자동차 제조사들은 차량 경량화의 주요 동인인 새로운 배출가스 규제를 충족시키기 위한 노력의 일환으로 소재업체와 손잡고 혁신적이고 환경 친화적인 자동차를 개발하고 있다. 소재업체들은 혁신적인 신소재 및 공정 개발을 통해 기술적으로 실현 가능한 한계를 확장하고 있다.



미래의 자동차는 안전하고, 효율적이며, 환경 친화적인 동시에 세련되고 튼튼해야한다. 그러나 기존 소재를 계속 사용하는 한 이러한 목표를 달성하는 데 한계에 이르고 있다. 이것은 유리와 금속과 같은 전통적인 소재뿐만 아니라 자동차공학에서 오랫동안 사용돼온 표준 플라스틱도 마찬가지다. 이에 자동차 소재업체들이 혁신적인 신소재 및 공정 개발을 통해 기술적으로 실현 가능한 한계를 확장하고 있다.

지난 40년 동안 자동차는 더 가벼워지기보다는 오히려 30% 가량 더 무거워졌다. 예를 들어 1974년 출시된 폭스바겐 골프(Golf)의 무게는 800kg에서 현재 1,200kg이다. 소형차 미니쿠퍼는 1959년 출시 당시 560kg에 불과했으나 지금은 1,070kg에 육박한다.

자동차에서 경량화 설계를 적용할 수 있는 부분은 크게 바디, 섀시, 파워트레인, 내장재 등이다. 차량 경량화를 실현하는 방법으로 크게 3가지를 꼽는다. 구조설계 변경, 신공법 적용, 신소재의 사용이다. 이 중 가장 효과적인 방법으로 손꼽히는 것은 가벼운 신소재의 사용이다.

그 중 복합소재는 다양한 맞춤형 솔루션을 구현할 수 있다. 다양한 열가소성 매트릭스 소재(PP: 폴리프로필렌, POM: 폴리옥시메틸렌 또는 아세탈, TPU: 열가소성 폴리우레탄 등)를 사용하고 첨가제 사용과 함께 다양한 섬유(유리, 탄소 등)를 삽입함으로써 소재 특성을 특정 요건에 맞출 수 있다.

또한 복합소재를 사용하면 주요 부품을 구조물(Structural elements)에 통합할 수 있기 때문에, 금속 및 공정 단계를 생략함으로써 무게를 줄이고 생산비용을 낮출 수 있다. 예를 들어 폭스바겐은 골프 플러스(Golf Plus)의 대형 대시보드용 열가소성 장섬유 복합소재(Long-Fiber reinforced Thermoplastics, LFRT) Celstran+를 사용해 조수석 에어백을 구조 부품에 완전 통합했다.

PEEK 폴리머, 파워트레인 부품 중량 80% 감소

빅트렉스(Victrex) PEEK HMF(High Modulus Fiber) 폴리머와 같은 경량의 열가소성 소재는 강철 및 황동과 같은 금속에 비해 부품 무게를 최대 80%까지 줄일 수 있다. 특히 고강성 섬유 HMF를 고유동 PEEK 소재에 결합시켜 강도와 강성을 높임으로써 금속을 대체할 수 있다. 또한 PEEK HMF 폴리머는 피로성능이 우수하고 260℃의 고온에서도 견딜 수 있다.

PEEK 폴리머로 제작된 HPG 기어는 엔진의 소음과 진동(NVH)을 50%(3dB) 감소시키고 주철 기어에 비해 68% 정도 가벼운 무게와 78% 정도 낮은 관성 모멘트로 시스템 효율을 높여준다. 전기차에서는 APTIV™ 필름 전열체가 기존 합판보다 전력 밀도를 증가시키고 지속적인 회전력을 보장한다.

에보닉 PMMA 몰딩 컴파운드

에보닉(Evonik)의 PLEXIGLAS® Resist AG 100은 PAAM(impact-modified polymethyl methacrylate) 기반의 비정질 열가소성 몰딩 컴파운드로 우수한 설계 자유도와 높은 내후성, 가벼운 무게(유리 무게의 절반)가 특징이다.

PLEXIGLAS®는 자외선과 풍화에 대한 높은 내구성을 제공하며 충격을 완화하고 미네랄 글라스의 파괴강도를 최대 30배까지 향상시켜준다. 또한 사출 성형, 압축 성형 또는 subsequent sheet 열성형으로 압출 성형이 가능하다. 2단계 코팅 공정을 거쳐야 하는 폴리카보네이트와 같은 다른 열가소성 수지와 달리, 특성상 자외선 및 풍화에 강하기 때문에 단일 코팅으로 충분하다. 이처럼 LEXIGLAS® Resist AG 100은 균형 잡힌 물성 프로파일을 지니고 있으며, 특별히 자동차 글레이징용으로 개발됐다. 이 소재는 ECE R43에 따라 모든 테스트를 통과했다.

