[아롱 테크] 자동차는 다이어트 중, 쇠 보다 가볍고 더 강한 첨단 소재의 경쟁

자동차는 전동화로 전환하면서 에너지 효율성과 안전 향상을 위해 더 가볍고 더 강한 소재를 적용하고 있다.

[오토헤럴드=김아롱 칼럼니스트] 애플 최신작 '아이폰 15'가 통신업계의 화두가 되고 있는데요. 기존 제품보다 한층 업그레이드된 성능 외에도 스마트폰의 외관에 기존 스테인리스 스틸 대신 티타늄 소재를 적용해 눈길을 끌고 있습니다.

티타늄은 스테인리스 스틸보다 무게가 가벼우면서도 강도가 뛰어난 것이 특징으로 같은 화면크기를 갖춘 이전 모델보다 20g 가벼워지는 등 기존 출시된 제품보다 가장 가벼운 스마트폰이라는 것이 회사 측의 설명입니다. 

자동차업계 역시 최근 다양한 복합재료와 경량소재를 적용해 차량의 무게를 줄이기 위한 노력을 기울이고 있습니다. 날로 강화되고 있는 자동차 연비규제에 대응하고 배출가스를 줄이기 위해서인데요. 차량이 무거울수록 연비가 나빠지고 배출가스도 많이 내뿜을 수밖에 없기 때문입니다. 

이처럼 자동차의 무게를 줄여야함에도 불구하고 아이러니하게도 자동차의 중량은 갈수록 증가하고 있는 추세입니다. 중형차를 예로 들면 1980년대 초반 차량의 공차중량은 1000kg 내외였지만 최근 출시되고 있는 모델의 경우 1500kg을 훌쩍 넘는 경우가 대부분입니다.

일부 대형차의 경우 2500kg을 넘는 경우도 많습니다. 이러한 이유는 갈수록 성능이나 안전성이 요구됨에 따라 이에 따른 부품수가 증가해 왔기 때문입니다. 배출가스를 전혀 내뿜지 않아 친환경차로 불리는 전기차의 경우에도 배터리의 무게 때문에 내연기관차보다도 훨씬 무거운 편입니다.

일반적으로 자동차의 연비에 영향을 미치는 요소로는 엔진 및 변속기의 효율과 차량중량, 차체의 공기저항, 타이어의 회전저항 등이 대표적이라 할 수 있는데 이중 차체의 무게는 엔진 및 변속기의 효율에 이어 두 번째로 많은 영향을 미치고 있습니다.

자동차의 연비를 깎아먹는 연료소비의 약 42%는 엔진 및 변속기의 효율과 관련이 있고 차량중량은 23% 정도를 차지하고 있기 때문입니다. 이외에도 공기저항(19%)과 회전저항(13%) 등도 연비에 많은 영향을 끼치고 있지요.

또한 차량중량을 100kg 줄일 경우 CO2를 km당 3.5~8.5g 줄일 수 있기 때문에 자동차의 무게를 줄이는 것은 연비향상은 물론 이산화탄소를 줄일 수 있는 가장 효과적인 설계요소라 할 수 있습니다. 완성차업체들이 엔진 및 변속기의 효율 개선과 더불어 경량화를 더욱 고민할 수밖에 없는 이유이지요.

뿐만 아니라 차량의 경량화는 연비향상 외에도 차량의 성능이 개선되는 장점도 있습니다. 차량중량 1500kg인 승용차가 차체 무게를 10%만 줄여도 가속성능이 8% 향상됨은 물론 제동거리가 5% 단축되고, 조향성능은 6% 향상되는 것으로 알려졌습니다. 차체의 내구수명 또한 1.7배 증가하는 효과를 거둘 수 있다고 합니다.

자동차에는 여러가지 다양한 재료가 사용되고 있는데 그 가운데서 가장 높은 비율을 차지하는 것이 바로 금속소재입니다. 이러한 금속재료는 자동차 중량의 60% 이상을 차지하고 있는데 그중에서도 차체의 대부분은 철강재가 사용되고 있습니다.

