[알기쉬운 자동차] 자동차 소재 part 2

안녕하세요

오늘은 지난번에 하던 소재 이야기를 마저 하려고 합니다
오늘은 네번째 소재인 탄소섬유부터 하겠습니다 ㅎㅎ

탄소섬유강화수지CFRP

CFRP라고 불리는 탄소섬유강화수지 입니다. 경량화 및 우수한 인장강도로 인해 선박, 항공기에 많이 사용되고 있는 소재입니다.

차량이나 인테리어 부품에서 탄소섬유라고 하는 직물 패턴이 있는 부품을 많이 보셨을 겁니다.

CFRP는 강도가 스틸의 4배로 비중은 철의 1/4이며 이미 F-1 등의 레이싱카 모노코크 차체 및 브레이크 등에 채용되고 있습니다. 또한 핸들, 각종 커버류, 탱크, 인스트러먼트 패널(Instrument Panel) 등 내/외장재가 주종을 이루는 일반 플라스틱 재료와는 달리 CFRP는 후드(Hood), 도어(Door), 트렁크리드(Trunk Lid), 루프(Roof) 등의 차체 부품에도 포인트를 주기 위해 이용될 수 있습니다.

실제로 부가티, 람보르기니우라칸, 파가니존다, BMW i8등 해외 슈퍼카의 차체 일부에 적용한 사례도 있습니다.

BMW의 소형 전기차인 I3의 차체는 성인 2명이 들어 올릴만큼 가볍게 되어있다고 합니다. 전기차의 높은 연비를 위해 CFRP를 이용하여 경량화를 진행하고 있네요.

그러나 성형의 어려움, 높은 제조단가로 인해 일반 차에는 적용하기에는 현실적이지 않고, 일본에서도 엔진 후드에 한정적으로 적용되고 있습니다.
이처럼 CFRP가 우수한 소재임에도 불구하고, 현재 높은 제조비용으로 인하여 전 세계적으로 고부가가치 차량 및 컨셉트카에 한정적으로 적용되고 있습니다. 또한 CFRP로 제작된 부품은 용융접합이 아닌 구조용 접착제 또는 리벳 등의 기계적 접합만이 가능할 뿐 아니라 사용 중 손상에 따른 현실적인 리페어 기술이 아예 없습니다. 그래서 전용 접착제 개발을 통한 접합기술 개발이 일부 이루어지고 있으나 아직까지 국내에서는 접착제 응용기술에 대한 시스템 개발사례는 없는걸로 알고 있습니다.

뿐만 아니라 (스틸과 다른) 소재의 특성에 대해 새로운 설계 기술이 필요하지만 아직 우리나라는 해외의 선진기술 보유국에 비해 많이 뒤쳐져 있는게 사실이고 국내 제조사에서는 탄소섬유가 적용된 부품을 보기엔 어려운 현실이죠..

플라스틱

자동차 부품중 가장 먼저 플라스틱이 적용된 부품은 범퍼입니다. 법규로 인해서 자동차 범퍼의 소재 변화가 발생했는데요, 충돌시 완충 역할을 하는 부품에서 보행자를 보호하는 부품으로 바뀌면서 우레탄폼 플라스틱 범퍼가 적용되었습니다.

1974년 스웨덴 볼보가 충격흡수용 범퍼를 최초 개발했고 대부분의 자동차의 범퍼는 장식용 + 충격흡수용으로 주로 철로 만들어져있었습니다. 하지만 독일 폭스바겐의 골프에서 우레탄폼 플라스틱 범퍼를 최초로 적용하면서 플라스틱 범퍼의 시대가 도래한거죠.

스틸에서 플라스틱으로의 변화는 많은 부품에서 발생하고 있습니다. 최근 발생한 BMW 화재에서도 바이배프밸브가 금속(알루미늄)에서 플라스틱으로 변했고 샤시의 기능 부품들도 스틸에서 플라스틱으로 변화하고 있습니다. 또한 차체의 일부 부품도 부분적으로 강화플라스틱을 적용하고 있으며 머지않아 차체의 대부분의 부품이 플라스틱으로 대체될 수도있을것 같습니다.

이러한 변화를 감히 예측할수 있는 이유는 플라스틱소재의 대량생산, 낮은 원가, 중량절감등 제조사들이 원하는 요건을 모두 만족하기때문이죠. 하지만 단점도 있습니다. 스틸의 특성인 소성변형, 탄성변형이 플라스틱에는 없습니다. 차량에 적용되는 대부분은 강화 플라스틱은 높은 강성을 고려하여 적용되기때문에 높은 강성과 더불어 취성(깨지는 특성)이 강한거죠. 이러한 단점을 보완하기위해 내부에 얇은 철심을 추가하거나, 특수가공된 직물 소재를 추가하는 등 기술 개선도 함께 이뤄지고 있습니다.

