자동차 경량화 기술 한국과학기술정보연구원
<제목차례> 제1장 서 론 1 제2장 기술동향 및 전망 2 1. 기술의 개요 2 2. 경량화를 위해 사용되는 재료 2 가. 알루미늄 4 나. 마그네슘 8 다. 철강재료 9 라. 플라스틱 10 마. 세라믹 11 3. 자동차 경량화 기술의 연구 개발동향 12 가. 최근의 자동차 개발동향 12 나. 세계 자동차 경량화 기술개발동향 및 전망 13 다. 국내 기술 개발동향 및 전망 27 제3장 시장동향 및 전망 29 1. 산업동향 29 2. 세계 시장동향 및 전망 30 가. 세계 자동차의 알루미늄 시장동향 및 전망 30 나. 세계 자동차의 마그네슘 시장동향 및 전망 33 다. 세계 자동차 경량화 시장동향 및 전망 35 3. 국내 시장동향 및 전망 38 가. 국내 자동차의 알루미늄 시장동향 및 전망 38 나. 국내 자동차의 마그네슘 시장동향 및 전망 38 다. 국내 자동차 경량화 시장동향 및 전망 39 제4장 결론 41 - i -
<참고문헌> 42 - ii -
<표차례> <표 2-1> 알루미늄의 기계적 성질 6 <표 2-2> Honda 2세대 Fit의 각 차체 부분별 경량화 개요 18 <표 2-3> 수지제 보강재 Die-quench Roll 성형을 통한 경량화 구조 21 <표 2-4> CFRP를 이용한 차체 경량화 22 <표 2-5> 알루미늄 합금을 이용한 차체 경량화 23 <표 2-6> 펜더와 유리의 수지화 24 <표 2-7> 내장 시트 구조의 합리화를 통한 경량화 26 <표 3-1> 자동차산업의 비중 29 <표 3-2> 세계 알루미늄 생산량 30 <표 3-3> 자동차의 알루미늄 사용량 추이 32 <표 3-4> 마그네슘합금 적용 제품 생산량 및 비율 38 <표 3-5> 국내 자동차산업동향 39 <그림차례> <그림 2-1> 알루미늄 부품의 차량 적용 현황 4 <그림 2-2> 승용차의 10 15모드 연비 15 <그림 2-3> 질량의 부위별 내역 16 <그림 2-4> 차체 경량화 기술 16 <그림 2-5> 자동차 경량화 기술 특허 출원 동향 28 <그림 3-1> 지역별 알루미늄 소비현황(용도별) 31 <그림 3-2> 알루미늄 시장과 제품의 성장의 관계 31 <그림 3-3> 알루미늄 부품의 차량당 사용량 추이 33 <그림 3-4> 알루미늄 부품의 차량중량대비 사용중량 33 <그림 3-5> Ford사의 Taurus 및 P2000 자동차에서 사용되는 소재의 종류 및 양 34 - iii -
제1장 서 론 자동차 재료와 관련된 연구방향은 소재의 경량화에 집중되어 왔다. 그 이 유는 자동차 소재의 경량화는 엔진효율을 높일 수 있는 최적의 방법이며 궁 극적으로 자동차의 연비향상을 도모할 수 있기 때문이다. 최근 들어 심각한 환경오염과 자동차 수요의 급격한 증가에 따른 에너지 자원의 고갈로 인해 이미 선진국에서는 자동차 연비 및 배기가스의 규제를 한층 심하게 강화하 고 있는 실정이어서 자동차 재료의 개발동기도 단순한 연비 향상이라는 수 준을 넘어 환경규제에 따른 경쟁력 향상을 위한 새로운 기술개발이 자동차 산업에서 절실히 요구되고 있다. 최근의 자동차 관련 기술개발의 동향은 무공해자동차, 전기자동차에 대한 연구와 함께 기종 자동차의 연비향상 뿐 아니라 차체 수명연장, 안정성 향 상, 배기가스의 정화, 소음방지, 그리고 자원재활용을 위한 리사이클링 등을 위한 폭넓은 연구개발 투자가 이루어질 전망이다. 이를 위한 방법으로 엔진 효율향상, 공기저항감소를 위한 새로운 차체 디자인, 그리고 재료의 경량화 등이 있다. 특히 소재의 경량화는 엔진효율을 높여 자동차의 성능향상을 극대화시키 고 그로 인해 연비향상을 도모할 수 있으므로, 환경오염방지와 연료절감에 가장 적합하고 효과적인 방법이다. 자동차의 경량화 방안은 우수한 물성을 갖는 경량재료의 개발과 기존재료 의 제조방법 개선을 통한 기계적 성질을 향상시키는 방법 등이 있으며, 이를 위해 사용되는 재료로 Al합금, Mg합금, 철강재료 등의 금속재료와 플라스틱 이나 세라믹재료 등이 있다. 플라스틱과 세라믹은 가볍다는 이유로 현재 많 은 연구가 진행되어 있으나, 아직까지 이들 재료가 안고 있는 기계적 특성상 의 결정적인 한계로 인해 당분간 금속재료가 여전히 자동차 재료를 주도할 것으로 판단된다. 본 보고서에서는 자동차 경량화 기술에 대한 개요 및 기술개발 동향을 분 석하고, 이에 따른 시장동향을 살펴보도록 하겠다. - 1 -
제2장 기술동향 및 전망 1. 기술의 개요 21세기를 맞이한 현대사회에서 자동차 산업이 안고 있는 최대의 과제는 환경과의 조화 일 것이다. 그 중에서 이산화탄소 증가로 인한 지구온난화는 심각한 문제로 지적되고 있으며, 이산화탄소 삭감은 긴급을 요하는 과제라 할 수 있다. 이산화탄소 삭감에 기여하는 기술로서 하이브리드 차가 시판되 고 있는 가운데 최근에는 연료전지 차의 개발에서도 자동차 각사가 치열하 게 경쟁하고 있다. 또한 종래의 가솔린차에서도 엔진효율 및 연소방식의 개 선, 차량중량의 저감, 동력전달의 효율화 등이 행해지고 있다. 이 중에서 차 량중량의 저감은 100kg으로 1km/l의 연비향상을 도모할 수 있다. 한편 최근에는 충돌안전기준의 가일층 강화, 내비게이션 시스템을 중심으 로 하는 쾌적장비의 확충 등 차량중량이 계속 증가하고 있으며, 자동차 각사 는 경합금 재료, 하이텐재의 적용을 통해 경량화를 추진하고 있다. 실제로 차량 무게는 연비에 직접적인 영향을 미치게 되는데, 일반적으로 차량 무게 가 1% 가벼워질 때마다 연비는 1%씩 향상되는 것으로 알려져 있다. 범세계적으로 강력해진 환경규제로 인하여 철강업계의 신강재 개발이 활 발히 이루어지고 있다. 특히, 사람에게 가장 인접하여 관련되어 있는 자동차 업계는 수요측면의 사회(환경규제), 경제(연비향상), 안전, 주행성 향상 등과 공급측면의 판매경쟁 심화로 고부가가치 강재 개발이 가속화됨에 따라 자동 차의 고장력, 내식성, 고강도, 방청성, 성형성의 신강재에 의한 자동차 경량 화가 필수 불가결하게 되었다. 2. 경량화를 위해 사용되는 재료 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 고장력 강판 등의 금속재료와 플라스틱, 세라 믹 등이 많이 사용되고 있다. - 2 -
경량화 재료로서 알루미늄은 주조품이 엔진, 트랜스미션, 브레이크부품 등 에 전신재는 보디부품, 열교환기 등에 사용되어지며 이중 알루미늄 주조품의 사용량이 현재까지 압도적으로 많다. 알루미늄은 경량화뿐만 아니라 비강도, 내식성, 열전도도 등이 우수하여 자동차용 재료로 사용되면 최고 40% 가량 경량화를 이룰 수 있으며, 종래 자동차 생산라인의 설비를 약간 혹은 그대로 사용할 수 있다는 장점으로 자동차 경량화를 위한 대체 재료로 주목받고 있 다. 경량화뿐만 아니라 90% 이상 자원재활용이 가능한 알루미늄 합금은 급 격한 산업화로 인해 초래된 자원고갈과 환경오염이라는 측면에서도 사용비 율을 꾸준히 증가하여 80년대 초 전체 자동차 재료에서 알루미늄이 차지하 는 비율이 3% 이하였으나 92년에는 6%로 증가하였으며, 앞으로도 꾸준히 증 가할 것으로 기대된다. 자동차 무게의 20~30%를 차지하는 차체부분을 강판 에서 알루미늄 합금으로 대체하면 가장 큰 경량화 효과를 기대할 수 있다. 그러나 기존의 재료를 대체하기 위해서는 강도, 성형성, 내식성, 용접성, 표 면 처리성 등이 우수하여야 하며, 내연강판에 견줄만하거나 이보다 더 나은 성능을 지녀야 한다. 이와 같이 알루미늄은 경량성과 함께 높은 열전도, 주 조성과 가공성, 대량생산 및 표면의 미려함 등 많은 장점을 가지고 있지만 철강 재료보다 값이 비싸고 용접과 같은 접합성의 개선이 필요하며 강도가 떨어지는 단점이 있다. 차체내외장품, 후드, 오일탱크, 판넬 등에 적용되고 있는 플라스틱 재료는 비중이 1~2 정도로서 경량성이 뛰어나고 설계와 제조공정에 유연성이 있으 며 내구성이 좋을 뿐 아니라 최근 추세인 공기역학적인 곡선형으로 제조 가 능하기 때문에 각광받고 있다. 그러나 재료비가 연강판보다 3~5배 비싸고 생 산성이 낮고 내열성과 탄성계수 등의 물성이 낮다는 단점이 있다. 고장력 강판은 인장강도가 일반강판보다 2배정도 높아 차체의 판 두께를 줄여서 경량화를 달성시킬 수 있지만 가공이 어렵고 용접성이 떨어지며 형 태의 수명이 저하되는 단점을 가지고 있다. 이와 같이 경량화 재료들은 장단점이 있어 자동차회사마다 그 사용정도가 차이가 있지만 각 회사마다 재료 경량화를 위한 노력이 치열하다. 실제로 차 종에서는 높은 비중의 알루미늄 재료를 사용하고 있다. 예로서 포르쉐 928 기종에서는 알루미늄을 266kg까지 사용하여 전체 차 중량에서 19%를 차지하 - 3 -
고 있으며 GM 코베트는 183kg으로 11.8%를 사용하고 있는 등 알루미늄은 차체 경량화의 대표적이라 할 수 있겠다. 그리고 1kg 알루미늄합금을 사용하면 차체 중량을 약 2kg을 절감하는 것 이 가능하며 차체용 박판, 범퍼, 열교환기, 주물재, 단조재에서 금후 수요가 크게 기대되고 있다. 차체에 알루미늄합금을 최초로 사용한 회사는 영국의 Leyland사로서 Rober의 후드, 도어, 트렁크 뚜껑에 알루미늄합금이 사용되었 다. 그리고 미국 등에서도 차체용 알루미늄합금 판에 대한 연구가 1970년대 부터 시작되었으며 후드, 도어, 트렁크 뚜껑 등의 재료로서 실용화되고 있다. 가. 알루미늄 자동차의 재료로서 알루미늄은 구성 비율이 서서히 높아지고 있으며, 차량 적용현황을 <그림 2-1>에 나타내었다. <그림 2-1> 알루미늄 부품의 차량 적용 현황 알루미늄은 엔진부품 등의 다이캐스트와 압출 등의 가공법으로는 원래 뛰 어나지만 바디 등의 판금부품의 가공성은 스틸에 비해 뒤떨어지는 점은 많 았으며, 이것을 극복하기 위해 다양한 알루미늄합금이 개발되었다. 프레스성형이 곤란한 점은 주름누름(BHF)제어법이라는 성형방법으로 개선 이 진행되고 있다. - 4 -
