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류원 증
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[ 특집 : 차세대복합재료기술 ] 미래자동차용다종소재경량차체구조기술 박지상, 김진봉, 문진범, 장홍규, 윤순호 재료연구소 최근선진국에서강화된자동차연비규제및배기가스규제로완성차및부품업체의경량화기술에대한관심이그어느때보다높다할수있다. 특히경량금속과복합재를적용한경량차체구조기술은현재의환경규제를만족하기위한가장현실적이며강력한방안으로평가받고있다.

1 [ 특집 : 차세대복합재료기술 ] 미래자동차용다종소재경량차체구조기술 박지상, 김진봉, 문진범, 장홍규, 윤순호 재료연구소 최근선진국에서강화된자동차연비규제및배기가스규제로완성차및부품업체의경량화기술에대한관심이그어느때보다높다할수있다. 특히경량금속과복합재를적용한경량차체구조기술은현재의환경규제를만족하기위한가장현실적이며강력한방안으로평가받고있다. 이에본고에서는 미래자동차용다종소재경량차체구조기술 이라는주제아래, 자동차산업의중요성, 차체경량화기술의필요성, 다종소재경량차체구조기술에대해소개하고자한다. 또한선진 OEM의복합재경량차체에대한구조분석과정과복합재차체구조역설계과정에대해간략하게소개하고자한다. 1. 자동차용차체경량화기술동향 1.1 자동차산업의중요성세계자동차시장규모는 2008 년 1 조 4,607 억달러에서이후연평균 3.5% 성장하여 2018 년 2 조 646 억달러로전망 되며, 지역별로는미국이전세계자동차시장의 35.6%, 아시아 - 태평양지역은 30.8%, 유럽은 29.7% 를차지하고있 다. 특히, 세계각국정부는자동차연비규정및환경규제를계속강화하면서친환경자동차생산및보급을장려하 여, 현재친환경자동차시장은미국, 일본이시장을주도하고있으나, 2020 년에는유럽이세계시장의 35% 를점유할 전망이다. 이에하이브리드차와전기차로대표되는그린카시장은 2008 년이후연평균 50.1% 의고성장을기록하 여 2018 년에는 3,000 만대규모로전세계신규판매차량중 19% 를차지할것으로전망된다. 자료출처 : 지식경제부신성장동력실행계획및전략기술지원단자체조사자료 그림 1. 세계자동차산업동향및전망 42 기계와재료

미래자동차용다종소재경량차체구조기술 국내자동차산업은 90년대이후우리경제를주도하는제조업의핵심산업으로지난 20년간연평균 6% 의성장을지속하였으며, 2012년국내자동차생산량은 456만대로세계 5위의생산국으로 317만대수출, 수출금액은부품포함 718억달러를기록하였다. 또한부품산업도발전하여매출액은 2000년 22.9조원에서 2010년 58.

2 미래자동차용다종소재경량차체구조기술 국내자동차산업은 90년대이후우리경제를주도하는제조업의핵심산업으로지난 20년간연평균 6% 의성장을지속하였으며, 2012년국내자동차생산량은 456만대로세계 5위의생산국으로 317만대수출, 수출금액은부품포함 718억달러를기록하였다. 또한부품산업도발전하여매출액은 2000년 22.9조원에서 2010년 58.9 조원, 수출은 21억달러에서 231억달러로비약적으로성장하였다. 특히, 경제적측면에서자동차산업은생산, 수출, 고용등국민경제에서차지하는비중이 10% 에달하는국가경쟁력의근간이며, 제조업생산 10.1% (113 조원 ), 부가가치 9.4% (35조원 ), 수출 11.7% (544억달러 ), 고용 10.2% (25만명 ) 를담당하고있다. 2012년기준자동차및부품산업의무역수지는 617억달러로, 선박류 (353억달러 ), 석유제품 (293억달러 ), 반도체 (182억달러 ) 등주력기간산업과비교해볼때국가경제에서차지하는비중이가장크다. 또한산업적측면에서자동차산업은 2만여개부품으로조립되는대표적종합산업으로, 전후방산업과연계효과가높은산업적특성을가지며, 높은전후방연계및생산유발효과를토대로고용창출, 세수확대, 무역흑자등경제성장에서주도적역할을담당하고있다. 따라서자동차경량화기술은국내자동차산업의글로벌경쟁력뿐만아니라국가경쟁력강화를위한핵심기술로서향후자동차산업의핵심요소로자리잡을가능성이매우크다. 그림 2. 자동차산업발전의경제적 / 산업적영향분석 1.2 차체경량화기술의필요성자동차분야에서경량화는오랜시간지속되어온기술적화두이다. 최근선진국에서강화된자동차연비규제및 배기가스규제로완성차및부품업체들에게경량화과제는선택이아닌필수로, 자동차업계의생존의문제로등장 하였다. 최근전세계적으로큰문제를일으킨폭스바겐 (Volkswagen, VW) 사의디젤엔진배출가스조작이나몇몇 메이저급 OEM 회사들의연비조작등과같은일련의사태에서알수있듯, 내연기관의성능이나효율향상만으로 강화된환경기준을만족하는것은기술적으로매우어려우며, 현재한계에도달해있는것으로알려져있다. 특히 앞으로자동차에장착되는각종안전및편의장치에대한소비자의요구가더강해질수록자동차의무게는증가할 것이며, 결과적으로자동차차체의경량화는자동차연비요구및배기가스규제를만족시키기위한중요한핵심기 술로더욱더인식되고있다. 43 기계와재료 / 28 권제 2 호

