자동차 경량화를 위한 소재 6가지

자동차 경량화에 필요한 소재 6가지

매번 새로운 자동차가 나오고, 무게를 감량하기 위해 애쓰고 있다. 무게를 감량하려는 목적은 단순하다. 바로, 경량화를 통한 '연비향상' 이 그 목표인데, 배출가스까지 줄일 수 있는 자동차 경량화는 이제 선택이 아닌 필수적 요소이다. 또한, 각종 안전 및 편의사양들이 증가하고 있기에 아니러니하게도 부품수가 증가하고 있어 경량화를 통한 고연비를 실현하기 위한 신소재 개발이 치열해지고 있다.

그렇다면, 자동차 경량화를 위해 적극적으로 사용되고 있는 소재는 무엇일까?

1. 초고장력 강판

많은 소재들이 경량화를 꾀하고 있지만 자동차의 프레임을 구성하고 있으며 평균 900kg 의 무게를 차지하는 철강소재를 빼놓을 수 없다. 그렇다고 수퍼카만큼의 무게감량을 위해 비싼 소재를 사용할 수도 없기에 철강소재가 가벼워져야 하고, 이를 위해서 초고장력 강판이 사용되고 있는 것이다. 

초고장력강판은 강성은 높이고, 무게를 줄여서 연비개선에 효과적인 소재이다. 보통, 세계 자동차 철강협회에서는 초고장력 강판에 대해 AHSS(Advanced High Strenth Steel)로, 인장강도 590MPa(60kg/mm²) 로 정의하고 있다. 초고장력 강판의 비율을 늘리면 가볍고 강한 특성과 함께, 다른 소재 대비 저렴하기에 경제적인 소재 중 하나이다. 

2. 알루미늄

알루미늄은 현재, 비철소재 중 가장 많이 사용되고 있는 소재 중 하나이다. 철강 대비 40%의 가벼운 무게 덕에 주로 엔진과 변속기에 사용되며, 각 브랜드마다 다르지만 본넷, 인터쿨러 등에 사용되고 있다. 아우디의 R8 은 프레임이 알루미늄으로 만들어져 있어 무게를 상당히 감량했다. 하지만 여전히 알루미늄은 비싼 편이며 용접이 어려워 판금이 힘들어 수입차 수리비 증가의 한 요소로 지적되고 있다.

하지만, 경량화를 위해 알루미늄의 사용률이 높아지고 있다.

3. 고성능 플라스틱

자동차 한대에 사용되는 플라스틱의 양은 평균적으로 158kg 에 달한다. 생각보다 많은 무게를 차지하고 있는 플라스틱은 무게 감량을 위해서 바뀌어야 할 소재 중 하나다. 흔히 내장부품과 외장부품, 외판, 엔진룸 부품 등 가혹한 환경에도 많이 사용되고 있는 플라스틱은 가볍고 열에 강하게 바뀌고 있다.

특히, 아우디(Audi) A8 의 프론트엔드에는 플라스틱과 금속 하이브리드 기술을 적용하여 알루미늄 대비 무게를 20% 감량하기도 하고, 트렁크의 스페어 휠 보관 공간도 철판이 아닌 폴리아미도6 플라스틱을 사용하여 견고하고 가볍게 제작되었다. 가볍다고 느꼈던 플라스틱조차 자동차 무게감량을 위해 변화하고 있다.

4. 마그네슘

마그네슘은 이미 1990년대 이후부터 많이 사용되었다. 특히 엔진 실린더 블록, 변속기 케이스와 엔진 오일팬 등에 사용되고 있으며, 국내의 휠 제조업체 핸즈(HANDS) 에서는 마그네슘 주조휠을 만들기도 한다. 볼보(Volvo) 에서도 LCP 2000의 엔진 브라켓, 매니폴드 등에 마그네슘을 사용하여 자동차 소재 중 7% 를 마그네슘으로 대체한 적이 있다. 이 외에도 토요타 크라운, 혼다 NSX, 등의 다양한 부품에 사용되었다.

하지만 아직까지는 가공방법이 어렵고, 금속의 특성상 반응이 급격한 편이어서 광범위한 용도로 사용하기에는 가격도 비싸기에 많이는 사용되지 않고 있다. 마그네슘은 비강도가 금속중 가장 높으며, 금형 수명이 우수하고 알루미늄보다도 더 무게가 가볍다. 

5. 티타늄

티타늄(Titanium)은 가볍고, 부식에도 강해 오래전부터 자동차용 부품으로 많이 사용되고 있다. 특히, 550℃ 의 고온에 이르기까지 다른 소재들에 비해 비강도를 유지하기에 엔진에 많이 사용될 수 있다. 엔진부품은 높은 강도와 탄성계수를 가져야 하기에 티타늄 합금이 경량화와 내열성을 위해 사용되고 있다. 현재 사용되고 있는 부품으로는 커넥팅로드, 크랭크샤프트, 밸브, 스프링 등에 사용되고 있다.

또한, 티타늄은 충격에도 강해 반복적인 하중이 걸리는 곳에도 사용할 수 있는 소재이다. 이미 티타늄은 경주용 및 스포츠 차량의 부품으로 많이 사용되고 있지만, 역시나 가격 때문에 전반적으로 사용되기에는 힘들다. 하지만, 가격을 낮추기 위해 신기술 개발 및 공정기술의 개발을 통해 가격이 낮아질 수 있을 것으로 전망하고 있다. 현재, 티타늄은 일반 철강 대비 20~40 배 정도로 비싸다.

6. 카본파이버 강화플라스틱(CFRP)

BMW i8과 i3 에는 CFRP를 많이 사용하고 있다. i8 에서는 68kg 을 경량화하였고 친환경 전기차에서 많이 사용되고 있다. 특히 전기차의 경우에는 무게를 줄이는 만큼 주행가능거리가 더욱 늘어나기 때문에 무게를 줄이기 위해 많은 노력을 하고 있다. CFRP 는 아직 자동차 산업에 적극적으로 적용하기까지는 대량생산 체제를 갖추기 힘들다. 따라서 가격을 낮추기도 힘들다.

하지만, 곧 가격적인 부분도 상당부분 낮아질 것으로 보인다. CFRP 가 2010년에는 자동차산업에서 2,300톤이었지만, 2015년에는 4,000톤, 2019년에는 5,300톤 정도로 늘어날 것으로 예측하고 있다.

이렇게 각 자동차 회사들은 무게감량을 통한 연비향상을 위해 다양한 소재를 적용/연구개발 하고 있다. 아마도 각 소재들의 가격이 더욱 저렴해진다면 경량화는 그렇게 먼 미래가 아닐 것이다.