기술과 솔루션
자동차 경량화 플라스틱과 복합재료 1
작성자 : 이용우
2018-08-08 |
조회 : 3500
Ⅰ. 서론
지구 온난화와 자원 고갈 등의 지구 환경 문제에 대한 해결 노력으로 자동차 분야에서도 예외 없이 환경 대응 차량과 관련된 문제 해결을 위해 각 해당 기업들이 연구 개발을 진행하고 있다. 일본의 경우, 도요타자동차의 하이브리드차(HV)도 전 세계 생산 대수가 천만 대를 넘어섰으며, 대표차인 프리우스도 현재 제4세대에 진입하고 있다. HV 이외에도 전기자동차(EV)와 연료전지차(FCV), 대체 연료 등의 환경 대응 차량의 개발도 병행되고 있다. 2014년에는 BMW의 EV인 i3가 일본 국내에서도 양산 판매되기 시작했으며, FC의 양산화를 노린 도요타자동차의 FCV Mirai도 발표되었다. 이런 가운데, CO2 배출량 절감에 관련된 규제는 더욱 강화되고 있어, 유럽 EU 규제 등 긴급 과제로써 각 사가 대응에 고심하고 있다. 이러한 CO2절감에는 연비 대책이 크게 관계되기 때문에, 친환경 차량에 있어서 파워트레인 효율을 올릴 뿐 아니라, 차량 자체의 경량화도 커다란 요인이 되고 있다.
이 때문에 각 회사는 친환경 차량연구를 추진할 뿐만 아니라 경량화 대책을 키워드로 한 개발을 동시에 진행하고 있는 상황에 있다. 다른 키워드에서 중요한 것은 향후 차에 대한 인식이 사회적으로 변화되며 차의 기능과 사양이 어떻게 변화할 것인가 하는 것이다. 2030년에 요구되는 자동차의 모습을 [표 1]에 나타내었지만, 향후에는 한 대의 차를 구입해 여러 용도로 사용하는 것이 아니라 목적에 따라 차를 사용하는 시대가 올 것으로 예상된다.
[표 1] 2030년 이동수단 및 요구사항
이 때문에 렌터카와 택시가 형태를 변화시켜 크게 바뀔될 것으로 예측된다. 렌터카는 타고 버리는 카쉐어형, 목적에 맞춘 장기 임차형, 몇 번이나 사용할 수 있는 중고차형으로, 택시는 통근과 통학에 맞춘 소형 승합형, 노약자와 신체장애인에 맞춘 노인·장애인형으로 나누어질 것으로 예상된다. 이런 가운데 이동수단 사양으로 환경 대응은 필수이며, 스마트 관리, 자동 운전, 그리고 긴급 시 신속한 대응이 가능해야 한다. 차량에 대한 요구 성능으로 경량, 소형, 고효율, 난연, 건강 등 여러 종류의 요구가 강해질 것으로 예측된다. 이 때문에 복합재료화는 유효한 수단이며, 많은 연구·개발이 필요하다는 것이 예견된다. 2030년에는 단순한 이동수단이 아닌 환경 친화형 차량으로 대체될 것이며, 이를 위해 많은 복합재료가 사용될 것으로 예상된다.
승용차 산업(3,530억 달러)은 미국과 캐나다 양국에 중요한 경제 부분이며, 화학제품의 최종 소비자 시장이기도 하다. 2016년 미국과 캐나다에서 생산된 1,465만 대의 승용차 제조에는 49억 파운드의 플라스틱과 고분자 복합재료(57억 달러, 차량당 390달러)가 사용되었다. 최근 자료에 따르면, 미국/캐나다 경차의 평균 무게가 증가한 것으로 나타났다. 2016년 경차에 사용되는 플라스틱은 7,500만 파운드 증가했으며, 차량당 평균 332파운드가 사용되었다.
또한, 탄소섬유는 자동차용 탄소섬유강화 플라스틱(CFRP) 제조에 활용되며, 폴리프로필렌은 열가소성 플라스틱 폴리올레핀 엘라스토머(TPO)에도 사용된다. 평균 TPO와 탄소섬유 사용량은 차량당 35파운드이며, 플라스틱 및 고분자 복합재료를 포함하면 차량당 365파운드가 된다. 대형 트럭과 SUV에 대한 소비자의 선호도 변화는 이들 사용비율에 영향을 주었다. 그러나 낮은 연료 가격과 차량 평균 무게 증가 때문에 차량 총 무게에 대한 이들 비율은 2016년 약간 감소(8.3%)하였다.
