■ 연비규제 강화 따른 차량 경량화 시도 ‘가속화’

지구 자원의 보존과 환경오염으로부터 지구를 살리기 위한 전 인류의 노력의 한 분야로 자동차 경량화는 오랜 시간 동안 지속돼 온 이슈이며, 완성차업체들은 경량화에 대한 과제를 선택이 아닌 필수로 해결해야 하는 상황을 맞이했다.

경량화가 중요한 이유는 각국의 연비규제가 강화되고 있는 실정이기 때문이다. 미국은 연비규제 강화 법안을 확정하고 2025년까지 완성차업체들에게 평균연비를 50% 이상 개선할 것을 요구하고 있다.

일본의 경우, 2015년 승용차의 CO₂ 배출량을 130g/km에서 2020년 113g/km까지 줄이는 것을 목표로 규제치를 설정했으며 평가는 CAFE(기업평균연비) 방식으로 진행될 예정이다. 이를 달성할 수 없는 경우에는 기업을 공개하거나 벌금 등의 벌칙을 부가할 방침이다.

EU는 2015년 기업 평균 CO₂ 배출량을 120g/km에서 2021년 95g/km까지 줄일 것을 요구하고 있다. 배출 목표치 초과 정도에 따라 과징금이 부과될 예정이다.

과징금은 2012~2018 년까지는 0~1g/km을 초과 할 경우 5 유로, 1~2g/km는 15유로, 2~3g/km는 25유로, 3g/km이상은 95유로를 당해 제조사가 EU에 판매한 전체 판매대수에 곱한 금액만큼 페널티를 부과할 계획이다.

또 2019년 이후는 일률적으로 초과한 모두에 대해 95유로를 곱해 계산된 금액만큼 패널티를 부과할 예정이다.

이렇듯 자동차업계는 CO₂배출규제 강화에 따라 자동차의 고효율화가 반드시 필요한 상황이다.
현재, 자동차업계는 연비향상을 위한 다양한 방법을 연구하고 있다. 엔진개발을 통한 엔진효율 향상, 구동 시스템 변환 차량 디자인을 통한 구조개선 및 공기 저항의 감소, 타이어 등 회전 저항 감소, 차체의 경량화 등을 그 예로 들 수 있다.

지금까지의 연비 개선은 주로 파워트레인 중심이었으나 개발 및 투자비가 높고 연비개선의 한계성을 드러냄에 따라 새로운 연비개선 방법으로 자동차의 경량화 기술에 관심이 집중되고 있는 상황이다.

특히, 자동차업체는 친환경 및 스마트 자동차를 구현하기 위해서는 다양한 시스템의 탑재, 차량 안전성·첨단성 등 차량을 고급화하면서 중량이 증가하게 되며, 전기자동차의 경우 이로 인해 배터리 차체 중량 증가 및 주행 거리 감소로 이어진다.

또 연료전지 자동차도 스택, 수소 탱크 무게에 의한 차체 중량 증가가 주행 거리 감소로 나타날 수가 있기 때문에 연비규제 강화 등 환경규제에 대응하기가 점점 어려워질 전망이다.

따라서 차량 경량화는 완성차업체가 미래형 자동차를 개발하기 위한 기본 해결과제로 대두되고 있어 현재 글로벌 메이커들은 적극적인 차량 경량화를 추진하고 있다.

친환경 기조 및 연비경쟁 따른 경량 소재 선호도↑

■ CFRP, 미래 경량 소재 ‘꽃’

자동차 경량화 방안은 3가지로 진행되고 있다. 첫째는 가벼운 소재로 바꾸는 방법이고, 둘째는 성형 및 가공기술을 개발하는 방법 그리고 셋째는 기존 부품의 형태를 최적화 설계하는 방법이다.

이중 소재를 변경하는 방법이 다른 방법에 비해 중량 절감 효과가 가장 크지만 재료비 상승으로 인해 원가측면에서 불리한 단점이 있다. 그러나 획기적인 경량화를 달성하기 위해서는 소재 변경이 불가피하다.

이에 대한 방안으로 떠오르는 것이 바로 탄소섬유강화복합재료(이하 CFRP)이다.

CFRP는 합성수지에 섬유를 혼합 하는 방법으로 혼합하는 섬유에는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 등이 있으며 섬유의 종류에 따라 복합재의 강도와 탄성 등 물성이 결정지어 진다.

그중 탄소섬유를 이용한 경량화기술이 최근 이슈가 되고 있다. 밀도 측면에서 금속 밀도가 7.8(g/cm3), 알루미늄 2.8, 유리섬유 2.4인 상황에서 탄소섬유가 1.7으로 가장 가벼운 소재이며 티타늄의 6배 해당하는 내구성, 철 대비 비강도가 10배 큰 소재이다.

