자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

Transcription

1 화학융합소재중심으로 정현상 한국과학기술정보연구원부산울산경남지원선임연구원

2 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

3 트렌드 1. 자동차산업, 경량화기술이중요 5 트렌드 2. 새로운기회창출, 자동차용화학소재시장 21 트렌드 3. 자동차경량화를위한유망기술전망 45 트렌드 4. 자동차경량화, 플라스틱소재로해결 57 트렌드 5. 자동차와화학소재의미래 67 참고문헌

4 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

5 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 - 화학융합소재중심으로 - 트렌드 1. 자동차산업, 경량화기술이중요 4 5

6 트렌드 1. 자동차산업, 경량화기술이중요 자동차경량화는자동차업계의영원한과제라고할수있다. 경량화가자동차업계에서최우선적으로고려되어야할이유는 1) 자동차의기본성능인가속력과제동력의향상, 2) 환경규제및고유가시대의도래에따른연비개선필요성, 3) 차세대자동차인 EV(Electrical Vehicle) 에서의경량화필요성지속등이다. 국제환경규제강화및연비규제강화추세와에너지자원의가격상승으로자동차소재및부품개발동기도단순한연비향상뿐만아니라환경규제에따른경쟁력향상을위한새로운기술개발이자동차산업에서절실히요구된다. 자동차연비향상의유력한방안은경량화기술로기타연비향상기술대비고효율, 저비용때문이며, 연비향상기술은크게엔진 / 구동계효율향상, 주행저항감소, 경량화로구분하며, 엔진효율향상은많은연구가이루어져기술적인한계에도달하였고, 주행저항감소기술은상대적으로개선효과가미비한것으로알려져있다. 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

7 경량화기술로자동차성능향상자동차의기본성능인가속력과제동력을높이기위해서는같은출력에서는경량화할수록유리하다. 자동차의경량화는엔진효율을극대화할수있고, 타이어, 브레이크, 서스펜션에가해지는부담및운전자의피로도를완화시키는등모든면에서유리하게작용한다. 또한상대적으로출력이적어도마력당감당해야할중량비가줄어들기때문에무거운차량보다가속성능과운동성능을우월하게확보할수있다. 그림 1. 로터스앨리스샤시 * 자료 : 로터스, 한국투자증권 그극단적인예가영국자동차인로터스로경량화를통한고성능초경량스포츠카를지향한다. 경량의알루미늄샤시에강철보다강한 FRP(Fiber-Reinforced Plastic) 로제작된바디를사용하고, 차체프레임에용접을사용하지않고리벳및접합으로경량화를추구하였다. 차량각부분에서도고강도알루미늄을사용해무게를줄였고그결과대표모델인로터스앨리스기본모델의경우공차중량은 876kg에불과하며준중형차에사용되는 V4 엔진 (1,600CC, 136PS/6800rpm, 16Kg/4400rpm) 으로도 0~100Km/h 가속력 6.5초, 최고속도 204Km/h에평균연비 15.9km/L(U.K기준 ) 을달성하였다. 고유가및환경규제대응은경량화기술로 환경규제및고유가시대의도래로연비가중요시되며자동차회사에게 경량화는선택이아닌필수가되었다. 오일쇼크 때부터활발히 6 7

8 도입되기시작한각국의자동차연비규제의가장근본적인목표는에너지절약이라할수있다. 환경측면에서각종대기오염물질을유발하는자동차연료사용을줄이는것이온실가스배출을줄여지구온난화를방지하는첫관문이기때문이다. 또한자동차연비규제는고갈되어가는화석연료사용을줄임으로써꾸준히상승하고있는유가에대한대안으로도중요한역할을한다. 미국, 중국, 유럽을비롯한세계각국은자동차연비기준을점차강화하고있고, 고연비기술을적용한차량에추가적인인센티브를제공하는등국가차원에서도연비향상을위해꾸준한노력을기울여그성과를보고있다. 1975년부터미국에서시행중인 CAFE제도 ( 기업평균연비 : Corporate Average Fuel Economy) 가대표적으로연방정부차원에서구체적인연비기준방안을발표해적극적인연비규제에나서고있다. 각국의연비규제강화에발맞추어세계자동차생산업체들은고연비달성을위한다양한기술개발에전력을다하고있다. 연비를강화하기위해서는파워트레인의개선, 공기역학적디자인, 경량화등의방법을고려할수있는데그중효과가가장확실하고다른방법에앞서기본적으로고려되어야할방안이경량화라고판단된다. 효율상으로도 10% 무게감소시 5~7% 연비감소가가능한것으로알려져있고, 가시성이가장높으므로글로벌자동차업계는지속적으로경량화를위해노력하고있으며관련부품업체들도완성차업체와협력하여소재를개발하고있다. 표 1. 주요국연비기준강화계획 국가미국중국유럽일본한국 연비달성목표 2025년, 54.5m/g 2015년, 42.2m/g 2020년, 49.1m/g 2020년, 47.7m/g 2012년부터 34.1m/g * 자료 : 한국자동차공업협회, 언론보도내용취합 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

9 그림 2. 미국 CAFE 자동차평균연비기준안 m/g Passenger Light Tuck Combined 년 2012 년 2013 년 2014 년 2015 년 2016 년 주 : 2011 년기준연비규제안 CAFF( 기업평균연비제도 ) : 기업평균연비기준미달시벌금이부과되는제도자료 : U.S Environmental Protection Agency, 한국투자증권 세계자동차산업은지구온난화와자원고갈로최대격변기직면해있으며글로벌전산업분야중수송부문의온실가스배출량은 25% 로각국은온실가스배출억제를위한자동차분야규제강화와선진각국을필두로자동차연비규제가강화되면서 2025년까지연비약 2배향상이필요되며, 규제미달시가혹한벌금이부가될전망이다. 이에연비향상기술은향후자동차시장경쟁력을결정짓는핵심사항으로작용할것이다. 각국의이산화탄소배출규제는 130g/km(EU, 2015년 ), 140 g/km( 한국, 2015년 ) 이고, 연비규제는 16.6km/L( 미국, 2016년 ), 17km/L( 한국, 2015년 ) 이다. 그림 3. 국가별자동차 CO 2 배기가스배출규제추이 주 : The International Councl On Clean Trasportation 8 9

10 그림 4. 각국의자동차연비규제안 선진완성차업체는국제환경규제및연비규제대응의일환으로고효율자동차산업육성에총력을집중하고있으며, 자동차경량화기술이가장현실적대안이며향후지속적증가할것으로예측하고있다. 자동차중량은연비효율을결정짓는핵심요소로써, 차량경량화는연료소비및배기가스배출감소와더불어주행저항감소, 제동성, 조종안정성향상등차량전반의성능을부가적으로향상가능하다. 따라서 Toyota, Volkswagen 등글로벌자동차 OEM들은연비향상을위한자체적인경량화플랜을설정하고관련기술고도화에주력하고있다. 자동차의무게를 100kg 경량화했을경우, 하루평균연료 160만리터, 온실가스 2백만kg 절감효과를달성할수있다 ( 신규차종 8백만대규모, 하루평균 50km주행, 평균연비 12km/L 기준시 ). 자동차경량화를위한소재산업확대예상하면, 비철금속 (Al, Mg), 고강성플라스틱, 복합소재로종류및수요가확대될것이며, 플라스틱소재의기능성에따른다양한고분자소재개발이필요하다. 자동차산업은약 27,000여개 / 대부품이소요되는산업으로다양한소재가적용되고있다. 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

11 표 2. 글로벌 OEM 사들의경량화플랜 회사 Ford Toyota VW GM Quote, Statement, or Commitment From 2011 to 2020 : "Full implementation of known technology... weight reduction of 250~750 lbs" "The use of advanced materials... offers automakers structural strength at a reducedr weight to help improve fuel economy and meet safety and durability requirements "Reducing weight will benefit the efficiency of every Ford vehicle. However, it's particularly critical to improving the range of PHEV and EV 10~30% weight reduction for small to mid-size vehicles "Automotive light weight solutions are necessary~~" "Multi-Material Concepts promise cost effective light weight solutions" "One trend is clear - vehicles will consist of a more balanced use of many materials in the future, incorporating more lightweight materials such as nanocomposites and Al and Mg." Aims to shed 500 lb from trucks by 2016, as much as 1000 lbs in early 2020s Mazda Reduce each model by 220 lb by 2015; another 220 lb by 2020 Nissan Renault, Peugeot Average 15% weight reduction by 2015 expanding the use of Al and other lightweight materials, and reducing vehicle weight by rationalizing vehicle body structure Target of 440 lb reduction (approx. 15%) by 2018 EV 등미래형친환경자동차에도경량화필요 EV(Eletrical Vehicle) 등유류를소비하지않는친환경자동차를개발하고있지만경량화에대한필요성은지속될것으로예상된다. EV가양산되어의미있는시장점유율을확보하기까지는많은기술적어려움과비용문제가있어과도기적으로 HEV(Hybrid Electrical Vehicle), PHEV(Plug in Hybrid Electrical Vehicle) 등이개발되고있는상황으로 Combustion Engine을사용하는자동차의비중이급격히줄어들가능성이낮다. 또한 HEV 및 EV 역시배터리용량때문에한번충전후이동가능한거리가제한적이므로이를극복하기위해배터리용량개선과경량화에대한필요가절실하다. 또한경량화된자동차소재는전기차및연료전지차에도쓰일수있는기본프레임으로활용가능하다. 따라서경량화는자동차업계가풀어가야할영원한숙제라고할수있다

12 경량화연구개발동향자동차의경량화연구개발은크게 3가지분야에서진행되고있다. 1) 자동차구조자체를합리화해경량화를추구하는방법, 2) 자동차재료를신규재료로치환해강도는강화하고중량은줄이는방법, 3) 프로세스상에서신공법을사용해경량화를추구하는방법이다. 자동차구조합리화는완성차업체를중심으로차체, 샤시부품업체와협력해진행중이며, 자동차신규재료관련은 EP(Engineering Plastic), 알루미늄, 마그네슘, 탄소섬유등을중심으로개발되고있다. 프로세스는 TWB(Tailor Welded Blanks), 레이저용접, 하이드로포밍 (Hydro Forming) 등의기술들이연구대상이다. 자동차경량화를위해서는위와같은기술들이통합적으로적용되어실질적으로미국경량차는 2004년 4,018lbs에서 2009년 3755lbs로 15% 감소하였으며이러한추세는지속될것으로전망된다. 그림 5. 경량화는구조, 재료, 프로세스중심으로연구개발진행중 재료경량화신소재 구조경량화구조 프로세스경량화신공법 알루미늄, 마그네슘 고장력강 금속거품 (Metal Foams) 플라스틱 섬유유리 (Fibre Glass) 탄소섬유 (Carbon Fibre) 샌드위치시트패널 (Sandwich Sheets) 튜브구조 최적용접설계 신구조 & 복합결합구조 Space Frames 부품소고 (Part Consolidation) 맞춤형블랭킹 (TWB) 최신용접프로세스 경량화소재용접기술 하이드로포밍 (Hydro Forming) 차체중량의감소 * 자료 : KART, 한국투자증권 경량화에서제일먼저고려되는것은차체구조의합리화이다. 자동차는크게차체 (Body) 와샤시 (Chasis) 로구분할수있다. 차체는사람이나화물을싣는부분으로차실, 엔진실, 트렁크등으로구성된다. 샤시는주행의원동력이되는엔진을비롯하여동력전달장치, 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

