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자동차 경량화 기술
최근 자동차업계는 환경공해 문제와 동시에 연비향상을 위해 다양한 연구개발을 하고 있다. 이와 함께 자원재활용을 위한 리사이클링 등에 대한 폭넓은 연구개발이 이루어지고 있다. 특히 소재의 경량화는 엔진효율을 높여 자동차의 성능향상을 극대화시키고 그로 인해 연비향상을 도모할 수 있어서, 결국 소재의 경량화는 환경오염 방지와 연료절감에 가장 적합하고 효과적인 방법으로 인식되고 있다
선동주 「한국특허정보원(KIPI) 조사분석1팀」
최근의 자동차 관련 기술개발의 동향은 무공해(전기)자동차, 자동차부품의 모듈화, 자동차의 경량화에
대한 연구를 중심으로 기존 자동차의 연비향상 뿐 아니라 차체 수명연장, 안정성 향상, 배기가스의 정화, 소음방지, 그리고 자원재활용을 위한 리사이클링 등에 대한 폭넓은 연구개발 투자가 이루어지고 있다.
특히 소재의 경량화는 엔진효율을 높여 자동차의 성능향상을 극대화시키고 그로 인해 연비향상을 도모할 수 있어서, 결국 소재의 경량화는 환경오염 방지와 연료절감에 가장 적합하고 효과적인 방법이라 할 수 있다.
자동차의 경량화 방안은 우수한 물성을 갖는 경량재료의 개발과 기존재료의 제조방법 개선을 통한 기계적 성질을 향상시키는 방법 등이 있으며, 이를 위해 사용되는 재료로 알루미늄(Al) 합금, 마그네슘(Mg) 합금, 티타늄(Ti) 합금, 철강재료 등의 금속재료와 플라스틱이나 세라믹 재료 등이 있다.
플라스틱과 세라믹은 가볍다는 이유로 현재 많은 연구가 진행되어 있으나, 아직까지 이들 재료가 안고 있는 기계적 특성상의 결정적인 한계로 인해 금속재료가 여전히 자동차 재료를 주도할 것으로 보인다. 이번 호에서는 자동차의 경량화를 위한 소재들에 대해 알아보고 현재까지의 국내외 자동차 경량화 기술에 대한 특허동향을 살펴본다.
소재별 경량화 기술동향
자동차에 쓰이는 재료는 강(鋼), 주철, 소결재료, 동(銅), 아연(亞鉛), 알루미늄 등의 금속재료로부터 고무, 유리, 플라스틱, 접착제, 섬유 등의 비금속재료까지 많은 종류가 있다. 여기에서는 경량화 소재로 주목받고 있는 알루미늄, 마그네슘, 플라스틱, 세라믹 소재들에 대한 기술동향을 알아본다.
알루미늄(Aluminium)
 자동차의 재료로서 알루미늄은 구성비율이 서서히 높아지고 있다. 그러나 일부 모델을 제외하면 아직 사용부위는 제한적이다. 주로 엔진본체와 관련부품, 휠, 열교환기, 서스펜션 암, 범퍼 빔 등이며 차체부품으로서는 엔진후드와 트렁크 리드 등의 클로저 패널 채용에 머물러있다.
알루미늄은 엔진부품 등의 다이캐스트와 압출 등의 가공법으로는 원래 뛰어나지만 보디 등의 판금부품의 가공성은 스틸에 비해 뒤떨어지는 단점이 있었다. 이것을 극복하기 위해 다양한 알루미늄 합금이 개발되었다. 프레스 성형이 곤란한 점, 주름누름(BHF) 제어법이라는 성형방법으로 개선이 진행되고 있다.
 또 다른 큰 문제점은 융합이다. 스폿 용접이 개량되고 있으나 아직 양산성에는 부족하다. 대신 접착용접이나 리벳 등의 기계적 접합, 혹은 이들과 스폿 용접이 함께 개발되어왔으며 일부에서는 실용화도 진행되고 있다.
알루미늄은 철 등의 이종금속과의 접촉에 의해 국부 전지가 구성되어 전식(電蝕)을 일으키기 쉽다는 문제가 있다.
그래서 부분적으로 알루미늄을 채용할 경우에는 그 대책이 가능한 클로저 패널에 한정되어, 화이트 보디의 경우에는 필연적으로 올 알루미늄이 되었다. 알루미늄 화이트 보디도 1990년에 혼다 NSX가 80% 이상 판재의 알루미늄으로 구성되었던 때에 비해 크게 보디 구조가 개량되었다.
