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[오토저널] 자동차용 부품소재 기술 동향

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2020-11-20 11:21:44

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지구 온난화와 관련된 이산화탄소의 감소를 위해 전기 자동차와 수소자동차의 시대가 도래 하였다. 2025년 이후에는 아시아와 유럽연합 국가들이 내연기관 자동차의 생산을 대폭 줄이거나 생산을 중단할 계획을 발표하고 있다. 이러한 흐름은 전력기반의 자동차를 확산시켜 열악해져 가는 환경을 복원하는 것에 큰 의미를 두고 있다. 이에 맞춰 완성차 업체와 배터리 개발 및 관련사들은 전기자동차 시장 내에 입지를 확보하여 시장 점유율을 높이기 위해 제품과 성능 향상에 매달리고 있다. 또한 전기 수소차의 등장으로 인해 기존 부품은 소멸되고 신생 부품은 탄생할 조짐이 있음을 부인하기 어렵다. 아울러 자율 주행 및 각종 편의 장치와 전장 부품의 적용 확대가 가속화 되어, 향후 자동차 전후방 산업의 밸류체인의 변화와 생태계 이동이 예상된다. 자동차 부품 소재 역시 친환경화를 필두로 경량화 고감성화에 스마트화까지 좀 더 창조적이며 성숙의 단계로 나아갈 것으로 전망된다. 결국 소비자의 기호와 취향을 반영한 다양한 차량 등이 많아지게 될 것이며, 향후 자동차 시장은 소유의 개념에서 공유 개념으로 빠른 속도로 패러다임이 이동할 것으로 전망된다.

 

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국내외 자동차산업 환경변화
자동차 산업의 주요 키워드는 친환경, 경량화, 고감성, 고안전, 스마트, IT 융합 등을 들 수 있다. 자동차 부품과 소재 기술개발 방향 또한 키워드를 중심으로 진행되고 있으며 과거에는 OEM의 고유 영역이었던 전기 전자 및 ICT와 관련된 4차 산업혁명이 자동차 산업에도 연계되면서 새로운 패러다임이 급속히 변화되고 있다. 소재 측면에서 후발주자인 중국 및 산유국 국가들의 소재 기술개발 능력이 향상됨에 따라 일본의 도요타, 미국의 포드사, 독일의 벤츠, BMW사 등은 고부가가치의 소재와 부품 성형 기술 개발에 역량을 집중하여 후발주자들과의 격차를 벌리기 위한 노력을 하고 있다.

국내에서는 최근 온실가스 저감을 위한 노력을 국가적 차원에서 진행되고 있는 상황이다. 이에 환경부는 온실가스 75% 이상 감축 안을 만들어 발표하였고 자동차 제조업체는 이에 대응하기 위해 초경량, 친환경 플라스틱 소재 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 뿐만 아니라 인체에 친화적인 부품소재와 고감성 기술 ICT 융합 기술 개발도 활발하게 진행되고 있다.

국내외 자동차산업 정책동향
미국의 ORNL(Oak Ridge National Laboratory)과 PNNL(Pacific Northwest National Laboratory)을 중심으로 연구된 리그닌을 이용한 탄소섬유의 제조 기술개발 등을 중점적으로 수행하고 있으며, 2010년 정부로부터 3,470만 달러 투자를 받아 Carbon Fiber Technology Center를 설립하였다. 독일의 Fraunhofer Institute of Chemical Technology는 Innovative direct SMC process를 개발하여 SMC 컴파운드의 연속 공정을 가능케 하고 있으며, 독일은 20여년 전부터 자동차 분야 지원 예산 가운데 약 1/3을 소재 개발에 지원하며 자동차용 경량 소재 개발에 꾸준한 연구를 진행하고 있다. 일본은 경제 산업성 산하의 NEDO 주관으로 도쿄대, 닛산, 도쿄공업대 등이 참여하여 탄소섬유강화 복합소재 관한 연구 프로젝트가 진행되었으며, 이 연구를 통해 기존의 고장력 강판에 비해 더욱 우수한 강도와 경량성을 지닌 CFRP와 이러한 복합소재의 설계-성형-재활용 기술이 개발되고 있다.

미래형 자동차 및 감성 분야에 대한 관심 증가로 인해 정부차원의 연구개발이 활발히 진행 중이다. 교통연구소(미국), ESPRIT(EU), 인간생활공학연구센터(일본) 등은 ‘감성’의 중요성을 인식하고, 정부차원에서 R&D 전략과 예산을 마련중이며 독일, 일본 등은 기술 개발과 동시에 국제 표준화를 병행하고 있다. 사실 감성 기술 규격을 위한 변수들과 정의, 안전성, 성능 평가 방법 등에 대한 기준을 마련하기가 매우 어려워 해외 표준화를 주도하는 국가에서 새로운 기준을 만들어 가고 있어 추후 무역 장벽으로 작용할 가능성도 있다. 

국내 산업통상자원부는 ‘소재·부품 미래비전 2020(2011. 10)’을 제정하여, ① 2020년까지 소재부품산업을 글로벌 4대강국으로 도약, ② 소재 예산 비중을 확대하고, 중견·중소기업 특성에 맞는 소재 기술개발 사업 추진, ③ 소재부품 산업 생태계 육성과 축적된 경쟁력을 바탕으로 글로벌 선도전략을 추진하고 있다. 또한 제6차 산업기술 혁신 5개년 계획을 수립하여 3차 과학기술기본계획의 비전 및 전략과 연계한 산업기술 R&D 투자전략수립, 산업·기술간 융복합 기반의 핵심산업 분야를 발굴하고 민간기술수준에 따른 선택적 정부 지원전략을 수립하였다.