13 조향장치, 제동장치, 현가장치, 주행장치등의주요장치로구성되어있다. 그외프레임 (Frame) 은그위에각종장치가자리를잡고차체가설치되는자동차의뼈대와같은역할을한다. 하중을받고있는골격에대한최적화설계와각종부재의결합방법을개선하면경량화가가능해진다. 또한부품모듈화및일체화를통해부품수를줄여경량화를추구하는방법도있다. 모듈화는조립공정을단순화해코스트를절감할수있는장점이있다. 자동차구조합리화는동시에신소재적용을통해기존제의설계상한계를극복할수있으므로신소재특성에따른구조개선은지속될것으로예상된다. 경량화에서주력연구방향이라할수있는부분은소재의경량화이다. 우수한물성을갖는경량재료의개발과기존재료의제조방법개선을통해특성을향상시키는방법이고려되고있다. 대표적인경량화재료로플라스틱, 알루미늄, 마그네슘등 3가지가있으며각각의특성에따라기존철강재료를대치해가고있다. 1 플라스틱은비중이가볍고설계와제조에유연성이있으며가공에따라내구성이향상되기때문에자동차부품소재로쓰이고있다. 2 알루미늄은고장력강판보다경량화효과가높고일반스틸보다충격흡수능력이뛰어난장점및주조성과가공성, 재활용가능등의장점으로자동차용재료로적극채택되고있다. 3 마그네슘은구조용금속재료중가장가볍고, 자원도풍부하며, Re-Cycling이용이하므로유럽, 미국등자동차선진국중심으로자동차부품수요가증가해왔으며향후에도지속적으로비중이확대될것으로예상한다

14 그림 6. 일반자동차구성재료변화앨리스샤시 * 자료 : KIMS 재료연구소, 한국투자증권 자동차경량화는우수한물성을가지는경량신소재의개발과기존재료의기계적성질을향상시키는두가지방향으로연구가진행되고있으며, 현재연구되고있는경량금속소재로는탁월한중량감소효과를가지는알루미늄, 마그네슘등의경량금속과기존스틸소재의기계적성질을향상시켜높은강도를가지는고강도, 초고강도강등이있다. 점증되는연비관련규제강화로인하여자동차의경량소재활용이증가되고있는추세이다. 그림 년및 2030 년산업분야에서소재적용예상 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

15 자동차부품은사용부위에따라요구물성이다르기때문에각부품당요구물성에적합한소재를적재적소에적용하는것이매우중요하다. 또한, 자동차산업에있어서소재선정시우선고려사항으로는가격경쟁력과경량화, 성형성으로조사되었으며, 자동차용경량화소재역시가격경쟁력확보가우선시되어야한다. 그림 8. 자동차용경량화소재구분 플라스틱은가볍고설계와제조에유연성이있으며가공에따라내구성이향상되기때문에자동차부품의상당수를대체하고있다. 또한금속재료보다가공성이높아내장부품에이어동력전달장치, 엔진부품이나외장부품에도확대채용되는추세이다. 엔진부품으로서실린더헤드커버, 흡기매니폴드, 라디에이터탱크등외장부품에는범퍼, 휠커버, 헤드램프렌즈, 도어핸들, 퓨얼리드등이수지화되어왔다. 그림 9. 엔지니어링플라스틱차체적용 자료 : 코프라 14 15

16 자동차용플라스틱제품중가장사용비중이높은것은 PP(Polypro pylene) 로사용량의 33~52% 수준을점유하고있다. PP는열가소성이높고내구성이우수한특징이있다. 복합PP의경우유리섬유등을충진재로사용하며가격경쟁력이있어주로범퍼, 글로브박스, 인스트루먼트패널, 도어트림, 엔진커버등자동차각부분에사용된다. PA(Polyamide) 는강도, 내열성등이우수하며 10% 내외비중으로사용되고있다. 표 3. 차량별플라스틱사용비율 구분 BMW1 Toyota Aygo Renault Clio 플라스틱비율 20% 15% 13% 플라스틱총중량 279kg 128kg 167kg PP 33% 52% 48% PA 14% 95 7% PUR 14% 13% 13% ABS 7% 2% 2% PE 6% 8% 8% PVC 4% 3% 3% PBT/PET 3% 1% 4% PC 1% 3% 1% 아크릴수지 1% - - PPE 1% - 2% 열경화성수지 - - 2% 기타 15% 8% 11% * 자료 : ABEX 독일계특수화학기업인랑세스는최근아우디 A8에업계최초로프론트엔드모듈에플라스틱-금속하이브리드기술을적용해알루미늄에비해서도 20% 가량무게를줄였다. 또한얇은프론트엔드라인을구현할수있으므로디자인측면에서도우위를확보했다. 위와같이플라스틱은강도를향상시키기위해복합재료가연구되고있으며기술발전에따라차세대자동차에는내외장부품뿐아니라차체자체에도적용가능성이높아지고있다. 따라서플라스틱의비중은지속상승할것으로전망된다. 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

17 그림 10. 아우디에적용된랑세스플라스틱 * 자료 : 언로보도 알루미늄은경량화를위해주조품이엔진, 트랜스미션, 브레이크부품등에, 전신재는보닛과트렁크, 도어, 범퍼, 보디패널등의부위에광범위하게쓰이고있다. 알루미늄은철강재료보다비싼것과강도가약하고용접이어려운점은단점이지만, 경량화외에도높은열전도, 주조성과가공성, 재활용이가능한점등의장점이있다. 또한, 기존생산라인의설비의대대적인교체없이사용가능해자동차용재료로적극채택되고있다. 자동차용알루미늄사용비율은꾸준히상승하여 1980년대초전체자동차재료에서알루미늄이차지하는비율이 3% 이하였으나 2010년에는 8% 로높아졌으며, 앞으로도꾸준히상승할것으로기대된다. 알루미늄의경우비중이철의 1/3 수준으로경량성이탁월하며, 내식성, 열전기전도성및재활용성이우수하여자동차용재료로사용되면최고 40% 가량경량화를이룰수있다. Audi, Benz 등은선진메이커를중심으로판재, 압출 / 주조재로적용이확대되고있다. 하지만마모성이약하며가공이어렵고철강재료보다비싸고접합성의개선이필요하다는단점이있다

18 그림 11. 북미경량차의대당알루미늄사용량추이 (lb) 3.5% GAGR E 2015E 2018E 2021E 2025E * 자료 : Ducker 알루미늄은재활용성이우수하여자동차적용알루미늄합금의약 85% 이상이재활용가능한것으로알려져있다. 알루미늄소재의단점으로는낮은강성, 용접의어려움과스틸비대가격상승의문제점 ( 동일한성능을위해대략철강소재대비 1/2 사용할경우가격은오히려 2 배 ) 을가지고있으며, 알루미늄은실린더헤드, 엔진블록, 각종케이스류등에주로사용되어왔다. 그림 12. 자동차산업에서의알루미늄적용추세 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

19 마그네슘은구조용금속재료중가장가볍고 ( 비중 : 마그네슘 1.7, 강은 7.8, 알루미늄 2.7), 자원도풍부하며, Re-Cycling이용이하므로유럽, 미국등자동차선진국중심으로부품수요가증가해왔다. 진동흡수성이높다는점을살려스티어링휠의합금으로사용되는것을비롯해실린더헤드커버, 스티어링컬럼키, 실린더하우징, 클러치나트랜스미션의하우징등에사용된다. 또한철과거의반응하지않기때문에금형으로부터의전사성이좋고금형수명이긴점등다이캐스트제조시의유의성도갖추고있다. 따라서강성이필요하고형상이복잡한부품의경량화에매우유리한장점이있다. 하지만, 마그네슘은열용량이적어서성형과속도, 온도등공정변수의조정이어려워균열발생가능성이높고, 성형후상온에서제품특성변화가있는단점등이있어아직까지는알루미늄과비교시사용량이적은편이다. 그림 13. 차량한대당알루미늄 & 마그네슘사용량 (2004 년모델기준 ) (Ibs) 알루미늄 235 마그네슘 GM Ford DCX North America Europe Japan * 자료 : Ducker, Norsk Magnesium 자동차구조합리화및소재경량화외방법으로는제조공법자체를변화시켜경량화를꾀하는방법이있다. 장력강판을핫프레스방법을사용해기존차량보다강성은높이면서무게는줄이는방법, Roll 성형을통해각진파이프, V자형상, 8자형상등여러가지형상의부재에적용하여경량화를추구하는방법등이있다. 이중핫스탬핑공법은전기제어기술을활용해섭씨 900도이상의 18 19

20 고온가열후금형에서성형과동시에급냉각을통해강도를개선하는공법으로원소재는가공전에비해 3 5배가량높은강도를지니게되며기존소재에비해 2~3배가량의강도향상효과와 20~30% 가량의경량화효과를얻을수있는첨단공법이다. 국내에서는포스코, 현대하이스코, 엠에스오토텍이핫스탬핑기술을보유하고있다. 현대차는그랜저 HG, 벨로스터, YF소나타 ( 유럽형 ) 등최근출시한차종에핫스탬핑이적용된부품을주로차체 Side류에사용하고있다. 그림 14. 핫스탬핑공법및적용분야 * 자료 : 엠에스오토텍 핫스탬핑공법은향후적용분야가확대되면서사용비율이늘어날것으로보이는데 1 핫스탬핑은철강재에사용되는공법으로알루미늄과플라스틱에비해보다현실적인대안으로평가받고있으며, 2 대량생산을통해가격이기타소재대비저렴하게유지될수있기때문이다. 이미해외의유수차량메이커인 BMW, 볼보, 폭스바겐등에서는점차그비율을늘려가고있는추세로경량화에초점을맞추고있는국내메이커도핫스탬핑부품장착을빠르게확대할것으로예상된다. 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

21 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 - 화학융합소재중심으로 - 트렌드 2. 새로운기회창출, 자동차용화학소재시장 20 21

22 트렌드 1. 자동차산업, 경량화기술이중요 약 7천만대에달하는거대한세계시장, 중국, 인도등신흥경제권의자동차대중화에따른견조한성장전망, 승용차만하더라도대당평균무게가 1,000kg이넘는중량, 이뿐만이아니다. 고가의내구소비재로품질과안전성이동시에강조되는자동차산업은첨단소재의경연장이기도하다. 무게를단 1kg 줄이기위해, 안전성을강화하기위해자동차기업들은경쟁하고있고, 이를구현해줄부품과소재를지속적으로요구하고있다. 자동차기업이요구하는우수한물성을제공할경우소재기업은안정적물량과함께높은수익을보장받을수있다. 소재기업들이자동차시장을매력적으로보는이유이다. 자동차산업에서는엔진을중심으로한내연기관자동차가대부분을차지하고있다. 이에따라적어도중량면에서는가격과기능의조화가가장우수한철강이주축소재의지위를고수하고있다. 제품에따라다르겠지만승용차기준으로철강이 60 70% 의중량을차지하며, 나머지가알루미늄, 마그네슘, 유리, 고무, 플라스틱등의다양한소재로구성되어있다. 자동차연비규제에따라철강의 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

23 비중이감소하는추세이나, 그속도는매우완만한것으로보인다. 자동차기업들의입장에서는전체산업구조에큰변화가없는한경제성과안정성을희생하면서까지기존소재를대체할유인이없었기때문이다. 향후에도이러한추세는지속될것인가? 결론부터말하자면그렇지않을것으로보인다. 최근시장에서자동차산업구조에중대한영향을미칠만한환경변화요인이감지되고있기때문이다. 자동차산업의환경변화세계경제침체는 100년만의위기 라고할정도로자동차산업에치명적인타격을몰고왔다. 선진국을중심으로자동차판매가급감하면서기업들의가동률이떨어졌고, 실적도줄줄이적자로돌아섰다. 급기야크라이슬러와 GM이연달아파산하면서, 그동안세계자동차산업을지배해온 Big 3 구도 가종언을고하게되었다. 잘나가던도요타도예외는아니었다. 고유가역시자동차산업에는악재로작용한다. 소비자들이상대적으로수익성이좋은대형차를외면하기때문이다. 자동차기업들의입장에서는고유가시대에서의생존에대해고민하지않을수없는상황이도래한것이다. 자동차산업에대한직접적인환경규제도예전에는경험할수없었던현상이다. 온실가스규제강화와함께각국정부가연비또는온실가스배출량을규제하고있으며, 목표달성을하지못한기업은벌금을물어야할형편이다. 특히세계경제침체이후각국정부가경기부양책의일환으로녹색성장정책을내세우면서연비규제가오히려강화되는경향이나타나고있다. 대표적으로미국의오바마정부는자국자동차산업의경쟁력강화를명분으로기업평균연비 (Corporate Average Fuel Economy, CAFE) 목표수준을상향조정하고달성시한을 2020년에서 2016년으로 4년앞당긴바있다

