기술과 솔루션
자동차 경량화 플라스틱과 복합재료 2
작성자 : 이용우
2018-09-06 |
조회 : 4283
자료제공: 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 심층보고서
지난 8월호 ‘IV. 미국의 자동차용 플라스틱과 고분자 복합재료의 경제적 파급효과’에 이어서…
V. 자동차산업 지속을 위한 고분자 복합재료
SusChem 보고서는 여러 다른 기관과의 단계적인 절차와 협력의 결과로 만들어졌다. SusChem 이사회는 경량 재료와 복합재료를 조사 우선순위로 정하였으며, SusChem 전략적 기술혁신과 연구의제(SIRA)로 보고하였다. 자동차용 복합재료에 관한 SusChem 조사위원회는 화학산업, 자동차산업, 자동차 부품 공급업체와 학계의 전문가들로 구성되었으며, 유럽의 권위 있는 센터들의 자문과 함께 이 정책지침서를 발행하도록 추천하였다.
이 보고서 발행을 위하여, 복합재료 관련 10개 유럽 클러스터의 지도자들을 인터뷰하였다. 7개 클러스터는 또한 본 조사위원회에 참가하였으며, 화학산업, 자동차산업 및 학계 전문가들이 보고서 발행 전에 본 보고서에 대해 논평해주었다.
연료효율 제고와 배기가스 규제에 따른 시장 성장
세계 자동차용 복합재료 시장은 2011년 24억 2천만 유로(28억 달러)에서 2017년 37억 2천만 유로(43억 달러)에 이를 것으로 예상되며, 이는 연간 7%의 상승률을 나타내는 수치로, 유럽의 화학 및 복합재료 산업에 큰 기회를 제공하고 있다. 그러나 평균 자동차 재료 목록 중 현재 복합재료 점유율은 3.6%로 철, 알루미늄과 경쟁하고 있다. 놀랍게도 자동차 부문에서는 선박이나 소비재와 같은 다른 첨단부문에 비해 복합재료 사용 비율이 가장 낮다.
자동차산업에서는 대량 생산, 조립 공정, 연결 재료 특성 등에 대한 문제점을 해결해야만 한다. 자동차산업은 차량 경량화를 위한 복합소재의 잠재력을 더 많이 활용할 수 있다. 고성능 섬유 강화 플라스틱(FRP) 복합재료는 강철과 알루미늄의 성능을 능가할 수 있지만, 오늘날 강철과 알루미늄 제조업체들이 대량 생산 차체에서 효과적으로 중량을 줄이는 데에 성공했다.
유럽의 배기가스 규제(2015년 130g CO2/km 이하에서 2021년 95g CO2/km 이하로 감축)에 따르기 위해 연비효율 개선 및 배기가스 감축을 위한 차체 무게 경량화가 필요하다. 복합재료는 현재 주로 사용되는 철과 알루미늄에 비해 더 효과적으로 무게를 감축할 수 있다. 복합재료는 현재 주로 사용되는 철과 알루미늄에 비해 더 효과적으로 무게를 감축할 수 있다[(유리섬유강화 복합재료(GFRP)로 15~25% 무게 감축, 탄소섬유강화 복합재료(CFRP)로 25~40% 무게 감축 가능]. 차량 경량화를 이루면 EU에서 CO2 8백만 톤을 줄일 수 있게 된다. 이는 이론적으로 유럽 차 전체의 10%에 대한 33% 무게 감소로 발생되는 값이다. 2007년 유럽에서 자동차로 인해 5억 톤 이상의 CO2가 배출되었다는 것을 감안할 때, 경량 복합재료로 유럽 배기가스의 1.4%를 개선하게 된다.
그러나 재료의 높은 가격 및 대량 생산방법의 결여, 재활용 공정의 고비용이 미래 성장의 걸림돌이 된다. 바이오 기반 매트릭스 재료와 섬유는 복합재료의 환경 문제에 도움이 될 것이다.
