▲ 자동차 연비 향상을 위한 항목.

◇ 선도 연구기관

자동차 경량 부품 소재의 선도 연구기관으로 자동차 회사가 주도적으로 참여해 산·학·연 연관체제에 의한 연구 개발이 진행되고 있다.

예를 들면, General Motors는 Diversified Machine, Warren 및 Mich사와 공동으로 서브프레임을 알루미늄 A356 합금을 이용해 Vacuum riserless, Pressure riserless 주조 공법으로 제조했다.

GM은 고유의 성형기술인 QPF(Quick Plastic Forming) 기법의 응용을 통해 마그네슘 판재를 양산차에 적용하기 위한 연구개발을 추진하고 있다. 또한 마그네슘제의 Cross beam을 채용했다.

미국의 다임러크라이슬러의 고장력강 적용현황을 보면 2002년 38%에서 2005년 76%까지 확대되면서 경량화의 급성장을 보여주었다. 또한 Chrysler의 Plymouth Plowler가 Magna의 알루미늄제 Seat frame을 채용했다. Chrysler에서는 70만대 이상의 알루미늄 엔진 탑재 미니밴을 생산했으며, Saturn에 의해 제조된 알루미늄 엔진 블록은 21.3kg으로 동일한 주철 소재의 39.5kg에 비해 46% 정도의 경량화와 더불어 엔진수명 향상의 부가적 효과도 얻었다.

Alcoa와 CMI International은 일체 주조형 알루미늄제 크로스멤버를 개발, 40%의 경량화를 실현함과 동시에 공수를 절감해 제조원가를 절감했다. Cadillac은 Sevile의 방청 강판제 Hood를 알루미늄제로 교체해 중량을 약 40% 절감했다.

▲ 자동차 알루미늄소재 - 북미 선도 연구기관.

▲ 자동차 마그네슘소재 - 북미 선도 연구기관.

■ 국가별 동향(일본)

◇ 주요 연구개발 프로그램

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

2004년 알루미늄 전체 생산품의 수요는 433만톤이고, 자동차 산업에서 알루미늄의 수요는 145만톤으로 그 점유율은 33%에 달한다. 최근에는 지구 온난화에 대한 우려로 자동차 제조업자들은 자동차 분야에서 주철·주강제 대신 알루미늄합금으로 대체하고 있다. 주된 품목은 엔진·라디에이터·서스펜션 등에 중점을 두고 있다. 자동차 대당 알루미늄합금의 사용량은 1986년도에 55kg을 사용한 것과 비교해서 현재는 100kg이상을 각 차량에 사용하고 있다. 알루미늄합금을 통한 경량화는 연료 사용의 효율성과 온실가스 배기의 감소라는 결과를 가져온다. 일반적으로 자동차의 무게를 10% 감소하면, 4%의 연료 효율 증가를 가져올 수 있다.

자동차의 알루미늄합금 적용 현황을 살펴 보면, 주조품(다이캐스팅 포함)이 가장 높은 비율를 차지하고, 알루미늄합금 sheet·plate의 사용량과 압출성형품의 사용량은 대체로 증가했다.

▲ 일본 자동차 생산량과 자동차 알루미늄합금사용량(일본 알루미늄 협회).

◇ 선도 연구기관

일본의 도요타는 세계 최초로 하이브리드 자동차 Prius를 1997년에 출시했다. 도요타 자동차는 대형 자동차 프레스 휠용 Al-Mg 고강도 알루미늄 합금 판재를 Twin Roll Strip Casting을 변형한 Melt Direct Rolling 법을 적용해 강도 및 성형성이 우수한 합금개발을 시도했으며 대형 자동차 프레스 휠에 적용하기 위한 연구를 실시하고 있다.

혼다는 1990년에 세계 최초의 양산 알루미늄 차체를 NSX에 적용해 일찍부터 알루미늄합금 차체의 상용화를 추진했다. 따라서 알루미늄합금 소재 특성에 집중적인 연구를 수행해 자동차 차체의 경량화 기술을 더욱 발전시켜, 가볍고 콤팩트 (Compact) 한 알루미늄합금 차체이면서 높은 수준의 강성과 안전성을 확보하는 새로운 골격의 경량 알루미늄 차체를 완성했다.

