자동차의 미래상은 사회 환경변화, 시장 트렌드, 과학기술 진화의 3가지 측면에서 검토될 필요가 있다. 사회 환경변화, 시장 트렌드의 요구에 대응하기 위해서는 과학기술의 진전과 자동차기술의 융합을 모색하는 것이 중요하다.
2010년까지 앞으로 3년. 자동차의 전면 개량 1사이클 분도 되지 않는 이 기간에 자동차의 안전성능과 환경성능은 크게 진화될 전망이다. 그 중 가장 문제가 되는 현안은 유럽, 일본 등 선진 각국에서 입법화를 추진하고 있는 CO2 배출량 삭감이다. 유럽위원회(EC)는 2012년까지 130g/km의 제안을 하고 있다.
전문가들은 CO2 배출 삭감 법령의 도입으로 경량 구조물 및 하이브리드 엔진 기술이 가장 높게 성장할 것으로 예상한다. 여기서 중량 감소는 저연비화와 더불어 가장 중요한 축의 하나다. 이에 자동차용 소재로서 플라스틱의 역할이 재조명되고 있다. 또 다른 해결책으로 OEM들은 단기적으로 AMT, DCT, EPS, LRR 타이어 및 전자식 제어 시스템 기술 등을 사용하게 될 것이다. 이러한 기술들은 모두 경제적이며 배출가스 감소에 기여할 수 있다.
예를 들어 BMW는 단기적으로 마이크로 하이브리드, 장기적으로는 수소를 지향하고 있다. 반면, 다임러크라이슬러의 경우 단기적으로는 마이크로, 마일드 및 풀 하이브리드를, 장기적으로는 바이오 디젤 및 연료전지를 지향하고 있다(그림 1 참조).
 



플라스틱의 경제적 비교우위
미국 Ward`s 사에 따르면, 미국에서 한 차종 당 판매 대수가 1985년에 10만 대이상이었던(플랫폼이 공통이어도 디자인이 다른 것은 별도 차종으로 취급) 데 반해 1990년~2000년에는 약 6만 대까지 감소했다. 2001년 이후에도 판매 대수는 더 내려가 2004년에는 5만 대에도 미치지 못했다. 그 결과 차체의 외판은 강판을 프레스 성형하는 것보다 플라스틱으로 사출성형 하는 편이 더 경제적인 경우도 나왔다. 차체의 외판에서 플라스틱에 의한 사출성형 비용이 강판에 의한 프레스 성형을 밑도는 것은 생산규모면에서 보면 대략 연 4만~6만 대 이하인 경우다. 플라스틱은 비용 면에서도 강판보다 유리해지고 있다. 이를 더욱 뒷받침하는 상황은 계속되는 원유고다.
원유 가격이 배럴 당 60달러이면 연 10만 대 이상의 생산규모라도 강판보다 플라스틱이 더 경제성이 있는 것으로 나타났다. 경량화에 의한 연료소비량 경감효과를 위해서다. 물론, 원유값 폭등은 수지 가격을 상승시키게 된다. 그러나 소비자가 재료로 지불하는 비용은 자동차 구입 시 한 번 뿐이다. 이에 대해 가솔린은 주행할 때마다 소비자의 호주머니를 압박하게 된다.
대략적으로 자동차 질량의 10% 경량화는 연료소비량의 10% 절감으로 연결된다고 하며, 플라스틱을 사용하여 자동차를 경량화 하면 그만큼 연료를 절약할 수 있게 된다. 게다가 연료소비량을 줄여 CO2 배출량을 동시에 줄일 수 있다. 한 대의 자동차가 1년간 배출하는 평균 CO2량은 자동차 질량의 약 4배 정도로, 자동차 경량화는 CO2 배출량 절감에 크게 기여하게 된다.



