친환경 경량화 소재, 선택 아닌 필수

■ 기술의 정의 및 분류

세계 각국에서는 지구온난화로 인한 기후변화와 관련하여 온실가스 감축목표를 설정하고 이를 실행하기 위해 노력하고 있다. 특히 수송기기의 경우 온실가스인 이산화탄소 배출의 주요 원인으로 알려져 있어 엔진효율 향상 연구과 더불어 친환경에너지를 기반으로 한 수송기기의 개발 등에 투자하고 있다. 2010년 기준 국내 수송기기 산업의 이산화탄소 배출량은 국내 연간 이산화탄소 배출량의 16.3%인 10,921만 톤에 해당하며 그 중 자동차 산업이 85.1%인 9,293만 톤을 배출하였다.

수송기기 중에서 이산화탄소 배출량의 85%를 차지하는 자동차에 대한 연비 및 이산화탄소 배출규제는 점점 더 강화되어 왔으며 2020년까지 2015년 대비 평균 25% 이상 배출량을 감소시키도록 계획되어 있다. 따라서 강화되는 규제에 대응하기 위해서 하이브리드차량 및 전기자동차와 같은 친환경차량의 개발과 생산이 지속적으로 증가하고 있다. 또한 모터, 배터리 등 각종 전기 전자부품 및 안전부품의 증가에 따라 주행거리 확보를 위한 차량 경량화가 필수적이며 기존 철강소재를 대체하여 경량화하기 위한 고장력강, 알루미늄, 마그네슘, 탄소섬유강화복합재의 적용이 증가하고 있다.

항공기의 경우 연료효율향상을 위해 기존의 알루미늄으로 이루어진 기체를 탄소섬유강화복합재료로 대체하는가 하면 고강도 소재인 타이타늄을 이용하여 연료효율이 높은 항공기를 개발하고 있다.

고속전철의 경우에도 경량화를 위해 철도차량의 철강 구조재 비중을 줄이고 고강도 알루미늄 압출재 및 판재를 이용한 경량구조체의 사용량을 증가시키고 있으며 최근에는 난연성 마그네슘을 이용한 구조체 및 내장재의 경량화에 대한 연구가 진행되고 있다. 선박의 경우 고속선 및 레저용 선박이 증가함에 따라 기존 철강소재를 대체하기 위한 경량소재인 고내식 알루미늄 소재의 활용이 증가하고 있다.

본고에서는 자동차를 중심으로 한 수송기기 경량화 소재기술에 대하여 국내외 최근의 산업 동향 및 연구개발 동향에 대하여 소개하고자 한다. 수송기기 경량화 소재기술은 수요산업의 관점에서 크게 자동차 경량화 소재기술, 항공기 경량화 소재기술, 철도 및 선박을 포함한 기타 수송기기의 경량화 소재기술로 크게 나눌 수 있다. 다음의 표에 각 수송기기 경량화에 대한 대표 기술의 사례를 들었다.

■ 기술의 원리

1) 자동차 경량화 소재기술

최근 자동차에 있어서 기후변화협약 및 연비규제 강화 등의 환경규제의 심화에 따른 친환경자동차의 필요성이 증가하고 있다. 특히, 미래자동차의 경우 하이브리드카, 전기자동차 및 연료전지차와 같은 전기차기반의 자동차가 기존의 내연기관자동차를 대체할 것으로 예상하고 있으며 이러한 전기구동기반 자동차의 경우 현재 배터리 효율이 낮아 주행거리 및 주행속도 등의 성능개선에 대한 요구가 증가하고 있다. 또한, 미래 친환경 자동차의 경우, 연비규제 및 환경규제 뿐만 아니라 안전장치 및 주행편의성 향상을 위해 장착되는 기능성 부품의 수가 증가함에 따라 차량의 무게는 점점 더 증가하고 있으며 따라서 차량의 중량감소를 위한 경량화 기술이 개발되고 있다. 차량 중량의 30% 정도를 차지하는 차체 및 새시를 경량화하기 위하여 현재 알루미늄, 마그네슘, 고분자 복합소재, 고강도 철강소재 등이 적용되어 기존의 철강소재를 일부 대체하고 있으나, 전기자동차와 같은 미래자동차의 경우 주행성능 확보를 위해서는 추가적인 경량화가 필요한 실정이다.

