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[TRENDS] 경량화, 연비경쟁 넘어 친환경까지 생각한다

‘경량화 2.0’통해 제품 디자인, 친환경성 등 요구

[TRENDS] 경량화, 연비경쟁 넘어 친환경까지 생각한다 - 다아라매거진 심층기획


경량화는 에너지 효율을 높이기 위한 방안이다. 효율을 높이는 것은 100%가 아닌 이상 계속 되는 숙제다. 대부분은 항공우주, 자동차 등 수송 분야의 연비 이슈에서 출발한다. 항공산업에서는 더 많은 승객과 짐을 더 적은 연료로 운송하고자 하는 데에서 연비 경쟁이 시작된다. 때문에 비교적 가벼운 알루미늄 합금이 항공기에 많이 적용되고 있으며, 탄소섬유 강화플라스틱(CFRP), 티타늄, 엔지니어링 플라스틱 등 신소재들도 적용이 시작되고 있다.

자동차에서 꽃피는 경량화 기술

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자동차에서의 연비 경쟁은 더욱 치열해지고 있다. 특히 온실가스 감축과 에너지 효율화는 각국 정부들이 자국의 산업 발전과 함께 내수 시장의 진입 장벽을 위해 강화해 나가고 있다.

각국 정부는 배출가스와 연비 규제를 강화하고 있다. 경량화를 통한 연비 강화는 자동차의 유지비 절감 외에 성능 향상 효과도 있다. 1.5톤 승용차의 무게를 10% 줄일 경우, 가속 성능 8% 향상, 제동 거리 5% 단축, 조향성능 6% 향상 및 샤시 내구수명 1.7배 증가 효과를 거둘 수 있다고 알려져 있다.

특히 전기차의 경량화는 더 절실하다. 전지용량의 한계로 인해 한 번 충전으로 가능한 주행거리를 늘려야 한다.

가볍기만 해서도 안 된다. 탑승자의 안전규제도 강화되고 있기 때문이다. 연비와 안전 문제는 사용자 입장에서는 모두 중요한 요소다. 자동차 기업들이 연비만을 높이기 위해 가벼운 소재만을 사용하다가 강도가 약해진다면 안전에 위협이 될 수 있기 때문이다.

이를 위해 기업들은 기존 강철 대비 성능이 우수한 고장력 강판(AHSS: Advanced High Strength Steel)을 통해 주로 대응하고 있다. 아르셀로미탈, 타타스틸, 신닛테츠스미킨(NSSMC), 티센 크루프 등 철강 기업들은 AHSS 생산을 늘리고 있다.

최근 신닛테츠스미킨은 가장 고강도의 AHSS, ‘하이텐(Hi-ten)’을 개발해 미국, 인도네시아 등으로 생산지를 확대해 나가고 있다.

고장력 강판은 알루미늄 합금보다 비용이 저렴하고 가공이 용이하다. 그리고 세계 각지에서 유사한 품질의 제품을 현지 조달하기 쉽다는 점을 우위로 보고 있다. 그러나 이미 오래 전부터 개발, 적용해온 고장력 강판만으로는 규제 대응에 한계가 있을 것으로 보인다.

자동차 기업들은 이미 오랫동안 철강을 사용해 제작한 관성이 있기에 쉽게 바꾸려 하진 않는다. 그러나 경량화의 요구가 가속되고 있는 상황을 거스를 수는 없을 것이다.

경량화에 요구되는 새로운 가치

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최근 고객들은 경량화 요구와 함께, 제품 디자인, 방열, 친환경성 등 새로운 가치까지 동시
에 충족되기를 기대한다. 근래 주목받고 있는 미니멀화(Minimalism) 트렌드에 따라 화려함
보다는 절제되고 심플함을 강조하는 메탈릭 디자인이 주목받고 있다. 이는 메탈 원재료 그대로의 광택과 질감을 살려 제품에 반영한 것을 의미한다. 이러한 트렌드는 모바일 IT분야 에서 특히 활발히 일어나고 있다.

메탈 소재는 ‘도회적이고 세련된 느낌’을 주는 것으로 소비자들에게 인식되고 있어 프리미엄 가치를 제공하고 있다. 애플에서 시작된 스마트폰에서의 메탈 소재 채택이 삼성에 이어 샤오미, ZTE 등 중국 기업까지 확대됐다. 그리고 이 파장은 모바일 악세서리까지 이어져 관련 기업인 벨킨(Belkin) 등은 메탈릭 디자인이 적용된 제품들을 선보이고 있다.

미니멀리즘은 최근 가전 제품 영역에서도 강조되고 있다. 냉장고, TV 등의 다양한 가전의 디자인 프리미엄 측면에서 메탈이 인기를 이미 얻고 있다. 이제는 움직임이 요구되는 무선청소기나 로봇청소기 등으로 확대될 수 있다.

일반 가전에 비해 충돌 빈도가 커 고강도가 요구된다. 동시에 사용 시간이 길어져야 하므로 전기자동차와 비슷한 이유로 경량화 역시 중요하다. 이러한 가전에서의 메탈 사용은 경량화나 고강도 같은 기능 측면에 더해 디자인이라는 가치를 더해줌으로써 고객에게 새로운 가치를 제공하고 있다.