또 다른 큰 문제점은 융합으로, 스팟용접이 개량되고 있으나 아직 양산성 에는 부족하다. 대신 접착용접이나 리베트 등의 기계적 접합, 혹은 이들과 스팟용접이 함께 개발되어왔으며 일부에서는 실용화도 진행되고 있다. 알루미늄은 철 등의 이종금속과의 접촉에 의해 국부 전지가 구성되어 전 식을 일으키기 쉽다는 문제가 있어 부분적으로 알루미늄을 채용할 경우에는 그 대책이 가능한 클로저패널에 한정되지만, 화이트바디의 경우에는 필연적 으로 올 알루미늄이 되었다. 1994년에 아우디 A8에서 시작하여 A2에도 채용되었던 알루미늄 압출재를 사용한 알루미늄 스페이스 프레임이 현재의 알루미늄 바디의 주력이 되고 있으며 혼다의 인사이트에도 판재의 비율이 57%로 인하되었다. 스페이스 프 레임에서는 판의 두께가 두껍기 때문에 용접이 쉬워 용접할 부분도 줄어들 게 되었다. 또한 프레스 부품도 줄어들었기 때문에 가격하락이 가능해지기도 했다. 도요타도 2001년의 프랑크프르트 모터쇼와 동경모터쇼에 스페이스 프 레임에 의한 올 알루미늄 바디의 컨셉카를 출품했다. 향후 공법의 개량이 더 욱 추진되면 알루미늄바디 차량이 크게 증가할 가능성도 있다고 판단된다. 철 비중의 1/3이라도 소재로서의 알루미늄은 차체의 경량화에 상당히 매력 적이다. 또한 알루미늄의 재생 합금을 만드는 에너지는 보크사이트에서 새로운 합 금을 만들 때의 3%에 지나지 않는다는 리사이클 용이성이 있다. 그러므로 일본, 미국, 유럽 모두 차량 1대당 알루미늄의 수요는 향후 신장 할 것이라고 예상되므로 트렁크 뚜껑과 엔진후드, 도어 등 클로저패널의 일 반차량 채용 확대가 전망된다. (1) 알루미늄 합금 알루미늄(Al)은 1827년 발견된 원소로서 규소(Si) 다음가는 지구상에 다량 으로 존재하는 원소이다. 비중은 2.7이며, 현재 공업용 금속 중 마그네슘(Mg) 다음가는 가벼운 금속이다. 주조가 용이하며 다른 금속과 합금이 잘되고, 상 온 및 고온에서 가공이 용이하다. 대기 중에서 내식력이 강하며 전기, 열의 양도전체이다. - 5 -
(2) 알루미늄의 성질 (가) 기계적 성질 알루미늄의 기계적 성질도 다른 금속과 같이 불순물의 함유량 및 열처리 에 의해서 변화한다. 알루미늄은 상온에서 판과 선으로 압연 가공하면 경도 와 인장강도가 증가하고 연신율이 감소한다. 상온가공에 의하여 경화한 것을 가열하면 150 정도에서 연화되기 시작하여 300~350 에서 완전히 연하게 된다. 온도가 높아짐에 따라 점차 강도가 감소되나, 연신율은 400~500 에 서 극히 증대된다. 따라서 압연 및 압출 등의 가공은 이 온도범위에서 하게 된다. <표 2-1> 알루미늄의 기계적 성질 종 류 상 태 인장강도 (kg/mm 2 ) 인 장 실 험 항복점 (kg/mm 2 ) 연신율 (%) 브리넬 경도 (H B ) 99.996(%) 어닐링 재 75(%) 상온가공 4.8 11.5 1.25 11.0 48.8 5.5 17 27 (나) 주조성 및 용접과 납땜 유동성이 적고 수축률이 많으며 가스의 흡수나 발산이 많으므로, 순수한 알루미늄의 주조는 곤란하다. 따라서 주조성을 좋게 하기 위하여 구리(Cu)나 아연(Zn) 등 기타 합금으로서 사용한다. 알루미늄은 가스 혹은 전기용접을 한다. 특히, 용융금속의 표면에 알루미 늄의 산화물이 생기므로 용재로서 방지하여야 한다. 납땜에는 고온용 알루미 늄 납(알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 은(Ag), 주석(Sn) 등의 합금)을 540~ 630 에서 사용하고, 저온용 알루미늄 납(카드뮴(Cd), 납(Pb), 비스무트(Bi), 주석(Sn)의 합금)은 150~450 에서 사용한다. - 6 -
(다) 화학적 성질 알루미늄은 활성인 금속으로 대기 중에서 쉽게 산화되지만, 표면에 치밀한 알루미늄을 형성하여 내부의 산화를 막는다. 이 산화피막은 내부에서 치밀한 피막과 그 위에 수화된 피막이 합쳐진 산화층으로 되어 있다. 이 산화피막은 인공적으로 양극산화에 의해서 만들어지고 내식성과 내마모성이 양호하다. 알루미늄은 철(Fe), 구리(Cu) 등과 접촉하면 알루미늄이 현저하게 부식하는 접촉부식이 생긴다. 그러나 알루미늄보다 낮은 전위의 마그네슘(Mg), 아연 (Zn)울 접촉시켜서 염화나트륨(NaCl) 용액 속에 넣으면 알루미늄은 부식되지 않는다. ( 음극방지법) (3) 알루미늄 합금의 분류 순알루미늄 (1000번대) 알루미늄 합금 가공용 합금 주조용 합금 비열처리형 합금 열처리형 합금 비열처리형 합금 열처리형 합금 Al-Mn계 합금 (3000번대) Al-Si계 합금 (4000번대) Al-Mg계 합금 (5000번대) Al-Cu계 합금 (2000번대) Al-Mg-Si계 합금 (6000번대) Al-Zn-Mg계 합금 (7000번대) Al-Si계 합금 Al-Mg계 합금 Al-Cu-Mg-Si계 합금 Al-Mg-Si계 합금 - 7 -
(4) 알루미늄 합금의 열처리 고용체화 처리 : 완전한 고용체가 되는 온도까지 가열했다가 급랭하여 조 직체를 과포화의 고용체로 만드는 방법. 인공시효 처리 : 과포화의 고용체를 120~200 로 가열하여 과포화 성분 을 석출시키는 방법. 어닐링(annealing) : 고용체화지만 처리온도와 인공시효온도의 중간온도까 지 가열하여 석출된 미립자를 응집시키고, 잔류응력을 제거하여 재질을 연하게 하는 방법. 이상의 처리를 단독으로 또는 두 가지 이상 시행하기 때문에 제품의 성질 은 그 성분규격과 동시에 열처리법도 명확하게 표시하여야한다. 나. 마그네슘 마그네슘은 실용금속 중 가장 가벼운 금속이다. 주로 가볍다는 특성과 리 사이클이 용이하므로 최근 수지부품에 대신하여 유럽, 미국에서는 자동차부 품에, 일본에서는 휴대용 전자기기 부품에, 마그네슘의 수요가 증가해 왔다. 자동차에 있어서는 진동 흡수성이 높다는 점을 살려 스티어링 휠의 합금 으로 사용되고 있는 것을 비롯해 실린더 헤드커버, 스티어링 컬럼 키, 실린 더하우징, 휠, 클러치나 트랜스미션의 하우징 등에 사용되고 있다. 휠은 주조 품이지만 기타는 거의 다이케스트에 의한 것이다. 가공법에 대해서 치크소몰 딩법 이라는 성형기술이 최근 확립되었다. 이것은 마그네슘, 플라스틱과 같이 사출 성형하는 기술로, 생산성이 향상 되고 있다. 때문에 플라스틱에서 마그네슘의 전환도 많다. 마그네슘합금은 원래 소성 가공성이 떨어지기 때문에 프레스성형에는 거의 사용되지 않았으 나 이러한 문제도 극복되고 있다. 2001년 9월 Marubeni는 mayking Tanaka 와 Fuji Engineering과 공동으로 마그네슘합금의 프레스가공에 의한 양산기 술을 개발하였다. 이 기술은 얇게 하는 기술이 가능하고 미분말이 발생하지 도 않으므로 마그네슘의 자동차 응용 가능성은 크게 확대될 것으로 보인다. 삼협 알루미늄공업도 2002년 3월부터 마그네슘 합금사업에 참여를 표명했 - 8 -
다. 중국 등 새로운 마그네슘 산지도 늘어나 원료가격도 절감되고 있으며 마 그네슘은 자동차용 재료로서 향후 더욱 신장이 기대되고 있다. 다. 철강재료 자동차의 재료로써의 철의 요구조건은 일반적으로 자동차의 구조상 또는 기능상으로부터 기계가공성 및 열 처리성 등이 좋아야 하는 내구성, 소성 표 면 처리성 등이 양호한 외관성, 경량화, 안정성 및 경제성 등이다. 강인성, 내마모성 및 내열성이 있어야 하며 특별히 피로한계가 높은 재료 가 되어야 한다. 조직의 균일성이 높은 것을 사용하여 외적 응력에 대해 서 균일하게 분포하게 함으로써 일부분에만 응력이 집중되지 않도록 해 야 한다. 또 균일성이 높은 재료는 내식성이 좋다. 현재의 자동차 차체는 프로세스 가공에 의해서 대량 생산되고 있지만 특 별히 설계자가 자유로이 아름다운 스타일로 제작하기 위해서는 프레스 가공에 좋은 재료가 필요하다. 또한 표면에 아름다운 색상을 내기 위해서 는 도금성과 도장성이 좋아야 한다. 차체의 경량화에 의해 가속성, 고속성, 연료소비율 저하, 적제중량 증가 등의 향상을 가져올 수 있다. 경량화의 재료조건은 비중이 적은 재료를 사용하거나 재료의 두께를 줄여 중량을 감소시키는 방안 등이다. 인성, 내마모성 및 피로 한계가 높은 재료에 의한 균열이나 파괴가 없는 재료, 또 열처리성이 우수해 잔류 응력이 없는 재료를 사용함으로써 가속 시의 차내 운전자의 안전을 보호해야 한다. 경제성이 있는 재료로는 유통시장에서 쉽게 구할 수 있고 가격이 싸야 한다. 가공성, 특히 절삭성, 열처리성 및 프로세스성 등이 좋은 재료를 사 용함으로서 생산의 공정을 줄이고 대량 생산시의 비용을 줄일 수 있어야 한다. 자동차에 쓰이는 철강제품으로는 냉연강판(용접성과 도장성이 우수하여 가장 일반적으로 사용되는 소재) 전기아연도금강판(도장 후 내식성 및 외 관이 미려하여 자동차 외판에 사용) 용융아연도금강판(내식성이 우수하여 내판 및 부품류에 사용) 유기피복강판(수지피막을 코팅한 것으로 가공부 - 9 -
