LGERI 리포트 자동차소재의진화혁신의동력은기술의융복합 임지수연구위원 jslim510@lgeri.com 이윤하선임연구원 lee.younha@lgeri.com Ⅰ. 자동차소재의진화배경 Ⅱ. 자동차소재의진화방향 Ⅲ. 소재기업의대응유형 Ⅳ. 시사점 자동차용소재의진화가빨라지고있다. 자동차용소재는강도와비용, 내구성, 안전신뢰성등까다로운요구로특별한문제가없으면잘바뀌지않는다. 그러나글로벌완성차기업들이미래에도지속가능한사업모델을만들고경쟁우위를지키기위해소재변화를추진하면서, 자동차소재의변화방향에대한관심이높아지고있다. 소재의변화방향에서가장큰이슈는경량화이다. 소비자인식의변화와정부의환경규제강화로연비가중요해지는상황에서, 전자 / 안전기기의장착으로자동차는더욱무거워지고있어경량소재의적용은더이상피할수없는과제이다. 차를가볍게만들기위해검토되는소재는고장력강판과알루미늄, 마그네슘, 탄소섬유강화플라스틱이대표적이다. 이들은가격과강도, 성형가공성측면에서장단점이뚜렷하게나뉘어져있어, 어떤소재가경량소재를주도할지예단하기는어렵다. 다만단일소재의기술개선을통한해법의여지가크지않아, 이종소재를접합 복합화시킨융복합재료를통한문제해결노력이한층강화되는추세이다. 두번째이슈는친환경, 특수기능소재의적용이다. 자동차가이동수단뿐아니라주거공간으로서의가치도커짐에따라환경친화적이면서인체에무해하고, 다양한편의기능을수행할수있는소재부품에대한니즈가커지고있다. 이에따라친환경과고급이미지를충족시킬수있는바이오기반소재, 자동차의공조와디스플레이, 외관등을향상시키기위한다양한소재들이개발적용되고있다. 자동차소재의진화가가시화될수록국내관련산업계에서는재료및기술의융복합이중요한과제로부상하고있다. 소재에서는이종소재의융복합재료가, 기술에서는이종업종의기술협업을통한새로운소재의성형및가공기술개발이요구되기때문이다. 정부차원에서도원천기술개발및산학연협력 R&D 지원을위한지속적인노력이필요할것이다. 18 LG Business Insight 2014 1 8
미래는항상불확실하고, 예측하기어렵다. 그래서미래를잘모를때제일무난한방법은 지금과크게다르지않을것 이라고전망하는것이다. 현재는과거의미래이고, 다양한변수들이복합된합리적결과이기때문이다. 하지만지금까지산업역사에서는무난하게보였던전망이 100% 뒤집어지는크고작은사례들을볼수있었다. 오래전자동차가마차를대체한것도그렇고, 근래스마트폰이피쳐폰을대체한것도비슷하다. 이러한변화들도처음에는대체품의단점이굉장히크고개선이매우어려우며, 그래서소비자들이익숙한과거의것을계속선택할것이라고예상되었다. 하지만대체품의단점이생각보다빠르게개선되고새로운장점이추가로부각되면서, 소비자는익숙한것보다는새로운것에더끌리는경우가종종있어왔다. 최근자동차소재에대한논란도이와비슷한상황이다. 자동차경량화및친환경차부상이라는자동차산업의큰흐름아래에서철강이자체개선을통해자동차소재의절대적지위를유지할지, 비철금속및복합재료등의대체소재가본격적으로부상할지양측의주장이팽팽히맞서고있다. 특히근래 Audi, BMW, Toyota 등글로벌자동차메이저업체가소재에대한새로운시도들 ( 알루미늄, 탄소복합재료, 바이오소재등 ) 을진행하면서자동차소재의변화방향에대한관심이더욱높아지고있다. 현재자동차소재의진화가어떤방향으로가고있으며이와관련된이슈는무엇인지점검하고, 현상황이한국소재산업에게주는시사점을살펴본다. 글로벌완성차업체가소재에대한새로운시도를진행하면서자동차소재의변화방향에대한관심이더욱높아지고있다. Ⅰ. 자동차소재의진화배경 < 그림 1> 미래의자동차, 경량화소재크게증가자동차용소재의비중변화 ( 미국 ) 자동차는소재의선택이매우어려운산업이다. 강하면서도가벼워야하고, 싸면서도풍부하게공급되어야하며, 다양한기후환경의변화속에서도물성이유지되어야하는등요구조건이매우까다롭기때문이다. 그래서 20세기초자동차의주된소재가나무에서철로대체된이후 100년동안자동차의대부분은철로만들어지고, 내장과외장재의일부에만플라스틱과유리가채용되고있다. 지금까지사용되고있는자동차소재들은지난 30년간큰변화없이자체진화를통해최적화되어왔고전세계모든완성차업체들이유사하게사용하고있기 (%) 100 80 60 40 20 0 나무 * 섬유강화복합재료포함자료 : Oica President Steel & Automobile, US DOE/EIA Vehicles and fuels, 2010.8 11 20 플라스틱 * 15 16 20 20 1906 1912 1977 2010 2035F Other 마그네슘 알루미늄 고강도철강 전통철강 LGERI 리포트 LG Business Insight 2014 1 8 19