철강 대체 Al·Mg·CFRP 적용 증가
저비용·고품질 경량소재 개발 요구

현재 자동차 차체의 경우 주로 강도 및 성형성이 우수한 철강소재를 사용하고 있으나 경량화를 통한 연비향상을 위하여 고강도 강판, 알루미늄 판재 및 압출 형재로 대체되고 있으며 약 30% 정도의 경량화를 목표로 경량차체개발을 위한 연구 프로젝트들이 진행되고 있다. 최근에는 경량화 효율을 극대화하기 위하여 기존의 단일소재로 이루어진 차체구성방식에서 부위별 경량화 효율을 극대화 할 수 있는 Multi Materials Mix 개념의 차체에 대한 연구가 진행되고 있으며 추가적인 경량화를 위해서 보다 비강도가 높은 소재의 채택으로 경량화를 추진하고 있다. 그러나 경량화뿐만 아니라 차체를 구성하는 소재의 비용 자체가 기존의 차체와 크게 차이가 나지 않도록 저비용 소재 채용이 필수적으로 품질과 비용을 고려한 경량소재의 개발이 요구된다.

자동차 등의 경량화를 위하여 여러 가지 경량소재를 최적의 장소에 활용하여 효율을 극대화하는 Multi-Materials Mix 개념의 차체 및 새시가 개발됨에 따라 롤 포밍(Roll Forming), 개스 블로우 포밍(Gas Blow Forming), 전자기 접합, 이종소재 압출 등과 같은 이종소재의 성형 및 접합에 관련된 새로운 기술에 대한 필요성이 증가하고 있다.

2) 항공기 경량화 소재기술

항공 산업에서 온실가스 배출규제는 2012년 EU가 이산화탄소 배출부담금 부과 결의로 2013년부터 시행되고 있다. 미국의 경우 2015년 6월 항공기의 온실가스 배출규제 방안과 상용항공기 엔진의 이산화탄소 배출에 관한 로드맵을 발표하였으며 2020년부터 2040년까지 2∼3% 수준의 연비 향상을 계획하였다. 국제 민간항공운송협회 IATA(International Air Transport Association)에서는 항공사가 자발적으로 2005년 대비 2020년까지 최소 25% 이상의 이산화탄소 감축을 목표로 제시하였다. 이처럼 항공기 역시 연비향상을 위한 규제의 강화와 더불어 고연비의 친환경 항공기의 개발이 진행 중이며 항공기 기체의 경량화를 위한 비강도가 우수한 신소재의 개발에 대한 각 국의 투자가 진행 중이다.

최신 항공기의 경우 연비향상을 위해 항공기 기체용 소재로 Al-Li계 고강도 알루미늄 합금, 탄소섬유복합재료(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic) 및 Ti64합금과 같은 타이타늄 합금이 사용되고 있으나 국내의 경우 대부분 수입소재를 이용한 부품 제조에 국한되어 있어서 소재 국산화 등에 대한 전략이 필요하다.