국내외 자동차 시장 및 기술동향
2018 Consumer Technology Association(CES) 국제 전시회의 Automotive 세션에서는 거실처럼 안락한 Byton 컨셉카를 비롯하여 3가지 형태의 미래자동차를 소개하였다. 첫째 스마트 자동차는 AI 기반의 모빌리티, 음성인식, 디스플레이 기술 중심의 자동차가 주도하며 스마트 차량의 HMI 효율 극대화를 위한 디스플레이 적용이 늘어날 것으로 전망하였다. 둘째 친환경 자동차는 전기차와 수소차 관련 다양한 기술이 소개되었고 일본의 닛산은 1회 충전으로 240km 주행이 가능한 LEAF 2세대 전기차, 현대 기아 자동차는 5분 충전으로 590km 주행 가능한 넥쏘 차량을 전시하였다.

또한 자동차 산업은 IT 전자통신 분야와의 협업을 통해 자동차에 다양한 컨텐츠를 제공하고, 인공지능을 도입한 자율 주행 자동차에 장착하게 되며 이러한 차량을 플랫폼화 하여 자동차 시장은 갈수록 복잡한 형태의 구조와 다양한 부품과 관련된 산업분야로의 영역이 확대될 것으로 전망하고 있다.

●경량 고분자 소재 개발
자동차 의장 및 편의 부품의 대부분은 고분자 소재로 이루어져 있으며, 소재 물성의 향상과 성형기술 개발을 통해 부품의 경량화를 달성할 수 있다. 특히 플라스틱 금속 간 하이브리드 경량소재, 부품의 구조성능 및 경량화 효과를 향상시키기 위하여 일체성형, 접착면 증가, 표면처리 등 다양한 성형기술 개발이 함께 진행되고 있으며 탄소섬유로 대체할 경우, 약 30% 무게감량이 가능할 뿐만 아니라 내열성, 단열성, 난연성 등을 부여할 수 있어서 자동차 냉난방 비용 절감, 화재 방지 등의 기능을 기대할 수 있다.

●감성 고분자 소재 개발
차량에 탑승한 운전자의 감성향상을 위한 기술로 조명기술에 대한 관심이 증가하고 있으며, 실내 무드등과 같이 감성에 영향을 줄 수 있는 조명에 기능을 부여하는 부품의 적용이 증가하고 있다. 또한 질감과 촉감이 좋은 표피 소재와 흡음성능과 쿠션 성능이 우수한 부직포가 결합된 소재들이 개발되고 있다. 올레핀계 러버의 종류 및 함량을 최적화하여 촉감이 좋은 무도장 수지 개발과 첨가제를 활용하여 냄새 및 휘발성유기화합물(VOC) 저감을 확보하고 아울러 자동차 실내에 탐승자의 기분에 따라 조명의 색상과 밝기 조절을 통해 감성적인 안정감과 헬스케어 기능을 부여하는 기술이 의과학 분야와 함께 개발되고 있다.

●친환경 고분자 소재 개발
바이오매스 기반의 고분자는 목질계, 초본계, 해조류 등의 재생 가능한 자원들을 이용하여 제조할 수 있으며, 솔비톨로 부터 합성한 아이소소바이드를 단량체로 하여 중합한 폴리카보네이트는 내열성과 투명성이 우수하여 자동차용 램프 또는 파노라마 루프 등의 자동차 부품에 적용 가능한 것으로 알려져 있으며 현재 일본의 미쓰비시 케미칼에서 생산하고 있다. 

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국내 자동차 기업에서는 내장부품에 바이오 소재와 이를 이용한 복합소재 연구개발을 진행 중이며, 일부 바이오폼(시트폼, 쿠션재, 흡음재, 헤드라이닝 기재 등), 천연섬유가 함유된 바이오 복합 플라스틱(도어트림 등 실내 트림류)이 고급차를 중심으로 확대 적용되고 있다. 아울러 아이소소바이드 폴리카보네이트를 공단량체와 함께 공중합하는 기술을 국내에서도 소개되고 있으며 이를 자동차 램프 등에 적용하는 연구가 진행중이다. 참고로 2020년까지 현대/기아 자동차에서는 내외장 부품의 30% 이상을 바이오플라스틱으로 대체할 계획이다.

자동차 부품소재 기술개발의 시사점
지구온난화로 인해 전기, 수소차의 상용화, 대중화 시점이 앞당겨지고 있고, 4차산업혁명과 인공지능 시대가 열림으로 인해 자동차 산업의 밸류체인이 도태되거나 생성되는 시대가 되었다. 매우 빠른 속도로 기술적 부분과 환경적 요소들이 모두 변화하고 있다. 이러한 변화는 기존의 도식화되어 있는 흐름과는 전혀 다른 형태의 변화이며 이런 흐름을 따라가지 못하면 도태될 수밖에 없는 시대를 경험하고 있다. 자동차용 부품 소재 기술도 시대의 변화와 흐름을 정확히 읽어낼 수 있어야 하며 예측할 수 있도록 함께 노력할 때가 지금이라 생각한다. 자동차 산업에 사용되는 다양한 소재 부품 역시 기술과 전공간의 융복합화와 얼라이언스를 통해 신기술을 끊임없이 개발해내도록 해야 하며 변화하는 흐름에 능동적으로 대응하는 것이 무엇보다 중요하다.

글 / 전오환 (서연오토비전)
출처 / 오토저널 2020년 9월호 (http://www.ksae.org) 
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