2012. 4. 12. ( 제 146 호 ) 자동차로보는화학소재의미래 목차 1. 자동차는화학을사랑해 1 2. 자동차와화학소재의미래 3 1 튼튼하고가볍게 : 경량소재 3 2 개성있고편리하게 : 유기전자소재 6 3 깨끗하고안전하게 : 친환경소재 8 3. 시사점 11 작성 : 김동민선임연구원 (3780-8055) dmpolymer.kim@samsung.com
요약 2011년프랑크푸르트모터쇼에서는화학소재기업인바스프와자동차기업인다임러가공동제작한콘셉트카, ' 스마트포비전 ' 이화제였다. 특히바스프는 ' 자동차는화학을사랑해 ' 라는주제로열린기자간담회에서콘셉트카에적용한혁신적인화학소재를소개하면서이목이집중되었다. ' 스마트포비전 ' 과같이화학소재를사용하면소재가가볍고, 가공하기쉬워다양한디자인의자동차를제작할수있다. 그동안화학소재는철강소재에비해가격이높은반면, 강도는낮아자동차에사용되는양이크게증가하지않았다. 그러나최근에는원가를낮추고물성도개선한신공정 신소재가많이개발되고있어, 향후에는자동차에화학소재사용이대폭확대될전망이다. 미래자동차의모습을통해화학소재의변화방향을추정해볼수있는데, 소비자의자동차선택기준이과거성능위주에서경제성, 개성표현, 친환경성등으로바뀌고있어, 미래자동차의모습과자동차소재는다음과같이변할것으로예상된다. 1 튼튼하고가볍게 : 철강을대체하는경량소재로엔지니어링플라스틱, 탄소섬유복합재등고분자복합재의사용이확대될전망이다. 단 중기적으로는엔진, 휠, 차창등에다양한엔지니어링플라스틱의적용이확대되고장기적으로는탄소섬유가차체등주요부품에서철강을대체할것으로예상된다. 2 개성있고편리하게 : 자동차의스마트화경향에따라자동차에 OLED, 유기태양전지등유기전자소재의적용이확대될전망이다. OLED는투명하고유연하게제작할수있어향후자동차의내ㆍ외장조명및디스플레이용으로사용이확대될전망이다. 또한유기태양전지는시동이꺼진상태에서도전자장치를작동할수있도록편의성을제고할것이다. 3 깨끗하고안전하게 : 인체및환경유해물질배출규제강화로생분해성바이오플라스틱을이용해부품자체를환경친화적으로제작하거나, 제조공정에서유해물질의발생을최소화하는방향으로발전할것이다. 또한유해화학물질을저독성소재로대체하거나, 자동차폐플라스틱을재활용하는사례도확대될것으로예상된다. 소재기술력은과학기반이구축되어있어야하며, 노하우등암묵지가복합적으로필요해축적하는데장기간소요되므로지속적인 R&D 투자가필수적이다. 따라서정부는 R&D 투자를확대해화학소재기업의장기적인기술개발을장려해야한다. 한편, 화학소재기업들은자동차용화학소재시장의규모가크고성장성이높기때문에적극적으로사업기회를모색할필요가있다.
