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동윤 부
7 years ago
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1 특집 자동차와 물리학 자동차의 성능과 향상방안 유 완 석 머리말 종래의 자동차에서는 엔진이 차지하는 비중이 높았기에 자 동차를 엔진기술이 포함된 자동차공학 또는 기계공학의 주 응 용대상으로 보아 왔으나, 최근의 자동차는 공학이나 과학 등 다양한 분야의 기술들이 결집된 신기술의 통합체로 만들어진 다고 보아질 만큼 많은 분야의 기술들이 적용되고 있다. 동력 자체도 가솔린이나 디젤 등 화석연료에서 전기에너지 또 는 연료전지로 바뀌어 가고 있으며, 기계부품을 사용한 운동 발생 과 변환기능에서 발전하여 전자적인 제어기술의 융합체로 발전하 고 있다. 운전자의 편의성을 향상시키기 위해서 인공위성으로부 터의 자료수신은 물론 여러 분야의 자료와 방법들이 적용되고 있 으므로 미래의 자동차는 움직이는 사무실 기능을 할 것으로 예측 된다. 안전성을 향상시키기 위한 기술개발에서도 이미 공학이라 고만 볼 수 없는 물리 등 과학분야 많은 기술들이 접목되고 있다. 본 글에서는 물리학을 연구하시는 분들에게 자동차를 소개 해 드리고, 나아가서 국내 자동차산업의 국제경쟁력 및 앞으 로의 과제 등을 고찰해 보고자 한다. 또한, 글을 통해 자동차 산업의 현실을 더욱 깊이 이해하신 학자들의 지식이 자동차 분야의 신기술 개발에 적용되어 국가경쟁력이 좀 더 높아지기 를 기대하며 글을 맡았다. 한국의 자동차생산 역사 1950년대에 시작된 한국의 자동차 생산에 대해 누가? 언제? 어디서 시작했는지?를 정확히 찾기는 어렵겠으나, 1954년 2월 김 제원-김창원 형제가 신진공업사를 창업하여 중대형버스를 조립함 과 더불어 시작되었다고 보는 데는 대부분의 자동차산업 종사 자들이 동의할 것이라 판단한다. 이어 1959년 2월에 기아산업 이 혼다기연공업 및 동양공업과 기술 제휴하여 오토바이와 3 륜 화물차를 생산하기 시작하였으며, 1967년 12월 현대자동차 유완석 교수는 미국 아이오와대 기계공학과 공학박사로서(1985), 현재 부 산대학교 기계공학부 교수이며 국가지정연구실(NRL) 책임자(과제명: 차량 동역학 시뮬레이션과 실험의 매칭 기술)를 맡고 있다. ( wsyoo@pusan.ac.kr) 가 설립허가를 받아 미국의 포드(Ford)와 기술제휴를 맺고 코티나 ( ) 및 포드20M( )의 생산을 시작하였다. 보다 자세 한 한국 자동차공업의 30년 역사는 표 1에 요약되어 있다. 1974년 11월 현대자동차는 이탈리아 토리노 모터쇼에 국산 고 유모델인 1236cc 배기량의 포니(Pony)를 출품하여 세계시장에서 한국산 자동차의 시작을 알리게 되었다. 이후 70년대 말까지는 한 국자동차공업의 형성기라고 보여지며, 포니를 개발할 즈음에 현 대자동차에 입사하여 이탈리아로 가서 연수를 받았던 사람들 이 이제는 회사의 중역으로 기술개발을 앞서서 지휘하고 있으 니, 한국의 자동차기술 역사는 30년으로 보아도 타당하다. 1980년대 중반부터 급성장하기 시작한 한국의 자동차산업은 1988년에 생산량 100만대를 돌파함으로써 국가기간 산업의 하나 로 성장하였으며 이후 지속적인 발전을 거듭하여 1993년에 200만 대 돌파, 2000년대 들어와서는 300만대를 돌파하면서 현재는 세 계자동차 산업계에서 생산량 기준 5-7위권을 유지하고 있다. 해마 다 억불의 수출로 수출규모 면에서는 메모리산업과 대등 하나 산업자체의 고용효과 및 파급효과를 고려할 때 국가산업 전 체에서 차지하는 비중은 어떤 산업보다 높다고 볼 수 있다. 세계 속의 한국자동차 위상 1910년 우리나라에 처음 자동차가 도입된 것으로도 알 수 있듯 이, 선진국 자동차회사들은 푸조(1896), 르노(1898), 피아트(1899), 포드(1903), GM(1908)과 같이 19세기 말 또는 20세기 초에 설립되 었다. 미국 포드사가 1907년에 모델T를 대량생산함으로써 자동차 의 대중화 보급을 선도하였다. 1911년부터 대량생산방식을 도입 한 미국이 시장을 지배하기 시작하였으며 미국의 생산이 1910년 에 25만대, 1930년대에 413만대로 늘어나기 시작하였다. 일본에서는 1933년에 니산, 1937년에 도요다, 1944년에 경 성정공이 설립된 이래로 1970년에 이미 생산 100만대를 돌파 하였다. 지금은 세계 시장에서 생산량 2위, 일부 기술 분야에 서는 선도적인 위치를 점하고 있으며, 도요다의 경우 향후 수 년 내로 세계 제1의 자동차 회사(현재 생산량 1위는 미국의 GM)로 도약한다는 계획을 가지고 있다. 최근 한국의 자동차 생산량은 300만대를 상회하고 있으며, 이는 세계전체 생산량 5300만-5700만대의 5-6% 수준이다(표 2

운전자의 편의성을 향상시키기 위해서 인공위성으로부 터의 자료수신은 물론 여러 분야의 자료와 방법들이 적용되고 있 으므로 미래의 자동차는 움직이는 사무실 기능을 할 것으로 예측 된다. 안전성을 향상시키기 위한 기술개발에서도 이미 공학이라 고만 볼 수 없는 물리 등 과학분야 많은 기술들이 접목되고 있다.