플라스틱의 경제학
제 2의 변화는 안전성(Safety) 향상에 대한 높은 시장의 요구다. 현재 교통사고로 인한 전세계 사망자수는 일일 평균 약 3,500명이라고 한다. 부상자수는 일일 평균 6만 명에 이르고 있다. 따라서 보행자나 탑승자 보호가 중요 시 되면서 세계 각지에서 안전성과 관련된 기준 재검토가 진행중이다. 이런 안전성 향상에 대한 높은 요구가 플라스틱 활용으로 연결되는 것은 수지가 강판 등의 금속보다 부드럽기 때문이다. 또한 금속 대신 플라스틱을 사용함으로써 차체의 스타일링을 희생시키지 않고도 엄격한 보안 기준을 준수할 수 있을 것으로 기대된다.
플라스틱은 사출성형이 가능하기 때문에 복잡한 형상을 일체물로 만들 수 있다. 강판을 프레스 성형하는 경우보다 3차원적으로 복잡한 형상을 만들기가 쉽다. 때문에 강판에서는 몇 가지의 부재로 분할하여 만들고 후공정에서 접합하여 조립해야만 하는 부품을 일체성형 할 수 있다. 이런 일체화는 부품수 삭감이나 조립/가공/완성 등의 제조 공수 삭감으로 연결되며 비용절감이나 생산현장의 공간절약, 나아가 경량화에 기여하게 된다. 또한 자동차 분야에 있어서 놓칠 수 없는 측변이 디자인이나 외관(Style)에 대한 요구다. 연속적으로 매력적인 차체 디자인이나 뛰어난 외관 품질이 필요하다. 최근 신형차가 기존과 명확히 다른 점 중 하나는 3차원적인 차체 디자인이 늘고 있다는 점이다.
닛산자동차의 MURANO, BMW의 6시리즈, 혼다의 유럽용 CIVIC 등 국부적인 딥 드로잉(deep drawing) 형상을 가진 3차원 차체 디자인의 양산차가 등장하고 있다. 이러한 3차원 차체 디자인을 실현하는데 있어서 필수 소재가 바로 플라스틱이다. 사출성형에서 다양한 형상을 만들 수 있는 수지는 프레스 성형을 기본으로 한 강판보다 디자인 상의 제약이 적고 곡률 변화가 심한 3차원적인 차체 디자인을 실현하기 쉽다.
이러한 플라스틱의 장점을 활용ㆍ고도화 하기 위해서는 시뮬레이션에 의한 예측기술, 각종 새로운 제조공법의 개발, 그리고 복합화 및 바이오, 나노 등의 기술이 응용된 소재의 진보가 뒷받침되어야 한다.
시뮬레이션에 의한 예측기술은 아직 완전하다고 말할 수 없다. 예를 들면, 예측에 사용하는 데이터가 부족하다. 수지는 열이나 자외선, 크리프(피로에 의한 강도저하), 수분에 의한 부식이나 팽윤(swelling) 약제에 의한 스트레스나 팽윤 등으로 물성이 변하게 된다. 그런 수지가 어떤 환경에서 사용할 수 있고, 신뢰성은 어느 정도 확보할 수 있는지를 평가하는 기술을 확보할 필요가 있다. 예측기술 중에서도 특별히 신뢰성 평가기술의 진보가 현재의 수지활용 확대ㆍ고도화에 크게 기여하고 있다. 이러한 신뢰성 평가기술을 포함한 예측기술의 진보와 맞물려 수지 활용의 확대ㆍ고도화를 더욱 가속화시키고 있는 것이 소재의 진화이다.

소재의 진화
DuPont에 따르면, 현재 수지 활용은 두 방향으로 진행되고 있다. 즉, 새로운 재료로 제품의 차별화를 모색하는 방향과, 수지는 범용품 그대로 사용법을 연구하여 성능이나 비용 면에서 효과를 거두는 방향이 그것이다.