24 결과적으로자동차기업들은경기침체, 고유가, 환경규제강화라는 3중고에시달리고있다고할수있다. 기업들이처한상황이전례없이심각하다는데에는이견의여지가없지만문제는그것만이아니다. 경기침체를제외한요인들의파괴력이심상치않아보이기때문이다. 급성장하는전기자동차본격적인자동차시대의개막을알린 T형포드 (1908년) 가발매된지도 100년이지났다. 그동안자동차산업은눈부신발전을거듭했고, 그중심에는엔진이있었다. 각종소재, 전기전자기술등의도입을통해엔진의효율은비약적으로상승했으며, 기술발전은아직도현재진행형이다. 전기자동차, 연료전지자동차등내연기관자동차를대체하려는시도가꾸준히이루어져왔으나, 내연기관자동차가지닌성능이나신뢰성, 가격경쟁력을따라잡기에는턱없이부족하다는의견이지배적이었다. 그러나최근들어이러한분위기에조금씩균열이나타나고있다. 가장큰변화는엔진과전기모터를동시에이용하는하이브리드전기자동차 (Hybrid Electric Vehicle, HEV) 의약진에서비롯된다. HEV가시장에등장한지는 10년이넘었지만아직까지비중은지극히미미한수준이었다. 1997년도요타가 프리우스 (Prius) 를발매한이래지금까지누적판매대수는 2008년말 120만대수준에지나지않는다. 그러나각국정부가경기부양책의일환으로노후자동차의신차교체지원및환경친화적자동차에대한세제우대정책을실시하면서상황은급변한다. 고유가와환경규제강화를우려한소비자들이 HEV 시장으로몰려든것이다. 일본의경우지난 5월전체신차판매중도요타의프리우스와혼다의인사이트단두개차종의점유율이 10% 를넘어선것으로나타났다. 현재 HEV 시장을주도하고있는도요타는프리우스의수년내 100만대판매가가능할것으로내다보고있다. 엔진없이모터만으로구동하는전기자동차 (Electric Vehicle, 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

25 EV) 에대한기업들의관심이높아지고있다는사실도주목할만하다. 전기자동차에가장적극적인기업으로는일본의미쓰비시자동차와닛산등을들수있다. 특히 Leaf 라는전기자동차양산차종을발표한닛산은글로벌시장공략을통해 HEV 시장에서도요타와혼다에대한열세를단숨에만회한다는전략이다. 전지부터완제품생산까지를수직계열화한닛산은 2010년우선일본에서 5만대의생산능력을확보하고, 2012년에는미국에추가로 15만대 ( 전지 20만대포함 ) 의생산시설을구축한다는계획이다. 자동차산업의패러다임변화 HEV를포함한전기자동차시장의급성장은분명히예상치못한결과이나, 그렇다고해서이러한호조가일시적인현상에그치지는않을것으로보인다. 오히려최근의호조는전기자동차가그동안의니치시장위치에서벗어나주류시장으로성장하는계기로작용할전망이다. 이러한전망의근거로는전기자동차기술의급속한발전과기업들의경쟁적인참여움직임을들수있다. 도요타가발표한 3세대프리우스는이전모델에비해연비는향상된반면가격은동등한수준으로책정되었다. 동일출력가솔린자동차와비교해서도경쟁가능한수준이다. 도요타는이를위해부품기업과공동으로전체부품의 90% 가까이를새로개발하는등철저한원가절감에주력했다고한다. 도요타가현수준에서도 HEV의경쟁력확보가가능하다는사실을증명하자, 그동안반신반의의태도로방관하던경쟁기업들이적극적인자세로돌아서기시작했다. 가장적극적인기업은혼다이다. 엔진의혼다 로통하던혼다는신임사장의취임과함께도요타에대항하기위한 HEV 강화전략을선언하고나섰다. 향후 20년후에는모든자동차가 HEV가될것이라는발언도이전의시각과는달라진것이었다. 디젤엔진개발이중단되었고, 자동차경주대회인 F1에서도 24 25

26 철수하였다. 반면전지기업인 GS유아사와전지합작기업을설립하였고, 사장이연구소소장을겸임함으로써 HEV 개발에박차를가하기시작했다. 전기자동차개발에적극적으로나서고있는기업들은비단일본기업들만이아니다. GM, 포드등미국기업은물론 BMW, 벤츠, 폭스바겐등클린디젤엔진에강점을지닌유럽기업들도최근들어전기자동차시장참여에적극성을보이고있다. 개발도상국시장의성장잠재력을무시할수없다는평가도나온다. 현재전기자동차시장은주로선진국중심으로형성되어있는데, 향후환경규제가강화될경우이것이개발도상국으로까지급속히확대될수있다는것이다. 실제로중국은국가차원의전기자동차육성과함께 2011년전체자동차수요의 5% 수준인 50만대를전기자동차로생산한다는계획이다. 자동차산업전체의관점에서전기자동차시장성장이중요한이유는무엇인가? 앞서도설명했듯이 HEV는모터와엔진을함께이용한다. 엔진만을동력원으로이용하는경우에비해엔진이차지하는비중은작아질수밖에없다. 모터만을이용하는전기자동차경우에는아예엔진이필요없게된다. 즉 HEV를포함한전기자동차시장의성장은 100년넘게이어온내연기관중심의자동차산업질서가일정부분재편됨을의미한다. 다수의부품기업과수직적관계를맺고있는완성차기업중심의경쟁구조가근본적으로흔들릴수있고, 핵심역량의변화에따라전혀새로운배경의경쟁기업참여가가능하게된다는것이다. 이러한현상은이미부분적으로나타나고있다. 자동차기업들이전지기업들과대등한관계에서합작내지는제휴관계를맺는가하면엔진관련부품기업들은전기자동차와관련한새로운사업기회모색에나서고있다. 중국의대형전지기업인 BYD가전기자동차생산을선언하고나선것또한매우상징적이다. 향후검증이필요하겠지만전기자동차의가장핵심부품은전지이며, 따라서전지를가장잘만드는기업이전기자동차에서도최고가될수있다는 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

27 논리가성립할수있기때문이다. 전기자동차의장기적인성장잠재력이높은것은분명하지만, 자동차산업이당장전기자동차중심으로재편될수있는것은아니다. JP 모건등의전문기관들은전기자동차 (HEV 포함 ) 가고성장을하더라도 2020년비중은 20% 내외에그칠것으로전망하고있다. 향후상당기간전기자동차는아직다수를차지하는가솔린이나디젤엔진자동차와공존할수밖에없다는것이다. 이에따라전기자동차로의전환과함께기존자동차의연비향상노력또한중요해질전망이다. 연비규제로인해지속적인엔진효율의강화와함께획기적인차체경량화방안이등장할것으로기대된다. 주요완성차업체들의활발한기술제휴연료전지차분야에서는현대차가 2013년양산을시작하며주도하고있다. 현대차는 2013년 2월울산공장에연료전지차대량생산설비를구축, 3월 EU 공모수소연료전지차 2차시범운행사업에단독으로재선정, 6월덴마크코펜하겐시에투싼ix 연료전지차 15대를전달하는등적극적행보을하고있다. 주요완성차업체들은기술개발을목적으로올해들어활발히제휴를맺고있다. 도요타와 BMW가 2011년말친환경차기술개발협력을골자로리튬이온배터리공동개발을합의한데이어, 1월도요타가 BMW에동력및저장장치등연료전지차기술을, BMW는경량화기술을제공하기로발표하였다. 포드와다임러도 2008년공동출자회사를설립해연료전지차개발을시작한가운데, 1월르노닛산이기술의공동개발을위한제휴에참여하였다. 포드는공동개발계획, 닛산은배터리개발, 르노는양산적용시비용절감책, 다임러는연료전지시스템개발을맡는등역할을분담하고있다. 연료전지분야기술특허선두업체인 GM과혼다는독자개발노선을고집했으나 7월공동개발계획을발표하며제휴를시작하였다. 미국 26 27

28 무공해차의무판매규제 (ZEV) 에대응하기위해업체별로양산시점을앞당길계획이다. 도요타는 5만달러이하의모델을 2014년, 르노닛산, 다임러, 포드는 2017년, GM과혼다도 2020년모델을출시할예정이다. 연료전지차시장선점을위해기술개발기간을단축하고막대한비용을분담하기위한전략적선택이진행되고있다. 연료전지차시장이본격화되기까지기간은불투명한상태이지만친환경차의궁극적인형태인연료전지차의기술개발을위해서는막대한비용이소요되어다양한형태의친환경차개발을동시에추진하기에는부담이가중되고있다. 긴주행거리, 짧은충전시간과함께대중판매가가능한가격의양산모델개발을위해서는비용절감이필수라는점도업체간협력을가속화하고있다. 업체간제휴는연료전지차의기술특허를대거보유하고있는일본업체들이주도하고있으며, 일본업체들은제휴업체를통해미국, 유럽에서정부접근성확대및조기인프라구축을기대하고있다. 그림 15. 연료전지차분야업체간제휴현황 기술보관 99 년최초모델 공동개발주관 94 년최초모델 운전시스템기술보유 03 년시범운행 연료전지기술우위 양산단계에서비용절감담당 08 년 JV 설립 13 년르노닛산 2017 년양산모델출시 연료전지차기술 기술교환 연료전치자미개발 경량화기술 94 년개발시작 15 년 1 차양산화 2015 년협약, 2020 년시판 미국최다특허보유 미국특허보유 2 위 15 년양산목표 2020 년공동개발모델출시 독자개발 최초양산체제구축 투싼 ix 출시 15 년 1 천대판매 독자기술보유 / 양산계획無 자료 : IHS, MarkLines, 언론사종합, 한국자동차산업연구소 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

29 부품업체영향력확대 글로벌부품업체들은친환경차의핵심시스템을독자개발하여 완성차업체에공급하고있다. 델파이는고출력은유지하면서 배기가스는절감하는하이브리드차전용고전압와이어링하네스 1) 를 개발하여페라리에공급하고, 페라리는이시스템을 하이브리드모델라페라리에장착하였다. 지멘스는유럽, 베트남에서 운행되는버스의디젤하이브리드시스템 (ELFA) 을공급중이며, 이 버스는전기차모드로일정구간을운행할수있으며연료효율이최대 50% 높다. 보쉬, ZF 등은산학협력및완성차업체와공동개발을통해 친환경차핵심기술개발에역량을집중하면서기술주도권을 확보하고자한다. 글로벌자동차부품업체 1 위인보쉬는하이브리드 시스템, 플러그인하이브리드시스템, 신형전지등친환경차핵심 기술의개발을위해자동차업계최고수준인매출액대비 9.1% 의 기술개발투자를시행하고있다. 3 위컨티넨탈도연비를 10% 이상 개선한 48V 전기시스템과전기만으로 50km 를주행할수있는독자 개발한플러그인시스템을개발하였다. 변속기전문업체인 ZF 도 유도모터장착으로출력과토크를향상한전기차용구동기구와타 부품업체와협력을통해차세대트랙션모터를개발하였다. 표 4. 글로벌부품업체의친환경차부품개발동향 업체개발내용개발형태 보쉬 유압식 HEV 시스템 - 연비 30% 향상, 2016 년 ~2017 년실용화고출력모터사용한 HEV 시스템 - 연비 25% 향상 PHEV 시스템 : 모터이용주행거리 60km 신형전지개발유압식 HEV 시스템 - 연비 30% 향상, 2016 년 ~2017 년실용화 독자개발 전지사업합작회사 (GS Yuasa, 미쯔비시상사 ) 1) 와이어링하네스 : 전력, 신호를전달하는자동차용전기배선시스템 28 29

