편의성 안전성 UP 무게 DOWN

자동차 경량화, AI Mg CFRP HSS 주도

2018년 07월호 지면기사  /  글│한 상 민 기자 _ han@autoelectronics.co.kr

자동차 무게의 절반 이상 차지하는 차체와 섀시는 경량화의 핵심 영역이다. 주요 자동차 제조사들이 2025년까지 자동차 무게를 20% 이상 줄이기 위해 혼합 소재 전략을 구사하고 있다. 동시에 CO2 배출을 100g/km 이하로 저감하기 위해 파워트레인 전동화를 강력하게 밀고 있다.



차체(Body-In-White, BIW)는 차량 전체 무게의 35%를 차지한다. 섀시는 25%로 부품 중 두 번째로 무겁다. 빠르게 늘고 있는 편의 및 안전 기능은 차량 전체 무게의 20%를, 나머지 20%는 엔진과 변속기가 차지하고 있다. 결국 차체와 섀시가 경량화의 핵심 영역이다.

자동차는 경량소재 사용, 시스템 설계의 혁신, 부품 기능의 향상 등을 통해 무게를 줄일 수 있다. 고장력강판(High-Strength Steels, HSS), 알루미늄 합금, 복합소재 등의 경량소재 사용은 현재 가장 직접적이고 효과적인 경량화 수단이라 할 수 있다.

글로벌 컨설팅 및 B2B 시장조사 회사인 프로스트앤설리번(Frost & Sullivan)의 보고서에 따르면, 주요 자동차 제조사들이 2025년까지 자동차 무게를 20% 이상 낮추기 위해 혼합 소재(mixed material) 전략을 채택하고 있다. 동시에 CO2 배출량을 100g/km 이하로 줄이기 위해 파워트레인 전동화(electrification)에 박차를 가하고 있다.

보고서에 따르면, 지난해 SUV와 픽업트럭의 경량화 전략은 철강(steel)과 알루미늄(aluminium, AI)을 활용한 하이브리드 소재 부품이 주도했다. 포드는 대형 차량 부문에서 경량화를 주도할 것으로 예상된다. 포드는 2015 F150을 시작으로 2017 포드 익스페디션(Ford Expedition) 모델 등 다양한 주류 SUV 모델로 경량화 전략을 확대하고 있다.



다양한 경량소재 중 알루미늄은 전기자동차(EV)의 주요 소재가 될 것으로 예상된다. 특히 2020년까지 BMW와 재규어의 자동차 라인업 일부를 포함한 럭셔리 EV의 주요 소재로 알루미늄이 지정돼 있다. 글로벌 컨설팅업체인 더커 월드와이드(Ducker Worldwide)의 2017년 보고서에 따르면, 북미 지역의 평균 경량 차량에는 알루미늄이 2020년 211kg(466파운드), 2028년 256kg(565파운드) 포함될 전망이다. 이는 전체 차량 무게의 16%에 해당한다.

마그네슘(Mg)은 리프트게이트(2017 크라이슬러 퍼시피카) 뿐만 아니라 프론트 크래쉬(front crash) 구조(2018 아우디 A8) 등 대형 응용분야와 관련성이 더 깊어질 것으로 전망된다. 이는 마그네슘 응용분야와 사용량(차량 총중량의 1% 미만)이 제한적이었던 이전 경향과는 확연히 달라졌기 때문이다.


탄소섬유로 만들어진 복합소재는 자동차 생산 라인에서 해결해야 할 과제가 많음에도 사용이 꾸준히 늘고 있다. BMW와 아우디는 탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP)을 양산 차량에 적용하고 있다. 예를 들어 BMW 전기차 i3는 대부분 탄소섬유 복합소재를 사용했다. 강렬한 인상의 람보르기니 베네노 로드스터는 탄소섬유 복합소재 부품을 사용한 경량화로 2.7초 제로백을 실현했다.

복합소재 생산비용은 계속 낮아지고 생산업체 수는 증가하고 있다. 그러나 정밀 복합소재 생산에는 여전히 고온과 극도로 깨끗한 환경, 노동집약적인 공정이 필요하다. 프로스트앤설리번은 CFRP가 자동차 무게를 40%, 비용을 절반으로 줄일 수 있는 대체생산방식의 도입으로 사용이 꾸준히 확대될 것으로 전망했다.

도전적 미션

프로스트앤설리번은 올해 특정 부품 및 자동차를 겨냥해 더 과감한 경량화가 진행되면서 자동차 소재에 큰 변화가 일어날 것으로 내다봤다.

100g/km 미만의 CO2 배출 목표를 달성하기 위해 자동차 제조사들은 2025년까지 자동차 무게를 20%~25% 줄여야 한다. 이에 따라 2025년까지 바디 클로저(body closures)와 구조물(structures) 경량화를 위해 일반 차량에는 고장력강판(High Strength Steel, HSS)을, 대형 차량 및 럭셔리 차량에는 알루미늄이 보편적으로 사용될 전망이다.

