[알기쉬운 자동차 이야기] 자동차 소재의 변화

안녕하세요 자동차를 알기쉽게 설명해주는 티노 입니다.

오늘은 자동차에 적용되는 소재의 변천사(?)에 대해 이야기해보려고 합니다.

대부분의 사람들이 자동차 = 스틸(철)이라고 생각하실텐데요, 하지만 과거부터 현재에 이르기까지 자동차에 사용되는 소재는 많은 변화가 있었습니다.

1. 스틸

먼저 가장 많이 쓰고 많은 분들이 알고 있는 스틸입니다.

스틸 자체의 변화를 구조적인 변화와 부품별 소재의 변화로 나눠서 설명해볼게요.

우선 구조의 변화 입니다. 차체 구조의 프레임 바디 → 모노코크 바디로 변화가 있었습니다.

자세하게는 몰라도 프레임 바디는 단단하다, 요즘 완성차들은 원가절감때문에 모노코크바디를 적용한다 등등 간접적으로 많이 들어보셨을거예요.

어느정도 맞으면서 틀린말입니다.

 엔지니어로서 개발하면서 느끼는점이 "완벽한 기술은 없다" 입니다. 모든 기술이 장단점이 있고, 현 시점에서 가장 완벽해도 1~2년만 지나면 단점이 있는 과거 기술이 되어 버리는거죠.

 프레임 바디와 모노코크 바디에 대해 설명해보면 사람의 몸, 건축물이 기본 뼈대가 있듯이 자동차도 바디라는 뼈대가 있습니다. 이 바디 위에 엔진, 변속기, 내장부품 등등 온갖 부품들이 얹어져서 완성된 자동차가 되는거죠. 이 바디를 생산하는 공법이 프레임바디와 모노코크바디로 나누어지게 됩니다.

 프레임 바디는 사다리꼴 골격에 엔진, 변속기, 타이어를 얹고 그 위에 차체(외형)을 올리는 방식입니다. 쉽게 말해서 마차의 바닥을 만들고 그 위에 사람들이 타는 공간을 얹어놓는 거죠

 모노코크 바디는 차체와 바디가 하나로 되어있는 구조 입니다. 마차로 설명하면 사람이 타는곳과 바닥부(바퀴 구동부)의 구분없이 한덩어리로 되어있는거죠. (자세한건 아래 사진을 참고하세요)

<프레임 바디와 모노코크 바디의 장단점 비교>

  1) 프레임 바디

장점

 - 견고함과 높은 강성

 - 외부 충격 및 노면의 진동에 대해 내구성이 우수함

 - 트럭, SUV에 많이 적용됨

 - 사고시 프레임의 높은 강성으로 인해 데미지가 적다(차대차 충돌시!!)

단점

 - 차량무게가 무거워져 연비 불리함

 - 제조 비용의 상승 → 차량 가격 상승

2) 모노코크 바디

장점

 - 프레임과 차체가 하나로 되어 있어서 제조라인 축소 → 차량 가격 감소

 - 제조 용이함 → 대량 생산 가능

 - 경량화로 인해 연비 우수 (연비에 영향인자중 중량절감이 가장 효과적)

단점

 - 사고시 차량 전체에서 충격을 흡수하므로 차체 전체가 변형 발생

 - 전체 강성 확보 어려움

 - 강한 노면으로 부터 전해지는 충격으로 서스펜션이나 차체 하부가 찌그러지기도 함

 - 미묘한 차체의 변형으로 인해 레이더, 카메라, 센서등의 오작동도 발생함.

이러한 장단점중에 현재 자동차시장이 직면한 연비경쟁으로 인해 모노코크 구조를 많이 적용하고 있고 대부분의 차량들이 모노코크 바디로 생산하고 있습니다.

다음으로 설명 드릴 내용은 차체의 영역마다 다르게 적용되는 스틸에 대해 설명하려고 합니다. 

20년전의 자동차와 현재의 자동차 광고를 비교해보면 차이점이 하나 있습니다.

과거에는 제로백, 마력, 토크등을 주된 퍼포먼스로 강조했다면 

현재에는 안전성능, 에어백, 센서, 자율주행모드를 강조하고 있습니다. 그만큼 안전에 대해 강조하고 있죠.

그래서 제조사들은 충돌성능 향상을 위해 부품별 소재를 다르게 적용하고 있습니다. 

자동차의 구조는 크럼프존과 세이프존으로 나눌수 있습니다. 크럼프존은 충돌시 변형을 통해 에너지를 흡수하는 구간이고, 세이프존은 승객이 거주하는 공간으로 사고후에도 최소한의 변형만 허요하는 구간 입니다.

하나의 철판으로 만들어진 차체를 어떤부분은 잘 찌그러지고, 어떤 부분은 안찌그러지게 하는건 사실상 설계적으로 어려운과제입니다. 그래서 구간별로 소재의 성분비를 다르게 하거나, 아예 다른 소재를 사용하여 대응하고 있죠.

사진을 보면 영역별로 다른 소재를 사용한걸 확인 할 수 있습니다.

2. 마그네슘

다음으로 소개드릴 소재는 마그네슘입니다. 