소비자뿐 아니라 정부 역시 경량화와 동시에 다양한 가치를 요구하고 있다. 연비 규제 강화를 통해 자동차 기업들에게 경량화를 요구하고 있고, 자동차의 재활용까지 자동차 기업에서 책임지도록 요구하고 있다.

EU는 폐자동차를 처리할 때 소재들이 재활용 될 수 있도록 자동차의 설계 단계부터 각각의 부품들이 어떤 소재로 구성돼 있는지, 어떻게 재활용이 될 수 있는지를 명기하게 했다. 그리고 자동차의 95%까지 재활용이 가능하도록 규제했다. 이에 자동차 기업들은 가볍지만 재활용이 가능한 소재를 개발해야 하는 과제를 안게 됐다

지금까지의 경량화는 가격보다는 성능이 우선시 되는 항공우주, 국방, 스포츠카가 주요 적용분야였다. 연비 규제가 있었지만, 소재 외에도 엔진 배기량을 줄이는 등 다른 방법으로 해결이 가능했다. 단지 선택의 문제였다.

그러나 규제가 강화되고 차별화가 요구되면서 경량화는 필수의 시대가 되고 있다. 여기에 제품 디자인, 친환경성, 열 제어 등 가치 제공이 더해지는 시대, 즉 ‘경량화 2.0’ 시대를 맞이하고 있다.

적용 분야도 기존 분야를 포함해 대중적인 양산차, 웨어러블/모바일 기기, 드론(Drone) 등 으로 확장되면서 경량 소재의 사용량도 늘고 있어 경량 소재의 필요성을 뒷받침하고 있다.

특히 경량화 2.0 시대의 대표적인 소재 중 하나는 알루미늄이다. 이는 지구상에 철보다 더 풍부한 자원이다. 철보다 약 1/3의 수준으로 가볍고 열전도율도 우수한 메탈이다. 다양한 원소의 첨가를 통한 합금의 종류는 1000번대 시리즈부터 9000번대 시리즈까지 다양하다.

음료캔, 호일부터 항공기, 자동차까지 사용 범위가 매우 넓다. 비교적 부가가치가 높은 항공분야에는 알루미늄 합금이 여객기 한 대당 보통 60~70% 가량 사용되고 있다. 다른 소재가 대체된다 해도 항공기 동체 사용 비중은 일정 이상으로 유지될 것으로 보인다.

메탈보다 강한 플라스틱, 탄소섬유

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경량화 2.0을 주도하는 또 하나의 소재는 탄소섬유이다. 전세계적으로 자동차 업계에서는 최근 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)를 주목하고 있다. 탄소섬유는 철의 50%, 알루미늄의 약 80% 수준으로 가벼우면서도 훨씬 고강도이기 때문이다.

따라서 메탈을 대체할 경량화 소재로서 각광받고 있다. 또한 탄소섬유는 모든 화석자원에 포함돼 있는 탄소가 주원료이기 때문에 다른 메탈 소재들과 달리 고갈, 수급안정 등의 문제가 없다는 강점도 가진다.

이에 전세계 자동차산업에 도입되는 탄소섬유는 2013년의 3천 400톤에서 2030년에 9천 800톤으로 약 3배 증가할 것으로 전망된다.

CFRP 역시 장점만을 가지는 소재는 아니다. 그 중에서 실질적으로 CFRP의 확산에 가장 걸림돌이 되는 문제는 가격과 생산성이다. 하지만 최근 BMW를 중심으로 빠르게 해결되는 양상을 보이고 있다.

이전에도 탄소섬유 및 CFRP를 슈퍼카, 컨셉카 등에 적용한 경우는 많았지만, 가격과 생산성의 문제로 양산차에 적용한 경우는 없었다. 하지만 BMW는 탄소재료 전문기업인 SGL 카본과의 JV 체결을 기반으로 CFRP 개발 및 생산을 내재화 했다.

이를 통해 가격을 양산차에 적용 가능한 수준으로 낮추었다. 또한, 자동화 접착 공정 등의 다양한 기술 개발을 통해 생산성도 대폭 개선했다. 2014년 BMW는 최초로 CFRP를 채택한 양산차인 i3를 출시했다.

출시가 발표된 후에도 과연 이러한 고급 소재가 양산차에 적용이 가능할 것인가, 안전성 등 의 문제를 인지하고도 고객들이 선택할 것인가 등에 대해서 다양한 시선들이 존재했다. 하지만 이러한 우려의 시선에도 불구하고 i3는 전세계적으로 출시 후 2만 6천대 이상을 판매했으며, 우리나라에서도 2014년 3월 출시 후 순수 전기차라는 한계에도 불구하고 200대 이상이 판매됐다.

이러한 BMW i3의 선전에도 불구하고 아직도 탄소섬유를 양산차에 적용하기에는 가격이라는 장벽이 존재한다. 현재 탄소섬유의 가격은 1kg당 10달러 이상이며, CFRP의 가격은 1kg당 40달러 이상이다. 자동차기업에서 양산차 채용을 위해서는 탄소섬유 자체의 가격은 1kg당 7달러 이하, CFRP 가격은 1kg당 10달러 이하로 내려가야 할 것으로 보고 있다.

