친환경 車 전환시대, 경량화 해결 적층제조 주목

■ 친환경 車 확대, 배터리 무게가 걸림돌

필자는 지난달 생애 첫 전기차를 구매한 바 있다. 주변의 지인으로부터 주로 받는 질문은 정부 보조금 액수, 1회 주행거리, 충전시간 등이다. 한 달간 운영해 본 결과 가속력을 포함한 주행성능 및 편의성, 가솔린에 비해 1/4 수준의 충전비용, 고속도로 통행료 및 자동차 세금 할인 등에 만족하고 있다.

그러나 제일 불편한 점은 일반 50kW급 급속 충전 시 완충까지는 2시간이 소요되고, 1회 충전 시 주행거리가 400km 이하로 짧다는 것이다. 장거리 이동시에는 전국에 12개 휴게소에만 설치돼 있는 350kW 초급속 충전소를 일일이 찾아서 충전시간을 절약할 수 있으나 충전비용이 일반 충전에 비해 비싸고 배터리 안전상 80%만 충전가능하다.

최근 몇 년 전부터 친환경차 보급 정책의 일환으로 충전요금 특례할인을 제공했으나 내년부터는 혜택이 사라질 것으로 보이고 있어 소비자들의 전비(1kWh당 주행가능한 km) 민감도도 증가할 것이다. 충전료가 인상되면 충전 대기 시간과 주행거리에 대한 불편을 감수하며 전기차를 운영하는 소비자의 불만은 커질 수 있다.

그러면 1회 충전 시 최대 주행거리를 늘이는 방법은 배터리의 용량을 증가시키는 것이다. 현재 시판중인 소형급 전기자동차의 경우 50~64kWh, 중형급 이상은 70~100kWh급 용량의 배터리를 사용해 충전 후 최장 500km 까지 주행이 가능하다.

전기자동차의 경우 내연기관 엔진보다 최대 3배가 무거워 대용량 배터리팩의 경우 450kg의 중량을 가진다. 전기차는 기존 내연기관 차량보다 150~250kg가 무거워 중형급 이상의 전기차는 공차중량이 무려 2000~2600kg에 달한다. 따라서 충전 후 주행거리를 늘이기 위해서는 단순하게 배터리의 용량을 높일 수 없기에 관련부품의 경량화가 대단히 중요하다. 아래 <표1>에 나타낸 바와 같이 공차중량이 무거운 일부 차량의 경우 전비가 1kWh당 불과 3km 내외로 충전 후 주행거리도 300km에 불과하다.

▲ <표1> 주요 전기자동차의 공차 중량과 복합 전비(공차중량 순)

■ 2040년 전기차 5400만대 판매, 엔진부품 업체 치명타

2023년까지 세계자동차 시장 성장률은 연평균 2% 증가할 것으로 전망하고 있으며 주요 완성차 업체들은 호실적에도 불구하고 높은 고정비 해소 및 미래기술에 대한 투자 확대를 위해 중장기적인 슬림화를 진행 중에 있다.

최근 글로벌 자동차산업은 Connectivity, 자율주행, 차량 공유경제 확산 및 친환경 생산 확대 등 4가지의 주요 트렌드를 가지고 있다. 블룸버그 뉴에너지 파이낸스(BNEF)에 따르면 전 세계 전기 승용차 판매량은 2015년 45만대에서 2019년 210만대로 다섯 배 가까이 급증했다. 전기 승용차 판매는 2025년 850만대, 2030년 2600만대, 2040년 5400만대로 폭발적인 성장이 예상되는데, 2040년에는 신차 판매에서 전기차가 내연기관차를 앞지를 전망이다.

이에 따라 자동차 부품업체에서도 이러한 변화에 대처가 필요하며 가장 큰 변화는 엔진부품으로 관련 업계가 심각한 타격을 받게 된다.

내연기관과 전기차 부품 수를 비교해보면 내연기관차의 경우 총 2만2,000개의 부품이나 전기차의 경우 1만2천개의 부품으로 단순화되며, 이 중 엔진부품은 완전히 사라지게 돼 관련 부품업체는 치명타를 맞게 될 것으로 예상된다. 친환경차 차량의 부품회사별 영향을 보면 조향 및 현가장치 등은 큰 영향이 없으며 배터리 및 모터, 센서류, 경량화 소재부품 등은 긍정적인 영향을 받는다.

■ 알루미늄 판재·다이캐스팅, 경량화 기술 각광

자동차 경량화기술은 크게 구조강성 개선, 부품제조 공정기술, 소재변경을 들 수 있다.

첫 번째 구조강성 개선은 요구강도에 맞게 최적의 구조를 구현해 소재사용을 최소화하는 것으로 혁신적인 설계 아이디어 발굴이 어렵고 튜브구조나 복합결합 구조 등 적용범위가 한정돼 있으나 원가상승을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

두 번째는 부품제조 기술개선으로 기존 소재를 활용해 하이드로포밍, 핫스탬핑 등의 기술로 기존소재를 활용하고 부품원가 상승을 최소화 하는 기술이나 대규모 설비투자가 된다는 단점이 있다.

마지막으로 소재변경 기술은 고강력강을 사용하거나 알루미늄 및 마그네슘합금, 탄소섬유 복합소재를 사용하는 것으로 경량화효과가 제일 크다. 그러나 경량소재의 경우 기계적 성능이 저하되고 공법변화와 따라 설비부담과 높은 소재 가격이 걸림돌이다.

