자동차 경량화 소재 및 금형

자동차의 경량화에 대한 움직임이 활발해지면서 기존 금속을 대체할 수 있는 플라스틱 소재가 각광받고 있다. 자동차라는 거대한 시장이 주는 기대가 플라스틱 업계를 설레게 하고 있는 가운데, 다가오는 플라스틱 시대를 대비하려는 움직임도 한껏 분주해졌다. 자동차와 플라스틱, 이들의 성공적인 만남을 위해서는 어떠한 과제가 남았으며 더욱 치열해질 자동차 경량화 플라스틱 시장이 원하는 경쟁력은 무엇인지 본문을 통해 살펴보자.

 

1. 플라스틱 복합 소재 개발 필요
자동차 경량화 재료로서는 고강도 강, 알루미늄합금, 티타늄합금, 마그네슘합금, 플라스틱, 수지 복합 재료, 라미네이트(Laminate)판 등이 있다. 재료 선택에 있어서는 ▲경량화 효과 ▲강도 특성(강성, 피로강도, 충격강도) ▲진동제어특성, 내식성 등의 기능 특성 ▲성형성, 용접 및 접합성, 도장성 등의 생산성 ▲재료비와 가공비 ▲재료의 안정공급체제 ▲폐기처리, 재순환성 등의 종합적인 검토가 필요하다.
현재 플라스틱이 자동차 1대에 차지하는 구성 비율은 약 8% 정도이다. 플라스틱은 다양한 종류가 각각의 특성에 따라 여러 가지 용도로 사용되고 있으며 공통된 특성으로서 가볍고 부식되지 않으며, 가공하기 쉬운 장점이 있다. 이 때문에 자동차에서는 내장 부품에 이어 1980년대부터 엔진 부품이나 외장 부품에도 확대 적용되어 구성 비율이 높게 신장되고 있다. 특히, 그 중에서도 탄소섬유는 자동차의 경량화를 통해 연비를 개선할 수 있는 금속 대체 소재로서 많은 관심이 집중되고 있다. 탄소섬유를 이용한 플라스틱 복합 재료(Carbon Fiber Reinforced Plastic : CFRP)는 금속 재료보다 강도가 약 30% 이상 우수하고 20~50% 정도의 경량화가 가능하여 자동차, 항공기 및 우주비행체의 구조물에 널리 이용되고 있다.

 

2. 플라스틱 및 금형의 상용화 확대를 위한 해결과제
경량화 플라스틱 소재 및 금형의 상용화 확대를 위해서는 해결해야 할 과제가 다수 존재한다.
첫째로 높은 제조단가로 인한 가격경쟁력 저하 극복이 필요하다. 플라스틱 복합재는 재료비가 연강판에 비해 3~5배 비싸고 생산성이 낮아 현재 자동차용 양산 제품으로는 가격경쟁력이 떨어지는 실정이다. 따라서 플라스틱 복합 소재의 제조원가를 낮추고 개발 단계에서 예측해석 기술을 적용해 시행착오를 줄이며, 플라스틱 금형의 공정 최적화를 통해 가격 경쟁력을 높이는 것이 매우 중요하다.
둘째로는 완성차 업체의 생산 능력(Capacity) 확대 및 납품 단가 인하 압박에 대한 문제가 존재한다. 완성차 업계는 자동차 생산 확대에 따른 부품 업체의 생산 능력 확대를 요구하나 적정 품질 및 자금 관리 등 리스크 최소화를 위해 부품 업체가 선뜻 생산 능력을 확대할 수 없다. 또한, 자동차 시장의 성장으로 인해 부품 업계의 이익이 늘어나면 자연스럽게 완성차 업체의 납품 단가 인하 압박이 증가할 것으로 예상된다. 특히, 전장 제품과 같은 고부가가치 부품은 인하 압박이 상대적으로 심각해지며, 특정 부품 업체가 추가 투자 없이 증산하게 되면 완성차 업체는 오히려 납품 단가를 인하하려는 경향이 있다.
세 번째로는 기술적인 과제로, 플라스틱의 낮은 기계적 특성치로 인한 안전성 저하의 극복이다. 
최근 플라스틱의 강도를 향상시키는 방법으로는 강도가 높은 소재와 조합시킨 복합 재료를 제조하는 것으로써 대표적인 것이 유리섬유로 강화한 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics), 탄소섬유로 강화시킨 CFRP이다.
네 번째로는 디자인 성형 및 리사이클의 해결이다. 플라스틱은 사용되고 있는 종류가 다양하여 리사이클이 어렵다. 따라서 리사이클 식별용으로 재질을 나타낸 마킹을 사용한다거나 리사이클하기 쉬운 재질로 변경한다거나 하는 대책이 요구되기도 하지만 향후에는 사용되는 플라스틱의 종류가 통합될 것으로 전망되기도 한다.

