자동차의 환경 대응과 재료 기술 포항산업과학연구원 최 광 Key word: 자동차, 환경, 리사이클 Automobile. Environment, Recycle < 목 차 > 1. 서 언 2. 자동차를 둘러싼 환경문제 3. 자동차에 있어서 중점과제와 재료기술 4. 결 언 5. 참고문헌 1. 서언 자동차는 사람에게 많은 편리성과 매력적인 요소를 제공하고 있다. 지금 단지 이동수단을 넘어서 생활에 없어서는 안될 이동 공간으로 존재한다. 한편, 자동차는 자원과 에너지를 이 용해서 조립되어 연료 및 전기를 동력원으로 주행하고 있다. 이는 자동차가 어떤 일정량의 환경부하를 준다는 측면을 함께 가지고 있다는 의미이다. 사람들이 장래에도 자동차의 편리성을 누리기 위해서는 또 자동차도 지속적으로 그 매력을 사람들에게 제공을 지속하기 위해서는 환경부하의 계속적인 삭감을 제품 개발 중에 동시 병 행을 하는 것이 필요하다. 본 보고는 현재 환경과 관련하여 적극적으로 노력하고 있는 여러 산업 분야중 자동차 산업에서의 노력을 일본의 Nissan 자동차의 재료기술부에 있는 Takahashi Kumamoto의 보고서를 중심으로 기술한다. 이 보고에는 자동차의 환경문제에 대해서 우선 전체 모습을 보이고 환경 부하 삭감의 노력 재료 기술의 시점에서 소개한다. Nissan 자동차는 그림 A-1에서와 같이 설계에서부터 생산, 판매 그리고 폐기에 이르기까 지 환경의 영향을 고려한다.
그림 A-1 자동차의 라이프 사이클 다음은 Nissan 자동차인 Note의 재활용을 고려하는 설계에서 생산 및 폐기에 걸친 검토과 정을 나타낸다. 환경고려에 대한 개념도이다. 그림 A-2 재활용을 고려한 자동차의 설계,생산 및 폐기
그림 A-3에는 환경을 고려한 기술개발 적용 사례를 Note 차종에서 나타낸 것이다.
그림 A-3 환경을 고려한 자동차의 기술 개발 2. 자동차를 둘러싼 환경문제 자동차와 환경의 문제는 역사적인 경과를 그림 1에 나타낸다. 1960~1970년대의 배기가스 에 의한 환경영향이 취급되고, 거의 같은 시기에 소음문제가 취급되었다. 어느것도 沿 道 및 도로 주변 즉, 도시환경문제에 위치한다. 이후 오존층 파괴에 의한 자외선의 문제 및 산업활동에 의한 지구온난화 문제 등 지구규모 의 환경문제가 다음으로 큰 이론이 되었다. 또 유통의 발전에 따른 사람 및 제품의 이동 범 위가 확대된 결과 폐기물의 경계를 넘는 문제 및 환경부하 물질이라 할 수 있는 특정의 화
학물질에 의한 오염 등의 문제로 취급해야 되게 되었다. 최근에는 이들의 환경문제를 하나 하나 취급해서 개별적으로 논의하는 것이 아니고, 제품개발 중에 계층을 세워 정리하는 일 도 하고 있다. 그림 1 환경 문제와 자동차의 과제 그림 2는 자동차가 관여하는 환경영향 항목에 대해서 자동차(제품)으로서의 라이프, 그래 서 자동차를 만들어 내는 메이커로서의 기업활동의 측면에서 정리한 것이다. 여럿이 있는 한편, 각 영향의 정리, 포지셔닝을 논의할 수 있게 하였다. 제품으로서의 특징도 있고, Nissan자동차가 이중 특히 중요 과제로 취급하는 항목은 [지구 온난화 억제], [대기, 물, 토 양의 보전], [자원 순환]의 3개의 관점으로 이후는 이 취급을 중심으로 해설한다. 자동차의 라이프사이클