북미 지역의 경우 2025년 CO2 배출량을 최대 60%까지 줄여야 한다. 알루미늄과 복합소재가 파워트레인 무게를 30% 줄이는 데 도움이 되겠지만 SUV와 픽업트럭의 전동화는 불가피할 전망이다.

CFRP와 마그네슘 합금은 높은 채택률로 BIW/모노코크 무게를 50% 이상 줄임으로써 자동차 제조업체들의 1차 선택지가 될 것으로 예상된다. 또한 미래 배터리 기술은 비슷한 리튬이온배터리 기반 EV 무게를 50%~70% 가량 크게 줄여줄 것으로 예상된다.

알루미늄과 고장력강판 사용으로 가벼워진 차량 무게는 소형 엔진 부담을 줄여줌으로써 엔진 소형화는 물론, 파워트레인 무게를 300kg 이상 늘릴 것으로 예상되는 전동화에 따른 부담을 해소해줄 것이다.



지역별 자동차 경량화 동향


북미 자동차 제조사들은 픽업트럭과 SUV 수요가 증가하고 있음에도 차량 평균 무게를 2015년 17kg, 2016년 23kg 줄였다. 전체 판매량의 40%를 차지하는 SUV의 경우 평균 무게를 2014년 대비 2016년 2.1% 이상 낮췄다. 포드는 2015년 F150의 무게를 300kg 이상 줄여 전체 차량 무게를 줄이는 데 일조했다.

북미 자동차 제조사의 경량화 노력은 2016년 255g/km에서 2025년 97g/km로 최대 61%까지 배출가스를 줄여야 하는 개정된 CO2 배출 규제를 고려하지 않을 수 없다.



유럽 평균 자동차 무게는 북미보다 500kg 이상 낮지만, 2021년부터 CO2 배출량을 95g/km 이내로 맞춰야하기 때문에 차량 경량화 필요성은 더 높아졌다. 북미와 마찬가지로 유럽도 지난 10년간 차량 평균 무게가 꾸준히 증가해왔다. 예를 들어 지난 10년간 SUV 판매량이 25% 이상 늘어남에 따라 차량 평균 무게는 2005년 1,340kg에서 2016년 1,388kg으로 증가했다.

CO2 배출량을 23.1g/km로 줄이려면 차량 무게를 매년 45kg 이상, 5년간 230kg 이상 감량해야 한다. 2021년에는 전동화와 함께 경량화를 통해 차량 무게를 20% 줄임으로써 CO2 배출 목표치인 95g/km를 달성할 것으로 예상된다.




제조사 경량화 전략


주요 자동차 제조사들은 최첨단 소재를 최우선 순위에 두고 연구를 진행하고 있다. 토요타는 TRI(Toyota Research Institute)를 통해 인공지능(AI)을 활용해 탄소중립(carbon neutral) 차량을 위한 비용 대비 고효율 소재를 찾는 데 3,500만 달러 이상 투자했다.

포드는 작년에 플라스틱 부품의 대규모 3D 프린팅 테스트 계획을 발표했다. GM도 제조비용을 낮추고 차량 무게를 줄이기 위해 같은 길을 걷고 있다. 다만 인공지능을 활용하는 대신 3D 프린팅 기술을 활용하고 있다. GM은 기존 설계방식의 부품보다 거의 50% 가볍고 최대 20% 더 강한 스테인리스 스틸 시트 브래킷을 성공적으로 제작했다.

GM 엔지니어들은 부품 수를 한 개로 줄였다. 이는 기존 설계가 여덟 가지 부품을 사용했음을 감안하면 혁신적인 개선이다. GM은 2016년 이후 출시한 14개 새로운 모델의 무게를 차량마다 평균 160kg 이상 줄였다.



포드(Ford Group): CO2 배출 저감과 중형 차량의 연비 개선을 위해 알루미늄을 광범위하게 사용하고 있다. 2015년 4월 다우악사(DowAksa)와 대량생산 계약에 따라 미래 자동차에는 복합소재를 사용할 것으로 전망된다.

포드의 경량화 콘셉트 MMLV(Mixed-Materials Lightweight Vehicle)은 차량 무게를 약 25% 줄여 2013 퓨전(Fusion) 무게를 B 세그먼트에 속하는 해치백 소형 승용차 피에스타(Fiesta) 무게로 줄였으며, 첨단 소재를 대량생산에 적용하는 방법을 연구하고 있다.

GM(General Motors): GM은 알루미늄과 마그네슘 같은 신소재에 필요한 설비 교체 비용을 줄일 수 있는 혼합소재 전략을 구사하고 있다. GM의 경량화 전략은 매우 인상적인 결과를 보여주고 있다. 2017년 1월 보도자료에서 GM은 당시 출시한 뷰익(Buick), GMC, 쉐보레, 캐딜락의 무게를 평균 160kg(350파운드) 줄였다고 소개했다. 예를 들어 2016 쉐보레 말리부는 2015 모델보다 136kg 더 가벼워졌다.