이러한 경량 알루미늄 차체는 초저연비에 공헌하고 새로운 가치를 포함하는 고성능 차체 개발을 실현했다. 또한 혼다의 Insight에서는 신골격 경량 알루미늄합금 차체를 적용해, 차체중량을 Civic 3DR 대비 14kg(47%)을 경량화 했다. 혼다에서는 알루미늄 프레임의 하이브리드자동차 Al-X를 모터쇼에 출시하기도 했다.

▲ 자동차 알루미늄소재 - 일본 선도 연구기관.

▲ 자동차 마그네슘소재 - 일본 선도 연구기관.

■ 국가별 동향(EU)

◇ 주요 연구개발 프로그램

EAA (European Aluminum Association)에서는 EATP(European Aluminum Technology Platform)을 통해 환경·비용·소재효율을 극대화 하는 비전 2030 실현을 위해 노력 중이다.

독일 자동차 메이커인 Volk Wagen, BMW, Daimler사 등은 마그네슘 다이캐스트 제품뿐 아니라 Salzgitter, MEL 등의 중간재 생산업체 등과 함께 마그네슘 판재 및 압출재를 이용한 자동차 부품화 연구를 진행하고 있다. 또한 SLC(Super Light Car), NADIA(New Automotive components Designed for and manufactured by Intelligent processing of light Alloys) 등의 프로젝트를 통해 자동차 경량화를 진행 중에 있다.

하나의 사례로 Audi A2는 스페이스 프레임 차체를 기존의 철강재에서 알루미늄 주조품(22%)·압출품(18%)·판재(60%)로 구성하고 진공다이캐스팅에 의한 주조품으로 압출부재간을 연결하는 방식으로 차체를 설계하고 있다.

◇ 선도 연구기관

자동차 경량 소재부품의 연구는 자동차 회사가 주도하면서 산학연 연관체제에 의한 연구개발 업무가 수행되고 있다.

선진 차량의 알루미늄 Bumper Back Beam 적용은 매우 활발해 VOLVO, BMW, AUDI, SAAB, PORSCHE, RENAULT, GM, CHRYSLER, FORD, VOLKS WAGEN, MAZDA, TOYOTA 등 대부분의 업체에서 적용하고 있다. 유럽에서만 연간 400만개 이상의 범퍼에 알루미늄 소재가 채택되고 있다. 이러한 Bumper Back Beam은 곡률이 향상된 부품의 압출과 동시에 곡률 성형이 가능한 제조기술의 개발이 진행되고 있다.

독일의 Rheinfelden 사에서는 연신율이 향상된 고압 다이캐스팅용 합금을 개발했다. 대표적인 합금이 Al-Si계에 Mg 및 Mn을 첨가한 Silafont™-36 및 Al-Mg에 Si 및 Mn을 첨가한 Magsimal™-59이다. Rheinfelden의 신합금은 지금까지 압출· 압연·프레스·하이드로 포밍과 같은 전신재 가공법의 전유물로 여겨지던 자동차 차체를 고압 다이캐스팅으로 경제적으로 양산이 가능하도록 혁신적 변화를 가져왔다.

독일의 George Fishe는 용탕의 Active filling과 주형의 Active feeding 기술을 결합해, 2000cc용 4기통 엔진 블록을 단 10초의 사이클 타임으로 건전하게 대량 생산할 수 있는 기술을 개발했다.

유럽지역의 개발 동향의 특징은 기존 고정관념을 벗어나 Door inner panel, Roof panel, Cowl cross beam, Intake manifold, Trunk lid 등 3,000톤 이상의 기계용량이 요구되는 대형부품부터 Speed meter ring, Navigation parts 등 소형부품에 이르기까지 폭넓은 연구개발 및 양산개발이 신속하게 이루어지고 있다. 아울러 다이캐스팅 방법이 아닌 판재성형을 통해 Bumper beam suspension 부품까지 적용 확대를 위한 연구개발이 확산되고 있다.

독일 GKSS 연구센터는 1999~2004년까지 산·학·연 협동을 위해 대학에 145만유로, 기업에 625만유로(기업 50%, 정부 50%), 기타 108만유로를 지원해 마그네슘 산업화를 활성화 하고 있다.

▲ 자동차 알루미늄소재 - 유럽 선도 연구기관.

▲ 자동차 마그네슘소재 - 유럽 선도 연구기관.

