Update2024.05.09 (목)
美 연비규제 2016년, 복합소재 시장 급성장
■ 기술의 정의 및 분류
자동차 복합소재는 일반적으로 무기충진제 보강 플라스틱을 의미할 수도 있으나, 여기서는 섬유 강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP)으로 정의하고자 한다. 자동차 부품에 사용되는 섬유 보강재로 가격 대비 물성 보강 효과가 우수한 유리섬유(Glass Fiber, GF) 및 고가이나 경량화 효과가 뛰어난 탄소섬유(Carbon Fiber, CF)가 있다. 기지 소재(Matrix)로서는 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리아마이드(Polyamide, PA) 등 열가소성 수지 또는 불포화 폴리에스테르 수지(Unsaturated Polyester Resin), 비닐 에스테르 수지(Vinyl Ester Resin) 등 열경화성 수지가 주로 많이 사용되고 있다. 현재 자동차 산업에서 사용 중인 복합소재 기술을 특징별로 구분하면 아래의 표와 같다.
■ 환경변화 2020년 EU CO₂ 배출량 규제 95g/km, 35% 연비향상 필요
◇ 환경규제 강화에 따른 부담가중
최근 자동차 산업에서는 지구 온난화에 따른 신차 CO2 규제가 대폭 강화될 예정이므로 친환경 자동차 개발이 주요 이슈로 부각되고 있다.
유럽의 경우 승용차의 CO2 배기가스를 규제할 예정인데 2008년 업계 수준 147g/km에서 2012년부터 2015년까지 단계적으로 130g/km을 만족해야 하며, 2020년에는 95g/km으로 약 35% 정도 연비 향상이 필요하다. 자동차업체가 규제치를 만족하지 못할 경우 벌금을 부담해야하므로 가격 경쟁력의 약화를 초래할 수 있다. 한편 북미의 경우도 오마바 정부가 들어서면서 원래 목표인 2020년 35mpg(mile per gallon)에서 2016년 평균 35.5mpg로 조기 적용을 입법화하였다. 현재 업계수준은 약 28mpg로 이러한 규제 대응을 위해서는 엔진 효율 향상, 제동 에너지 회수, 구름 저항 감소, 공력 특성 향상 및 경량화 기술 등이 필요한 실정이다.
◇ 복합소재 업체의 전략적 제휴 가속화
2009년 10월 자동차업체인 BMW가 독일의 탄소섬유 제조업체인 SGL사와 탄소섬유 합작 회사 설립을 발표하였는데, 현재 개발 중인 차량은 도심 출퇴근용 4인승 전기차로 2013년 시판 예정이라고 한다. BMW는 독일 라이프찌히에 전기차(EV) 양산 신규 공장을 설립할 예정이며, SB LiMotive사의 16kWh 리튬 이온 배터리 장착하여 1회 충전 주행가능거리 200km를 목표로 하고 있다. 한편 2010년 4월 SGL사는 PAN-Based Precursor의 안정적 공급을 확보하고자 일본 미쓰비시레이욘(MRC)과의 합작회사인 MRC-SGL Precursor(MSP)사 설립을 발표하였으며, 2011년 4월부터 생산 예정이다.
2009년 5월 미쓰비시 화학, 미쓰비시 플라스틱, 타나베 미쓰비시 제약 등을 자회사로 둔 미쓰비시 화학 홀딩스는 소재기술의 확보와 시장 확대를 위해 스위스 쿼드런트(Quadrant)와 전략적 제휴를 맺고, 50:50의 합작회사(JV, Joint Venture) 를 설립하였다. 미쓰비시 플라스틱은 이미 보유하고 있는 플라스틱·금속·섬유 기반의 기능성 소재와 쿼드런트의 핵심 소재들간의 복합화를 추진 및 고기능 복합소재 사업을 확대한다는 전략이다.
국내의 대표적인 복합소재 전문업체인 한화 L&C는 2007년 11월 미국 경량 플라스틱 복합소재 회사인 아즈델(Azdel)사 지분 100%를 6,500만달러에 인수하였다. 한화 L&C는 아즈델 인수를 통해 세계적인 자동차 부품 업체 반열에 올라섰으며 생산 및 연구 분야에서 글로벌 네트워크를 갖추게 되었다.