이러한 문제점을 극복하기 위해, 복합소재 및 자동차 경량화 소재 혁신 클러스터(MAI Carbon Augsburg, CiC UK, AZL Aachen, Jules Verne IRT Nantes, IMAST)의 수립과 같은 다양한 공공-민간 협력 이니셔티브가 EU 회원국에서 시작되었다. 자동차와 화학산업(Toray-Daimler, SGL-BMW, SGL-VW, Toho Tenax-GM) 사이의 민간 협업도 부각되었다. BMW-SGL이 2억 달러를 투자하여 CFRP 공장의 생산능력을 3배로 늘린 것과 같이 이 분야에 많은 자원이 투입되었다. 그러나 미국이나 일본과는 달리, EU의 정책 및 R&D 프로그램은 자동차용 복합재료에 대한 전문성과 역량을 강화하기 위해 국가 차원에서 조정되고 있다.
에너지 효율이 높으며 에너지 소비량이 낮은 차량을 추구하는 화학산업의 중심역할 : 가치 사슬을 가지고 긴밀하게 협력
유럽위원회의 ‘Horizon 2020’ 프로그램은 실제 사회와 산업에 큰 영향을 줄 수 있는 적절한 R&D&I 투자를 목적으로 한다. Horizon 2020은 NCAP 5성급 안전수준을 제공하는 경량 차량을 위한 기술과 시장장벽 극복에 절대적으로 기여할 수 있을 것이다. 일부 OEM은 에너지 회수 개선에 중점을 두지만, 경량화는 전기적 이동성 증진에 잠재적인 조력자로 탄소 배출량 절감에 기여한다. 대형 R&D&I 프로젝트는 EU의 자동차 및 화학산업체들에게 고성능 FRP 채택을 가속화시킬 수 있다. 유럽 화학산업은 가치사슬 관련 협력업체들과의 긴밀한 협력을 통해 이러한 변화의 핵심 역할을 지속할 것이다.
SusChem은 2004년 창립 당시부터 비전과 임무를 달성하기 위한 핵심 미래 기술로 첨단 소재를 꼽았다. SusChem은 SusChem의 전략적 기술혁신 및 연구 의제(SIRA)에 수집된 고급 재료가 자동차를 포함하는 주요 최종 사용자 시장에 실제로 채택되도록 혁신 우선순위를 정하였다. SIRA는 현재 Horizon 2020의 일반적인 프레임 워크에서 업데이트되고 있다.
이러한 목적에 부합하며 도로운송 경량화를 위해 하위 기술과 화학의 연결을 추진하는 SusChem 및 자동차연구개발 협회 EARPA는 지난 2017년 10월 15일 프랑크푸르트에서 “자동차 복합재료 및 바이오 기반 재료에 대한 교차 기술혁신 기회 탐색”이라는 공동 워크샵을 개최했다. 이 워크숍의 결과 및 후속 조치에 대한 여러 가지 주요 결론 및 권장 사항이 본 보고서에 요약되어있다.
주요 목표: 경쟁력 있고 에너지 효율적인 자동차 복합재료 연구와 기술혁신을 위한 유럽 전역 프로그램 확립 및 적절한 지원 보장
Suschem의 SIRA 로드맵과 주요 자동차 로드맵을 고려하여, 이 보고서는 생산 장비 관련 업체를 포함한 주요 이해 관계자의 구체적인 정보를 가치 사슬 전반에 통합하였다. 이 보고서는 유럽 경제의 경쟁력을 강화시키고 자동차산업에서 첨단 복합재료 경량화 기술혁신을 더 빠르게 진척시킬 수 있는 구체적인 권장사항을 제공한다.
많은 관련 업계는 경량 자동차 소재와 특히 (C)FRP에 대한 EU의 지속적인 자금 지원에 대한 불확실성이 기술장벽 극복을 위한 실질적인 추진에 어려움을 줄 것으로 보고 있다. Horizon 2020 프로그램 내용에서, SusChem의 재료기술 실무 그룹은 위에서 언급한 주요 산업 이해 당사자들의 의견을 취합하고, 2016-17년 Horizon 2020 의제에 직접 입력해야 할 필요성을 이해한다. 소재와 차량 분야 간의 협력을 통해 장벽을 제거할 수 있는 R&D&I 주제 패키지를 제시하기 위한 목적으로 일련의 구체적인 과제가 정의된다. 첨단 복합재료의 가속화 실행을 향한 가장 중요한 요구사항 중 일부는 다음과 같다.