그림 2 자동차가 관여하는 환경영향 사항 3. 자동차에 있어서 중점과제와 재료기술 3.1 지구 온난화 억제 지구온난화는 현재 가장 주목되는 과제이다. 온난화를 말하자면 온실효과가스(이산화탄소, 메탄, 아산화질소, 프론류, 6불화 유황 등)에 의한 온실효과에 의한 것이다. 이들의 가스 효 과에 의해 지구 표면의 온도는 안정화 되는 반면, 과도한 배출에 의한 온실효과가 진행되어 문제시 되고 잇다. 온난화 가스 중에는 이산화탄소(이하, CO 2 )가 주목된다. 이것은 온난화 가스 중에는 CO 2 의 온난화 계수는 가장 작은 것의 대기중에 농도가 높아 전체의 온난화의 영향으로는 CO 2 가 가장 크다는 것과 CO 2 농도가 과거인류의 경험하지 않은 농도까지 증가 하기 때문이다. 지구 온난화가 지구환경에 미치는 영향은 꼭 과학적으로 충분히 증명된 것 은 아니다. 그러나 산업혁명 이전 대기 중의 CO 2 농도는 200~300ppm정도였는데, 2000년에 는 370ppm까지 증가해서 결과로는 1900년 이후 현재까지의 기온상승은 지구 평균으로 0.6±0.2 C로 되었다. 또 과거 50년간의 온난화의 대부분은 인류의 활동에 기인하는 것이다. 이들에서 CO 2 삭감의 필요성이 거론된다. 운수부문에서 배출되는 CO 2 에 대해서는 WBCSD 지속 가능한 모빌리티 프로젝트 중에 전산업종의 운수부문(자동차 외 비행기 및 선박 등도 포함된다.)의 영향은 약 20%정도로 추계되고, 또 현재의 경향이 지속되는 경우 2050년에는 2000년 시점의 약 2배 정도로 강하게 된다는 예측도 있다. 자동차의 CO 2 배출의 내역을 보 면 현 시점에는 많은 차량이 화석연료를 사용하므로, 자동차의 생애에 있어서 CO 2 배출량의 약 80%는 주행 시 배출된다. 이 주행 시에 배출되는 CO 2 양은 차량의 연료효율, 배출 계수 로 되어 사용되는 연료 중의 탄소 함유량, 차량이 주행하는 거리의 영향을 받는다. (다음식 참조) CO 2 배출량 = 차량의 연료효율(l/km) * 연료 중의 탄소함유량(g/l) * 주행하는 거리( 合 km)
따라서 지구온난화 억제에 자동차 분야에서 공헌하기 위해서는 어떻게 차량의 연료 효율을 개선 하는가, 어떻게 연료 중의 탄소 함유량을 감소 할 수 있는가, 어떻게 효율적으로 주행 해서 주행거리를 줄일 수 있는가가 기술적으로 큰 과제로 된다. 아래에서 차량의 연료 효율의 향상과 재료기술과의 연관에 대해 다룬다. 우선 경량화의 문제를 들 수 있다. 재료에 의한 경량화의 취급은 종래 많이 이용되는 강판, 강재에 대해서 보다 가공성 및 용접성 등이 양립을 추구한 재료 개발이 진전되고 있다. 철 강 재료에서 비철금속으로의 전환으로 경량화의 방법으로 취급된다. 알루미늄은 경량화 효과에 대한 코스트 퍼포먼스도 비교적 좋은 것에서 적용이 확대되고 있다. 자동차에는 종래부터 주조형 재료로 이용되었는데, 알루미늄 판재의 보디에 적용도 재료개발, 가공기술의 진전과 함께 증가하는 경향이 있다. 예를 들면 Nissan 자동차의 [FUGA]에는 양산차로서 도어에 알루미늄을 적용하고 강도도 확보하여 강판재 도어비 약 24kg의 경량화를 달성했다. (그림 3) 그림 3 알루미늄 도어구조를 적용한 푸가 플라스틱 재료에 대해서도 이 경량화 효과와 함께 이 가공 자유도면에서 자동차에 적용은 해마다 증가하고, 현재에는 차량 중량의 약 10%보다 약간 적은 정도로 수지화 되었다. (그 림 4)
고기능성 수지 기타 범용 수지 ABS 수지 폴리프로필렌 수지 그림 4 수지재료의 사용량의 변화 폴리에틸렌 수지 염화 비닐 수지 폴리 우레탄 수지 재료 종류로는 내외장과 비중, 코스트, 성형성의 밸런스에서 폴리프로 필렌계 재료가 주류 로 되었다. 외장부품의 플라스틱 재료의 적용 예를 소개하면 1970년대 후반부터 금속 범퍼 가 수지화 된 것을 표면을 팬더패널의 수지화, 최근에는 나아가 Back Door의 수지화 모듈 구조의 검토도 함께 진행되고 있다. (그림 5) 그림 5 백도어의 수지화([라페스타](INR:PPGF 40%,OTR:pp))