2 표 1. 한국의 자동차산업 태동기 및 성장기 신진공업사에서 중대형버스를 조립 기아산업이 혼다기연공업, 동양공업과 기술제휴하여 오토바이 및 화물차를 생산 새나라자동차(부평) KD조립공장, 새나라(닛산 블루버드) 조립시판 신진자동차(주)로 상호변경( ), 코로나생산( ) 아세아자동차(주) 설립, 피아트( 伊 )와 기술제휴 및 피아트124( ) 생산 현대자동차 설립허가, Ford(미)와 기술제휴 코티나( ) 생산 신진자동차 해체되고 GMK 설립, Opel 사로부터 중형승용차 레코드 도입 기아산업 소하리공장 준공 현대자동차 Ford와 결별하고 미쓰비시와 기술제휴 기아산업 브리사(동양공업 Familiar Presto, 985cc) 시판 현대자동차 이탈리아 토리노 모터쇼에 포니(1236cc) 출품 현대-포니 시판, 기아-브리사2(1277cc) 발매 GMK의 신진자동차가 새한자동차로 개명, 제미니(Opel 사의 카뎃) 시판(1977) 2.28 긴급조치(승용차는 현대와 새한, 기아는 1-5톤 트럭과 중소형버스) 기아산업 봉고 시판, 개선된 모델 베스타 시판(1986) 현대자동차 포니2 생산( 캐나다 수출) 새한자동차가 대우자동차로 상호변경 대우자동차 르망(GM의 서독회사인 Opel의 Kadet) 시판 현대자동차 엑셀 및 스텔라 시판 기아산업 프라이드 생산 및 미국 수출(수출차명 : 포드 Festiva) 표 2. 세계 각국의 자동차 생산량과 한국의 위상. USA Japan Germany China France Korea Spain Canada ,018,846 12,810,140 11,424,689 12,274,917 12,077,732 9,985,476 10,144,847 9,777,191 10,257,690 10,286,318 5,687,590 5,197,685 5,691,677 5,469,309 5,506,629 1,804,500 2,008,500 2,334,440 3,251,225 4,443,686 3,180,193 3,351,929 3,628,418 3,692,738 3,247,968 2,843,114 3,114,998 2,946,329 3,147,584 3,177,870 2,852,366 3,032,874 2,849,888 2,855,239 3,029,690 2,735,257 2,345,882 2,535,742 2,627,695 2,546,124 2 세계 각국의 자동차 생산 참조). 미국-일본-독일이 독주하다 시피 하는 자동차산업계에서 5-7위권을 유지하면서 독자적인 기술로 생존하겠다는 노력은 격려를 받기에 충분하다고 보여 진다. 그러나, 세계적인 경쟁에서 살아남기 위해서는 500만대 이상의 생산, 세계 생산량 10% 이상 점유, 3-4위의 생산국으 로의 도약이 절실하다고 판단되므로 이를 위한 외국 자동차회 사와의 제휴 및 국가적인 지원과 노력이 요구되고 있다. 세계 각국 자동차의 전시장이었던 중국이 일반국민들에게 승용차 보급(2001년) 및 중국자동차의 동남아 수출(2001년)과 더불어 2003년에는 세계 4위의 생산국이 되었으며, 임금상승 및 노동시간 감소에 따른 어려움을 겪고 있는 독일을 추월하 여 조만간 세계3대 생산국으로 올라갈 것으로 예상된다. 한국 은 장차 중국에서 100만대(2004년 생산목표 30만대), 인도 및 유럽에서의 또 다른 성공을 발판으로 중국과 경쟁하면서 독일 을 능가하겠다는 포부를 가질 필요가 있으며, 이를 달성하여 야 3-4위권 생산국이 될 수 있을 것으로 전망된다. 또한, 한국 등 선진국의 자동차의 전시장에서 각국의 기술 을 수용하던 단계를 벗어난 중국이 이제는 한국의 쌍용자동차 를 인수하겠다고 협상을 벌이고 있는 현실을 볼 때 한국과 중 국의 기술경쟁은 갈수록 심해질 것으로 전망된다. 따라서, 지 속적인 고유기술 개발만이 국제경쟁에서 살아남을 수 있는 유 일한 길이라고 판단되므로, 전 학문분야의 연구자가 신기술개 발에 참여할 수 있는 분위기가 형성되어야 될 것으로 본다. 자동차의 구조 일상생활에서 자동차의 외관은 자주 접하고 있으나, 내부 및 연 결구조는 볼 기회가 많지 않으셨으리라 생각되어 자동차의 전반 적인 구조를 나타낸 그림 1을 보면서 각 부분의 기능을 간략하게 소개 하고자 한다. 자동차 구조를 알아두면 수리하러 갔을 때 좀 더 관심 있게 수리하는 부분들을 보실 수 있으리라 생각된다. 대부분의 자동차는 외부로부터 공급된 연료(가솔린 또는 디 3

3) 생산 현대자동차 설립허가, Ford(미)와 기술제휴 코티나(1968.

