미래 자동차의 핵심역량, 차량 경량화

연비개선 기술 세가지

1. 엔진 및 구동계(파워트레인)를 개선하는 방법이다. 높은 연비 개선 효과에도 불구하고 상당 부분 완성된 기술로 추가적 기술개발에 한계가 있다는 단점이 있다.
2. 공기역학적 디자인 설계로 공기저항을 최소화해 연로 효율성을 높이는 방법이다. 다른 기술에 비해 비용은 적게 들어가나 획기적 효과를 위해 유선형 형태의 일괄적 디자인을 적용해야만 한다. 즉 수요와 기능을 고려하지 않은 디자인으로 소비자와 제품 다양성을 충족하기에 어려움이 크다.
3. 배터리 전기차, 수소전기차, 하이브리드전기차 등 대체 에너지를 활용하는 차종을 개발하는 것이다. 이상적 방법이지만 단기적으로 적용확대가 쉽지 않으며 추가 적용 비용과 인프라 구축 비용이 수반되는 한계점을 보인다. 반면 경량화 소재 개발을 통한 차량 경량화 방법은 적용 주기가 짧고 다양한 방법을 통해 개선 여지가 상대적으로 많다는 장점이 있다. 자동차 연비를 개선하는 방법 중 소재 경량화는 변화에 따른 리스크, 비용 상승 등 이유로 미뤄왔던 것으로, 기타 경량화 방안 대비 개선 여지가 상대적으로 크다.

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자동차를 가볍게 만들어야 할 또 다은른 이유는 그동안 자동차가 점점 더 무거워져 왔기 때문이다. 편의성과 안정성이 이유다. 편의성, 안정성에 대한 수준을 높이면서 관련 기능성 부품 적용이 증가함에 따라 자동차 중량도 점차 증가하고 있다.

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차량 경량화는 가장 효과적인 연비 개선 방법이다. 자동차 연료 소비의 약 23%는 차량 중량과 관련이 있다. 무거울수록 연료소비가 늘어난다고 볼 수 있다. 전기차는 기 존 내연기관 차량에 비해 연료 효율성이 떨어지는 문제를 극복하고 1회 충전당 주행거리 내연기관 자동차 수준으로 끌어올려야 하는 과제를 안고 있다. 연료효율을 높이기 위해 차량 무게를 조금이라도 줄이는 것이 가장 중요하다.

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한국자동차연구원에 따르면 1500kg 승용차 무게를 약 10% 줄일 경우 연비는 4~6%, 가속 성능은 8% 향상된다. 제동 정지거리 단축, 핸든 조향능력 향상, 섀시 내구수명 증가, 배기가스 감소 등 다양한 효과를 거둘 수 있다. 하지만 차량 경량화는 단순히 무게만 감소시키는 것이 아니라 제동 안정성 향상을 기본 요건으로 만족시키면서 제조단가, 생산성 및 강도를 함께 개선해야 하기 때문에 많은 기술적 노력이 필요하다.

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무거우면 주차도 못해…‘전기차 다이어트’ 경쟁

설계 변경과 신공법 개발만큼이나 중요한 것이 신소재 개발이다. 컨설팅 회사 맥킨지에 따르면, 기존 자동차 차체의 대부분을 이루는 철강소재를 비철 경량금속과 엔지니어링 플라스틱 등으로 대체할 경우 최대 490㎏까지 무게를 줄일 수 있다. 철강을 대체할 소재 개발에는 유럽 업체들이 앞선 것으로 평가된다. 철강을 대체할 대표적인 소재로 떠오른 알루미늄을 유럽에서 더 쉽게 구할 수 있어서다

철강소재를 탈피해 알루미늄 등 다양한 경량소재를 적용하는 차체 경량화를 연구하고 있다. 그 결과 약 30%의 경량화를 달성할 수 있었다. 신소재의 단점도 있다. 바로 비싼 가격이다. 철강에 견줘 알루미늄은 약 2배, 탄소섬유 강화복합재(CFRP)는 약 10배 비싸다. 아직 철강을 완전히 대체하기에는 신소재들이 가격경쟁력에서 밀린다.

철강업체들도 경량화에 주력하고 있다. 자동차 강판은 철강업계의 주요 먹거리 가운데 하나다. 경량화 신소재의 가격이 하락하면서 보편화되면 철강업체들은 주고객인 자동차 회사를 잃을 수 있다. 그 전에 더 강하고 가벼운 자동차 강판을 내놓으려 하는 까닭이다.

 

 

 

 

차량 경량화 방법

1. 구조(디자인) - 구조의 경량화는 최적화된 구조를 구현해 소재의 사용을 최소화 하는 방법
2. 공법 - 공법의 경량화는 기존 소재를 정교하게 가공, 소재 사용량을 줄일 수 있는 방법
3. 소재 - 소재의 공량화는 기존 철강소재를 경량소재로 대체하거나 부분적으로 결합하는 방식

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자동차용 플라스틱은 기존 자동차 부품을 구성하는 강철을 대체해 자동차 무게를 줄여 자동차 경량화의 핵시 역할을 하게 된다.