2016 쉐보레 카마로는 2015 모델보다 180kg 더 가벼울 뿐만 아니라 포드 머스탱보다 약 90kg 덜 무겁다. 또한 2016년 재설계된 쉐보레 볼트와 크루즈도 1세대 모델보다 113kg(250파운드) 가볍다. 이를 통해 항속거리를 30% 가량 늘릴 수 있었다. GMC 아카디아(Acadia)의 경우에는 무려 317kg(700파운드)을 줄였다. 이전 모델보다 길고 넓어진 뷰익 라크로스(Buick LaCrosse)는 소부경화강(Press Hardened Steel), 고장력강판(HSS) 등 첨단 소재를 적용해 136kg(300파운드) 가벼워졌다.
BMW: 복합소재를 주목하고 있는 BMW는 SGL과의 협력을 통해 CFRP를 대량생산하고 있다.

eDrive와 핵심 경량화 전략인 BMW 이피션트라이트웨이트(EfficientLightweight)를 통해, BMW는 CO2 배출량이 100g/km 미만인 자동차를 개발하고 있다.



BMW 지능형 경량 구조 콘셉트의 핵심은 최적의 위치에 최적의 재료를 투입하는 것이며, 무게를 줄이고 강성을 높임으로써 최대의 민첩성을 실현하는 것이다. BMW는 승객 셀에 사용된 CFRP, 섀시에 사용된 알루미늄, 차체를 구성하는 고장력강판 또는 엔진에 사용된 최신 마그네슘과 같은 가볍고 튼튼한 소재로 연료 소비를 줄이고 동시에 주행 성능과 다이내믹스를 향상시켰다.

다임러: CFRP와 알루미늄은 다임러 제품 포트폴리오 전반에 광범위하게 사용되고 있으며 미래 모델을 위한 경량화 전략의 발판이 되고 있다. 특히 독일 연구원과 캐나다 연구원의 협업은 CFRP 제조비용을 줄이는 데 기여하고 있다.

다임러 ‘3D 바디 엔지니어링(3D body engineering)’이란 용어는 최대의 안전성을 제공하면서 경량화와 공기역학을 통합했다. 예를 들어 메르세데스-벤츠 C 클래스의 알루미늄 하이브리드 바디 쉘은 지능적이고 혁신적인 경량 구조로 강철로 만든 기존 제품보다 약 70kg 가볍다. 차량 전체 무게는 약 100kg 줄었다. 이로 인해 신형 C 클래스는 연료 소비가 최대 20% 절약되며, 동시에 무게 중심을 낮춰 스포티하고 민첩한 차량 핸들링을 제공한다. 이전 모델과 비교 시 알루미늄 함량은 10% 미만에서 거의 50% 가량 증가했다.



폭스바겐 그룹: 올초 미국 폭스바겐 그룹(VWGoA)은 자동차 경량소재 연구 및 개발을 위해 비영리 민간 기술 인큐베이터인 LIFT(Lightweight Innovations For Tomorrow)와의 협력을 발표했다. LIFT는 차량 경량화를 위해 소재들 간 결합, 박벽 캐스팅(thin-wall castings), 이종 금속 용접 및 알루미늄 압출에 대한 파일럿 규모의 혁신적인 테스트를 수행하고 있다.

폭스바겐은 금속과 플라스틱, 탄소섬유를 혼합한 하이브리드 소재와 관련한 미래 전략으로 최적 솔루션을 개발하고 있다. 회사는 전동화를 최우선 과제로 꼽고 있으며 미래 자동차 플랫폼에 탄소섬유를 광범위하게 사용할 계획이다.

재규어 랜드로버(JLR): 재규어는 일찍이 1940년대 XK120 시절부터 알루미늄 패널을 사용했으며, 1950년대의 르망 트랙을 주름잡았던 C-타입과 D-타입 레이서, 1960년대 경량 E-타입 등 알루미늄 섀시와 차체 설계 분야의 개척자적 모델을 다수 개발했다. 또한 2003년 이전보다 40% 가벼운 알루미늄 접합 및 리벳 구조를 이용해 아이코닉한 모델인 XJ를 새롭게 디자인했다. 지금의 재규어 세단, 스포츠카 및 SUV는 알루미늄 모델의 5세대에 속한다.

재규어가 사용하는 원자재 알루미늄 시트는 외부 패널의 경우 두께가 0.9mm이다. 더 높은 강성이 필요한 경우 최대 3mm 정도의 프레스 가공을 통해 복잡하고 강성이 뛰어난 형태로 성형되며, 최대 2,000톤의 힘을 이용해 밀리미터 수준의 정밀도로 펀칭된다. 예를 들어 F-PACE의 측면 패널은 가장 큰 부품에 해당함에도 그 무게가 5.8kg에 불과하다.

최근 발표한 재규어랜드로버 2.0 인제니움 가솔린엔진은 마찰력이 낮은 올 알루미늄 인텐시브(all-aluminium-intensive) 설계로 기존 철강 구조보다 우수한 열속성(thermal properties)과 경량 구조를 제공한다.
 

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