3 젤)를 주입받아 연료통에 저장하고, 저장된 연료는 엔진으로 들어와 자동차의 동력원이 된다. 엔진에서 생성된 동력은 변 속장치(transmission)를 통해 차량의 운행속도에 맞도록 적당한 회전수로 조절된 뒤, 차동장치(differential)와 구동축(drive axle)을 통해 바퀴로 전달된다. 앞 차축(front axle)이 구동되면 전륜구 동(front wheel drive) 차량이라 하고, 뒤 차축(rear axle)이 구 동되면 후륜구동(rear wheel drive), 앞뒤 축 모두가 구동축이 면 4륜구동(4WD, 4 wheel drive)이라고 한다. 차동장치의 기 능은 곡선주로에서 좌우 바퀴의 회전수를 다르게 배분해주는 것인데, 대형트럭의 뒤 차축 중앙에 둥그렇게 튀어나온 부분 이 차동장치를 감싸고 있는 케이스이다. 변속장치에는 운전자가 직접 변속시키는 타입인 수동(MT, manual transmission)과 차량에 달린 장치에 따라 차량이 알아 서 변속하는 자동(AT, automatic transmission)으로 크게 구별된다. 자동 변속장치는 전자식(electronic), 유압식(hydraulic), 또는 유성 치차식(planetary gear)이 주로 사용되며, 최근에는 무단으로 바꾸 어 주는 CVT(continuously variable transmission)이 장착된 차량도 많다. 조향장치(steering system)는 자동차를 원하는 방향으로 움직 이는데 필요한 장치이다. 회전하기 위해 핸들을 돌려주면 기 어시스템을 통해 연결된 조향막대를 좌우로 움직여 주게 되 고, 좌우로 밀린 막대는 바퀴를 회전하게 만든다. 대부분의 차 량에서는 앞바퀴로 조향하고 있으나, 가끔씩은 뒷바퀴도 조향 에 사용되는 경우가 있는데 이를 4륜조향(4WS, 4 wheel steering) 이라고 부른다. 만약 4바퀴 모두 동력이 공급되고(4WD) 4바 퀴 모두 조향(4WS)이 되면 4WD-4WS일텐데, 자동차 선전 문 구에서는 이를 줄여서 4 4라고도 부른다. 현가장치(suspension)는 링크들의 조합을 통해 바퀴가 노면 의 요철을 잘 따라가도록 하는 기능과 노면에서 들어오는 충 격을 흡수하는 기능을 가지며, 구동이나 제동 또는 선회 시 생겨나는 힘을 지탱할 수 있어야 한다. 바퀴에서 생겨나는 전 후방향의 힘에 의한 가감속 성능(acceleration and deceleration performance), 수직방향의 진동으로부터 야기되는 차량의 승차 감(ride quality), 횡방향(lateral motion) 운동으로부터 조절되는 조종안정성(handling) 등은 현가장치에 많은 영향을 받게 된다. 타이어(tire)는 지면의 요철로부터 기인한 진동이 차량으로 전달되는 과정 속에서 먼저 접하게 되는 부품이다. 일단 타이 어로 전달된 가진은 타이어에 의해 감쇠된 뒤 현가장치를 통 하여 차체로 전달된다. 실제 자동차에서 바퀴가 지면과 접촉 하는 면적은 손바닥보다 조금 넓은데 이 면적을 통하여 들어 오는 모든 힘들이 차량의 운동을 좌우한다고 보면 타이어의 중요성을 쉽게 파악할 수 있다. 자동차가 달리는 도중에 갑자 기 펑크가 났다고 가정해 보자. 차량의 조향이 어려워지고 심 한 진동이 차로 전달되어, 더 이상 운행이 불가능해진다. 따라 서, 자동차에는 항상 비상용 타이어가 장착되어 있음은 물론, 바퀴 교체를 위해 차를 들어올리기 위한 잭(jack)과 타이어의 나사를 풀고 조립하는데 필요한 공구가 들어 있는데, 모르셨 던 분들은 한번 확인해 보시기 바란다. 차량의 운동성능 차량의 운동은 타이어에서 전달되는 힘과 밀접한 관계가 있 으므로 우선 타이어에 작용하는 힘과 모멘트를 SAE(Society of Automotive Engineers) International에서 사용하는 좌표를 그림 2에 나타내었다. 차량의 운동을 이해하는데 필요한 용어 와 더불어 각 방향의 운동과 최근의 연구동향을 소개해 본다. 1. 종방향운동 - 가감속 성능 차량의 종방향 운동성능을 좌우하는 종방향 힘(longitudinal force)의 크기는 엔진으로부터 오는 동력의 크기와 구동륜(drive wheels)에서 노면과의 마찰에서 생기는 마찰력의 크기 중에서 크기가 작은 쪽에 따라 좌우된다. 저속에서는 노면과의 마찰 력이 영향을 미치나, 고속에서는 엔진의 동력에 따라 속도가 좌우된다. 물론, 공기저항(aerodynamic drag)이나 타이어의 변 형, 노면의 변형 등에 따른 구름저항(rolling resistance) 등도 구동장치 조향장치 현가장치 차동장치 그림 1. 자동차의 구조. 그림 2. 자동차 타이어에 작용하는 힘과 모멘트. 4

차동장치의 기 능은 곡선주로에서 좌우 바퀴의 회전수를 다르게 배분해주는 것인데, 대형트럭의 뒤 차축 중앙에 둥그렇게 튀어나온 부분 이 차동장치를 감싸고 있는 케이스이다.

