탄소섬유강화플라스틱(CFRP)은 그 비중이 스틸, 알루미늄에 비해 1/5, 1/1.8로 가볍고, 동시에 인장강도가 높은 장점을 가지고 있다. 최근 전세계적으로 강화되고 있는 차량 연비규제는 자동차 제조사들이 더 큰 비용을 지불하고서라도 더 가벼운 재료를 사용하도록 하는 원인이 되고 있으며, 그동안 제한적으로 검토되던 CFRP 역시 알루미늄, 마그네슘 등의 경량금속과 함께 경량화 소재로써 기대를 받고 있다. CFRP는 열경화성, 열가소성으로 분류되고 현재까지는 대부분의 CFRP부품 탑재 차량 모델들에 열경화성 CFRP가 적용되어 있지만, 열가소성 CFRP도 경제성, 친환경성으로 인해 주목을 받고 있다. 본 고에서는 자동차 경량화 소재로써의 CFRP의 종류 및 활용 사례에 대해 살펴보기로 한다.

자동차 소재용 열경화성 및 열가소성

CFRP의 특성
열경화성(Thermosetting) 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)은 가열하면 화학반응이 일어나 고체 상태가 되는데, 다시 가열해도 연화(Softening)되지 않는 특성이 있다. 통상적으로 CFRP는 열경화성 CFRP를 가리키는 경우가 많다. 열가소성(Thermoplastic) CFRP는 가열하여 연화시킨 후 냉각시키면 고체 상태가 되지만, 재차 가열하면 다시 연화시킬 수 있다. 일본에서는 자동차 차체용 재료로써 열경화성 CFRP와 더불어 열가소성 CFRP를 적극적으로 도입하려는 움직임을 보이고 있는데 열가소성 CFRP에 큰 관심을 갖는 이유는 다음과 같다.

●높은 생산효율에 의한 생산비 절감 효과
이미 일부 소량 양산차에서 CFRP가 이용되고 있지만, 높은 생산 비용으로 인해 대중적인 경량화 소재로써 자리 잡기에는 어려움이 있다.
열경화성 CFRP는 화학반응에 의해 경화(Hardening)되기까지 시간이 다소 걸리지만, 열가소성 CFRP는 성형 과정에서 화학반응이 필요없어 성형시간이 짧다. 성형가공비는 그 제품을 만드는데 걸리는 시간과도 직결되기 때문에 성형시간과 전후의 가공시간의 단축은 곧 비용 절감으로 이어진다고 할 수 있다. 장차 1분만에 성형 가능한 기술이 양산기술로써 자리매김할 수 있다면 1대의 프레스기에서 매달 1만 5천대에서 2만대 정도의 생산량을 기대할 수 있게 된다.

●기존의 투자 설비와 노하우의 활용 가능성이 높음
열가소성 CFRP의 프레스 성형가공은 재료를 가열/냉각하는 공정을 제외하면 지금까지 스틸 모노코크 구조 설계에서 축적해 온 프레스 부품의 제품설계, 금형제작, 성형가공, 생산설비, 품질숙성 등의 많은 설비나 노하우 등이 응용 가능한 경우가 많다. CFRP는 소재의 비용이 높기 때문에 판매가격이 비교적 저렴한 다량생산차에는 도입이 어렵지만, 기존 설비 활용이 가능하다면 설비 투자를 줄임으로써 생산 비용을 절감할 수 있다.

●재활용이 용이
열경화성 CFRP는 재차 가열해도 연화되지 않아 재사용이 기술적으로 어렵지만, 열가소성 CFRP는 가역성이 있기 때문에 재활용에 적합하다고 할 수 있다. CFRP 재활용의 한 예로 일본의 Carbon Fiber Recycle Industry와 Gifu University는 <그림 1>과 같은 열가소성 CFRP의 재생 공정을 개발했다. 이 공정은 탄소섬유를 섬유상태 그대로 회수함으로써 다양한 용도로 사용할 수 있고, 폐CFRP가 갖는 수지 성분을 연료로 쓰기 때문에 에너지 절약이 가능하다. 재활용을 위해서는 이러한 공정 개발과 함께 중고차 폐차 시 재활용이 가능하도록 접합된 부품의 해체/분리가 쉽도록 하고, 열경화성과 열가소성 CFRP의 조합 또는 접착제에 의한 접합은 분리가 어려워 재사용하기 어렵다는 전제에서 설계 방침을 정해야 한다.

열경화성과 열가소성의 주요 특징을 정리하면 <표 1>과 같다. 이와 같이 열가소성 CFRP는 재활용이 용이하여 친환경적이라는 큰 장점을 갖고 있는 반면, 열경화성 CFRP에 비해 강도(Strength), 강성(Rigidity, Stiffness) 및 접착 강도가 낮으며, 자동차 바디의 구조설계 기술이 정착되어 있지 않은 이슈가 있다.