1 1. 자동차는화학을사랑해 2011 년프랑크푸르트모터쇼에서화학소재기업인바스프가 ' 자동차는 화학을사랑해 ' 라는주제로기자간담회를개최하면서이목을집중 - 다임러와공동제작한전기콘셉트카 ' 스마트포비전 ' 이화제 스마트포비전 - 콘셉트카에는투명유기태양전지, 투명 OLED, 엔지니어링플라스틱, 적외선반사코팅및필름, 고분자복합재등의혁신소재들이채택 ( 자료 : 바스프홈페이지자료를토대로작성 ) 그동안은철강이자동차의핵심소재였는데, 화학소재를사용하면 가볍고, 가공이용이하여다양한디자인의자동차제작이가능 - 화학소재는투명도 ( 투명 - 반투명 - 불투명 ), 열 전기전도도 ( 부도체 - 도체 ), 경도 ( 단단함, 유연, 탄성 ), 모양, 크기, 색깔등을자유롭게 조절할수있어철강소재에비해디자인자유도가크게향상 - 사출, 압출, 블로우몰딩등다양한성형법을이용해매우정교한 모양이나대형구조물을저렴하게제작하는것이가능 다양한플라스틱가공기술 복합사출 : 한물질을다른물질에혼합하면서사출하는기술 - 조립비용등제조비용감소, 부품또는모듈의일체화를통한승차감향상, 소음감소등의효과 다층블로우몰딩 : 다양한고분자를여러층으로적층하여성형하는기술 - 이기술로플라스틱연료탱크를만들면연료나휘발성물질의누출을차단할수있으며, 자동차내부구조에맞는다양한크기와형태로제작이가능
2 그러나화학소재는철강소재에비해가격이높은반면, 강도는낮아 자동차에적용확대가미흡 - 1kg 당가격은자동차용열연강판이 1 달러내외이고, 폴리프로필렌은 2~2.5 달러내외 - 범용플라스틱의강도는 20~40MPa 1) 로철강의 10% 이하 - 자동차제작시플라스틱사용량이증가하고있으나, 그양은 2000년 130kg에서 2010년 172kg으로 2.8% 증가하는데그침 2) ㆍ합성고무, 도료등을포함한총화학소재무게는 2000년 330kg에서 2010년 405kg으로연평균 2.0% 증가 금속 미국자동차구성소재의함량변화 ( 단위 : kg, %) 소재 2000년 2005년 2010년 CAGR 철강 1,172(65.9) 1,161(63.3) 1,109(60.5) -0.6% 비철금속 197(11.1) 223(12.2) 235(12.8) 1.8% 화학소재 플라스틱 130(7.3) 151(8.3) 172(9.4) 2.8% 합성고무및케미컬 200(11.3) 211(11.5) 233(12.7) 1.5% 유리및기타 79(4.4) 87(4.7) 84(4.6) 0.6% 합계 ( 차량무게 ) 1,778(100) 1,833(100) 1,833(100) 0.3% 주 : ( ) 안은비중자료 : American Chemistry Council(2011). Chemistry and Light Vehicles Annual Report. 최근원가를낮추거나물성을개선한신공정 신소재개발이확대되고 있어, 향후자동차제작시화학소재사용량이대폭확대될전망 - 탄소섬유복합재의고속성형공법개발, 고내열 고강도엔지니어링 플라스틱, 바이오플라스틱의물성개선등소재 공정혁신이활발 ㆍ전기전도성 고내열수지가개발되어정전 ( 靜電 ) 도장및고온 오븐작업이필요한외장패널에플라스틱적용이가능해짐 1) Mega Pascal, 1MPa 는 1 m2의면적에 1 톤의하중이가하는힘을나타냄 2) American Chemistry Council(2011). Chemistry and Light Vehicles Annual Report.