이 중 전자의 방법을 뒷받침하는 사례로 플라스틱제 자동차 윈도를 들 수 있다. 플라스틱에 의한 유리의 대체가 진행되고 있는 원동력은 PC(polycarbonate) 코팅제 개발이다. PC는 수지 중에서 빛의 투과성이 높다. 이 때문에 차체(투명 판넬이나 윈도)의 디자인에 대한 제약이 적고 공력특성 등의 성능 향상으로 연결되기 쉽다. 단, 내찰상성(耐擦傷性: 긁혀도 상처가 나지 않는)과 내후성이 부족하여 자동차 윈도에는 적용하기 어려웠다. 이런 상황을 바꾼 것이 하드코트라고 불리는 코팅 기술이다. 그 대표적인 회사가 GE와 독일 Bayer가 공동으로 설립한 Exatec 사이다. 이 회사는 열선 등의 프린트층과 자외선 보호층을 형성한 PC 표면에 두께 수 ㎛의 글래스층을 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition)로 형성하여 PC의 내마모성과 내후성을 높였다. 바이엘 폴리카보네이트 사업부의 발표에 따르면, 이 기술로 코팅한 PC는 와이퍼의 접동(摺動) 시험이나 승강 윈도로서의 시험을 통과했으며 시뮬레이션에서는 자동차에서 필요한 10년의 내마모성과 내후성도 확보했다.
자동차의 차체 판넬의 수지화에서도 소재의 진화가 크게 기여하고 있다. 차체 판넬에서는 외관 품질에 대한 소비자의 요구가 엄격하고 서로 인접한 판넬 간의 간극을 줄여야 한다. 이 간극을 작게 하는데 효과가 있는 것은 사용 소재의 선팽창계수로, 선팽창계수가 크면 공간을 작게 할 수가 없다. 이 간극을 작게 할 수 있도록 GE 플라스틱스 부문이 개발한 수지가 펜더 파넬 등의 수직외판용 HMD(High Modulus and Ductility)와 본네트 등의 수평외판용 HPPC(High Performance thermo Plastic Composites)이다. 선팽창계수는 HMD의 경우 5×10-5 이하다. HPPC는 2×10-5로 강판보다는 크지만 알루미늄 합금보다는 작아졌다.
HMD에는 현재 HMD Cycoloy와 Xenoy가 있고, 개발중인 Noryl GTX를 포함하면 3종류가 있다. Cycoloy는 PC/ABS(폴리카보네이트/아크릴로니트릴 부타젠 스틸렌) 합금을 기본으로 한 오프라인 도장용. Xenoy는 PC/PBT(폴리카보네이트/폴리브틸렌 텔레프탈레이트) 합금을 기본으로 한 전착(電着)에 의한 온라인 도장에 대응할 수 있는 소재다.
GE 플라스틱스는 HMD에 대해 나노테크놀로지(NT)를 응용했다. 수지의 바다(sea)에 무기질 첨가제를 거미집 상태로 둘러 구부림 탄성률(강성)을 높여 선팽창계수를 줄였다. 일반적으로는 수지 안에 무기질 첨가제를 넣으면 내충격성이 저하되는데, 거미집 상태의 구조로 이를 방지했다.
HPPC는 유리섬유 부직포에 내열성이 높은 열가소성 수지를 함침시켜 그 코어층 표면에 유리섬유가 들어간 열가소성 수지를 사용해 스킨층을 형성한 것이다. 열가소성 수지로서는 다양한 것을 사용할 수 있는데, 예를 들면 코어층에 PBT를, 스킨층에 PC/PBT 합금의 Xenoy를 사용한 것 등이 있다. 유리섬유에 따라 선팽창계수를 내림과 동시에 강도와 강성, 내열성을 향상, 스킨층에 따라 자동차 외판에 요구되는 표면의 평윤성을 확보하는 구조다. 구조 그 자체는 같은 복합재인 FRP(섬유강화 플라스틱)와 비슷하다. 하지만, 열경화성 수지가 아니라 열가소성수지를 사용하는 점이 크게 다르다. 가열로 연화되기 때문에 FRP보다도 성형성이 뛰어나 성형 시간이 2분 이하로 짧다. 이 재료를 사용함으로써 제조시간이 길고 가격이 높은 복합재 기술을 자동차 양산 차종에서도 이용할 수 있게 되었다.
