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  • 기사등록 2016-07-22 13:58:08
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세계 소재 업체 車 경량화 기술 개발 치열



■ 차량경량화에 철강·화학·소재·부품社 뛰어들어

세계적으로 자동차 경량화에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데 일본 자동차 관련 기업들이 다양한 소재로 경량화를 위한 부품 개발에 나서고 있는 것으로 전해졌다.

코트라 오사카무역관은 최근 자동차 경량화 시장 개척을 위해 일본의 철강 및 화학, 자동차부품 기업의 경쟁이 치열해지고 있다고 밝혔다.

아사히 카세이는 철보다 60% 가볍고 강한 자동차용 수지 부품 제작에 성공했다. 아사이카세이는 최근 레오나 수지에 고온·진동에 강한 성능을 추가함으로써, 기존에 철이 주로 사용됐던 오일 팬을 60% 가벼운 수지로 제작했다. 또한 커져가는 유럽 시장 공략을 위해 2016년 6월 독일에 기술영업 거점을 개설해 2025년까지 유럽 매출액을 2015년 대비 3배인 3,000억엔으로 확대할 계획이다.

미츠비시는 수지연료 탱크와 유리 섬유를 활용한 후드 부품 개발 계획을 본격화하고 유럽에 마케팅 거점을 2017년 개설할 계획이다.

토요타자동차는 유리보다 40% 가벼운 폴리카보네이트로 만든 차량 후방 창문을 5년 내 실용화할 계획이다. 유리보다 2배 비싼 가격 조건 극복을 위해 후방 창문 주면 안테나 등 여러 부품을 함께 만듦으로써, 비용을 낮추고 생산성을 높인다는 계획이다.

또한 기존 제품 대비 30% 가벼운 도어 내장재 개발에서 나섰다. 피마자기름으로 만든 수지와 폴리프로필렌을 조합한 소재를 사용함으로써 가볍게 제작한다는 계획이다.

더불어 수지로 제작한 보닛과 펜더를 2020년까지 양산화 한다는 방침이다. 주력인 수지로 자동차 부품에서 새로운 영역을 개척 중이며, 기존 강철이 주로 사용된 보닛과 펜더를 수지로 제작해 2020년까지 양산화할 계획이다.

신일철주금은 지난 7월8일 기존 제품보다 20% 가볍고 25% 강한 고장력 강판을 개발했다고 밝혔다. 현재 실증 실험 진행 중으로 2020년까지 자동차 전면이나 측면 골격 섀시에 사용되는 것을 목표로 하고 있다. 이 회사는 고장력 강판이 알루미늄 합금이나 탄소섬유보다 무겁지만, 강판 대비 가격은 알루미늄 합금이 2∼3배, CFRP는 10배까지 높으므로 자사 강판이 경쟁력이 있다고 판단하고 있다.

고베제강소(KOBELCO)는 알루미늄과 철강재를 접합해 차체 무게를 20% 감량한다는 계획이다. 현재 2021년 사용을 목표로 개발 중이며, 철강재의 개선과 함께 접합 기술을 활용할 경우, 중형차 기준 250㎏ 전후의 차체 중량을 200㎏까지 줄일 수 있는 것으로 알려졌다.

■ 세계 각국의 연비 규제 강화

이와 같이 자동차 회사들이 경량화 소재부품 제작에 열을 올리고 있는 이유는 세계 주요국에서 자동차 연비규제가 강화되고 있고, 엔진 효율성 향상과 함께 차량 경량화가 주요 이슈로 떠오르고 있기 때문이다.

미국은 연비규제를 CO₂ 배출량으로 환산하면 2010년에는 187.6g/㎞였으나, 2025년에는 약 50% 감소시킨 90.9g/㎞로 연비 규제를 개선했다.

EU는 2015년 130g/㎞에서 2021년 95g/㎞, 2030년 60g/㎞까지 연비 개선이 필요할 것으로 전망되고 있다.

일본은 2009년 기준 131g/㎞에서 2020년에는 105g/㎞까지 규제가 강화된다.

주행능력 향상도 차량 경량화 추진의 주요 배경으로 작용하고 있다. 2015년에 출시된 마츠다 자동차의 소형 스포츠카인 로드스타에는 알루미늄 합금이 9% 사용돼, 주행 성능을 높이고 상품력을 강화했다. 이전 모델은 너무 무거워서 주행능력이 낮은 것이 단점으로 지적됐으며, 알루미늄 합금 비율이 0.1%에 불과했다.