3 - 자동차용플라스틱시장규모는 2010 년 173 억달러 ( 약 550 만톤 ) 에서 2017 년 355 억달러로연평균 11% 가량고성장할전망 3) 탄소섬유복합재의고속성형공법혁신 탄소섬유복합재의고속성형공법이개발되어대량생산이가능해짐에따라자동차적용이가시화 - 기존에는탄소섬유복합재성형에 90분이상소요되어자동차부품으로사용하는데걸림돌로작용 - 도레이, 테이진등의탄소섬유업체는최근진공사출법, 열가소성접착제등기술혁신을통해 1분안에연속성형할수있는기술을확보 [ 테이진의고속성형공법으로만든차체 ] ( 자료 : 小谷眞幸 (2012). 帝人, 絲賣り 脫し 再發進. 日經ビジネス, 1631 號, 72.) 2. 자동차와화학소재의미래 미래자동차의모습을통해화학소재의변화방향을추정 - 미래자동차의모습은 1 튼튼하고가볍게, 2 개성있고편리하게, 3 깨끗하고안전하게변화ㆍ소비자의자동차선택기준이성능위주에서경제성, 개성표현, 친환경성등을중시하는쪽으로전환되고있는데, 이것이미래자동차변화의주원인 4) - 미래자동차의변화방향에따라경량소재, 유기전자소재, 친환경소재의사용이확대될것으로예상 1 튼튼하고가볍게 : 경량소재 철강을대체하는경량소재로엔지니어링플라스틱, 탄소섬유복합재등 고분자복합재의사용이확대될전망 3) Green Car Congress (2011). Frost & Sullivan: Market for Lightweight Materials in Automobiles to Reach $95.34B in 2017. 4) 'IBM 자동차 2020 글로벌설문조사 ' 에따르면자동차구매시의 11가지선택기준중연료효율, 환경친화성, 개인화 ( 사용자가자동차의내 외장, 기능을자신에게맞는환경으로구성 ) 등이상위선택기준
4 - 고유가와환경규제등에따라경량화가자동차업계의핵심이슈가 되면서, 화학소재사용확대가필수대안으로부상 ㆍ고효율엔진개발, 얇은고강도강판제작, 경량금속대체등 다양한시도가이루어지고있으나, 플라스틱으로대체하는것이 가장효과적인대안 ㆍ자동차의무게를 10% 줄이면평균연비가 5~7% 상승 5) 자동차용플라스틱과탄소섬유복합재비교 구분범용플라스틱엔지니어링플라스틱탄소섬유복합재 개념 고분자수지를단독가공 특수고분자와섬유, 무기소재등을복합가공 탄소섬유와고분자소재를복합가공 강도 20~40MPa 50~200MPa ~1,600MPa 주용도 내장재, 시트등 엔진, 연료계통부품등 차체, 구조물등 - 내장재뿐만아니라엔진부품, 차체등높은수준의강도와내열성이 필요한부위에고분자복합재를채용한다양한콘셉트카들이등장 ㆍ현대차는유리와판넬을고분자복합재로만들어 무게를 60kg 줄인 ' 카르막 ' 을 2007 년제네바 모터쇼에서공개 ㆍ폭스바겐은 2011 년카타르모터쇼에서탄소섬유를 사용한무게 795kg, 연비 111km/L 의콘셉트카 'XL1' 을공개 단 중기적으로는엔진, 휠, 차창등에 ( 자료 : 현대차 ( 미국 ) 홈페이지 ; 폭스바겐홈페이지 ) 다양한엔지니어링플라스틱의적용이확대 - 엔지니어링플라스틱은다양한고분자물질과섬유및세라믹등을 혼합하여, 충격과열에약한기존플라스틱의단점을개선한소재 5) Fisher, M., et al.(2007). Enhancing Future Automotive Safety with Plastics(No. 07-0451). American Chemistry Council.
5 ㆍ기존플라스틱의변형온도가 100 내외인데반해, 엔지니어링 플라스틱은 200 이상의고온에도견딜수있음 ㆍ강도는일반철강소재대비 40% 정도인 200MPa 까지도가능 - 선진화학기업들은범용화되는고분자수지사업의경쟁력을유지하기 위해고부가엔지니어링플라스틱사업을집중강화 ㆍ고분자와섬유, 세라믹등을복합하는가공기술과나노수준에서 물성을제어하는기술이모두필요하기때문에중국이나중동등 후발자와의원가경쟁을피할수있는분야 자동차용엔지니어링플라스틱개발사례 구분 바스프 ( 獨 ) 사빅 ( 사우디 ) 듀폰 ( 美 ) 소재 폴리아미드폴리카보네이트유리섬유강화복합소재복합소재폴리아미드 특징 무게 45% 감소 무게 50% 감소 사용가능온도 210 휠, 시트 유리, 패널 엔진부품 용도 자료 : 각사홈페이지 장기적으로는차체등주요부품의소재가철강에서탄소섬유복합재로 대체될전망 - 탄소섬유는 6) 차체에쓰이는강판보다강도는 10 배높고, 무게는 4 분의 1 정도로가벼워자동차의경량화를위한최적소재이나, 강판에비해가격이 비싸지금까지는항공기동체등특수용도로주로사용 - 현재탄소섬유의가격은 1kg 당 30 달러수준으로, 자동차부품소재로 사용하려면 10 달러이하로낮출필요 6) 아크릴 (Polyacrylonitrile) 을 1,000 이상에서가열하여탄소성분만남기고태운섬유狀소재