플라스틱 필름 소재의 진보가 수지 활용을 뒷받침하는 사례는 많이 있다. 예를 들면 무도장화나 무도금화를 모색하여 의장성을 부여하는 응용사례 등이 있다. 가장 인상적인 것은 PEN 필름을 인스트루먼트 파넬에 적용하여 배선층을 형성하는 것이다(그림 2 참조). DuPont은 플렉시블 기판 등의 배선층을 형성할 수 있는 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate, PEN) 필름을 개발, 이 필름을 자동차 인스트루먼트 판넬의 배후에 달고 와이어 하네스를 대신함으로서 배선재 그 자체나 커넥터의 공간을 기존의 1/10 이하로 줄일 수 있다고 발표한 바 있다. 게다가 와이어하네스의 경우는 여분의 공간이 필요한 데, 이 필름은 여분의 공간이 필요 없다. 이를 계산에 넣으면 공간은 기존의 1/100 정도가 된다. 그리고 이 필름은 동시 사용이 가능하다. 하나의 모재에 대한 1회의 라미네이트로 앞쪽은(表) 의장성을 부여하고 뒤에는 배선층을 형성하는 것도 가능하다.
자동차 전자화의 진전으로 1960년대 고급 차량과 현재의 차량에 내장된 차량 대당 와이어 하네스의 소요량을 비교하면 약 200미터에서 2.5km로 엄청나게 늘어났고, 관련 커넥터는 200여개에서 1,800개로 증가했다. 소형 모터도 20개정도에서 오늘날의 고급차에는 100개 이상이 소요된다.
차량 당 평균 와이어링 룸(wiring loom)은 약 80파운드의 구리전선과 절연체를 싣고 있다. 자동차에 많은 멀티미디어 기기와 안전장치가 추가되면서 향후 5년 동안 이 무게는 거의 2배로 늘어날 전망이다.

수많은 자동차 전기장치와 와이어링은 콕피트 부분에 놓이게 된다. 중형차의 경우, 이 콕피트 부분에 와이어링 하네스의 40%가 설비된다. 이러한 문제를 해결하는데 플라스틱 필름이 기여할 수 있다. 플라스틱 필름 소재 중 BASF의 PFM(Paintless Film Moulding) 시스템이 올 플라스틱 차량에 응용된 사례가 있다. 우리나라에도 볼 수 있는 소형 MCC Smart Car가 그것이다.
이는 차량의 전 보디 부품을 플라스틱으로 제작하고, 도장이 필요 없는 시스템으로서 이에 사용된 폴리머 필름은 외부 보디가 강철재와 같은 모양의 완성을 실현하고 내약품성, 내후성, 내변형성, 대 스크래치성, 광택 등이 우수하다. 올 플라스틱 차량은 지난 3월 제네바 모터쇼와 4월의 서울모터쇼에 현대자동차가 출품한 컨셉카 ‘Qarma Q’에서도 볼 수 있었다.



새로운 도전
기본적으로 플라스틱 재료 개발동향은 그 개발 대처법의 차이에 따라 신규 폴리머 개발이자, 기존 재료의 조합에 의한 폴리머 합금의 개발이며 복합화로 구분된다. 그리고 21세기에 접어들면서 연구개발의 중심 테마 중 하나가 나노테크놀로지인데, 플라스틱 관련에서도 현재 주목받고 있는 것이 나노 컴포지트이다. 나노 컴포지트는 중합 단계 또는 압출기 내에서 특수한 층상 규산염을 매트릭스 수지 중에 나노미터 크기로까지 초미 분산시켜 강성, 내열성을 향상시킨 새로운 세대의 복합재료로서 자동차 분야에 응용이 늘고 있다.
