■ 자동차 경량부품의 성장성

◇ 알루미늄 부품

알루미늄합금이 520kg 사용된 아우디 A8, 재규어 XI 같이 많은 자동차들은 경량소재를 사용하고 있다. 2005년 유럽의 자동차 생산량을 대표하는 1,500만대의 차량 모델을 대상으로 Gormezano & Partners(KGP)와 유럽 알루미늄협회가 협력해 만든 Knibb의 연구 자료에 의하면, 알루미늄 사용량이 유럽 자동차 시장에서 1990년 50kg에서 2005년 132kg으로 증가했다. 2010년에는 157kg으로 성장할 것으로 예상하고 있다. 이렇듯 알루미늄 합금의 경량부품 적용 가능성을 점증하고 있는 것으로 파악된다.

◇ 마그네슘 부품

마그네슘 합금을 자동차 부품에 적용하기 위한 기술은 유럽 및 북미지역을 중심으로 꾸준히 증가해 왔다. 2007년 유럽·북미·아시아 지역에서 생산된 자동차에 사용된 마그네슘 소재는 각각 20kg/대, 6kg/대, 7kg/대이다. 우리나라의 경우 3,000cc 이상의 대형 승용차에 9.8kg의 마그네슘 소재가 적용되고 있다. 적용 부품으로는 에어백 케이스와 같은 소형 부품에서 트랜스미션 케이스·계기 판넬 등의 대형 부품에 이르기 까지 다양하다. 현재 자동차 부품의 마그네슘 적용은 90% 이상이 다이캐스팅 공정에 의해 생산되고 있다.

미국의 경우 1990년 초에 약 1.2kg의 마그네슘 합금을 적용하기 시작해 매년 15% 이상씩 사용량이 증가하고 있는 추세다. 미국의 Big 3 자동차회사, National Lab. 대학, 부품 제조업체가 참여하는 컨소시엄(USAMP)을 구성해 Powertrain, Interior, Body 부품에 마그네슘 적용을 추진하고 있다. 미국 USAMP에서는 'Magnesium Vision 2020'을 통해 마그네슘 소재의 적용량을 2005년 5kg/대에서 2020년 160kg/대로 확대하기 위한 연구개발을 수행하고 있다.

현재 국내의 경우 마그네슘 합금 부품에 대한 연구개발과 양산차에 적용하기 위한 기술개발 활동은 활기를 띄고 있으나 초기 단계로 아직 유럽 및 북미지역에 비해 미흡한 실정이다. 경량화 및 고연비 자동차에 대한 세계적 추세에 부합해 마그네슘합금 부품개발이 활발히 진행될 것으로 예상되며 자동차 한 대 당 사용되는 양은 2020년까지는 유럽 및 북미지역 적용량과 유사하게 될 것으로 예상된다.

▲ 유럽 자동차의 차종별 알루미늄합금 사용량 .

■ 자동차 경량소재 시스템에서 소재의 역할과 위상

◇ 알루미늄합금 소재의 역할과 위상

대표적인 비철 금속소재인 알루미늄합금의 경우는 1985년 자동차 대당 약 60kg 정도가 사용 됐다. 미국의 경우 2000년부터 2005년까지 평균 3.13% 증가해 한 대당 약 140kg 정도가 사용됐고, 2005년부터 2010년까지는 연평균 2.07% 증가해 약 160kg이 채용되고 있다.

자동차에 알루미늄합금이 사용된 사례를 보면 1980년대의 차체 외판에 처음 적용하기 시작해 최근에는 주요 자동차 완성업체는 고급차량의 외판에 알루미늄합금을 사용하고 있다. 국내의 현대자동차도 2개 차종에 알루미늄 외판재를 사용하고 있다. 자동차 범퍼에 보강재로 알루미늄 압출재가 사용되고 있다. 범퍼의 안전성을 고려해 6,000계 및 7,000계의 고강도 합금을 압출에 의해 박육 중공형재를 사용하고 있다.

최근에는 ABS나 에어백 부품 등 안전 관련 부품에도 알루미늄합금의 사용량이 증가하는 추세이다. 열교환기 관련 부품도 알루미늄 가공재가 사용되고 있고, 에어컨용 컨덴서·증발기·라디에이터·히터코어 등에 알루미늄 합금이 사용되고 있다.

자동차에 사용되는 알루미늄 합금은 주조재·압연재·압출재·단조재 등 다양한 공정으로 생산된 알루미늄 소재가 사용된다. 일반적으로 가공재의 적용량이 지속적으로 증가하는 추세이다. 이러한 알루미늄 소재를 자동차 부품에 적용해 자동차의 차체 중량을 경량화 하면 연비 향상에 의한 환경 개선에 기여할 수 있다.

그러나 알루미늄합금은 기존 철강소재에 비해 가격이 비싸므로 알루미늄합금 소재 및 반제품 소재를 저렴한 비용으로 제조할 수 있는 기술이 요구된다. 예를 들면 DC(Vertical Direct Chill Casting) 슬라브 주조법과는 다른 3C(Continuous Cylinder Cooling)법으로 주조함으로써 정출물의 미세화, 과포화 고용 등 다양한 금속학적인 특성을 가질 뿐만 아니라 압연 비용 절감 효과도 얻을 수 있다.

