 수 있지만, 폴리프로필렌과 같은 열가소성 CFRP에 비해 접착강도는 떨어지는 경향이 있다. 그 밖에 기계적으로 접합하는 방법도 있지만, 생산성이나 비용을 생각하면 접착 또는 용접 접합의 향후 개발에 기대하는 것이 바람직하다.

 


향후 탄소섬유복합재료의 시장 전망


현재 탄소섬유복합재료 시장의 대부분을 차지하는 CFRP의 대부분은 우주/항공 분야에서 사용되고 있지만 앞서 소개한 것처럼 자동차 경량화 소재로써 그 수요가 늘고 있다. 한편으로 CFRTP(탄소섬유강화열가소성플라스틱)는 단시간에 저비용의 성형이 가능하여 CFRP를 대체할 기술로써 주목을 받고 있다. CFRTP는 현재 Toyota의 연료전지차 ‘MIRAI’에서 연료전지 스택의 프레임으로 사용되는 등 향후 자동차 분야에서 시장이 확대될 것으로 전망되고 있다<표 3>.

 

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이와 같은 탄소섬유복합재료는 과거 자동차 산업에서 중요한 소재가 아니었기 때문에 자동차 업체에서 가공 프로세스를 포함한 노하우가 축적되어 있지 않다. 따라서 국내의 자동차 기업과 소재 전문 기업은 BMW/SGL carbon, Toyota/Toray와 같은 협업 체계를 벤치마킹하여, 시행 착오를 줄이고 경쟁력을 확보해야 한다고 볼 수 있다.

 

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글 / 정성호 (지능형자동차부품진흥원)
출처 / 오토저널 17년 11월호 (http://www.ksae.org) 
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