전기차 등 친환경자동차에서 상기한 기술에 다양한 시도를 하고 있으나 현실적으로 알루미늄 판재나 다이캐스팅이 가장 현실적으로 접근하고 있으며 일부 내장재의 경우 마그네슘 합금도 유망하다. 테슬라 모델 Y의 경우 세계 가장 큰 다이캐스팅 장비로 후면 언더바디를 알루미늄 한 개의 부품으로 제조한 바 있으며, 국내에서도 동일한 부품을 2개로 제작해, 결합해서 양산하고 있다, 주조재가 아닌 알루미늄 판재도 후드나 테일게이트에 한정적으로 사용했으나 이제는 보편화되는 추세로 경량소재 사용이 급격하게 증가할 것으로 예상하고 있다.

시작車 및 기능성·다품종 소량부품 적층제조 적용 확대

환경변화·기술융합 뿌리기술 중요성↑, 투자 및 지원 필요

■ 동양피스톤·동남정밀 사례

대표적인 친환경 자동차 부품업체로의 전환 사례를 살펴보면 피스톤을 주력으로 생산하는 동양피스톤은 알루미늄 중력 주조업체이다. 피스톤의 수요는 당연히 급감할 것을 예상하고 전기자동차의 인버터에 사용되는 방열모듈을 양산하고 있다. 이 방열모듈은 전력반도체를 냉각시켜 배터리 성능과 효율을 높이는 역할을 하는 부품이다. 또한 연료전지스택을 충격으로부터 보호하는 핵심부품인 인클로저를 경동식 주조방식으로 생산하고 있는데 수소전기차에 사용되고 있다.

동남정밀은 길이가 1미터가 넘는 큰 부품으로 터치 스크린을 지지하는 IPC(Instrumental Panel Cluster)를 대형 다이캐스팅으로 제조하고 있다. 이 부품은 기존 아날로그 방식에서 터치형으로 전환됨에 따라 박육주조가 가능한 마그네슘합금으로 생산하고 있다. 그 외 친환경 전기차에 들어가는 모터 하우징, ICCU 하우징(Intergrated Charging Control Unit), LDC(Low Voltage Dc-Dc Converter) 하우징, 인버터 하우징 등 전장부품을 생산하고 있다. 그 외 전기자동차 경량화를 위한 기존 철강 프레스 부품을 고진공 알루미늄 다이캐스팅으로 현대차와 TESLA 등에 공급하고 있다. 주요 부품으로서는 lower member, side member, sub frame, shock tower 등이 있다.

■ 적층제조기술, 전기차 부품 적용 활발

적층제조 기술은 금속분말을 이용해 한층 한층씩 레이저를 이용해 선택적으로 용융하는 기술로, 모터스포츠의 튜닝 파트나 단종부품에 효과적으로 사용돼 왔으나 연간 생산수량이 작은 부품과 일부 기능성이 컴팩트가 요구되는 부품 열교환기 부품에 활용이 증가하고 있다.

특히 아래 <그림1>에 나타난 바와 같이 제한된 공간에 효율 및 강성향상과 경량화, 냉각을 위한 많은 부품이 개발되고 있다. 이들 부품은 대부분 알루미늄 합금으로 BMW사의 테일게이트의 힌지부품, Porsche 타이칸의 e-Drivetrain, 냉각기능이 있는 모터 하우징 브라켓, 배터리 냉각을 위해 bed와 냉각 쿨러 등이 이미 개발 완료돼 있다.

현대기아자동차에서도 대형 PBF 장비를 도입해 알루미늄 부품 개발에 많은 투자를 진행 중이다. 현재 적층제조기술은 소재가격이 비싸고 대량생산에는 한계가 존재하나 기능성이 요구되는 부품과 시작차 및 다품종 소량생산에서는 강력한 역할을 할 것으로 예상된다.

▲ <그림1> 친환경 자동차의 주요 부품 개발 사례 (3D프린팅연구조합 보고서)

자동차 부품제조기술은 모든 생산기술의 기반이 된다. 반면 최근 국내의 산업환경이 IT, 전기전자분야를 중심으로 한 고속 성장 기조로 인해 주조, 소성가공, 금형 등 뿌리기술 분야가 다소 도외시 되었던 것이 사실이다. 해외 선진 기업을 중심으로 새로운 성장 동력을 갖기 위한 이종산업간의 기술융합이 시대적 흐름이 되고 있으며 근래에 들어 정부 주도로 기반기술의 중요성을 인식하고 뿌리기술을 확대 선정해 중점 육성하고 있다.

모든 기술이 하루아침에 소재부품산업의 제조환경을 바꾸고 생산성 향상을 가져오는 최고의 기술, 최선의 기술은 아니며 분명히 기술적 제약이 따를 것이다. 새로운 기술의 도입과 접목은 위험 부담도 있고, 공정 개선 등의 새로운 솔루션이 필요해 거부감이 있을 수 있다. 혁신을 이끌 수 있는 제조기술은 이같은 환경 변화에 반드시 필요하며, 이를 위해 기업의 적극적인 투자와 정부의 지원이 이뤄져야 할 것이다.