LGERI 리포트 향후자동차연비는경량화소재적용을통한개선여지가크다. < 그림 2> 파워트레인및경량화기술개선이큰효과자동차연비개선요인 파워트레인 중량 디자인 타이어 전력 자료 : 현대자동차 (2013.6) 고효율전장부품개발등 차량중량절감 디자인및공력개선 구름저향개선 ( 저마찰타이어 ) 때문에새로운대체소재들이끼어들여지는별로없다는인식이일반적이었다. 그러나근래에는자동차소재의대체와진화에대한논의와연구들이자동차업 계주도로진행되고있고, 과거보다는현실적이고구체적으로시도되고있다. 이러한변화의첫번째이유는 유가 100 불시대 로진입하면서연비가소비자인식에 서가장중요한문제중하나가되었다는것이다. 과거에도연비는중요했다. 그러나저유 가시대에는개성과디자인을위해연비는희생할수있는기능이었다. 유가 100 불시대 에들어서연비의위상은달라졌다. 미국의 Consumer Report 에따르면미국소비자의 37% 가연비를자동차선택에서가장중요한요소로꼽는다고조사됐다. 자동차연비를 개선하는방법으로파워트레인의효율성개선과, 공기저항을최소화하는디자인등여러 엔진 / 변속기효율개선 0 10 20 30 40 50(%) < 그림 3> 미국자동차연비규제 (CAFE) 기준, 2015 년부터급상승중 연비기준 (MPG) 50 40 30 실제연비 자료 : The Aluminum Association s Transportation Group 규제기준연비 20 2000 2004 2008 2012 2016 2020 2024 가지가있지만이런요소들은지금까지자동차기업들이꾸준히, 점 진적으로개선시켜온것들로추가개선은제한적일수밖에없다. 반 면자동차소재대체를통한경량화는조립공정의어려움과비용상 승, 변화에따른리스크등의이유로미뤄왔던것으로개선여지가 상대적으로크다. 관련연구결과에따르면자동차무게가 10% 절감 될때자동차연비는 6 8% 개선되는것으로발표되고있다. 두번째는선진국환경규제의실행시기가다가오면서연비 개선과친환경차육성이현실적과제로부상하고있다. 선진국의 환경규제는다양하게있지만, 미국의 CAFE( 기업평균연비, Corporate Average Fuel Economy), EU 의 자동차배기가스배 출규제안 이대표적이다. 미국의 CAFE 는연비규제를통해환경 오염물질배출을통제하는것으로, 이미시행되고있지만초기 규제기준이낮아아직현실적문제로부상하지않고있다. 그러 나 2015 년을지나면서연비규제기준이빠르게높아져 2025 년에 는리터당 23.2 km로매우도전적수준이된다. 더욱이유럽의자 동차배기가스배출규제안은미국보다더욱강하다. 기준이되 는 CO 2 배출량을연비로환산하면, 2025 년에는 33.1 km의연비를 달성해야한다. 1 이렇게도전적인기준을충족하기위해서는기존 1 참고로최근 EU 환경장관회의에서규제안이과도하게높다는이유로시기조정이요구되어구체적실행시기는합의되지 못하고재검토하기로함 20 LG Business Insight 2014 1 8
에노력해온엔진효율성개선이외에, 경량소재적용을통한연비개선과친환경차판매증가를추진할수밖에없다. 특히친환경차의성장도자동차소재변화에는중요한트리거가된다. 현재전기차나연료전지차, 천연가스차등친환경차의공통적인문제는 짧은주행거리 로이약점을극복하기위해서차량경량화가절실한데, 대용량배터리, 고압연료통등의새로운부품이추가되면서자동차무게는크게증가하였다. 따라서친환경차시장의선발기업들은비용상승을감수하면서도극단적인소재대체를통한경량화를시도하고있다. 대표적으로 Tesla의모델S는알루미늄을, BMW의 i3는알루미늄및 선진국환경규제로인해연비개선이시급한과제로부상하고있다. 자동차용소재진화를선도하는완성차업체들 Intelligent Material Mix is key for efficient lightweight design Audi 는현재약 180 명의연구인력이근무하는 Audi Light Design Center( 경량화센터 ) 를운영하고있다. 이곳에서는다양한협력업체들과공동으로자동차경량화소재 부품의기초설계및성형가공공정을중점적으로연구한다. 이를기반으로 Audi 는 90 년대세계최초로알루미늄 all-body 상용차모델을출시하면서알루미늄경량화소재기술의선도기업으로부상했다. 이당시소재의주연구테마는고장력철강을기본으로알루미늄소재를단독및합금을통해대체하는것이었다. 그러나근래에는소재의범위를확장시키면서최적의소재설계에더욱주력하고있다. 섬유복합재료에대한연구인력을강화하고 2012 년 섬유강화플라스틱기술센터 (FRP Technical Center) 를설립하면서, Intelligent material mix 를가장중요한소재연구개발의모토로재정립했다. < 그림 4> Audi 의소재전략변화방향 자료 : Audi 1990s 2000s Today Future 알루미늄중심의 Body 철강중심의 Body 섬유강화복합재료중심의 Body 알루미늄 - 철강중심의 Body 다종소재기반의설계 수백만대의상용차에적용할친환경소재개발 Ford 는자동차에합리적이면서환경친화적인소재를적용하기위해오래전부터노력해왔다. 우리의노력은수백또는수천대의고급차가아니라수백만대의상용차에적용할수있는친환경솔루션을만드는데집중하고있다. 