■ 기술의 중요성
◇ 자동차의 경량화 요구증대
외국 선진 자동차업체의 경우 이미 오래전부터 자동차 경량화에 대한 전략을 수립하여 법규 대응 및 차량 성능 향상 기술을 개발중이다. 경량소재로서는 고장력 강판, 알루미늄, 마그네슘 및 플라스틱 소재가 주목을 받고 있는데 향후 경쟁 관계를 통하여 차량 적용비율이 결정될 것이다. 실제 경량소재 개발이 중요한 이유는 연비 향상 효과뿐만이 아니라 차량성능 및 내구성도 동시에 향상시킬 수 있기 때문이다. 일반적으로 차량중량을 10% 감소시킬 경우 연비 향상은 3~4%, 제동거리 5% 단축, 핸들 조향력 6%, 가속 성능 8% 향상 및 샤시 내구성능 1.7배 향상이 가능하다고 알려져 있다. 선진 자동차업체는 유리섬유 보강 복합소재 차량, 탄소섬유 보강 복합소재 차량 및 알루미늄 스페이스 프레임 차량 생산 등을 통하여 다양한 경험을 축적하고 있다.
◇ 기술 경쟁력 및 원가 경쟁력 확보 필요
국내의 경우 일반적인 범용 플라스틱 산업분야에서 기술 및 원가경쟁력은 이미 확보하고 있다. 그러나 엔지니어링 플라스틱 및 고성능 복합소재 분야의 연구개발 수준은 선진국 대비 낮은 편이다. 자동차 복합소재 기술도 마찬가지 상황으로 유리섬유 보강 PP(Polypropylene) 복합소재에 대한 기술은 보편화되어 있으나 연속섬유 또는 탄소섬유 복합소재에 대한 기술 개발 경험이 적다. 즉, 현재까지는 고급 스포츠카와 같은 소량 생산 차종에만 제한적으로 복합소재가 적용되었으나 미래 자동차 산업의 경우 친환경 자동차에 대한 수요가 급증할 것이므로 대량생산 및 원가경쟁력을 가지는 첨단 복합소재 분야의 기술 인프라 구축이 필요한 시점이다.
車 중량 10% 줄이면 연비 4%·조향력 6%·가속성능 8%↑
■ 복합소재 부품의 개요
주로 유리섬유 보강 열가소성 복합소재가 사용되는데 자동차의 대표적인 플라스틱 부품에 대하여 몇 가지 예를 들어 소재 및 공법을 비교하고자 한다.
◇ 내·외장 플라스틱 부품
○ 범퍼 백 빔
프론트 범퍼 백 빔은 주로 스틸 소재가 사용되나 리어 범퍼 시스템의 경우 GMT(Glass Mat Reinforced Thermoplastics)를 압축성형하여 제조된다. GMT는 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 수지와 유리섬유 Mat 강화재로 이루어진 판상 형태의 복합소재이다. 특히, T-Die를 통해 압출된 용융상태의 폴리프로필렌과 유리섬유 Non-Woven Mat가 직접 함침되어 수지와의 결합력이 우수하고, 일반적인 PP 복합소재보다 우수한 강도 및 내충격성을 보인다. 국내 자동차 산업 분야의 경우 범퍼 뱀 빔, 엔진 언더 커버 및 시트 백 등에 적용중이다.
○ 헤드 라이닝
최근 제품성형이 용이하고 더 가벼운 저비중 열가소성플라스틱인 LWRT(Low Weight Reinforced Thermoplastics)의 적용이 시도되고 있다. LWRT는 습식법과 건식법으로도 제조할 수 있는데, 고분자 수지와 절단된 유리섬유(Chopped Glass Fiber)로 구성되어 있으며 주로 열성형법(Thermoforming)으로 성형된다. 비중이 0.2~0.8로 매우 낮으나 제품 성형 시 비강성이 높아 내장 보드류, 엔진 룸 흡차음재 및 차체 바디 언더 커버로도 적용되고 있다. 단위면적당 중량은 800~900g/m2 등 다양하게 조절 가능하다.