4 가속성능(acceleration performance)에 영향을 미치게 된다. 마찰력은 수직력(normal force)과 마찰계수의 곱에 비례하는 데, 마찰계수는 종방향의 슬립률과 관계가 있다. 종방향 슬립 률(longitudinal slip ratio)은 타이어의 선속도와 회전속도와의 관계로서, 반경과 회전속도의 곱이 선속도와 같으면 종방향 슬립률이 영(zero)이며 미끄러짐이 없이 굴러가는 상태이다. 만약, 급정거를 위해 브레이크를 꽉 밟은 상태(회전이 없는 상태, 바퀴가 lock)라면 종방향 슬립률이 1이 되며, 구름(rolling)이 없이 완전히 미끄러지게 된다. 종방향 슬립률이 1보다 작은 적당한 범위에 있을 때 마찰계수 값이 크기 때문에, 종방향 슬립률을 마찰계수가 큰 영역에 머물도 록 하면 제동거리가 짧아지게 된다. 이를 위하여 바퀴를 묶지 않고 적당한 회전을 주는 장치가 ABS(antilock braking system)이다. 최 근에는 양쪽 바퀴가 마찰계수가 다른 노면(예: 한쪽은 빙판 다른 쪽은 정상 노면)을 달릴 때도 알아서 견인력(tractive force)이 조절 되게 하는 TCS(traction control system) 등도 장착되고 있다. 2. 횡방향 운동 - 조종안정성 횡방향 운동은 원하는 방향으로 자동차가 잘 따라오는가? 또는 주어진 반경의 곡선도로에서 속도가 얼마로 높아지면 차 가 견디지 못하고 바깥쪽으로 미끄러져 나가는가? 등을 판단 하는 성능이다. 횡방향의 가속도(lateral acceleration)는 속도의 제곱에 비례하고 반경에 반비례 하므로, 더 빠른 속도로 회전 하기 위해서는 더 큰 횡방향 힘(lateral force)이 요구된다. 횡방향의 힘은 물론 수직력(normal force)에 비례하지만, 같 은 크기의 수직력이라도 슬립각(slip angle, 그림 2에서 α)과 캠버각(camber angle, 그림 2에서 γ) 등에 따라 달라진다. 슬립 각은 그림 2에서 보는 바와 같이 바퀴(wheel)가 향한 방향과 바퀴의 속도가 이루는 각도이다. 직진주행에서는 값이 영 (zero)이나, 곡선주로에서 핸들을 꺾게 되면 바퀴가 향한 방향 과 바퀴의 진행속도의 방향은 달라지게 된다. 캠버각은 바퀴 와 노면에 수직한 면이 이루는 각도이다. 자동차의 무게중심이 앞쪽이냐? 뒤쪽이냐? 등 여러 요인에 의해 앞뒤쪽 휠의 슬립각이 다르게 되는데, 이와 같은 차이가 조향각에 의한 선회반경을 실제 회전반경과 다르게 만든다. 실제 회전반경이 크게 되면 부족조향(understeer)이라고 하고 실제 회전반경이 작게 되면 과다조향(oversteer)이라고 한다. 승용차의 경우 대부분 부족조향이 되도록 설계하므로, 자동차 가 계속 밖으로 나가려는 것처럼 느끼게 되므로, 코너링시 핸 들을 더 꺾어 주게 된다. 경주용 차량의 경우나 일부 스포츠 카의 경우는 과다조향이 되도록 설계하는 경향이 있다. 3. 수직방향 운동 - 승차감 자동차의 수직방향 운동을 간단하게 모델링하면 타이어를 포함한 현가장치 아랫부분의 질량(unsprung mass)와 차체 등 현가장치가 스프링이 지지하고 있는 스프링 윗질량(sprung mass)로 크게 나누어진다. 