플라스틱과 고분자 복합재료는 현재 차량의 안전과 성능 향상을 위해 필수적으로 사용되고 있다. 경량 차량에서 고분자와 고분자 복합재료는 1960년대에 차량당 20파운드 미만이 사용되었으나 2016년에는 332파운드로 증가하였다. 플라스틱은 실제로 이러한 재료가 기능성 및 기타 긍정적인 특성을 부여하는 착색제 및 기타 첨가제와 혼합될 때 훨씬 더 큰 역할을 한다. 첨가제와 컴파운딩 서비스는 플라스틱 자동차 부품에 부가가치를 부여할 뿐만 아니라 최종 자동차 플라스틱 및 고분자 복합재료 제품 시장에 최대 208억 달러의 가치를 가져다준다. 이 자동차 플라스틱 제품은 45개 주에 있는 1,618개 공장에서 생산된다. 이들 공장에는 61,836명의 직원이 근무하고 있으며, 전체 급여는 31억 달러에 이른다.
미시간 주가 가장 많은 15,125명을 고용하고 있으며, 이어서 오하이오가 8,758명, 인디아나 8,175명, 테네시 4,150명, 미네소타 3,025명, 펜실베니아 2,750명, 위스콘신 2,275명, 일리노이 2,100명, 노스캐롤라이나 1,700명, 그리고 뉴욕에 1,500명이 고용되어 있다.
자동차용 플라스틱 및 고분자 복합재료 제조업체는 플라스틱 수지, 첨가제, 기타 재료, 부품 및 서비스를 구매한다. 결과적으로 플라스틱 및 고분자 복합재료의 기여도는 직접적인 경제효과 이상으로 크다고 할 수 있다. 자동차용 플라스틱 및 고분자 복합재료 산업은 공급과 구매 사슬을 통해 간접적으로 경제 활성화를 촉진시킨다. 결과적으로 자동차용 플라스틱 및 고분자 복합재료 산업의 모든 직무는 미국 경제 활동에서 추가적으로 일자리를 창출하여 총 117,000개의 일자리를 창출한다.
이 보고서는 자동차 경량화를 위한 화학 및 기타물질 구성 평가에 대한 최신 결과와 함께 정책제안을 제시한다. 2016년 미국과 캐나다에서 조립된 1,465만 대 규모의 경차 시장은 441억 달러의 화학에 해당하는 중요한 시장이다. 이 화학적 가치는 1,438만 대가 조립된 2015년의 439억 달러보다 증가한 수치이다. 2009년 경기 불황에는 694만 대를 생산하고 이에 대한 화학적 가치가 207억 달러였던 반면, 2016년 화학적 가치는 크게 상승하였다.
Ⅱ. 승용차와 화학 산업
경량 자동차산업은 미국과 캐나다의 경제에서 큰 비중을 차지하고 있으며, 2016년에는 3,530억 달러 이상의 출하량을 기록하였고, 945,000명의 근로자가 이 산업에 고용되어 있다. 경량 자동차산업은 화학업종을 포함한 대부분의 제조산업에 중요한 부분을 차지한다. 미국과 캐나다에서 차량 1대 생산에 3,013달러의 화학적(케미컬 제품과 케미컬 공정) 비용을 사용하기 때문에 이러한 상관관계는 기초 및 특수 화학 물질에서 특히 강력하다. 차량 1대당 화학적 가치는 지난 10년간 크게 성장하여 2006년 2,444달러에서 23% 상승하였다. 대부분의 화학 물질에 대한 유가와 제품 가격의 약세로 인해 평균 화학 물질 가격은 2015년에 비해 1.3% 하락하였다. 화학적 가치에는 부동액 및 기타 액체, 촉매, 플라스틱 계기판 및 기타 부품, 고무 타이어와 호스, 실내 장식 섬유, 코팅 및 접착제 등이 포함된다. 사실상 앞범퍼에서 후미 등에 이르기까지 경량 자동차의 거의 모든 부품에는 여러 화학제품이 포함되어 있다. [그림 1]에는 화학 사업의 다양한 부문에서 2016년 미국과 캐나다 경차 화학 물질의 평균값을 보여 주고 있다.