경량화 이외에는 엔진의 연소효율의 향상은 차량의 연료효율의 개선과 직결되므로, 파워 소스에 관한 재료 기술도 중요한 기술개발 분야에 위치를 차지한다. 종래부터의 엔진 구성 부재로 動 弁 系 의 경량화 등의 검토를 하여 전달계에 있어서 프리쿠션의 저감 등 습동부품의 표면처리 재료개발, 또 효율이 좋은 윤활유의 개발 등의 재료개발을 하고 있다. 나아가 장 래를 향해서는 하이브리드(HEV) 및 전기자동차(EV), 연료전지차(FCV) 등의 파워 유닛을 구성하는 각 시스템 구성 부품의 다운 사이징, 고 효율화 등 기반 기술로서 재료 분야의 진 전이 CO 2 배출량삭감을 향해서 시스템 자체의 가치를 높이는 부분은 크다. 3.2 대기, 물, 토양의 보전 연구가 집중한 도시에 있어서는 그렇지 않은 지역에 비해 보다 많은 배출가스가 대기로 방 출된다. 배출가스의 발생원은 주로 이동발생원(자동차 및 건설기기 등); 고정발생원(공장 및 발전소 등)으로 나눌 수 있다. 과거에 있어서는 인구증가에 따른 사람과 물건의 이동이 증 가 하는데 따라 자동차의 대수 및 주행거리가 늘어나고, 도로가 밀집한 상황에 있어서는 자 동차의 배기가스가 길 주변의 대기 환경을 악화시키는 요인이 되었다. 현재는 일본, 미국, 유럽을 중심으로 대기 환경을 사람들의 생활에 있어 요구되는 레벨로 유지하기 위해, 각국, 각 지역의 대기 오염 물질을 특별히 정하고, 그 대기 환경 기준이 정해졌다. 이러한 대기의 환경 부하를 낮추기 위해서도 여러 가지 개선이 되고 있다. 자동차로부터 의 배기량을 기술적으로 삭감하는데 는 우선 엔진에서 배출되는 배출가스를 그린으로 하는 것에 의해 엔진의 연소를 최적 설계 하는 것으로 컨트롤 하는 수가 많다. 나 아가 배출가스를 후처리 장치로 정화하는 것도 행해지고, 이를 위한 촉매장치가 이용된다. 촉매는 많은 경우 백금(Pt), 로듐(Rd), 파라디움(Pd)의 귀금속이 이용되는데, 이들은 천연 자원에서 단위량을 얻기 위해서는 대단히 많은 양을 행해야 하고, 예를 들면 Pt의 경우 계 산상 약 3만 배의 양의 자연자원의 채굴을 행해야 된다고 한다. 지구에서 한정된 신규자원 의 이용의 관점, 토양의 보전이라는 관점에서도 대단히 중요한 금속재료로 결과로 코스트도 높으므로 어떻게 적은 양으로 동등이상의 효과가 얻어지는가에 대한 기술개발을 진행하고 있다. 촉매의 활성조기화 및 유지, 정화율의 향상이 대기의 보전에 관한 영역의 중요한 재 료 기술이라 할 수 있다. 물, 토양의 보전이라는 면에는 자동차를 만드는 위에 환경에 부하를 주는 화학 물질에 대 해서 사용을 제한하는 움직임이 있다. Nissan자동차에는 특정의 화학물질에 대해서 가이드 라인을 설정해서 차를 만들 때 환경오염을 미연에 방지하고 있다. 이는 사용 시 자동차가 적절히 처리되면 문제 없지만 불법투기 등이 행해지는 경우, 그 폐기물이 환경에 영향을 주 는 물질이 포함되어 있으면, 환경 오염을 일으킬 가능성이 있기 때문이다. 이 배경으로 중 금속류의 사용제한의 움직임을 소개한다. 유럽에는 EUELV지령 (사용자동차에 관한 지령) 에 의해 2003년 7월부터 납, 수은, 카드뮴, 6가 크롬의 사용제한이 개시되고 일부 제외규정 을 제외하고 원칙적인 사용금지를 해서, 업계에서도 대응하고 있다. 또 일본에서도 자동차 업계의 스스로 삭감 노력을 실행 중에 있다. 현재 주요한 움직임은 EUELV지령에는 2007