중형 승용차의 경우 평균 무게가 약 1540 kg 정도 되는데, 네 바퀴가 균등하게 받고 있다고 가 정하면 한쪽 바퀴는 385 kg 정도 견디게 된다. 스프링 윗질량 이 350 kg, 아랫질량이 35 kg 배분된 상태에서 현가장치 스프 링의 강성이 15,000 N/m, 타이어의 강성이 150,000 N/m라고 가정하면 스프링 윗질량의 고유진동수는 약 1 Hz 근처가 되 고, 아랫질량의 고유진동수는 약 10 Hz 근처가 된다. 이것이 일반 승용차에서의 기본 주파수가 된다. 이와 같이 수직방향의 진동은 주파수와 밀접한 관계가 있으 며, 가진되는 주파수에 따라 승객이나 운전자는 멀미를 하거 나 불쾌감을 느끼게 된다. 국제규격(ISO)에서는 수직방향의 진동을 다음과 같은 12가지 축으로 나누어서 측정한다, 차체 의 바닥(floor)에서 발을 통해 느끼는 병진가속도 3가지, 엉덩 이가 의자에 접촉하는 부분에서 느끼는 병진가속도 3개와 회 전가속도 3개 및 등과 의자의 접촉부에서 느끼는 병진가속도 3개를 이용하여 인체가 느끼는 승차감을 계산한다. 미래형자동차 정부에서는 자동차를 차세대성장동력 중의 하나로 선정하여 기술개발을 지원하고 있으며, 미래형자동차의 개발내용은 친 환경자동차와 지능형자동차로 나뉘어진다. 1. 친환경자동차 친환경자동차에서는 엔진에서 나오는 배출물에 위한 환경오 염을 줄이기 위해 동력원을 바꾸는 연구와 기존의 엔진에서 배출물을 줄이는 연구가 동시에 시행되고 있으며, 표 3에서는 환경규제에 대응하기 위한 엔진의 개선 및 동력원의 대체를 위한 세계 각국의 노력을 보여주고 있다. 디젤엔진, 가솔린엔 진 모두 직접분사식 연료분사장치와 이에 따른 배기가스 저감 및 연비개선이 연구되고 있으며, 엔진부품에 세라믹을 이용한 다든지 실린더의 피스톤 링(piston ring)의 가공법을 개량함으 로서 마찰계수를 줄이는 기술 개발도 진행되고 있다. 에너지를 화석연료 대신 전기로 바꾸는 전기자동차의 개발 과 화석연료와 전기를 동시에 사용하는 하이브리드(hybrid) 차 량의 적용 등이 활발히 연구되고 있으며, 수소와 산소가 결합 하여 물이 생성될 때의 에너지를 동력원으로 사용하고자 하는 연료전지자동차도 연구되고 있고, 최근에는 수소를 연료로 사 용하는 수소자동차가 모터쇼에 출품되고 있다. 2. 부품의 경량화 부품의 경량화 동향은 기존 철제품을 알미늄, 마그네슘, 플라스 틱 등의 경량소재로 전환하는 연구와 철강이지만 공법개량과 강 도향상을 통하여 무게를 줄이는 연구가 병행되고 있다. 표 4에는 알미늄을 사용한 부품의 경량화 개발동향을 보여주고 있다. 알미 늄 부품의 경우, 이미 일부 품목에서는 실용화가 되었으며, 최근에 는 마그네슘 재료로 부품 경량화가 진행되고 있다. 구조면에서의 경량화 접근 방법으로는 화와 X-by-wire 의 두 가지 흐름이 있다. 화는 코스트삭감과 불량률 저감 5

만약, 급정거를 위해 브레이크를 꽉 밟은 상태(회전이 없는 상태, 바퀴가 lock)라면 종방향 슬립률이 1이 되며, 구름(rolling)이 없이 완전히 미끄러지게 된다. 종방향 슬립률이 1보다 작은 적당한 범위에 있을 때 마찰계수 값이 크기 때문에, 종방향 슬립률을 마찰계수가 큰 영역에 머물도 록 하면 제동거리가 짧아지게 된다.