이로 인해 BMW를 비롯해 글로벌 자동차 선두업체들은 CFRP 등 금속보다 가볍고 강도가 우수한 소재의 적용범위를 빠르게 확대하고 있으며, 이러한 시장 확대에 따라 국내외 소재기업들은 R&D 및 생산설비 투자를 활발히 진행하고 있다.

CFRP는 에너지 절감을 목적으로 항공기, 자동차, 풍력발전, 조선, 토목·건축 등 산업 분야와 우주 및 방위산업에 핵심 소재로 용도가 적용 확대되고 있다. 이중 CFRP가 기존 제품 대비 약 60% 이상의 경량화를 보여주고 있다.

이 소재는 1970년대부터 스포츠(낚싯대·테니스라켓·골프 샤프트)와 항공 분야에서의 채용이 시작됐다.

자동차에는 1979년에 Ford 상의 LTD 세단 (기존 모델 대비 544kg 경량)가 세계 최초이다. 이후 GM, BMW, 도요타 자동차, 닛산 등이 차 적용을 위해 노력했지만 비용과 가공상의 문제로 본격 채용에는 이르지 않았다.

2000년대 들어 CFRP는 레이싱카 및 슈퍼카 등 최고급 차량을 중심으로 외장 부품 및 내장 부품, 기타 프로펠러 샤프트 및 섀시 등으로 채용이 점차적으로 이뤄졌다. 그러나 제조비용 및 생산성의 문제로 수요는 제한적이었다.

2013년 BMW가 CFRP 차체 구조부품에 적용한 EV(모델명 i3)를 제품화 하면서, 차체 중량의 경감에 까다로운 EV를 중심으로 CFRP를 본격 채용을 위한 노력이 활발히 진행되기 시작했다.

특히 CFRP를 적용한 i3는 탄소섬유를 적용한 최초의 대량 생산 체제의 자동차로 대중화의 가능성을 보여줬다고 할 수 있다.

자동차산업에서 2012년 탄소섬유 사용량은 현재 세계 탄소섬유 사용의 5%(2,150톤)를 차지했지만 성장 가능성은 충분히 큰 시장이라고 볼 수 있다.

주요 성장 요인으로 경량 구조 및 저연비와 낮은 배출가스 달성을 위해 자동차업계가 시장 확장을 주도하고 있기 때문이다. 이러한 탄소섬유 시장은 2020년까지 약 2만3,000톤이 소비될 것으로 전망되며 자동차용 탄소섬유 시장은 연간 약 34% 성장할 것으로 예측되고 있다.

■ 글로벌 완성차 메이커 및 소재社 협력 활발

현재 자동차의 CFRP 적용을 목표로 탄소섬유, 중간기재, 성형가공, 완성차업체 등은 탄소섬유의 자동차 적용을 확대하기 위해 연구개발이 한창이다.

이 가운데 자동차메이커 및 탄소섬유 업체들은 공동연구 및 합자회사 설립 등을 통해 공정시간단축 및 대량생산을 통한 탄소섬유복합재의 경제성 확보를 위해 협업(Co-work)하는 트렌드가 형성되고 있다.

이를 바탕으로 상호기술 공휴 및 제품생산을 통한 시장점유가 증가하고 있는 점을 미루어 향후 이런 컨소시엄에 참여하지 못한다면 기술적 지원이나 상호간 정보공유 및 시장 진입이 힘들어 질 것으로 예상된다.

협업의 예로, 닛산 자동차와 도레이는 원료인 에폭시 수지의 성형시간을 10~160분에 진행 할 수 있는 프로세스와 연간 3만대를 생산할 수 있는 생산시스템, Rapid cure resin, Rapid impregnation method 등에 대해 공동연구를 진행하고 있다.

BMW와 SGL는 2011년 조인트 벤처(SGL AutomotiveCarbonFibers 社)를 설립해 미국에 1,500톤 규모의 탄소섬유 생산공장을 지었고 2013년 1,500톤 규모의 생산설비 증설로 연간 약 3,000톤의 탄소섬유 생산시스템을 구축했다.

양사는 이를 탄소복합소재 부품으로 제조하기 위해 BMW 공장에 공급하는 시스템으로 진행 하고 있으며, SGL의 경우, 미쓰비시 레이온으로부터 탄소섬유 제조용 PAN 프리커서를 안정적으로 공급받는 협력체계를 구성했다.

미쓰비시와 SGL Technologies GmbH는 PAN계 탄소섬유 프리커서 제조·판매를 목적으로 하는 합작 회사 MRC-SGL 설립한 바 있다.