년 7월에 또 일본에는 2008년 1월에 6가 크롬에 관한 방청 코팅 용도로의 면제기한이 되 므로 이를 향한 표면처리의 통폐합 및 6가 크롬 프리 표면처리 재료의 개발을 진행하고 있 다. 도금강판 등에 사용되는 6가 크롬 함유 처리피막 등도 계속해서 대체재로 치환이 진행 되고 있다. 상기의 폐차 처리를 상정한 노력과 함께 최근에는 타는 사람의 영향배려에서 차 실내의 휘 발성 유기 화합물(차 실내의 VOC)의 삭감 노력을 한다. VOC와는 포름 알데히드 및 플루엔 등, 상온에서 휘발하기 쉬운 유기화합물로 코 및 목에 자극의 원인이 되는 물질이 있고 Nissan자동차에서는 이들을 저감하기 위해서 시트 및 아 트리움 플로어 카펫 등의 부재 및 사용되는 접착제에 검토를 하였다. 2005년 발매한 [큐브], [큐브큐빅], [마티], [세레나]에는 후생 노동성에서 정해진 13물질 (표 1)에 대해서 지침값 을 하회하는 레벨로 저감해서 일본의 자동차 업계의 자주 목표를 미리 달성했다. 이들의 대 기, 물, 토양의 보전의 노력을 환경보전의 관점에서 단지 재료를 관리 하는 것에서 나아가 사람들이 안심하는 자동차와 부합하는 자동차 제조의 목표를 향해나가고 있다. 표1 일본 후생성이 정한 13물질의 실내농도지침치(2004년12월 현재) 포름 알데히드 톨루엔 크실렌 파라디크로로벤젠 에테르벤젠 스테론 클로로필리포스 훼탈산시 n 부틸 테트라 디카본 훼탈산 디 2 에틸헥실 다이아지논 아세트알데히드
페노카르프 3.3 자원 순환 일본국내에는 년간 500만대 정도의 사용하는 자동차가 발생하고 있다고 한다. 종래부터 해체업자에 의한 재이용 가능한 부품 취급 외에 남은 슈레터 업자에 의해 재단 되고 주로 철을 중심으로 한 금속재료가 원재료로 리 사이클 된다. 이 남은 것은 슈렛트 더스트(이하 ASR)이라 부르고 이것의 많은 것이 관리협의 매립으로 땅에 처리된다. 그런데 1990년대 후반 스크랩 철의 가격이 하락해서 매립 처리 비용이 높 아지게 되어, 사용하던 차의 불법투기가 증가하고, 환경에의 영향이 문제로 되기에 이르렀 다. 물질은 보존의 법칙에 의해 지구상에서 소거되지는 않는다. 그러나 엔트로피가 증대해 서 결과적으로 경제적으로 성립하지 않는 것은 순환되지않고 폐기물로 되므로 자동차에 많 이 이용되는 철의 스크랩으로 되어, 재 이용되지 않는 사태가 일어나는 것은 종종 경험했다. 자동차에 관해서 재료의 흐름을 나타내면 (그림 6)과 같이 된다. 에 너 지 그림 6 일본의 자동차에 사용된 재료의 순환 (자동차 1대에 사용된 재료를 100으로 함) 사용 시 자동차에는 중량 비로 80%를 넘는 물질이 재이용되고 (2005년의 자동차 리 사이 클 법 시행 전 시점) 많은 자원순환이 진행되는 것, 매립에서 폐기물이 의연히 존재하는 것 도 문제이고, 이것을 삭감하는 노력만은 계속할 필요가 있다고 생각된다. 또 많은 자원을 이용하는 것은 배경에 그 원료를 얻는 과정에서 토양, 공기질, 물의 부하 (즉 에코, 리크, 사크)가 있다고 하고, 신규자원의 투입도 밸런스 좋게 적게 하다고 생각할 필요가 있다. 나
아가 물질을 순환시키기 위해서는 자동차의 쉬운 해체성의 향상 등, 자원 순환에 필요로 하 는 에너지를 보다 적게 하는 노력이 필요하다고 생각된다. Nissan 자동차에서는 차의 라이 프 사이클에 관한 자원의 유효활용과 사용 시 자동차에서 발생하는 폐기물을 적게 하여 지 구 환경에 부하 저감을 목표로 해서 이를 위한 3R (리듀스, 리유스, 리사이클 Reduce, Reuse, Recycle)의 고려방안을 기본으로 해서 여러 가지의 개선을 조합한 환경배려 설계를 추진하는 것으로 자원 순환이 쉬운 자동차 생산을 추진하고 있다. 리사이클 설계의 기본 요건은 크게 4개로 나눌 수 있다고 생각한다. 하나는 [해체성]으로 이것은 사용 시 자동차에서 부품의 들어내기 쉬움을 나타내는 지표이다. 