추가로 앞으로 주목해야 할 소재로서 바이오 폴리머가 있다. 카본 뉴트럴재로서 자동차용 시트의 표피 재료로 응용사례가 증가하고 있다. 원료는 옥수수에서 제조되는 1-3PDO(프로판지올)와 석유 성분의 텔레프탈산을 중합해서 제조하는 폴리에스테르 소재이다. 섬유를 복합사화하여 천으로서의 안정성을 확보하고 섬유의 특성인 굴곡성을 이용해 새로운 느낌을 실현했다. 즉, 자동차용 시트의 표피 재료로 소프트하고 부드러운 성질을 갖고 내구성도 높으면서 오랜 시간 사용해도 색이 변하지 않는 뛰어난 내광성을 제공한다. 시트 이외에도 도어나 루프 등의 표피, 또 플로어매트재로서의 용도도 있으며 3년 이내에 발매되는 신형 연료전지 차량에는 각사가 모두 채용했다.
예측기술이나 소재 진화와 함께 수지화의 확대와 고도화를 촉진하고 있는 것이 제조방법의 진화다. 최근 들어 수지 부품의 코스트다운이나 소형·경량화, 성능/외관품질/리사이클성 향상 등으로 연결되는 새로운 제법이 연이어 등장하고 있다. 일례로 금형 내에서 증착과 조립을 실행하는 DSI(Die Slide Injection)를 들 수 있다.
DSI는 1회째 수지사출로 성형한 복수의 1차 성형품을, 금형 슬라이드로 대면시켜 그 상태에서 2회째 사출해서 이음매에 수지를 흘려보내고 1차 성형품 간을 일체화시키는 기술이다. 이 DSI의 사출성형기에 스패터링용 챔버를 조립하고 금형 내에서 성형품으로 스패터링까지 하도록 했다.
모든 공정을 금형 내에서 하기 때문에 성형품을 일단 꺼내서 보관하고, 이를 다시 위치를 정해 스패터링과 조립할 필요가 없다. 때문에 조립이나 스패터링 공정을 자동화할 수 있을 뿐 아니라 품질의 불규칙이나 먼지 등의 부착에 의한 불량, 물류 손실, 중간 재고를 삭감할 수 있다. 또 복수의 1차 성형품은 이음매에 수지를 흘려 넣어 용착하기 때문에 부품수 삭감으로도 연결된다. 스패터링에 필요한 마스킹 공정을 생략할 수 있는 점도 특징이다. 금형 측에 마스킹 플레이트를 두어 개개의 성형품에 마스킹 처리를 하지 않아도 되도록 하고 있다.
DSI 이외에 자동차 분야에서 주목받고 있는 사출성형법으로는 가스 어시스트 성형법, DRI법(인테이크매니폴드), CFI법(창문 글래스용), 복수의 성형법 조합(각종 용도)을 들 수 있다. 블로우 성형의 대표적인 용도 예는 연료탱크이다. 연료탱크에 사용되는 플라스틱은 고밀도 폴리에틸렌과 연료의 증산방지를 위해 배리어성 재료인 EVOH나 PA를 조합해서 성형한다. 이외에는 배기 덕트 등에 PA 등을 사용한 특수한 블로우 성형이 사용되고 있는 사례가 있다.
기타 주변 기술로서 컴퓨터를 이용하여 수지의 유동해석, 금형설계 등을 하는 CAE(Computer Aided Engineering)는 플라스틱 관련해서 필수 기술이다. 또 다른 기술로 절단, 접합, 장식 등을 하는 각종 2차가공도 중요하다. 한편, 리사이클 관련 기술도 자원과 환경보호 차원에서 잊어서는 안될 기술 분야이다.