30 업체개발내용개발형태 ZF 컨티넨탈 EV 용차세대트랙스모터 - 경량화 / 원가절감목표, 독일정부 1 천만유로지원 EV 용구동기구 - 유도모터장착으로출력 / 토크향상 48V 통합전기시스템 PHEV 시스템 컨소시엄 ( 보쉬, 인피니온, 지멘스, 아헨공대등 ) 독자개발 독자개발 * 자료 : 언론사종합, 한국자동차산업연구소 자동차용화학소재시장동향자동차연비와직결되는경량화재료는자동차기업이나소재기업들이이미오래전부터추진해왔던과제이다. 그러나연비규제의강제성이약해실제적용은경제성이충족되는범위내에서제한적으로이루어졌을뿐이다. 이러한점에서최근각국이추진하고있는자동차연비규제강화는경량화재료연구를다시활성화시키는계기가될것으로기대된다. 연비에민감한전기자동차의비중이확대될것이라는점도경량화재료수요에는긍정적요인으로작용할전망이다. 오토이브이재팬 (AutoEV Japan) 이라는일본의벤처기업은자사가개발한전기자동차의경량화를위해알루미늄합금프레임과함께차체에는합성수지의일종인 ABS수지를채용한바있다. 현재자동차경량화와함께가장주목받는소재로는탄소섬유강화플라스틱 (Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP) 과엔지니어링플라스틱 (Engineering Plastic, EP) 을들수있다. 먼저 CFRP는뛰어난물성에도가격이워낙비싸고성형이어려워지금까지는경주용차나고급승용차의디스크브레이크, 브레이크패드, 리어스포일러등에일부만이이용되어왔다. 그러나도레이, 데이진, 미쓰비시레이온등탄소섬유기업들의적극적인노력과정부의적극적인지원에힘입어본넷이나지붕등자동차차체에대한적용가능성이높아지고있다. 도레이는 2001년부터정부지원하에닛산, 일본내 6개대학등과 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

31 공동으로 CFRP의성형시간단축연구를수행하고있으며, 2008년에는 A&A(Automotive and Aircraft) 센터를설치, 본격적인고객개척활동에돌입한상태이다. 자동차수요침체로고전하고있는 EP 역시연비규제강화에따라장기적으로는수요가호조를보일것으로기대된다. 이미듀폰, BASF, 다우, 티코나등세계적인 EP기업들을중심으로금속부품을대체하기위한시도가활발히전개되고있는상황이다. 엔지니어링플라스틱 (EP) _ 나일론수지글로벌 EP(Engineering Plastics) 시장은 2008년리먼브라더스사태이후침체되기시작한데이어 2011년에는일본동북지방대지진, 타이대홍수의영향을크게받은것으로나타났다. 그러나신흥시장의경제성장을바탕으로회복세로전환되어최근에는안정적으로성장하고있다. EP는내열성, 내약품성, 기계적특성이우수하며경량화, 소형화, 박형화에적합한고기능소재로수요가확대되고있다. 자동차, 전기전자부품, OA기기, 가전, 생활용품등다양한용도로활용되고있고에코자동차, LED(Light Emitting Diode) 등새로운용도개척이활발하게진행되고있기때문이다. 나일론 (Nylon) 수지시장은중국을비롯한아시아수요확대로안정적인성장을지속하고있다. 리먼브라더스사태이후세계경제침체로시장이급속하게축소되면서가동률을감축하는사태가벌어졌으나각국의경기부양책이성공함으로써 2009년후반부터 2010년까지수요가회복세를나타냈다. 2011년에도 2010년과비슷한신장률이예상됐으나일본동북지방대지진, 타이대홍수의영향으로수요정체가불가피했다. 2012년에는자동차생산확대로수요가증가할것으로기대됐지만액정TV 등전기전자용수요침체가계속됨에따라 2013년이후리먼브라더스사태이전수준을회복할수있을것으로예측되고있다. 다만, 나일론 12는독일 Evonik 공장사고의영향으로수급이타이트해지고있다

32 나일론은슈퍼EP에비해코스트경쟁력이뛰어나고기계적밸런스, 내열성이우수해자동차, 전기전자, 가전, 건축등에다양하게활용되고있으며, 최근에는금속대체소재로채용이늘어나나일론 6, 나일론 66 모두연평균 5% 수준의안정적인신장이기대되고있다. 나일론수요는자동차용이중심이지만뛰어난내열성, 내약품성, 내유성, 내용제성을바탕으로용도가더욱확대되고있다. 자동차, 전기전자기기생산기업들이잇따라신흥시장에진출함으로써나일론생산기업들도사업기반강화에박차를가하고있기때문으로, 일본은엔고가시작된 2011년이후생산라인의해외이전을가속화하고있다. Ube Industries는나일론 6 사출용금속접착용도를적극적으로개발하고있으며나일론 12는연료튜브등의다층화를추진하고있다. 또한신규수지 Polyoxamide 시장을확대하기위해마케팅을진행하고있는것으로알려졌다. Ube는일본에서는부가가치가높은고기능제품을생산개발하는한편타이에서는벌크제품의코스트경쟁력을강화하고있으며, 스페인에서는고부가가치용중합설비신증설을검토함으로써개별공장의기능및역할을명확히구분하고있다. 나일론 66 메이저인 Asahi Kasei Chemicals은 300 가넘는고융점나일론을개발해샘플공급을시작했으며자동차엔진주변부품, 전자부품, 생활의류관련잡화등다양한용도에서채용을기대하고있다. 또한고강성, 우수한외관및성형성을보유한 <LEONA90G 시리즈 > 를증설해특수그레이드판매를확대할계획이다. 나일론 6, 나일론 66, 나일론 610를생산하고있는 Toray는현재진출해있는아시아와신흥시장사업을확대하고글로벌화에박차를가할방침이다. Toray는 2011년부터인디아현지컴파운드생산기업에게위탁생산하고있으며중국, 인도네시아에도거점을확충함으로써현지수요에빠르게대응할수있는체제를구축할계획이다. 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

33 MEP(Mitsubishi Engineering Plastics) 는 MXD6계나일론용도개척을가속화하고있다. MXD6계나일론은강도가우수하며필러배합률이높아도깨끗한외관을유지할수있기때문에자동차사이드미러스테이, 바깥손잡이등에투입되고있으며건축자재, 모바일기기본체등용도확대를기대하고있다. Toyobo는국내외판매및컴파운드공급거점을확충함과동시에고융점나일론 <Biroamide> 의신규용도를개척하고있다. <Biroamide> 는기존제품에비해흡수율이약 1/3 정도낮아표면실장기술 (SMT) 부품용으로활용되기시작했으며최근에는 LED용으로사용됨에따라 2014년풀가동체제로전환할방침이다. 엔지니어링플라스틱 (EP) _ PC PC(Polycarbonate) 는투명성, 내열성, 내충격성, 광학특성, 성형가공성등이뛰어나전기전자부품, OA기기, 광디스크, 자동차부품등폭넓은용도로채용되고있다. 세계 PC 수요는 2011년후반세계경제침체의영향으로감소했지만 2012년에는증가한것으로추정되고있다. 다만, 기존성장률인 6-7% 를회복하는것은 2013년이후로예측되고있다. 최근에는 PC, 휴대전화, 디지털카메라등의본체, FPD(Flat Panel Display) 관련소재, LED조명, BD(Blue-ray Disk) 를중심으로수요가확대되고있으며스마트폰, 태블릿 PC 등디지털기기용도주목되고있다. 자동차용은헤드라이트와내장부품에주로사용됐으나앞으로는수지그레이징 (Grazing) 이대규모수요처로기대되고있다. 수지그레이징은유리에비해경량화모듈화가용이하고잘깨지지않으며깨지더라도산산조각나지않는것이특징으로부각되고있다. 또한복잡한형태에대응할수있고안전도향상이용이해유리대체소재로각광받고있다. 이에따라유럽에서는사이드윈도우, 선루프에사용되고있으며최근일본에서도채용되기시작한것으로알려졌다

34 MEP가개발한열안정성이우수한수지그레이징용 PC 소재는도요타 (Toyota) 의하이브리드자동차 <Panorama Roof> 에채용되고있다. Teijin Chemicals은독일 Free Grass와공동으로개발한수지그레이징을프랑스 Sitroen의신형자동차 <Quarter Window> 에투입하고있다. LED용개발및용도개척도활발해지고있다. Sabic Innovative Plastics은 LED용신규그레이드를잇달아개발해시장에투입하고있으며미국안전검사규격 (UL) 94V-O의난연기준 1.5mm를통과해판매를꾸준히확대하고있고박형그레이드판매도곧시작할것으로알려졌다. Teijin은자동차 LED 헤드라이트, 스마트미터등신규용도개척에주력하고있다. Bayer MaterialScience는 PC가경량화와디자인성이용이한점을활용해 EV(Electric Vehicle) 용부품및충전기기등으로공급을확대하고있다. 세계 PC 시장은공급량확대로범용화가진행되는한편고기능및고품질이요구되는첨단제품용에서하이스펙화가진행되는등양극화가뚜렷해지고있다. 이에따라 PC 생산기업들은시장의요구에맞추어 High-End용과 Middle-End용, Low-End용을개발해라인업을확충하고있다. 또한유럽, 일본의영향력이상대적으로축소되고있어생산, 소비비율이급증하고있는아시아가급격하게대두되고있다. 특히, 중국에서 PC 생산기업들이생산능력확대에박차를가하고있다. Mitsubishi Chemical이 Sinopec(China Petroleum & Chemical) 과합작으로 Beijing에 6만톤, MGC(Mitsubishi Gas Chemical) 가 Shanghai에 8만톤플랜트를건설할계획이다. MEP가판매를담당하면서 2011년부터마케팅활동을진행하고있다. Bayer은 Shanghai에 20만톤신증설을계획하고있으며기존설비도생산능력을확대함으로써 2016년까지 50만톤생산체제를구축할방침이다. Sabic은 Sinopec과공동프로젝트에합의했으며사우디 Jubeil 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

35 공업지구에 26만톤플랜트를건설했다. Jubeil 플랜트에서생산하는 PC는기존브랜드인 <Lexan> 과다른컨셉으로범용분야에서 <Sabic PC> 라는새로운브랜드로공급하고있으며중국시장을중심으로영향력을강화할것으로예상되고있다. 엔지니어링플라스틱 (EP) _ PBT PBT(Polybutylene Terephthalate) 는 EP 중에서도강도가높고성형가공성, 내약품성, 전기특성이우수해자동차부품, OA기기, 전기전자부품을중심으로 2008년상반기까지수요가꾸준히확대됐으나하반기에는세계경제침체의영향으로수요가급감했다. 다만, 2009년하반기에회복세로전환된데이어 2010년에는자동차, 전자분야를중심으로신장세가이어졌다. 세계 PBT 수요는 2010년 70만-75만톤으로정점이었던 2007년수준을회복한것으로추정되고있다. 2012년에도증가세를유지함으로써중장기적으로연평균 3-5% 신장할것으로예상되고있다. 특히, 중국에서는전기전자부품수요가크게확대되고있고, 일본은자동차를중심으로호조가예상되고있으나부품공장의해외이전으로시장중심이아시아로이동하고있다. PBT는핵심용도인전자제품의소형화및박형화흐름에따라치수안정성, 내충격성, 내열충격성향상이요구되고있고, 가전제품과조명용은난연성요구가높아짐과동시에탈염소화움직임이계속되고있어비염소계난연그레이드수요가증가하고있다. 자동차분야에서는전장화에따라 HEV(Hybrid Electric Vehicle), EV 등에코자동차의각종센서및모터용수요가확대되고있어 PBT 생산기업들은시장흐름에맞게용도를개척하는한편컴파운드생산을강화하고있다. Polyplastics은자동차분야를중심으로공급을확대하고있다. 2012년타이완의컴파운드공장을증설하고, 중국의신규컴파운드 34 35