또한 Near Net Shaping 기술을 주조 및 단조 공정에 적용하거나 곡형의 압출재를 생산할 수 있는 가변 압출 공정기술의 도입으로 후속 제조공정 절감에 의한 비용 절감을 가져 올 수 있다. 이러한 새로운 공정기술이 실용화되기 위해서는 새로운 공정에 적합한 합금 개발이 동시에 요구된다.

자동차 알루미늄 소재의 적용은 비용적인 측면에서 합금 및 제조 공정의 최적화를 이루어야 가능하다.

▲ 미국 자동차 경량화 목표(단위 : kg).

◇ 마그네슘 소재의 역할과 위상

2002년 이후부터 마그네슘합금을 이용한 자동차 부품 생산에 대한 관심이 증폭됐다. 완성차 업계와 부품 제조업계가 협력해 여러 부품들을 개발하기 시작했고, 양산을 바라보고 있다. 이에 따라 국내 마그네슘합금 부품시장이 크게 확대될 것으로 예상된다.

마그네슘의 자동차 부품 적용 사례를 살펴보면, 1998년부터 현대자동차가 마그네슘으로 제작된 Steering wheel core를 수입해 고급차량에 적용한 바 있다. 2002년부터는 국내 최초로 Gibbs Korea가 Steering wheel core를 국산화해 클릭 차종을 모델로 적용했다. 현재는 2개의 국내 부품 제조사에서 월간 8만개 이상을 생산하고 있으며 국내의 1,500cc급 이상 대부분의 차량에 마그네슘 Steering wheel core가 장착되고 있다.

2003년부터 NF소나타 차종 및 미국의 Chrysler 차종에 적용중인 Steering column bracket의 경우 Upper는 S-프라, Lower는 신창전기에서 양산 중에 있고 이들 부품을 남양공업에서 핸들까지 모듈화해 납품 중에 있다.

이외에도 Seat frame, Lock body, Cowl cross beam complete 등을 마그네슘 소재로 양산·적용을 추진하고 있다.

자동차 마그네슘 주조재는 가격 경쟁력을 보유하고 있어 경량화 소재기술로 적극 고려되고 있다.
반면에, 마그네슘 가공재는 조밀육방정의 결정 구조를 가지므로 변형을 위한 슬립계의 제한으로 고온가공을 해야 한다. 또한 이방성이 다른 소재에 비해 크기 때문에 부품의 소성가공시 마그네슘합금의 기술적인 특성 고려가 필요하다. 따라서 마그네슘합금은 가공공정 비용이 현저히 증가할 뿐만 아니라, 마그네슘 합금이 갖는 이방성 및 취약한 부식성 향상을 위한 연구개발이 요구된다.

Al, 성형성·접합·용접·내부식성 강화 관건

Mg, 불량률·短수명·표면처리 개선 과제

■ 자동차 경량 소재 분야별 기술개발 동향

◇ 알루미늄 소재 기술동향

자동차 경량부품의 기술 적용 대상은 전장품·타이어·시트·조명 등 일부 품목을 제외한 차량의 차체부품·샤시부품·엔진·파워트레인 등 대부분의 부품이 해당 된다.

유럽에서 2008년 자동차의 이산화탄소 발생량을 140g/km 이하로 규제하면서 경량부품 관련 고장력강의 적용비율이 60%를 넘어 일부 차종에서는 70%선까지 도달했다.

알루미늄합금은 경쟁 소재인 철강소재에 비해 최대 50% 이상의 무게를 감소시킬 수 있다. 오늘날 대량 생산 자동차에서 주요 알루미늄 응용분야의 무게 경량화를 절대평가와 상대평가로 나타내면 아래의 그림과 같다.

알루미늄 소재는 초기에 스포츠카나 컨셉트 차량의 알루미늄 차체에 적용되는 경우가 많았으나 현재는 시판중인 차량에 상당수 적용돼 있다. 최근 현대자동차는 수입판재를 사용해 일부 고급 양산차종의 Hood 및 Trunk 부품을 알루미늄으로 적용한 사례가 있다.

독일 아헨에 있는 Kraftfahwesen 대학(IKA)에서 실시한 알루미늄 소재로 제작한 중형 자동차의 프론트 구조에 대한 연구 결과에 의하면, 수치해석 시뮬레이션 결과 차량은 35%의 차체 중량를 감소시킬 수 있다고 했다. 디자인 공간은 기존 차량의 구성요소를 포함할 뿐만 아니라, 다양한 디자인이 가능해 설계 자유도를 높여 주고 있다. 결과적으로 충돌 상황에서 에너지 흡수가 향상돼 41%의 중량 감소 효과를 가져왔다. 아직 알루미늄 경량화가 완전히 실현될 수는 없을지라도 알루미늄소재로 제작된 프런트 구조는 미래에 가장 주목하는 응용분야 중 하나이다.

▲ 알루미늄의 부품별 경량화 효과 .

