자동차 신소재 경쟁…금속 대체할 탄소복합소재 연구 활발

18세기 후반 개발된 초창기 자동차의 속도는 시속 4~14㎞에 불과했다. 승객과 운전자의 안전에 크게 신경 쓸 필요가 없던 이유다. 자동차 재료도 쉽게 구할 수 있는 철과 나무를 활용했다. 안장 등 일부 부품에만 가죽 또는 패브릭을 썼다.

자동차 속도가 시속 70㎞를 넘어가면서 상황이 달라졌다. 안전에 대한 인식이 높아졌고 대량 생산, 경량화의 요구도 커졌다. 그 결과 1980년대 자동차엔 헤드램프, 범퍼 등 외장 부품에 플라스틱 소재가 쓰이게 됐다. 이후 엔지니어링 플라스틱 기술이 발전하며 엔진 주변, 콕핏(조종석) 등에 고(高)내열, 고내구성을 필요로 하는 부품이 확대 적용됐다.

글로벌 완성차 업체들의 고성능 차량 개발 경쟁이 본격화하며 높은 내구성을 유지하면서도 경량화가 가능한 소재에 대한 연구가 이어졌다. 그 결과 플라스틱 소재와 경량 알루미늄 차체 등 신소재가 적극적으로 적용되기 시작했다. 고성능 차량 개발 경쟁은 고유가 시대를 거치면서 연비 개선 경쟁으로 바뀌었다. 완성차 업체들은 자동차 무게를 줄이기 위해 부품 및 보디 설계 일체화, 단순화를 추구하게 됐다.

일반적으로 차량 무게를 10% 줄이면 연비를 7%가량 향상할 수 있다. 소재의 경량화는 연비 향상과 직접적인 연관이 있다. 탄소섬유나 유리섬유 등을 섞은 복합 소재 플라스틱, 알루미늄 및 마그네슘 합금, 고장력 강판 등 가벼우면서도 부품 강성을 유지하는 소재가 많이 쓰였다.

최근에는 금속 대체 플라스틱에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 대표적 소재가 탄소섬유강화 플라스틱이다. 철보다 약 70% 가벼우면서도 강도, 탄성 등 물성은 10배가량 우수해 가장 유력한 대체 소재로 꼽힌다. 하지만 대형 부품을 제조하기 위한 성형 작업에 어려움이 많아 철보다 제조원가가 수십 배 높다. 콘셉트카 및 슈퍼카에만 간간이 쓰이다가 최근 유럽 자동차 회사에서 양산 차에 이를 적용했다.

국내에서도 정부 주도로 탄소복합소재 클러스터를 구축했다. 자동차 부품 제조사, 학계, 부설 재료 연구소 등이 참여해 연구하고 있다.

민간에서는 현대자동차·기아를 중심으로 현대모비스 등 부품·소재업체들이 함께 연구하고 있다. 이를 통해 탄소복합 소재를 적용한 선루프 프레임, 차량 보닛을 상용화했다. FEM(프런트엔드모듈), CCB(카울크로스바) 등 통 금속 부품을 탄소복합소재로 대체하는 기술도 선행연구를 마쳤다. 전기차 플랫폼에 적용하기 위해 양산용 개발을 하고 있다.

자율주행차 시대엔 자동차가 단순 운송 수단에서 엔터테인먼트, 업무공간 등으로 진화하고 있다. 이에 맞는 내장재 옵션도 증가하고 있다. 전통 내·외장 부품이 진화하며 소비자 수요를 맞추기 위한 다품종소량생산 방식으로 변화할 전망이다. 기존에 금형을 만들어 플라스틱을 사출하는 방식으로는 수익성, 생산성이 저하돼 금형이 없어도 되는 3차원(3D) 프린트 수요도 더욱 늘어날 전망이다.

글로벌 자동차 부품사인 현대모비스는 연구개발본부 내 별도 재료연구 조직에서 경량화, 지속할 수 있는 소재를 개발하고 있다. 또 매년 국제 콘퍼런스, 학회에 참석하며 신소재 트렌드를 반영한 재료 개발 로드맵을 구축했다. 아울러 기술전문가 제도를 통해 세계 유수의 대학과 기관에 연구원을 파견하는 등 경쟁력 향상을 위해 노력하고 있다.

현대모비스 기술연구소