36 공장도 2013년후반가동함으로써코스트경쟁력을강화할방침이다. Toray는자동차시장점유율을확대함과동시에 LED, 태양전지, 스마트그리드 ( 지능형전력망 ) 등환경관련그레이드판매를늘리는한편해외중합및컴파운드거점네트워크를활용함으로써현지요구에적합한차별제품개발에주력하고있다. Sabic Innovative Plastics은 HEV, EV 전지주변부품수요를기대하고있다. 전기전자용은 PET(Polyethylene Terephthalate) 병을재활용해원료로사용하는친환경그레이드로차별화를추진하고있으며, 박형성형이가능한난연그레이드로수익을확보할계획이다. MEP도에코자동차및 LED용신규그레이드를개발해적극투입하고있으며 Orient Chemical과공동으로신규레이저용착공법대응 PBT 개발에착수했다. 또한중국 Foshan에컴파운드공장을건설하는등글로벌공급체제정비를가속화하고있다. CAFE 규제강화로자동차용플라스틱경량화핵심소재부상친환경자동차정책이강화됨에따라플라스틱이고강도경량화소재로각광받고있다. 글로벌자동차기업들은미국정부의연비규제강화및하이브리드자동차의보급확대로경량화와소형화를통해연비를개선하고있다. 자동차의경량화는자동차무게의 80% 를차지하는금속류소재의강도를높여더욱얇게만드는방법과금속류소재를화학소재로대체하는방법을통해이루어질수있다. 지금까지는주로금속류소재의강도를단계적으로높여무게를줄이는노력이추진되었으나한계에도달하면서화학소재로대체하는방법이적극적으로시도되고있다. 자동차용플라스틱으로는 PP(Polypropylene) 를비롯해 PU (Polyurethane), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene), PVC(Polyvinyl Chloride), PA(Polyamide), PE(Polyethylene), PC(Polycarbonate) 등이사용되고있으며, 시장규모가연평균 20% 이상성장하고있다. 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

37 자동차의소재사용비중은 2010년기준금속 (Steel) 63%, 플라스틱 12%, 비철금속 (Nonferros) 10%, 고무 (Rubber) 4%, 기타 11% 로나타났다. 또한자동차용플라스틱의수요비중은 TPO(Thermoplastic Olefin) 38%, PVC 17%, PU 13%, ABS 9%, EP(Engineering Plastic) 18%, 기타 5% 로나타내고있다. 그림 16. 자동차의소재사용비중 그림 17. 자동차용플라스틱사용비중 그림 18. 자동차소재의무게비중 36 37

38 그림 19. 자동차소재의부피비중 그림 20. 고강도경량화소재의물성 Metrix 자료 : SRI Consulting 자동차연료인가솔린및디젤은연소되면서다양한물질이배출되며질소산화물, 미세먼지등은대기를오염시키고, CO2는지구온난화를가속화시키고있다. 특히, 환경오염에대한인식이높아짐에따라배기가스중오염물질과 CO2를감소혹은제거시키는친환경기술을채용한그린자동차 ( 친환경자동차 ) 가급부상하고있다. 국제유가가고공행진을지속하고각국정부의환경규제가강화됨에따라수요도꾸준히증가하고있다. 국제유가는 2007년하반기부터고공행진을지속해 2008년 7월에는배럴당 150달러수준까지폭등하고, 현재도 100~110달러수준에서등락함으로써소형및친환경자동차가부상하는계기로작용하였다. 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

39 도요타의친환경하이브리드자동차 Prius는 2006년 8914대를판매하는데불과했으나 2007년에는국제유가강세를타고 1만5844대를판매하였다. 미국에서도하이브리드자동차의시장점유율이 2006년 2% 에서 2008년 3%, 2010년 4% 수준으로상승한것으로알려지고있다. 2008년하반기에불어닥친글로벌경기침체로국제유가가하락하면서친환경자동차수요가일시적으로둔화되는양상을보였으나, 환경규제가더욱엄격해짐에따라자동차기업들은규제를충족시키기위한그린자동차개발에심혈을기울이고있다. 미국, 유럽, 일본, 중국등은배출가스규제및 CO 2 저감, 연비개선을강력하게요구하고있다. 미국은 LEV(Low Emission Vehicle), 타이어규제등을통해 2020년까지연비를약 30% 개선할것을요구하고있고, EU도 EURO 기준을제시하며 CO 2 배출량규제를강화하고있다. 미국은그린자동차관련핵심규제장치인 CAFE(Corporate Average Fuel Economy: 평균연비 ) 를갈수록강화하고있다. 버락오바마대통령은 2009년 5월 19일지구온난화를유발하는가스배출을억제하고석유수입의존도를줄이기위해자동차연비및배출가스규제강화대책을발표하고 2016년까지연비를리터당 14.8km로향상시키고배기가스를현재의 1/3 수준으로감축할것을의무화하였다. 개정된 CAFE 기준은승용차 27.5mpg, 경트럭 22.2mpg인기준을 2020년까지차종구분없이 35mpg( 리터당 14.8km) 로상향조정하도록강제하였고, 규제에서제외되었던대형 SUV 등도 2011년부터규제대상에포함시켰다. 오바마대통령의그린자동차정책에맞추려면연비를평균 30% 이상개선해야하는데, 승용차는연비개선작업이진척되고있어강화된연비규제를맞추기는어렵지않으나소형트럭은규제를통과하려면연비를 48.3% 개선해야하기때문에상당한연구가필요한상태이다. 자동차연비개선압력이가해지면서자동차의수지화가적극적으로추진되고있으며, 고강도경량화소재개발이강화되고플라스틱 38 39

40 수요가급증하고있다. 일본에서도 2013년포스트교토체제를앞두고도요타자동차, 닛산자동차, 혼다자동차등이연비개선에주력하고있다. 미국빅3는일본및한국자동차기업에비해비교에열위에있는것으로평가되고있다. 크라이슬러는 10년간연평균 4.1% 개선해야규제를충족시킬수있는반면, 도요타와혼다는연평균 1.7%, 현대기아자동차는연평균 2.0% 개선이요구되고있다. 1980년이후승용차및경트럭의연비개선율이연평균약 0.9% 에머무르고있는것을감안하면미국 Big3에게는달성이매우어려울것으로지적되고있다. 자동차소재의경량화는 1973년과 1979년오일쇼크이후저연비를위한대책으로대두되었고, 자동차의플라스틱사용비중은 1970년대 3% 에서 2000년대 12%( 중량기준 ) 로급상승하였다. 자동차기업들이강화되는연비규정을준수하기위해자동차경량화를적극추진하고있기때문이다. 자동차무게를 6~10% 줄이면연료는 5~7% 절감되는것으로알려지고있다. 플라스틱소재가금속을대체함으로써 HDPE(High-Density Polyethylene) 를이용한연료탱크는 50%, 배터리박스는 70% 의중량이줄어드는것으로알려졌다. 자동차용플라스틱은자동차대당평균 100kg 이상사용되고있으며자동차기업들이연비개선, 경량화, 재활용확대및제조원가감축등을목표로플라스틱사용을확대하고있어지속적인수요증가가전망되며, 자동차용플라스틱시장규모는약 5조원정도로추정된다. 자동차용플라스틱재활용시장현재폐차의재활용부품과철비철등금속류는비교적쉽게수거가가능해대부분재활용되고있으나자동차경량화요구에의해점차증가하고있는플라스틱류는거의재활용되지않아파쇄단계후 ASR로분류돼최종매립되거나소각되고있기때문이다. 자동차는국내에서연간폐기물량이가장많은소비재로매년 70만대 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

41 정도가폐차되고있으며경제적가치가 11조 5000억원에달하는것으로추정되고있다. 자동차재활용시스템은등록말소-폐차장-파쇄재활용분리-파쇄잔여물재활용 4단계로이루어져있으며, 폐차장에서자동차해체를통해재사용가능한부품과금속을분리하고, 파쇄재활용분리를통해철과비금속을수거하며, 이후파쇄잔여물재활용기업으로넘어가는구조이다. 그러나국내자동차재활용시장은대부분폐차장과파쇄재활용분리에만치중돼있고파쇄잔여물재활용은등록기업이전무한것으로알려져정부의지원대책이요구되고있다. 실제 2011년기준폐차장의해체수량은 92만2620톤에달하고재활용량이 53만3031톤으로재활용률이 57.8% 에달하였다. 파쇄재활용분리에서도철금속류재활용량이 2008년 18만2679톤, 2009년 18만8313톤, 2010년 22만1325톤, 2011년 26만318톤으로증가했고, 비철금속류는 2008년 2540톤, 2009년 2532톤, 2010년 2461톤, 2011년 2235톤이재활용된것으로나타났다. 그러나파쇄잔여물은 2008년 10만7634톤, 2009년 11만872톤, 2010년 12만7472톤, 2011년 14만6674톤발생했으나일부플라스틱류를제외하고는폐기물로써대부분매립되거나제철소, 시멘트공장의소각로열원으로활용된것으로알려졌다. 따라서국내폐자동차의재활용률은 2008년 82.5%, 2009년 84.1%, 2010년 84.5% 로지속적으로상승하고있으나 2011년에는 85.1% 로간신히법적재활용률을맞춘것으로나타나 2015년목표재활용률 95% 를달성하기위해서는플라스틱류의재활용개선이필수적인것으로지적되고있다

42 그림 21. 자동차자원순환개념도 파쇄잔여물은전체폐차중량의약 20% 를차지하고있으며플라스틱류 41.6%, 섬유 23.6%, 토사류 10.5%( 재활용중이물질유입 ), 고무 9.2% 등으로나타나고있다. 일본, 독일과같은선진국에서는파쇄잔여물의선별및에너지회수기술개발에대한연구가상당히진행되어있고상용화되고있는단계이지만, 국내에서는아직파쇄잔여물을대부분매립및소각처리에의존하고있어파쇄잔여물을물질별로분류하고재활용할수있는공정개발이시급히요구되고있다. 이에환경부는자동차생산기업들과긴밀한협력관계를유지해재활용률을높이고폐차장및폐차재활용기업등과친환경폐차재활용체계를구축하는등자동차생산기업과재활용기업의상생협력을도모한다는방침을세우고있는것으로알려졌다. 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

43 그림 22. 폐플라스틱재활용기술의구분 일본도요타자동차 (Toyota Motors) 가폐차의범퍼, 계기판 (Instrument Panel) 등에서회수한플라스틱을재활용하는 100% 순환형리사이클시스템을본격도입한다. 도요타는프로젝트에참가할수지리사이클기업 5사를선정했으며일부기업의리사이클소재는이미도요타가승인한것으로알려졌다. 도요타는 2011년부터 5년간제5차도요타환경대책플랜을추진하고있다. 이에따라순환형사회구축의일환으로신차 1대에사용되는수지의 20% 를재생수지및식물베이스등에코플라스틱으로전환하는기술을개발하고있다. 도요타는폐차 300만대가량을리사이클에활용할계획이어서폐차에서추출되는수지가약 30만톤에달할것으로추정하고프로젝트를통해 20% 인 6만톤을재활용할계획이다. 수지리사이클기업으로는도요타의협력기업인내외장부품생산기업 Kojima를비롯해 Ube Industries, Takaroku상사, Isono, Eikou물산을선정했으며, 폐차해체는 Kyushu에서 1사, Chubu에서 42 43

44 1사, Kanto에서 1사를선정했다. Ube Industries는이미재생 PP(Polypropylene) 를도요타의 HV (Hybrid Vehicle) 용으로공급하고있으며, Kojima도재생수지소량을부품생산기업에게판매하고있다. Takaroku상사등은 2013년공급을목표로하고있다. 일부에서는자동차최대메이저인도요타가 100% 순환형리사이클시스템을확립함으로써일본에서새로운대형비즈니스가창출될것으로기대하고있다. 다만, 폐차해체공정에서일반적으로절단기를이용해분쇄하기때문에다양한수지가섞여있고열화 ( 劣化 ) 정도가불규칙해재생수지의품질을안정시키는것이선결과제로대두되고있다. 도요타의자동차리사이클연구소는수지분별기술을개발하고있고, 프로젝트참여기업들은재생수지의고품질화및리사이클코스트절감을목표로연구개발에박차를가하고있다. 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

45 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 - 화학융합소재중심으로 - 트렌드 3. 자동차경량화를위한유망기술전망 44 45

46 트렌드 3. 자동차경량화를위한유망기술전망 친환경자동차개발을위한정책강화추세미국, 일본을비롯해선진국은 1970년대부터연비제한규제를시행해왔으며, 리우회의 (1992) 및교토의정서 (1997) 를시작으로글로벌온실가스감축을위한국제적공동대응노력이진행중에있다. 카타르도하에서열린기후변화협약당사국총회 (COP18) 에서 195개참가국은격론끝에 제2기 ( 期 ) 교토의정서체제 를출범 ( ), 한국은녹색기후기금 (GCF) 유치등의영향에따라향후의무감축국가입압박이예상된다. 자동차 ( 승용차, 영업용차량등 ) 배출대기오염물질은전체대기오염의 30% 이상을차지하고있으며, 특히대도시의경우최고 70% 이상을차지한다. 2009년기준일산화탄소 (CO) 73%, 질소산화물 (NOx) 36.6%, 미세먼지 (PM10) 8.9% 가오염원 ( 자동차 ) 으로배출되고있다. 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

