자동차 경량화를 이끄는 ‘신소재’ ‘신공법’ 각광

김웅렬 기자
입력 2019.08.13 14:37
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세계 자동차 시장이 친환경차를 중심으로 빠르게 진화함에 따라 자동차 경량화 기술이 핵심 경쟁력으로 떠오르고 있다. 기존의 내연기관 자동차뿐만 아니라 전기차, 수소차 등 모든 분야에서 이제 경량화는 필수 사항이다.

일반적으로 차량 무게를 10% 경량화할 경우, 연비는 5~7% 향상되는 것으로 알려져 있다. 전기자동차의 경우에도 중량이 10% 감소하면 배터리 크기를 4~6% 줄여 충전효율을 높일 수 있다.

자동차 경량화 방법에는 크게 △구조설계 변경 △신공법 적용 △신소재 개발 등이 있다. 또한 차량 경량화는 신공법과 신소재를 통해 진화하고 있으며, 차의 내장과 외장 그리고 금속과 비금속 파트를 통해 확대 적용되고 있다.

■ 비금속 분야 - PVC∙고무를 잇는 친환경 TPE 소재 급부상

비금속 경량화 소재는 주로 차의 보닛이나 범퍼 등의 외장재를 비롯하여 웨더스트립, 도어 패널, 인테리어 트림, 엔진룸의 각종 호스 등 내장재에도 다양하게 사용되고 있다. 이로써 차량에서의 비금속 경량화 소재 비중은 지속적으로 늘어날 전망이다.

그 중 핵심 소재로 새롭게 주목받고 있는 소재는 열가소성 엘라스토머(TPE/ThermoPlasticElastomer)다. TPE는 기존의 PVC 및 고무를 잇는 친환경 소재다. 상온에서 열경화성 고무의 특성 즉, 탄성을 유지하면서 가공 시 열가소성 수지처럼 모양이 복원되고 쉽게 가공할 수 있는 고기능성 고분자 재료로 재활용이 가능한 친환경 화학소재다. 특히 뛰어난 복원력과 충격 흡수를 자랑한다.

주로 차량용 실링, 인스트루먼 패널, 도어 트림, 에어 덕트 호스 등 차량 내장재에서 주로 쓰이며 기존 소재 대비 30% 이상의 중량 절감 효과를 가져와 현대차, 기아차, GMK, 르노삼성 자동차 등 국내 완성차 업체의 미래형 자동차에 적극 적용되고 있다. 관련 업계에 의하면 국제 TPE 시장은 약 450만 톤이며 그 중 자동차 경량화의 소재로 쓰이는 TPV는 약 35만 톤에 이를 것으로 내다보고 있다.

특히 국내 TPE 및 TPV(Thermoplastic Vulcanized/가황) 분야 1위 업체인 화승소재의 경우, 열가소성 엘라스토머(TPE) 소재 분야에서 지난해 총 1.1만톤을 생산, 2017년 대비 23% 늘어나는 등 크게 확대되는 추세다. 이는 5년전에 비해 무려 두배 가량 늘어난 수치다. 또한 화승소재는 일반 TPV 소재에 발포 기술을 적용한 ‘발포 TPV 소재’를 개발, 기존 소재 대비 약 30% 가량 중량을 절감하는 신공법도 진행하고 있다.

TPE가 신소재로 주목 받고 있다면 엔지니어링 플라스틱은 가장 오랫동안 경량화에 적용되던 소재다. 엔지니어링 플라스틱은 열과 강도에서 우수하기 때문에 범용 합성수지의 취약점을 보완해 철강제품 대비 물리적 특성에서 경쟁력이 높은 소재다. 특히 완성차 입장에서 보면 엔지니어링 플라스틱과 같은 화학 제품은 가공, 성형 면에서 우수하기 때문에 화학 소재 사용을 통해 미학적 소구점도 찾을 수 있다.

엔지니어링 플라스틱은 현재 차량의 실린더헤드 커버, 엔진 커버, 휠 커버, 에어백 커버, 연료펌프 모듈, 헤드램프 베젤 등 자동차 내∙외장재에서 다양하게 사용되고 있다. 대표적으로 쉐보레 콜벳 Z06, BMW i8에 각각 36~60% 적용되었다.