BMW사는이러한문제를해결하려는노력의하나로 2015년에탄소섬유복합재를차체구조에적용한 BMW i3/i8 모델등의전기자동차를전략적으로내놓고있다. 그림 4.

3 [ 특집 : 차세대복합재료기술 ] 그림 3. 자동차시장에서의산업환경및소비환경변화 아래그림 4는 2008년부터 2013년까지세계자동차회사들의배기가스개선실적으로유추한 2012년유럽연합 (EU) 의 CO 2 기준을만족시킬수있는각 OEM별예상연도를보여준다. 다른자동차회사에비해서 GM, 현대자동차, Honda, Mazda, BMW 등이현재의추세를그대로유지할경우 CO 2 감축경쟁에서뒤쳐져시장에서도태될수있음을알수있다. BMW사는이러한문제를해결하려는노력의하나로 2015년에탄소섬유복합재를차체구조에적용한 BMW i3/i8 모델등의전기자동차를전략적으로내놓고있다. 그림 4. OEM 들의개발추이로살펴본 CO 2 기준만족예상연도 현재까지자동차환경규제 ( 연비 / 배기가스규제 ) 대응을위한다양한기술이개발되었다. 이러한환경규제대응기술의개발방향은크게네가지로분류할수있으며, 가장많이연구된분야가엔진및구동계의효율향상연구이다. 하지만 Multi Injection, Fine Grinding 등의신기술들은비용대비효과가미약하고, 엔진및구동계의효율향상만으로기준을만족시키기엔기술적으로한계에도달해있다는것이많은전문가들의판단이다. 다음으로공기저항계수를감소시키는차체디자인의경우차량용도의다양성으로일괄적용이불가능하 44 기계와재료

미래자동차용다종소재경량차체구조기술 며, 이역시효과가미약하다는한계를지닌다. 현재환경규제를만족하기위한가장현실적이며강력한대안은복합소재나경량금속같은경량화소재를차체에적용하여자동차의차제구조를경량화시키는방안으로판단된다. 이에최근들어고성능슈퍼카나고급자동차가아닌일반양산형자동차에도섬유강화복합소재의자동차차체및내 / 외장부품에의적용이증가하고있는추세이다. 그림 5.

4 미래자동차용다종소재경량차체구조기술 며, 이역시효과가미약하다는한계를지닌다. 현재환경규제를만족하기위한가장현실적이며강력한대안은복합소재나경량금속같은경량화소재를차체에적용하여자동차의차제구조를경량화시키는방안으로판단된다. 이에최근들어고성능슈퍼카나고급자동차가아닌일반양산형자동차에도섬유강화복합소재의자동차차체및내 / 외장부품에의적용이증가하고있는추세이다. 그림 5. 자동차환경규제대응기술및방향 자료출처 : 친환경자동차의경량화기술, 자동차부품연구원 해외주요완성차업체들은환경규제와소비자요구를충족시키기위해열경화성 / 열가소성탄소섬유복합재료 (carbon fiber-reinforced plastic, CFRP) 로경량자동차부품및차체개발에주력하고있다. 예를들어자동차무게가 100kg 감소하면주행거리 100km당 0.3 ~ 0.5 리터의연료를절약할수있고, CO 2 배출량은 8.0 ~ 12.5g/km 감소하는효과를얻을수있기때문이다. 특히자동차시장의새로운패러다임으로자리잡을것으로예상되는전기자동차 (EV), 하이브리드전기자동차 (HEV), 플러그인하이브리드차 (PHEV) 등에도대용량배터리로인해높아진차량중량을감소시키기위해 CFRP의적용이증가할것으로예상된다. 지금까지 CFRP는주로자동차의비구조파트인루프 (roof) 나후드 (hood), 트렁크리드 (trunk, lid) 등의내외장단품에주로적용되어왔다. CFRP 적용에따른경량화효과를살펴보면루프적용시 6.0kg 감소, 후드적용시 8.0kg 감소등매우제한적인경량화효과만을얻을수있다. 따라서 100kg 이상의차량중량감소를통해환경규제기준을만족시키기위해서는경량금속이나 CFRP의차체구조적용이필수적이라할수있다. 그대표적사례가 BMW사의 i3/i8로, i3 모델의경우 CFRP의차체골격 (body-in-white, BIW) 적용을통해서철강대비 120kg의획기적중량절감효과를얻을수있었다. 45 기계와재료 / 28 권제 2 호