철강·화학·소재 업종 다양, 신소재 개발 박차

韓, 기술력 높아 다양한 부품 적용·수출 진행



■ 주요 경량화 소재들

차량 경량화 소재로 가장 각광받고 있는 소재는 알루미늄이다.

미국 알루미늄 협회에 따르면, 2025년 자동차 1대당 알루미늄 평균 사용량은 2011년 대비 60% 증가한 250㎏에 달할 것으로 전망되고 있다.

독일 다임러가 2014년에 발매한 메르세데스 벤츠 C클래스는 차체 알루미늄 사용 비중을 50%로 높여 연비를 약 30% 개선하기도 했다.

일본 자동차 업계도 차츰 알루미늄 합금 채용을 늘리고 있다. 마쓰다 자동차 외에도 도요타 자동차는 2016년 2월에 출시한 렉서스 일부 차종의 후드, 도어, 범퍼 등에 알루미늄을 사용했으며, 향후 사용을 확대할 계획이다.

알루미늄은 철과 비슷한 강도에도 무게가 50% 가량 가볍다는 장점이 있는 반면에 철에 비해 2∼3배 비싸다는 단점이 있다.

차세대 경량화 소재로는 ‘강하면서 가벼운’ 탄소섬유가 주목받고 있다.

탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastics)은 철강 대비 강도가 5배이지만 무게는 가볍다. 무게당 비용이 최대 10배까지 비싼데다가 생산에 시간이 걸리고, 재활용하기 어렵다는 단점이 있어 현재 F1 자동차 및 최고급 자동차에 사용되는 데 그치고 있다.

반면에 경량화가 더욱 요구될 경우, 가장 가벼우면서 강하다는 특징 때문에 향후 사용이 확대될 가능성이 높은 소재로 꼽히고 있다.

이에 탄소섬유의 단점을 극복해 더욱 저렴하면서도 가공하기 쉬운 소재 개발이 진행되고 있는데, 그 중 하나가 열가소성 수지를 이용한 CFRTP(Carbon Fiber Reinforecd Thermo Plastics)다.

일본에서는 이미 2013년 도쿄 대학, 도레이 등이 참여한 NEDO 프로젝트가 CFRTP 개발에 성공한 바 있으며, 테이진도 기술 개발을 개시하는 등 실용화를 위한 노력이 가속화되고 있다.

재료 간 융합을 통한 멀티 재료화도 요구되고 있다.

닛케이 테크놀로지에 따르면 엔진 효율을 높이고 하이브리드 시스템을 사용하더라도, 향후 규제 기준을 만족시키기 위해서는 대폭적인 경량화가 불가피해 이에 따라 기존 소재의 한계를 극복하기 위한 재료 간 접합 기술이 일본 자동차 제조기업 사이에서도 폭넓게 사용될 것으로 전망했다.

적용 대상으로 주목받는 소재는 단연 CFRP로, CFRP와 알루미늄 합금 등 금속 소재의 접합 기술 활용은 향후 필수가 될 것으로 전망되고 있다.

최근 미국 포드는 픽업트럭 F-150의 차체에 알루미늄 합금과 강철을 활용한 바 있다.

또한 일본은 접합 기술에서 세계적 경쟁력을 보유하고 있다. 미츠이 화학의 접합 기술은 CFRP와 알루미늄 합금을 견고하게 고정시켜, 2015년 에어로센스(Aerosense Inc.)에서 선보인 드론에 활용되기도 했다.

조은진 코트라 오사카 무역관 차장은 “일본 자동차 기업들이 그동안 엔진의 효율성 향상이나 하이브리드 및 전기 차량 개발을 통해 규제에 대응해 왔으나, 이제는 대폭적인 경량화를 추진해야 한다는 인식이 확산되고 있다”며 “이에 따라 기존 철강을 대체하는 새로운 소재로 차체 및 부품을 가볍게 하려는 움직임이 철강 기업, 화학 기업 및 자동차부품 기업을 중심으로 활발해지고 있다”고 밝혔다.