이밖에도 비금속 분야에는 탄소섬유 강화 플라스틱이 있으며 주로 자동차의 후드, 스포일러, 센터패시아, 핸들 등에 적용된다. 비싼 가격 때문에 주로 고가 차량에 적용되며 가볍고 강도와 탄성이 우수한 특성 때문에 경량화에 유리한 소재이다.

■ 금속 분야 – 기존의 철을 대체하는 알루미늄과 마그네슘

금속 분야는 주로 내장보다는 외장재에 많이 적용된다. 기존의 철을 대체해 경량화를 이끌어내려는 움직임이 활발하게 이루어지고 있기 때문이다.

금속 분야 신소재가 내장재에 적용되는 경우는 엔진 관련 부품이 대표적이다. 그 중 알루미늄은 주로 트랜스미션, 열 교환기, 실리던 헤드/블록 등의 엔진 관련 부품의 경량화 소재이다. 알루미늄은 비중이 2.7로 철강재의 35%에 불과하여 자동차용 철 소재를 대체할 경우 40%에 달하는 경량화가 가능하다.

알루미늄은 후드, 도어, 트렁크 등의 외장재에도 다양하게 적용되고 있다. 대표적으로 BMW i8은 탄소섬유강화플라스틱(CFRP/carbonfiberreinforcedplastics)및 알루미늄 적용으로 무게가 1,540kg에 불과하며 아우디 A8은 초경량 알루미늄 ASF로 일반 철강 대비 강성을 60% 상승시켰으며 140kg 경량화에 성공했다. 특히 포드 자동차는 주력모델 중 하나인 F-150 픽업트럭 신형에 알루미늄 소재를 적극적으로 도입해 차체 중량은 700파운드 이상 감소시키고 약 20% 연비 개선 효과를 이끌어 냈다.

이처럼 경량화에 유망 소재로 손꼽히는 알루미늄에도 라이벌은 있다. 마그네슘은 알루미늄 보다 33%, 아연보다는 73% 가벼운 금속으로 기존 철을 대체하는 역할 뿐만 아니라 알루미늄의 대체재가 될 가능성 또한 잠재하고 있는 소재이다. 특히 마그네슘합금은 가볍다는 특성과 리사이클이 쉬워 유럽과 미국에서 자동차 부품에 수요는 꾸준히 증가해오고 있다.

마그네슘은 주로 헤드 커버, 스티어링 컬럼 키, 실린더하우징, 휠, 클러치나 트랜스미션의 하우징 등 다양한 내∙외장재에 적용되어 왔다. 대표적으로 아우디의 경우 고급 세단 ‘A8’에 차체의 비틀림 강성을 높이는 스트럿 브레이스에 마그네슘합금을 채택해 기존 알루미늄합금 대비 28%의 경량화를 성공시켰다.

현재 미국, 독일 등에서는 마그네슘을 활용한 인스트루먼트 패널, 스티어링 휠 코어, 좌석 프레임, 실린더 헤드커버, 트랜스미션 하우징, 브레이크 페달 브라켓 등이 본격적으로 추진되면서 마그네슘 합금제 자동차 부품의 생산량이 증가하고 있다.

친환경 트렌드에 맞추어 미국과 유럽 등 각국의 연비 규제는 강화되고 있으며 완성차 업체들은 경량화를 선택이 아닌 필수로 해결해야 할 상황에 놓여있다. 향후 경량화 기술에 따른 제품 성능 차이가 완성차 업체들의 경쟁력을 좌우하는 주요한 요소가 될 것이다. 이에 많은 소재들이 대안이 되었으며 경량화를 위한 발전은 끊임없이 이뤄지고 있다.

국내의 대표적인 글로벌 화학소재 전문 기업인 화승소재의 관계자는 “화승소재는 경남 양산에 본사를 두고, 국내공장은 물론, 중국, 인도 법인을 통하여 해외 마케팅을 전개하고 있으며, 경량화를 이끄는 친환경 소재 중심으로 전기자동차 및 친환경자동차 시장에 발 빠르게 대응하고 있다”며, “국내 부품 산업의 해외 시장 개척 차원에서도 차량 경량화 소재에 대한 연구 개발에 앞장서고 있다”고 말했다.