CSP, 초경량 시트 몰딩 컴파운드(SMC)



CSP(Continental Structural Plastics)는 2016 쉐보레 C7 콜벳(Chevrolet C7 Corvette)용 초경량 복합소재 TCA Ultra Lite®로 여러 상을 수상했다.

TCA Ultra Lite는 수지 필러로 표면 처리된 미세한 중공 형상의 유리 재료를 이용하여 CSP의 진공 기술과 접착처리를 결합해 기존 유리섬유 강화 플라스틱으로는 어려웠던 소재의 저 비중화와 알루미늄 등의 금속과 동등한 표면 평활성을 실현했다. 또한 자동차 양산 라인에서 필수인 전착 도장에도 적용 가능하며, 자동차 제조사의 기존 공정을 변경하지 않고 바디 패널 도장에 요구되는 클래스 A 품질을 실현했다. TCA Ultra Lite는 쉐보레 콜벳 2016년 모델(C7)의 도어, 데크리드, 쿼터 패널 및 펜더 등의 부재로 사용되어 약 9kg의 경량화를 실현했다.

CSP는 2016년 9월 테이진에 인수되어 테이진의 자회사로 편입됐다.

열가소성 탄소섬유복합재료(CFRTP)



탄소섬유강화플라스틱(Carbon-Fiber Reinforced Plastic, CFRP)은 고강도강, 알루미늄 합금과 같은 기존의 경량 소재보다 비중이 높고 강성이 강하나 제조 시간, 공정, 고비용 및 낮은 재활용 등 비용과 가공 상의 이유로 도입에 따른 제약이 있었다. 이에 생산성, 원가절감, 재활용 측면에서 탄소섬유에 매트릭스 수지로 열가소성 수지(폴리프로필렌 등)를 사용하는 CFRTP(Carbon-Fiber Reinforced Thermoplastic composites)가 주목받고 있다. CFRTP는 금속 같은 느낌과 소리가 나지만 플라스틱 같은 설계 자유도를 제공한다.

일본 테이진(Teijin)이 상용화한 CFRTP는 대량생산 차량에 탄소섬유를 적용할 수 있는 가능성을 넓혔다. 테이진이 세계 최초로 CFRTP 기술을 브랜드화한 Sereebo®는 열가소성 탄소섬유 복합재료를 사용해 압축 성형 사이클 시간을 1분 미만으로 단축했다. 일반적으로 탄소섬유는 5분의 성형 시간이 소요되는 열경화성 수지와 혼합되어 주로 고급 특수 용도로만 사용됐다.

테이진은 CFRTP 부품들을 함께 용접하기 위한 기술을 개발했다. 또한 강철과 같은 재료와 CFRTP를 접합하는 기술을 개발했다. 현재 테이진은 GM을 비롯한 여러 자동차 제조사와 경량화 차량의 대량생산을 위한 첨단 CFRP를 개발하기 위해 노력하고 있다.

한편, 지난 3월 코베스트로(Covestro)는 CFRTP의 상업 생산 개시를 발표했다.

나노구조 기반 AHSS



시장조사기관 ResearchAndMarkets.com에 따르면, 세계 초고장력강판(Advanced High Strength Steel, AHSS) 시장 규모는 2016년 131억 4,700만 달러에서 연평균 성장률 12.2%를 기록하며 2023년 291억 5,100만 달러를 기록할 것으로 예상된다. 북미는 2016년 세계 AHSS 시장의 3분의 1을 차지했다.

포스코 기가스틸은 인장강도가 980MPa(1기가파스칼) 이상인 초고강도 강판이라 다른 대체 소재보다 훨씬 얇은 판재로 가공이 가능하다. 르노삼성자동차와 쌍용자동차, 혼다 등 여러 국내외 자동차 바디에 포스코 기가스틸이 쓰이고 있다.

나노스틸(NanoSteel)은 AK스틸과의 다년간의 개발협력 프로그램을 통해 개발한 AHSS를 초기 테스트를 위해 GM에 공급한 바 있다.

나노구조 관련 엔지니어링 회사인 EDAG의 연구에 따르면, AHSS는 기본 세단의 BIW(Body-In-White) 구조물 무게를 30% 줄일 수 있다.