5 표 3. 배기가스, 연비규제 등 환경관련규제에 대응한 동력원의 변화. 현재시판중 시판예정 시작차 발표 개발계획 직분 Gasoline엔진 직분 Diesel엔진차 하이브리드 전기차 각종 하이브리드차 미국 유럽 일본 GM FORD CHRYS LER BENZ BMW VW VOLVO TOYO TA NIS SAN MITSU HONDA BISHI 전기자동차 CNG(천연가스)차량 연료전지(수소)차 연료전지(메탄올)차 수소엔진 차량 MAZDA 표 4. 알미늄화를 통한 세계 각국의 경량부품개발 동향. Alcoa (미) Karmann (독) Pechney (프) TRW (미) AISIN 高丘 (일) Sumitomo (일) 98년, 세계 처음으로 Aluminium space frame(asf)를 Audi A8차량에 공급 99년부터 Audi A12에도 AFS를 납품 초경량 Aluminium 製 자동차 Body 구조제를 개발. Aluminium sheet사이에 泡狀 으로 가공한 Alumi를 Sandwitch화 기존의 철제보다 50% 경향화, 강도가 10배 상승 Steel의 20%를 Aluminium으로 대체하면 중량은 50 kg 감소, 연비는 5% 개선 Renault Clio Ⅱ용으로 Steel제보다 50% 경량화한 Aluminium제 Bonnet을 개발하여, 98년 2월부터 생산함 97년 9월 IAA전시회에서 Aluminium 및 강화 Plastics의 채용으로 Steel대비 40% 경량화한 Suspension system 채용으로 연비개선 97년 10월, Aluminum 복합제를 사용한 경량의 Disk brake rotor를 일본에서 처음으로 개발. 97년 1월 세계 최경량의 단조 Aluminum wheel 개발 Steel 材 에 비해 4ton 차량(6 輪 )에 51 kg, 10ton차(10 輪 )에서는 165 kg 경량화 을 위해 필수적인 과정으로 다음 절에 보다 상세히 소개하기 로 한다. X-by-wire의 예로는 종래 유압을 사용하였던 파워스 티어링(power steering), 파워브레이크(power brake) 등을 전기 제어식으로 대체하여 Steer-by-wire, Brake-by-wire로 바꾼 것을 들 수 있다. X-by-wire를 적용하게 되면 유압펌프나 브레이크 오일이 불필요해짐으로 대폭적인 경량화가 달성되고, 소비에 너지가 줄어듬과 동시에 연비개선 효과가 있다. 조향장치 (steering system)를 전기제어화한 Steer by wire인 전동 파워스 티어링(EPS, electronic power steering)은 이미 Delphi, ZF 등 의 세계적인 부품에서 개발되어 적용되고 있다. 에서는 자동차를 14개의 로 나누고 있다. 화의 시작 및 발전하는 모습을 그림 4와 같이 예측해 보았다. 화가 거론되기 이전에는 부품가 각자 생산한 부품을 완성차업계에 공급하는 형태이었으나, 화가 이루 어지면서 부품들은 각자 생산한 부품을 에 공급 하고, 는 공급된 부품을 조립하여 완성차업계에 공급 하게 된다. 현재 국내의 는 이 수준으로 생각되나, 모 듈의 기술력이 급속히 발전하고 있으므로 조만간 업 계가 최적화된 을 공급하는 수준까지 발전할 것으로 본 3. 화 자동차 부품의 화는 차량구성에 있어서 단순한 부품의 조합에서 벗어나 서브시스템을 통합함으로써 개발-생산-구매 의 활동과 그에 따른 프로세스를 최대로 효율화하자는 것이 다. 이를 통하여 원가를 줄이고 조립시간을 단축하며, 공정내 의 불량건수를 낮춤으로써 품질을 향상시킬 수가 있게 된다. 완성차를 몇 개의 로 구성하느냐? 도 에 따라 달라 질 수밖에 없다. 그림 3에 나타낸 Dana사의 조립 라인 예 그림 3. Dana에서 제안한 조립 라인. 6

6 기존의 생산 초기의 화 성숙된 화 완성차 완성차 완성차 단순 조립 최적화 설계개념 삽입 부품 부품 부품 부품 부품 부품 부품 부품 부품 부품 부품 그림 4. 화의 발전 단계 예측. 다. 이 단계에 이르면 완성차업계는 업계에 주요한 차량 의 설계재원만 제공하면 될 것으로 보며, 현재 완성차업계에 서 행해지고 있는 엔지니어링의 많은 부분이 업계 또는 부품업계에서 행해져야 할 것으로 보인다. 자동차 제조 간에 경쟁이 심화됨과 더불어, 부품의 모 듈화와 더불어 플렛폼(platform)의 공용화를 통해 원가절감 뿐 만 아니라 신뢰도도 높이고 있다. 완성차업계의 통합 전략중 하나인 플렛폼의 공용화는 하나의 플렛폼을 기반으로 여러 개 의 파생 모델을 개발하자는 것으로 국내에서도 이미 현대자동 차의 그랜져XG와 EF소나타의 예에서 쉽게 찾을 수 있다. 미 국의 GM과 유럽의 VW은 각각 승용차 플렛폼을 7종류 및 4 종류 이내로 줄일 계획이며, 도요다도 2000년 이후에는 플렛 폼을 기존 숫자의 절반 이하로 줄일 계획을 가지고 있다. 