철은 지구상에서 많이 존재하고, 가격도 안정적이며, 가공성도 좋고, 극소량의 성분을 추가하는 것만으로도 다양한 성질을 가진 재료를 만들어 낼 수 있기 때문입니다.

최근에는 가벼우면서도 차체의 강성을 확보하기 위해 고장력 또는 초고장력 강판의 사용비중을 50~70퍼센트 이상으로 늘리고 엔진후드나 트렁크리드, 도어, 서스펜션 부품 등에는 알루미늄 합금을 사용하는 추세입니다. 

고장력강판(High Strength Steel)이란 동일한 두께의 일반 철판보다 강도가 훨씬 높은 철판을 말하는데요 고장력강판은 인장강도뿐만 아니라 항복점 및 탄성한계가 높기 때문에 항복점과 인장강도의 힘의 비율인 항복비(항복점/인장강도)가 매우 높은 것이 특징입니다. 

동일한 두께의 일반 강판보다 강도가 크기 때문에 높은 강도를 필요로 하는 부품에 얇은 강판을 사용할 수 있는 것이지요. 얇은 강판으로 부품이 제작된다는 것은 그만큼 가벼우면서도 강한 부품을 만들 수 있다는 것을 의미합니다.

일반적으로 자동차의 주요부품에 사용되고 있는 연강(Mild Steel)의 경우 인장강도가 340MPa(약 35kg/㎟) 미만인데 반해 고장력강판은 390~590MPa(약 40~50kg/㎟) 이상으로 강도가 1.5~2배 이상 높은 것이 특징입니다.

B필러와 같이 충돌안전구조에 적용되는 강판의 경우 고장력강판보다도 강도가 훨씬 높은 980Mpa(약 100kg/㎟) 이상의 초고장력강판(Ultra High Strength Steel)이 사용되고 있기도 합니다. 

이에 따라 차체의 기본 골격인 BIW(Body In White)의 주요 부분에 고장력강을 적용함은 물론 일부 차종의 경우 100% 알루미늄 BIW를 적용해 경량화와 차체강성을 동시에 확보하고 있기도 합니다.

이외에도 BIW에 마그네슘과 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 등 복합소재를 적재적소에 사용함으로써 경량화를 극대화한 다중복합소재 프레임(MSF, Multi-material Space Frame)를 적용한 차량도 출시되고 있습니다.

한편 자동차의 주요골격을 제외한 범퍼, 프런트 앤드 모듈, 실린더 헤드 커버, 인스트루먼트 패널, 도어 트림 등에는 플라스틱 등 다양한 복합소재를 적용하고 있으며, 적용범위가 점점 확대되고 있는 추세입니다.

통상적으로 복합소재의 비중은 자동차 중량의 10% 내외를 차지하고 있지만 경량화 추세와 더불어 자동차용 복합소재 기술이 발달함에 따라 적용비중이 더욱 늘어날 것이라는 것이 관련업계의 설명입니다.

특히 최근에는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)은 철보다 50%, 알루미늄보다 30% 중량이 가벼우면서도 인장강도는 철에 비해 10배정도 높은 것이 특징입니다. 과거에는 인스트루먼트 패널이나 도어 트림, 디퓨저, 스포일러 윙 등 내외관 디자인의 고급감이나 기능적 측면에 사용됐는데요.

요즘에는 엔진 후드나 트렁크리드, 범퍼는 물론 루프나 로어 암, 드라이브샤프트, BIW의 탑승자 구조물(Passenger Cell) 등 구조용 소재로까지 사용범위가 확대되고 있습니다. 이처럼 완성차 업체들은 자동차에 적용되고 있는 소재를 다양화함으로써 자동차의 몸무게를 다이어트하기 위해 심혈을 기울이고 있습니다. 

김아롱 칼럼니스트/[email protected]