[그림 1] 2016년 미국/캐나다 경량 자동차의 직접 화학 물질 함량($/vehicle)
2016년 동안 차량 1대당 평균 직접적인 화학적 가치는 평균 1,632달러였으며 전체 화학적 가치의 54%에 해당된다. 사용된 화학 물질에 대한 상세 내역은 [표 2]에 나타냈다. 나머지 46%는 가공 및 간접적 화학(예를 들면 유리제조에 사용되는 소다회 및 기타 공정화학 물질)과 관련된 것이다.
[표 2] 연도별 미국/캐나다 경량 자동차의 화학 물질 함유량($/vehicle)
Ⅲ. 경량 자동차용 플라스틱과 고분자 복합재료
경량 자동차산업은 금속 및 기타 재료 제조업체에게는 중요한 고객이 되는 산업이다. 특히 플라스틱과 고분자 복합재료는 알루미늄과 강철과 같은 다른 소재와의 경쟁이 치열하다.
2016년 미국과 캐나다의 평균 차량 무게는 0.9%(35파운드) 증가한 4,026파운드였다. 1990년에는 평균 차량 무게가 3,426파운드였으며, 2000년 평균 차량 무게는 3,922파운드였다. SUV의 인기 상승은 1990년대와 지난 10년 동안의 차량 무게 증가에 기여했다. 그러나 2008년 휘발유 가격상승은 이러한 경향에 반대하여 더 작고 연비가 좋은 차량으로의 변화를 촉진시켰다. 그 결과, 평균 차량 무게가 줄어들었다.
이후 경제 회복 및 휘발유 가격의 저하와 함께 대형 차량이 다시 인기를 끌었으며, 이는 차량 무게의 증가를 가져왔고, 차량 무게를 상쇄시키기 위해 플라스틱과 복합재료, 기타 경량 소재가 보급되었다.
차량의 성능은 지난 수년간 크게 향상되었다. 예를 들어 EPA 자료에 따르면, 미국 내 평균 마력(HP)은 1990년에는 135HP, 2000년 181HP, 2010년 214HP, 2016년 229HP였다. 평균 연비효율은 1990년 21.2MPG(miles per gallon), 2000년 19.8MPG, 2010년 22.6MPG에 비하여 2016년에는 25.6MPG이었다. 이러한 차량 성능향상에는 개선된 엔진 기술이 큰 역할을 해왔지만 화학 및 경량재료가 있었기에 가능한 일이었다.
일반 강철과 고강도 및 중강도 강철은 경량 자동차의 주요 소재이다. 이들을 합하면 전체 차량 무게의 52%가 된다. 고강도 및 중강도 강철의 점유율은 점차 커져 왔다. 지난 수십 년 동안 경량소재의 점유율은 철강에 비해 매우 작았다. 예를 들어 알루미늄의 점유율은 2016년에 3.8%(또는 15파운드) 증가하여 차량당 410파운드를 기록하였다.
경량 자동차는 플라스틱 및 고분자 복합재료의 중요한 시장으로 성장했다. 이는 지난 50년 동안 크게 성장하였다. 오늘날 미국과 캐나다의 경량 자동차에는 평균적으로 332파운드의 플라스틱과 고분자 복합재료가 포함되어 있다. 이는 2010년 359파운드보다는 낮아진 수치이지만 2000년 286파운드, 1990년 194파운드보다 상승한 수치이다. 1960년에는 20파운드 미만이 사용되었다. 전형적인 경량 자동차는 1,000개 이상의 플라스틱 부품을 사용한다.
[그림 2] 미국/캐나다 경량 자동차용 플라스틱 및 고분자 복합재료 사용량 추세
( 단위 : pounds/vehicle )
복합재료는 고분자 기재와 섬유 형태의 강화재를 복합화한 것이다. 폴리에스터, 폴리우레탄, 에폭시, 폴리프로필렌, 나일론 또는 기타 수지 등의 고분자 매트릭스가 섬유 사이의 하중을 보호하고 전달하는 동안 섬유 형태의 유리, 탄소, 아라미드 및 기타 섬유가 강도와 강성을 제공한다. 이는 고분자 또는 섬유 단독보다 우수한 속성을 가진 재료를 만들게 된다. 최근 몇 년 동안 탄소섬유강화 복합재료는 경량 차량 제조에 사용되고 있다. 이처럼 플라스틱과 고분자 복합재료는 오늘날 다양한 차종에 대한 광범위한 안전과 성능 혁신에 중요한 돌파구가 되고 있다.