국내에서는 현대, 기아가 동일 그룹내의 회사로 바뀌면서 플렛폼의 공용화는 더욱 가속화할 것으로 예상된다. 또한, 플 렛폼의 공용화는 부품의 화를 앞당길 것이며, 화의 정착은 완성차-부품의 관계를 주종관계에서 대등한 관계로 발전시키면서 부품업계의 기술 도약으로 이어질 것이 며, 이와 더불어 물류비용, 재고관리 등에서 엄청난 비용 절감 효과를 가져올 것으로 판단된다. 4. 메카트로닉스 및 첨단 안전부품 첨단안전차량(ASV, advanced safety vehicle)은 다양한 차량 제어기술과 IT 기술의 융합을 통하여 승객의 안전을 획기적으 로 높인 차량을 의미하며, 예방안전, 사고회피, 충돌시 피해확 대 방지, 자동운전 등 다양한 시스템의 연구가 진행되고 있다. 첨단안전 시스템의 예로는 운행하거나 정지할 시에도 전/후 방 차량과의 안전거리를 유지케 하는 적응순항제어(ACC, Adaptive cruise control), 졸음운전 감시 및 경고, 충돌의 경보 및 회피, 근적외선 카메라로 헤드라이트 불빛보다도 훨씬 가 시거리를 확보해 주는 나이트 비젼, 여러 대의 차량군을 근거 리의 간격을 유지하면서 제어할 수 있는 군집주행 시스템 등 다양한 안전시스템이 연구되고 있다. 부상경감 시스템으로는 보행자를 보호, 운전자의 다리부분 을 위한 에어백, 목부상 보호 시스템 등이 개발되고 있으며, 충돌 후에는 EMS(emergency medical system)로 자동 통보되 는 On Call System이 개발되고 있다. 표 5에는 첨단안전차량 에 적용될 보다 자세한 분야별 기능들을 보여주고 있다. 첨단 안전 차량의 완전한 적용을 위해서는 시스템의 개발과 더불어 도로, GPS의 활용 등 다양한 인프라가 갖추어져야 한다. 맺는 말 1. 국내 부품회사의 위상 한국의 완성차업계의 생산량은 앞에서 살펴본 바와 같이 세 표 5. 첨단안전 및 메카트로닉스 분야 주요 연구. 분야 주요기능 내용 위험상태 경보 졸음/음주운전 예방 안전 사고 회피 자동 운전 충돌 안전 피해 확대 방지 차량 기반 차량위험상태 경보 공기압/화재 경보 사각경보 선회시교차로 사각 야간운전 시계 Night vision 운전부하경감 ACC, 차선유지 차량운전성능/제어 ASP 위험상태 회피 졸음/음주 감지 주변차량과 사고 장애물회피 감지 기존 infra 이용 자동운전 차량-차량 통신 및 카메라 이용 신규 infra 이용 자동운전 Infra 이용 자동운전 승객보호 advanced 에어백 보행자 보호 후드 에어백 다중 충돌 경감 추돌감지 자동제동 화재소화 화재감지 및 소화 사고 자동 통보 사고감지 자동통보 고도 GPS 고정도 위치판단 Drive by wire wire 이용 샤시제어 차량상태 자동응답 도심차량 이동관리 고령운전자 지원 시인/조작계 개발 Human interface 기술 시인/조작 성능 개선 7

완성차업계의 통합 전략중 하나인 플렛폼의 공용화는 하나의 플렛폼을 기반으로 여러 개 의 파생 모델을 개발하자는 것으로 국내에서도 이미 현대자동 차의 그랜져XG와 EF소나타의 예에서 쉽게 찾을 수 있다.

7 표 6. 국내외 부품회사의 매출액 비교. 국외(2001년 매출액 기준) 국내(2002년 매출액 기준, 1$=1,100원 환산) 순위 회사명 매출액(억$) 주요 생산품목 순위 회사명 매출액(억$) 주요 생산품목 1 Delphi Automotive Systems(미) 261 Brake, 전장품 1 모비스 37.6 종합부품 2 Bosch(독) 207 Brake, 전장품 2 만도 10.7 Brake, damper 3 Visteon(미) 178 에어컨, 전장품 3 한라공조 7.7 에어컨 4 Denso Corporation(일) 154 에어컨, 전장품 4 위아 7.0 axle, 종합부품 5 Goodyear Tire & Rubber(미) 141 타이어 5 희성엥겔하드 5.2 converter 6 Lear Corporation(미) 136 내장재, seat 6 현대오토넷 5.0 car audio 7 Bridgestone Corporation(일) NA 타이어 7 성우오토모티브 4.7 seat, wheel 8 Johnson Controls(미) 136 내장재, seat 8 한국델파이 4.5 종합부품 9 Dana Corporation(미) 103 엔진부품, filter 9 세종공업 3.9 mufler, pipe 10 TRW(미) 101 엔진부품, suspension 10 서진산업 3.1 frame 계 5-7위를 유지하면서 세계전체 생산량의 5-6%를 점유하고 있다. 한국의 부품업계 위상은 어느 정도인가?는 다음의 표 6 을 통하여 비교할 수 있겠다. 표 6에는 매출액 기준 세계100 대 부품의 명단(2001년 매출액 기준)이 나와 있는데 1위 부터 4위까지의 Delphi, Bosch, Visteon, Denso 등은 세계적인 완성차인 GM, 독일, Ford 및 도요다에 부품을 주로 공급하는 이다. 