6 ㆍ현재, 가격보다성능이중시되는 F1 用자동차차체는 100% 탄소섬유 복합재로제작 - 경량화필요성이특히높은전기차에수년내에우선적용할전망 ㆍ배터리무게를 400kg으로가정했을때, 탄소섬유복합재를적용해차체의무게를 30% 줄이면주행거리는 150km에서 200km로 33% 증가 7) - 완성차업체와탄소섬유업체의합작회사간개발경쟁이본격화 완성차-소재업체의탄소섬유복합재합작추진사례 완성차업체-소재업체 다임러-도레이 BMW-SGL GM-테이진 양산개시목표 2012년 2013년 2020년 적용모델 2인승벤츠 SL 전기차 i3 및 i8 GM 전차종 연간생산목표 1만 ~2만대 4만 ~8만대 100만대 2 개성있고편리하게 : 유기전자소재 자동차의스마트화경향에따라자동차에 OLED, 유기태양전지등유기 전자소재적용이확대될전망 - 현재까지전자소재는제어장치, 회로, 센서등내장부품에주로 쓰였으나, 유리, 차체, 조명등탑승환경에도채용이확산 - OLED, 유기태양전지등을유리창이나차체에채용한콘셉트카들이등장 바퀴달린스마트폰, 'Fun-Vii' 도요타가 2011년도쿄모터쇼에서차체외부에대형디스플레이를장착한콘셉트카 Fun-Vii( 펀-비 ) 를출품 - 차량의외관을개성에따라바꿀수있고, 메시지를띄우거나무선통신으로정보를송수신하는것도가능 ( 자료 : Toyota developing 'smartphone on wheels'. (2011. 11. 29.). The Asahi Shimbun.) 7) Tanaka, C. (2009). New Business Strategies Focused on the Global Environment. IT-2010 IR Seminar. March 25.
7 OLED 는투명하고유연하게제작할수있어향후자동차의내ㆍ외장조명 및디스플레이용으로사용이확대될전망 - 대면적제작이가능하고자유자재로구부릴수있어다양한형태의조명을디자인하는것이가능ㆍ자동차엔지니어링업체인 EDAG는 2009년제네바모터쇼에서차량뒷면전체를 OLED를이용해디자인한콘셉트카를공개 - 계기판과디스플레이를투명 OLED로제작하면운전자에게현실감있는정보제공이가능ㆍ현대차와기아차는최근콘셉트카의계기판에네오뷰코오롱이개발한투과율 80%, 두께 0.5mm의투명 OLED를적용 콘셉트카에적용된 OLED 조명과디스플레이 EDAG 의 'Light Car' 현대차 'Blue-Will' 의계기판 자료 : OLED-Info 홈페이지 태양전지를장착하여시동이꺼진상태에서도전자장치를작동할수 있도록편의성을제고 - 향후에어컨, 조명등을가동하는차량의보조전력원으로유기태양전지사용이확대될전망ㆍ도요타의 ' 프리우스 ' 는지붕에태양전지를설치하여시동을켜지않아도에어컨을가동할수있음
8 ㆍ다임러는유기태양전지로생산한전력을조명으로이용할수있는 콘셉트카를 2011 년프랑크푸르트모터쇼에출품 - 향후롤투롤 8) 공정으로생산원가를대폭감축할경우, 유기태양전지사용이조기에가시화될전망ㆍ롤투롤공정을채용한유기태양전지전문업체인코나카 ( 美 ) 는자동차부품회사인베바스토 ( 獨 ) 와차량지붕용태양전지를공동개발중 유기태양전지의차세대생산혁신 : 롤투롤 (Roll-to-Roll) 코나카는 2009년롤투롤공정으로유기태양전지를생산하기시작하여현재창문, 건물외벽등에적용중 - 기존태양전지는폴리실리콘을이용한화학증착방법으로제작하여원가가높은편 - 유기태양전지는롤과롤사이에서신문을인쇄하듯이제작하여저렴하게대량생산이가능 ( 자료 : optics 홈페이지 <http://optics.org/indepth/2/9/1/konarkaroller>) 3 깨끗하고안전하게 : 친환경소재 생분해성바이오플라스틱을이용해부품자체를환경친화적으로제작 하거나, 제조공정에서유해물질의발생을최소화하는방향으로발전 - 인체나환경에유해한 VOC 9) 규제등환경규제가강화되는추세로, 자동차의내 외장재를친환경소재로제작해야할필요성이증대ㆍ일본자동차업체들은 2007년출시되는자동차의실내유해물질농도를후생노동성에서권장하는 VOC 기준치에맞추기위해자발적으로노력 8) 전자부품을만들때마치신문을인쇄하듯이플라스틱이나금속호일을계속공급하면서그위에패턴을연속적으로만드는공정, 줄여서 R2R 이라고도함 9) Volatile Organic Compound, 상온에서휘발하기쉬운유기화합물질을의미하며, 발암물질인포름알데히드, 톨루엔등이이에해당
9 - 자동차제작시식물원료로만들어생분해특성이있는바이오플라스틱과유해물질배출이적은저독성소재를사용하는사례가증대ㆍ도요타는실내면적의 80% 를바이오폴리에스터수지로처리한하이브리드자동차 'SAI' 를 2011년출시ㆍ튜닝카전문회사인링겐펠터는악조노벨의유해물질방출이적은수용성페인트로도장한콘셉트카를 2011년캐나다모터쇼에출품 도요타의 'SAI' ( 색칠된부분이바이오플라스틱 ) 링겐펠터의콘셉트카 'LTA' 자료 : 도요타홈페이지 자료 : BodyShopBusiness 홈페이지 일본업체를중심으로바이오플라스틱의개발 적용이확대 - 바이오플라스틱의생산공정은미생물의생체반응을이용하므로기존 화학소재의생산공정대비에너지효율적이며유해물질배출도크게 감소 - 일본자동차회사들은바이오플라스틱을이용해자체제작한부품에별도의브랜드까지표시ㆍ바이오플라스틱부품브랜드사례 : Ecological Plastic( 도요타 ), Green Plastic( 미쓰비시자동차 ) - 바이오플라스틱의취약점인내구성, 내열성등이크게개선되는추세 ㆍ테이진은녹는점이기존 170 내외인 PLA 의물성을 200~230 까지 높인 ' 바이오프론트 ' 를개발
10 카사바 ( 고구마종류 ) 농장을운영하는도요타 도요타는 2001년부터인도네시아에카사바농장을조성하였으며, 카사바를원료로바이오플라스틱을생산 - 2003년업계최초로양산차의스페어타이어커버와바닥매트에바이오플라스틱을적용 - 2005년부터연간 1,000톤규모의바이오플라스틱을생산하기시작 - 2009년부터는카사바를이용한바이오연료개발로연구분야를확대 ( 자료 : 도요타홈페이지 <http://www.toyota-global.com/>) 유해화학물질을저독성소재로대체하거나, 자동차폐플라스틱의 재활용도확대될전망 - 성형성을좋게하기위하여플라스틱에불가피하게첨가했던유해첨가물질을최소화하려는노력이활발ㆍ코오롱플라스틱은포름알데히드발생량을기존의폴리아세탈의 30분의 1 수준으로줄인 ' 코세탈 ' 을개발 - 유독성공정인자동차의도장공정에수용성페인트를사용하여유해물질배출을최소화하는연구도활발ㆍ바스프와현대차는한국에코팅연구소를설치하고친환경수용성도료개발및도장공정단축을위한공동연구를진행중 - 폐플라스틱은화학분해과정을거치면새로운플라스틱소재로재생될 수있기때문에향후재활용이확대될전망 ㆍ플라스틱폐기물을다른제조공정의열원으로사용할수도있음