이어 “경량화를 통해 환경 개선뿐 아니라 주행능력 개선도 가능하므로, 경량화는 상품력 강화로 연결된다”며 “우리 기업이 기술 개발을 통해 경량화 부품을 조금이라도 더 가볍고 저렴하게 제작해 미국이나 유럽, 일본 시장에 진출한다면 큰 이점이 있을 것이라 전망된다”고 전했다.

■ 韓 자동차 경량화 소재 기술 세계적 수준

이런 가운데 우리나라 업체들의 자동차 경량화를 위한 노력도 계속되고 있다.

경량화에 가장 주목 받고 있는 소재는 마그네슘으로 프레임에서 휠까지 다양한 곳에 적용될 수 있다.

지난 2010년에 금오캐스트에서 마그네슘 헤드램프 하우징을 개발에 신형 에쿠스(VI)에 적용한 바가 있고, 포스코 마그네슘 판재가 지난 2015년 세계 최초로 포르쉐 루프에 적용되기도 했다. 포스코는 자동차뿐만 아니라 비행기, 열차 등 수송기기에 사용할 수 있는 광폭(2,000mm)를 개발했으며, 포르쉐뿐만 아니라 르노 삼성차에도 공급하고 있다.

또한 핸즈코퍼레이션은 기존 휠 대비 중량을 21% 감량한 마그네슘 휠을 개발해 기존 대비 5∼10%의 연비 절감 효과를 거뒀다.

또한 LG하우시스는 2012년 LFT-D(장섬유 강화 플라스틱) 공법을 활용한 전기자동차용 배터리팩 캐리어를 이미 개발해 전기차의 원가절감과 주행성능 향상을 동시에 달성했다.

한화첨단소재는 현대·기아차를 비롯해 포드, GM, 폭스바겐, 토요타 등 글로벌 자동차 메이커에 경량화 부품을 공급하고 있고, 지난 2015년 독일 자동차 부품 성형업체인 아이코스틱스를 인수해 세계 자동차용 경량복합소재 시장을 확장하고 있다. 현재 세계 시장 점유율 1위인 GMT(유리 섬유 강화 열가소성 플라스틱)와 LWRT(저중량 강화 열가소성 플라스틱)을 비롯해 EPP, SMC, LFT 등 다양한 경량 복합소재를 생산하고 있다.

코오롱플라스틱도 열가소성 탄소섬유 복합 소재와 장섬유 강화 복합 소재를 아우르는 ‘콤포지트(KompoGTe)’로 차세대 경량화 소재 시장을 개척하고 있다.

탄소섬유 복합 소재는 기존 금속 소재 대비 무게를 절반으로 줄인 차량용 윈도우 레일(Window rail, 창문 여닫이 장치)과 범퍼 백빔(Bumper back beam, 범퍼 충격흡수장치), 프론트 엔드 모듈 캐리어(Front end module carrier, 자동차 전면 뼈대를 이루는 부품) 등에 적용된다.

또한 장섬유 강화 복합 소재를 적용해서는 헤드램프 브래킷(Head lamp bracket, 헤드램프 지지대), 엔진커버(Engine cover, 엔진 보호 커버), 자동차 시트의 언더 커버(Seat under cover, 시트의 전동 부품 등을 담는 커버), 시트 쿠션 프레임(Seat cushion frame, 시트 쿠션 설치프레임) 등에 적용된다.

카본마을의 CFRP 제품들도 주목받고 있다. 순정 철제 본네트의 경우 무게가 15.1kg이지만 카본마을이 CFRP으로 제작시엔 5.8kg의 무게를 보였고, 순정 철제 트렁크의 경우 12kg의 무게이나 CFRP는 3.8kg로 뛰어난 경량성을 보였다. 또한 기존에 15.2kg이 나가던 철제문을 CFRP를 사용해 11.9kg까지 줄였다.

효성의 폴리케톤도 차량 경량화에 주목 받는 소재다. 폴리케톤은 강도 및 내충격성이 우수해 자동차 커넥터(connector), 연료 라인(line), 내외장재 및 전기전자 하우징 등에 적용 중이다. 이 외에도 최고 수준의 기체차단 특성으로 연료탱크, 파이프 등에 적용이 가능해 경량화 및 원가 절감을 창출할 수 있어 용도 전개를 활발히 추진하고 있다.

▲ 르노삼성차에 적용된 마그네슘 판재.

▲ 카본 마을의 CFRP 제품이 적용된 자동차.

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