이것이 Ford 가다른완성차기업과진정한차이를만드는방법이다. -Alan Mulally President & CEO- < 사례 > Ford 는기능화된대두유를우레탄폼으로가공하여상용차시트와헤드라이너에대거적용했다. 1) 북미모든자동차플랫폼에 Soy foam seats 채용 ( 누적생산대수 500 만대이상 ) 2) Escape 모든모델에 soy foam headliner 를채용하는등 3) Soy-based Foam 기술의리더로서주택, 소비재등타산업적용을유도하는성과를보여주고있다. Soy foam headliner and seats LGERI 리포트 LG Business Insight 2014 1 8 21
LGERI 리포트 친환경차시장의성장도자동차소재변화에중요한트리거가된다. < 그림 5> 전장화와안전성강화자동차는重量化추세 평균공차무게 (kg) 2,000 1,800 1,600 1,400 1,200 1,000 1975 1985 1995 2005 환 경 시 장 주 : Light Duty Vehicle 신차판매량가중평균무게자료 : Heavenrich 2006 ; EPA 2007 < 그림 6> 자동차소재의메가트랜드, 글로벌시장환경이견인 유가 100 불시대 환경규제강화 편의, 안정성수준상향 ( 고급 / 친환경 ) 감성품질요구 자동차산업 연비의중요성증대 친환경차 (EV 등 ) 시장성장 무거워지는자동차 탄소섬유복합재료를대량적용해서자동차무게를 250kg 이상줄였다. 이러한시 도의성공여부를현시점에서판단하기는어렵지만이러한시도들이경량소재가 공기술에상당한진보를가져왔으며앞으로친환경차전용모델의경량화소재비 율향상에기여하리라는점은분명하다. 세번째는편의성과안전성에대한요구수준이높아지면서관련기능성부품들 의채용이증가함에따라차가점점무거워지고있다는것이다. 과거자동차무게에 큰관심이없을때승용차평균무게 2 는 1,800kg 을상회했으나, 1970 년대 1, 2 차석 유파동이후가벼워지기시작해서 1980 년에는 1,450kg 까지낮아졌다. 그러나 1990 년대차량자동화와 SUV 판매비중이증가하면서자동차는다시무거워지기 시작했고최근에는평균무게가 1,900kg 을넘어섰다. 이러한현상은차량경량화 가자동차산업의중요한트랜드로언급되고있는최근에도전혀개선되지못하고 있다. 실용적자동차의대명사인 Toyota Corolla 의경우에도공차무게가 1992 년 1,090kg 의저점이후 2013 년 1,255kg 까지무거워졌는데, 2014 년모델은 1,300kg 으로 輕量化 가아닌 重量化 추세가지속되고있다. 결국자동차의전장화와안전 성강화트랜드를따르면서연비를개선시키기위해서는경량화소재대체와같은 특단의조치가필요한상황이되었다. 네번째는글로벌시장을리드하는선진국자동차메이저업체들이차별화를위 한돌파구로감성마케팅을강화하고있다는점이다. 이것은자동차에대한인식이 자동차소재 경량화소재 친환경소재 ( 바이오 ) 지능형, 특수기능소재 이동수단뿐아니라주거공간으로서의가치도커짐에따라 여성소비자의선택권이높아지면서럭셔리, 친환경등감 성품질에대한차별화가치가커지는추세에기인한다. 감 성마케팅에는일차적으로디자인과컬러를통한차별화가 있지만, 국가별개인별선호도가다각화되어있고모방이 용이하다는문제가있다. 따라서친환경및인체에무해한 소재, 특수한기능성을나타낼수있는소재등다양한차별 화스펙을만들기위한소재개발경쟁이치열하게전개되 고있다. 2 미국의 Light-duty Vehicle 가중평균기준 22 LG Business Insight 2014 1 8
Ⅱ. 자동차소재의진화방향 현재진행되고있는자동차소재의진화방향은크게경량화, 친환경, 지능형 / 특수 기능소재의채용확대로구분해볼수있다. 경량화소재적용을완성차업체들이직접주도하기시작했다. (1) 경량화 (Light-weight) 자동차에경량소재적용노력은이제중요한트랜드가되었다. 과거에는소재까지바꾸지않고연비를개선시키는방법이많다는주장도있었고, 경량화소재적용은소재기업들의희망일뿐이라고폄하되기도했다. 그러나지금은소재및부품의선택에서부터, 가공기술의개선, 설계변경을통한모듈화까지관련기술개발전반을글로벌자동차메이저업체들이직접주도하기시작하면서경량화소재적용은완성차업체들의주된관심사중하나가되었다. 이제는경량화소재의채용여부가아니라, 그 중어떤소재가자동차경량화를선도할것인가가중요한이슈가되었다. 그러면먼저자동차의어떤부분을중심으로경량화소재의적용이검토되고있는지보자. 자동차의중량은 BIW(Body-in-white, 차체골격 ) 와파워트레인, 샤시세부분이각각 27~28% 로차무게의대부분을차지하고, 경 < 그림 7> 자동차의경량화잠재력 중량구성 ( kg ) 105 150 기타 인테리어 경량화잠재력 27% 량화잠재력도가장크다. 