- 재활용 특성이 향상된 새롭고 혁신적인 고분자 복합소재 원재료
- 대량 자동차산업에 특화된 저비용 적응성, 유연하고 효율적인 제조 및 조립 공정
- 다수의 재료로 된 구조에서도 다수의 특성 디자인을 최적화
- 다중 재료와 복합재료용 자동 접합 기술
- 복합재료 부품에 보이지 않는 손상감별 및 복원 기술
그러나, 높은 의욕 수준에서 개별주제 파악을 넘어서서, SusChem은 유럽 여러 지역의 우수한 기술과 전문성을 활용하며 기술혁신을 가져올 수 있도록 장기 연구비를 가지고 유럽 전역의 R&D&I 조정역할을 구상하고자 한다.
조정된 R&D&I 프로그램과 더불어, 유럽 자동차 복합재료 역량 네트워크의 설립을 제안한다. R&D&I 중점 프로그램 간 네트워크는 다음과 같은 방법으로 지역 지식 중점 센터 간 조정을 개선할 수 있다.
1. 가치 사슬을 통해 공급자들과 대량 생산 공정에 대한 공동 개발을 촉진
2. 자동차 설계자와 엔지니어가 신차에 복합재료를 성공적으로 결합하는데 필요한 기술 개발
3. 자동차 설계, 생산, 조립 및 수명에 관련된 직원들에게 필요한 기술을 제공할 수 있는 교육 프로그램 확립
4. 재료 모델로부터의 모의실험 및 차량설계 도구에 이르기까지 설계 도구의 단일화 및 단순화
Ⅵ. 친환경 자동차용 고분자 복합재료
고분자 복합재료는 고분자 매트릭스(열경화성 또는 열가소성 수지)와 보강재인 섬유(일반적으로 유리, 탄소 또는 천연 섬유)의 조합으로 만들어진 재료로 정의된다. 결과적으로 섬유강화플라스틱(FRP)을 의미한다. FRP 복합재료는 필러, 개질제 및 첨가제를 함유하고 있으며, 이는 복합재료의 특성을 조절하고 성능을 향상시킨다. [그림 5]는 고분자 복합재료 개요를 나타낸다.
[그림 5] 고분자 복합재료 개요
FRP 복합재료는 등방성이 아닌 이방성 재료이다. 등방성 재료는 모든 방향에서 균일하며 동일한 특성을 나타내는 반면, FRP 복합재료는 방향에 따라 달라지기 때문에 최상의 기계적 특성은 섬유 배치 방향에 달려있다. 많은 구조물과 부품에서 응력과 하중은 방향에 따라 다르다. 결과적으로 FRP 복합재료는 더 효율적인 구조 설계를 가능하게 한다. 또 다른 장점으로는 경량화, 무게대비 고강도, 내식성 및 내후성, 장기 내구성, 낮은 유지 보수 및 치수 안정성이 있다.
FRP 복합재료의 정확한 조성은 사용하려는 용도에 따라 결정된다. 구성 물질의 유형, 양, 그리고 제조공정이 최종 복합재료의 특성에 영향을 준다. 전반적으로 복합재료 설계 시 고려해야 할 가장 중요한 요인에는 섬유(종류, 양 및 방향), 수지 유형, 사용 환경, 제품의 가격, 제조공정 및 생산량이 포함된다.
이용 가능한 복합재료 제조공정과 장단점 및 한계를 잘 이해하면 가장 효율적인 공정을 선택할 수 있다. 고려해야 할 핵심 인자에는 생산량 및 속도, 제품의 형태 및 크기, 경제 목표, 표면 복잡성, 재료와 성능 요구사항이 포함된다. [그림 6]은 생산 공정 개요를 보여 주는 그림이다.
[그림 6] 생산 공정 개요
제조공정에는 Open Moulding(OM)과 Closed Moulding(CM)의 두 가지 주요 범주가 있다. OM에서는 몰드의 한쪽만 사용하기 때문에 겔 코트와 라미네이트가 공정 중 대기에 노출되는 반면, CM에서는 몰드의 양면을 사용하는 한 세트 내에서 가공된다.
OM 및 핸드 레이업은 FRP를 제조하는 가장 보편적이며 널리 사용되는 방법이다. OM으로는 외장 부품에서 내장 부품까지 제작할 수 있다. OM은 수작업으로 처리할 수 있는 한 매우 큰 부품을 만들 수 있다. 이는 매우 노동 집약적이며 적은 양을 생산할 수 있고, 저비용 공정이며 배기가스가 문제가 될 수 있다.