위의 내식성이 가장 우수하여 자동차 내 외판에 사용) 등이 있다. 철강업계가 자동차 시장을 빼앗기지 않으려고 온갖 힘을 기울이고 있으며, 자동차업계도 오랫동안 철을 써왔기 때문에 가급적 철을 그대로 써보려고 하고 있어 철강업계의 이러한 기술개발노력에 매우 호의적인편이다. 최근 전 세계 철강회사들이 주도했던 ULSAB(Ultra Light Steel Automative Body) project의 결과가 전 세계 자동차 회사에 신선한 충격을 주었는데, 대체 재료 인 알루미늄으로 방향을 잡았던 차체설계가 다시 철제로 선회하게 하는 결 정적인 계기가 되었다. 90년대에 들어 환경보호의 중요성이 범세계적으로 부각되면서 미국, 유럽 등 선진국을 중심으로 배기가스 규제가 강화되고 있었다. 이에 대응하고자 연비 향상과 에너지 자원보호를 목적으로 자동차 업계와 철강업계는 획기적 인 자체 경량화를 실현하려는 노력을 가속화하던 중에 국제 철강협회 IISI(International Iron and Steel Institute)의 주도하에 한국(포항제철), 미국, 일본, 유럽,남미 등 전 세계 20개국 33개 철강회사는 환경 친화적인 철강을 이용하여 안전성, 에너지 효율성, 재활용성, 사용 용이성 및 생산 용이성을 높인 새로운 개념의 차량 부품을 개발하여 자동차 제조업체에 제공하는 PROJECT를 추진하고 있다. 이것이 바로 ULSAB-AVC(Ultra Light Steel Auto Body-Advanced Vehicle Concept) 프로젝트이다. 라. 플라스틱 플라스틱이 자동차 1대에 차지하는 구성 비율은 약 8%정도이다. 플라스틱 에는 다양한 종류가 있으며 각각의 특성을 살린 여러 가지 용도로 사용되고 있으며 공통된 특성으로서 가볍고, 부식되지 않으며, 가공하기 쉽다는 것을 들 수 있다. 그 때문에 자동차에도 기존부터 사용되어왔던 내장부품에 이어 1980년대부터 엔진부품이나 외장부품에도 확대 채용되어 구성 비율을 크게 신장시키고 있다. 엔진부품으로서 실린더헤드커버, 흡기 매니폴드, 라디에이 터탱크 등 외장부품에는 범퍼, 휠 커버, 헤드램프렌즈, 도어핸들, 퓨얼리드 등이 수지화되어 왔다. 플라스틱은 일반적으로 강도에 있어 금속에 떨어지므로 강도가 필요한 바 - 10 -
디 쉘에는 아직 응용되고 있지 않다. 단지 휀더나 도어패널 등 바디 외판패 널에 대한 적용은 이전부터 몇 번 시도 되었다. 일본에서는 1983년 혼다 CR-X의 외판패널 일부, 1988년 닛산 B2-1의 외판패널, 1992년 마즈다 AZ-1 의 전면 외판패널 채용사례가 있으나 그 외는 한정적이다. 플라스틱의 강도를 향상시키는 방법으로는 강도가 높은 소재와 조합시킨 복합재료가 있다. 대표적인 것이 유리섬유로 강화한 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics), 탄소섬유로 강화시킨 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)이다. CFRP는 강도가 스틸의 4배로 이미 비중은 철의 1/4이며 때문 에 F-1 등의 레이싱 카 모노콕이나 브레이크에 채용되고 있다. 그러나 그 성형의 어려움이나 높은 코스트 때문에 일반 차에는 적용하기 에는 현실적이지 않다. 일본에서도 Skyline GTR의 엔진후드에 한정적으로 채용되었을 뿐이다. 플라스틱의 과제는 그 사용되고 있는 종류가 다양하므로 리사이클에 어려움이 있다. 리사이클 식별용으로 재질을 나타낸 마킹을 사용 한다거나 리사이클하기 쉬운 재질로 변경한다거나 하는 대책이 필요하지만 향후에는 사용되는 플라스틱의 종류가 통합될 것으로 생각된다. 유럽, 미국에서는 최근 다시 플라스틱패널을 적극적으로 채용하는 동향을 보이고 있다. 예를 들면 Daimler Chrysler의 Smart는 외관패널에 플라스틱을 사용하고 있으나, 그 플라스틱패널은 도료의 안료를 복합적으로 넣은 수지를 사출 성형하여 깨끗이 코팅한 것이다. 어려웠던 수지도장의 가격을 크게 인 하시켰다. 또한 GE Plastic사는 2001년 11월 PC(폴리카보네이트)제의 rear window와 플라스틱을 채용한 throttle body를 개발하였다. 마. 세라믹 자동차용 세라믹스는 고온성, 고강도성, 내마모성, 화학적 안정성, 경량성 등으로 신소재로서 개발이 확대되고 있으며, 그 용도로서는 기능성 세라믹스 와 구조용 세라믹스로 대별되고 있다. 기능성 세라믹스는 세라믹스의 전자기 적 혹은 광학적 특성을 이용하여 자동차용 각종 센서나 표시장치에 적용되 고 있으며 구조용 세라믹스는 경량으로 고온강도나 내마모성 등의 특징으로 디젤엔진부품으로 사용되고 있다. 그러나 생산 기술적 측면에서 양산성 성형 - 11 -
가공이 불가능하고 세라믹의 파괴는 금속과 달리 결정적인 복잡한 2차 파괴 로 나타나 설계나 접합기술상 많은 문제점을 안고 있다. 3. 자동차 경량화 기술의 연구 개발동향 가. 최근의 자동차 개발동향 최근의 자동차개발 추세를 살펴보면 소형화, 경량화, 연비향상, 고성능화 등을 목표로 하고 있다. 80년대 중반에만 해도 새로운 재료의 개발동기와 실 제적용여부는 원가절감과 성능향상이 가장 중요한 요소로 작용했었다. 그러 나 최근에는 환경에 대한 관심이 증가함에 따라 원가는 조금 상승하더라도 환경공해를 적게 일으키고 연비효율이 높은 자동차를 개발해야 한다는 식으 로 인식이 바뀌고 있다. 무공해 자동차 개발 노력과 병행해서 기존 자동차의 연비향상과 배기가스 의 감소를 위해 더 많은 연구개발 투자가 될 전망이며 이를 위해서는 재료 경량화, 성능효율화 및 주행저항감소 등이 대표 될 수 있다. 첫째로, 재료경량화에는 알루미늄과 마그네슘 또는 플라스틱 제품으로 전 환시키는 경량재료 사용방법과 고장력 강판에 의한 재료두께를 얇게 하여 경량화 시키는 고강도 강판 사용방법이 있다. 주로 신기술에 의한 것이라고 할 수 있겠다. 둘째로, 성능효율대책에는 엔진, 동력전달 및 보조기능 등의 효율향상으로 구분할 수 있다. 엔진효율향상은 마찰손실절감이나 배기연소법 개선, 구동계 와 엔진의 접촉성 등과 같이 구조개선방법이 될 수 있다. 이때도 내마모성, 내열성 등 재료특성이 개선된 소재의 선택이 매우 중요한 역할을 한다고 하 겠다. 또한 기타 동력전달의 개선을 위해서나 보조기능의 효율향상을 위해서 도 새로운 고급재료의 개발이 필수적이다. 셋째로, 주행저항감소의 대책에는 차체의 공기저항, 타이어의 굴름마찰저 항 및 기타 저항감소 등의 개선방안이 있다. 이를 위해서 차체, 휠, 타이어 등의 구조설계의 최적화 모델링이 있다고 하겠다. 이러한 여러 가지 연비향 - 12 -
상 대책 중에서 재료경량화에 의한 연비개선의 기여율이 가장 높아 50% 정 도이고, 주행저항의 감소 기여율이 30%이며, 차량성능효율이 20%의 기여율 을 보이고 있다. 나. 세계 자동차 경량화 기술개발동향 및 전망 (1) 세계 지역별 연비개선 기준 강화 일본 : 2015년 연비기준 가중평균치 16.8km/l목표 (138g/km) 04년 대비 23.5% 개선 - Toyota : 10% 이상의 경량화 목표 설정 - Nissan : 15년까지 05년 대비 15% 경량화 목표 미국 : 20년 CAFE(자동차사 업체별 평균연비기준)를 35mpg(14.9km/l) 로 설정한 에너지 자급 안전보장안 가결 ( 07년12월) 유럽 : 2012년내 신차기준 가중평균 이산화탄소 배출량 120g/km 이하 달 성목표 (2) 차체 경량화 기술 구조 합리화 (파워트레인의 개선) 재료치환(고강도재, 경량재료 사용): 멀티소재 사용 - 강도가 중요한 골격은 고장력 강판화 - 강성이 중시되는 후드, 도어 등에 알루미늄 합금 사용 - 수지제 펜더 사용 - 자동차 1대당 60~180kg을 차지하는 시트에 신축성 있는 천 사용 공법의 전환 - 레이저용접 - Tailored Blanks - 13 -
(3) 자동차 재료의 멀티 소재화 연비개선, 이산화탄소 배출량 삭감을 위해서는 자동차의 경량화가 필요하 다. 지금까지는 파워트레인의 개선으로 대응해 왔으나, 이제 그것만으로는 부족하게 되었다. 차체와 내장의 경량화, 타이어의 구름 저항 저감 등 총력 전에서 뒤져서는 안된다. 특히, 경량화의 기본은 적재적소 사고방식으로, 강 판에 더하여 알루미늄, 수지, CFRP 등의 신소재를 어떻게 조합 하느냐가 중 요하다. 2007년 후반부터 완성차 메이커들이 속속 경량화 방침을 내놓기 시작 했 다. 발단은 Toyota로, 기본 10% 이상의 경량화 목표를 설정하였다. 이에 맞 대응이라도 하듯이, Nissan은 2015년까지 2005년 대비 차량 질량을 15% 경 량화 한다는 방침을 발표했다. 일본 국내 판매대수에서 1, 2위를 다투는 두 메이커가 경량화를 위해 크게 방향을 틀었다. 유럽의 완성차 메이커도 유럽위원회가 제안하는 2012년 내 신차기준 가중 평균으로 이산화탄소 배출량 120g/km 이하를 달성하기 위해, 경량화 대처를 본격화하고 있다. 실제로 파워트레인의 개량으로 매년 연비는 개선되고 있으나, 안전규제에 대한 대응과 거주성의 개선 등을 이유로, 차체 사이즈와 질량은 늘어나기만 하고 있다. 체중 55kg인 사람을 5명 태울 경우, 사람의 무게는 합계 275kg. 한편, 차량 질량은 Toyota의 1세대 Corolla가 690kg이었던 것에 비해, 신형 Corolla는 1,100kg에 달한다. 모르는 사이에 자동차가 비만체질이 되고 말았 다. 그러나, 지금은 급격한 체질개선을 강요당하고 있다. 유럽은 120g/km를 요구하고 있고, 일본과 미국도 연비기준을 강화한다. 일본은 2015년 연비기 준을 2004년 대비 23.5% 연비개선, 가중평균치 16.8 km/l를 목표로 하고 있다. 이것을 이산화탄소 배출량으로 고치면 138g/km가 된다. - 14 -
