지난 100년 간 ‘산업의 꽃’으로 불렸던 자동차 산업이 21세기 접어들면서 패러다임의 변화와 융·복합을 통해 변신을 시도하고 있다. 자동차시장은 화석연료 고갈과 지구온난화에 대한 우려로 친환경 자동차로 눈길을 돌리기 시작했으며 자동차 업계로 하여금 양에서 질로의 대전환을 요구하고 있다. 그 중심에는 ‘스마트카’와 ‘그린카’가 있다.
세계 자동차 생산 및 소비의 중심으로 굴림해 왔던 미국은 현재 그린카 개발의 성공을 통해 자국 자동차 산업의 화려한 부활을 꿈꾸고 있다. 자동차 수요가 정체되어 있는 서유럽과 일본 역시 그린카 개발에 박차를 가하고 있다. 이러한 움직임에 편승해 자동차 부품용 플라스틱 재료도 상당한 방향 전환의 가능성을 내포하고 있다.
세계적인 전략 컨설팅 기관인 머서 매니지먼트 컨설팅(Mercer Management Consulting)과 롤란트 베르거(Roland Berger)에 따르면, 자동차부품 시스템의 전체 시장규모는 2015년에 2,300억 유로에 이를 전망이다. 이 중 E/E(Electrical & Power Supply) 시스템은 650억 유로를 기록하며 전체 30%를 넘어설 전망이다(그림 1).
자동차의 전자화와 함께 케이블 룸은 현재 자동차 부품군 중에서도 가장 큰 단일 부품이 되었다. 자동차는 부품에 대한 높은 신뢰성이 요구된다. 플라스틱은 이러한 요구에 대응하기 위한 더 없이 중요한 재료가 되었다. 이로 인해 E/E 시스템에서의 플라스틱 부품 비중은 자동차 제조 역사상 가장 높은 신장률을 나타내고 있다.

E/E 부품 개요

자동차 분야에서 플라스틱은 전자제어 장치(ECU) 케이스, 커넥터, 릴레이, 헤드램프용 주변 부품 등을 필두로 전장 부품의 플라스틱화로 왕성한 수요를 창출하며 거대시장을 형성하고 있다. 최신 자동차에는 70개 이상의 ECU가 탑재된다. 예를 들면, ESC(Electronic Stability Control)는 국내에서 오는 2012년 1월부터 새롭게 제작되는 모든 승용차와 차량 총 중량이 4.5톤 이하인 승합·화물·특수 자동차에 의무적으로 장착된다. 미국에서도 2012년 모델부터 장착이 의무화된다. 유럽에서는 2015년 모델부터 의무화된다.
이제 자동차의 E/E 관련 소자 및 모듈은 플라스틱 재료를 빼고는 생각할 수 없게 됐다. E/E 부품은 전자제어, 액추에이터(릴레이 및 모터), 플러그 커넥터, 센서, 조명 등으로 분류된다. 이를 내장하고 구성하는 메카트로닉스(하우징 기구)는 가능한 한 경량이면서 많은 공간을 차지하지 않아야 한다. 또한 내수 안정성, 레이저 용접성 등의 재료 특성은 물론 얇아야 한다. 이런 특성 중 특히 가장 높은 수준을 요구하는 항목은 내 바이오 연료성과 내 열충격성이다. 이러한 특성을 만족하는 대표적인 재료는 폴리아미드(Polyamide, PA)와 폴리부틸렌 테레프탈레이트(Polybuthylen terephtalate, PBT)로 알려져 있다.
PA는 경년변화가 적고 가공성과 조립 용이성이 우수하다. PBT는 치수안정성과 내 전압성(점화코일 부품은 최대 40 kV)이 좋다. 오토벤치(Autobench)의 2009년도 자료에 따르면, 전 세계에서 생산되는 자동차의 PA 사용량은 유럽 차의 경우 대당 20 kg, 한국 차의 경우 대당 15 kg이다. 참고로 일본은 대당 10 kg이며 중국은 대당 5 kg이다. 또 차량 1대의 E/E에는 대략 4.63 kg의 엔지니어링 플라스틱(EP)이 사용된다.
메카트로닉스