한편 CM은 배기가스 기준을 충족하며 새로운 전략을 제시할 수 있다. 추가적인 장점으로는 일관된 방법으로 대량 생산이 가능하다는 것과 인건비 및 마감 작업 절감, 적은 폐기 비율, 적은 금형으로 부품 자동화가 가능하다는 것이다.
최근, 점점 더 많은 부품이 복합재료로 만들어지고 있으며, 이 과정에서 전통적인 재료를 대체하고 있다. [표 7]에 지난 5년간 시장에서 자동차 부품에 사용된 복합재료의 몇 가지 예에 대해 나타냈다.
[표 7] 자동차 부품에 사용된 복합재료의 예
또한, 자동차 제조업체들은 섀시, 내장 및 외장 부품과 같은 복합재료 개발 가능성이 있는 일부 자동차 부품을 목표로 삼고 있다. 이들 부품의 예는 아래와 같다.
о GFRP: (Interior headliner, un-der body system, air intake manifold, instrument panel, bumper beam, air cleaner
о CFRP: Chassis/monocoque, roof, tailgate, hood, floor panel, side panels, trunk lid, hood frame, fender, rear spoiler, bumper
Ⅶ. 유럽 자동차용 복합재료 공급 가치 사슬화
자동차용 복합재료 가치 사슬은 현재 대대적으로 재설계가 진행되고 있다. 자동차 분야의 복합재료는 과거 Formula 1의 스포츠카와 슈퍼카 부문에서 큰 성공을 거두었다. 이는 전문 지식을 요하는 다양한 소형 첨단기술 산업체로 구성된 단편적인 지원 산업을 창출해냈다. 최근 몇 년 동안 CFRP 사용은 최첨단 고급 분야에서 대량 생산 차량으로 이어지고 있다.
복합재료 공급업체들은 대량 생산부문에 자체 전문성을 활용할 수 있게 하기 위해서 이들의 능력을 발전시켰다. 주요 복합재료 생산에서의 경험과 산업화의 결여는 OEM이 복합재료 가치 사슬을 증대시킬 수 있는 믿을 수 있는 업체를 찾게 하였다.
2009년부터 업계에서는 수많은 자동차 제조업체가 복합재료 공급업체와 협력 관계를 맺어왔다. 대량 생산 요구조건에 맞추기 위해서, 현재 비싼 재료 가격, 긴 작업 사이클 시간과 자동화의 결여, 배출가스 규제에 맞는 산업화 제조 등이 해결해야 할 과제이다. Tier 1 공급업체와 OEM은 가치 사슬 수직 통합을 허용하기 위해 다양한 전략을 택하였다. 여기에는 협업, 합작 투자 및 합병이 포함되며, 이러한 전략의 예를 [표 8]에 나타냈다. [그림 7]은 자동차용 복합재료 가치 사슬과 관련된 다양한 회사들을 요약한 것이다.
[표 8] 대량 자동차 복합재료의 수직 통합을 위한 OEM 및 Tier 1 공급업체의 전략
[그림 7] 자동차용 고분자 복합재료의 가치 사슬 개요
유럽의 과학 및 기술 우수성
최근 유럽 전반에 걸쳐 정부는 자동차용 복합재료 분야의 기회를 인식하기 시작했다. 대학 및 기업의 협력 파트너와 공동으로 연구 센터를 설립하기 위해 많은 투자가 이루어졌다.
[그림 8] EU의 자동차 복합재료 허브 지표
미국과 일본의 발전에 따라, 유럽은 산업의 주도권을 유지할 필요가 있다. 선도 국가 중 하나로 인식되고 있는 독일은 플라스틱, 복합재료 및 자동차산업, 학계 및 정부 간 협력을 포함하는 여러 센터를 운영하고 있다. 뮌헨-아우크스부르크-잉골슈타트(MAI) Carbon은 2007년에 설립되었다. 그다음 AZL Aachen(2013), Hybrid Open Labfactory(2013)과 Arenna 2036(2013)과 같은 다른 센터들이 설립되었다. [그림 8]은 EU 자동차용 복합재료 허브 지표를 보여 주고 있다.