[ 특집 : 차세대복합재료기술 ] 그림 6. 탄소섬유복합재적용주요부품별경량화효과 1.3 다종소재경량차체구조기술세계자동차시장에서산업환경 ( 환경 / 연비규제 ) 및소비환경 ( 신뢰성 / 친환경 ) 의변화로인해경량화기술에따 른자동차의성능차이가완성차및자동차부품 소재업체들의시장경쟁력을좌우하는소비자의선택기준, 즉기 술적패러다임으로부각하고있다.

특히기존금속재차체의디자인및설계에기반 을둔단순경량소재전환이아닌, 복합재료의구조적장점을극대화한차체구조에대한연구가필요하며, 다종소 재 (Multi-materials) 로구성된새로운 Carbody Architecture 의개발이필요하다.

5 [ 특집 : 차세대복합재료기술 ] 그림 6. 탄소섬유복합재적용주요부품별경량화효과 1.3 다종소재경량차체구조기술세계자동차시장에서산업환경 ( 환경 / 연비규제 ) 및소비환경 ( 신뢰성 / 친환경 ) 의변화로인해경량화기술에따 른자동차의성능차이가완성차및자동차부품 소재업체들의시장경쟁력을좌우하는소비자의선택기준, 즉기 술적패러다임으로부각하고있다. 이러한자동차경량화요구에대한가장현실적이며강력한솔루션으로탄소섬 유복합재료가대두되고있으며, 해외선진완성차및복합재업계를중심으로자동차용복합재기술 (Automotive Composites Technology) 에대한요구가폭발적으로증가하고있다. 특히기존금속재차체의디자인및설계에기반 을둔단순경량소재전환이아닌, 복합재료의구조적장점을극대화한차체구조에대한연구가필요하며, 다종소 재 (Multi-materials) 로구성된새로운 Carbody Architecture 의개발이필요하다. 과거자동차경량화연구개발은두가지큰흐름으로, 1 알루미늄, 마그네슘등의경량금속과탄소섬유복합재의 경량화신소재를적용하여강도는강화하고중량을줄이는방향과, 2 자동차구조자체를합리화해경량화를추구 하는경량화구조방향으로진행되었다. 경량금속과 CFRP 를이용한차체개발은주로유럽이주도하였다. 특히독 일 Audi 社 ALDC (Audi lightweight design center) 가경량금속차체연구를통해경량금속을양산차에적용하였으나, CFRP Monocoque 차체의경우소량생산되는슈퍼카에주로적용되었다. 하지만, 기존금속재차체의구조적특징 을그대로유지했으며단순소재대체라는한계를가진다. 이러한초기기술개발방향은경량화를달성할수는있으 나, 구조적효율성과생산성, 비용등의측면에서양산화에분명한한계를가진다. 그림 7. 차체경량화기술의과거 : 1 st Stage 46 기계와재료

이에독일 TU Dresden ILK (Institute for Lightweight Design and Polymer Technology) 에서 InEcoR 프로젝트의결과로 Multi-Material 구조를적용한전기자동차를개발및기술시연하였으며, Audi사와 BMW사는양산모델 (R8 e-tron, i3/i8) 을개발하였다.