기어 박스(트랜스미션) 제어
기어 박스는 지속적으로 개발되고 있는 전형적인 메카트로닉스 부품이다. 폭스바겐은 2006년에 듀얼 클러치 트랜스미션 제어 장치(Dual Clutch Transmission Control Unit, DKTCU)를 개발해 생산하고 있다(VW Golf V1.9TDI). 이 장치에 사용한 재료는 BASF의 PBT Ultradur B4300G6이다. Ultradur는 고 유동성, 내 고온 오일성 엔지니어링 플라스틱으로 20여개의 센서와 액추에이터를 단일 부품에 통합한다. 차세대 DKTCU에는 보다 고온 안정성이 뛰어난 BASF의 PA Ultramid A3WG6이 사용된다(사진 1).
커넥터 및 제어 밸브
연간 4만 8,000톤 이상의 재료를 소비하고 있는 커넥터와 제어장치는 양적으로 최대 그룹을 형성하고 있다. VW Golf의 와이어링 하네스에는 176개의 커넥터가, Mercedes C클래스에는 192개의 커넥터가 사용된다. 유럽 시장에서 커넥터 사용량은 연간 43억 개에 달한다. 커넥터 1개당 평균 중량을 5.7 g이라고 할 때, 사용량은 중량 기준으로 연간 약 2만 4,000톤에 달한다.
제어장치에서는 Golf가 27개, Mercedes C클래스에는 불과 12개밖에 안 되지만 1대당 평균 18개로 잡고 단위 중량을 56.5 g이라고 가정하면, 연간 시장규모는 약 2만 3,500톤이 된다. 뛰어난 흐름 특성을 제공하는 BASF의 PBT인 Ultradur B4300 High Speed가 하우징 및 커넥터에 사용된다. 사진 2는 Ultradur B4300 High Speed를 이용한 몰렉스(Molex) 사의 자동차용 16단자 커넥터 하우징이다.
DSM 엔지니어링 플라스틱스는 퓨즈 박스, 제어장치 커버(사진 3), 액추에이터 하우징 등에 광범위하게 사용되고 있는 치수 안정성 및 고 내열성의 Arnite PBT/PET를 공급하고 있다. PBT는 차의 수명주기 동안에 열화되어 고장으로 연결되어서는 안 되는 언더후드 커넥터나 하우징 등에 사용된다.
독일 화학기업인 랑세스(Lanxess)는 가수분해 안정성이 있는 PBT Pocan DP 7139를 공급하고 있다. 이 소재는 파워 스티어링의 커넥터(사진 4)에 사용된다.
모터 및 액추에이터
연간 약 2만 8,000톤의 사용량을 차지하는 제2의 적용분야다. 시트, 도어 시스템을 위한 액추에이터, 스타터 모터, 교류 발전기를 포함한다. 로보트 보쉬(Bosch)에서는 BASF의 PA66 Ultramid A3UG5 LS를 교류 발전기 커버로 사용하고 있다(사진 5).
DSM 엔지니어링 플라스틱스의 Stanyl PA46은 내열성, 내유성, 내마모성이 우수하여 전기 모터 부품, ABS, ECU 하우징, 센서, 램프 소켓, 커넥터, 오토매틱 기어 박스 포지션 스위치, 솔레노이드와 보빈, 스타터 모터/교류 발전기 하이브리드 시스템 부품 등에 사용되고 있다.