알루미늄

마지막으로 설명드릴 소재는 알루미늄입니다.
알루미늄 적용을 통해 중량절감을 할수 있고 강화된 연비기준 충족 및 더 작은 엔진의 적용이 가능하게 됩니다. 포드의 괴물 트록 F-150을 알루미늄 적용 사례로 설명할 수 있을것 같습니다.

최근 미국 정부가 시행한 신 연비규정(CAFE)의 연비 기준 강화에다 미국 포드가 픽업트럭인 F-150에 알루미늄을 사용하기 시작하면서 연비개선을 위한 자동차 업계들은 앞다퉈 알루미늄을 적용하게 되었죠. 알루미늄의 가격이 철강의 4배에 달하며 경량화 효과를 고려해도 자동차 1대당 소재의 원가가 2배 이상 차이가 나지만 소형 엔진 적용, 내장재 원가절감등을 통해 대응하고 있죠.

특히 랜드로버는 100% 알루미늄 차체 차량을 생산하고 있습니다. 알루미늄을 사용하면 안전성과 연비를 개선하는 한편, 고급스럽고 매력적인 디자인을 구현할 수 있습니다. 자동차 제조업체들은 비용 효율적이고 친환경적이며 안전한 차량을 생산하기 위해 총체적인 접근 방식을 취하고 있습니다. 알루미늄을 더 많이 적용할수록 소형 엔진을 탑재할 수 있고, 조립 부품을 줄일 수 있어 차량 전체적으로 볼 때 총 원가절감을 촉진하게 됩니다. 현 단계에서 알루미늄은 최선의 선택입니다. 원가를 상대적으로 낮추면서도 우수한 경량화 성능을 기대할 수 있습니다. 게다가 알루미늄은 거의 모든 부품에 사용이 가능합니다.

'<레인지로버 알루미늄 바디>'

알루미늄의 또 다른 중요 장점은 재활용이 가능하다는 점입니다. 알루미늄은 본래의 성질을 잃지 않으면서도 몇 번이고 재활용이 가능하다는 점에서 독특한 지속가능성을 지닌 소재입니다. 게다가 알루미늄은 다른 소재와 비교해 재활용이 용이합니다. 알루미늄 재활용 공정은 1차 제련 공정에 비해 투입되는 에너지를 95% 절약할 수 있습니다. 이산화탄소 배출량을 95% 감축할 수 있고 보크사이트나 공업용수 같은 천연 자원도 보전할 수 있습니다.

전기차 적용과 경량화

지난번 등재한 글에 대해 @kimeqqqq님이 고장력 강판이 적용됐지만 제네시스의 중량은 증가했다! 라는 의견에 대해 고민해봤습니다.
앞서 말한 소재의 변화에서 공통점은 중량 절감 및 높은 강성입니다. 즉 적은 소재로 동일한 성능을 내는게 목표였는데요, 엄청난 투자비를 지출하면서 소재개발을 하는 이유는 법규, 차량의 패러다임변화가 가장 크다고 생각했습니다.

과거에 제로백, 토크, 마력을 광고했다면, 현재에는 에어백이 몇개고, 안전센서가 어떤게 들어갔는지를 언급하고 있죠
과거의 메인 법규는 주행, 안전분야였다면, 현재 법규는 연비가 메인분야라고 할수 있습니다.
과거의 파워트레인은 내연기관 <엔진>이 중심이었다면, 현재의 파워트레인은 모터, 배터리 중심으로 변화했죠.

이러한 이유로 인해 여러 부품에서 중량 절감이 이뤄지고 있지만, 소비자는 체감하지 못하는것 같습니다.

여러가지 사례중 파워트레인의 변화가 중량에 미치는 영향에 대해 이야기 해보겠습니다.
아래 그래프를 보면 전기차로 가면서 왜 중량 절감이 필요한지 알 수 있습니다.

환경차(전기차)의 적용으로 인해 배터리의 중량 문제가 가장 큰 화두 입니다. 그래서 배터리를 제외한 나머지 부품에서 중량 절감이 이뤄지고, 한계점에 다 다른 제조사들이 소재를 변경하며 대응하고 있습니다.

이러한 흐름으로 인해 각 제조사들은 아래와 같이 경량화 플랜을 가지고 대응을 하고 있습니다.

소재의 변화가 단순히 원가 절감차원에서 진행되는게 아니라는걸 알 수 있습니다.

마찬가지로 나라별 법규 트렌드의 변화에 맞추기 위해 강성은 높고 중량은 낮은 소재를 발굴하고 있습니다. 법규까지 다루기엔 글이 너무 길어지니 오늘 포스팅은 여기서 마무리 하겠습니다.

오류 또는 수정이 필요한 부분은 언제든지 언급해주세요.
감사히 수정하도록 하겠습니다.

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