존슨콘트롤즈, CAMISMA 프로젝트



CAMISMA(Carbon-Amide-Metal-based Interior Structure using a Multi-material system Approach) 프로젝트의 목적은 탄소섬유를 포함하는 섬유 보강 복합재료를 사용하여 강철 및 경량 합금을 대체하는 것이다.

이 프로젝트를 통해 개발된 등받이는 금속으로 만들어진 기존 등받이보다 40% 이상 가볍지만, 안전성 측면에서는 동일한 성능을 제공한다.

존슨콘트롤즈는 경량 소재를 사용하는 것 외에도 적은 재료를 필요로 하는 통합 기능을 갖춘 새로운 시트 개념으로 무게를 줄였다. 이를 통해 등받이 구조물의 부품 양을 약 50% 줄였다. 때문에 조립 및 생산 단계가 줄어 비용도 절감할 수 있다.

존슨콘트롤즈의 장기 목표는 새로운 개념의 시트를 프리미엄급 차량뿐만 아니라 일반 승용차에도 장착시키는 것이다. 이것은 강철과 알루미늄의 복합소재를 사용하는 맞춤형 하이브리드 튜브(Tailored Hybrid Tubes) 경량 구조 프로젝트의 목표이기도 하다. 각 시트 모델용 튜브는 ‘맞춤형’이기 때문에 재료비 절감 효과가 대단히 크다.

존슨콘트롤즈는 지난 10년 동안 시트 무게를 총 20~30% 줄였다. 예를 들어 2010년 앞좌석 구조물 무게는 14kg이었으나 2015년에 약 10kg으로 줄였다. 존슨콘트롤즈는 2020년까지 시트 무게를 10kg 이하로 줄이는 동시에 다양한 전자 조정 옵션과 기능을 추가할 계획이다.

금속을 대체하는 첨단 플라스틱

랑세스(Lanxess)의 폴리아미드(PA) 제품인 듀레탄(Durethan®)은 내열성, 내구성이 뛰어나고 단단하면서도 강철 무게의 1/6에 불과하다. 또한 얇은 금속판처럼 용이하게 성형할 수 있어 곡선과 굴곡이 많은 차체 소재로 적합하다. 무엇보다 탄소강화섬유 등과 같은 복합소재의 출현에도 불구하고 금속과 유사한 비용으로 대체할 수 있는 장점으로 자동차 경량화의 현실적인 대안으로 꼽힌다.

주요 적용 분야는 기존에 금속으로 제작됐던 차체 프론트엔드와 루프 프레임, 엔진 오일팬, 에어백 하우징, 브레이크 페달 등이다. 뿐만 아니라 전기차의 배터리 하우징, 배터리 셀 프레임, 고압 커텍터, 전기충전기에도 적용된다.



랑세스의 폴리에스터르 계열의 결정성 열가소성 플라스틱 신소재 포칸(Pocan)은 성형 사이클 시간을 30% 단축해 비용 대비 효율성이 뛰어나다. 또한 PBT(Polybutylene terephthalate)와 열가소성 ASA(Acrylonitrile Styrene Acrylate)를 기반으로 해 뒤틀림이 거의 없으며 우수한 저 방출 표면을 동시 생성한다(독일자동차공업협회 VDA 278 표준). 내광성, 내습성이 뛰어나 ISO 4892-3에 따른 내후성 시험조건도 충족한다.

DSM, 바이오 기반 나일론 크랭크샤프트 덮개

바이오 기반 폴리머로 제작된 DSM Engineering Plastics의 경량 다기능 크랭크샤프트 덮개는 2015년 5월 미국 디트로이트에서 개최된 플라스틱공학 자동차부문 혁신상 시상식에서 파워트레인 부문 최고상을 수상했다. EcoPaXX™ 바이오 기반 폴리아미드로 성형된 경량 크랭크샤프트 덮개와 일체형 오일 실은 폭스바겐 MDB-4 TDI 디젤엔진에 채택됐다. EcoPaXX는 열대성 피마자 씨에서 70% 추출한 재생 가능한 원료를 기반으로 한 유리섬유가 첨가된 폴리아미드이다.

이 소재는 cradle-to-gate(주 원료물질을 채취하는 단계에서부터 제품이 출하되는 단계까지를 포함)로 100% 탄소 중립 인증을 받았다. EcoPaXX는 일반적으로 사용되는 알루미늄보다 밀도가 45% 낮기 때문에 덮개의 무게를 크게 줄일 수 있다. 또한 우수한 인성(toughness)과 함께 고온에서 우수한 기계적 특성을 갖는다.