센서
연간 약 1만 5,000톤을 사용하는 이 부품군은 가장 열악한 환경조건에서 사용된다. 차량 한 대당 평균 30개(VW Golf 35개, Mercedes 27개)의 센서가 사용되며 플라스틱의 사용 중량은 평균 22 g로 예상된다. 재료에는 많은 요구사항이 추가되어 PA6, PA12, PA66 및 PBT가 사용된다.
스티어링 각도 센서와 공기 유동 센서는 PBT로 만든다. 보쉬의 스티어링 각도 센서(사진 6)는 고 유동성 PBT인 Ultradur High Speed로 만들어진다.
이 플라스틱 재료로 만든 센서는 레이저로 쓸 수 있다. 즉, 부품은 매우 미세한 데이터 매트릭스 코드로 마크되고, 그것이 매우 작은 표면에 많은 정보를 저장한다.
바이오 연료는 연료 공급 시스템의 하우징 및 센서에 새로운 과제를 부여하고 있다. 연료 라인의 퀵 릴리스 커플링과 같은 Fuel line 부품(사진 7)이나 탱크용 압력 센서(사진 8)는 고온 안정성이 뛰어난 Ultramid T로 만들어진다.
그러나 미국이나 일본에서 칼슘을 포함한 염(Gritting salt)의 사용이 늘고 있기 때문에, 폴리머의 내 칼슘 클로라이드성이 쟁점이 되고 있다. Ultramid T도 내성은 있지만 PBT 역시 내성이 우수하다.
스마타이어 시스템스(SmarTire Systems)가 만들고 있는 외부 밸브 실장 타입의 압력 모니터링 시스템(TPMS)은 하우징(사진 9)용 DuPont Zytel HTN PPA Super Structural 수지와 캡용으로 Zytel HTN PPA를 사용한다.
DSM은 30％ 유리섬유 강화 PBT/PET 그레이드를 공급하고 있다. 금형 보정 비용을 최소화하기 위해 이용된다. 표준 PBT 대비 휘는 성질을 개량했으며 또 다른 저 휨 그레이드에서 볼 수 있는 기계 및 유동 특성의 저하가 관찰되지 않는다. Arnite TV4 461 그레이드는 낮은 가스 배출/포깅(forging) 특성을 제공하며 강우 센서와 같은 공학적 용도에 적합하다.

스위치
이 분야는 약 1만 1,000톤이 사용된다. 여기서도 PBT, PA, 폴리아세타르 등의 재료를 가공해 사용한다. VW Golf에는 13개의 스위치, Mercedes에는 8개의 스위치가 있다. 차 1대당 평균 중량은 47.6 g이다.
3D-MID(3차원 성형 상호접속 디바이스) 전자 부품(사진 10)과 같은 복잡한 부품은 BASF의 PA6/6T Ultramid T 4381 LDS로 만들어진다. 도선은 3D-MID의 표면에 직접 결합된다. 이 반결정성, 반 방향족계 고온 PA는 10％ 유리섬유와 25％ 미네랄 필러(무기 충진재)로 강화 처리한 플라스틱이며 기계적 특성을 손상시키지 않고서 넓은 반도체 금속 공정 기능을 제공한다. 이 3차원 MID는 무연(Pb-free) 납땜으로 처리되고 245 °C까지 견딘다.

점화 시스템
이 분야는 다소 작은 규모의 시장으로 소비량은 연간 약 3,000톤이다. 점화 코일을 직접 스파크 플러그에 연결할 수 있는 방향으로 발전하고 있다. 이는 케이블과 플러그가 더 이상 필요 없는 시대가 열리고 있음을 의미한다. 333 g의 점화 시스템 재료가 연간 1,500만 대의 가솔린차에 사용되고 있다. PET나 폴리시크로 헥실렌 디메틸렌 테레프탈레이트(Polycyclo hexylene dimethylen -eterephthalate, PCT)와 같은 하이 클래스의 폴리에스테르 그레이드가 사용되며, 이는 40 kV까지의 고전압에도 견딜 수 있다.
PBT 고유의 특성은 매우 높은 내전압 성능으로, 점화 시스템과 같은 고전압 용도에서는 중요한 가치를 지닌다. 이 용도에서는 표준 PBT와 비교해 열충격에 대한 저항성이 높은 DSM의 Arnite TV6 241 T가 사용된다.

액정 폴리머(LCP) 등의 센서에 응용

자동차 제조업체들은 2008년부터 2010년까지 교통사고를 절반으로 줄이겠다는 야심찬 계획을 추진했다. 그 일환으로 전후 차간거리를 측정할 수 있는 24 GHz 레이더 센서를 이용한 차선변경 보조 시스템(Lane Change Assistant System, LCA)을 개발했다. 이 레이더 센서는 고가의 고성능 액정 폴리머(Liquid Crystal Polymer, LCP)를 사용한다.
대표적인 LCP 제조사인 티코나(Ticona)의 LCP Vectra는 압력 센서의 신뢰성 향상에 기여하고 있다(사진 11). 사진 12는 LCA용 거리 측정 센서와 LCP제 커버를 보여주고 있다.
사진 13은 폴리페닐렌 설피드(Poly-phenylene Sulfide, PPS) Fortron 140 L4에 의한 전동 브레이크 내의 하우징과 휠을 보여주고 있다.

PEEK의 응용