이중파워트레인은고내열성등필요한물성이더 405 샤시 30% 욱까다로워서사용할수있는소재가한정되어있다. 따라서다양한소재를대상으로선택을고민하는부분은 BIW와샤시중심이고, 이글에서도이부 420 파워트레인 32% 분을대상으로살펴보고자한다. 420 BIW 38% BIW 와샤시에적용할수있는경량소재는고장력강판 (AHSS, Advanced High Strength Steel) 과알루미늄, 마그네슘, 탄소섬유복합재료가대표적이 전체중량 1,500 kg가정 30% 가량경량화가능 자료 : KVA (2008), Frost & Sullivan (2013) 다. 이러한경량소재들은현재다양한장단점을갖고있어서 어떤소재가우월하다고단정짓기어렵다. 특히자동차소재 는아무리일반적으로좋은물성과특성을가지고있다해도, 해당부품에요구되는핵심특성이충족되지못하면채용될 수없다. 따라서어떤소재의약점이가장잘극복될것인가가 Body-in-white( 좌 ), 샤시 ( 우 ) LGERI 리포트 LG Business Insight 2014 1 8 23
LGERI 리포트 고장력강판을통한경량화를위해서알루미늄이나플라스틱과의융합재료개발이활발하게진행되고있다. 향후경량소재경쟁에서가장중요한관건이될것이다. 3 고장력강판고장력강판은완성차업체에게가장익숙한소재라서대체리스크가낮고, 신규적용시에도기존설비장치를대부분활용할수있는장점이있다. 또가격도강도에따라단계적으로올라가비용부담도상대적으로덜하다. 특히일부완성차업체는철강회사지분을보유하고있거나자회사로보유하는경우도있고, 협업관계도가장밀착되어있다. 이러한이유들로자동차업계가경량소재적용을고려할때고장력강판을우선적으로선택하는것은자연스러운움직임이다. 또한, 다른경량소재가약점을극복하지못할경우고장력강판의지속적개선을통한경량화를추진할수밖에없다. 그러나고장력강판은적용부위가제한되고철이라는소재특성으로경량화수준에한계가있어최대치가 10~20% 수준이다. 이를극복하기위해알루미늄합금 ( 저비중강판 ) 이나플라스틱샌드위치강판등다른경량소재와의접합을연구하는등단독으로는중장기해법이되기어려울전망이다. 알루미늄 알루미늄은대체시 40% 라는의미있는경량화가가능하고, 장기간부식되지않으 며매장량도풍부해서공급안정성도갖추었다. 가격 ( 부품기준 ) < 그림 8> 알루미늄소재로의대체, 꾸준히지속 대당적용량 (kg) 300 250 200 150 100 50 Heat Exchanger Wheels 자료 : Ducker Worldwide 2011 Blocks Hoods 전망 Doors & BIW 75 80 85 90 95 00 05 10 15 20 25 도철대비약 30% 높은수준으로, 경량화에따른연비절감효과를감안하면수용할수있는범위에있다고할수있다. 또알루미늄은재활용이가능해선진국에서강화되고있는생산자책임재활용제도 (EPR, Extended Producer Responsibility) 에도유리하다. 이때문에자동차경량화가논의되기시작한최근 30년간철이외의경량소재중채용비중이가장빠르게증가해왔다. 미국의알루미늄협회에따르면북미자동차의자동차소재에서알루미늄이차지하는비중은 1975년에는 2%( 대당 40kg) 에서, 2012년에는 8%( 대당 156kg) 까지증가했다. 주적용분야는엔진 3 마그네슘은금속에서는가장이상적고강도경량소재이지만, 제한된매장량과부식성및표면연성문제로합금 ( 부재로 ) 중심의성장이예상되어독립소재로서의소개는생략한다. 24 LG Business Insight 2014 1 8
관련부품 (Trans. Case, Heat Exchangers, Cylinder heads/block 등 ) 소재에서 80% 이상, 타이어휠에 55% 로, 주로주조 4 공정이가능한파워트레인과샤시쪽에우선적으로적용되고있다. 알루미늄이다양한장점과장기간적용시도에도불구하고 Body와마감재 (Closures) 에적용비중이낮은이유는용접시열에의한변형이심해성형 / 가공이어렵고, 주조는용이하나압연, 압출가공이어려운것에기인한다. 따라서향후알루미늄이후드 ( 본넷 ) 나 BIW, Door 등에적용되기위해서는성형 / 가공기술개선이가장중요할전망이다. 일단알루미늄은다양한장점으로글로벌자동차메이저업체에게철다음으로시도해보는경량소재로서의입지를확보했다. Audi는 1994년에알루미늄을차체에대량적용한 A8을출시해서자사의경량화기술을상징하는브랜드로만들었는데, 철강대비 92kg(Body 기준 28%, 전체차량기준 4.4%) 의무게를절감했다고발표했다. 이외에도 Ford 와 Toyota 등다수의메이커도고급차종의차체일부에알루미늄을적용하고있고, 전기차에서도 Tesla 모델S의 Body, BMW i3의샤시에적용되고있다. 알루미늄은경량소재의중요한대안으로대당적용량이꾸준히증가하고있다. 