◇ 차체 부품
○ 도어 모듈 플레이트
최근 개발되는 차종의 경우 스틸 대신에 PP-LFT(Long Fiber Reinforced Thermoplastic)을 사출성형하여 만들어진다. PP-LFT는 폴리프로필렌(Polypropylene) 수지에 유리섬유를 함침시킨 6~25mm 길이의 펠렛 형태의 복합소재이다. PP를 기지소재로 사용함에 따라 다른 엔지니어링플라스틱보다 저렴한 제조원가로서 우수한 기계적 물성을 얻을 수 있는 장점이 있다.
도어 모듈 플레이트용으로는 유리섬유가 30~40 wt% 보강된 12mm 펠렛이 주로 사용된다.
○ 차체 외판
차체외판으로는 생산 대수에 따라 다양한 열경화성 복합소재 및 열가소성 복합소재가 적용될 수 있다. 후드·루프·트렁크 리드 등 수평 판넬의 경우 주로 구조 강성이 우수한 열경화성 복합소재가 사용되고, 펜더 및 테일게이트와 같은 수직 판넬의 경우 열가소성 플라스틱 복합소재가 적용된다. 국내의 경우 버스의 Flap Door Panel 및 Trunk Lid Panel에 SMC (Seet Molding Compound) 복합소재가 적용 중이다.
◇ 샤시 및 파워트레인 부품
○ 프론트 엔드 모듈 캐리어
프론트 엔드 모듈(Front End Module, FEM)은 라디에이터, 컨덴서, 인터쿨러를 비롯한 열교환기, 팬 및 쉬라우드, 헤드 램프, 범퍼 등을 하나의 단위로 통합시킨 모듈로 이를 전체적으로 지지하면서 차체에 연결시켜 주는 구조물이 FEM 캐리어(Carrier) 이다. 주로 많이 사용되는 재질은 스틸-플라스틱 하이브리드 복합소재로서 스틸을 금형내에 삽입(Insert) 시킨 후 유리섬유 보강 나일론 복합소재를 사출성형하여 제조한다. 최근에는 PP-LFT 및 GMT 소재의 적용도 시도되고 있다.
○ 파워트레인 부품
엔진 룸 내에 적용되는 실린더 헤드 커버·엔진 커버·에어 인테이크 매니폴더(Air Intake Manifold, AIM) 등 파워트레인 부품에는 주로 내열성이 높고 기계적 물성이 우수한 유리섬유 보강 나일론 복합소재가 주로 사용된다.
적용 부위에 따라 나이론 6 또는 나일론 66 기지소재에 유리섬유 단독 또는 무기 충전재를 복합 처방한 복합소재를 주로 사출성형 공법으로 제조한다.
한편, 배기량이 큰 상용 디젤엔진의 경우 소량생산에 적합하고 내열성 및 치수안정성이 우수한 SMC 공법이 사용된다.
■ 자동차 복합소재의 성장성
세계 자동차 시장은 세계 금융위기 이후 다소 감소하였다가 2010년부터는 BRICs(브라질·러시아·인도·중국)를 포함하는 신흥 시장을 중심으로 다시 성장세로 돌아 설 것으로 예상된다. 그러므로 복합소재 시장도 자동차 생산량 증가와 더불어 다시 성장할 것이다. 아울러 연비 향상을 위한 경량화 요구 증대에 따라 자동차 복합소재 시장은 더욱 성장할 것으로 예상된다. 특히 하이브리드 전기자동차, 전기자동차, 천연가스 자동차를 포함하는 친환경 자동차 시장의 성장에 따라 복합소재 업체 및 부품업체에 매우 긍정적인 기회가 찾아올 수도 있다.
하이브리드 전기자동차의 경우 2010년 세계시장 규모로 약 80만대 이상이나 2020의 경우 마일드 하이브리드 및 플러그인 하이브리드 전기차를 포함할 경우 약 900만대 시장으로 성장할 것으로 예측된다. 그러므로 이들 차량의 에너지 효율 및 성능 향상을 위하여 스틸을 대체할 수 있는 플라스틱 복합소재에 대한 요구는 꾸준히 증가할 것이며 특히 북미 시장에서 연비 규제가 실시되는 2016년 이후 급격히 성장할 것으로 보인다.
