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  • 기사등록 2019-01-04 10:03:03
  • 수정 2019-01-04 15:58:44
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車 경량화 시대적 요구, 복합소재가 실현



전 세계적으로 이산화탄소 배출량 감소를 위한 노력은 꾸준히 진행되고 있다. 미국, 유럽, 한국 및 일본은 물론 브라질, 인도 중국 등도 2005년 기준으로 2020년까지 30% 내외의 이산화탄소 감축 목표를 발표하고 있다. 이산화탄소 규제가 빠른 속도로 강화되고 있지만, 운행차량은 증가 추세이고, 연비개선의 노력에도 불구하고 안전, 편의 시설로 인한 공차 중량이 1980년 이후 27.3% 지속적으로 증가되고 있는 실정이다. 기존 내연기관의 연비 개선 기술은 투자기간과 비용이 점점 높아지고, 빠른 규제 속도를 따라가기에는 기술적인 한계가 나타나고 있다.


현실적으로 자동차의 경량화는 차량의 구조, 부품 제조 공법 및 소재기술의 조합으로 이루


어질 수 있다. 소재의 변화는 구조와 공법을 변화시키기에 충분하다. 그러나 이 과정에서 비용의 상승으로 소비자의 부담 가중치가 어떻게 되느냐에 따라 상이하게 나타날 것이다. 예를 들면, 고급 브랜드의 경우 탄소섬유복합소재, 알루미늄 및 마그네슘 등 경량 소재의 적용 범위가 넓겠지만, 대중브랜드의 경우 기존 소재를 개선하여 비용부담을 줄이게 될 것이다.


연비향상으로 인한 연료사용 절감, 가속/등판 성능 향상, 핸들링 및 안전성이 우수할 뿐 아니라 중량 및 부피 제한 범위를 높여 경제성을 극대화할 수 있다. 경량화로 인해 전기자동차의 배터리 성능을 극대화하여 주행거리를 확대할 수 있다. 예를 들면, 1,160kg 차량에서의 90kg 차체 경량화의 경우(폭스바겐의 compact class car) 10만km 주행 시 약 265L의 연료절감 효과가 가능하다. 이것은 서울-광주를 약 5회 왕복할 수 있는 결과이다. 일반적으로 내연기관 자동차의 경우 무게가 100kg 늘어나면 1km당 이산화탄소 배출량이 11g 가량 증가하고, 연료도 100km 당 약 0.5L가 소비된다.


자동차 기술은 에너지 효율, 경량화, 편의성 및 친환경의 키워드로 개발되고 있다. 내연기관 자동차로 대변되던 시장이 전기자동차, 연료전지 자동차, 자율주행 자동차 등과 시장을 셰어하게 될 것이며, 이 중심에 소재 시장이 주축이 되어 확대될 것으로 보인다. 자동차에서 주목받고 있는 복합소재 시장은 점진적으로 확대되어가고 있으며, 에너지 절감을 위한 중요한 아이템으로 자리 잡고 있다.


원 소재의 특성을 보완하기 위한 복합소재는 고분자 소재를 금속소재화하는 데에 큰 방향성을 가지고 성장하고 있다. 지금까지는 강성과 내구성 측면에서 접근해 왔다면, 이제부터는 열전도성, 전기전도성 등의 성질을 높이는 데 더 큰 목적을 두고 있다.


복합소재는 금속 소재와 비교하여 구조재의 강도와 경량을 장점으로 펜더, 범퍼빔, 프론트 엔드 프레임, 테일게이트, 후드커버 등 다양한 부품 소재로 적용성을 넓히고 있다. 자동차에 적용되고 있는 고분자 소재는 약 15% 이상으로 보고되고 있으며, 지속적으로 약 20%이상 꾸준히 증가될 것으로 소재시장을 예측하고 있다. 국내외 엔지니어링 플라스틱 기업들은 다양한 제품을 출시하고 있으며, 최근에는 컴파운딩을 주생산품으로 하는 국내 중소기업들의 약진이 돋보이고 있다.


자동차 경량화에 대한 관심은 높아지고 있었으나, 실제 완성차 기업에서의 비중은 2014년 이후 시작되었다고 해도 과언이 아니다. 경량화 혹은 소재에 대한 관심이 높아지면서 부품마다의 요구물성에 따라 적합한 소재를 적용하는 멀티매티어리얼 기술이 부각되기 시작하였고, 이로 인해 이종소재간의 접착(혹은 접합) 기술도 주목되고 있다. 보고에 따르면, 경량화에 대한 관심과 기술 개발에도 불구하고 편의 시설 및 전자장치 등의 증가로 국내 모델의 경우도 동급대비 30∼40%의 증가율을 나타내고 있으며, 이것은 연비효율을 높이거나 이산화탄소 배출을 줄인다는 전 세계적인 환경규제 흐름을 따라가기 어려운 현실을 보여주고 있다. 예를 들면, 미니쿠퍼의 경우 출시 당시 560kg 이었으나, 현재는 약 1,070kg에 달하고 있다. 이러한 결과는 에어백, ABS, 에어컨, 오디오 등의 편의장치와 전자장치의 증가라고 할 수 있다.