6 미래자동차용다종소재경량차체구조기술 그림 8. 차체경량화기술의현재 : 2 nd Stage 최근유럽여러연구기관및완성차 OEM에서는 CFRP 중심의다종소재구조가자동차경량화기술의주요방향이될것이라고보고있다. 기존의차체경량화기술방향에서벗어나구조형식 (space frame, monocoque 등 ) 이나경량소재 ( 알루미늄, 마그네슘, CFRP 등 ) 의종류에제한없이, 차체경량화를달성하기위한다양한재료의적용과최적의구조형식개발에노력을기울이고있다. 이에독일 TU Dresden ILK (Institute for Lightweight Design and Polymer Technology) 에서 InEcoR 프로젝트의결과로 Multi-Material 구조를적용한전기자동차를개발및기술시연하였으며, Audi사와 BMW사는양산모델 (R8 e-tron, i3/i8) 을개발하였다. 독일 TUD ILK는복합재료를중심으로하는경량구조기술전문연구기관으로, 세개의전문연구센터 (LIZ: Lightweight Innovation Ctr., KAZ: Polymer Application Ctr., PEZ: Process Development Ctr.) 로구성되어있다. 그림 9. 차체경량화기술의미래 : Next Stage 자동차산업의특성상차체의경량화성능뿐만아니라, 양산화가능기술을바탕으로하는대량생산이기술개발의주요한요구성능이다. 탄소섬유복합재의경우경량화효과의잠재력은어떠한소재보다우수하나, 높은원 47 기계와재료 / 28 권제 2 호

[ 특집 : 차세대복합재료기술 ] 소재가격과공정비용, 낮은생산성으로인해대량생산해야하는양산차에적용하기엔한계를갖고있다. 반면, 스틸 (steel) 과같은금속재의경우낮은원소재가격과공정비용, 우수한성형성및높은생산성의장점으로대량생산에매우적합하나, 차체경량화효과가거의없어현재또는미래의환경규제기준을만족하기에불가능하다.

이를위해서는기존금속재차체설계에기반한경량화차체구조에서벗어나, Multi-Material의구조적장점을극대화할수있는 Carbody Architecture (carbody concept & structural layout) 의개발과 Design Requirements의구축이필요하다.

tu-dresden.de/ing/maschinenwesen/ilk, www.verbundprojekt-visiom.tum.de/home/ 그림 11.

7 [ 특집 : 차세대복합재료기술 ] 소재가격과공정비용, 낮은생산성으로인해대량생산해야하는양산차에적용하기엔한계를갖고있다. 반면, 스틸 (steel) 과같은금속재의경우낮은원소재가격과공정비용, 우수한성형성및높은생산성의장점으로대량생산에매우적합하나, 차체경량화효과가거의없어현재또는미래의환경규제기준을만족하기에불가능하다. 이에국내외주요완성차 OEM 및연구기관 / 대학에서는차체경량화를위한다양한연구를수행중에있으며, 미래경량화차체구조를위한핵심은경량화와대량생산의두가지목적을만족할수있는 Multi-Material Design과 Hybrid Structures로판단하고있다. 이를위해서는기존금속재차체설계에기반한경량화차체구조에서벗어나, Multi-Material의구조적장점을극대화할수있는 Carbody Architecture (carbody concept & structural layout) 의개발과 Design Requirements의구축이필요하다. 또한이러한 Structural Layout을구현하기위한 Hybrid Structural Element와이를구성하는동종및이종재료간의접합을위한대량생산공정을고려한 Structural Joint 기술의개발이핵심기술로판단된다. 그림 10. 다종소재경량차체구조의 Key Technology 자료출처 : 그림 11. 오그제틱특성의단위셀형상및유한요소해석예 그림 11은다종소재경량차체연구개발의대표사례로독일연구기관인 TU Dresden ILK의 InEcoR 프로젝트와 TU Munchen의 Visio.M 프로젝트의결과물이다. InEcoR 프로젝트는독일철강회사인 Thyssen Krupp사와공동으로 Multi-Material & Hybrid 구조를적용하여차체에필요한부품수를 299개에서 63개로 75% 줄이는설계를바탕으로기술시연용전기차를개발하였다. Visio.M 프로젝트에서는양산화를전제로 BMW, 다임러를비롯한 16개의기업과공동으로탄소섬유복합재와알루미늄을차체에적용한 2인승의마이크로전기차를개발하였다. 48 기계와재료