■ 자동차 복합소재의 역할과 위상
자동차 복합소재의 경쟁 소재는 고장력 강판이나 알루미늄 또는 마그네슘과 같은 경금속이라고 볼 수 있다. 신소재 신공법의 발전과 더불어 가격이나 성능면에서 복합소재의 경쟁력이 증대되고 있으므로 그 위상은 계속 증가할 것으로 예상된다.
2008년 SAE(Society of Automotive Engineering) Congress에서 조사 발표된 내용에 따르면 향후 10년간 가장 주목을 받게 될 소재 1순위로 복합소재가 선정된 바 있다. 또한 소재 선정에서 있어서는 원가절감·경량화·성형성 등이 최우선 고려사항으로 조사되었다.
탄소섬유 등 첨단복합소재 인프라 구축 시급
미국 車 공학회, 복합소재 연구 1순위 꼽아
■ 복합소재 기술개발동향
자동차 산업 분야에서는 1990년대까지 주로 성형성이 우수한 단섬유 보강 열가소성 복합소재가 적용되었으며, 2000년대 들어 와서는 장섬유 보강 복합소재가 기존 스틸이나 경금속을 대체하여 많이 적용 중에 있다.
실제로 PP-LFT의 경우 기존에 사용중인 단섬유 보강 나일론 소재를 대체할 수 있으므로 원가절감을 위하여 많이 검토되었다. 2010년대에는 연속섬유 보강 복합소재에 대한 연구개발 및 적용이 예상된다.
이는 일반적인 내외장 부품이 아니라 차체 등 구조용 부품에 확대 적용될 것임을 의미한다. 연속섬유의 경우 지금까지는 주로 원료수지의 점도가 낮아 함침이 용이한 열경화성 수지가 주로 사용되어 왔으나, 가공 기술의 발전과 더불어 열가소성 수지 복합소재의 적용이 시도되고 있다. 일부 기술의 경우 이미 상업화되어 있다.
단섬유 보강 열가소성 복합소재(Short Fiber Reinforced Thermoplastic, SFT)의 경우 차량에서의 요구 물성에 따라 기재의 종류를 변화시켜서 대응할 수 있다. 예를 들면 PP-GF, PA6-GF, PC-GF, PET-GF, PBT-GF, PC/PBT-GF, PPA(Poly(m-Phenylene Terephthal Amide))-GF, PPS(Poly(Phenylene Sulfone))-GF 등이 있다. 탄소섬유가 단섬유 형태로 보강된 복합소재의 적용은 고가이므로 상용화에 시간이 좀 더 걸릴 것으로 예상된다.
◇ 장섬유 보강 복합소재
최근 자동차산업에서 각광받고 있는 신소재로서는 PP-LFT(Long Fiber Reinforced Thermoplastic)가 대표적인데, 이는 PP 수지에 유리섬유를 함침시켜 6~25mm 길이의 펠렛(Pellet) 형태로 제조한 복합소재이다.
PP를 기재로 사용함에 따라 다른 엔지니어링플라스틱 보다 저렴한 제조원가로서 우수한 기계적 물성을 얻을 수 있는 장점이 있다. 기계적 물성은 성형공정 과정을 거친 후 최종 제품 내에서의 잔존 섬유 길이에 의존하는데, 인장탄성율은 섬유 길이 1mm 이상이면 거의 최고수준(95%)에 도달하고, 인장강도 및 충격강도는 각각 약 2mm 및 3.5mm 부근에서 최고수준에 도달하게 된다.
일반적인 사출성형 공정 조건에서는 호퍼(Hopper)로 12mm 길이의 PP-LFT 를 투입하더라도 사출성형기 내부에서의 열과 Screw 회전에 따른 전단응력 때문에 유리섬유는 심하게 손상을 받게 된다. 이러한 손상을 최소화하는 목적으로 Screw 형상 변경 및 금형 Gate 의 직경 조절 등 다양한 기술의 접목이 필요하다.
아울러 최근 PA-LFT도 소개되고 있으나 아직까지는 가격 대비 성능면에서 적당한 용도를 찾지 못하고 있는 실정이다. 대신에 복합소재 부품 성형공법으로서 새롭게 시도되고 있는 기술 중의 하나가 동시 압출-사출 성형공법이다.