 1994년에 아우디 A8에서 시작하여 A2에도 채용되었던 알루미늄 압출재를 사용한 알루미늄 스페이스 프레임이 현재의 알루미늄 보디의 주력이 되고 있으며 혼다의 인사이트에도 판재의 비율이 57%로 인하되었다. 스페이스 프레임에서는 판의 두께가 두껍기 때문에 용접이 쉬워 용접할 부분도 줄어들게 되었다.
또한 프레스 부품도 줄어들었기 때문에 코스트 다운이 가능해지기도 했다. 도요타도 2001년의 프랑크프르트 모터쇼와 도쿄모터쇼에 스페이스 프레임에 의한 올 알루미늄 보디의 컨셉트카를 출품했다. 향후 공법의 개량이 더욱 추진되면 알루미늄 보디 자동차가 크게 증가할 가능성도 있다고 생각된다. 철 비중의 1/3이라도 소재로서의 알루미늄은 차체의 경량화에 상당히 매력적이다.
또한 알루미늄의 재생 합금을 만드는 에너지는 보크사이트에서 새로운 합금을 만들 때의 3%에 지나지 않는다는 리사이클 용이성이 있다. 따라서 일본, 미국, 유럽 모두 자동차 1대당 알루미늄의 수요는 향후 신장할 것이라고 예상된다. 따라서 트렁크 리드와 엔진후드, 도어 등의 클로저 패널의 일반차 채용 확대가 전망된다.
마그네슘(Magnesium)
마그네슘은 실용금속 중 가장 가벼운 금속이다. 주로 가볍다는 특성과 리사이클이 용이하므로 최근 수지부품을 대신해 유럽, 미국에서는 자동차부품에, 일본에서는 휴대용 전자기기 부품에, 마그네슘의 수요가 증가해 왔다.
자동차에 있어서는 진동흡수성이 높다는 점을 살려 스티어링 휠의 합금으로 사용되고 있는 것을 비롯해 실린더 헤드커버, 스티어링 컬럼의 키, 실린더하우징, 휠, 클러치나 트랜스미션의 하우징 등에 사용되고 있다. 휠은 주조품이지만 기타는 거의 다이캐스트에 의한 것이다. 가공법에 대해서 치크소몰딩법이라는 성형기술이 최근 확립되었다.
이것은 마그네슘, 플라스틱과 같이 사출 성형하는 기술로, 생산성이 향상되고 있다. 때문에 플라스틱에서 마그네슘의 전환도 많다. 마그네슘합금은 원래 소성(塑性: 물질합금) 가공성이 떨어지기 때문에 프레스 성형에는 거의 사용되지 않았으나 이러한 문제도 극복되고 있다.
2001년 9월 마루베니(丸紅)는 메이킹 다나카(田中)와 후지엔지니어링과 공동으로 마그네슘 합금의 프레스가공에 의한 양산기술을 개발했다고 발표했다. 얇게 하는 기술도 가능하다. 미분말이 발생하지도 않는다. 이 기술에 의해 마그네슘의 자동차 응용 가능성은 크게 확대될 것으로 보인다.
삼협(三協)알루미늄공업도 2002년 3월부터 마그네슘 합금사업에 참여를 표명했다. 중국 등 새로운 마그네슘 산지도 늘어나 원료가격도 절감되고 있으며 마그네슘은 자동차용 재료로서 향후 더욱 신장이 기대되고 있다.
플라스틱(Plastic)
플라스틱 자동차 1대에 차지하는 구성비율은 최근 알루미늄과 거의 동등해 약 8%이다. 플라스틱에는 다양한 종류가 있으며 각각의 특성을 살린 여러 가지 용도로 사용되고 있으며 공통된 특성으로서 가볍고, 부식되지 않으며, 가공하기 쉽다는 것을 들 수 있다.
그 때문에 자동차에도 기존부터 사용되어왔던 내장부품에 이어 1980년대부터 엔진부품이나 외장부품에도 확대 채용되어 구성비율을 크게 신장시키고 있다. 엔진부품으로서 실린더헤드 커버, 흡기 매니폴드, 라디에이터 탱크 등 외장부품에는 범퍼, 휠 커버, 헤드램프 렌즈, 도어핸들, 퓨얼리드 등이 수지화되어 왔다.
플라스틱은 일반적으로 강도에 있어 금속에 떨어지므로 강도가 필요한 보디쉘에는 아직 응용되고 있지 않다. 단지 펜더나 도어패널 등 보디 외판패널에 대한 적용은 이전부터 몇 번 시도되었다. 일본에서는 1983년 혼다 CR-X의 외판패널 일부, 1988년 닛산 B2-1의 외판패널, 1992년 마쓰다 AZ-1의 전면 외판패널 채용사례가 있으나 그 외는 한정적이다.