일반적으로 열가소성은 열경화성에 비해 기계적 특성이 떨어진다. 자동차 바디는 기본적으로 주행 중의 불규칙한 하중을 받아도 재료의 탄성 변형이 일어나는 한계를 넘지않아야 하고, 충돌사고 시 탑승자의 안전 확보를 위해 캐빈의 변형을 최소한으로 억제해야 한다. 이러한 특성을 만족시키는 바디용 열가소성 CFRP 개발에는 앞으로 많은 연구가 필요하다고 볼 수 있다.

열경화성 CFRP 성형가공법

자동차 바디에 열경화성 CFRP를 적용하는 경우의 성형가공법은, 오토클레이브 성형법<그림 2> 또는 RTM 성형법이 사용되고 있다. 오토클레이브에 의한 성형은 섭씨 -20도에 냉동보관된 중간기재의 프리프레그 시트를 가공전에 도출하고 제품의 형상에 맞춰 컷팅한다. 그 다음 컷팅된 시트를 드라이어 등으로 가열하여 부드럽게 하면서 수작업으로 성형틀에 붙여간다. 이때 부분적으로 강도를 높이고 싶은 영역에는 여러 장 겹쳐 적층한다. 그 후, 공기주입구가 설치된 비닐 봉지로 성형틀 전체를 감싸고 오토클레이브에 투입한다. 오토클레이브에서는 비닐 봉지로 내포된 공기나 휘발물을 진공제거하고, 가열·가압하여 시트를 성형틀에 밀착시켜 성형하고, 경화시킨다. 투입하여 2시간 이상 정도 경과한 후 꺼내고 제품 형상에 맞게 컷팅, 구멍을 워터젯 등으로 가공한다. 손이 많이 가고 시간이 걸리는 성형가공법이지만, 성형틀에 완벽하게 맞추는 것이 가능하기 때문에 정확도가 높고 표면이 깨끗한 제품을 얻을 수 있다.

또한, 대형 오토클레이브라면 스틸 모노코크 구조의 경우, 분할하고 있던 부품을 정돈해서 일체화하거나, 여러 개의 부품을 넣고 동시 성형하는 작업도 가능하다. 반면에, 대형 오토클레이브 설비가 필요하고, 성형가공이 완료될 때까지 4시간정도 시간이 소요되며, 가공 비용이 많이드는 문제점이 있다.

RTM 성형은, 열경화성수지를 함침시키지 않은 탄소섬유강화시트를 예비 성형하여 성형용 프레스기에 투입한 후, 녹은 열경화성수지를 성형틀 내에 주입(함침)하고, 가열, 경화시킨다. 최근, 성형시간을 10분 정도로 단축가능한 기술(고속RTM)이 개발, 양산화되어 생산성을 높이고 있다. Toyota Lexus LFA나 BMW i3도, 고속RTM공법이 적용되어 있다.

열가소성 CFRP 성형가공법

<그림 3>에 나타낸 열가소성 CFRP의 Stamping 성형은 탄소섬유에 미리 열가소성수지를 함침시키고 프리프레그 시트와 성형용 금형을 가열시켜 시트를 연화시킨 상태에서 성형한다. 예비 성형을 거치지 않은 시트로부터 직접 성형하는 것도 가능하다.

열경화성과 같은 모체(Matrix)가 되는 수지의 중합 반응에 필요한 시간이 배제됨에 따라 성형시간을 크게 단축할 수 있다. 열가소성 CFRP는 미리 가열하여 고분자 중합이 되어 있는 시트를 상하의 금형에서 성형하는 Stamping 공법 개발이 중점적으로 추진되고 있다. <그림 4>와 같이 일본 이시카와현에서 추진하고 있는 프로젝트 ‘열가소성 CFRP의 Stamping 가공 기술개발’에서는 성형성에 크게 영향을 주는 열가소성수지의 온도 특성에 대해, 프레스기의 가압력과 금형의 온도를 정밀하게 제어함으로써 바디의 B필러와 같은 난이도가 높고 복잡한 형상도 1분 이하로 성형 가능한 가공 기술을 확보해 나가고 있다. 따라서 생산량이 많은 자동차 바디에서는 가공속도가 빠른 열가소성 CFRP에 대한 기대가 커지고 있다.

최근 유럽, 중국, 인도 등 대표적인 세계 자동차 시장을 중심으로 내연기관을 제한하고 친환경차를 장려하겠다는 미래 정책 계획들이 발표되고 있고, 전기차를 중심으로한 친환경자동차의 판매량은 실질적으로 높은 증가세를 이미 보여주고 있다. 특히 전기차의 1회충전 주행거리가 늘어나면서 배터리 중량이 크게 증가하게 되는데, 이로 인한 차량 효율 감소를 회피하기 위한 경량화 소재 접목 사례는 더욱 증가할 것으로 예상된다.

수소전기자동차 역시 고중량을 회피하기 위한 기술들이 필요하게 되고, Toyota MIRAI의 Stack frame<그림 5>에 열가소성 CFRP가 적용된 사례와 같이, 향후 자동차 소재에서 CFRP의 적용범위는 점진적으로 확대될 것으로 판단된다.