47 표 5. 자동차에서나오는오염물질현황 ( 전국 ) ( 단위 : 천톤 / 년 ) 배출원합계 CO NO x SO 2 PM 10 VOC s NH 3 전국배출량합계 3, , 도로이용오염원 ( 자동차, 이륜치 ) 1,124 (30.8%) 618 (73.0%) 389 (36,6%) 0.80 (0.19%) 17 (8.9%) 89 (10.4%) 10 (3.6%) 출처 : 2012 환경백서, 환경부 중국은 2011년까지 3년연속세계자동차판매량 1위 (1,851만대 ) 를기록하고있으며, 이는베이징, 청도, 난징등대도시의 SOx, NOx, PMx 급증원인이되고있다. 미국석유파동 (1차, 1973년 ; 2차, 1978년 ) 을겪으면서에너지정책및보존법 (EPCA) 을제정 (1975년) 하고, 자동차제조사및수입사에대해일정수준이상의평균연비성능을의무화한 CAFE 제도를시행하고있다. CAFE(Corporate Average Fuel Economy) 는 1978년 18.0mpg의규제를시작으로, 1982년 2륜, 4륜및 Combined 차량까지규제를확대하였으며, 현재약 30.0mpg에육박하는규제치를제조사에요구하고있다. 대기청정법 에서는 NOx, CO, PMx, 포름알데히드등의배기가스를규제중이며, 대기오염이심각한캘리포니아주에대해선별도의배기가스규제기준을제정하는권한을부여하였다. 그림 23. 미국의연비규제시나리오 * 자료 : The U.S. Automotive Market and Industry in 2025, CAR(Center for Automotive Research)(2011) 46 47

48 일본대기오염방지법을통해 CO에대해 1966년 9월부터가솔린차량을대상으로 4측정모드농도규제가개시되었고, 가솔린 / 디젤차량의규제강화 (2000~2004년) 및新장기규제시행 (2005년) 을통한강력한자동차배기가스저감정책실시중에있다. 일본의디젤엔진규제는단기, 장기, 신단기, 신장기, 포스트신장기규제로구분된다. 그림 24. 일본의대형디젤차 PM 및 NOx 배출규제변화추이 * 자료 : 일본의경유차 PM / NOx 규제동향및저감기술, 김용우, 민준석, Auto Journal, 2008 EU 120여년의자동차진화에확보된선진환경제어기술을바탕으로 EURO 1 6단계까지배출가스규제와이산화탄소감축협약을통해 NOx, CO, CHx, PMx 등의배출량을단계적으로저감노력중에있다. 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

49 표 6. EU 승용차배기가스규제 LeverⅠ 시행시기 가솔린디젤 HC_NO X HC NO X CO HC_NO X NO X CO PM EUROⅠ EUROⅡ EUROⅢ EUROⅣ EUROⅤ EUROⅥ 중국 석탄중심의에너지소비구조와세계최고수준의자동차소비에 따라심각해진대기오염에대한대응책으로중국은주요도시의 대기오염배출한도제한과선진국수준의석유제품품질기준요구등 강력한정책드라이브를걸고있다. 베이징의 2013 년 1 월 PM 2.5 평균 농도가 m 3 당 180 μm로지난 3 년간동기대비 30% 이상상승하였으며, WHO 권장치의 7 배가넘는수치를기록하고있다. 중국의자동차보유량은 2 억 4,000 만대로미국 (2 억 5,700 만대 ) 과 거의차이가없으나, 극소수대도시를제외한대부분의지역에서 유통되는석유황함유량이유럽의 1,500% 에이르고있다. 중국 당국은 2013 년 2 월부터베이징에베이징 v 호 ( 황함유량 10ppm) 표준을 시행하고, 2013 년 3 월부터표준에미달하는차량은판매를금지하고 있다. 환경대기질기준 을 2016 년까지중국전역으로확대시행한다는 계획이며, 환경공기미세먼지오염방지기술정책 에서는 PM 2.5 를 기준으로오염이심각한지역은국가기준보다더욱엄격한배출기준을 요구할것으로공표하였다. 한국 대기환경보전법시행규칙 및 저탄소녹색성장기본법시행령 에 의거하여자동차유발온실가스 / 대기유해물질배출허용기준 마련하였다. 녹색성장위원회에서 자동차연비및온실가스기준 개선방안 을발표 (2009.7) 하였으며, 녹색성장기본법시행령 을 48 49

50 발표 (2010.4) 함으로써본격적으로자동차연비및 CO 2 기준정책이추진되고있다. 국내는그간산업육성중심의정책과제도시행을위한기반미비로인해비교적제도시행이늦은바, 미국수준이상의기준을설정하여국내온실가스배출을 2020년까지 BAU 대비 30% 이상감축을목표로하였다. 17km/L 이상및 CO 2 140g/km 수준이하로기준 ( 탑승인원 10인이하승용차 ) 을설정하고단계적으로적용 (2012년 30%, 2013년 60%, 2014년 80%, 2015년이후 100%) 하고있다. 자동차용연비개선을위한 4 가지주요전략 그림 25. 자동차연비개선을위한주요전략 자료 : 자동차부품연구원 ( 한범석센터장 ), KEIT 세미나자료 (2013) 엔진효율제고최근 Boosting device 또는 Direct injection technology 등을이용하여엔진의크기를줄이는대신내연기관의성능효율을향상시키는기술이적극적용중에있다. 주요방안으로는 1 터보차저 ( 연비터보 ), 2 GDI분사 ( 고압연소 ), 3 DCT 적용확대, 4 ISG(Idle Stop & Go) 시스템 ( 버스등적용 ), 5 엔진경량화 ( 경량소재적용 ) 등이있다. 엔진효율제고는소재부품경량화와더불어연비향상을위한현실적대안으로떠오르고있으며, 최근중대형세단시장을중심으로경량화소재부품선적용중에있다. 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

51 공기역학적차량디자인강화차량연비에영향을미치는차량주행에서발생하는공기저항을저감하기위한다양한디자인기술이개발및적용되고있다. 공기역학적자동차디자인의패러다임은신차의시각적효과를통한상품성증대는물론, 공기역학계수감소를통한연비효율성향상및소음, 진동등외부환경으로부터차량보호등다양한기능을가진다. 그림 26. 자동차의공기저항시험 * 자료 : 현대자동차 자동차소재부품의경량화기존철강소재의단점을극복하는고강도소재강판, 중공박육철계소재, Al, Mg 등경량복합소재및 CF, PP 등고분자소재의적용등이있으며, 차량연비개선여지가가장크고, 지속가능한현실적대안이다. 핫프레스포밍 (Hot Press Forming), 동종이종소재간의마찰교반 (FSW/ FSSW), 중공구조재료개발, 하이드로포밍등의뿌리기술을활용한구조, 프로세싱공법개발등도활발히진행중에있다. 그림 27. 알루미늄의부품별경량화효과 * 자료 : 유럽알루미늄협회 50 51

52 대체에너지차량개발강화중장기적인관점에서전기, 수소, 연료전지, Hybrid 등은내연기관에비해구조가단순하고, 이산화탄소, NOx, SOx 등의환경오염물질배출을저감하는친환경자동차개발강화추세이다. 경량화소재개발은그린카 2) 상용화를위한연료소비절감및전기에너지절약의효과를거둘수있다. 전과정평가 (LCA) 결과연료 ( 전기 ) 의생산과배터리제조폐기과정에서환경오염유발이일부발생가능하다. 그림 28. 친환경그린카시장동향 자료 : 그린카기술의현재와미래 ( 그린카 PD 실, 한국산업기술평가관리원 ) 자동차용섬유강화복합소재특성및트렌드탄소섬유강화플라스틱은철강소재물성을기준으로비강도 6배, 비중은 1/4 수준으로대표적인고강도경량소재이다. 테니스, 골프등스포츠용품 (16%) 과우주항공분야 (16%) 를비롯해신소재를적용한풍력, 태양광등신재생에너지 (23%), 자동차 (6%) 분야의수요가지속적으로증가중에있다. 3) 대량생산을위한금형성형공정구현의어려움으로단순형상의항공기구조물, 건축부자재, 스포츠용품등에국한되어사용되어 2) 그린카 : EV(Electric Vehicle), 수소, 연료전지, 하이브리드차량 3) 출처 : 독일탄소섬유협회연간보고서 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

53 왔으나기계적성능상자동차경량화에가장유리한소재로대두되면서다국적자동차메이커및소재기업을중심으로해당소재적용자동차부품개발추세가속화되고있다. 도레이 ( 日 ) 는프리커서에서제품에이르기까지이미수직계열화를갖추었으며, 그외 CYTEC( 美 ) 은탄소섬유합성, 합성수지복합소재개발을, BMW( 獨 ) 는고급차위주의차량부품적용등에큰강점을가지고있다. 현재탄소섬유강화플라스틱적용부품및제품들은 Autoclave, RTM (Resin Transfer Molding) 등의성형공정을통해요구되는형상으로제작되나해당공정들은성형품 1개당수십분에서수시간수준의공정시간이필요하다. 유리섬유강화플라스틱의경우섬유의함량을증가시킬경우사출성형을통한부품및제품생산난이도가매우높아진다. 단섬유, 장섬유형태의유리섬유가매트릭스수지에첨가되는형태임에따라섬유함량에따라사출성형난이도가판이해지며, 사출성형간다양한요인에의해발생되는섬유배향에따라기계적특성이달라진다. 자동차경량화를위한섬유강화플라스틱소재적용시에는해당소재의기존성형공정과는차별화된고품질 ( 설계성능유지 ), 대량생산 ( 수분이내 ) 공정기술이필요하다. 금속판재성형, 사출성형공정등을기반으로한섬유강화플라스틱소재적용압축성형, 인서트사출성형공정기술개발필요하다. 그림 29. 섬유강화플라스틱소재의 Resin Transfer Molding 공정개요 52 53

54 화학소재관련자동차경량화를위한유망뿌리기술차량용유리대체플라스틱 ICM(Injection Compression Molding) 금형성형기술차량용유리대체플라스틱 ICM 금형성형은기존유리를이용하던자동차윈도우및선루프를플라스틱으로대체하기위한플라스틱금형제작 / 성형기술이며, 차량용유리대체플라스틱 ICM 금형성형기술은기존소형투명사출성형품성형기술을대면적화할수있는 ICM 금형설계 / 제작기술과 ICM 공정을안정적으로구현할수있는성형기술로이루어진다. 차량용유리대체플라스틱의경우현재일부차종에서선루프대체용으로개발이진행되고있고, 자동차후면하부윈도우나쿼터글라스와같이소형의부품에만제한적으로적용되고있다. SABIC Innovative Plastics사 GM과함께 오펠플렉스트림볼트 (OPEL Flextreme Volt) 와 시보레볼트 (Chevrolet Volt) 컨셉트카를출품하였다. Teijin Chemical사는 PANLITE polycarbonate (PC) 수지를이용하여 Lexus LFA의 quarter windows를플라스틱으로대체하였다. 현대기아차는 Sabic Innovative Plastics과함께제 77회쥬네브국제모터쇼에서선진기술컨셉트카 (ATDV) 카르막 을선보였다. 그림 30. 차량용유리대체플라스틱기술개념및적용컨셉트카 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