체결점수 등의 삭 감 및 쉬운 해체 구조가 이에 해당한다. 두 번째는 [분리성]으로 동일 재료로 분리하기 쉬 운 것을 나타낸다. 단순 소재화 등이 해당한다. 3번째는 [식별성]으로 사용재료의 식별하기 쉬운 것을 표시한다. 들어낸 부품의 재질의 표시, 마킹 등이 해당한다. 4번째가 [재이용성] 이고, 재료로서는 재이용가능이 쉬운가를 나타낸다. 성능저하의 억제 및 적용부위의 개발이 이에 해당한다. 현재 사용 시 자동차의 리사이클을 추진하는 과제이다. (그림 7)이 삭감을 추진하기 위해서도 상기 4개의 고려방안을 대단히 중요하다고 생각된다. 그림 7 슈레터 다스트(ASR)의 재료구성 [마치 MARCH]에 있어서 이들의 검토를 실현한 구체적인 취급을 그림 8에 나타낸다. 예를 들면 쉬운 해체성을 향상시키기 위해서는 범퍼의 부착구조를 보이듯이 체결볼트 수의 삭감을 들 수 있다. [마치]에는 부착점수를 32점에서 12점으로 하여 해체시간도 40%나 단 축했다. 또 리어 램프에는 종래의 볼트+접착실 구조에서 볼트+러버 구조로 해서 해체 시간 을 80%삭감하고 재 이용이 쉬운 구조로 했다.
리얼 컨셉트 차체와의 체결방법. (볼트+접착제) >(볼트) 프론트 범퍼 도어 트림 인스트 패널. 단일재료화(나무,필름,철)>(PP). 인스트 패널을 2분할(쉬운 해체구조). 해체시간(80% 단축). 단일 재료화(PP,PVC,도장)>(PP) 그림 8 [마치]에 있어서 리사이클.리유스의 설계예 한편, 리듀스(reduce)의 노력으로는 프론트 펜더 (그림 9) 및 백도어의 모듈구조의 채용에 따른 경량화의 실현, 리유스(reuse)로서 수요가 많은 외장제품, 발판관련 부품, 기능부품, 엔진의 약 50품목을 [니산 크린 퍼시]로 재 이용을 추진하는 노력을 진행하고 있다. 라이에터 코어서포터(PP GF 30%) 헤드램프 라이에터 범퍼리인포스 그림 9 프론트 엔진 모듈([스카이라인]의 예)
3.4 종합적인 환경영향 이상에서 기술했듯이 자동차의 환경영향은 많은 측면을 포함하고 있어서, 단일한 방법으로 모두 해결 능한 것은 없다. 온난화 방지를 위한 경량화는 것도 플라스틱을 이용한 경우는 사용 시 자동차의 ARS로 환경에 영향을 미치게 된다. 또 자원순환이라고 한마디로 해도 순 환의 방법도 여러 가 있다. 가장 환경에 우수한 노력은 어떠한 것인가 현재 말할 수 있는 것은 환경영향의 한 쪽만을 보고 결론을 급히 내리는 것은 올바르지 않다고 할 수 있다. 종합적으로 평가하는 수법의 하나로 LCA (Life Cycle Assessment)가 있고, Nissan자동차 에도 평가를 하고 있다. 다면적인 환경부하 인자를 동일한 축으로 본다는 것은 아직 어려움 이 남아 있고, CO 2 배출량 등은 데이터 베이스도 정비가 되고, 앞으로도 적극적으로 평가를 추진하는 방향을 정해나가야 한다고 생각한다. 4. 결언 꼭 모든 을 소개한 것은 아니지만, 자동차를 구성하는 재료의 시점에서 자동차의 여러 장 면에 폭넓은 넓은 환경부하 저감을 향한 기술검토를 행하는 것을 중심으로 소개했다. 환경 문제는 지구의 자정능력을 넘는 인간의 활동에 단서를 냄으로써, 앞으로는 자동차 기술, 둘 러싼 인프라 기술, 그리고 자동차 유저의 3위 일체로 된 노력의 중요성이 점점 증대되고 있 다. 각각의 입장에서 협력하고 환경부하 저감의 적극적인 노력이 큰 성과를 염원한다.
참고 문헌 1. Takahashi Kumamoto: 自 動 車 의 環 境 對 應 과 材 料 技 術, 機 械 의 硏 究 2006. 1. pp70-76 2. Nissan 자동차 home page: http://www.nissan-global.com/