Al, 차체·부품 적용 확대…문제는 ‘가격’

국내 기술 걸음마 수준, 설계·가공 기술 확보 시급

■ 국가별 동향(중국)

◇ 주요 연구개발 프로그램

중국의 경우에는 정부(Ministry of Science and Technology)가 마그네슘 산업 육성을 위해 5개년 국가산업으로 지정해 R&D와 산업화를 포함해 진행하고 있다. 연구 분야는 서구 국가와 마찬가지로 내열 및 고인성 마그네슘 합금개발을 통한 자동차 부품개발, 기존의 Si을 환원제로 사용하는 저효율의 Pigeon 프로세스를 대체하는 마그네슘 제련기술, 압출 및 압연 기술 등이다. 칭화대, 상해 교통대학이 중심이 돼 중앙정부 및 기업의 지원하에 폭넓게 연구가 진행되고 있다.

◇ 선도 연구기관

주강삼각지·상해 인근 지역·칭따오 등이 마그네슘 전자부품 기지로서 대만·홍콩·싱가포르 투자자들의 지원을 받으며 산학연 협력에 의해 연구 개발을 활발히 진행되고 있다. 2010년 내에 중국이 마그네슘 산업의 주 생산 국가가 돼 미국·독일·일본 등과 어깨를 나란히 할 것으로 전망하고 있다. 중국에서의 자동차 알루미늄소재와 마그네슘소재에 대한 주요선도 연구기관은 아래에 정리했다.

▲ 자동차 알루미늄소재 - 중국 선도 연구기관.

▲ 자동차 마그네슘소재 - 중국 선도 연구기관.

■ 국내 동향

◇ 주요 연구개발 현황

향후 차세대 자동차인 하이브리드카 및 연료전지 자동차를 위한 차체 경량화 요구가 증가됨에 따라 알루미늄 합금 차체 적용이 크게 증가할 것으로 예상된다. 먼저 철강대비 가격 경쟁력의 확보가 필요할 것으로 판단되고, 기존 공정에 비해 친환경적이고 제조비용이 저렴한 연속 박판주조 공정을 도입해 판재의 생산단가를 낮추려는 연구가 시도되고 있다.

현재 강판대비 자동차 알루미늄 합금 판재의 경우 4배 정도 가격 차이를 보이고 있다. 무게 감소 등을 고려해 보았을 경우 3배 이하 정도의 가격을 가진 판재가 생산될 경우 자동차 차체적용이 본격적으로 진행될 것이라 보고되고 있다. 이 분야에 대해서는 지경부의 기초원천소재 연구사업이 진행되고 있다.

그동안 고강도 알루미늄 합금 판재에 대한 연구는 주로 수입 판재를 사용해 부품화 하거나 일부 가공해 특성을 향상시키는 부품화 적용연구가 주로 수행됐다. 고강도 알루미늄 합금 판재를 제조하기 위한 연구는 수행되고 있지 않다. 수송기기분야에서 주로 사용되는 5083 및 6061 등 고강도 알루미늄 합금 판재는 대부분 미국 Alcoa사나 캐나다 Alcan사 등에서 수입해 사용하고 있다.

현재 Twin Roll Casting에 의해 순알루미늄을 생산하고 있으나 단순제품 생산기술에 그치고 있어 박판 주조 공정 제어를 통한 조직제어 등의 기술은 거의 개발되지 않았다. 고합금계 알루미늄 합금에 대한 박판주조 연구는 현재 포항공대와 재료연구소 등에서 일부 시도한 바 있다. 최근에는 마그네슘 박판을 제조하기 위한 가장 경제적인 방법으로 Twin Roll Casting법을 적용해 POSCO에서 양산을 시도 중에 있다.

국내에서 조일알미늄에서 쌍롤식 연속주조기에 의한 순알루미늄 계열 판재가 생산되고 있지만 고합금계에 대해서는 생산이 전무하다. 국내 자동차 열교환기용 Fin재는 A3003재가 주로 사용되고 있으나, 현재 생산되고 있는 A3003, A5005 소재의 두께는 가장 얇은 것이 80㎛ 까지 개발돼 있다. 국내 자동차 회사는 신차 개발 및 고급 승용차의 수출을 위해 선진국의 수입 승용차와 경쟁할 수 있는 부품 소재를 개발 하려는 관련 업계의 요구로 자동차 열교환기용 극박 Fin재의 개발이 일부 수행되고 있다. 이는 지경부의 부품소재사업 연구과제로 연구 수행이 됐고, 현재는 지역산업기술개발사업 연구과제로 연구 수행이 진행되고 있다.