EcoPaXX는 신형 메르세데스-벤츠 A클래스의 엔진 커버에 사용됐다. 신형 A클래스의 터보 동력 가솔린엔진 버전에 사용되는 엔진 커버는 최대 200℃ 온도에서 작동해야 한다. EcoPaXX는 하중 하 변형 온도가 1.8 MPa 하중(DTUL) 하에서 200℃를 달성했다. 1.320kg의 이 엔진 커버는 235℃의 짧은 피크 온도와 연속사용 온도 200℃에서 견딜 수 있다.

일본 전기차 벤처기업인 심 드라이브(SIM-Drive)의 EV 선행 개발 차량 SIM-CEL(Shimizu In-wheel Motor - Cool Energy Link)에도 EcoPaXX 폴리아미드 기반 바디 패널과 휠 아치 커버가 사용됐다. 바디 패널은 금속 버전보다 최소 50% 더 가볍다. SIM-CEL 프로토타입은 한 번 충전으로 약 325km를 주행하고 시속 0에서 100km/h(제로백)까지 4.2초 만에 도달한다.

복합재 리프 스프링, 65% 경량화

자동차용 접착제, 실란트, 기능성 코팅제 전문업체인 헨켈 AG는 매트릭스 수지로 일반적으로 사용되고 있는 에폭시 수지보다 경화 속도를 높이고 전체 생산 공정의 사이클 타임을 단축한 수지 제품을 개발해 볼보의 리프 스프링(leaf spring)에 적용했다.

헨켈은 폴리우레탄 매트릭스 수지를 사용하는 자동차용 유리섬유 강화 리프 스프링을 위한 고압 수지 이송 성형 공정(HP-RTM)을 개발했다.



푸조의 테일게이트(Tailgate)는 플라스틱과 탄소섬유를 혼합하여 무게를 30% 줄였다. “반 구조체” 설계는 비틀림을 방지하기 위해 두께 1.5mm의 스킨과 라이닝을 구성하여 탄소섬유에 작용하는 힘에 따른 탄소섬유 방향을 최적화함으로써 평탄한 영역에 추가적인 강화제를 사용할 필요가 없다.

또한 강성과 감소된 밀도는 무게를 더 줄이기 위해 2개의 테일게이트 안전장치 중 하나를 제거할 수 있게 했다. 포레시아 기술의 또 다른 장점은 탄소섬유 소재를 사용함으로써 인테리어 트림 부품들을 제거할 수 있다는 것이다. 탄소섬유는 도장 가능하고, 조립될 부품 수를 줄이며, 자동차 뒤 창문 같이 금속이나 유리로 만든 부품보다 더 복잡한 모양을 생산할 수 있다.

유일한 투명성 수지 ‘폴리카보네이트’

폴리카보네이트는 유리보다 훨씬 유연하게 성형할 수 있기 때문에 복잡한 형상에 적합하다. 창, 기둥, 지붕으로 구성된 일반적인 구조물 대신, 폴리카보네이트를 사용하여 지붕 전체를 연속적이고 투명한 돔으로 구현할 수 있다. 새로운 지침에 따라, 폴리카보네이트를 윈드스크린 소재로 사용할 수 있게 됐다. 이것은 미래 자동차의 설계, 효율성, 안전 표준을 새로운 단계로 끌어 올리는 혁신적인 올라운드 글레이징을 위한 길을 열어주었다.

혁신적인 폴리카보네이트는 이미 헤드램프에 사용되고 있다. 이 소재는 가볍고 안정적일 뿐만 아니라 에너지절약형 LED 기술의 사용을 가능하게 한다. 플라스틱은 렌즈 및 라이트 가이드 역할을 할 수 있다. 동시에 폴리카보네이트는 헤드램프를 개별적으로 설계하고 다른 부품에 원활하게 결합될 수 있기 때문에 설계자에게 더 많은 설계 자유도를 제공한다.

코베스트로(Covestro) 엔지니어들은 폴리카보네이트 바디 부품을 사용하여 무게를 최대 50%까지 줄일 수 있다고 믿고 있다. 또한 폴리카보네이트의 우수한 절연 특성은 공조 시스템의 부하를 줄여줘 전기차의 배터리 수명을 늘리는데 도움을 준다. 폴리카보네이트는 자율주행 차량에도 일조하고 있다. 장애물 감지에 사용되는 LiDAR 센서는 폴리카보네이트로 만들어진 전면 요소(front element)에 완벽하게 통합될 수 있으므로 사용되는 적외선 광선을 유도할 때 특히 유용하다.

삼양이 생산하고 있는 폴리카보네이트(제품명 TRIREX)는 완전 연속 제조방식(Completely Continuous Manufacturing Process)으로 생산되고 있다.