차체 외부
플라스틱과 고분자 복합재료는 차체 외부 디자인을 혁신적으로 바꾸게 해주었다. 범퍼에서 도어 패널에 이르기까지, 경량 플라스틱은 더 좋은 연비를 가질 수 있게 해주고 디자이너와 엔지니어가 혁신적인 개념을 차량에 자유롭게 적용할 수 있도록 해주었다.
차체 외부 패널 및 부품용 특정 플라스틱과 복합재료는 제조업체가 모듈 조립 실례를 채택하고 생산 원가를 낮추며 에너지를 개선하고 유체역학적인 외형을 만들 수 있게 해주고 있다.
차체 내부
차 내부 디자인요소는 안락함, 소음수준, 심미적 매력, 인체공학 설계로 소비자의 구매 결정에 큰 영향을 준다. 자동차 내부용 플라스틱 부품은 이러한 모든 면을 매우 효과적이며 효율적인 방법으로 해결한다.
자동차 안전
플라스틱의 다양한 기능은 더 안전한 자동차를 생산하면서 차량 무게를 줄여주는 디자인 선택을 가능하게 해준다. 차량 전면의 플라스틱 복합재료 구조는 안전에 문제를 주지 않으면서 차 무게를 줄여주고, 사고 발생 시 탑승자를 보호할 수 있도록 쉽게 접히게 설계된 부분인 충격완화구역의 플라스틱 부품은 에너지를 흡수한다.
플라스틱은 측면충돌 안전을 유지 및 개선하기 위해 도어 모듈에도 사용되며, 자동차 안전유리의 플라스틱층은 승객의 부상을 예방해주고, 플라스틱 폼은 자동차 차체의 빈 구멍을 채워 강도를 증가시키며 승객의 안전을 향상시킨다.
자동차 전기 시스템
지난 20년 동안 경량 자동차의 전기 시스템은 혁명적으로 변하였다. 자동차의 전기 및 전자 시스템 부품 수는 현재 더 많아졌으며, 이는 브레이크, 연료 주입, 산소 센서, GPS 운항 장비, 음향 시스템을 제어하고 감시하는 컴퓨터 칩과 함께 더욱 중요해지고 있다. 플라스틱은 소켓, 스위치, 커넥터, 회로 기판, 배선 및 케이블의 하우징과 기타 전기 전자 장치를 만들 수 있게 한다.
이외에도 자동차 Chassis(차대), Po-wertrains(동력발생 및 전달 장치), 연료 시스템, 엔진 부품에 다양한 플라스틱 부품들이 금속 대체용 부품으로서 경량화, 부식방지, 저가 비용의 장점을 내세워 활용되고 있다.
자동차 시장은 PP, PU, 나일론(PA, 폴리아마이드), 엔지니어링 플라스틱 및 열가소성 폴리에스터 같은 플라스틱 수지의 시장이 된다. 차량 경량화 응용 분야는 각 수지 수요의 30% 이상을 차지한다. ABS와 Polyvinyl butyral은 안전유리에 사용되며, 자동차 시장에서 85% 이상을 차지한다. 나일론, 폴리카보네이트(그리고 폴리카보네이트 브랜드)와 같은 엔지니어링 플라스틱은 많은 응용 분야에서 금속을 대체한다.
전형적인 플라스틱과 복합재료 응용 분야로는 외장 패널, Trim, 범퍼, 내장 트림 패널, Window Encapsulation, Heat lamp housing, 전기·전자 부품, 운전대, 단열, 방음, 의자 덮개, 기계적 부분 및 부품, 안전유리 등이 있다.
미국과 캐나다 차량 조립에서 차량당 평균 플라스틱과 복합재료 사용은 2016년 2파운드(0.6%) 줄어든 332파운드였고, 전체 차량의 무게에서 차지하는 비율도 줄어들었다. 15개 주요 수지는 경량 자동차에서는 상당량 사용되고 있다. 수지 사용에 대한 상세 내용은 [표 3]과 [표 4]에서 볼 수 있다.