<그림 2-2> 승용차의 10 15모드 연비 자료 : 일본 국토교통성 자동차 연비 일람, 2007.03. 미국도 2020년까지 CAFE (Corporate Automotive Fuel Efficiency : 자동차 사업체별 평균연비 기준)를 40% 이상 끌어올려, 35mpg (14.9km/l)로 설정 한 에너지 자급 안전보장안 을 2007년 12월에 가결하였다. 일본의 2015년도 연비기준에 사용되는 JC08 모드와는 다르지만, <그림 2-2>의 2007년 3월판 승용차의 10 15모드 연비 분포를 살펴보면, 138g/km와 120g/km를 달성하는 것이 얼마나 어려운지 한눈에 알 수 있다. 차량 질량 1,250kg을 달성해야, 겨우 이산화탄소 배출량 120g/km를 달성할 수 있다. 더 무거운 자동차는 먼저 질량을 가볍게 한 후, 엔진을 다운사이징하여 효 율을 높이고, 변속기와 동력전달계의 손실을 한계점까지 줄이는 대책이 필요 하다. 이 때문에, 경량화 목표를 10% 이상으로 설정한 것이다. 이러한 대담한 경량화를 추진하기 위해서는 기존에 실시해 왔던 구조 합 리화 등의 설계 재점검뿐만 아니라, 새로운 발상으로 자동차의 제작방법을 생각해 볼 필요가 있다. 예를 들면, 현재의 차체는 대부분이 강판제이지만, 알루미늄합금과 수지의 사용량이 늘어날 듯하다. 강도가 중요한 골격은 고장 력강판화가 진행되겠지만, 프런트 후드와 도어 등 강성이 중 시되는 부분은 알루미늄합금을 사용하는 것이 경량화에 유리하다. 또한, 펜더는 많은 적용 사례와 같이 수지제가 될 가능성이 높다. - 15 -
<그림 2-3> 질량의 부위별 내역 금속으로 이루어진 차체 외에, 글래스와 내장도 무겁다. <그림 2-3>과 같 이 고베( 神 戶 ) 제강소의 분석에서 차체는 차량 질량의 20%를 차지하고, 내장 은 11%, 외장품과 글래스도 7%를 차지하고 있다. 내장 중에서는 시트가 자 동차 1대당 60~180kg에 달하기 때문에, 경량화의 가능성이 높다. 가죽 자체 를 쿠션을 겸한 신축성 있는 천으로 만드는 등 재점검해 나갈 것으로 보인 다. 이처럼 미래의 자동차의 모습을 생각해보면, 여러 재료로 구성된 멀티 소 재화가 될 가능성이 높다. 차체는 강판, 알루미늄 수지를 나누어 사용하고, CFRP도 부분적으로 적용될지도 모른다. 또한 구조의 합리화가 기본이지만, 향후 요구되는 대담한 경량화에는 재료와 공법의 전환이 필요할 듯하다. <그림 2-4> 차체 경량화 기술 구조합리화 고장력강판 Die-quench 경량화 재료치환 알루미늄 - 고강도재 - 경량재료 마그네슘 수지 CFRP 공법 레이저용접 Tailored Blanks - 16 -
(4) 차체 구조의 합리화를 통한 Honda 2세대 Fit (2007년 10월 풀모델 체인지)의 경량화 경량화에서 제일 먼저 대처해야하는 것은 차체구조의 합리화이다. 하중을 분산하는 골격과 각부재의 결합방법을 연구하면, 강성을 높이면서 경량화 할 수 있다. 고장력 강판에 의존하지 않고 이러한 경량화에 성공한 Honda의 Fit.이다. 구조합리화를 한계점까지 추구한 후에 요구되는 것은 고장력 강판 의 사용 비율확대이다. Die-quench 공법과 롤 성형으로 가공성과 강도를 어 떻게 양립 시킬 수 있는지가 과제이다. 자동차의 질량을 저감하는 첫 번째 대응책은 전체 질량 중 차지하는 비율 이 가장 높은 차체의 경량화이다. 그러나 사용자가 넓은 실내를 바라고 안전 규제도 강화되면서 실제 경량화는 힘들다. 2007년 10월에 풀모델 체인지한 Honda의 Fit도 전장을 55mm 확대하여 실내공간을 확대했다. 반면, 1세대부 터 차체의 질량은 변하지 않았고, 차량 질량도 10kg 증가로 억제 했다. 차체 사이즈의 확대를 생각하면, 실질적인 경량화를 달성했다고 할 수 있다. 보통, 강철제 차체의 경량화는 고장력 강판의 적용 확대가 상당한 수단이 된다. Fit는 고장력 강판의 사용비율을 기존의 40%에서 54%로 늘렸지만, 사 용하는 재료는 590MPa급까지로 1세대부터 바뀌지 않았다. 재료 전환에 의존 하지 않고 경량화의 기본인 구조의 합리화를 도모한 좋은 사례라 할 수 있 다. - 17 -
<표 2-2> Honda 2세대 Fit의 각 차체 부분별 경량화 개요 경량기술 그림 효과 하중 분산구조 프레임 적용 5.9kg 감소 Pillar 단면형상 다각화 3kg 감소 Floor Cross Member 형상 U자형으로 변경하고 대각선으로 조합 2.2kg 감소 스티어링 빔 파이프 2중 확관성형 1.3kg 감소 차체 전체적으로 고장력 강판 사용비율 14% 증대 - 5.3kg 감소 주: 재료전환에 의존하지 않고 경량화의 기본인 구조의 합리화를 도모한 좋은 사례 자료 : 자동차 경량화 기술, Automotive Technology, 2008.05. (5) 수지제 보강재 Die-quench Roll 성형을 통한 경량화 구조 (가) 수지제 보강재를 통한 경량화 구조 가벼운 차체를 만들기 위해서는 구조 합리화가 첫 번째이나, 강도와 강성 상 중요한 부분에는 판 두께 확대와 보강부재 설치가 필요하다. 이러한 질 량 증가를 최소한으로 억제하기 위해서 보강법으로 주목받고 있는 것이 미 국 L&L Products사가 공급하는 수지제 구조재료이다. - 18 -
최신 적용사례는 2006년, Citroen이 출시한 미니밴 C4 Picasso. 철강제 차 체의 9부분에 PA6(폴리아미드6)을 30~40%의 유리섬유로 강화한 구조재료를 장착하는 것으로, 차체의 마디가 되는 부분을 보강하고, 강판만으로 구성하 는 경우에 비해 12kg 경량화 하였다. 이 구조재료는 기재 주위에 발포성 에 폭시 수지를 도포하여 프레임에 세트하면, 도장공정의 170~ 180 의 온도에 서 발포하여, 프레임에 밀착되는 것이다. 경량화 효과의 사례를 A-Pillar 밑 부분의 예를 들어 설명하면, 강판만으로 설계한 경우, 사이드 판넬의 판 두께는 1.47mm로 질량은 3.7kg, 보강재의 무 게는 2.3kg이었다고 한다. 이에 비해, 수지제 구조재료를 적용한 후, 판 두께 는 1.17mm, 질량은 2.9kg으로, 보강판이 불필요해졌다. 구조재료는 1.0kg이 기 때문에, 2.1kg 가벼워진 것이다. 일본 L&L Products에 의하면 국내업체로부터의 인용이 많아지고 있어, 2010년 이후의 모델로 실용화 것으로 전망하고 있다. 1) (나) Die-quench 공법 구조합리화와 수지제 구조재의 추가 등에 계속되는 대책으로는 역시 고 장력 강판의 사용 확대를 들 수 있다. 현재, 일본 유럽 미국에서는 980MPa급 의 입수가 가능하다. 이러한 지역에서 만드는 차종은 1,470MPa급의 고강도 강판의 사용이 기대되고 있다. 현재는 아직 강판이 공급되고 있지 않아, 성 형성을 악화시키지 않는 980MPa 이상의 고강도가 필요한 용도로는 Diequench 공법이 사용되고 있다. 그 예 중 하나가 Nissan이 북미에서 2006년에 출시한 Altima이다. Diequench 공법을 사용한 1,350MPa급을 적용하여, 앞 세대와 거의 같은 차체 사이즈를 유지시켜 구조의 합리화와 함께 차량 질량은 거의 바뀌지 않는다. Nissan이 적용한 공법은 500MPa급 강판을 프레스 성형 전에 900~950 로 가열하여 성형한 후에 수냉하여 담금질하는 것이다. 고장력 강판에 비해 형 상의 자유도가 높다는 것도 이점이다. 단, 보통의 프레스 성형이 몇 초 만에 끝나는 것에 비해 틀 속의 유지시간이 길어 가열장치가 필요해지기 때문에 1) L&L Products, 사장 야마구치 카즈히데 - 19 -
비용은 조금 고가이다. (다) 성형성이 뛰어난 Roll 성형 고장력 강판의 성형성이 나쁘다는 난점을 해소한다는 의미에서는 Diequench 공법이 하나의 해결책이지만, 다른 해답으로 고베제강소가 주목하고 있는 것은 고장력 강판도, 슬릿이 들어간 재료를 Roll로 서서히 훑으면서 휘 어가면 가열하지 않아도 성형할 수 있다. 고베제강소는 2006년 SAE(미 자동차기술학회, Society of Automotive Engineers) 연차총회에서, 제휴처인 오스트리아 Voestalpine Automotive사와 공동 개발한 경량 차체의 컨셉을 제시하였다. Roll 성형은 둥근 파이프의 제 조에 적용되고 있으나, 이 연구에서는 각진 파이프와 V자형 형상, 8자형상 등 여러 가지 형상의 부재에 적용하여, 경량화 효과를 계산하였다. 적용한 것은 B-Pillar, Side Sill, Roof Cross Member, Floor Cross Member, Roof Side Rail 등 5곳이다. 베이스 차량은 배기량 2.0l급 세단으로, 미국 보험업계의 비영리 단체 인 IIHS(Insurance Institute for Highway Safety)의 측면충돌 기준에 적합하다. 베이스 차에 590MPa급 고장력 강판을 사용했다고 가정하면, 61.1kg이었던 부재의 합계 질량을, 980~1,270MPa급 Roll재를 사용하여 46.7kg으로, 14.4kg 경량화 할 수 있었다. 예를 들면, B-Pillar는 내부에 1,270MPa급의 각진 파이프를 2개 넣었다. 당 초의 안은 2개 모두 Pillar 밑 부분까지 넣는 것이었으나, 벤딩 강도가 너무 높아, 앞쪽 파이프만 짧게 하여 강도를 저감하고, 좋은 평가를 받았다. 고베 제강소는 Roll 성형을 2013년 이후의 자동차에 적용하고 싶다고 한다. - 20 -
