자동차산업의 경량화 경쟁은 금속을 대체할 수 있는 화학소재의 등장으로 더욱 치열해지고 있다. 한 연구결과에 따르면, 자동차 무게가 10% 절감될 때 연비는 6~8% 개선된다고 한다. 이 같은 연비 향상을 위한 경량화는 자동차산업의 오래된 과제이며, 이 과제의 해결책으로 화학소재가 제시되고 있다. 이에 본지는 자동차부품연구원 윤여성 책임연구원의 ‘자동차용 화학소재 기술 동향’ 보고서를 소개함으로써, 자동차용 화학소재를 살펴본다.
※ 자료 : 화학소재정보은행(www.matcenter.org)
※ 필자 : 자동차부품연구원 윤여성 책임연구원
【목차】
Ⅰ. 자동차 환경
Ⅱ. 자동차 화학소재
1. 엔지니어링 플라스틱
2. 엔지니어링 플라스틱과 자동차
3. 엔지니어링 플라스틱 적용 사례
4. 탄소섬유복합재료(CFRP)
5. 바이오 소재
6. 지능형/기능성 소재
Ⅲ. 결언
Ⅰ. 자동차 환경
전 세계 이산화탄소 배출량의 약 25%가 자동차에서 발생하는 것으로 평가되면서 자동차 배출가스 규제 등 자동차에 대한 환경규제가 강화되고 실행시기가 다가옴에 따라 고연비·저공해의 차세대 자동차 개발 및 실용화가 확대되고 있는 상황이다.
미국의 CAFE(기업평균연비, Corporate Average Fuel Economy)는 2015년을 지나면서 연비 규제 기준이 빠르게 높아져 2025년에는 리터당 23.2㎞를 달성해야 하며, 유럽의 자동차 배기가스 배출 규제안은 2020년에 CO² 배출량 95g/㎞, 2025년에 33.1㎞/L의 연비를 달성하는 것을 목표로 하고 있다.
▲▲ [그림 1] 자동차 관련 환경 규제
자동차 연비를 개선하는 방법으로 파워트레인의 효율성 개선과 공기저항을 최소화하는 디자인, 대체에너지를 이용하는 구동시스템 개발 등 여러 가지가
있지만, 이러한 기술들은 지금까지 자동차 기업들이 지속적으로 개발해 온 것으로 새로운 개선의 효과는 제한적일 수밖에 없다.
기존의 엔진 효율성 개선 이외에, 경량 소재 적용을 통한 연비 개선과 친환경 자동차 판매 증가를 추진할 수밖에 없다[표 1].
자동차 소재 대체를 통한 경량화는 조립 공정의 어려움과 비용 상승, 소재변화에 따른 위험 등의 이유로 적용이 늦어지고 있었으나, 개선 여지가 상대적으로 크다.
관련 연구결과에 따르면, 자동차 무게가 10% 절감될 때 자동차 연비는 6∼8% 개선되는 것으로 발표되고 있다.
자동차 소재는 강하면서 가벼워야 하고, 가격이 낮으면서 풍부하게 공급되어야 하며, 다양한 기후 환경의 변화 속에서도 물성이 유지되어야 하는 등 요구 조건이 매우 까다롭기 때문에 소재 선택이 매우 어렵다.
또한 다른 환경규제 요구인 유해물질의 함유를 최소화하거나 리사이클링을 용이하게 하는 등 자동차 소재의 가공 및 최종제품의 사용·폐기·리사이클링 단계에서 환경부하를 최소화할 수 있는 환경 친화적인 소재들이 요구되고 있는 상황이다.
그러나 지금까지 사용되고 있는 자동차 소재들은 지난 30년간 큰 변화 없이 각 완성차 업체별로 최적화되어 왔고 전 세계 모든 완성차 업체들이 비슷하
게 사용하고 있기 때문에 새로운 대체 소재들의 적용은 크 지 않은 것이 일반적이었다[표 2].
즉, 다양한 요구 특성을 만족하기 위한 자동차용 소재의 변화가 요구되고 있으나 자동차용 소재는 강도와 비용, 내구성, 안전 신뢰성 등 까다로운 요구 조건으로 인해 기존 소재에서 대체소재로의 전환은 잘 이루어지지 않고 있는 상황이다.
그러나 글로벌 완성차 기업들이 환경규제와 연비향상을 위한 사업모델을 만들고 경쟁우위를 지키기 위해 소재변화를 추진하면서, 자동차 소재의 변화 방향에 대한 관심이 높아지고 있다. 최근 소재 변화 방향의 가장 큰 이슈는 경량화이다.