자동차 구조용 부품에 PP- LFT의 성형 비용을 절감하고자 사출성형기와 2축 스크류 컴파운딩 압출기(Twin Screw Extruder)를 결합시킨 새로운 패러다임의 하이브리드 가공 장비가 개발되었다.
현재 세계적인 사출성형기 제조업체인 Krauss-Maffei사 및 Husky사에서 판매하고 있는데 인라인 컴파운더(In-Line Compounder, ILC) 또는 사출 성형 컴파운더(Injection Molding Compounder, IMC) 라는 용어로 부르기도 한다.
동시 압출 사출 성형공법의 장점은 섬유 손상을 최소화함으로써 섬유 길이를 일반 LFT 보다 더 길게 제어할 수 있으므로 기계적 물성 향상에 따른 최종 부품에서의 경량화 효과가 우수하다는 것이고, 아울러 재료비 절감 및 사이클타임(Cycle Time) 감소에 따른 원가절감이 가능하다.
일반적으로 LFT 복합소재 컴파운딩 후 사출 공정하는 프로세스 대비 약 20~35% 정도의 원가절감 효과가 있다고 알려져 있다. Dieffenbacher사의 LFT-D(LFT-Direct Processing) 기술도 자동차 구조용 및 준구조용(Structural and Semi-Structural) 부품 개발에 적합하다. 컴파운드의 구성은 섬유 및 플라스틱 수지로 되어 있는데, 기본적으로 ILC 와 동일하다고 볼 수 있다.
섬유로는 유리섬유, 합성섬유 및 천연섬유가 사용될 수 있고 플라스틱 원소재로서는 PP·PA·PET 등이 사용될 수 있다. 압출 후 사출공정이 아닌 프레스를 사용하는 압축 성형 공정을 거쳐 상대적으로 긴 유리섬유를 보강할 수 있다. 제품에서의 요구조건에 따라 유리섬유 잔존 길이를 조절 가능하며 일반적으로는 20mm 이상의 유리섬유가 사용된다. 필요시 20~50mm 길이의 유리섬유 함량이 75% 이상이 되도록 조절도 가능하다. 이는 최종 제품의 내충격성 향상에 크게 기여할 수 있다.
◇ 연속섬유 보강 복합소재
현재 자동차 부품에 주로 사용되고 있는 유리섬유 함량이 30wt%인 단섬유 보강 나일론(PA-GF30) 및 유리섬유 함량이 40wt%인 장섬유 보강 PP(PP-LGF 40)의 경우 스틸, 알루미늄, 마그네슘과 대비하여 비강도(Specific Strength)는 동등수준이나 비강성(Specific Stiffness)은 낮다. 이를 더욱 개선하는 방법으로서 연속섬유를 보강재로 사용하는 CFFT(Continuous Fiber Feinforced Thermoplastics) 기술이 최근 많이 연구개발되고 있다.
동일한 함량에서는 유리섬유 대신에 탄소섬유를 사용함으로써 비강도 및 비강성을 현저히 향상시킬 수 있으나 소재 가격이 많이 올라가는 단점이 있다. 섬유 보강 형태도 기계적 물성에 영향을 많이 미칠 수 있는데 일방향 보강 또는 직조 섬유형태로 보강된다.
열가소성 연속섬유 복합소재 제조방법은 이미 몇 가지 형태가 개발 완료되어 상업화되어 있다. Vetrotex사(現 Owens Corning사 )에 의해 먼저 개발된 소재는 다음과 같다. 즉, PP·PA·PET 등 소재는 섬유 형태로 제조가 용이한데 이들 열가소성 수지 섬유를 유리섬유와 혼합(Commingling)하여 우선 섬유 로빙 형태의 프리프레그를 만들고, 이렇게 제조한 프리프레그를 직조한 후 히터로 예열하고 압축 성형하여 부품을 성형한다. 직조 형태 섬유를 이용하므로 표면 외관 품질이 요구되는 내장 및 외장 부품으로는 적용하기 어렵다.
두번째 예로서는 FiberForge사는 연속상의 유리섬유 또는 탄소섬유가 함침된 테이프(Tape) 형태의 프리프레그를 제조하고 이를 원하는 형상으로 적층시켜 국부적으로 융착(Welding)시킨 후 금형 내에서 압축 성형함으로써 최종 제품을 얻게 된다. 테이프(Tape) 적층 두께에 따라 국부적으로 제품 두께를 달리 성형할 수 도 있으나 비교적 단순한 형상의 제품 성형에만 적합하다는 단점이 있다.