55 대면적투명소재성형기술확보에따른타전략기술분야와융합으로 다양한디자인적용은물론, 건설자재부분의대면적유리재료적용 부분의대체가능성도기대된다. 자동차경량부품제조를위한섬유 (CF, GF) 강화복합소재성형기술현재탄소섬유강화플라스틱적용부품및제품들은많은공정시간이요구되는 Autoclave, RTM(Resin Transfer Molding) 등과같은성형공정을통해제조되므로이에대한혁신적인공정기술필요하다. 또한, 대량생산을위한금형성형공정구현어려움으로단순형상의항공기구조물, 건축부자재, 스포츠용품등에국한되어사용되고있는실정이다. 금속판재성형, 사출성형공정등을기반으로한섬유강화플라스틱소재적용압축성형, 인서트사출성형공정기술이핵심기술이다. 자동차경량화를위한섬유강화플라스틱소재적용시에는해당소재의기존성형공정과는차별화된고품질 ( 설계성능유지 ), 대량생산 ( 수분이내 ) 공정기술개발이핵심이다. 유럽, 미국및일본에서는자동차의혁신적인경량화를위하여 CFRP 차체양산적용을위한기초연구를정부지원중장기대형프로젝트로지속추진하고있다. 일본의도레이, 테이진, 미쓰비시레이온, 도호, 미국의 Zoltek사가성형이용이한자동차부품용저가 CFRP 소재개발을진행하고있으며, 특히도레이의경우 CFRP 관련선진업체로서자동차분야 CFRP 관련사업확대를통해관련시장을확대하고있다. 유럽, 일본의주요자동차제조기업및소재기업이자동차 CFRP 부품개발을주도하고있으나, 아직까지는컨셉트카, 미래형자동차등시제품수준의자동차차체에만국한적으로적용하고있는상황이다. 경량화효과가가장큰탄소및유리섬유강화복합소재를이용한자동차차체부품개발등은국내의경우아직까지전무한상태이다

56 최근국내자동차메이커와해외복합소재기업간의협업체제구축을 통한관련기술개발움직임은일부있으나매우미미한상황이다. 그림 30. 차량용유리대체플라스틱기술개념및적용컨셉트카 * 자료 : Lexus, Nissan( 일본 ) 부품및제품의소재로다양한장점을가진섬유강화플라스틱소재의타 산업군으로의적용확대로국가제조산업동반성장유도가기대된다. 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

57 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 - 화학융합소재중심으로 - 트렌드 4. 자동차경량화, 플라스틱소재로해결 56 57

58 트렌드 4. 자동차경량화, 플라스틱소재로해결 국내완성차업체들도연비향상을위해자동차경량화에노력하고있으며, 경량화를위한최적설계기술, 부품설계기술, 대체소재적용기술개발에주력하고있다. 특히대체소재적용기술개발을중점으로알류미늄, 플라스틱, 마그네슘, 복합소재등경량소재를적용하고있다. 그림 32. 국내완성차업체의플라스틱외장부품개발동향 자료 : 현대기아차 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

59 자동차경량화를위해서는가벼우면서도고강도특성을갖는고장력강부품, 고강도알루미늄부품, 고강도마그네슘부품, 기능성및고강성고분자부품, 금속고분자하이브리드부품, 나노복합고분자부품기술등의개발이매우중요하다. 그림 32. 국내완성차업체의플라스틱외장부품개발동향 자동차경량화소재, 범용수지및 EP 글로벌 EP(Engineering Plastic) 생산기업들이고부가가치경영을강조하며자동차시장에서우위를점하기위해노력하고있다. 자동차에는 PP(Polypropylene) 및 PE(Polyethylene), PVC(Polyvinyl Chloride), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 등범용수지와폴리우레탄 (Polyurethane) 이중점적으로사용되고있다. EP는 PA(Polyamide) 6, PA 66, PC(Polycarbonate), POM(Poly acetal), PBT(Poly- butylene Terephthalate), PPS(Polyphenylene Sulfide), 변형 PPE(Polyphenylene Ehter) 가사용되고있는가운데자동차도친환경이일반화되면서경량화가활발히진행되고있어 PA 6, PA 66, PBT 채용이확대되고있다. 자동차무게가 100kg 줄어들면 km당이산화탄소 (CO 2 ) 배출량이 10g 감소하고, 100km당연료 0.4리터를절약할수있는것으로나타나고있다. 강철무게의 6분의1에서 7분의1 정도에불과한가벼운플라스틱이자동차경량화의필수소재로부상하고있어자동차대당플라스틱소재가차지하는비중이 2020년까지연평균 7% 상승할것으로전망되고있다

60 특히, 세계경기침체로자동차시장의성장이주춤하고있으나 2015년부터다시성장세를이어가자동차용플라스틱수요도꾸준히증가할것으로예상되고있다. 하지만, 국내자동차소재생산기업들은가격경쟁을통해경쟁우위를추진하고있어고부가가치제품으로전환하려는외국기업들에게크게뒤처지고있다. 그림 34. 자동차경량화가능영역비중 * 자료 : 화학저널 자동차소재로사용되는범용수지는코스트대비효과가우수해앞으로도사용량이확대될것으로예상된다. 특히, 가장많이사용되는 PP 소재는에코자동차에필수적인경량화및신흥국시장에서요구하는코스트다운을실현할수있고, 탄소섬유와의복합소재실용화도가능해핵심소재로주목받고있다. 자동차생산기업들은소재를선택할때우선코스트경쟁력이우수한열가소성계범용수지를검토한후내열성, 강도등특성이부족할때 EP 및열경화성수지를채용하고있다. 일본산자동차의플라스틱채용비중은 10% 이상으로 PP가약 50% 를차지하고있다. PP는비중이 1.0 이하로플라스틱중가벼우면서도강도가높고코스트효과가우수하며첨가제를혼합해다양한특성을조합할수있는특징이있다. 또한 PP계소재를가능한많이사용하는것이리사이클효과도높일수있기때문에범퍼, 계기판, 라디에이터등대형부품에주로채용되고있다. 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

61 성형소재로는중공성형을통한연료탱크용 HDPE(High-Density PE), 사이드미러등외장용소형사출성형에 PP에비해외견과도장성이우수한 ABS 등이사용되고있다. 플라스틱사용비율은 2005년까지는고정적이었으나, 최근에는에코자동차의대두로 CFRP( 탄소섬유강화플라스틱 ) 비율이확대되고바이오플라스틱도성능이향상되어, 채용사례가점차늘어나고있다. 또한 PVC는환경호르몬문제로일시적으로기피현상이일어났으나최근재평가되고있어다시채용이확대될가능성이대두되고있다. EP는내열성, 기계적특성이뛰어나자동차의각종부품에사용되고있으며차체경량화에대한니즈가확대됨에따라금속및유리대체소재로높이평가받고있다. 자동차에는 PA, PC, POM, PBT, PPE가주로사용되고있으며최근에는전장화에맞춰 PPS, LCP(Liquid Crystal Polymer), PEEK(Polyether Ether Ketone) 등슈퍼 EP도널리채용되고있다. PC는투명성, 경량성, 내충격성, 성형성이뛰어나경량화로이어지는수지창에투입되고있다. 유리에비해경량성이우수하고디자인을자유롭게변형할수있을뿐만아니라모듈화도가능하다는장점이있다. 최근에는 Sabic Inovative Plastics이개발한특수 PC가피아트 (Fiat) 의신형자동차에채용되는등보급이더욱확대되고있다. PA는내열성, 내유성, 기계적강도가매우우수해 Intake Manifold, 엔진커버, 라디에이터탱크, 연료호스, 사이드미러스테이등많은곳에투입되고있다. 슈퍼 EP는 HV, EV 등에코자동차보급과함께내열성, 내약품성이뛰어난 PPS 수요가증가하고있다. 슈퍼 EP는금속대체소재로많이활용되기때문에에코자동차의보급에맞춰수요가계속확대될것으로예상된다. 국내자동차용 EP 시장은컴파운드중심으로치우쳐있어가격경쟁력에서우위를점하기어려운것으로나타나고있다. PA 6 레진은효성, 코오롱플래스틱, KP켐텍이시장점유율 50% 를차지하고 60 61

62 있으며, 컴파운드도코오롱플라스틱, 코프라, 만도등국내기업이 50% 수준에불과해절반을수입에의존하고있다. PA 66 레진도로디아 (Rhodia) 40%, 인비스타 (Invista) 23%, BASF 12%, Ascend 11% 로국산화가취약한것으로나타났으며컴파운드도국산화비율이 48% 에미치지못하고있다. 원료와컴파운드의수직계열화를통한가격경쟁력향상이시급한가운데국내 PA 시장은여전히국산화비중이낮은것으로나타나경쟁력이떨어질가능성이우려되고있다. PBT도저가중국산에밀려레진보다컴파운드생산에집중하고있어가격경쟁력에서뒤처지는문제점이나타나고있다. 국내 EP 시장은여전히범용그레이드를중심으로가격경쟁에만몰두하고있어중국산 EP에밀려나는추세를보이고있다. 국내시장은수직계열화를통해소재채용이수월한장점을활용해생존을이어가고있으나장기적으로수익을창출하기위해서는원가절감보다는고부가가치를필두로특화그레이드개발이요구되고있다. 비중이철의 4분의1이면서강도는철의 10배에달하는 PAN(Polya crylonitrile) 계탄소섬유는경주용자동차나최고급자동차를제외하면추진축 (Propeller Shaft) 등일부용도에그치고있으나최근에는일반자동차로채용이확대되는추세를보이고있다. 경량화에따른연비향상이가능하고 CO 2 배출량도감축할수있기때문이다. 이에따라탄소섬유생산기업뿐만아니라자동차생산기업들도개발에박차를가하고있으며소재생산기업과공동으로개발하고있는사례가늘어나고있다. 하지만, 탄소섬유는스포츠레저및항공기용으로널리쓰이고있으면서도자동차용채용은늦어지고있다. 코스트가장애물로탄소섬유자체가고가이면서 CFRP로사용될때는매트릭스수지로열경화성수지를사용해야하기때문에성형과정을연장해야하는문제가대두되고있다. 그러나최근자동차용으로채용하기위한움직임이가속화되고있는 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

63 가운데 FCV의수소탱크및카본페이퍼, 가스확산층 (GDL) 등연료전지기재로도사용되기시작하였다. BMW는 2013년 10월차체골격부분에탄소섬유를사용한 <i3> 를출시할예정이다. 부품에따라 RTM(Resin Transfer Molding) 공법, SMC(Sheet Molding Compound) 공법, 양산성이뛰어난 PC 공법등다양한기술이적용될것으로예상된다. Mitsubishi Rayon은독일 SGL과합작으로프리커서 (Precursor) 를생산해 SGL과 BMW의합작기업에공급할계획이며경량성과고강성, 뛰어난충격흡수성을실현한차체를제조할수있을것으로기대하고있다. Toray는금형에탄소섬유프리폼 (Preform) 을배치해수지를주입경화시켜성형하는고속 RTM 성형기술을개발하였다. Daimler와합작으로독일에 CFRP 베이스자동차부품제조판매기업을설립하고 2012년 10월부터생산을개시하였다. Teijin은탄소섬유에열가소성수지를혼합한중간소재를 1분이내에성형하는고속성형기술을개발해 Matsuyama에서파일럿플랜트를가동하고있다. 특히, GM과제휴함으로써자동차용공세를강화할계획이며, 2012년 3월미국 TCAC(Teijin Composite Application Center) 를개설해자동차소재개발에박차를가하고있다. 열경화성수지는고온에서연화용해되는열가소성수지와달리내열성이우수하고강도가높은것이특징으로자동차용수요가증가하고있다. 열경화성수지가운데페놀수지 (Penolic Resin) 는브레이크및클러치마찰재의바인더, 타이어보강소재, 기구부품, 내외장관련부품등에사용되고있다. 모래를페놀수지로피복한 RCS(Resin Coated Sand) 는엔진주변등자동차부품에사용되는주형소재로접착제역할을하지만독특한악취를동반한연기가발생해문제가제기되었다. 그러나최근악취와연기를억제하는고부가가치제품이개발된것으로알려졌다. CFRP는철보다강하고알루미늄보다가볍다는장점을바탕으로채용이확대되고있다. 특히, 연비효율을개선할수있는경량소재로 62 63