탄소섬유복합재료 (CFRP, 탄소섬유강화플라스틱 ) 탄소섬유복합재료는유리섬유복합재료와함께대표적인고기능섬유복합재료로서, 뛰어난강도에도매우가벼워서우주선이나비행기, 슈퍼카, 골프채, 초대형풍력날개등초경량소재가반드시필요한경우에는대부분선택되는이상적경량소재다. 지금까지자동차용경량플라스틱으로는주로유리섬유복합재료와엔지니어링플라스틱이사용되고있지만, Body 및구조재료에서철을대체할만한강도를구현하기어렵기때문에대안으로탄소섬유복합재료의적용이검토되고있다. 탄소섬유복합재료는고강도경량이라는강점이외에도원재료가광물이아니라모든화석자원에포함되어있는탄소이기때문에고갈우려가없고, 다양한성형 / 가공으로부품일체화가용이하며, 스크래치에의한부식도거 < 그림 9> 경량소재별일반철강재대비무게와가격 * 철 고장력강판 알루미늄 탄소섬유 무게 60 50 85 100 가격 100 115 130 570 * 동일부품에들어가는소재비용의상대가격기준. 일부자료에서는소재비용비교를소재의중량 (kg) 당가격으로비교하지만, 동일부품을만들때경량소재는소요중량이작고부품의개수및공정비용에차이가존재하기때문에동일부품을만들때소요되는소재비용개념의비교가적합자료 : Mckinsey, LG 경제연구원 LGERI 리포트 4 가열하여액체상태로만든재료를원하는모양의형틀에주입하고응고시켜제품을만드는작업, 주로선철, 강, 동합금, 알루미늄합금등이사용됨. LG Business Insight 2014 1 8 25
LGERI 리포트 탄소섬유복합재료는이상적경량소재이지만높은비용과성형가공성이떨어지는문제가있다. 의없다는다양한강점이존재한다. 반면탄소섬유복합재료가갖는가장중요한약점은높은가격과가공생산성의문제이다. 가격이소재중량기준으로는철의약 20배, 부품기준으로는철강부품의약 5.7배로대용량교체를생각하기에는비용부담이크다. 또한탄소섬유복합재료에서주로바탕재료 ( 모재 ) 로사용되는에폭시수지는성형후굳는데시간이오래걸려서생산성이떨어지는약점이있다. 이러한약점들로인해탄소섬유강화플라스틱의자동차채용에대해서는부정적인식이일반적이었다. 탄소섬유복합재료의약점을일정부분극복하면서상용차에처음으로대량적용한기업은독일의 BMW다. 2013년에출시된전기차 i3의 Life Module( 상판 Body의대부분 ) 을탄소섬유복합재료로만들었고, 2014년에출시할플러그인하이브리드전기차 (PHEV) i8에도적용할계획이다. BMW는탄소섬유복합재료와알루미늄으로 탄소섬유복합재료의단점도꾸준히개선중 탄소섬유강화플라스틱이상용자동차소재로연구되기시작한것은 2000년대이후로기술개발역사는길지않다. 초기에는가격이나성형가공과정의생산성문제로자동차적용이어렵다고인식되었으나, 기술개발노력이축적되면서관련문제들을조금씩개선하는결과들이발표되고있다. 먼저제품가격은과거 kg당 30달러수준에서, 풍력날개등상업용적용이시작되면서대량생산이가능한범용품들이개발되어 kg당 20달러수준까지하락했다. 공정개선과규모가커지면서원가가하락한것이다. Lux Research는최근보고서에서향후 5년뒤에는탄소섬유가격이원료대체와공정개선, 규모의경제실현, 공급경쟁등으로절반가까이하락할것으로전망했다. 또한성형가공과정의생산성문제도개선되고있다. 탄소섬유의모재 (Matrix) 로사용되는에폭시수지가성형후굳는데장시간이소요되는문제 (Long Cycle-time) 는과거 30 분이상에서 5분이하로단축시키는기술이개발되었고, 다양한모양을구현하고빠른성형공정이가능한열가소성플라스틱 ( 나일론, 폴리프로필렌등 ) 을모재로사용하는개선된복합재료들이꾸준히개발되고있다. 이와관련하여일본에서는정부기관 (NEDO) 주도로 2003년 < 그림 10> 일본 NEDO 의탄소섬유복합재료를통한자동차경량화 Milestone 자동차중량 : 1,350kg 1,215kg 1,080kg 945kg 810kg 자료 : Japan NEDO(New Energy and Industrial Technology Development Organization) KIST 복합소재기술연구소 부터 5 년씩두차례에걸쳐탄소섬유복합재료를자동차용소재 에적용하기위한기초기술개발프로젝트를진행했다. 이프로 젝트는탄소섬유를열경화성수지 (1 차 ) 및열가소성수지 (2 차 ) 와 복합화할때나타나는문제점을극복하고, 성형 / 접합 / 안전설 계기술등적용가능성을높이는기술개발에초점을두고진 행되었다. ( 단위 : kg) Body 내외장 샤시 파워트레인및기타 Body의절반 CFRP 대체 Body의 80% CFRP 대체 샤시의일부 CFRP 대체 구조재거의 350 전영역 CFRP 대체 350 350 350 300 350 300 200 350 270 200 180 450 315 155 150 150 225 225 180 26 LG Business Insight 2014 1 8