또한, 독일 BMW와 도요타는 2013년 연료 전지 자동차와 스포츠카 차체의 경량화 기술의 공동 개발에 합의 및 정식 계약을 체결했다.

다임러와 도레이는 공동으로 CFRP를 이용한 자동차부품 생산, 디자인 및 접착 기술을 연구하고 있으며, RTM 성형공정을 단축시키는 기술을 개발 중이다.

도레이는 탄소섬유를 공급하고 다임러는 부품설계와 본딩기술을 개발해 차체중량을 10%까지 줄인다는 목표를 설정했으며, CFRP 기반 자동차 부품을 제조·판매하는 합작회사(EACC, Euro Advanced Carbon Fiber Composites GmbH) 설립에 합의하기도 했다.

아우디도 지난 2011년 독일 기계제조사인 포이트(voith)와 탄소섬유강화플라스틱 산업생산을 위한 전략적 파트너십을 체결했고 모기업인 폭스바겐도 XL1에 탄소섬유강화플라스틱을 21% 사용할 계획이다.

일본계 소재기업 테이진은 PP·PA 등을 기반으로 한 제품화를 본격화했으며, 新 CFRP 압축성형기술개발을 통해 열가소성 CFRTP를 1분 이내에 성형 양산 기술을 세계 최초로 확립했다. 이 기술은 미국 GM이 전 세계에서 전개하는 양산차 대량생산에 적용될 계획이다.

Dow Chemical의 자동차 부문인 Dow Automotive Systems와 Ford도 탄소섬유를 사용한 자동차부품의 공동개발에 합의했다. Dow Chemical은 아크릴 섬유를 공급하는 AKSA와 DowAksa Advanced Composites. Holding BV를 설립해 CFRP 제조·마케팅을 진행할 계획이다.

이들 양사는 에폭시 기반의 RTM 공법으로 생산속도를 결정짓는 경화시간을 5분 이내로 단축할 수 있는 속경화 경화 시스템을 연구 중이며, 연간 약 5~10만대를 생산할 수 있는 생산시스템에 대한 연구도 진행 중이다.

◇ 韓, 적극적 협업 필요

우리나라도 탄소섬유 조기 산업화를 위한 기술개발이 가속화되고 있는 가운데 일본 도레이첨단소재가 한국 내 생산 공정을 설립했으며, 현재 연산 2,200톤 규모의 경북 구미공장 1호 생산라인을 가동 중이다.

또한 2500톤 규모의 두번째 생산라인 구축을 위한 공사를 시작했으며 향후 관련 투자를 확대할 방침이다.

태광산업은 탄소섬유의 원료에서부터 완제품에 이르기까지 수직계열화를 갖춘 업체로서 회사의 울산공장은 연간 프리커서 3000톤, 탄소섬유 1500톤의 생산능력을 보유하고 있다.

효성도 전북 전주공장에서 연산 2,000톤 규모의 고성능 탄소섬유를 양산 중이며, GS칼텍스도 석유계 피치를 이용한 화성탄소섬유 생산공정 개발을 완료하고 시제품을 생산할 예정이다.

OCI는 석탄계 피치를 이용해 탄소섬유 개발을 완료한 상태이며, 삼성석유화학은 독일 SGL그룹과 탄소섬유와 복합소재사업을 위한 전략적 파트너십을 구축하고 합작법인을 설립했다. 주요 판매 제품은 탄소섬유와 다양한 스펙과 형태의 프리프레그(Prepreg), 복합소재 등이다.

SK케미칼 또한 미쓰비시와 함께 산업용 프리프레그를 공동개발해 생산을 추진하고 있다. 미쓰비시가 SK케미칼에 탄소섬유를 공급하고 SK케미칼이 프리프레그를 생산하는 방식이다.

소재 공정시간단축 및 대량생산기술 확보 必

■ 일본·독일·미국 등 탄소시장 독과점체계 구축

높은 생산 비용과 가공상의 기술적 어려움에 따른 업계 부담에도 탄소섬유는 여전히 다양한 산업 분야에서 미래의 가능성 있는 시장으로 확대될 것으로 예상된다.

다만, 탄소섬유가 고도의 기술이 필요한 첨단소재인 만큼 세계 탄소시장 판도를 쥐고 있는 일본과 미국을 비롯한 독일·중국 등 소수 업체들만이 생산기술을 보유하고 있는 실정이며 이를 극복하기 위한 노력이 필요하다.

우선, 이러한 탄소시장에서 우리 기업들이 경쟁력을 갖기 위해선 가격 경쟁력 확보가 절실하다.