영국은 2011년 국가복합재료센터(NCC)를 포함하는 25개 기관의 컨소시움을 2011년에 창립했다. 이는 2014년 2단계에 진입했으며, 영국의 고부가가치 제조시설로써의 기능을 더욱 잘 수행할 수 있는 확장된 시설을 갖추고 있다. 이 센터는 GE, Rolls-Royce, TenCate 및 Bristol 대학과 협력하여 지역 복합재료 센터들을 조정하며 2009년 시작한 영국 복합재료 전략을 지원한다. 이는 영국의 복합재료 공급망을 경쟁력 있게 준비하기 위해서 숙련된 인력, 기술과 공정에 대한 미래 글로벌 수요에 적합한 경쟁력에 대응할 수 있도록 개선하는 것을 목표로 한다.
2012년에 창립된 프랑스의 Jules Veme IRT, 이탈리아의 IMAST 및 스웨덴의 복합재료 센터와 같은 유럽에서의 발전은 유럽 정부들이 미래 자동차용 복합재료의 제조와 사용을 위한 새로운 방법 개발의 중요성을 인지하여 이루어지고 있다. 또한, 최근에 협력 프로젝트에서 협력 연구가 결실을 보여 주었다.
자동차용 복합재료 세계 시장 전망
지난 몇 년간의 투자 덕분에 유럽은 자동차 복합재료 기술의 최첨단을 유지해왔다. 그러나 설립된 센터들은 종종 서로 연결되지 않은 상태로 민간 제조업체, 연구소 및 정부 사이의 독립적인 협력 형태이다. 이러한 다양한 이니셔티브와 전문 분야를 활용하면 향후 수십 년간 미국과 일본과 같은 다른 지역의 경쟁이 치열해지는 가운데 산업을 발전시켜 나갈 수 있을 것이다.
о 미국
미국 역시 이 부문에 기회가 있다는 것을 인식하고 있다. 2012년에 발표된 기업 평균 연비(CAFE) 규제는 2025년까지 신규 차량의 연비를 갤런 당 54.5 마일로 높여서 국가 석유의존도를 낮추는 것을 목표로 한다. 이러한 규제의 압력은 연료효율 목표달성을 위해 차량 경량화와 같은 솔루션을 사용해야 한다는 것을 의미한다.
이를 위해 미국 화학협회는 2014년 3월 ‘자동차 시장을 위한 플라스틱 및 고분자 복합재료 기술 로드맵’을 발표해 2030년까지 우선적인 자동차용 소재로써의 복합재료 확립을 위한 9가지 지침에 대해 설명했다. 이는 자동차, 플라스틱 및 복합재료 산업이 긴밀하게 협력하는 것을 의미한다. 해결해야 할 목표에는 대량 생산 공정, 가치 사슬의 다른 부분 간의 협력 개선 및 복합재료 부품비용 절감이 포함된다.
궁극적으로 이러한 수행 우선순위 시행을 구현하면 미국의 자동차 복합재료 회사들이 긴밀하게 협력하여 세계 시장에서 미국의 위상을 향상시킬 수 있을 것이다. 복합재료 사용을 촉진하기 위해 1988년에 설립된 Automotive Composites Alliance와 같은 로비 단체들은 헌츠만, 오웬 코팅과 같은 회원을 보유하고 있으며 업계가 이러한 정책에 관심을 갖고 참여하게 하고 있다.
최근 연방정부 이니셔티브는 자동차 응용을 포함한 첨단 복합재료 사용을 권장하고 있다. 2015년 1월부터, 미국 에너지부는 122개 산업체, 대학 및 비영리 단체로 구성된 컨소시엄과 함께 7천만 달러를 투자하여 첨단 복합재료 제조연구소 설립에 1억 8천만 달러 이상을 투자할 예정이다. 이 계획의 OEM 회원으로는 폭스바겐, 혼다 및 포드가 포함되어 있다. 테네시주 Knoxville에 본부를 둔 이 연구소는 모든 응용 분야에서 첨단 복합재료의 제조비용을 낮추고 복합재료 생산에 필요한 에너지를 절감하며 재활용성 개선을 목표로 하고 있다.