<표 2-3> 수지제 보강재 Die-quench Roll 성형을 통한 경량화 구조 경량차종 경량기술 그림 효과 2006년 출시한 미니밴 Citroen C4 Picasso 2006년 북미에서 출시한 Nissan Altima 2.0l급 세단 철강제 차체 9부분에 미 L&L Products제 유리섬유 강화 PA6 (폴리아미드6) 적 용 A-Pillar와 플로어 멤버에 Die-quench 공법 을 사용한 1,350 MPa급 강판 적용 고베제강소- 오스트리아 Voestalpine Automotive사 공 동개 발, 차체 5부분에 Roll 성 형품 적용 (B-Pillar, Side Sill, Roof Cross Member, Floor Cross Member, Roof Side Rail) 12kg 감소 고장력 강판의 성 형성이 나쁘다는 단점을 해결. 기존 모델 대비 동일무 게로 억제 14.4kg 감소 자료 : 자동차 경량화 기술, Automotive Technology, 2008.05. (6) CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics) 알루미늄 합금을 이용한 차 체 경량화 10~15%라는 대담한 경량화를 달성하기 위해서는 강판의 사용법 연구만으 로는 한계가 있다. 대체 재료로 실적이 있는 알루미늄 합금의 후드와 도어에 대한 적용이 확장될 듯하다. 같은 외판 중에서도 수지는 펜더에 적용되는 사 례가 늘고, 글래스의 대체도 노린다. 그리고 고장력 강판의 몇 배나 되는 강 도를 발휘하는 CFRP의 응용도 기대 된다. CFRP는 재료, 가공과 더불어 비 용도 높으나, 그 개량기술을 개발 중이다. 자동차의 차체 생산라인은 강판을 스폿 용접하는 방식에 표준화되고 있다 고 해도 과언이 아니다. 같은 강판을 사용하면서 스폿용접을 레이저 용접으 로 변경하는 것이 어려울 정도이다. 그러나 10~15%라는 대폭적인 경량화를 추구하면, 강판만으로 구성하는 것에는 한계가 있다. 차세대 자동차의 차체 재료에서는 이미 적용되고 있는 알루미늄 합금과 수지뿐만 아니라, CFRP의 - 21 -
검토도 시작하고 있다. <표 2-4> CFRP를 이용한 차체 경량화 경량차종 적용부위 효과 Teijin Pupa Toyota 1/X Upper Body에 CFRP와 PC제 윈도우 적용 (Under Body에 CFRP 적용시 130kg 경량화 가능) A-Pillar, B-Pillar, 상판 등에 적용 약 50kg 경량화 Prius의 1/3로 경량화 CFRP 활용시 이점 : 현재 재료로는 불가능한 100kg 단위의 경량화 가능 기존에는 레이싱카를 비롯한 특수한 소량 생산차로만 실용화되었으나, 양산차 에 대한 적용이 검토되기 시작 자료 : 자동차 경량화 기술, Automotive Technology, 2008.05. CFRP에 대한 기대는 재료업체와 자동차 메이커의 컨셉카에도 확실하게 나타난다. 2007년 가을에 Teijin이 CFRP제 Upper Body를 가진 컨셉카 Pupa 를 자사의 쇼룸에 등장시킨 외에, Toyota는 같은 시기에 열린 제 40회 도쿄 모터쇼에 CFRP제 차체 골격을 가진 1/X를 출품했다. Pupa는 차량 질량 1,000kg의 자동차를 예상하고 있는데, Upper Body에 CFRP와 폴리카보네이트(PC)제 윈도우를 적용하고, 약 50kg 경량화 하였다. 현재 적용되지 않은 Under Body를 CFRP로 만들면, 260kg의 차체를 그 절 반인 130kg까지 경량화 할 수 있다고 생각하고 있다. 1/X는 그 이름에서 알 수 있듯이, 질량을 Prius의 약 1/3, 연비를 2배로 하는 것을 목표로 한 배기량 0.5l의 HEV이다. CFRP는 A-Pillar, B-Pillar, 상판 등에 적용하고 있어, 안전성을 높이기 위해 상판의 일부는 파형단면으 로 보강했다. CFRP를 사용한 차량, 선박 등의 수많은 제작을 다루고 있는 GH Craft의 기무라 마나부 사장에 따르면 자동차의 상판 1장을 강판제에서 CFRP로 바 꾸는 것만으로 60kg 정도의 경량화가 가능하다고 한다. 그 예를 통해 알 수 있듯이, CFRP의 활용은 지금까지의 재료로는 생각할 수 없는 100kg 단위의 감량을 가능케 한다. 기존에는 레이싱 카를 비롯한 특수한 소량 생산차로만 실용화되었던 CFRP제 차체였으나, 양산 차에 대한 적용이 확실히 검토되기 - 22 -
시작했다. <표 2-5> 알루미늄 합금을 이용한 차체 경량화 경량차종 적용내용 및 특징 그림 효과 Audi TT Audi R8 다이캐스트, 압출재, 판재에 적 용. 현재 알루미늄 합금 사용 차종 중 생산대수 최다. 캐빈 이외의 전 후부 대부분에 알루미늄 압출재 적용. 생산량이 적고 고가인 금형 삭감 (비용절감). 강판제 대비 100kg경량화 차체질량 210kg Nissan Fuga 프런트 후드 트렁크 리드 좌우 도어에 적용. 강판제 대비 38kg 경량화 Nissan GT-R 도어 내판을 미Alcoa사의 고진공 다이캐스트 일체성형품으로 변 경. 외판과 Hemming 일체화해서 치 수 정밀도 높음. 도어 1개 질량 5.5kg. 도어전체 35% 경량화. 알루미늄 합금 활용의 과제 : 비용절감 자료 : 자동차 경량화 기술, Automotive Technology, 2008.05. (7) 펜더와 유리의 수지화 경량소재 중 알루미늄 합금이 후드와 도어 등에 쓰이는 것에 비해, 수지 는 펜더와 글래스의 대체를 노리고 있다. 2007년 1월에 발표한 MMC의 Delica D:5는 펜더를 수지화 하였다. D:5의 경우, 펜더 주변 장착부품의 일체화를 도모하여, 비용을 강판과 같 게 하고, 좌우 합계 4kg의 경량화를 달성하였다. 사용한 수지는 사우디아라 비아 SABIC Innovative Plastics사의 변성 폴리페닐렌에틸(PPE)/폴리아미드 (PA)의 합금인 Noryl GTX이다. 이 수지는 온라인 도장에 대한 내열성을 갖 추고 있기 때문에, 온라인 도장이 필요하지 않다는 것이 이점이다. 동사의 일본법인 자동차시장 개발본부의 본부장인 마루야마 츠요시씨에 따르면, C4-23 -
Picasso, BMW 6시리즈, Renault Kangoo, Renault Twingo, 2008년에 출시하 는 Ford Kuga, 2009년에 출시될 Peugeot 3008에 적용되었다고 하며, 일본 메이커에서도 2011년 이후의 프로젝트가 추진되고 있다고 한다. 차체의 수지화를 위한 또 하나의 유력후보는 윈도우의 글래스를 대체하는 PC화이다. 서브 윈도우와 선루프, 리어 쿼터 윈도우에는 이미 수지화가 진행 되고 있으나, 지금보다 가속화될 것은 와이퍼가 접촉하는 프런트 및 리어 윈 도우와 승강으로 인한 흠집에 내구성이 요구되는 사이드 윈도우에 대한 적 용이다. <표 2-6> 펜더와 유리의 수지화 차종 적용내용 및 특징 그림 효과 MMC Delica D:5 펜더에 수지 적용. 펜더 주변 장착부품의 일체화 강판 비용과 동일 - 4kg 경량화 Ford컨셉카 Lincoln MKT 루프로 연결된 프런트 윈 도 우와 스포일러를 일체화 한 리어 윈도우를 SABIC사의 PC 인 Lexan GLX로 성형. 형상의 자유도 우수, 착색용 이, 부품 기능종합 가능. 12.5kg 경량화 자료 : 자동차 경량화 기술, Automotive Technology, 2008.05. 최근 모터쇼에 가면 프런트 글래스와 글래스 루프가 일체화한 컨셉 모델 을 볼 수 있다. 2008년 1월에 개최한 디트로이트 모터쇼에서도 Ford가 수지 제 윈도우를 장착한 컨셉카 Lincoln MKT를 발표하였다. MKT는 4도어 세단 이지만, 루프로 연결된 프런트 윈도우와 리어 윈도우를, SABIC사의 PC인 Lexan GLX로 성형, 글래스 무게를 12.5kg 경량화 시켰다. 윈도우 표면에는 미국 EXATEC사의 코팅기술을 이용했다. 이것은, 실리 콘의 습식코팅층 위에, 플라즈마를 이용한 화학증착법(CVD)으로 글래스 성 분을 성형한 것으로, 기존의 실리콘 코팅보다 내마모성과 내후성, 내스크래 치성을 향상할 수 있다. - 24 -
수지제 윈도우의 비용은 통상의 글래스제보다 높지만, 형상의 자유도가 뛰 어나고 착색하기 쉬우며 부품의 기능종합이 가능하다는 특징이 있기 때문에, 이러한 특징을 살리면 부품전체를 글래스보다 저렴한 가격으로 설정할 수 있다고 보고 있다. 예를 들면, MKT의 리어 윈도우는 스포일러를 일체화한 형상으로 되어 있는데, 이 형상은 글래스로 실현하기는 어렵다. 승강부분과 면적이 큰 리어 글래스 등의 실용화는 2, 3년 후라고 한다. (8) 내장 시트 구조의 합리화를 통한 경량화 차체와 나란히 내장부품, 특히 시트는 자동차의 질량에 차지하는 비율이 높다. 1대당 60~180kg에 달하기 때문에, 조금이라도 가벼워지면 그 효과가 크다. 주목받고 있는 것이 폴리에스테르 신축성 천을 사용한 새로운 발상의 시트이다. 쿠션을 겸한 표피를 적용하는 것으로, 시트 프레임의 개량과 함께 30~40% 감소를 노릴 수 있다. 신축성 천을 개발한 Kawashima Selcon사를 비롯하여, 도요타 방직이 시작시트를 개발하였다. 외판과 골격, 유리 등 차체부품과 함께, 자동차의 질량에 커다란 비율을 차지하고 있는 것이 내장 시트이다. 시트는 소형차 1대당 60kg 정도로, 상급 차는 전동 조정기구의 적용에 의해 더욱 무거워져, 180kg에 달하기도 한다. 따라서 몇 %라도 경량화하면 수십 kg이라는 경량효과를 얻을 수도 있다. 시트를 구성하는 재료는, 강판 등으로 만들어지는 프레임, 시트 팬, 스프 링, 폴리우레탄제 쿠션, 표피 등으로, 보통은 각 부품이 하나씩 다른 기능을 담당하고 있다. 강도는 프레임, 장식은 표피에서 담당하고, 체중 을 지탱하는 것은 스프링과 쿠션이다. 이와 같은 여러 기능을 통합한 하나의 재료가 실현된다면 그보다 좋을 수 는 없을 것이다. 이러한 발상으로 개발한 것이 폴리에스테르 신축성 천 을 등받이와 엉덩이 부분에 사용하여 쿠션성을 주고, 폴리우레탄과 스프링을 없 앤 새로운 구조의 시트이다. - 25 -