이들 부품는 규모면에서 3개 정도의 완성차를 제외한 다른 완성차업계와 대등하거나 이들의 규모를 능가하고 있으므로 단순히 서플라이어(supplier)라고 부 르지 않고 메가서플라이어(mega supplier) 또는 슈퍼서플라이 어(super supplier)로 불리기도 한다. 그러나, 자동차 부품의 글로벌소싱(global sourcing)에 맞추 어 독일의 Bosch와 같은 독립계열은 물론이고, GM으로부터 분리된 Delphi, Renoult의 색이 짙은 Valeo 등도 계열의 색을 지워가면서 거래처를 넓히고 있다. Ford로부터 독립한 Visteon 도 세계적인 추세를 따라갈 것이며, 도요다와 밀접한 Denso도 앞으로는 결속력이 약화될 곳으로 판단된다. 또한, 표에는 국내 10대 부품의 매출액(2002년 기준)이 세계적인 메이커들과 비교되어 있다. 현재는 규모 면에서 비 교가 어렵지만, 크라이슬러에 롤링샤시 공급계약을 맺는 등 한국의 대표적인 부품 서플라이어로 떠오른 모비스가 세계적 인 부품서플라이어로 성장하여야만 국내 부품산업도 국제경쟁 력을 가질 수 있을 것으로 보여진다. 2. 연구자들의 역할 본 글에서는 한국의 자동차산업 역사, 자동차의 기본 구조 및 역학의 소개, 세계 속에서의 한국 자동차업계의 위상, 첨단 부품의 개발추세, 세계적인 부품와 한국의 부품를 비 교해 보고 앞으로의 나아갈 방향을 다루어보고자 하였다. 세계를 향해 뻗어만 나갔던 한국의 자동차산업은 최근 중국 이 생산량에서 한국을 추월하였고, 더욱이 중국의 자동차회사 인 상하이기차가 쌍용자동차를 우선 인수협상자로 정해지면서 위기의식을 느끼지 않을 수 없다. 세계 자동차가 재편되 어 가는 과정을 볼 때 기술력에 바탕을 둔 중 세계 5위 권 안에 드는 Big5만 살아남을 것이 분명하며, 이런 측면에서 현대자동차와 기아자동차가 같은 계열이 된 것은 무척이나 다 행스러운 일이었다. 아직까지는 두 회사의 부품가 공존하 는 형태이나, 소수의 품목이라도 세계 속의 경쟁에서 생존할 수 있도록 특화시켜 나가는 것이 바람직할 것으로 보인다. 10년 뒤 국가의 부를 감당할 산업 중 하나이며 첨단기술의 개발만이 생존을 보장할 유일한 길이라면, 신기술 개발은 자 동차업계만의 문제가 아니라고 판단해야 된다. 더욱이 자동차 를 더 이상 기계공학 분야로 고집하는 잘못을 범하지 말아야 하며, 산학관연이 일체가 되어 고급기술의 개발에 앞장서야 할 것이다. 물리를 포함한 다양한 분야의 석학들을 첨단기술 개발에 참여시켜, 반도체가 세계수준의 기술력을 확보하였던 것처럼 자동차분야에서도 세계적인 기술력을 확보하여 차세대 성장동력의 구실을 제대로 할 수 있기를 바랄 뿐이다. 참 고 문 헌 [1] 유완석 외, 국내외 자동차부품 화 동향 (세종출판사, 2000). [2] 유완석, 화생산, 한국자동차공학회지 8월호 (2002). [3] 유완석, 세계 자동차 업계현황과 한국의 전략 B&K 워크 샵, 부산대학교, [4] 한국자동차공학회지, 특집: X-by-wire 26(1) (2004). [5] 한국자동차공학회지, 특집: 연료전지자동차 26(3) (2004). [6] 한국자동차공학회지, 특집: 첨단안전차량 26(4) (2004). [7] 최규재, 승용차용 샤시코너 기술, 제2회 Flexible Multibody Dynamics Workshop, 부산대학교 CAE연구실, 2003년 1월. [8] 미래형자동차기술개발사업 기획위원회 자료, 자동차부품연 구원 미래향자동차사업단, [9] 미래형자동차 부품소재 연구중심대학 사업 계획서, 부 산대학교, [10] クローハルサプライヤーの世界再編とモミユール/システム化動向, 株式會社 FOURIN, [11] 2002년 해외자동차부품 시스템 서플라이어 52개사의 최근 동향 보고서, A&D 컨설턴트, [12] 자동차와 부품산업 월간조사보고서, February, October,

0 axle, 종합부품 5 Goodyear Tire & Rubber(미) 141 타이어 5 희성엥겔하드 5.2 converter 6 Lear Corporation(미) 136 내장재, seat 6 현대오토넷 5.0 car audio 7 Bridgestone Corporation(일) NA 타이어 7 성우오토모티브 4.

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E010 CYLINDER BLOCK GROUP (0 01) 75 E010 CYLINDER BLOCK GROUP (0 01) 76 E020 PISTON, CRANKSHAFT GROUP (0 02) 77 E030 CYLINDER HEAD GROUP (0 03) 78 E040 ROCKER ARM GROUP (0 04) 79 E050 TIMING CASE GROUP