◇ 마그네슘 소재 기술동향

전 세계적으로 마그네슘 소재와 관련해 Powertrain 부품에 적용하기 위한 내열합금 설계 및 정밀주조기술, Interior·Body 부품에 적용하기 위한 대형·박육 제품 주조기술, Chassis 부품에 적용하기 위한 고강도 합금 설계 및 압출기술, Body 부품에 적용하기 위한 고성형성 합금 설계 및 판재 제조기술 등이 개발되고 있다.

유럽의 경우 마그네슘 소재부품 시장 주도권을 잡기 위해 EUCAR 프로그램의 일환으로 ‘SuperLight-Car’, ‘NADIA’ 컨소시엄을 구성해 고기능 마그네슘합금 및 신제조 공정 개발에 노력하고 있다.

일본은 중앙 정부 주도로 고기능 마그네슘합금 및 단조기술 개발을 추진하고 있으며, 지자체별로 산·학·연 컨소시엄을 구성해 부품화 기술 개발을 추진하고 있다.

우리나라에서도 마그네슘 합금개발, 신제조공정기술 및 부품적용 실용화기술개발에 많은 관심을 가지고 정부출연연구기관을 비롯해 대학, 기업체에서 기술투자를 추진하고 있다.

■ 자동차 경량 소재 기술 개발의 핵심 이슈

◇ 알루미늄 소재 기술개발의 핵심 이슈

알루미늄 합금 판재의 차체적용의 범위는 점차 확대될 것으로 예상된다. 자동차 알루미늄 합금 판재의 가격 경쟁력이 확보되면 그 사용량 또한 크게 증가할 것으로 예상되고 있다. 따라서 알루미늄합금 판재를 자동차 차체에 적용하기 위해 선결해야 할 가장 큰 과제는 생산비용을 절감해 철강소재와 가격경쟁이 가능해야 한다. 품질면에서는 성형성을 향상시켜 차체 부품의 형상 자유도를 증대시키는 것이다.

이를 요소기술적으로 보면 알루미늄 판재의 성형성을 향상시키기 위해 소재자체의 성형성과 성형 공정의 기술향상이 이루어져야 한다. 또한 접합·용접기술과 내부식·내방식 표면처리기술 등이 확보돼야 한다.

알루미늄합금 판재에 대한 실례로서 자동차 열교환기용 핀재와 관련해 여러 알루미늄 회사들이 AA3003 합금의 고강도화 및 내부식성 향상을 위해 연구를 진행해 왔다. 알루미늄 합금의 고강도화를 위한 강화법으로는 입자 분산강화·고용강화·시효경화·결정립 미세화 등의 방법이 잘 알려져 왔으나, 열교환기용 소재는 590℃ 이상에서 브레이징 해야 하므로 강화법 적용은 한계가 있다. 이를 고려한 강도 및 내부식성 향상기술이 필요하다.

Al-Mn-Fe-Si 상의 분포제어를 위해 Ti 첨가가 제안돼 내부식성 및 브레이징 이후 강도를 향상시킨 합금 등이 개발됐으나 주조 및 코일 제작 시 고려돼야 할 여러 가지 공정상의 난이도가 높다고 알려져 있다. 한편 강도·내부식성·브레이징성을 높이기 위한 다층 클래드 소재가 개발 되고 있다. 다층 클래드 소재는 강도가 우수한 중간재와 내식성·브레이징 특성이 우수한 표면재로 구성돼 있으나, 롤 본딩 공정 때문에 기존 소재 대비 10∼30%의 소재 단가가 증가한다는 단점을 안고 있다.

◇ 마그네슘 소재 기술개발의 핵심 이슈

마그네슘 부품의 경우 주조공정에 의해 제조되는 부품이 95% 이상을 차지하고 있으며, 이 중 90% 이상이 다이캐스팅 공정에 의해 제조되고 있다. 최근 대형화·박육화·고품질화에 대한 수요가 급증함에 따라 마그네슘 대형주조기술·정밀주조기술·진공다이캐스팅기술 등 신기술 보유 여부가 경쟁력 확보의 필수요소가 되고 있다.

또한 부품화 공정비용을 절감하기 위해 요소성형기술 확보가 절실하다. 모듈화 시 갈바닉 부식에 의한 접합부 손상을 최소화할 수 있는 신뢰도 향상 기술 개발도 필요하다.

마그네슘 제품으로 자동차 부품을 제조해 매출실적이 있는 업체는 4개사에 불과하며 이들 업체 중 성형기 대부분이 500톤 미만 용량의 저 톤수의 다이캐스팅기를 보유하고 있다. 다이캐스팅 제품은 표면이 거칠어 노동 산업에 의한 표면 사상, 도장 공정까지의 복잡한 생산 과정에서 발생되는 높은 불량률, 전자제품의 특성상 짧은 수명으로 수익성이 악화되고 있는 실정이어서 마그네슘판재 성형에 의한 새로운 공정개발이 필요한 실정이다.

▲ 다이캐스팅과 Press forging에 의한 공정별 원가 비교(자료 : 승우금속 공정별 원가 비교, 2002).