경량화에 의한 에너지효율 향상을 목적으로 CFRP를 대체하는 기술이 활발히 진행 중이나 용도가 대부분 우주항공 등 극한환경 용도로 개발된 소재인 만큼 생산비용, 안정성 그리고 대부분 수작업으로 이루어지는 공정의 자동화, 다양한 소재를 융합한 부품개발 등 원가 및 생산공정의 절감방안이 요구된다.

연료효율에 경량화가 강력하게 요구되는 전기차, 연료전지 자동차, 스포츠카 등 가격경쟁력이 있을 것으로 판단되는 분야에 우선 적용을 위한 검토가 이뤄져야 한다.

또한, 탄소섬유 복합재료용 기지재 개선이 요구된다.

현재 대부분 수동 작업을 이용한 성형 공정으로 cycle time이 길어 생산 경쟁력의 한계가 있는 프로세스를 대량생산을 위한 복합체 설계, 제단, 제작 등 성형공정의 자동화 공정이 필수적이다.

기존 복합체 제조시 열경화성 수지를 이용한 공정으로 경화 시간 단축을 위한 속경화형 Matrix 수지 개발 및 재활용 기술 개발 필요하며 싸이클 타임과 리싸이클이 가능한 열가소성수지를 이용한 복합재료 개발 필요하다.

자동차 적용 부품의 다각화 또한 수반돼야 한다.

현재 탄소섬유의 가격 경쟁력을 극복 할 수 있는 경량화 효율이 큰 부품 군으로 대형 제품 위주로 제품 개발이 필요하지만 향후 카본섬유 특성인 탄성, 열전도도, 전기전도도 등 기능성을 확대한 범퍼 백빔, 전자파 차폐, 방열소재 등 제품군 개발을 통해 탄소섬유 적용 분야 확대가 요구된다.

기술 면에선, Multi-Materials 적용기술이 필요하다.

이 기술은 단일 경량소재에 비해 경량화 효과는 다소 낮지만, 원가 상승폭을 최소화시키는 방식이다. 또한 각 소재별 장점을 활용할 수 있어서 적용 부품의 기계적 성능이 개선되는 효과도 낼 수 있다. 이러한 기술을 위해서는 접합·소재성형·차체설계·차체제작 기술 등 요소 기술의 발전이 뒷받침돼야 한다.

가공법 융합기술화 또한 놓치지 말아야 한다.

복합재료를 이용한 자동차 구조물의 가공법은 형태나 부위에 따라 제조 공법을 달리 하고 있다. Rear parcel shelf 부품은 SMC 공법, Roof 와 Upper pillar assembly(상부 필라 어셈블리), Front crush cone(프론트 크러쉬 콘) 등은 RTM 공법 등을 이용한 다양한 성형 공정 방안을 제시하고 있다.

최근 고속성형 RTM기술, 프레스기술 등이 개발되면서 탄소섬유 복합재료 사용량이 급속히 증가될 것으로 예측되나 기존 열경화성복합재료 가공법은 성숙단계에 접어들어 혁신적 기술 진보가 어려운 상황이다.

이를 극복하기 위해 다양한 가공법의 장점을 극대화시켜 고강성의 부품을 제조할 수 있는 기술의 융합화가 필요하다. 가공법 간 융합을 통한 경량화는 경량소재를 적용하는 것에 비해 경량화 효과는 낮지만 경제성이 우수한 특성을 보이고 있기 때문이다.

이종 재료간 접합기술을 통해 소재 사용량을 줄이는 노력도 필요하다.

자동차용 접착기술은 용접을 대체할 수 있을 정도로 발전하고 있다. 최근 접착기술은 강성이 높은 부위에도 독자적으로 사용될 수 있을 정도로 발전하고 있으며 이러한 접착기술은 용접을 대체할 수 있어서 이종소재와의 결합을 쉽게 만들어 이종재료 간 경쟁이 아닌 상호 보완해 고가의 소재 사용량을 줄이면서 경량화 효과를 낼 수 있다.

마지막으로, 소재부터 제품에 이르기까지 상호 협력을 통한 연구 개발의 필요성이 대두되고 있다.

현재, 시장에는 BMW-SGL, 닛산-도레이, 다임러-도레이 등 탄소섬유 선도 기업과 자동차업체간의 상호협력을 통한 연구개발이 활발히 진행 중이다.

이런 상황에서 경쟁력을 확보하기 위해선 국내 업체도 탄소섬유산업과 탄소섬유 강화 복합재료 산업과의 공동개발 및 사업화를 통해 밸류체인 확대 및 시너지 효과 유발로 관계 산업을 점차적으로 확대·강화시켜 향후 경량화 소재시장을 전략적으로 선점해야 할 것이다.