자동차 문, 판넬, 후드, 트렁크 문, 외판, 카시트 프레임 등 자동차에 쓰이고 있는 모든 철재 자리를 플라스틱으로 채우게 되는 날이 다가오고 있다.

차량 소재 구성 변화로 초고장력 강판과 알루미늄, 마그네슘, 탄소섬유 등 경량소재 수요가 확대될 것으로 전망한다.

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철강소재는 대표적 경량소재인 비철금속계열 알루미늄합금과 합성수지계열 엔지니어링플라스틱(EP), 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)으로 대체되며 비철금속과 합성수지는 시장 내 우위를 점하기 위한 경합관계를 형성하면서 발전할 것으로 전망된다.

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엔지니어링플라스틱

• 범용 플라스틱(PP, PE, PMMA, PS, PU 등)의 최대 약점인 열적 특성과 강도, 마모성 등 기계적 특성이 우수한 소재로 그 특성에 따라 범용 EP로 나뉜다
• EP 중 가장 많이 사용되는 소재는 높은 기계적 물성과 열안전성을 가진 PA로 단독 사용보다는 대부분 강화복합소재로 사용되고 있다.
• 투명소재인 PC는 투명성, 기계적 강도, 내충격성, 치수 안정성 등이 우수하여 유리 대체용 소재로 각광받고 있다.
• 하지만 내약품성 및 내후성이 취약, 자동차용 유리창을 대체하기 위해서는 코팅 기술이 동시에 확보돼야 한다.

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강화복합소재

• 복합소재는 두 가지 이상의 물질을 혼합하여 더 우수한 물성을 구현한 소재를 의미한다.
• 기본 구성은 고분자 매트릭스에 첨가제가 추가된다. 최근 소재의 높아진 요구 물성을 만족시킬 수 없어 다양한 복합소재가 개발되고 있다.
• 높은 기계적 물성과 열 안전성을 가진 복합소재는 엔진룸변부품, 내장부품뿐만 아니라 외장부품으로 확대·적용되는 추세다
• 대표적으로 PA(Polyamide)-GF 복합소재, 장섬유 강화 복소재(D-LFT), 탄소섬유 강화 복합소재(CFRP) 등이다.

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• 글로벌컨설팅기업(McKinsey & Company)에 따르면 2010년 29%였던 경량화 소재 비율은 2030년 67%까지로 두 배 이상 늘 전망이다.
• 또 McKinsey&Company는 자동차 산업에서 일반 강철(Mild Steel)의 비중은 10년 이내 50% 이상 줄 것으로 예상한다.
• 고장력강판(HSS)의 경우 비교적 낮은 가격 덕분에 가장 높은 성장을 보일 것으로 예상되며, 일반 강철(Mild Steel)을 대부분 대체하는 시점에 성장은 둔화될 것으로 보인다
• 다양한 소재 연구가 진행됨에 따라 기존 금속 부품을 대체할 수 있는 플라스틱 및 복합소재 사용이 증가함에 따라, 전체 제품 사용량 대비 플라스틱 및 복합소재(CFRP)의 사용량이 금속 소재에 비해 높은 성장률을 기록할 것으로 보인다.

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CFRP

• CFRP는 BMW에서 생산되는 전기차 모델 양산에 적용돼 주목받았다. BMW i시리즈의 경우 Life Module을 CFRP 소재를 적용·제조하고 있다
• 포르쉐는 Carrera GT에 탄소섬유가 적용된 시트 프레임을 개발, 기존 제품 대비 약 50% 무게를 절감하는 데 성공했다.
• 시트의 경우 고강성 경량소재를 적용해 부피를 줄일 수 있고 차량 실내공간을 확장하기 때문에 그 효과가 매우 크다.

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발포소재

• 발포 소재는 경량성과 함께 단열성, 완충성(내충격성), 차음성 등의 장점으로 채택이 확대되고 있다
• 발포 소재의 물성은 발포 특성에 따라 달라지기 때문에 균일한 셀 크기, 높은 발포율이 요구되고 있다.
• 일반적인 발포는 화학 발포 또는 물리적 발포가 많이 사용돼 왔으나 제품 표면 불량이 자주 발생해 이에 대한 개선 연구가 꾸준히 이뤄지고 있다.

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국제 환경 규제 강화 및 연비규제 강화 추세, 에너지 자원의 가격 상승으로 자동차 경량화에 대한 요구 또한 필연적이다. 자동차 경량화는 신소재 적용 비율에 따라 좌우되므로 미래 신소재 개발이 경량화 기술의 핵심이 될 것이며 경쟁력 있는 신소재 개발이 향후 자동차 경량화의 핵심 이슈다.

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신소재는 단순 무게 절감뿐만 아니라 품질 수준과 제조 원가, 양산성, 안전성, 장기 내구 신뢰성 확보 등이 종합적으로 고려돼야 한다. 플라스틱 기반 소재 적용을 통한 자동차 경량화 기술은 높은 디자인 자유도, 가공성, 내부식성, 재활용성 등이 우수하고, 추가적인 기능(단열, 소음저감 등)을 부여할 수 있어 자동차에서 사용량이 증가하고 있으며 향후 높은 성장세가 예측되고 있다.