◇ 선도 연구기관

자동차 경량 소재·부품 선도 연구기관으로 자동차 회사와 경량부품 제조업체가 주도하고 관련 산학연 연관체제에 의한 연구개발 업무가 수행되고 있다.

현대자동차는 에쿠스의 트렁크 리드에 자동차 알루미늄 합금이 적용되고 있으며 주력 고급차종인 제네시스의 후드에도 알루미늄 후드가 적용되고 있다. 대부분의 자동차 알루미늄 판재는 일본의 Kobe-Alcoa 또는 Novelis에서 생산된 자동차 알루미늄 판재를 수입해 사용하고 있으며 향후 알루미늄 차체 적용차량이 증가할 경우 자동차 차체용 알루미늄 합금 판재의 수요는 크게 증가할 것으로 예상된다.

한편 국내에서 알루미늄 합금 부품 중에서 가장 큰 대형제품을 생산하고 있는 기업은 현대자동차로서 3,500ton과 2,700ton의 형체력을 가지는 진공고압다이캐스팅 설비를 이용해 2,400cc이하 4기통 엔진의 엔진 블록을 독자적으로 생산하고 있다. 엔진 블록 외의 엔진오일팬·자동변속기 밸브바디·실린더헤드·트랜스케이스·타이밍체인 커버·각종 하우징류는 대부분 중소기업에서 생산하고 있으며, 대표적인 중소기업은 동남정밀·인지·Gibbs 코리아·삼기기공 등이 있다.

아이엘티는 모든 알루미늄 합금 봉재 생산이 가능한 업체로 대부분 직접압출법에 의해 생산하고 있다. 대표생산 품목은 자동차 분야용인 6000계 합금 봉재로 국내시장 약 50%를 장악하고 있다.

동양강철은 대용량 압출기를 보유하고 있어 수송기기 부품의 경량화에 적극적으로 연구 업무에 참여하고 있다. 특히 곡률이 향상된 부품의 압출과 동시에 곡률 성형이 가능한 제조기술의 개발 연구를 수행했다. 보원경금속은 국내에서 알루미늄 압출 업체로서는 유일하게 간접 압출 방식으로 고강도인 2000, 7000계 합금을 생산하고 있다. 최대 직경 120mm에서 20mm까지 생산이 가능하다. Sc를 함유한 고강도 7000계 알루미늄 합금 적용에 관한 연구 등 고부가가치 고강도 알루미늄 합금 봉재를 생산하기 위한 일련의 연구를 수행하고 있다.

현재 국내에서는 이수 캐스팅과 NSC에서 자동차 부품용으로 용탕단조를 양산에 적용하고 있다. 기술수준은 금형과 슬리브를 표면처리 하는 방법을 적용하는 정도이어서 용탕의 온도를 충분히 높이지 못해 결함이 많이 발생하고 있다. 선진 메이커에서 적용하고 있는 타이타늄 복합재료 슬리브. 플런저 팁 및 금형에 대한 기술의 연구 및 개발은 전무한 실정이다.

국내에서의 자동차 알루미늄소재와 마그네슘소재에 대한 주요선도 연구기관은 아래의 표에 정리했다.

▲ 자동차 알루미늄소재 - 국내 선도 연구기관.

▲ 자동차 마그네슘소재 - 국내 선도 연구기관.

◇ 기술경쟁력

국내 자동차 경량부품 생산업체의 기술 및 연구개발 수준은 해외 선진국의 기술 및 연구개발 수준에 비해 낮은 수준이다. 예를 들면 국내의 고압진공 다이캐스팅 기술은 선진국에 비해 낮은 편인데 선진국에서는 고압고진공 다이캐스팅과 합금설계를 병행함으로써 그동안 압출·압연·프레스·하이드로 포밍 등의 전신가공법의 전유물로만 여겨지던 차체 부품을 고압고진공 다이캐스팅으로 저렴하게 양산하고 있다.

알루미늄 산업을 주조산업, 압연산업, 압출산업으로 대별해 이들의 국내외 기술 수준은 아래의 표와 같다.

▲ 알루미늄 산업의 국내외 기술 수준 비교.

▲ 마그네슘 소재기술의 국내외 기술 수준 비교.