업체명 신개발 시트 특징 도요타 방직 Kawashima Selcon Teijin Fiber <표 2-7> 내장 시트 구조의 합리화를 통한 경량화 시작( 試 作 ) 시트 신축성 천 banex 6세대 시작시트 V-Lap/ELK 자료 : 자동차 경량화 기술, Automotive Technology, 2008.05. 1 엉덩이 부분 및 등받이 부분에 신축성 천 사용 2 등받이의 시트 프레임에 마그네슘 합금 製 적용 (프레임을 경량화) 기존 시트 대비 30~40% 경량화 1 신축성 천을 사용한 시작 시트 대부분이 Kawashima 製 적용 경량화, 거주성 향상, 저가격화 2 폴리에스테르 製 천 + 가로방향의 투명한 탄성실로 구성 쿠션효과 1 엉덩이 부분의 신축성 천위에 얇은 우레 탄 製 쿠션 조합 착석감 개선 2 50kg 무게를 5만번 들어올렸다 내리는 내 구성 시험 결과 늘어짐 3.2mm 확인 보통 폴리에스테르는 5천 번에 37mm 늘어짐 7세대 시작시트 : 기존 프레임 사용, 엉덩 이 /등받이 부분에 신축성 천 활용, S자 스 프링 및 등받이의 백 플레이트 제거, 쿠션두 께 박 육화 약 1.5kg 경량화 1 신간선( 新 幹 線 ) N700계 시트 등받이에만 폴리에스테르 부직포 적용 2섬유의 방향을 세로배열 엉덩이부분의 체 압 분산 가능 엉덩이 부분에 적용 가능 3 리사이클에 적합한 열가소성 수지이기 때 문에 자동차에도 적용 가능 (9) 기타 (가) Daimler Daimler에서는 향후, 신형차가 기존차량의 질량을 웃돌지 않도록 차량 개 발을 진행하고 있다. 실제로는 5% 정도의 경량화를 목표로, 모든 대책에 몰 두하고 있다. 경량화의 기본은 980MPa급 고장력 강판의 적용이다. 게다가, 스폿용접의 플랜지 부분 길이를 짧게 하는 등의 재점검도 실시하고 있다. 용 접의 재점검만으로도 차량 전체에 적용하면, 거의 수 kg의 경량화가 가능하 - 26 -
다. 고장력 강판의 적용 확대는 차기 E-Class에도 포함시킬 예정이며, CLS-Class에도 이미 적용하고 있다. 또한, 재료 치환으로는 알루미늄 합금제 인 프런트 후드, 도어 등의 적용을 진행하고 있다. 물론, 내장과 파워트레인 의 경량화도 실시하고 있다. 생체의 구조를 이용한 바이오닉 카를 연구하고 있으나, 양산차에 적용할 수 있을지는 아직 알 수 없다. 컨셉으로 제시한 듯한 트러스 구조는 경량 차 체를 만들 수 있으나, 생산라인에서 실현하는 것은 어렵다. 향후 10년 이내 에 차체구조의 개혁이 일어나, 컨셉의 절반 정도를 양산차에 포함시키면 좋 을 것이다. (나) VW 자동차의 경량화는 지금까지도 계속 추진해 온 테마이다. 2002년에는 차량 질량 289kg에, 배기량 0.3l의 디젤엔진을 장착, 100km를 1l의 연료로 주행 할 수 있는 1lCar를 개발했다. 최근에는 5세대 Golf가 4세대부터 질량이 거 의 늘지 않아, 신형 Passat는 강성을 높이고 21kg 경량화 했다. 차체는 Golf 가 284kg인데 비해, Passat는 289kg으로 5kg밖에 무겁지 않다. 그 이유는 차 체 구조를 재점검한 것과, 고장력 강판의 사용 확대이다. 고장력 강판의 사 용률은 75~80%이나, 그 중 15%는 1,350MPa급 Die-quench 공법을 사용한 재 료로, 그 효과가 크다. VW차는 현재 강판을 사용한 차체가 대부분이나, 향후 5~10%의 경량화가 한계일 것이다. 다음 단계에서는 알루미늄 합금과 마그네슘 합금을 사용한 멀티 소재화로 25~30% 경량화하고 싶다. 물론, 알루미늄 차체를 만들면 약 40% 가벼워지지만, 비용을 확인할 필요가 있다. 다. 국내 기술 개발동향 및 전망 최근 유가 상승으로 운전자의 부담이 더욱 가중되고 있는 가운데 자동차 업계가 자동차 소재 및 부품 경량화 개발에 박차를 가하고 있는 것으로 나 타났다. - 27 -
특허청은 지난 10년간 자동차 경량화 기술에 대한 국내 특허 출원 동향을 살펴보면, 1998년에 40건이 출원됐던 것이 2001년에는 200% 급증하면서 약 760여건이 출원된 것으로 집계됐다고 밝혔다. 특히 2000년에 접어들어 지속 적으로 늘어나면서 2002년 79건, 2003년 90건, 2004년 82건, 2005년 90건, 2006년 87건, 2007년 90건 등으로 특허출원이 이뤄졌다. 이는 에너지 손실을 방지하기 위한 자동차 부품 경량화에 대한 기술개발이 활발히 이뤄지고 있 기 때문으로 풀이된다. 출원인별로 보면 지난해까지 출원된 758건의 특허 가 운데 내국인에 의한 출원이 616건으로 81.3%를 차지했다. 2) 그러나 2002년 7건에 그쳤던 외국인 특허출원 건수가 지난해 30건으로 큰 폭의 증가를 보여 자동차 경량화 기술에 대한 외국 업체의 관심이 높아지고 있음을 보여주고 있다. 최근 제조공법 등 제반기술의 연구를 통해 저비용으로 제작할 수 있는 기 반을 다지면서 상용화 단계까지 발전하면서 혼다, 아우디 등에서는 차체 및 새시를 알루미늄으로 제작한 차량을 속속 출시하면서, 이 분야에서 경쟁 우 위를 확보하고 있다. 이에 따라 외국 업체에 의한 기술선점 및 독점을 방지 하기 위한 국가 및 국내 기업들의 대책마련이 시급하며 이러한 경량화 기술 은 미래형 자동차에 필수적인 요구사항이므로, 자동차 기반산업의 육성 및 부품소재 기술경쟁력 확보측면에서 시급하다고 할 수 있다. <그림 2-5> 자동차 경량화 기술 특허 출원 동향 92 90 88 86 84 82 80 78 76 74 72 90 90 90 87 82 79 2002 2003 2004 2005 2006 2007 자료 : 특허청 2) 특허청, 2008.02. - 28 -
제3장 시장동향 및 전망 1. 산업동향 자동차 산업은 철강, 비철금속, 합성수지, 유리, 섬유 등 여러 가지 재료를 써서 각 부분 부품마다 각기 다른 공정을 거쳐 부품을 조립하여 자동차로 완성되는 복합적 성격의 기술 및 자본 집약적 산업으로 관련 산업에 대한 파급효과가 크고, 규모의 경제가 요구되는 대표적인 종합산업이다. 우리나라 자동차산업은 1955년에 우리나라 최초의 자동차가 생산된 이래, 1960년대 초 수입부품을 단순 조립하는 단계를 거쳐 40여년 만에 개도국으 로서는 유일하게 독자모델을 보유한 세계 5위의 자동차생산국으로 성장하였 다. 2004년 기준으로 자동차산업 생산액은 전체 제조업생산의 11.1%를 차지 하였고, 고용 면에서 자동차산업 직접고용인원이 25만 명으로 제조업의 8.8% 를 차지하며, 2005년 기준으로 무역수지면에서 제조업의 흑자를 상회하는 332억불 수준으로 우리나라의 대표적인 기간산업이 되었다. <표 3-1> 자동차산업의 비중 구 분 종업원수 생산액 부가가치 수출액 무역수지 자동차산업 246천명 88조원 30조원 379억불 332억불 제조업 비중 8.8% 11.1% 10.0% 13.3% 143% 주: 수출, 무역수지는 05년 기준, 기타 04년 기준 자료 : 2005년 산업자원백서, 산업자원부, 2006. 국내 자동차 산업은 지속적인 성장이 예산되고 있으며 주요 핵심기술에 대한 선진업체와의 기술제휴 및 대형 부품업체간의 인수합병 등도 자동차 산업에 큰 영향을 주는 요소로 작용될 전망이다. 현대 자동차산업은 무한 경쟁시대이며 가격인하, 에너지 절약, 환경 친화 적인 자동차의 생산을 요구하고 있다. 그러므로 고비강도 재료의 사용에 의 하여 경량화 및 연비를 향상시켜 에너지를 절감한다든가 또는 기존의 재료 를 재활용이 가능한 재료로 대체하여 폐 자동차에 의한 환경오염 방지와 더 - 29 -
불어 자동차의 고성능 고기능화를 위한 신 재료의 개발을 위한 노력이 계속 되고 있다. 현재 이러한 상황에서 자동차를 설계하고 응용할 때에 어떠한 재 료를 어떠한 장소에 이용할 것인가 선택은 매우 중요한 문제이다. 2. 세계 시장동향 및 전망 가. 세계 자동차의 알루미늄 시장동향 및 전망 (1) 세계 알루미늄 시장동향 2005년도 세계 알루미늄 생산량은 23,463천 톤이며, 2006년에는 23,864천 톤으로 1.7% 증가한 것으로 추정된다. 지역별로는 아프리카 7.8%, 북미 22.3%, 남미 10.4%, 아시아 14.6%, 서유럽17.5%, 동유럽 17.7%, 오세아니아 9.5%를 차지하고 있다. <표 3-2> 세계 알루미늄 생산량 (Thousands of Metric Tons) 아프리카 북미 남미 아시아 서유럽 동유럽 오세아니아 합계 2003 1,428 5,495 2,275 2,475 4,068 3,996 2,198 21,935 2004 1,711 5,110 2,356 2,735 4,295 4,139 2,246 22,592 2005 1,753 5,382 2,391 3,139 4,352 4,194 2,252 23,463 2006 1,864 5,333 2,492 3,493 4,178 4,230 2,274 23,864 자료 : Sustainability of the European aluminium industry 2006, the European Aluminium Association (EAA), 2006. 세계 알루미늄의 용도별 사용량은 운송 분야가 대부분의 지역에서 가장 큰 수요를 차지하고 있다. 그러나 중국의 경우 최근 경제개발에 따른 건축분 야의 수요가 큰 비중을 차지하고 있다. 일본에서는 운송용 다음으로 건축용, 포장용 순으로 수요비중이 큰 반면에 미국은 운송용 다음으로 포장용 수요 가 건축용 수요보다 큰 비중을 차지하고 있다. 유럽에서는 다른 지역과는 달 - 30 -