이 연방정부 이니셔티브는 민간 이니셔티브를 따른다. Rocky Mountain Institute(RMI)는 2013년 6월 Autoc-omposites Commercialization Lau-nchpad(ACL)를 발족하여 2050년에는 화석연료를 사용하지 않는 미국의 교통수단을 더욱 가볍게 전환하는 것을 목표로 삼고 있다. ACL에는 2개의 핵심 중점분야가 있다. 대량 생산으로 자동차에 CFRP 부품을 결합시킨 공급 사슬을 통합하는 산업화 프로젝트 개발과 FRP 산업에서 R&D를 집중화하고 조정하는 데 중점을 둔 혁신 허브 마련이다.
о 일본
일본은 전통적으로 자동차 복합재료 강국으로, Toray, Teijin, Fuji 중공업과 같은 대기업을 가지고 있다. 새로운 대량 생산방법 개발 및 제조비용 절감이 요구됨에 따라, 2013년 나고야 대학에 국가복합재료센터가 설립되었다. 이곳은 CFR 열가소성 부품개발과 공정을 개발하고 산업화하는 것을 목표로 한다.
일본의 화학 회사들은 국내외에서 사업을 확장하고 있다. Toray그룹은 자동차 부품을 비롯한 다양한 제품 생산시설에 약 3억 유로를 투자하였으며, 일본의 생산 설비뿐만 아니라 미국, 프랑스 및 한국의 생산 설비에도 투자하였다. 사실, 일본 제조회사들은 외국 협력업체, 합작 투자 및 인수를 통해 자신의 역량을 강화하고 있다. 앞서 언급한 것 이외에도 Toray는 저비용 탄소섬유 전구체 수요증가에 대응하기 위해 Zoltek Inc를 4억 6,800만 유로에 인수하였다. Teijin은 GM과 파트너십을 맺고 새로운 탄소섬유 기술을 개발하기 위해 미시간에 수백만 달러를 투자하였다.
복합재료 시장 수요: CRP/GRP 동향
세계 자동차 복합재료 재료부문은 2011년 약 28억 달러에서 2017년 43억 달러까지 성장하며 연간 약 7%의 성장률을 보일 것으로 예상된다[그림 9].
이는 오늘날 운송, 특히 자동차 때문이며, 알루미늄 또는 철강과 같은 경쟁 재료에 비해 복합재료는 낮은 점유율(3.6%)을 차지하고 있다[그림 10]. 이러한 수치는 자동차 분야 복합재료를 대량으로 적용할 수 있는 큰 기회가 있다는 것을 나타낸다.
[그림 9] 용도별 전 세계 FRP 출하량
[그림 10] 경쟁 재료(강철, 알루미늄) 대비 각 시장 부문에서의 복합재료 점유율
탄소섬유 복합재료와 CFRP 시장
2013년, CFRP에 대한 전 세계 수요는 약 72,000톤이었으며 매출액은 75억 6천만 달러였다. CFRP는 총 탄소섬유 복합재료 시장의 64%(147억 달러)를 차지했다. CFRP 소비량은 2020년까지 10.6%로 성장하여 146,000톤의 수요와 160억 달러의 매출을 올릴 것으로 예상된다. CFRP 내에서, 열경화성 플라스틱은 76%(매출액 71억 5천만 달러), 열가소성 플라스틱은 24%(매출액 22억 5천만 달러)이며, 열가소성 플라스틱의 많은 부분은 폴리프로필렌, 폴리우레탄과 폴리이미드를 활용한다.
CFRP 시장의 대부분을 차지하는 두 가지 제조 범주는 Pultrusion 및 Fila-ment-Winding 법으로 전체 시장의 40%를 차지하며, Prepreg layup 제조법이 37%를 차지한다. 북미는 CFRP 시장의 34%(50억 7천만 달러)를 점유하며, 서유럽은 32%(47억 달러), 일본은 15%(22억 1천만 달러)를 차지한다.
