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

 

2. 엔지니어링 플라스틱과 자동차
향후 친환경 자동차 개발 소재로 적용될 가능성이 많은 화학소재의 적용 분야로는 자동차 경량화에 대한 적용이 큰 비중을 차지할 것으로 기대되고 있다.

 

▲ [그림 7] Chemical Markets in Transportation

세계 엔지니어링 플라스틱 수요는 2010년 879만 톤 수준에서 연간 5.4% 성장해 2015 년 1,143만 톤에 이르고, 이 중 자동차용 소비 비중은 24%에서 33%로 확대될 것으로 예상된다.

 

[그림 8]은 2013년도 유럽 시장의 플라스틱 형태와 적용 분야를, [그림 9]는 자동차 부품 적용 분야를 나타낸 것으로 대부분 내장부품이 가장 큰 비중을 차지하고 있는 것을 볼 수 있다. [그림 10]에서는 향후 플라스틱의 자동차 적용 예상치 나타내고 있으며 PP의 수요가 지속적으로 증가할 것으로 나타나고 있다.

▲ [그림 8] Plastics Demand by Segments and Resin Type, Europe, 2013

▲ [그림 9] Global Automotive Plastics Market Share by Application, 2016

▲ [그림 10] U.S. Automotive Plastics Market Volume by Product, 2014-2025(Kilo Tons)

 

 

일반적으로 일반 자동차는 연비 기준 및 성능 요구 사항에 따라 플라스틱이 5.8%에서 10%로 구성되며, 보통 차량의 경우 105㎏ 이상을 차지하고 있다. 이 비율은 고성능, 경량 및 저연비 자동차에 대한 소비자의 수요 증가로 인해 가까운 장래에 증가할 것으로 예상된다[표 4].

 

 

또한 자동차 디지털화의 확산은 자동차 인스트루먼트패널에 통합된 플라스틱에 대한 미래의 기술 및 기능을 갖춘 첨단 전자 제품을 지원해야 한다는 요구에 따라 진행되고 있으며, 플라스틱의 안전 문제와 높은 전기 절연 특성은 첨단 전자 시스템을 포함한 계기판에 대한 수요를 촉진시키고 있다.

 

▲ [그림 11] Plastics Percentagein Light Vehicles(Medium size car 2012)

현재 자동차에 사용되는 엔지니어링 플라스틱은 전체 중량의 약 2%에 불과하고 PA, PC, POM이 주류를 이루고 있다. 하지만 PA의 세부 종류만 20여 가지에 이르므로 사용되는 소재 종류는 매우 다양하다고 할 수 있다.

 

▲ [그림 12] 자동차 전기·전자 부품용 엔지니어링 플라스틱

 

▲ [그림 13] 엔지니어링 플라스틱을 이용한 자동차 부품

 

▲ [그림 14] Use of Plastics in the Automotive Industry, Europe 2012

3. 엔지니어링 플라스틱 적용 사례
PC는 투명한 특성으로 유리를 대체할 수 있다. 경쟁업체들이 선행적으로 선루프, 뒷유리 등을 PC로 대체하고자 하는 연구개발을 진행하고 있으며 내구성 등의 문제를 해결할 경우 자동차 적용의 시기가 앞당겨 질 것으로 예상된다.

 

▲ [그림 15] PC를 이용한 자동차용 스마트 윈도우 콘셉트카

 

그리고 가장 많이 사용되는 PA는 프런트엔드 모듈, 엔진주변부품에 활용되고 있으며, 향후 외장 차체 판넬(펜더, 테일게이트 등)에 적용되어 경량화 효과를 높일 수 있으며 양산화 가능성이 높으므로 단기간 보편화될 것으로 예상된다.

 

[그림 17]은 최근 현대자동차가 BA SF와 공동 개발한 RN3 0 콘셉트카를 보여주고 있으며 다양한 분야에서의 화학소재 응용을 나타내고 있다.

 

4. 탄소섬유복합재료(CFRP)
탄소섬유복합재료를 상용차에 처음으로 대량 적용한 기업은 독일의 BMW다. 2013년에 출시된 전기차 i3의 Life Modu le(상판 Body의 대부분)을 탄소섬유복합재료로 만들었고, 플러그인하이브리드 전기차(PHEV) i8에도 적용할 계획이다.

 

BMW는 탄소섬유복합재료와 알루미늄으로 각각 Life 와 Drive Module(샤시 부분)을 생산해 전기차 무게를 300㎏ 이상 절감, 상판 Body 에 사용되는 300여 개의 부품을 150개로 감소, 부품간 연결은 자동화 접착 공정으로 단순화시켜서 공정비용을 크게 절감한 것으로 발표했다.

