국제 환경 및 연비규제 강화 추세와 에너지 자원의 가격 상승은 친환경 자동차 개발 및 차량 경량화를 촉진하는 동기로 작용되고 있다. 하지만, 안전 규제 및 편의 사양 증가로 인하여 차량의 중량은 증가할 수밖에 없는 상황에서 이를 최소화하기 위한 다양한 노력이 진행되고 있다. 이러한 현상은 내연기관 자동차뿐만이 아니라 배터리 때문에 증가한 차량의 무게를 보다 더 상쇄해야 하고 1회 충전 주행거리 개선이 시급한 전기자동차의 경우 더 큰 이슈로 고려되는 상황이다. 수송기기 산업을 둘러싼 환경 규제는 국가별로 차이는 있지만 2020년~2025년 규제 목표 갭이 가장 큰 것으로 분석되고 목표를 달성하기 위하여 다양한 수단이 강구될 필요가 있으며, 특히 EU 지역의 경우 2025년을 기점으로 더욱 강력한 규제가 시행될 전망으로 이에 대한 대비책이 시급하다.

환경 규제를 충족하지 못할 경우 완성차 기업에서는 판매제한과 같은 소극적 제재가 아닌 기준 초과 차량 대수별 벌금을 부여하는 방식의 강화된 제재를 받기 때문에 기업의 수익성에 상당히 심각한 문제를 초래할 수 있다. 미국은 0.1mpg당 5.5달러 벌금을 판매차량 전체에 부과하는 방안을 세우고 있으며, 유럽은 초과배출량 기준 5~95유로의 누진 벌금이 부과될 예정이다.

연비 향상을 위해 일반적으로 수행되는 연구는 엔진/구동계 효율향상, 주행 저항 감소, 경량화 등으로 구분될 수 있는데, 엔진효율 향상을 위해서는 엔진 다운사이징, 친환경 동력원 적용 등과 같은 연구를 들 수 있으며, 많은 연구비와 기간이 소요된다. 주행저항 감소의 경우 상대적으로 개선 효과가 크지 않고 차량 디자인 요소와 상충되기 때문에 쉽게 적용되기 어렵다. 하지만 차량 경량화의 경우 다른 경우처럼 상충되는 요소들을 최소화하면서 목적을 달성할 수 있는 장점이 있다. 그 밖에도 차량무게를 10% 줄이면 연비는 약 4~6% 정도 개선되는 것으로 알려져 있으며 이외에도 배기가스 저감, 섀시 내구수명, 가속력, 조향성능 및 제동성능이 향상되는 것으로 알려져 있다.

차량 경량화를 위한 방안은 크게 3가지로 분류할 수 있는데, 저비중 소재 적용, 구조 합리화, 첨단 고기능성 소재 개발 등을 들 수 있다. 저비중 소재 적용의 경우 금속소재를 비철금속 혹은 화학소재와 같이 비중이 낮은 소재로 대체하는 기술이다. 이 경우 기존에 사용하는 금속소재 대비 동등 이상의 물성을 구현해야하기 때문에 많은 어려움이 따른다. 대표적인 예로는 탄소섬유복합소재(CFRP : Carbon Fiber Reinforced Plastics) 혹은 발포소재 등을 적용한 부품을 들 수 있다.

구조 합리화는 공정기술의 발전과 함께 최근 들어 다양한 연구가 진행되는 분야이다. 차량의 안전에 문제가 되지 않을 경우 불필요하게 보강되었던 부분들을 최소화하는 연구 등을 예로 들 수 있다. 대표적인 예로는 TRB(Tailor Rolled Blank), CFRP 샌드위치 구조, 부품 모듈화 등을 들 수 있다.

첨단 고기능 소재 개발은 자동차 배터리의 경우를 보면 쉽게 이해할 수 있다. 납을 사용하는 배터리의 비용량은 약 30Wh/kg이지만 전기차의 배터리에 사용되는 Li 이온의 경우 약 150Wh/kg으로 그 효율이 매우 높아 차량의 동력원으로도 활용이 가능하게 되었다. 만약 과거의 배터리를 동력원으로 사용할 경우 차량의 배터리 무게는 지금보다 5배 이상 무거울 수밖에 없다. 경량화의 필요성은 앞서 언급한 것처럼 내연기관 자동차뿐만이 아니라 친환경 차량에서도 중요성이 더 증가할 것으로 예상되는데, 친환경 차량의 1회 충전 거리 개선을 위해서는 배터리 성능 개선과 더불어 배터리 무게로 인한 차량 중량 증가분을 상쇄할 수 있는 차체 경량화가 필수적이다.

<그림 4>는 기 자동차부품연구원에서 양산화된 EV 차량의 주행거리와 무게와의 연관성을 분석한 그래프로 차량 무게가 감소와 주행거리가 직접적으로 연결됨을 확인할 수 있다. 따라서 국내 친환경 자동차의 상품성 향상을 위해서는 차량의 성능과 품질을 향상 할 수 있는 경량화와 관련된 소재, 공정 및 부품개발 분야의 연구가 매우 중요하다고 판단된다.

주요 선진국의 기술개발 동향

경량화와 관련된 대표적인 기술로는 탄소섬유복합소재(CFRP)를 들 수 있다. 우수한 물성을 가졌지만, 높은 소재가격과 공정 난이도로 인하여 널리 적용되지 못했던 소재를 BMW에서 생산되는 전기차 모델에 양산 적용하여 최근 큰 주목을 받았는데, <그림 5>와 같이 BMW i시리즈의 경우 Life Module을 CFRP 소재를 적용하여 제조하고 양산화하고 있다.