유리섬유 복합재료와 GRP 시장
2013년 GFRP의 EU 생산량은 2.2Mn톤(단섬유 열가소성 플라스틱을 제외한 경우 1.043Mn톤), 총 가격은 50억 9,300만 달러에 해당한다. 이 수치는 2004년 절대값과 같다. 2013년 1.043Mn 톤에 초점을 맞추면, 85% 이상이 열경화성 재료를 차지하는 반면, Glassmat 강화 열가소성 플라스틱(GMT)과 장섬유 강화 열가소성 플라스틱(LFT)은 11%를 차지한다. 독일(자동차산업)과 영국(건설부문) 같은 유럽 국가들의 성장은 상대적으로 평균 이상인 반면, 생산 및 소비 또한 BRIC 국가로 이동하고 있다.
응용 산업별 GFRP 분포와 관련하여, 수송부문은 전체 생산량의 1/3을 소비한다(35%, 357,000톤). 운송부문에는 도로 주행차, 철도 기관차, 보트와 항공기가 포함된다.
[그림 11] EU에서 다양한 응용산업을 위한 GFRP 생산(좌), 2004년 이후 유럽연합의 GFRP 생산량(우)
차량용 복합재료 사용에 대한 동기 부여와 추진 요인
자동차용 복합재료 시장의 성장은 금속 부품의 부식을 줄여야 하는 필요성에 의해 성장하였다. 그러나 금속 부품 부식방지를 위해 금속 부품에 아연을 코팅하기 시작하였다. 자동차 제조업체들은 미적인 이유로 복합재료를 사용하여 독특한 모양, 질감 및 외관을 가진 부품을 차량에 설치할 수 있게 되었다. 이에 대한 한 예가 BMW M3이다. 특히 소량 생산에서, 복합재료는 부품생산에 필요한 장비 및 기계 부품비용이 저렴하여 실행 가능한 옵션이 되었다. 이들 차량이 요구하는 프리미엄 가격은 제조업체가 더 비싼 복합재료 부품을 사용할 수 있게 해준다.
오늘날, 차량 경량화는 세계 자동차용 복합재료 시장의 급속한 확장을 견인하는 중요한 요소이다. 다른 경량 재료들도 자동차 재료로 혼합되어 사용되어 왔지만 [그림 12]에서 보여 주는 바와 같이, 고강도 철, 알루미늄과 플라스틱 복합재료 사용이 점점 더 증가 되고 있다. 재료의 경량성 및 강성으로 인해 플라스틱 복합재료는 차량 무게를 줄일 수 있는 유용한 옵션이다. 차량의 무게를 줄이는 것은 아래에 설명된 요인들로 인해 더욱 두각을 나타내고 있다.
[그림 12] 자동차 혼합 재료
CO2규제 및 연비 향상
첫째, 유럽의 탄소 배출 규제는 2015년 130g/km CO2에서 2021년 95g/km CO2로 km당 허용되는 CO2 배출량을 낮추게 될 것이다. CO2 배출 허가량은 2030년까지 68~75g/km CO2 수준으로 제안되었다. 이는 OEM이 차량 연비를 향상시키도록 장려한다. 가능한 한 가지 방법은 복합재료로 만든 부품을 사용하여 차량의 무게를 줄이는 것이다. 그러나 일부 OEM은 세계의 다른 지역에 비해 더 엄격한 규제에 대하여 우려를 표시하였다. 이로 인해 제품 또는 기술 개발에 추가 비용이 발생할 수 있기 때문이다.
엄격한 규제의 영향으로 인해 소비자들은 더 연비가 좋은 차를 요구하고 있다. 기후 변화에 대한 사회적 인식이 높아지고 높은 연료 가격과 환경 문제가 강조됨에 따라 소비자들은 연료효율이 더 좋은 차를 찾는 것이다. 자동차의 연비는 소비자들의 구매 결정에서 점점 더 주요한 인자가 되고 있다. 이는 구매자들이 차량 사용 기간의 총비용을 고려하기 때문이다. 규제를 충족하고 시장 수요에 매력을 가지는 두 가지 목표를 갖고 있는 자동차 OEM은 경량화와 같이 연비가 높은 차를 만들기 위한 방법을 개발하고 있다.
전기차 활용 증가
많은 전문가들은 전기차가 차량 무게 감소 전략에서 kg당 더 많은 비용을 절약할 수 있다고 생각한다. 한편 일반적인 내연기관 기반 대량 생산 차량은 대부분 kg당 2~3유로만 절약되지만, 일부 전문가들은 전기차에 대해서 kg당 7~8유로를 절약할 수 있는 수준이라고 제시했다. 일반적으로, 차량이 무거울수록 더 많은 에너지를 소비한다.