8 미래자동차용다종소재경량차체구조기술 2. 선진 OEM 복합재경량차체분석 2.1 복합재차체구조분석과정자동차분야에서역설계 (reverse engineering) 는 OEM 경쟁사의기술력을분석하고, 다양한정보를획득하기위 한방법으로널리이루어지고있다. 완성된차체를분석하고, 실험을수행함으로서구조물의설계에녹아있는설계 개념을이해하고, 기술수준을판단하는등다양한정보를얻을수있기때문이다 년도에기존양산자동차차 체의설계패러다임을뒤흔드는모델인 i3/i8 이 BMW 사에서발표되었고, 이를역설계하여그패러다임을이해하고 분석하기위한시도가다양하게진행되었다. 그림 12. BMW 사 i3/i8 모델의복합재차체양산화공정적용 독일 BMW사 i3 모델의기본구조는탄소섬유복합재료로이루어지는 Life module과알루미늄샤시와배터리로구성된 Drive module로구분된다. i3 모델의차체는복합재를대부분사용하기는하였지만, 차체의구조성능에주요하게작용하는파트는여전히금속재가많이사용되고있음을알수있다. 특히차체의굽힘강성과비틀림강성, 전방및측면충돌등에서주요하게작용하는파트에서는금속재가사용되고있다. 특히샤시구조에서 B-pillar가없이측면충돌에너지를주요하게흡수해야하는 floor panel의경우중간부분이알루미늄으로구성되어있음을통해서이러한부분들은쉽게알수있다. 하지만, 전방충돌에서충돌에너지일정부분을흡수하는 A-pillar 파트에서는복합재료가상당부분사용되는것을볼때 BMW사에서자동차차체구조에복합재료를적용하기위한상당한노력을했고, 또한복합재차체제조공정부분에서는괄목할만한발전이있었음을알수있다. 이처럼전체적으로보았을때 i3는모노코크구조 (monocoque structure) 와 body-on-frame 구조를섞어놓은듯한구조컨셉을보이고있다. 구조강성에지대한영향을미치는샤시가있고그위에복합재료로이루어진 Life module 이올려져있는 body-on-frame 구조와유사하지만, 연구결과 Life module 자체도전체차체의구조강성에상당한정도의영향이있어모노코크구조개념도섞여있는구조로판단된다. 아래그림은 i3 모델차체의실제사진과이를 5가지파트로 teardown해놓은사진이다. 49 기계와재료 / 28 권제 2 호

[ 특집 : 차세대복합재료기술 ] 그림 13. BMW 사 i3 모델차체구성 그림 14. BMW 사 i3 모델차체 Teardown 이처럼 life module 전체를복합재료로대체해현재가장앞선복합재차체기술을보유한것으로보이는 BMW사도아직복합재료의장점을완벽하게활용하고있는것은아닌것으로판단된다.

섬유의직진도를향상시키기위해서복합재구조물은단순한형태가적절하며, 버클링이나굽힘강성등이필요한부분에서는형상을복잡하게하기보다는두께를늘리는방법으로샌드위치구조등을활용하는방법을사용한다. 그러나그림에서보는바와같이대체로 i3 차체모델의단면들은전형적인메탈차체의복잡한형태를가지고있다.

9 [ 특집 : 차세대복합재료기술 ] 그림 13. BMW 사 i3 모델차체구성 그림 14. BMW 사 i3 모델차체 Teardown 이처럼 life module 전체를복합재료로대체해현재가장앞선복합재차체기술을보유한것으로보이는 BMW사도아직복합재료의장점을완벽하게활용하고있는것은아닌것으로판단된다. 그이유로각파트의단면을보면기존메탈차체의부품설계개념이그대로녹아있음을알수있기때문이다. 복합재료는섬유의방향과적층, 구조의형상과형식등이각파트의구조적물성을결정짓는데주요하게작용한다. 섬유의직진도를향상시키기위해서복합재구조물은단순한형태가적절하며, 버클링이나굽힘강성등이필요한부분에서는형상을복잡하게하기보다는두께를늘리는방법으로샌드위치구조등을활용하는방법을사용한다. 그러나그림에서보는바와같이대체로 i3 차체모델의단면들은전형적인메탈차체의복잡한형태를가지고있다. 이는기존의차체구조형상을그대로적용하고, 소재만메탈에서복합재료로대체하는정도의기술이적용되었다고판단할수있는대목이다. 복합재료에적합한형태의부품형상은가능한굴곡을없애고, 단순하며, 섬유의직진성이잘나오는형태의부품임을감안할때, i3 모델의복합재 Life module은복합재료에최적화된형상을가지고있지는못한것으로판단된다. 따라서, 복합재료를이용한차체설계기술은아직완성된수준이아니며, 국내복합재료전문가와차체설계전문가가협력하여개발한다면세계적수준의기술을선점할수있음을시사하고있다. 50 기계와재료

(polyurethane, PU) 접착제를이용한접착조인트 (adhesive joint) 를가진다는점이다.