11 재활용페트병으로만든자동차시트 포드는 2012년출시되는전기차 ' 포커스 ' 의시트를폐PET병으로만들계획 - 폐PET병과폐폴리에스터섬유를혼합하여만든섬유인 REPREVE 로시트를직조 - 포커스 1대에폐PET병 22개가사용되며, 연간약 9만대분량인 PET병 200만개를재활용할예정 포드는 2009년부터자사에납품되는모든직물제품에대해최소 25% 이상재활용이가능하도록품질기준을적용중 - 대두로만든발포시트쿠션등현재 37종의재활용가능한직물제품이포드자동차에사용중 ( 자료 : 포드미디어홈페이지 <http://media.ford.com/>) 3. 시사점 화학소재기업은시장규모가크고성장성이높은자동차용화학소재 시장에서적극적으로사업기회를모색할필요 - 자동차는플라스틱의용도중포장, 건축에이어 3 번째로큰시장 ㆍ 2010 년플라스틱의용도별비중 : 포장 39.0%, 건축 20.6%, 자동차 7.5%, 전기전자 5.6% 10) - 포장, 건축용플라스틱이범용화되면서선진화학소재기업은기술 차별화가가능한자동차용사업을집중육성중 - 중동과중국이규모와원가경쟁력을바탕으로화학소재시장의 주도권을확보하고있으나, 자동차용고부가소재분야에서는기술력 부족으로시장진입이상당기간지연될전망 10) PlasticsEurope (2011). Plastics - the Facts 2011. 유럽 27 개국플라스틱총사용량기준
12 ㆍ사빅 ( 사우디 ) 은독자적인기술개발보다는 2007 년 GE 플라스틱을 인수하여고부가플라스틱기술을일거에확보하는전략을채택 - 자동차기업역시차세대신차개발시소재혁신이필수적이므로 소재기업과의공동개발을강화하는추세 소재기술력은과학기반이구축되어있어야하며, 노하우등암묵지가 복합적으로필요해축적하는데장기간이소요되므로 R&D 투자확대가 필수 - 자동차용소재사업은대규모장치를통한원가경쟁력뿐만아니라 고객맞춤형가공기술의복합이필수적인분야 ㆍ고객의소재사용환경에대한이해, 나노수준에서의구조 기능 제어, 섬유 세라믹등타소재와의복합화기술등이종합적으로 필요 - 2010 년선진화학소재기업의매출액대비 R&D 투자비중은 3% 가량인 반면, 국내주요기업의 R&D 투자비중은 1% 미만으로크게부족 구분 국내외주요화학기업의 2010 년 R&D 규모 바스프 ( 獨 ) 해외기업 다우케미컬 ( 美 ) 국내기업 듀폰 ( 美 ) 엘지화학호남석유 YNCC 매출 ( 백만달러 ) 70,391 53,674 31,312 16,843 9,199 5,464 R&D 투자금액 ( 백만달러 ) 1,959 1,660 1,651 242 20 3 R&D 투자비중 (%) 2.8 3.1 5.3 1.4 0.2 0.1 자료 : 각사 (2011). Annual Report 를토대로작성 - 선진화학소재기업중에는장기간의기술개발을통해해당분야에서 독보적인경쟁력을확립하는사례가다수
13 도레이의뚝심 도레이는 1971년탄소섬유복합재를첫생산한이래부터 2004년까지탄소섬유사업을 ' 신제품및기타사업부 ' 로분류하여그룹의차세대성장동력으로지속적으로육성 - 첫생산이시작된지 34년만인 2004년이후부터탄소섬유사업이이익을내기시작 꾸준한기술투자를바탕으로경쟁자를압도하는독보적인기술경쟁력을확보 - 1980년대에비행기부품에탄소섬유를적용하기시작하여, 2006년부터는보잉 787기의동체에탄소섬유를독점공급 ( 자료 : 도레이홈페이지 ) 정부는 R&D 투자를확대해소재기업의장기기술개발을장려할필요 - 나노복합소재, 차세대소재가공공정기술등산업원천기술분야에정부의 R&D 투자를확대할필요ㆍ오바마美대통령은 2012년 3월탄소섬유복합재, 경량금속알로이, 고분자복합소재등차세대자동차를위한경량소재개발에 1,420만달러를투자하는계획을발표 - 완성차와소재기업의기술개발컨소시엄을활성화하는것도좋은방안 미국의 The Technology Integration Workshop 美교통부와美화학회는자동차의미래관련워크숍을 2005년공동개최 - 완성차업체, 소재업체, 대학, 정부연구기관등 29개기관의전문가 45명이참여하여미래자동차소재의발전방향을모색하고기술개발방향을설정 워크숍을통해 130개의도전과제와 190개이상의향후활동목표를설정 - 최우선과제로는탄소섬유복합재원가개선, 연료누설개선소재개발, 플라스틱연료선및브레이크라이닝개발, 복합재엔진프레임개발, 발포소재범퍼 차체개발등이있음 - 以上 -