 

▲ [그림 18] 탄소섬유를 이용한 자동차 차체(BMW i3)

그러나 탄소섬유복합재료가 갖는 가장 중요한 약점은 높은 가격과 가공생산성의 문제이다. 가격이 소재 중량 기준으로는 철의 약 20배, 부품 기준으로는 철강부품의 약 5.7배로 대용량 교체를 생각하기에는 비용 부담이 크다.

 

또한 탄소섬유복합재료에서 주로 모재로 사용되는 열경화성수지는 경화시간이 길어 생산성이 떨어지는 약점이 있기 때문에 최근에는 열가소성 소재를 이용하는 연구들이 진행되고 있으나 이러한 약점들로 인해 탄소섬유강화플라스틱의 자동차 적용은 다소 시간이 걸릴 전망이다.

 

▲ [그림 19] i3 알루미늄의 드라이브모듈 및 CFRP제의 승무원실 라이프모듈

5. 바이오 소재
초기 바이오 소재 적용은 고급차의 감성 품질을 높이고 브랜드 마케팅 차원에서 시작됐다. 자동차에 적용되는 바이오 소재는 강도가 약해 감성 품질을 높이기 위한 차량 내부 소재 및 부품에 한해서 적용되고 있다.

 

일반적으로 PLA와 같은 전통 바이오 소재가 주로 요구 물성이 평이한 콘솔박스나 내부 천장(Headliner) 등 내장 소재/부품 일부에만 적용되고 있다.

생산 원료의 일부를 바이오 제품으로 대체해 부분 바이오 플라스틱(보통 30~50%)으로 만든 것들은 자동차 시트 폼, 바닥 카펫 등 넓은 부위에 다량 사용할 수 있다는 장점이 있다.

 

▲ [그림 20] Components Made Bio Fibre Reinforced Composites(Mercedes-Benz Class S)

 

바이오 기반 고기능 소재로서 Bio EP(엔지니어링플라스틱)가 대표적이며, 자동차 내장재뿐만 아니라 다양한 부품으로 적용이 확산될 수 있다는 장점이 있으나 아직은 DuPont과 DSM 등 바이오 화학소재 글로벌 선도기업에서 개발해 시장을 개척하고 있는 단계이다.

최근 Toyota의 하이브리드자동차, BMW의 전기자동차 등 친환경 자동차 모델에 바이오 소재를 대거 적용하겠다는 계획이 발표되었다.

 

특히 Toyota는 2015년까지 자사가 사용하는 플라스틱 소재의 20%(약 25㎏)를 바이오 소재로 대체하면서, 친환경 자동차에는 중장기적으로 내부 소재/부품의 80%까지 바이오 소재를 채용하겠다는 계획도 발표한 바 있다.

 

▲ [그림 21] 메르세데스 벤츠의 신형 E-클래스 모델에 최초로 적용사례

6. 지능형/기능성 소재(Intelligence/Functional Materials)
차량의 전장화에 따른 소재에 기능성을 부여하는 다양 한 시도들이 진행되고 있다. Head-up Display(HUD)에 들어가는 유리의 기능화이다.

HUD는 차의 속도, 네비게이션 등 보여주고자 하는 영상 정보를 자동차 전면 유리 혹은 별도 HUD패널에 투사시켜 운전 중 시야를 분산시키지 않고 운전자에게 정보를 제공하는 역할이다.

이 외에도 차량 표면에 흠집이 생겼을 경우 비싼 수선 코팅 없이 원상태로 복귀시키기 위한 방안도 개발되고 있으며, 대표적인 연구개발은 셀프 힐링이 가능한 코팅재료를 표면에 사용하는 것이다.

 

셀프힐링 원리는 제품 표면에 부드러운 고밀도 분자구조를 채워 넣어 날카로운 물체에 부딪히더라도 구조가 파괴되지 않고 변형만 되도록 하는 것이다.

Ⅲ. 결언

글로벌 자동차용 소재의 주요 트렌드인 경량화, 친환경, 지능형, 특수 기능소재 등에 화학소재의 적용이 점차 확대될 것으로 예상된다.

다양한 소재 중 자동차 부품에 특화된 소재 개발이 필요하지만 기존 소재가 자동차 어느 부품에 적용 가능한지에 대한 연구 또한 필요하다. 특히 기존 단일 소재의 적용에 한계가 있어 복합재료 및 접합소재 기술에 대한 관심을 더욱 높여야 할 것이다.

 

자동차는 신차개발에 5~10년 정도 소요되고, 소재도 신규 소재 개발 및 적용에 비슷한 기간이 필요하기 때문에 자동차 개발 콘셉트부터 소재 기업과 완성차 기업이 부품업체와 함께 기초적인 소재 콘셉트를 잡고 개발해야 할 필 요성이 커지고 있다.

자동차 산업과 소재 산업 양측 모두에게 자동차용 소재의 중요성은 매우 크기 때문에 두 산업의 협업을 통한 발전 가 능성이 기대된다.