차체구조를연결하는구조접합에는거의모든부분이접착조인트또는볼트 (bolt) 와 PU 접착제를함께사용한하이브리드조인트

복합재료는섬유의연속성이중요한만큼홀이있으면그부분의강도가급격히저하하는단점이있고,

10 미래자동차용다종소재경량차체구조기술 그림 15. BMW 사 i3 모델차체부품대표단면형상 다음으로 BMW사 i3 모델차체의특이한점은대부분의구성품이폴리우레탄 (polyurethane, PU) 접착제를이용한접착조인트 (adhesive joint) 를가진다는점이다. 20여종정도의기계적조인트부분도있었으나, 도어, 보넷및외부 / 내부패널등비구조부재류의연결에적용되었으며, 차체구조를연결하는구조접합에는거의모든부분이접착조인트또는볼트 (bolt) 와 PU 접착제를함께사용한하이브리드조인트 (hybrid joint) 를적용하고있었다. 복합재료는섬유의연속성이중요한만큼홀이있으면그부분의강도가급격히저하하는단점이있고, 또한탄소섬유복합재와금속재사이의이종접합면에서는갈바닉부식 (galvanic corrosion) 문제가발생한다. 이러한문제점들을고려하고, 보완하기위한접합방식으로폴리우레탄을이용한접착조인트를선택하였을것으로판단된다. 따라서복합재료차체구조물을개발하기위해서는적용가능한접착제의개발이반드시필요하다할수있다. 51 기계와재료 / 28 권제 2 호

[ 특집 : 차세대복합재료기술 ] 그림 16. BMW 사 i3 모델 Polyurethane Adhesive Bondding 2.

그이유는잘알려진바와같이복합재료는등방성 (isotropic) 이아니라이방성 (anisotropic) 소재이기때문이 다.

더구나, 복합재료는기본이되는라미나 (lamina) 층을여러층을각각각도를달리하여적층하는구조로 되어있고, 그적층정보에따라서적층판의물성이달라지기때문에복합재료구조물에사용된소재의물성을판단

11 [ 특집 : 차세대복합재료기술 ] 그림 16. BMW 사 i3 모델 Polyurethane Adhesive Bondding 2.2 복합재차체구조역설계과정복합재구조물의역설계과정은금속과같은등방성소재로구성된구조물을역설계하는과정에비해서다소복 잡하다. 그이유는잘알려진바와같이복합재료는등방성 (isotropic) 이아니라이방성 (anisotropic) 소재이기때문이 다. 즉방향별로소재물성이다르기때문에역설계중소재물성을분석하는기법이등방성인메탈에비해서매우 복잡하다. 더구나, 복합재료는기본이되는라미나 (lamina) 층을여러층을각각각도를달리하여적층하는구조로 되어있고, 그적층정보에따라서적층판의물성이달라지기때문에복합재료구조물에사용된소재의물성을판단 하기위해서는여러번의시험이필요하다. 또한, 이러한시험결과를이용하여고전적층판이론 (classical laminated plate theory) 과복합재료마이크로메카닉스 (micro mechanics) 를이용하여야비로소소재물성을정의할수있다. 일정한두께의평판구조물에서시편을채취하여몇번의시험으로소재물성을판단할수있는금속재료와비교 하면매우까다로운과정이라할수있다. 그외차체구조물의 3D 스캔을통한형상정보분석이나두께를측정하는 등의분석은기존의금속재구조물과거의유사하다. 이상과같은복합재료의역설계과정을대략적으로도식화하 면그림 17 과같다. 그림 17. 복합재차체의역설계과정 52 기계와재료

12 미래자동차용다종소재경량차체구조기술 복합재역설계과정에서소재물성을분석하는부분과적층정보를분석하는부분이추가적으로더필요하며, 이를수행하는과정이복합재료에대한이해를요구하는부분이기때문에자동차업계에서 BMW사 i3 모델의차체를분석하고자하나많은어려움을안고있는것으로판단된다. 이부분을해결하기위해서는단순한시편채취및인장시험뿐만아니라, 시편의단면분석, 섬유체적률분석, 광학현미경관찰이나 burn-off 시험을통한적층정보분석등이동시에수행되어야한다. 우선소재적층정보부분을살펴보면, 앞서언급하였듯이복합재료는기본이되는다양한적층각을가지는라미나의조합으로이루어지는다양한라미네이트 (laminates) 로구성이된다. 따라서단면의적층정보가다른파트를구분하고분할하여각라미네이트의적층정보를평가하여야한다. 이를위해서는두가지의방법이사용될수있다. 첫번째가복합재시편의일부를채취하여수지를모두태우고, 섬유만남겨서한층씩벗겨내며분석하는 burnoff 시험이있다. 시험방법은시편을채취한후고온챔버에넣어 650 에서 2시간가량소각하면복합재료내의고분자수지는모두소각되고섬유만남게되며, 이를층별로걷어내며적층각을확인할수있다. 하지만이방법을사용하면사용된라미나의두께를알수없는단점이있으나, 적층각은명확하게알수있는방법이다. 두번째로는시편을채취하고, 그단면을매우높은조도로연마하여표면을광학현미경으로관찰하는방법이다. 섬유의단면을원형으로가정했을때, 관찰되는단면의가로세로비를계산하여적층각을분석하는방법이다. 이방법은적층각뿐만아니라, 사용된라미나의두께를동시에평가할수있다. 그림 18 3은 burn-off 시험으로적층정보를확인하는방법을보여주고있으며, 그림 18 2는광학현미경을이용하여적층정보를분석하는방법이다. 두방법의장단점이있기때문에, 역설계과정에서는대표적인라미네이트일부에대해서 burn-off 시험을병행하여적층각분석을검증하고, 광학현미경을이용한방법을이용하여단면을분석하였다. 이를통해서구조물전체의라미네이트정보를획득한다. 특히복합재료는방향성을가지기때문에시편을채취할때기준이되면방향을정하고, 그방향을표기하여어느방향에대한정보인지를반드시확인해야한다. 적층분석결과 i3 모델에는일방향 NCF 직물 (UD NCF fabric) 과이방향 NCF 직물 (Bi-axial NCF fabric) 이사용되었으며, 0, 90, ±45 의기본적인적층각이사용되었음을알수있다. 또한이러한적층각을이용하여대부분의라미네이트가준등방성적층구조 (quasi-isotropic) 를가지고있었고, 일부방향성이명확한부분에서는하중을많이받는방향으로 UD 라미나를더많이배치하는등의설계개념도볼수있었다. 그리고사용된라미나의두께도각각 2종류씩사용이된것으로분석되었다. 53 기계와재료 / 28 권제 2 호