이를 위해 다양한 연구들이 진행되고 있다. 탄소섬유 생산에 있어 혁신적으로 비용을 낮출 수있는 분야는 새로운 전구체(Precursor) 기반의 탄소섬유를 개발하는 것으로 보고 있다. 현재는 PAN(Poly-acrylonitrile)계 탄소섬유가 90% 이상 차지하고 있다. 하지만 석유 부산물기반의 피치(Pitch)계, 혹은 폴리올레핀계 전구체(Precursor)가 기술적인 장벽을 뛰어넘고
상용화될 수 있다면 현재의 반 이하로 가격이 낮아질 수 있을 것으로 예측된다. 가격 장벽이 해결될 경우 2025년에는 차량 바디 소재 중에서 CFRP가 45%까지 차지할 수 있을 것이라는 예측도 있다.

재기업들, 적극적 행보 이어가

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소재 기업들은 경량화 2.0 시대를 대응하기 위해 적극적 행보를 보이고 있는데, 우선 소재 선제안 및 협력을 통한 수요 창출 노력이 가장 눈에 띈다.

CFRP분야 글로벌 1위인 일본 도레이(Toray)는 자신들의 탄소섬유가 항공기에 적용되도록 보잉(Boeing)에 무려 20년 전부터 적극적으로 제안을 해왔다. 그 결과, 향후 10년간 10조원 규모의 소재 독점 계약을 체결했다. 도레이는 보잉과의 장기적 협력관계를 갖기 위해 미국 사우스캐롤라이나에 10억 달러를 투자, 2017년까지 공장을 건설할 계획이다.

항공기와 동시에 도레이는 자동차 기업들과 협업을 강화해 왔다. 이를 위해 2008년에 A&A(Automotive & Aircraft) 센터를 설립, CFRP 및 엔지니어링 플라스틱 관련 소재 및 가공기술에 대해 고객사에 적극적으로 대응하고 있다.

‘소재 포트폴리오의 확장’도 소재 기업들의 두드러진 움직임이다. 글로벌 알루미늄 기업 알코아(Alcoa)는 100년 이상 알루미늄 사업만을 해온 기업이다. 이미 포드의 알루미늄 차체 개발시 요청에 적극적으로 대응해 알루미늄 수요 성장의 수혜를 입고 있다.

그러나 CEO는 최근 인터뷰에서 ‘우리는 소재 불가지론자(Material-agnostic)다’ 라고 말하며 고객이 필요로 한다면 알루미늄 이외에 다루지 않던 제품도 제공하겠다는 전략을 내세우고 있다.

이런 배경 하에 2014년 니켈과 티타늄 합금 기반의 항공우주 부품 기업인 영국 퍼스릭슨을 약 3조원에 인수한 뒤 연이어 티타늄 및 알루미늄 기업인 독일 티탈(TITAL)을 인수했다. 알코아는 알루미늄 기업에서 벗어나 ‘경메탈(Lightmetal) 엔지니어링 기업’으로 변신을 꾀하고 있다.

2015년에 티타늄 부품 기업인 미국 RTI를 각 1조 6천 억 원에 인수하면서 확고히 탈 알루미늄 전략을 추진하고 있다. 피인수된 기업들이 항공우주 소재 부품 기업이지만 향후에는 이들의 기술 개발 역량과의 결합으로 알코아의 경량화 2.0의 대응력을 더욱 높여줄 것으로 보인다.

마지막으로 ‘이종 소재 기업과의 제휴를 통한 혁신’도 소재기업들이 취하고 있는 경량화 움직임을 대표하고 있다.

경량화 2.0 시대가 도래하면서 다양한 경량화 소재로 인한 새로운 문제들이 대두되고 있다. 그 중 하나는 이종 소재 간의 접합 문제이다. 소재의 다양화로 인해 소재간 접합 기술이 중
요해지고 있다. 이종 소재간의 접합은 단일 소재간의 접합보다 훨씬 어렵고 복잡한 문제이다.

철과 알루미늄, 알루미늄과 CFRP는 용접을 할 수도 없으며, 단순 접착제로도 접합이 불가능하다. 이를 해결하기 위해 기계적 강도가 강한 구조용 접착제(Structural Adhesives)가 주목받고 있다.

구조용 접착제는 일상생활에서 쓰는 접착제보다 월등히 높은 접착 성능이 요구된다. 항공기나 자동차에는 기존 공법을 사용하지 않고 접착제를 사용함으로써 경량화 효과까지 얻을 수 있다.

포드의 F-150에서도 알루미늄 차체 적용으로 인해 접착제 사용량이 종전에 비해 3배 이상 증가할 것으로 전망하고 있다.

시장 조사 기관에 따르면, 항공기, 자동차 등에 사용되는 구조용 접착제시장은 10년 전 15억 달러 수준에서 최근 20억 달러 규모로 성장했으며 앞으로도 5% 이상의 꾸준한 성장세가 전망되고 있다.
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