포르쉐에서는 Carrera GT에 탄소섬유가 적용된 시트 프레임을 개발하여 기존 제품의 대비 약 50% 무게를 절감하는데 성공하였다. 시트의 경우 고강성 경량소재를 적용하여 시트의 부피를 줄일 수 있으며, 차량의 실내공간을 확장하는 효과를 볼 수 있기 때문에 그 효과가 매우 크다고 볼 수 있다.

닛산의 경우는 고분자 복합소재를 사용하여 30% 경량화된 Tailgate 개발에 성공하여 소형 SUV 차량인 Rogue에 양산 적용하였다. 제품을 제조하는 공정은 일반 사출 성형공정을 사용하였으며, Inner panel은 PP-LGF 30%, Upper Trim은 TPO 소재를 적용하였다.

벤츠는 SL 차종의 칵핏 크로스 빔(Cockpit cross beam)에 대해서 기존의 스틸 소재를 알루미늄, 마그네슘, 복합소재로 대체하여 용접점을 최소화하고 30% 경량화를 달성하였다. 해당 복합소재는 고유동성 PA6 기반에 유리섬유 60%가 사용되었으며 알루미늄과 접착성을 향상시키기 위하여 열가소성 열 활성화 아마이드계 접착촉진제가 적용되었다.

이렇듯 많은 복합소재 관련 기술이 개발 중이나, 기존 자동차의 제조라인을 고려하면 고분자 복합소재가 전면적으로 차량에 적용되기는 금속소재 기반의 자동차 제조 공정상 아직 많은 어려움이 있다. 따라서 최근에는 국부적으로 복합소재를 적용하여 차량의 경량화와 안전성을 향상하는 연구가 진행되고 있으며 BMW 7시리즈의 차체의 이종 소재간 국부보강 기술을 대표적인 사례로 들 수 있다. 차체의 국부 보강 시에는 기존의 금속부위와 복합소재를 체결하는 방법이 매우 중요해 지는데, 기존 금속 간 체결의 경우 자동화된 용접공정을 사용 할 수 있지만, 금속과 복합소재 간에는 용접을 할 수 없기 때문에 물리적 접합법과 접착제를 이용한 화학적 접착을 이용한 방법을 활용하고 있다.

차체부품이외에도 차량에는 약 34kg의 전선이 사용되는데, 친환경 자동차의 고압 케이블이 추가될 경우 전선의 무게는 더 증가할 것으로 예상된다. 따라서 이러한 문제점을 극복하기 위한 연구가 진행중이다. 기존 구리전선을 알루미늄 전선으로 변경하여 약 40%의 경량화 효과를 보인 연구 뿐만 아니라, 일본 AIST에서는 구리대비 전류량이 100배 많은 CNT-구리 하이브리드 소재를 개발하여 전선의 두께를 감소시켜 궁극적으로는 차량의 중량을 감소시킬 수 있는 연구가 진행중이다.

국내 기술개발 동향

국내에서도 차량 경량화를 위한 많은 연구가 진행중이다. LG 하우시스에서는 현대자동차와 공동 개발한 연속섬유 복합재(CFT)를 이용한 범퍼 백빔 인서트 사출 기술로 신기술(NET) 인증을 획득하였으며 충돌안전 성능 보장 및 15% 중량 감소로 차량 경량화에 기여하였다. 또한 자동차의 형태에 따라 범퍼 백빔의 모양을 자유롭게 성형할 수 있는 사출공법을 적용하여 부품수를 40% 이상 줄여 생산원가 절감에도 효과적이라고 발표한 바 있다.

그 밖에도 복합소재 중공구조 및 샌드위치 형태의 중간재 개발과 같이 다양한 복합소재 관련 연구를 수행하고 있다. 효성의 경우는 탄소섬유 탠섬(TANSOME)을 개발 자동차 루프 및 사이드 패널 등에 적용하는 연구를 수행 현대자동차 컨셉트카인 인트라도에 적용 2014년 제네바모터쇼에서 소개하였다.

한화 첨단소재에서는 GMT(Glass Mat Reinfroced Thermoplastic)을 개발하여 차량에 적용하고 있으며, 유리섬유를 부직포 형태로 직조하여 폴리프로필렌 수지에 함침하여 제조한 Sheet로 냉연강판에 준하는 인장강도와 플라스틱의 경량화를 동시에 만족하는 복합소재로, 충돌 에너지 흡수성, 디자인 자유도, 내부식성이 우수한 것으로 알려져 있다.

SK케미칼에서는 국내기업으로는 최초로 수퍼엔지니어링 플라스틱인 PPS (Polyphenylene Sulfide)를 자체 친환경 기술을 통하여 양산화 기술을 확보하였으며, 높은 내열성과 내화학성을 갖는 PPS 소재의 Grade 다변화를 위한 소재개발과 자동차용 부품개발 관련 연구를 수행하고 있다.

국제 환경 및 연비규제 강화추세와 에너지 자원의 가격 상승으로 자동차 경량화에 대한 요구는 필연적이다. 경량화는 단순히 무게 절감뿐 아니라 품질수준과 제조 원가, 양산성, 안전성, 장기 내구 신뢰성 확보 등이 종합적으로 고려되어야 하기 때문에 장기적인 안목으로 치밀하게 연구가 수행되어야 한다. 또한 경량화에 있어서는 구조변경을 수반한 소재의 변경이 가장 효과가 크며, 이는 소재-성형-부품화에 이르는 공정간 협력이 반드시 필요하다. 이는 완성차 혹은 특정 산업군의 일방적인 노력으로 는 어려우며 자동차 산업의 Value-Chain 간의 긴밀한 협조, 유대관계 유지, 공동개발 등을 필요할 것으로 판단된다.

글 / 정선경 (자동차부품연구원)

출처 / 오토저널 2018년 8월호 (http://www.ksae.org)