대부분의 자동차 제조업체들은 내연기관 차량 및 전기차 모두에서 복합소재 경량화 전략의 일환으로 복합소재를 점점 더 많이 찾고 있다. 전기차에서, 차체를 경량화시키면 운행 거리는 그대로 유지하면서 배터리의 크기를 줄일 수 있다. 차체 및 배터리 팩 무게를 줄이면 브레이크 시스템 및 드라이브 트레인 부품과 같은 다른 부품의 소형화를 가능하게 하여 전체 차량의 중량 감소에 대한 복합 효과가 발생한다. 내연기관 차량의 경우 무게가 가벼울수록 배기가스 배출량이 감소하고 에너지 효율성이 개선된다. 물론 복합재료를 이렇게 활용하기 위해서는 여러 가지 기술적 그리고 전반적인 문제들을 극복해야만 된다.
복합재료 제조공정과 접합 기술
복합재료 제조공정에서 원자재 가격은 제조업체가 OEM과 소비자에게 경쟁력 있는 가격으로 제공하기에는 너무 고가이다. CFRP는 탄소섬유 제조에 관련된 복잡한 공정으로 인해 기본 재료 가격보다 훨씬 비싸다. 섬유를 꼬아 엮고(weaving), 엉키지 않게 하고 사전 함침(pre-impregnation) 시키는 공정으로 인해 고가의 CFRP가 만들어지게 된다. GFRP는 이보다 저가로 생산할 수 있기 때문에 더 다양한 분야에 활용될 수 있다. 낮은 가격의 탄소섬유를 얻는 것은 자동차 제조업체가 CFRP를 더 많이 사용하기 위한 전제 조건이다.
복합재료는 섬유를 포함하기 때문에 금속보다 연성이 적으며 손상 정도가 다르다. 손상은 표면 아래쪽에서 자주 일어나기 때문에 가시적으로는 거의 보이지 않는다. 또한 소형 복합재료 품목에 적용할 수 있는 비파괴 시험법을 자동차에 통합된 부품에는 적용할 수 없다. 손상 탐지와 평가는 중요한 구조 부품에서 필수적으로 진행되어야 하는 부분이다.
자동차에 복합재료를 도입하면 차량의 총 중량이 감소한다. 복합재료는 기존의 금속 부품과 함께 사용되는데, 그 이유는 금속은 복합재료에 비해 특정 용도에 더 적합한 몇 가지 구조적 특성을 갖기 때문이다. 이러한 조합은 여러 종류의 재료로 구성되는 부품과 차체를 만든다. 이러한 재료는 안정적이고 신뢰할 수 있는 공정으로 결합되어야 한다. 성형된 복합재료의 표면 역시 결합기술에 활용될 수 있도록 만들어져야 한다. 금속을 접합시키는 용접 같은 접합기술은 복합재료에 사용할 수 없다. 복합재료를 금속에 접합시키는 것뿐만 아니라, 복합재료를 다른 재료로 된 복합재료에 결합시키는 것 역시 해결해야 할 과제이다. 접착제 결합과 같은 기술이 다중 재료 차체에 사용되고 있지만, 이는 비용을 더 들게 할 수 있다. 자동화 확대와 더 빠른 접착제 결합이 이에 기여할 수 있을 것이다.
현재 업계에서는 공급업체 간에 이러한 공정과 재료에 대해 표준화가 되어있지 않은 상태이다. 이러한 접합 기술의 구조 강도, 수리 가능성 및 성능에 대한 평가 또한 표준화되어 있지 않기 때문에 다중 재료 차체에서의 복합재료의 적용 가능성을 저하시키고 있다.
복합재료로 만든 자동차 부품
[그림 13]은 최근 일본에서 복합재료를 이용하여 만든 차량 부품의 예시이다.
▪GFRP: Interior headliner, under body system, air intake manifold, instrument panel, bumper beam, air cleaner.
▪CFRP: Chassis/monocoque, roof, tailgate, hood, floor panel, side pa-nels, trunk lid, hood frame, fender, rear spoiler, bumper
[그림 13] 일본에서 복합재료를 이용하여 만든 차량 부품 예시