[ 특집 : 차세대복합재료기술 ] 그림 18. 복합재구조물의단면적층정보분석기법 다음으로사용된소재의물성을평가하는방법에대해서소개하고자한다. 복합재료는이방성소재이기때문에기본적으로평가해야하는물성이많다.

또한, 라미네이트가다양한적층각과다양한두께등을가지며적층되기때문에시편하나를채취해서물성을구하는것은불가능하다. 이에복합재료의기본역학인고전적층판이론을바탕으로역으로그물성을산출해야한다.

복합재료라미네이트의구조강성을나타내는 ABD 매트릭스에서시험을통해가장명확하게이용할수있는파라미터가축방향하중으로당겼을때, 그하중방향으로늘어나는강성을나타낸 A11이다.

13 [ 특집 : 차세대복합재료기술 ] 그림 18. 복합재구조물의단면적층정보분석기법 다음으로사용된소재의물성을평가하는방법에대해서소개하고자한다. 복합재료는이방성소재이기때문에기본적으로평가해야하는물성이많다. 예를들어금속이 2개의소재물성을갖는다면, 직교이방성 (orthotropic) 복합재의경우 9개의소재물성을정의해야한다. 또한, 라미네이트가다양한적층각과다양한두께등을가지며적층되기때문에시편하나를채취해서물성을구하는것은불가능하다. 이에복합재료의기본역학인고전적층판이론을바탕으로역으로그물성을산출해야한다. 복합재료의물성및설계, 역설계과정을그림에도식적으로표현하였다. 복합재료라미네이트의구조강성을나타내는 ABD 매트릭스에서시험을통해가장명확하게이용할수있는파라미터가축방향하중으로당겼을때, 그하중방향으로늘어나는강성을나타낸 A11이다. 이를활용하여, 서로다른적층패턴을가지는 3개의라미네이트를선정하여인장시험을수행하면소재의물성을정의할수있다. 그러나, 인장시험의결과만으로는모든라미나의물성을알아낼수는없다. 시험에서오는여러가지오차들로인해서최종계산된라미나물성에오차가발생하는데그영향성이각물성마다다르기때문이다. 상대적으로큰물성을나타내는섬유방향물성의경우그영향이적은반면, 섬유수직방향물성은수지 (matrix) 가지배적인물성으로강성이섬유방향물성에비해매우낮다. 따라서실험에의해발생한오차가섬유수직방향에의영향성은매우커서의미없는값이산출된다. 본시험결과에서는섬유방향물성만을평가할수있으며, 이를통해서사용된섬유의종류와물 54 기계와재료

미래자동차용다종소재경량차체구조기술 그림 19. 복합재료물성및설계, 역설계개념 성을구할수있다. 그외수지의물성은사용된폴리머를분석하여사용된소재를분석하고그수지의물성을조사하여야한다. 이렇게구해진섬유물성과수지물성을이용하여복합재료마이크로메케닉스를이용하여강성정보를구할수있다.

복합재역설계과정을통해얻어진라미나물성정보 복합재역설계과정을통해서얻어진적층정보및물성정보의정확도를검증하기위해서 i3 모델의차체부품인 roof middle cross member의구조시험및해석비교를통해검증하였다.