이러한 중량 증가의 추세는 전기자동차도 예외는 아니다. 전기자동차는 내연기관 자동차에 비해 동급 차량의 연비는 증가하고 있으나, 약 10∼25%의 중량 증가와 가격 상승을 나타내고 있다. 전기자동차는 내연기관에 비해 동력계의 시스템은 단순화 될 수 있지만, 전자장치와 안전 편의 장치에 대한 최적화가 더욱 필요하다. 예를 들면 공조시스템의 경우 냉/난방을 위한 추가 부품이 요구되고 이에 따른 부품 수 증가 및 에너지 소비 등에 대한 최적화 기술이 개발되고 있다.


에너지 효율·경량화·편의성·친환경, 소재 주축 확대
복합소재, 강성·내구성에서 열전도성·전기전도성 주목


자동차에 적용되거나 개발되고 있는 복합소재에 대해 나노복합소재, 경량복합소재 그리고 기능성 복합소재에 대해 소개하겠다.


○ 나노복합소재


나노복합소재는 나노소재를 분산시켜 강성, 난연성 및 전기전도도 등의 특성을 향상시킬 수 있는 특징을 가지고 있다. 기술적으로 나노물질의 분산성이 매우 중요하며, 마스터배치를 이용한 복합소재 제조로 생산성을 향상시키고 있다. 요구특성에 따라 확대할 경우 기존의 공정 변화 없이 5∼6kg의 감량효과가 가능하며, 금형 등 공정 개선으로는 최대 12kg의 감량이 가능할 것으로 기대된다. 특히 우리가 주목하고 있는 기술은 가스 증발 차단성이 우수한 나노복합소재를 이용한 연료계 시스템 적용이다. 현재는 연료주입관의 적용을 시작하고 있으나, 연료탱크 및 연료튜브의 적용을 확대해 나가고 있다. 이 기술은 연료계통 전체의 적용이 가능하다. 이러한 가스차단성은 미래형 자동차의 수소저장 탱크의 경량화에도 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.


○ 경량복합소재


경량복합소재는 지금까지 강성을 조강하는 것을 목적으로 열경화성복합소재가 제조되어 왔다. 금속 소재 대비 중량 감소를 위한 유리섬유 복합소재가 대부분을 이루고 있었으며, 최근 탄소섬유를 이용해 경량효율을 극대화하고자 하였으나, 가격 경쟁력을 갖기가 어렵다. 열경화성 복합소재는 제조공정 시간이 길어 대량생산에는 적합하지 않을 수 있다. 또한 소재의 재활용성이 낮아 자동차 부품 적용 확대에는 어려움이 있어 보인다. 이에 반해 열가소성 복합소재는 대량생산이 가능하고 디자인 자유도가 높으며, 소재의 재활용이 가능하나 투자비용이 높고, 강성이 요구되는 부품의 경우 인서트 공정이 필요하다. 시트프레임, 테일게이트 구조재, 휠 커버 및 루프 랙 등이 적용되고 있다. 특히, 우리는 유리를 대체할 수 있는 투명 플라스틱 복합소재 개발에 주목하고 있다. 강성, 표면경도 및 투명성을 만족시킬 수 있는 복합소재는 부품 기준으로 약 35% 이상의 경량화 효과를 기대할 수 있다. 경량 투명 소재의 적용은 열선, 자외선 차단, 스마트글라스 등의 기능을 접목할 수 있을 뿐 아니라 구동모터 및 썬쉐이드 등의 부품 소형화로 에너지 절감 효과가 높다.


○ 기능성복합소재


기능성복합소재는 전장부품의 증가와 전기자동차의 등장으로 더욱 주목받고 있다. 정보의 양이 많아지고 고집적화 되면서 전송속도역시 빨라져 전장기기에서 발생되는 열을 제거하여 시스템을 안정시킬 필요가 있다. 이와 더불어 전자기파에 의한 영향이 커지면서 회로기판이나 부품 자체의 전자기파 차폐 특성이 요구되고 있다. 금속 소재를 경량 복합소재로 대체하면서 열전도성과 전자기파 차폐 특성을 구현하는 소재 기술이 요구되고 있다. LED 램프, 고속 충방전기, 고압 케이블, 자율주행 자동차의 센서 부품, 각종 모터 및 디스플레이 장치 등의 발열과 전자기파 차폐를 위해 무기필러, 탄소계 필러 등의 하이브리드 복합소재가 개발/적용되고 있다.


자동차는 다른 교통수단에 비해 운용비용이 높고, 이동인구 1인당 이산화탄소 발생도 높다. 그러나 전 세계적으로 인구증가와 중산층의 증가로 자동차의 수요는 증가하고 이와 더불어 높은 수준의 안전, 안락함, 편의기능 및 세련된 디자인이 요구되고 있다. 이러한 시장의 흐름은 환경규제와 기술 개발이라는 목표를 모두 만족시켜야하는 것 이다. 이제 자동차는 새로운 시장을 위한 혁신적인 콘셉트 디자인의 개편이 필요하다. 동력원이 변화하고, 자동차와 인간의 관계가 변화하고 있다. 이러한 변화는 자동차 시스템의 안전성과 안정성을 위한 기술의 개발을 통해 시스템 산업, 소재산업, 휴먼네트워크 산업 등의 기술 융합으로 시장을 이끌어야 할 것이다.


▲ PC를 이용한 파노라마 Rood(made KATECH)


▲ 가스 증발 차단성이 우수한 나노복합소재


▲ 기능성 복합 소재 적용 시작품 제작 예


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