Bond Laminate사의 개발 기술이 세번째 예가 될 수 있는데, 열가소성 수지 필름 사이에 직조된 유리섬유 또는 탄소섬유를 함침시켜 시트(Sheet) 형태의 프리프레그를 제조하고 이를 금형 내에 인써트하여 압축성형하거나 또는 사출성형하여 최종 제품을 얻게 된다.
■ 복합소재 기술개발의 핵심 이슈
최근 자동차업계의 최대 현안인 연비절감, 환경규제 대응, 승객의 안정성 확보, 자동차산업의 경쟁심화 등으로 원가절감 압박이 높아져 자동차 업계는 경량화 신소재 개발, 신공법 개발에 노력하고 있다.
섬유강화 복합소재는 최근 변화하는 자동차 기업 환경에 중요한 소재로 여겨지면서 많은 연구가 이루어지고 있는데 기존에 사용되는 유리섬유를 대체하려는 시도가 많이 진행되고 있다.
◇ 탄소섬유 복합소재
탄소섬유는 30~70USD/kg의 고가이므로 지금까지는 주로 항공이나 스포츠용품에 많이 사용되어 왔다. 최근 유가 상승에 따라 대형 항공기의 연비 향상을 위하여 탄소섬유 복합재의 수요가 증대되고 있다. 아울러 친환경 에너지 확보를 위한 풍력산업의 발전으로 저가의 라지 토우(Large Tow) 탄소섬유 수요가 증대하면서 전체 시장은 지속적으로 성장 발전할 것으로 예상된다. 자동차 산업의 경우 고급 스포츠카 및 전기자동차와 같은 일부 차종에 제한적으로 사용 중인데 향후 연비향상 및 충돌 특성 향상을 위한 핵심 요소기술로 탄소섬유 복합소재의 수요가 증가할 것으로 보인다.
◇ 나노 복합소재
향후 자동차 섬유 보강 복합소재에서 중요한 이슈 중의 하나는 기존의 탄소섬유를 대체할 수 있는 저가 소재의 개발이다. 미국 및 국내에서는 이미 리그닌 (Lignin) 또는 저가 PAN을 프리커서로 사용하는 연구를 착수하였으며, 또 다른 한가지 적용 가능성은 탄소나노튜브 (Carbon Nanotube, CNT) 에 있다.
섬유 직경이 7~8μm인 탄소섬유에 비하여 1/10~1/100 정도의 CNT를 일반 플라스틱에 보강재로 사용할 수 있다면 적은 함량에서도 높은 기계적 물성을 기대할 수 있으나 아직까지는 가격 및 분산 문제가 해결되지 않고 있다. 최근에는 CNT 대신에 평판 상태의 그래핀(Graphene) 을 적용하려는 연구가 시도 되고 있는데 향후 그 추이를 살펴 볼 필요가 있다.
◇ 천연섬유 복합소재
천연섬유를 사용하는 바이오 플라스틱 복합소재도 바이오 플라스틱과 더불어 향후 주목할 필요가 있다. 도요타(Toyota) 라움의 경우 바이오 매스로부터 제조한 PLA(Polylactic Acid) 섬유와 양마(Kenaf) 섬유를 블렌딩하여 제조한 스페어 타이어 커버에 이미 양산 적용하였으며, 벤츠(Benz) S500 에는 도어 트림에 황마(Flex) 섬유 복합소재 및 시트 쿠션에 코코넛 섬유 복합소재를 적용한 예가 있다.
천연섬유의 경우 표면처리 및 성형공정에서 수분을 잘 관리해야 하는데, 특히 사출성형공법으로 내장부품 성형시 변색 및 냄새 저감 연구가 필요하다. 최근에는 목질계 섬유에서 나노 크기의 셀룰로오스 섬유를 분리하여 보강재로 사용하려는 연구도 소개되고 있는데 분리 추출 공정에 따른 가격 상승 및 분산 기술을 해결해야 하는 숙제가 남아 있다.