CFRP 를활용한 Life Module Drive Module Body 표면 탄소섬유복합재료는상용차적용이어렵다고인식되었으나, BMW는기술혁신을통해전기차차체골격에대량적용했다. 리튬이온배터리 BMW 는탄소섬유복합재료부품의자동화접착공정을통해 Life-Module 을생산한다. 전기모터 각각 Life와 Drive Module( 일반적으로자동차의샤시부분 ) 을생산하여전기차무게를 300kg 이상절감한것으로추정되고있다. BMW는탄소섬유복합재료의적용을위해 SGL이라는독일탄소재료전문기업과 JV를체결하고 12% 의지분까지취득했으며, 탄소섬유복합재료성형 가공및모듈화공정을직접운영하고있다. 이러한움직임은이번시도가일회성이아니라중장기계획하에진행하고있음을시사한다. BMW는탄소섬유복합재료의대량적용을위해약 5년간의개발과정을거쳐서상판 Body에사용되는 300여개의부품을 150개로감소시키고, 부품간연결은자동화접착공정으로단순화시켜서공정비용을크게절감한것으로발표하고있다. < 표 > 자동차용경량소재의장단점 자료 : Lux Research, LG 경제연구원 강점 약점 1st 2nd 3rd 1st 2nd 3rd 고장력강판코스트풍부한매장생산유연성용접성연성표면결점 알루미늄코스트풍부한매장경량성형성낮은융점치수안정성 마그네슘경량진동흡수력고온성능제한된매장량연성부식성 탄소섬유복합재료 경량부품일체화부식저항성코스트성형 / 가공성 이방성강도부족 (2) 친환경소재 (Eco-friendly) - 바이오소재중심 자동차산업에서친환경소재의상징으로바이오소재를사용하려는시도는그리 오래되지않았다. 2000 년대중반 Benz 가럭셔리모델에적용을시작해서적용부 품을확대하고, 2000 년대후반에는유럽의다른고급브랜드와 Ford, Toyota 에서 도바이오소재적용을확대하고있다. 초기바이오소재적용은고급차의감성품 LGERI 리포트 LG Business Insight 2014 1 8 27
LGERI 리포트 차량내부소재및부품을중심으로바이오소재적용이증가하고있다. Benz E class(2009) 에적용된바이오부품 바이오소재현재적용부위... 내장부품의 80% 점유 Toyota 친환경차 SAI(2012) 의바이오소재적용현황및계획 질을높이고브랜드마케팅을하는차원에서시작됐으나, 최근에는하이브리드차나 전기차등친환경차의이미지를배가시키기위한노력으로확산되는추세이다. 자 동차에적용되는바이오소재는강도는약하지만감성품질이높기때문에주로차 량내부소재및부품에적용되고있다. 자동차에채용되고있는바이오소재는크 게 3 가지로구분할수있다. 첫번째는 PLA 5 와같은전통바이오소재이다. 전통바이오기반소재는내구 성, 내열성이기존석유기반플라스틱보다약하고, 저가의범용플라스틱을대체하 다보니비용상승이커서적용부분확산이제한적이다. 주로요구물성이평이한 콘솔박스나내부천장 (Headliner) 등내장소재 / 부품일부에만적용되고있다. 두번째는 Bio PET( 폴리에스터섬유및플라스틱 ), Bio Foam( 시트폼, 우레탄 ) 등생산원료의일부를바이오제품으로대체하여부분바이오플라스틱 ( 보통 30~50%) 으로만든것이다. 이경우완전한바이오소재는아니지만석유기반소 재보다는친환경적이라는강점이있다. 부분바이오플라스틱은물성이합성소재와 거의같고자동차시트폼, 바닥카페트등넓은부위에다량사용할수있다는장점 바이오소재추가적용추진부위 이있다. 세번째는바이오기반고기능소재로서 Bio EP( 엔지 니어링플라스틱 ) 가대표적이다. Bio EP 는특수바이오기 반원료물질을화학반응을거쳐고기능플라스틱으로만 든것으로, 첨단바이오소재영역이다. Bio EP 와같은 고기능소재는대체대상소재가고가이기때문에대체에 따른비용부담이덜하고, 자동차내장재뿐만아니라다 양한부품으로적용이확산될수있다는장점도있다. 아 직은 DuPont 과 DSM 등바이오화학소재글로벌선도기 업에서개발하여시장을개척하고있는단계이다. 향후자동차용으로바이오소재가얼마나더사용될 것인가의문제는향후바이오소재기술이얼마나더진 보할것인지가중요한변수이다. 초기바이오소재는주 5 Polylactic Acid. 락티드의합성을통해만들어지는폴리에스테르플라스틱의일종, 원료인락티드는주로감자와옥수수로부터얻어짐. PLA 는미생물의활동에의해물과이산화탄소로분해되는생분해성수지 28 LG Business Insight 2014 1 8