경량 자동차에서 주요 고분자의 사용량을 살펴보면, PP는 84파운드, 폴리우레탄은 59파운드, 나일론 35파운드, PVC 20파운드, ABS 19파운드, PE는 18파운드, 폴리카보네이트는 16파운드였다.
[그림 3] 2016년 미국/캐나다 경량 자동차에 사용되는 플라스틱 및 고분자 복합재료
( 단위 : pounds/vehicle )
폴리프로필렌은 열가소성 플라스틱 폴리올레핀 엘라스토머(TPO)로 사용되며, 미국, 캐나다 차량 조립에서 사용되는 평균 TPO는 차량당 35파운드이다. 그리고 만약 이를 플라스틱과 복합재료에 포함시키면 차량당 플라스틱의 사용량은 약 370파운드가 된다.
지난 20년 동안 Polyacetal, Poly-phenylene Ether(PPE)와 같은 기타 엔지니어링 수지와 열가소성 플라스틱 폴리에스터 엔지니어링 수지는 다양한 응용 분야에서 금속을 대체해왔다. 이들 수지는 미국과 캐나다 경량 자동차 조립에서 2016년 38파운드 사용되어 2010년 40파운드보다 줄어들었으나, 2000년 31파운드, 1990년 19파운드보다는 상승하였다.
폴리카보네이트와 나일론은 엔지니어링 수지로 분류되는데 이들을 포함시키면 총 엔지니어링 수지 소비량은 89파운드가 된다. Polyvinyl butyral은 평균 7파운드가 사용되었다. 아크릴, 페놀, 불포화 폴리에스터 및 기타는 35파운드가 사용되었다.
[표 3] 미국/캐나다 경량 자동차의 대용량 플라스틱 함량(pounds/vehicle)
[표 4] 미국/캐나다 경량 자동차의 엔지니어링 플라스틱 및 기타 플라스틱 함량
플라스틱과 복합재료를 사용한 경량화에 추가적인 기회도 가능하다. ①저밀도 첨가제, 나노 입자, 그리고 대체섬유 사용으로 기존 플라스틱과 부품의 무게를 절감하고, ②더 많은 금속 부품을 플라스틱과 복합재료로 전환한다. 또한 자율운행차 및 카쉐어링과 같은 미래 이동수단에 대한 산업 메가트렌드는 더 많은 안전에 대한 요구와 새로운 차 구조 요구 때문에 많은 기회가 올 것이다. 결과적으로, 경량 자동차 시장은 미래 플라스틱과 복합재료 확산에 큰 기회를 제공할 것이다.
기타 화학제품
다양한 화학제품이 경량 자동차 제조에 사용된다. 대부분의 화학제품은 공정과 간접적 화학(예, 유리제조 시 사용되는 소다회)에 사용되지만, 270파운드 이상의 고무, 섬유 및 코팅도 사용되고 있다.
미국/캐나다 경량 자동차는 평균 199파운드의 고무를 주로 타이어에서 사용하지만 벨트, 호스 및 기타 부품과 같은 비타이어 분야에서도 고무를 사용한다. 한편, 천연고무도 사용되지만 가장 널리 사용되는 고무는 스티렌-부타디엔 고무(SBR)로, 타이어와 다양한 비타이어 응용 분야에 사용된다. 또한 일반적으로 라디에이터 및 히터 호스, 차체 부품, 범퍼, 틈 마개, 창과 유리창 씰, 바닥 매트, 밧줄 고리, 튜브, 벨트 및 다양한 성형 및 압출 제품에 사용되고 있다.
열가소성 플라스틱 폴리올레핀 엘라스토머(TPO)는 널리 사용되는 또 다른 엘라스토머이다. 천연고무, SBR과 TPO 엘라스토머가 전체 고무 소모량의 3/4을 차지한다. 기타 엘라스토머로는 부틸 고무, 염소화된 폴리에틸렌, Chlorosulfonated polyethylene 등 다양한 엘라스토머가 사용되고 있다.