 

3. 자동차 경량화 플라스틱 산업의 성장은 금형 기술이 열쇠
현재 국내에서는 자동차 차체 경량화 플라스틱 금형을 생산 및 납품하고 있는 업체가 전무한 실정이며, 해외 선진 업체들과의 경쟁 관계가 아니라 금형 산업의 특징처럼 최종 수요자와 부품 소재 메이커와의 긴밀한 협업을 통해 시장을 개척해야 하는 것이 현실이다. 해외 자동차 차체 경량화 플라스틱 금형을 이용한 제품 생산 업체는 현재 상용차 업체와 수지메이커에 의해 주도적으로 진행되고 있으며, 일본의 TORAY, TOYOTA, 후지중공업, 프랑스의 랑세스, 이탈리아의 람보르기니, 중국의 테이진, 미국의 FORD사 및 한국의 현대자동차 등이 있다. 이들 대부분은 다국적 기업으로 대형 설비의 제작, 운반, 설치 등의 문제를 해결하기 위해 필요한 지역마다 생산 업체를 두고 있다.
국내에서는 미국 GE사와 공동으로 엔지니어링 플라스틱을 사용해서 차체를 약 60kg 경량화에 성공하였으며, 비록 현재는 기존 금속 차체 부품을 대체하기 위한 선행 연구 단계이지만, 국내 금형 산업의 구조 및 환경을 고려할 때 해당 시장은 급속도로 성장할 것으로 예상된다.
자동차 차체 경량화 플라스틱 금형 생산의 신규 참여자로는, 기존 대형 내외장 플라스틱 차체 부품을 생산하고 있는 성우하이텍, 일지테크, 한일이화, 에코플라스틱, 대의테크, 평화산업, 신성델타테크, 한국몰드, 덕양산업 등이 기술력과 자본력을 바탕으로 독자 개발 및 선진 메이커들과의 기술 제휴를 통하여 진출할 가능성이 있다. 공급자는 최종 플라스틱 성형 차체 부품의 원소재인 엔지니어링 플라스틱, 즉 복합PP(폴리프로필렌), 익시스(IXIS) 등과 고경도 금형강 및 핵심금형 요소 부품을 제공하는 업체가 주를 이룬다. 엔지니어링플라스틱 소재는 현재 대기업(삼성토탈, 한화L&C(구 한화종합화학), 호남석유화학, 제일모직, 효성, 코오롱, 현대EP, 삼성정밀화학, 송원산업 등)과 같은 화학 소재 전문 업체에 의해 공급하고 있다.

 

4. 플라스틱 차체 설계 및 소재 평가 기술 중요
자동차 차체 경량화 플라스틱 상용화를 위해서는 일차적으로 성형 부품에 대한 완성차 차원에서의 충돌 안정성 및 경량화 사양에 맞추어 소재를 선정하고 해당 소재의 유변학적 거동특성을 고려하여 고비강도 플라스틱 차체 설계를 변경할 수 있는 기술이 요구된다. 일반적으로 성형 대상 차체는 완성차의 설계 단계에서 정해지고 있으며, 부품 개발 및 생산 업체는 완성차와 상호 기술적인 교류를 통해 제조 공정을 진행하고 있다. 플라스틱 차체 패널은 설계 후 바로 제작되는 것이 아니라 설계된 플라스틱 차체에 대하여 구조적인 내구성, 피로특성, NVH 및 충돌 안정성 등에 대한 해석을 통해 사전에 검증하는 단계를 거쳐 적용되고 있다.
더욱이 기존 금속에서 복합 플라스틱 부품으로 소재가 변경하게 되면 기존의 프레스 공정이 아닌 고분자 성형 공정을 거치게 되므로, 용융된 수지의 금형 내 충전 특성과 성형 과정에서 발생될 문제점을 사전 예측하고 이를 설계에 반영하여 최종 부품이 안정적으로 생산될 수 있도록 할 수 있는 기술이 적용되고 있다.
이렇듯 자동차 차체 경량화 플라스틱 개발의 시작은 설계, 구조해석 및 유동해석을 통하여 최적화된 디자인으로 완성되고 실제 금형 제작 후 성형된 제품의 신뢰성 평가 실험 결과와 상호 튜닝 되고 반복된 일련의 작업을 통해 개발이 완료하게 된다. 또한, 플라스틱 차체는 고강도, 고강성을 요구하면서도 가격 측면에서 경쟁력을 확보해야 하는 특성이 있으며, 이러한 이유로 자동차 경량화를 위한 플라스틱 차체는 기존의 저렴한 수지에 보강재를 컴파운딩하여 원하는 소재의 기계적 물성치를 확보하게 된다. 이때 컴파운딩 기술에 따라 대상 소재의 최종 기계적 물성치는 크게 변하게 되고, 결과적으로 부품이 적용된 자동차의 안전성 및 내구성에 큰 영향을 미치는 기술이다. 또한 컴파운딩 기술로 개발된 소재를 이용하여 고정밀, 고생산성이 확보된 플라스틱 차체를 성형하기 위해서는 On-site 복합 고분자 유변 물성측정, 평가 및 활용 기술이 필요하다.

 

* 본 내용은 지면상의 이유로 재편집되었습니다.
* 출처 : Vol.3 Issue7 KISTI MARKET REPORT
* 필자 : KISTI 산업시장분석실 이호신 책임연구원

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 자동차 경량화 소재 및 금형