로포장재로사용되어, 산업용내구재로적용할만한가격과물성수준에는아직충분치못한상황이다. 그러나근래글로벌바이오기업과화학기업, 소비재 / 산업재기업들이다양한제휴와 JV를체결하면서산업용내구재로사용할수있는바이오소재개발에많은자원을투자하고있다. 또하나의변수는친환경차의성장세이다. 바이오소재가선진국럭셔리모델에만채용된다면규모의성장은더딜수밖에없다. 그러나최근 Toyota의하이브리드차, BMW의전기차등친환경차모델에바이오소재를대거적용하겠다는계획이발표되었다. 특히 Toyota는 2015년까지자사가사용하는플라스틱소재의 20%( 약 25kg) 을바이오소재로대체하면서, 친환경차에는중장기적으로내부소재 / 부품의 80% 까지바이오소재를채용하겠다는계획도발표한바있다. 바이오기업과화학기업간다양한제휴를기반으로새로운바이오자동차소재들이개발되고있다. (3) 지능형 / 특수기능소재 (Intelligence) 완성차업체들이스펙차별화를위해지능형 / 특수기능소재채용을시도하고있다. 그중대표적인것이 Toyota의프리우스모델에옵션으로제공되는 Solar Roof 이다. 차량의상판에태양광발전패널을부착하고, 주차되어있는동안태양광발전을통해차량내부공기가순환되도록하여적정온도를유지할수있도록하는기능이다. 또한 Solar Roof는태양광발전으로저장된에너지를통해차에타기전미리에어컨디셔너를원격으로조종해내부온도를낮춰놓는역할도가능하다. 이러한 Solar Roof를통해여름철공조와냉방뿐만아니라겨울철시트난방이나배터리와의연결을통한전장제품용에너지로활용하는연구개발도진행되고있다. 또한차량전장화트랜드하에서소재에기능성을부여하는다양한시도들이진행되는데, 이중하나가 Head-up Display(HUD) 에들어가는유리의기능화이다. HUD는차의속도, 네비게이션등보여주고자하는영상정보를자동차전면유리혹은별도 HUD 패널에투사시켜운전중시야를분산 시키지않고운전자에게정보를제공하는역할이다. 미션임파서블에서 공상과학처럼소개되었지만이제는기아차의 K9, 현대차의제네시스에서 도볼수있는기능이다. 현재 HUD 의주류는 TFT 액정패널 (LED 백라이 Toyota 의 Solar Roof LGERI 리포트 LG Business Insight 2014 1 8 29
LGERI 리포트 완성차업체들은후발기업과의차별화를위해다양한지능형 / 특수기능소재를탑재하고있다. 트 ) 의영상을여러미러를매개로전면유리에표시하는것이다. 이때전면유리가영상을통과시키지않고반사시키기위해서유리내부에기능성필름을삽입시키는등의방법으로특수유리를제작해야한다. 이외에도차량표면에흠집이생겼을경우비싼수선코팅없이원상태로복귀시키기위한방안도개발되고있다. Toyota에서는기존차체의색상과동일한 Sticker 를제작해서흠집에붙여재코팅하는방식으로상업화를시도했다. 또다른방식은셀프힐링이가능한코팅재료를표면에사용하는것이다. 셀프힐링원리는제품표면에부드러운고밀도분자구조를채워넣어날카로운물체에부딪히더라도구조가파괴되지않고변형만되도록한것이다. 이때문에표면에변형을일으킨흠집은 3분정도체온과비슷한열을가하면분자구조가원래상태로복귀되면서없어지게된다. Ⅲ. 소재기업의대응유형 자동차용소재의진화가빨라지는상황에서소재산업의대응은처한입장에따라크게두가지형태로구분할수있다. 첫번째는연합전선을구축해서자동차용경량소재로서의성장잠재력을키우기위해적극노력하는형태이다. 즉개별고객확보를위한경쟁도중요하지만, 자동차용경량소재경쟁에서보유소재의상대적위상을강화하기위한연합 R&D와심포지움등공동의노력이중요하다는입장으로해석된다. 이러한모습은자동차용경량소재에서이미입지가구축되어있는철강및알루미늄업계에서주로나타나는데, 경량화주도권강화를위해산업단체가나서서노력하는모습이두드러지고있다. 세계철강협회는 1990년대중반부터철강을활용한자동차경량화부품시범사업을주도하다가, 2008년부터 6년째 FutureSteelVehicle 이라는친환경용초경량철강자동차프로젝트를진행하고있다. 또알루미늄업계에서는미국알루미늄협회산하에 The Aluminum Transportation Group(ATG) 을별도의조직으로두고, 이론적 실증적으로알루미늄이차량경량화에얼마나적합한소재인지연구하고그 30 LG Business Insight 2014 1 8
결과를자동차업계와정부에적극적으로홍보하고있다. 두번째는개별소재기업이완성차메이저와공동개발, JV 등다양한형태의협 력관계를구축하여새로운소재적용을유도하는것이다. 이를위해서는맞춤형소재 공급은물론이고완성차기업이새로운소재를사용했을때해결해야할문제들 - 성형 / 가공, 보수, 리싸이클등에대하여솔루션을도출하는노력도함께수반되어야 한다. 주로탄소섬유복합재료나바이오소재, 특수 / 지능형소재등을 공급하려는업체들이대응하는형태이다. 철강이나알루미늄과는달리새로운소재는완성차업체역시적 용경험이없기때문에적용을유도하기위해서해결해야할이슈들이 많다. 또완성차업체와어느정도의기술도공유해야하고, 장기안 정공급이가능한파트너로신뢰성을확보해야한다. 이때문에대부분 특정소재기업과특정완성차업체가기술제휴나 JV 를설립하는등 개별적인협력관계하에서소재적용이진행된다. 소재기업입장에서 는이러한과정이파급력있는대형고객을확보하여향후시장을선 점하는효과가있기때문에, 개별협력관계구축이마케팅의가장중 요한시작이라고해석할수있다. 소재업계의대응은연합전선구축과완성차기업과의개별협력관계구축으로나누어진다. < 그림 11> 완성차업체들과탄소섬유업체간의활발한제휴 탄소섬유복합재료업체 기술제휴 JV 공급 JV 및지분인수 공동기술 / 개발지분인수 기술제휴 완성차업체 Ⅳ. 시사점 최근국내대표자동차기업의광고에는 융합 과 글로벌 이무엇이라고생각하는지다양한사람들에게질문한다. 자동차산업의특성을반영한질문이라고생각된다. 자동차산업은세계시장이 1,600조원대규모로단일제품산업으로는가장큰시장이다. 완성차기업의국적은있으나자동차의국적 ( 생산지역 ) 은의미가없으며, 에너지-소재-IT/ 전자-기계등다양한산업이밀접하게결합된종합글로벌산업이다. 따라서한국가의제조업경쟁력을말할때꼽히는가장중요한산업중하나이기도 하다. 이러한자동차산업에서우리나라도이제완성차와기계부품경쟁력모두글 로벌메이저수준으로올라서고있다고할수있다. LGERI 리포트 LG Business Insight 2014 1 8 31