1970년대 이후 타이어 디자인의 변화는 타이어에 대한 차량 무게 감소와 연료 소비 절감의 결과를 만들었다. 최근에는 더 장기간 사용할 수 있는 낮은 회전 저항 타이어와 신규 재료가 개발되어 이들 제품이 시장에 침투하여 연비를 향상 시켰다.
전형적인 미국/캐나다 경량 자동차는 주로 합성섬유 44파운드를 사용한다. 천연섬유는 거의 사용하지 않으며, 레이온과 멜라민 섬유의 사용은 사라졌다. 가장 주목할만한 합성섬유는 나일론과 폴리에스터 직물섬유이다. 그리고 폴리프로필렌과 폴리에스터 부직포도 다양한 용도로 사용되고 있다. 탄소섬유는 플라스틱과 혼합하여 자동차용 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)으로 만들어진다. 탄소섬유는 높은 강도를 가지면서 무게가 가벼워 차량 무게 감축에 주요 역할을 한다. 이는 자동차 제조업체가 2025년까지 연비 54.5mpg라는 목표 추진에 중요한 역할을 할 것이다. 또한 2016년 차량당 코팅에는 28파운드를 사용하였다. 이러한 재료뿐만 아니라, 화학제품은 경량 자동차의 액체와 윤활제에 226파운드가 사용된다. 이들은 엔진오일, 트랜스미션, 앞 유리 와이퍼 액체, 에어컨 냉매 및 기타 제품에 사용된다. 이들 모두에는 성능을 보강하기 위해 화학 첨가제가 들어가 있으며, 주로 탄화불소 냉매같은 화학제품들이다. 엔진 윤활제에서는 합성 윤활제가 전통적인 석유제품시장 점유율보다 높아지고 있다.
IV. 미국의 자동차용 플라스틱과 고분자 복합재료의 경제적 파급효과
경량 자동차는 플라스틱과 고분자 복합재료의 중요한 시장이며 지난 50년 동안 크게 성장하였다. 미국 내 자동차에 사용된 플라스틱과 관련된 일자리를 주별로 평가하였고, 플라스틱 제품제조에서 각 주별 일자리, 출하 가격 및 임금과 봉급을 측정했다.
3,261개의 플라스틱 제품제조업이 참여하는 그룹으로 구성된 North Ame-rican Industry Classification System (NAICS) 기준으로, 이들의 플라스틱 수지에서 중간 또는 최종 제품에 대한 지출로 가압성형, 압출성형, 사출성형, 블로우성형 및 캐스팅 같은 공정으로 구성되어 있다.
[표 5]에는 자동차용 플라스틱 제품과 관련된 출하량 및 임금, 봉급과 함께 2016년 일자리 자료가 포함되어 있다. 출하 품목은 NAICS 산업그룹 3,261개의 시설에서 자동차 응용 분야에 사용된 완성품 또는 가공 제품의 가치를 평가하였다. 직접 고용뿐만 아니라, 공급망으로부터 구매에 의한 자동차용 플라스틱 부문 간접 고용을 측정하고, 자동차용 플라스틱 제품 부문이 직간접적으로 고용한 사람들의 소비로 유도된 고용을 평가하였다.
[그림 4] 각 주별 자동차용 플라스틱과 복합재료에 의한 직접 고용(2016)
Townsend Solution, Bureau of Labor Statistics와 Census Bureau 자료를 종합한 2016년 자료에 의하면,
- 미국에서 생산한 자동차용 플라스틱의 가치는 208억 달러
- 자동차용 플라스틱 생산은 45개 주 1,618개 공장에서 생산
- 공장에서 직접 고용한 인원은 61,836명이며, 급여 총 지불액은 31억 달러
- 미시간이 가장 많은 15,125명을 고용하고 있으며, 이어서 오하이오가 8,758명, 인디아나 8,175명, 테네시 4,150명, 미네소타 3,025명, 펜실베니아 2,750명, 위스콘신 2,275명, 일리노이 2,100명, 노스캐롤라이나 1,700명, 그리고 뉴욕에 1,500명이 고용되어 있다.
[표 5] 미국 자동차 플라스틱 및 고분자 복합재료 분야 직접 고용, 출하량, 임금, 연봉(2016)
[표 6] 미국 자동차 플라스틱 및 고분자 복합재료 분야 직간접 고용 및 유도된 일자리
… 다음 내용은 핸들러 9월호에서 이어집니다.