64 차세대항공기의주요부품에사용됨에따라인지도가더욱높아지고있다. CFRP는열경화성수지와열가소성수지를구분해사용하고있으나최근에는열경화성수지에폭시수지 (Epoxy Resin) 가주류를이루고있다. 그러나 CFRP는탄소섬유가격이비싸적용규모가한정적이어서자동차용수요확대를위해서는코스트다운이필수적인것으로지적되고있다. UPR(Unsaturated Polyester Resins) 개발도가속화되고있다. DH Material은에폭시를사용한수지와동등한피로특성을가지고성형성이우수한변성비닐에스테르수지 (Vinyl Ester Resin) 를개발하였다. Japan U-Pica는탈오토클레이브 (Autoclave) 성형니즈에대응한그레이드를개발해 2013년 2월부터샘플을공급하고있다. UA(Urethane Acrylate) 계를중심으로비닐에스테르계도판매할계획이다. 상온에서점도가낮아진공감압에따라수지를끌어들이는성형공법을용이하게적용할수있고경화시간을 50% 이상단축할수있는것으로알려졌다. 자동차경량화소재, 바이오플라스틱채용확대자동차생산기업들은에코자동차경쟁속에서식물을원료로사용한바이오플라스틱의채용및개발을적극추진하고있다. 일본에서는 Arkema, Toyobo, Mitsubishi Gas Chemical, Unitika 등이바이오플라스틱을생산하고있다. 바이오플라스틱은내장재용으로가장많이채용되고있고 PLA(Poly lactic Acid) 가대표적이다. 다만, PLA는내열성, 내구성이떨어지기때문에단독으로사용하기어려워다른폴리머와혼합해사용하고있다. 그러나원료코스트가높을뿐만아니라혼합함으로써코스트가더욱올라가는단점이있어채용은일부에그치고있다. 원료일부를바이오매스소재로전환한바이오 PE(Polyethylene), 바이오 PET (Polyethylene Terephthalate) 등도주목받고있다. 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

65 바이오 PET는원료인 EG (Ethylene Glycol) 를바이오매스베이스로전환한것으로브라질이바이오에탄올 (Ethanol) 생산을확대한영향으로신제품출시가잇따르고있다. Teijin은 2010년바이오 PET인 <PLANTPET> 브랜드를발표하고 2012년부터본격판매하기시작하였다. <PLANTPET> 는 2012년 Nissan 전기자동차 (EV: Electric Vehicle) 인 <Leaf> 의시트와내장트림표피재로채용된데이어복수의차종에도채용되고있으며 2015년에는자동차시트및내장재용폴리에스터 (Polyester) 섬유판매량가운데 50% 를차지할것으로예상된다. Toyobo STC(Specialities Trading) 는 <Pecot> 브랜드로판매하고있으며, Toray도 2013년부분폴리에스터로출시할계획이다. 오래전부터사용된피마자유베이스 EP(Engineering Plastic) 는석유계수지에는없는뛰어난기능성을보유할뿐만아니라국제유가상승및돌발적인플랜트사고에따른공급불안도해소할수있어대체소재로주목받고있다. 자동차경량화소재, 자동차용섬유자동차용섬유시장은자동차경량화와친환경에대한관심으로성장을지속할것으로예상된다. 자동차용섬유사용량은 2000년대당 20kg 수준에서 2010년대당 26kg으로증가하였고, 2020년에는대당 35kg에달할것으로예측되고있다. 자동차의친환경, 경량화추세가강화되면서금속물질의대체소재로섬유가각광받고있기때문이다. 차체무게가 1% 감소하면연비가 1% 향상되는효과가있기때문에자동차경량화는최대숙제로부각되고있다. 다만, 친환경섬유는가격이높게형성되어있어아직까지는상용화단계에이르지못하고있고 2015년을기점으로성장할가능성이점쳐지고있다. 2015년 1월부터발효되는 European Directive 2000/53/CE의 ELV(End Life Vehicle) 기준에자동차부품의 85% 는리사이클이 64 65

66 가능해야하고, 95% 는재사용이가능해야하도록규정하고있기때문이다. 자동차부품에대한환경기준이강화되면친환경부품수요가늘어나면서친환경자동차용섬유시장도급성장할것이확실시된다. 반면, 국내자동차용섬유시장은글로벌경기침체로자동차의생산증가세가주춤하면서시장전반에위기감이고조되고있다. 2012년 8월자동차생산량이 23만7477대로 2011년 8월에비해 25.9% 급감하였고, 수출도 16만4805대로 23.6% 급감하는등자동차시장이침체되고있기때문이다. 이에따라자동차용섬유시장도 2013년까지는성장세가둔화될것이확실해자동차용섬유기업들은특화섬유개발과시장다변화를추진하고있다. 자동차용섬유는시트용, 매트용, 에어백용, 찬장용, 흡음재용, 타이어코드등으로분류되며, 사용량은자동차종류에따라차이가크나카펫의비중이 21% 로가장높은것으로나타났다. 표 7. 승용차의섬유사용량 구분 년타입 기존용도신제품 9 15 합계 그림 35. 자동차용섬유사용비중 자료 : 한국선유산업연합회 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

67 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 - 화학융합소재중심으로 - 트렌드 5. 자동차와화학소재의미래 66 67

68 트렌드 5. 자동차와화학소재의미래 2011년프랑크푸르트모터쇼에서화학소재기업인바스프가 자동차는화학을사랑해 라는주제로기자간담회를개최하면서이목을집중하였다. 다임러와공동제작한전기콘셉트카 스마트포비전 이화제가되었으며, 콘셉트카에는투명유기태양전지, 투명 OLED, 엔지니어링플라스틱, 적외선반사코팅및필름, 고분자복합재등의혁신소재들이채택되었다. 그림 36. 스마트포비전 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

69 그동안은철강이자동차의핵심소재였는데, 화학소재를사용하면가볍고, 가공이용이하여다양한디자인의자동차제작이가능해진다. 화학소재는투명도 ( 투명-반투명-불투명 ), 열전기전도도 ( 부도체- 도체 ), 경도 ( 단단함, 유연, 탄성 ), 모양, 크기, 색깔등을자유롭게조절할수있어철강소재에비해디자인자유도가크게향상된다. 사출, 압출, 블로우몰딩등다양한성형법을이용해매우정교한모양이나대형구조물을저렴하게제작하는것이가능해진다. 최근원가를낮추거나물성을개선한신공정신소재개발이확대되고있어, 향후자동차제작시화학소재사용량이대폭확대될전망이다. 탄소섬유복합재의고속성형공법개발, 고내열고강도엔지니어링플라스틱, 바이오플라스틱의물성개선등소재공정혁신이활발하게진행되고있다. 전기전도성및고내열수지가개발되어정전도장및고온오븐작업이필요한외장패널에플라스틱적용이가능해졌다. 자동차용플라스틱시장규모는 2010년 173억달러 ( 약 550만톤 ) 에서 2017년 355억달러로연평균 11% 가량의고성장이예상된다. 미래자동차의모습을통해화학소재의변화방향을추정해보면, 미래자동차의모습은 1 튼튼하고가볍게, 2 개성있고편리하게, 3 깨끗하고안전하게변화할것으로예상된다. 소비자의자동차선택기준이성능위주에서경제성, 개성표현, 친환경성등을중시하는쪽으로전환되고있는데, 이것이미래자동차변화의주원인이다 4). 미래자동차의변화방향에따라경량소재, 유기전자소재, 친환경소재의사용이확대될것으로전망된다. 4) IBM 자동차 2020 글로벌설문조사 에따르면자동차구매시의 11 가지선택기준중연료효율, 환경친화성, 개인화 ( 사용자가자동차의내외장, 기능을자신에게맞는환경으로구성 ) 등이상위선택기준 68 69

70 튼튼하고가볍게 : 경량소재철강을대체하는경량소재로엔지니어링플라스틱, 탄소섬유복합재등고분자복합재의사용이확대될전망이다. 고유가와환경규제등에따라경량화가자동차업계의핵심이슈가되면서, 화학소재사용확대가필수대안으로부상할것으로예상된다. 고효율엔진개발, 얇은고강도강판제작, 경량금속대체등다양한시도가이루어지고있으나, 플라스틱으로대체하는것이가장효과적인대안으로평가된다. 표 8. 자동차용플라스틱과탄소섬유복합재비교 구분범용플라스틱엔지니어링플라스틱탄소섬유복합재 개념고분자수지를단독가공 특수고분자와섬유, 무기소재등을복합가공 탄소섬유와고분자소 20~40 MPa 재를복합가공 강도 20~40 MPa 50~200 MPa ~1,600 MPa 주용도내장재, 시트등엔진, 연료계통부품등차체, 구조물등 내장재뿐만아니라엔진부품, 차체등높은수준의강도와내열성이필요한부위에고분자복합재를채용한다양한콘셉트카들이등장하고있다. 단중기적으로는엔진, 휠, 차창등에다양한엔지니어링플라스틱의적용이확대되고있다. 선진화학기업들은범용화되는고분자수지사업의경쟁력을유지하기위해고부가엔지니어링플라스틱사업을집중강화하고있다. 특히, 고분자와섬유, 세라믹등을복합하는가공기술과나노수준에서물성을제어하는기술이모두필요하기때문에중국이나중동등후발자와의원가경쟁을피할수있는분야이다. 장기적으로차체등주요부품의소재가철강에서탄소섬유복합재로대체될전망이다. 탄소섬유는차체에쓰이는강판보다강도는 10배높고, 무게는 1/4 정도로가벼워자동차의경량화를위한최적소재이나, 강판에비해가격이비싸지금까지는항공기동체등특수용도로주로사용되었다. 자동차부품소재로사용하려면 10달러 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

71 이하로낮출필요가있다. 특히, 경량화필요성이높은전기차에수년 내에우선적용될전망이다. 개성있고편리하게 : 유기전자소재자동차의스마트화경향에따라자동차에 OLED, 유기태양전지등유기전자소재적용이확대될전망이다. OLED, 유기태양전지등을유리창이나차체에채용한콘셉트카들이등장하고있다. OLED는투명하고유연하게제작할수있어향후자동차의내외장조명및디스플레이용으로사용이확대될전망이다. 특히, 계기판과디스플레이를투명 OLED로제작하면운전자에게현실감있는정보제공이가능하다. 그림 37. 콘셉트카에적용된 OLED 조명과디스플레이 EDAG 의 Light Car 현대차 Blue-Will 의계기판 자료 : OLED-Info 홈페이지 태양전지를장착하여시동이꺼진상태에서도전자장치를작동할수있도록편의성을제고할수있으며, 향후에어컨, 조명등을가동하는차량의보조전력원으로유기태양전지사용이확대될전망이다. 깨끗하고안전하게 : 친환경소재생분해성바이오플라스틱을이용해부품자체를환경친화적으로제작하거나, 제조공정에서유해물질의발생을최소화하는방향으로발전할전망이다. 특히, 인체나환경에유해한 VOC 규제등환경규제가강화되는추세로, 자동차의내외장재를친환경소재로제작해야할 70 71

72 필요성이증대되고있다. 일본업체를중심으로바이오플라스틱의개발및적용이확대되고있다. 바이오플라스틱이취약점인내구성, 내열성등이크게개선되는추세이다. 또한, 유해화학물질을저독성소재로대체하거나, 자동차폐플라스틱의재활용도확대될전망이다. 자동차경량화융 복합소재트렌드분석 2013 정보분석보고서

73 참고문헌 1. 김정수외 4명, 가속화되는자동차경량화, 한국투자증권, 최성배외 2명, 자동차경량화기술동향과개발전략, KISTI 정보분석보고서, 홍정기, 새로운기회창출기대되는자동차용소재시장, LG경제연구원, 김동민, 자동차로보는화학소재의미래, 삼성경제연구원, 황선일, 자동차경량화를위한바이오복합재료, KISTI, 지식경제부, 산업기술로드맵-주력산업-자동차분야, 전영건외 2명, 자동차경량화를위한유망뿌리기술, KEIT, 최상원, 자동차경량화동향, 자동차경제, 강동환외 1명, 2013년상반기친환경차시장동향및시사점, KARI, 화학저널, 자동차소재-자동차경량화바람에범용수지 EP 들썩..., 화학저널, 자동차소재-친환경에효용성제고바이오전자화바람..., 김용환, 차세대자동차경량화와코스트절감, KISTI ReSEAT, 화학저널, 자동차용섬유, 화학저널, EP-에코자동차부상으로다시뜬다!, 정평진, 자동차의경량화를향한플라스틱부품의응용전개, KISTI ReSEAT, 화학저널, 자동차플라스틱, 화학저널, 자동차재활용, mirian.kisti.re.kr