마그네슘 합금은 밀도가 알루미늄 합금의 2/3, 철강의 1/5 수준으로 현재까지 개발된 합금 중 가장 낮은 밀도를 가지고 있고 강성, 충격흡수 등 여러가지 장점에도 불구하고 자동차분야에서는 잘 사용하지 않습니다. 

 왜냐하면 마그네슘은 가공이 어렵기 때문입니다. 자동차의 자체는 여러개의 판을 만들어 용접을 통해 하나의 덩어리를 만들게 됩니다. 하지만 마그네슘합금의 특성으로 인해 용접이 어려운데요.

 좀 더 자세히 설명하면 마그네슘 용접의 경우 대부분의 마그네슘 합금은 낮은 입열량과 빠른 속도로 용접되어질 수 있습니다. 그러나 낮은 기화점(약 1,100℃)으로 인해 용접 시 다량의 스패터 발생할 뿐만 아니라, 용접 후 변형이 심하며, 열영향부 연화로 인해 강도의 급격한 저하되는 현상이 나타납니다. 또한 낮은 기화점 및 산소와의 빠른 친화력, 금속간 화합물 생성 등과 같이 용접에 제약을 주는 인자들이 많기 때문에 경량화 재료로 각광 받는 소재임에도 불구하고 용접 문제로 인해 적용이 매우 어려움에 있다.

 과거에도 마그네슘을 적용한 차량이 있는데 잠깐 언급하고 가겠습니다.

1935년 파리 살롱에 출품된 부가티 타입 57SC 애틀랜틱은 경량화를 위해 마그네슘 합금을 사용했습니다. 근데 지금도 용접이 안되는데, 저땐 어떻게 했을까요?

정답은 자동차 가운데 볼록 튀어나온 지느러미같은 형상에 있습니다.

엔지니어들은 마그네슘합금이 열에 약하다는걸 알고 있었고 용접이 아닌 리벳으로 결합하는 방식을 적용하게 된거죠. 오른쪽은 차체를 왼쪽의 차체에걸어서 조립을 한거죠. 

 초기 디자인은 알수 없지만, 소재로 인해 디자인이 바뀐 사례라고 볼 수 있겠네요.

3. 고장력 강판(경량화)

최근 몇년 전부터 제조사들이 많이 부각하는 소재 입니다. 기존스틸을 고온 고압에서 한번 더 가공을 한 철판이라고 생각하면 됩니다. 하지만 초고장력 강판에 대한 명확한 규격은 아직 없습니다. 세계자동차철강협회에서는 고장력 강판을 HSS, 초고장력강판을 AHSS라고 정의만 하고 있습니다. 

 현대자동차에서 말하는 초고장력 강판은 60kg/㎟, 도요타는 99kg/㎟이상의 강판부터 초고장력강판으로 표기하고 있습니다. 현대차에서는 아이오닉 하이브리드 모델에 53% 초고장력 강판적용, 도요타는 19% 적용했다고 발표하고 있고 EQ900는 51%, BMW 7시리즈는 27%등 제조사마다 적용비율 및 초고장력강판에 대한 기준은 다른걸 알 수 있습니다. 이러한 초고장력 강판의 적용으로 자동차 외판의 두께가 채 1mm도 안되지만 충분한 강성을 확보할 수 있게되었죠. 그래서 제조사들은 충돌에 대한 법규 만족, 연비 효과, 주행성능(Roll, Pitch, Yaw)향상을 위해  적용하고 있습니다. 

그래프를 보시면 미국내 초고장력 강판 시장의 볼륨이 점점 커지는걸 알 수있습니다. 국가별 연비규제로 인해 제조사들은 어쩔수 없이 초고장력강판의 적용율을 높이는 걸 알수 있습니다.

 하지만 너무 얇은 강판의 두께로 인해 디자인 제약도 발생하게 됩니다. 형상의 변형량이 너무 크거나, 벤딩 각도가 커지게 되면 강판이 찢어지는 문제도 발생하며, 또한 가공경화, 시효경화, 내부응력등 형상에 따른 예상치 못한 문제도 발생하게 됩니다.

 그리고 차체의 가격도 상승하여 차량별 공용화를 통해 원가 절감을 하고 있지만, 공용화가 말처럼 쉽게 되는건 아닌것 같습니다.

4. 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..

5. 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.

6. 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.

 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. 

지금까지 다양한 소재 변화에 대해 설명드렸는데요, 이러한 소재의 변화에서 공통점은 중량 절감, 높은 강성입니다.

차량의 엔진이 변화하고 있고, 그에 따른 결과라고 볼 수 있습니다.

아래 그래프를 보면 전기차로 가면서 왜 중량 절감이 필요한지 알 수 있습니다.

환경차(전기차)의 적용으로 인해 배터리의 중량 문제를 해결해야하죠. 그래서 배터리를 제외한 나머지 부품에서 중량 절감이 이뤄지고, 한계점에 다다른 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 있었습니다.

나라별 법규 트렌드도 맞추기 위해 소재를 변경하며, 소재의 변화가 디자인에도 영향을 준다는 걸 알 수 있었습니다.

오늘 포스팅은 여기서 마무리 하겠습니다. 

오류 또는 수정이 필요한 부분은 언제든지 언급해주세요.

감사히 수정하도록 하겠습니다.

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