전자·안전 기기의 장착으로 자동차는 더욱 무거워지고 있다. 특히 전기자동차, 하이브리드 자동차 등에서 배터리 효율 향상을 위한 경량 소재의 적용 등 현재 진행되고 있는 자동차 소재의 개발 방향은 경량화, 친환경, 지능형/특수 기능 소재의 적용으로 진행되고 있다.
자동차에서 BIW(Body-in-white, 차체 골격)와 파워트레인, 섀시 세 부분이 차 무게의 대부분을 차지하고 있으며, 경량화 잠재력도 가장 크다.
하지만 파워트레인은 고내열성 등 필요한 물성이 더욱 까다로워서 사용할 수 있는 소재가 한정되어 있다. 따라서 다양한 소재를 대상으로 고민하는 부분은 BIW와 섀시 중심이다[표 3].
BIW와 섀시에 적용할 수 있는 경량소재는 고장력강판(AHSS, Advanced High Strength Steel)과 알루미늄, 마그네슘, 탄소섬유복합재료가 대표적이다.
차세대 자동차의 적용 소재들로는 고장력강판, 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 플라스틱, 복합소재 등이 고려되고 있다. 그러나 각 소재들은 가격과 강도, 성형가공성 등 각각의 특징이 뚜렷하게 구별되어, 어떤 소재가 경량소재를 주도할지 예측하기는 어려우나 단일 소재의 기술 개선을 통한 해법은 한계가 있어 이종 소재를 접합·복합시킨 Multi-materials를 통한 문제 해결이 진행되고 있다.
친환경 자동차의 개발도 자동차 소재 변화에는 중요한 요소가 되고 있다. 현재 전기자동차나 연료 전지자동차, 천연가스자동차 등 친환경 자동차의 주요 문제인 ‘짧은 주행거리’를 극복하기 위해 대용량 배터리, 고압 연료통 등의 새로운 부품이 추가되면서 자동차 무게는 크게 증가했고, 이를 극복하기 위해서 차량 경량화가 절실한 상황이다.
편의성과 안전성에 대한 요구 수준이 높아지면서 관련 기능성 부품들의 적용이 증가함에 따라 차가 점점 무거워지고 있다. Toyota Corolla의 경우에도 공차무게가 1992년 1,090㎏ 이었으나 2013년 1,255㎏, 2014년 모델은 1,300㎏으로 차량의 무게가 증가하고 있다. [그림 5]는 국내 차량의 연식에 따른 무게 증가를 보여주고 있다.
이러한 현상은 현재 차량 경량화가 이슈로 대두되고 있지만, 최근에도 자동차의 무게는 증가하고 있는 상황이다. 결국 자동차의 전장화와 안전성 강화 트렌드를 따르면서 연비를 개선시키기 위해서는 경량소재 대체와 같은 강력한 방안이 필요한 상황이 되었다.
또한 자동차가 이동 수단일 뿐만 아니라 생활공간으로서의 가치도 커짐에 따라 환경 친화적이며 인체에 무해하고, 다양한 편의 기능을 수행할 수 있는 자동차 소재부품에 대한 요구가 커지고 있다.
이에 따라 친환경과 고급 이미지를 충족시킬 수 있는 바이오 기반 친환경 소재의 적용이 확대되고 있으며, 자동차 전기·전장화, 공조, 디스플레이, 외관 등을 향상시키기 위한 특수 기능의 다양한 소재들이 개발 ·적용되고 있다.
Ⅱ. 자동차 화학소재
1. 엔지니어링 플라스틱
플라스틱은 열에 약하고 깨지는 특성이 있어서 이런 특징이 보완될수록 고기능, 고가의 플라스틱으로 구분된다. 이런 기준으로 구분된 제품은 ‘범용 플라스틱’과 ‘엔지니어링 플라스틱’으로 나눠지고, 엔지니어링 플라스틱은 온도와 강도에 따라 ‘범용 엔지니어링 플라스틱’ 과 ‘슈퍼 엔지니어링 플라스틱’으로 구분된다.
슈퍼 엔지니어링 플라스틱은 특수한 목적으로 소량 사용되고 있으며, 자동차 경량화로 활용될 수 있는 소재는 범용 엔지니어링 플라스틱이다.
엔지니어링 플라스틱은 내열성 및 강도가 우수해 기존 금속의 영역을 대체할 수 있는 소재로 주목 받고 있다. 또한 금속과 달리 투명한 성질을 가진 소재도 존재해 유일하게 유리를 대체할 수 있는 소재이기도 하다.