리 기계 설비 분야의 수요가 큰 것으로 나타나고 있다. <그림 3-1> 지역별 알루미늄 소비현황(용도별) 자료 : Sustainability of the European aluminium industry 2006, the European Aluminium Association (EAA), 2006. <그림 3-2> 알루미늄 시장과 제품의 성장의 관계 자료 : 알루미늄 가공산업의 기술발전 전략 수립연구, 산업자원부, 2002.10-31 -
(2) 알루미늄 수요산업과 성장률 제품에 의한 알루미늄의 수요는 제품크기(예: 자동차산업은 광학산업보다 더 크다)와 알루미늄 사용율(예: 항공기산업이 조선보다 크다)의 함수이며 알 루미늄 응용 확대는 적용범위의 확대와 대체요구의 증대의 함수로서 알루미 늄의 시장과 제품은 다르게 성장한다. Painted fassade sheet는 포화된 시장에서 성숙된 제품을 갖고 있으며, 항 공기산업은 교역의 증가로 대략 3.5%정도 성장이 기대되고, 자동차는 시장 자체는 큰 성장률을 보이지는 않을 것이나 앞으로 10년 동안 가장 큰 성장 잠재성을 가지고 있어 알루미늄에 대해 큰 미래시장처럼 보인다. (3) 자동차용 알루미늄 점유율 2005년 자동차용 알루미늄 점유율은 주조재가 2001년 75%에서 65%로 줄 어드는 반면, 압연재는 15%에서 20%로, 압출재는 5%에서 10%로 각각 점유 율이 증가하는 것으로 추정된다. <표 3-3> 자동차의 알루미늄 사용량 추이 (단위 : kg/대) 1980 1990 1999 2005 북미 54 75 116 147 유럽 43 56 85 125 일본 38 65 108 130 1999년 압연재 12%, 주단조 80%, 압출 8% 2005년 압연재 20%로 상승(250% 증가) 자료 : CMT, 4th china/asia Aluminium Markets, 2002. 그리고 1999년 1차량 당 118kg(미국)을 사용하던 알루미늄 부품은 2009년 156kg(미국)정도로 증가할 것으로 예측되며, 알루미늄 부품의 차량중량대비 사용중량 또한 15%를 넘어설 것으로 전망하고 있다. - 32 -
<그림 3-3> 알루미늄 부품의 차량당 사용량 추이 180 160 140 120 Kg/ 차량 미국 유럽 100 80 60 40 20 0 1960 1970 1980 1990 1999 2009 자료 : 자동차 부품 경량화 기술 개발 현황, 명화공업기술연구소, 2005.10.01 <그림 3-4> 알루미늄 부품의 차량중량대비 사용중량 자료 : 자동차 부품 경량화 기술 개발 현황, 명화공업기술연구소, 2005.10.01 나. 세계 자동차의 마그네슘 시장동향 및 전망 자동차 경량화에 대한 요구가 증대됨에 따라 마그네슘합금의 자동차 부품 - 33 -
에 채용되는 비율이 상승되고 있으며, 향후 자동차용 마그네슘합금의 수요 또한 폭발적으로 증가할 것으로 예상된다. 현재 미국, 독일 등에서는 인스트루먼트 패널, 스티어링 휠 코어, 좌석 프 레임, 실린더 헤드커버, 트랜스미션 하우징, 브레이크 페달 브라켓 등 자동 본격적으로 추진되면서 마그네슘 합금제 자동차 부품의 생산량이 급격히 증 가하고 있다. 일례로 캐나다에 본사를 두고 있는 북미 최대 규모의 마그네슘 합금부품 생산업체인 Meridian의 경우 마그네슘 합금제 자동차용 Instrument panel 구조물의 연간 생산량이 1995년 560톤에서 1999년 10,700 톤으로 불과 4년 사이에 약 19배 이상 증가하여 그 생산규모가 폭발적으로 증가한 것을 알 수 있다. 자동차 완성업체의 마그네슘합금 적용량 추이를 살 펴보면, GM의 경우 1999년 SUVs(sport utility vehicles) 모델에는 11.8~ 12.7kg/대의 마그네슘합금을 적용하였으며, Ford사의 경우에는 GM에 비하 여 마그네슘합금의 적용량이 적지만, 향후 인스트루먼트 패널을 비롯한 다양 한 부품에 적용을 추진하고 있다. 특히, 향후 Freedom Car Project와 같은 자동차 경량화 프로그램이 종료되어 경량 자동차가 상용화될 경우 자동차 1 대당 약 150kg의 마그네슘합금이 적용될 것으로 예측되므로 그 잠재시장은 크다고 할 수 있다. <그림 3-5> Ford사의 Taurus 및 P2000 자동차에서 사용되는 소재의 종류 및 양 자료: A.M. Sherman, Ford Motor Co., 7th Int. Conf. on Al Alloys, 2000-34 -
다. 세계 자동차 경량화 시장동향 및 전망 (1) 미국 미국 자동차 산업에서 마그네슘과 알루미늄 등 경량 소재 사용이 확대될 것으로 보인다. 2008년 코트라 디트로이트 무역관에 따르면, 하이브리드차의 시장도입 가속화를 위해 차량 경량화에 대한 미국 자동차 회사들의 관심이 급속도로 고조되고 있다고 한다. 그리고 과거 자동차 회사들이 비용문제 때 문에 외면하던 마그네슘 탄소섬유 강화플라스틱 등 고성능 경량 소재에 대한 태도를 점차 긍정적으로 개선하고 있으며, 이로 인해 새로운 소재, 프 로세스와 조립기술 등이 도입되고 있다고 한다. 또한 지붕 및 후면의 소재로 폴리카보네이트가 사용된 점, 바디 패널에 몰드 플라스틱 사용이 증가한 점, 고장력 철과 알루미늄 마그네슘의 사용이 증가한 점 등이 가장 눈에 띄는 변화이며, 소재 프로세스 조립기술 등의 개선은 이미 새로운 차량 모델에 반영되고 있다고 한다. 경량화 고급화의 사례로 2008년형 Ford Focus는 제동장치 일부 철강부품 을 고강도 알루미늄으로 대체(7.5파운드)하고, 신소재를 사용한 공조 컴프레 서(1.2파운드) 및 알루미늄 휠 사용(22파운드) 등으로 경량화를 달성하였다. 그리고 포드사의 단기 전략은 차량의 무게 감소를 위해 박막 게이지 및 고강도 철을 사용하는 것이며, 이에 부응하기 위해 티센크루프 철강과 JFE 철강과 같은 회사들은 기존의 초고강도 철보다 신장력이 40% 높은 다상조직 철강을 자동차용으로 개발하고 있다. 미국 내 타 회사의 경우는 비용과 강도 등의 문제 때문에 여전히 철강 등 검증된 소재를 사용하고 있다. GM과 크라이슬러 역시 탄소섬유강화수지 등 을 사용하고 있으나 여전히 핵심 부품이나 강도 등이 필요한 부품에는 사용 하지 않고 있는 것이다. 그러나 자동차 회사들이 단기적으로는 이미 검증된 금속 소재를 주로 이용하겠지만, 연비 향상을 위해서는 조만간 마그네슘 알 루미늄 등 경량 소재 사용이 증가할 것으로 예상된다. 디자인이나 생산 공정에 큰 무리 없이 소재를 교체할 수 있는 부분은 가 격이 비싸다고 하더라도 마그네슘 알루미늄 등 경량 소재로 전환될 수 있 - 35 -
으므로, 관련 회사들의 지속적인 관심이 요청되고 있다. (2) 일본 일본에서는 자동차의 알루미늄화가 가속되고 있다. 이런 현상의 키워드는 경량화와 리사이클이다. 알루미늄은 철의 3분의 1 비중으로, 자동차 차체를 철에서 알루미늄으로 바꾸면 약 40%의 경량화가 가능하다. 또 알루미늄 재 생에 필요한 에너지는 새로 만드는 것의 3%에 불과하다. 일간공업신문은 일본의 자동차 리사이클법이 2005년 1월부터 시행되는 등 환경에의 배려가 진행되는 가운데 향후 자동차용 알루미늄이 시장을 확대할 게 확실시된다고 최근 보도했다. 중국 등 아시아의 왕성한 자동차 수요도 순 풍이 돼 알루미늄업계의 다음 타깃은 자동차가 될 것이란 전망이다. 일본 알루미늄 협회에서는 일본 산업계에서는 지금 자동차에 관련된 분야 가 전반적으로 호황이며 그 주축이 되는 분야가 알루미늄업계라고 한다. 협 회가 발표한 2004년 상반기 알루미늄제품 총수요 실적은 전년 동기 대비 5% 증가한 214만2,471톤으로 과거 두 번째 수준이었다. 그 중에서 자동차용 판 재와 압출재의 출하량은 5.9% 증가한 14만1,212톤으로 견조한 신장세를 보였 다. 하반기에도 자동차용을 필두로 고수준이 계속돼 2004년은 과거 최고였던 413만 톤을 넘어 420만 톤 대가 될 전망이다. 자동차의 알루미늄화는 순환형 사회 구축 측면에서도 적극 추진되고 있다. 이산화탄소 배출량 삭감 외에도 연비향상과 연비개선에 의한 배출가스 삭감 등의 규제가 강화하는 가운데 경량화 수요가 높아졌다. 거기에다 뛰어난 리 사이클 특성이 수요를 가속시키고 있다. 일본에서 자동차의 경량화로 이행되는 배경에는 에어백 등의 표준장착으 로 차체무게가 매년 늘어나는 점을 들 수 있다. 지금까지는 성능과 승차감의 향상을 목표로 고급차에 알루미늄화가 진전돼 왔으나 최근에는 배출가스 등 의 엄격한 규제에 대응하고 있는 게 새로운 흐름이다. 차체뿐 아니라 열교환 기와 엔진 등 각종 부품에 알루미늄으로의 대체가 진전되고 있다. 자동차에 쓰이는 알루미늄 리사이클 율은 약 90%에 이른다. 회수된 알루 미늄은 재생공장에서 용해돼 2차 합금으로 재이용된다. 알루미늄은 다른 금 - 36 -
속에 비해 산화되기 어렵고, 융점이 낮아 재생이 쉬운 게 특징이다. 그러나 자동차에서 자동차로의 리사이클은 아직 힘든 상황이다. 주조품은 거의 100%가 주조품으로 재생되나 앞으로 판재는 판재로, 압출재는 압출재로 리 사이클이 진전될 전망이다. 그러기 위해서도 리사이클을 염두에 둔 자동차의 토털 설계가 향후 과제가 될 것으로 협회는 보고 있다. 최근 일본 소재업체들이 자동차의 경량화로 연비를 크게 향상시킬 수 있 는 신소재를 잇달아 양산할 예정이다. 2008년 니혼게이자이 신문에 따르면 아사히카세이는 엔진 주변에 사용하는 고강도 수지의 생산을 내년도부터 시 작하며, 데이진도 2008년 가을부터 자동차용 유리를 대체할 수 있는 가볍고 투명한 수지를 생산, 유럽 차용으로 공급할 계획이다. 일본 소재업계는 금속 과 수지를 섞은 복합소재의 개발에도 힘을 쏟고 있다. 경량 소재는 차체 중량을 30% 정도 가볍게 할 경우 연비를 20% 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 이에 따라 일본 업계는 휘발유 가격이 급등한 가운데 철과 유리에 비해 20-30% 가벼운 대체 소재를 개발하는 데 앞다퉈 나서고 있는 것으로 전해졌다. 자동차용 경량 소재로는 도레이가 차체용 탄소섬유의 개발에 착수한 바 있다. 신문에 의하면 아사히카세이는 측면 백미러 등에 사용하는 나이론 66 수지 를 엔진 주변 부품용으로 개량해 내년도부터 양산한다. 아사히카세이는 강도와 내구성을 더욱 향상시켜 오일판 등 금속부품을 대체한다는 계획이다. 또 데이진은 신칸센의 신형차량에 채택된 투명하고 내구성이 뛰어난 폴리카 보네트 수지를 올 가을부터 유럽차용으로 공급하는데, 유리 보다 약 30% 정 도 가벼워 뒷쪽 유리를 대체하는데 사용될 것으로 알려졌다. 다이세르화학 공업은 일본경금속과 공동으로 자동차용 전자부품의 외장재 용으로 수지와 알루미늄을 일체화한 복합재료를 개발하기도 했다. - 37 -