3) 철도 및 선박의 경량화 기술

철도산업의 온실가스규제는 기관차엔진의 직접배출과 전력사용으로 인한 간접배출을 모두 포함하고 있으며 특히 철도의 고속화에 따라 전기구동방식의 고속전철의 차량 경량화가 전력효율 및 속도향상 차원에서 검토되고 있다. 고속철도차량의 경우 대차를 제외한 대부분의 구조재가 알루미늄으로 제조되고 있으며 경량화를 위해 고강도 알루미늄합금, 난연성 마그네슘으로 대체함으로서 추가적인 경량화가 검토되고 있다. 고강도 알루미늄합금에 있어서 강도향상, 용접성 개선, 압출성 개선이 검토되고 있으며 마그네슘의 경우 발화성을 개선한 친환경 난연 마그네슘합금부품의 내외장재 적용이 검토되고 있다. 철도차량 중량의 약 16∼31%를 차지하는 차체의 경량화를 통하여 운송효율이 우수하고 보다 고속인 철도차량의 개발이 가능하며 국내외 시장경쟁력의 핵심이 될 것으로 판단된다. 현재 국내에서는 430km/h급 차세대 고속철도의 개발과 향후 500km/h급 및 초고속 자기부상열차 등의 기술개발을 추진하고 있으며, 이러한 초고속 열차의 성공을 위해서는 현 시점에서 철도차량의 경량화를 위한 고비강도 소재 및 부품화 기술개발 추진이 요구되고 있다.

선박의 경우 전통적으로 철강소재의 비중이 높으며 고속선, LNG운반선, 레져용 보트등과 같은 특수선박의 경우 일부 알루미늄 판재/형재를 사용하여 경량 선체 및 부품을 제작하여 적용하고 있다. 알루미늄 선박의 경우 경량화를 통하여 연비 및 속도를 높일 수 있는 장점이 있으나 제조비용이 높고 용접성이 낮다는 단점이 있다. 최근 FRP 선박의 폐기물처리가 문제됨에 따라 알루미늄을 사용한 친환경 선박의 건조가 증가하고 있다. 그러나 국내의 경우 선박용 고강도 후판의 생산이 전무하여 대부분의 알루미늄 후판을 수입하여 사용하고 있으며 최근 건조량이 증가하고 있는 고부가가치 선박인 LNG운반선, 고속선, 레저용 보트 등의 건조를 위해서는 선박용 고강도 알루미늄 후판의 국산화 등이 필요한 실정이다.

■ 기후변화대응 관점에서 기술의 중요성

지구 규모의 온난화 문제를 해결하기 위해 온실가스 감축에 대한 규제가 전 세계적으로 강화되고 있다. 대한민국 정부는 2009년 11월 온실가스 감축목표를 국제사회에 약속하였으며, 2015년 6월, 2030년 온실가스 배출전망치(BAU:Business As Usual) 대비 37% 감축목표를 확정하였다. 2010년 기준으로 국내 수송기기 산업의 이산화탄소배출량은 10,921만 톤으로 국내 총 연간배출량의 16.3%에 해당한다.

국내 수송기기 산업에서 2020년 온실가스 배출 감축목표는 BAU 대비 34.3%로서 국가 차원에서 온실가스 감축 목표달성을 위한 가장 효율적인 감축수단으로 판단되고 있으며 이를 위해서는 수송기기의 경량화가 반드시 필요하다. 국가적으로도 2020년까지 BAU 34% 온실가스 감축 시 연료절감에 따른 51.4조원의 경제적 편익이 발생할 것으로 예상되며 수송기기 산업의 이산화탄소 배출 저감 목표 달성 시 사회 및 경제적 편익은 총 59조원으로 예상되고 있다.

▲ <그림 3-4-2-1>2010년 기준 국내 총 이산화탄소 배출량 및 수송부문 배출 현황

▲ <그림 3-4-2-2>2020년 국가별 자동차 연비 및 배출가스 규제 현황

▲ <표 3-4-2-1>수송기기 경량화 소재기술의 분류

▲ <그림 3-4-2-3>친환경차 연도별 시장 전망

▲ <그림 3-4-2-4>항공기 기체용 알루미늄 합금 및 적용 부위

▲ <표 3-4-2-2>선박용 알루미늄합금의 종류 및 특징

▲ <그림 3-4-2-5>국내 2020년 총 이산화탄소 배출량 감축목표 및 산업 부문별 감축률