14 미래자동차용다종소재경량차체구조기술 그림 19. 복합재료물성및설계, 역설계개념 성을구할수있다. 그외수지의물성은사용된폴리머를분석하여사용된소재를분석하고그수지의물성을조사하여야한다. 이렇게구해진섬유물성과수지물성을이용하여복합재료마이크로메케닉스를이용하여강성정보를구할수있다. 그리고분석된소재를이용하여직접복합재물성시험용시편을만들어물성시험을수행함으로서최종적으로강성정보및강도정보데이터베이스를확보할수있다. 그림 20. 복합재역설계과정을통해얻어진라미나물성정보 복합재역설계과정을통해서얻어진적층정보및물성정보의정확도를검증하기위해서 i3 모델의차체부품인 roof middle cross member의구조시험및해석비교를통해검증하였다. 먼저앞서얻어진복합재료라미나물성정보를바탕으로 roof middle cross member에대한 3차원쉘요소로구성된유한요소모델을구성하기위해서단면분석을통해적층각및두께정보를파악한다. 3차원스캔을이용하여형상정보를수정하여유한요소해석이가능한모델로만들고, 각파트에상기역설계과정에서구해진적층정보및소재물성을부여하고실험과동일한하중및경계조건을부과하여유한요소해석을수행하였다. 그림 21은 roof middle cross member의굽힘시험및굽힘시험의유한 55 기계와재료 / 28 권제 2 호

15 [ 특집 : 차세대복합재료기술 ] 요소해석을보여주고있다. 하중을 800 N 을부여하였을때, 부재의굽힘변형량을측정하고계산한결과와비교하 였을때잘일치하는것을확인함으로서최종물성을확정하였다. 그림 21. Roof middle cross member 의굽힘시험및해석결과 3. 맺음말 자동차분야에서경량화는오랜시간지속되어온기술적화두이며, 최근강화된자동차연비규제및배기가스규제로경량화기술개발은자동차업계의생존의문제로부각하였다. 이에환경규제대응을위한다양한기술이연구개발되었으나, 가장현실적이며강력한대안은복합소재나경량금속같은경량화소재를적용하여자동차의차제구조를경량화시키는방안으로판단된다. 따라서미래형경량화차체구조를위한핵심은경량화와대량생산의두가지목적을만족할수있는 Multi-Material Design과 Hybrid Structures로판단하고있다. 이를위해서는기존금속재차체에서벗어나, Multi-Material의구조적장점을이용한 Carbody Architecture의개발과 Design Requirements의구 56 기계와재료

16 미래자동차용다종소재경량차체구조기술 축이필요하다. 또한이를구현하기위한 Hybrid Structural Element 와동종및이종재료간의접합을위한 Structural Joint 기술의개발이필요할것으로판단된다. 박지상 재료연구소실용화연구단소재성형연구실책임연구원 관심분야 : 복합재료구조설계 / 해석, 풍력블레이드설계 / 해석시험 / 평가, 자동차용복합재구조설계 / 해석 jspark@kims.re.kr 김진봉 재료연구소실용화연구단소재성형연구실책임연구원 관심분야 : 전자파흡수체설계 / 해석시험 / 평가, 풍력블레이드구조시험 / 평가, 복합재료재료물성평가 jbkim@kims.re.kr 문진범 장홍규 윤순호 재료연구소복합재료연구본부복합재료구조시스템연구실선임연구원 관심분야 : 복합재료재료물성평가, 풍력블레이드구조시험, 복합재충돌해석 / 시험 jbmoon@kims.re.kr 재료연구소복합재료연구본부복합재료구조시스템연구실선임연구원 관심분야 : 전자파흡수체설계 / 해석, 복합재료구조설계 / 해석, 자동차용복합재구조 hongkyu@kims.re.kr 재료연구소복합재료연구본부복합재료구조시스템연구실선임연구원 관심분야 : 복합재료구조설계 / 해석, 풍력블레이드구조시험, 이종소재접합조인트 shyoon@kims.re.kr 57 기계와재료 / 28 권제 2 호

신성장동력업종및품목분류 ( 안 )

신성장동력업종및품목분류 ( 안 ) 2009. 12. 일러두기 - 2 - 목 차 < 녹색기술산업 > 23 42-3 - 목 차 45 52 < 첨단융합산업 > 66 73 80-4 - 목 차 85 96 115 < 고부가서비스산업 > 120 124 127 129 135-5 - 녹색기술산업 - 6 - 1. 신재생에너지 1-1) 태양전지 1-2) 연료전지 1-3) 해양바이오