3. 국내 시장동향 및 전망 가. 국내 자동차의 알루미늄 시장동향 및 전망 우리나라 알루미늄 산업은 1960년대 태동기, 1970~80년대 성장기, 1990년 대 성숙단계를 거쳐 왔으며 1998년 IMF 위기 이후 M&A, 외자유치 등 산업 구조조정을 거쳐 산업재편 단계로 진입하고 있다. 알루미늄 압연제품 중 판은 주로 제2차 가공품인 호일(박)용과 자동차핀용, 박은 공업용(자동차, 공조기기용) 핀재, 약식품용, 포장재용 등으로 주로 사용 된다. 알루미늄 압출제품의 경우 자동차, 항공기산업, 고속전철 등 경량화를 위한 산업 전반에 걸쳐 사용되고 있으며 최근 전자산업에 증량, 열, 전기 전 도도의 우수성으로 동의 대체품으로 사용이 늘어나고 있는 추세이다. 나. 국내 자동차의 마그네슘 시장동향 및 전망 국내 마그네슘합금의 총사용량은 2004년 2,000톤에 달하며, 2005년에는 4,800톤으로 2배 이상 증가하였다. 적용제품 중 자동차 부품이 차지하는 비 율이 80%정도를 차지하고 있으며, 지속적인 증가가 예상된다. <표 3-4> 마그네슘합금 적용 제품 생산량 및 비율 품 목 총생산량 (천대) 마그네슘합금 적용 제품(천대) 휴대폰 16,073 1,600 (10%) 노트북 639 192 (30%) MP3 Player 3,080 154 (5%) 자동차 3,123 2,500 (80%) 자료 : 전자정보센터 및 한국자동차공업협회 통계자료 인용, 2004. - 38 -
다. 국내 자동차 경량화 시장동향 및 전망 2006년 경기회복에 따른 소비심리 회복과 완성차 업체별 신모델 출시 완 료에 따른 관망수요의 실현으로 내수의 소폭상승이 기대되며, 수출은 GM, 포드 등의 경영악화 영향으로 미국 이외의 수출시장에서는 시장점유율이 높 아질 것으로 전망된다. 생산은 내수 및 수출의 증가세에 힘입어 성장세를 이 어갈 전망이며, 수입은 외국업체들 간의 경쟁가열과 중산층들의 잠재수요로 인해 증가세가 예상된다. <표 3-5> 국내 자동차산업동향 (단위: 천대 %) 구분 2002 2003 2004 2005 2006(E) 증가율 생산 3,147 3,178 3,469 3,699 4,000 8.1 내수 1,622 1,318 1,121 1,143 1,250 9.4 수출 1,510 1,815 2,380 2,586 2,750 6.3 자료 : 삼성경제연구원 2006.3 Datamonitor에서 2007년 발표한 자료에 따르면 자동차부품산업의 시장은 2005년 이후 연평균 3%로 성장하여 2011년에는 5,860억 달러의 시장을 형성 할 것으로 전망되고 있다. 자동차부품시장은 자동차의 성장률과 거의 비슷한 것으로 나타나 자동차부품의 시장성장은 자동차의 시장성장과 거의 비슷한 것으로 분석되고 있으며, 국내의 자동차와 자동차부품의 시장성장 역시 비슷 한 것으로 나타난다. 세계 자동차산업은 향후 에너지 문제, 환경 및 안전규제, 소비자의 편의성 추구 등의 요구에 따라 내연기관 자동차는 성숙산업으로 이동하고 연료전지, 하이브리드, 지능형 자동차 등이 향후 자동차산업의 발전모델이 될 것으로 예상되고 있다. 이에 따라 세계 자동차부품 산업은 해마다 꾸준히 성장하고 있으며, 친환경성, 고기능성, 경량화, 고감성 등을 고려한 부품들이 상용화될 것으로 예상되며, 향후에는 하이브리드, 연료전지, 지능형 자동차 등의 등장 으로 그 수요는 더욱 높아질 것으로 보인다. - 39 -
자동차부품산업 역시 일반 자동차부품산업보다 연료전지, 하이브리드, 지 능형 자동차부품의 개발 및 생산이 자동차부품산업 발전의 주요 관건이 될 것으로 전망되고 있다. 특히 국내 자동차부품 시장은 2001년 180억 달러에서 연평균 6.6% 성장하 여 2010년에는 318억 달러의 시장을 형성할 것으로 전망되며, 이를 부품 종 류별로 살펴보면 전자부품의 시장이 가장 높은 성장률을 나타내고, 이어 전 기부품이 고성장을 나타낼 것으로 전망되었으며, 시장규모로는 Mechanical 부품이 2010년에도 가장 큰 시장을 형성할 것으로 전망되고 있다. 최근 현대하이스코에서는 자동차 섀시프레임 에 적용할 새로운 차량경량 화 제품을 선보여 2009년 초에 출시될 예정인 기아자동차의 LUV차량에 TWB 및 하이드로포밍 공법을 적용한 경량화 제품을 섀시프레임 에 적용할 계획이다. 현대하이스코에 따르면 이번 경량화 제품은 현재 기아자동차와 제 품테스트 및 협의단계를 거쳐 신차출시 시점에 맞춘 양산체제를 준비하고 있다. TWB공법은 강판을 레이저를 이용하여 용접하는 방식이며 하이드로포밍 공법은 강관의 내부에 높은 수압을 가해 원하는 모양의 관형제품을 생산하 는 공법으로 이런 공법을 적용하면 소재 경량화 및 차체강성 향상, 제조원가 절감 등의 효과를 얻을 수 있다. 현대하이스코 관계자에 따르면, 섀시프레임 에 하이드로포밍 공법을 이용한 경량화제품을 적용함으로써 기존의 소재중 량에 비해 약 25% 가량의 경량화효과와 함께 이에 따른 연비개선효과를 거 두게 될 것이라고 한다. - 40 -
제4장 결론 현재 자동차 경량화에 대한 요구는 필연적이며, 대체 재료에 적합한 재료 시스템을 확립하기 위해서는 신소재의 기계적 성질을 비롯한 여러 특성평가 를 위한 공정한 기법을 정립하고 재활용 가능성, 설계를 위한 신뢰성 구축 그리고 수급안정성이 만족되어야하며 특히, 기존재료보다 우수하여야 한다. 현재는 알루미늄과 마그네슘 등의 금속기지 복합재료, 폴리머 그리고 폴리 머기지 복합재료와 같은 경량재료가 방위와 우주항공 산업에 의해서 성공적 으로 개발, 사용되어지고 있다. 그러나 이러한 응용에서 비용보다는 수행성 과 신뢰성에 집중되어 있어 자동차 및 항공기 제조업자들이 이러한 재료를 사용하여 가격 경쟁력을 확보하려면 재료가공기술과 제조단가가 절감되어져 야 하는 문제점이 야기되고 있다. 이로 인해 최근 경량재료의 가공기술에 대 한 특허출원이 꾸준하게 이루어지고 있으며, 실질적으로 대부분의 특허기술 이 제조 용이성과 비용 저감의 효과를 향상시켜 시장 경쟁력 확보를 위한 노력에 힘쓰고 있다. 철강업계는 새로운 개념의 고장력강과 TWB, 하이드로포밍 등 신 생산기 술의 접목을 통해 획기적으로 자동차를 경량화시킬 수 있음을 입증해 가고 있으며, 자동차용 소재로서 철강 재료가 다시 한번 부흥할 수 있는 계기를 맞은 것으로 확신하고 있다. 철강재료의 비교우위를 지속적으로 유지하기 위 해서는 특성이 우수하고 새로운 기능을 가지는 신 철강제품 개발, 품질 안정 화, 원가절감 등의 극한기술 개발은 물론 수요가의 Needs를 예측한 Seeds 개발을 적극적으로 수행하는 노력을 계속해 나가야 한다. 또한 철강업체는 자동차 완성차업체, 부품업체, 대학, 연구소등과 긴밀하게 상호협조하는 시스 템을 구축하여 기술개발체계를 효율화할 필요가 있으며 우리나라의 각 대학, 연구소 및 기업체에서도 경량금속에 대한 충실한 연구를 통해 이를 바탕으 로 세계 자동차분야에서의 경쟁력을 갖추기 위해 계속적인 관심과 연구개발 투자가 요구된다고 본다. - 41 -
<참고문헌> 1. 알루미늄 가공산업의 기술발전 전략 수립연구/산업자원부/2002.10. 2. 알루미늄 산업분석보고서/한국신용평가정보/2006.05. 3. 알루미늄 합금/한국과학기술정보연구원/2007.07.27. 4. 자동차용 경량금속재료의 개발동향/자동차공학회지16(4)/1994. 5. 자동차 경량화 기술/Automotive Technology/2008.05 6. 자동차 경량화 기술의 국내 특허 동향/선동주 7. 자동차 경량화 기술동향/한국기계연구원/권용남/2007. 8. 자동차 경량화의 중요 기술인 고강도강/알루미늄 합금의 성형기술/차종 희/2007. 9. 자동차 부품 경량화 기술 개발 현황/명화공업기술연구소/2005.10.01 10. 자동차 경량화를 위한 알루미늄 합금의 고도가공 및 형성기술/한국과학 기술정보연구원/2005. 11. 자동차 산업의 현황과 기술개발동향/자동차부품연구원/2005.05. 12. 자동차, 항공기 경량소재/한국과학기술정보연구원/2006. 13. 합금 제품 주조시 용탕 교반의 최신 기술 및 특허 분석/한국과학기술정 보연구원/2005.09. 14. 2005년 산업자원백서/산업자원부/2006. 15. 한국무역협회 (http://www.kita.net) 16. WIPS 특허분석 (http://www.wips.co.kr) 17. 통계청 (http://www.nso.go.kr) 18. 한국비철금속협회 (http://www.nonferrous.or.kr) 19. Sustainability of the European aluminium industry 2006, the EuropeanAluminium Association (EAA), 2006. - 42 -