LGERI 리포트 자동차부품에특화된소재, 특히이종재료의융복합소재개발이필요하다. 그런데자동차소재의경쟁력도글로벌수준인가를생각하면후한평가를주기 어렵다. 철강소재를제외한알루미늄이나화학소재에대해서는글로벌수준과의 격차를부정하기어렵다. 특히글로벌자동차용소재의주요트랜드인경량화와친 환경소재, 지능형 / 특수기능소재와관련해서는더욱그러하다. 지금처럼글로벌자동차용소재의진화가구체화되고그중요성이커지는상황에서국내소재경쟁력에대한우려가커지는이유이다. 글로벌자동차소재의진화가빨라지고있는상황에서국내관련산업에서도미래에대한대비가시급해지고있다. 무엇보다도자동차부품에특화된소재개발이필요하다. 특히기존단일소재의개선에서한계가드러나고있는만큼, 복합재료및접합소재기술에대한관심을더욱높여야할것이다. 철강업계에서는자동차산업이워낙중요한수요처이기때문에이러한노력이어느정도진행되고있다. 그러나비철금속이나화학소재업계는범용소재수요가크기때문에, 자동차산업처럼분산 특화된고기능재료산업에서의기술개발에는충분한노력을기울이지못해온것으로보인다. 또한소재 부품 완성차업계의보다적극적인기술협력이필요하다. 소재기업은자동차부품 모듈의생산공정및니즈를완벽하게이해하기어렵고, 자동차 유럽의 Super Light-CAR Project 유럽에서는 2005 2009 년 9 개국 38 개업체가참여한초대형자동차경량화프로젝트가진행되었다. 여기에는 Volvo, VW, Daimler 등대형완성차업체는물론 IKA, Fraunhofer 등자동차전문연구기관, Arcelor Mittal, Hydro Aluminium, Dow Chemical 등다양한소재업체들도참여했다. 이프로젝트에서는자동차 Body 중심으로경량화소재적용기술을개발하고 1 최대감량수준 : Super 이종소재의융복합 경량화구조설계 연료비절감 CO 2 배출감소 대량생산가공기술 Light Body, 42%(114kg) 감량 2 이상적감량수준 : Universal Light Body, 29%(82kg) 감량 3 현기술에서실용적감량수준 : Steel Concept, 20%(55kg) 감량등세가지경량화컨셉을구체화시켰다. 이를통해참여업체들의자동차경량화기술력도일정수준진보시켰겠지만, 동종경쟁기업들간에다양한정보와컨센서스를교류하고, 이종기업들간에향후기술개발협업의기반을마련했다는것도중요한성과로보인다. 32 LG Business Insight 2014 1 8
기업은최적의소재를선택할만큼다양한소재특성을자세하게이해하기어렵다. 그런데현재자동차용소재트랜드는완성차에서필요한물성과기능을정하고, 거기에맞는소재를설계하면서성형가공방법을만들어야하는맞춤형소재가늘어나는추세이다. 따라서소재기업과완성차기업이부품업체와함께기초적인소재컨셉을잡고개발하는단계부터협력해야할필요성이커지고있다. 정부차원에서도자동차용고기능소재부품의원천기술연구개발에대한투자를보다적극적으로추진할필요가있다. 최근독일과일본을보면미래자동차트랜드를선도하기위해자국내자동차소재, 부품, 완성차업체들간의기술협력이활발해지고있는데, 정부 R&D 과제가이러한협력의시발점이자정보 기술교류의기반이되고있다. 자동차용소재부품은 1 다양한업종기업들의협업이필요하고 2 산업연관효과는크지만불확실성도큰장기과제이며 3 국가에너지 / 환경정책과도연관성이높은특성을갖고있기때문에정부가적극적으로관여, 지원하는것으로해석된다. 자동차는기초컨셉부터시작하는신차개발에 5~10년정도소요되고, 소재도신규소재개발및적용에비슷한기간이필요하다. 둘다모두호흡이긴산업으로두산업이만나는자동차용소재산업의변화는매우느리고감지하기어렵다. 그러나지금은변화의필요성이커지고, 선도기업의움직임이빨라지는모습이구체화되고있다. 자동차산업과소재산업양측모두에게자동차용소재의중요성은매우크다. 각자가미래자동차용소재에대한장기적관점의전략을고민하면서부족한지식과기술은협업을통해극복하여, 새로운융 복합기술의글로벌경쟁에서뒤 소재, 부품, 완성차업계가소재컨셉을잡고개발하는단계부터협력해야할필요성이커지고있다. 쳐지지않는대응과준비가절실한시점이다. www.lgeri.com LGERI 리포트 LG Business Insight 2014 1 8 33