플라스틱의 강도를 향상시키는 방법으로는 강도가 높은 소재와 조합시킨 복합재료가 있다. 대표적인 것이 유리섬유로 강화한 글라스파이버(GFRP), 탄소섬유로 강화시킨 카본파이버(CFRP)이다. 카본파이버는 강도가 스틸의 4배로 이미 비중은 철의 1/4이며 때문에 F-1 등의 레이싱카 모노콕이나 브레이크에 채용되고 있다.
그러나 그 성형의 어려움이나 높은 코스트 때문에 일반 차에는 적용하기에는 현실적이지 않다.
일본에서도 스카이라인 GTR의 엔진후드에 한정적으로 채용되었을 뿐이다. 플라스틱의 과제는 그 사용되고 있는 종류가 다양하므로 리사이클에 어려움이 있다. 리사이클 식별용으로 재질을 나타낸 마킹을 사용한다거나 리사이클하기 쉬운 재질로 변경한다거나 하는 대책이 필요하지만 향후에는 사용되는 플라스틱의 종류가 통합될 것으로 생각된다.
유럽, 미국에서는 최근 다시 플라스틱 패널을 적극적으로 채용하는 동향을 보이고 있다. 예를 들면 다임러 크라이슬러의 스마트는 외관패널에 플라스틱을 사용하고 있으나 , 그 플라스틱 패널은 도료의 안료를 복합적으로 넣은 수지를 사출성형해 클리어 코트한 것이다. 어려웠던 수지도장의 코스트를 크게 인하시켰다. 또한 GE 플라스틱사는 2001년 11월 PC(폴리카보네이트)제의 리어 윈도와 플라스틱을 채용한 스로틀 보디를 개발했다고 발표했다.
세라믹
자동차용 세라믹스는 고온성, 고강도성, 내마모성, 화학적 안정성, 경량성 등으로 신소재로서 개발이 확대되고 있으며, 그 용도로서는 기능성 세라믹스와 구조용 세라믹스로 대별되고 있다. 기능성 세라믹스는 세라믹스의 전자기적 혹은 광학적 특성을 이용해 자동차용 각종 센서나 표시장치에 적용되고 있으며 구조용 세라믹스는 경량으로 고온강도나 내마모성 등의 특징으로 디젤엔진 부품으로 쓰이고 있다.
그러나 생산기술적 측면에서 양산성 성형가공이 불가능하고 세라믹의 파괴는 금속과 달리 결정적인 복잡한 2차 파괴로 나타나 설계나 접합기술상 많은 문제점을 안고 있다.
국내 특허동향
소재별 국내 출원현황
 소재별 출원현황을 살펴보면 <그림 1>에서 보는 것과 같이 알루미늄과 플라스틱 소재의 출원건수가 가장 많으며 세라믹과 마그네슘은 극히 일부만이 출원되고 있는 것을 볼 때 아직까지 알루미늄과 플라스틱 소재가 자동차의 경량화 기술에 있어서는 많이 이용되고 있음을 알 수 있다.
연도별 소재별 출원추이
 연도별 소재별 출원추이를 살펴보면 <그림 2>에서 보는 것과 같이 1990년대 초반부터 최근까지 알루미늄과 플라스틱 분야는 꾸준히 출원되고 있음을 알 수 있다. 세라믹소재는 1990년대 중반까지는 출원되었으나 1990년대 중반 이후부터 현재까지 거의 출원이 없는 것으로 나타났다.
이러한 이유는 앞에서 언급한 것과 같이 아직까지 세라믹 소재는 설계나 접합기술상 많은 문제점으로 인해 기술개발에 있어 제한이 따르기 때문인 것으로 보인다. 마그네슘 소재는 1990년 중후반에 활발히 출원되다가 1998년부터 2000년 까지는 거의 출원되지 않았음을 알 수 있다. 하지만 최근 들어 자동차의 경량화에 대한 인식이 높아지면서 2001년 이후부터는 꾸준히 출원되고 있는 것으로 나타났다.
국내 주요 출원인 분포
 국내 주요 출원인 분포를 살펴보면 <그림 3>에서 보는 것과 같이 현대자동차, 기아자동차, 대우자동차 등 자동차 3사의 출원이 가장 많은 것으로 나타났으며 그 중에서 현대자동차와 기아자동차의 출원이 50% 이상을 차지하고 있는 것으로 나타났다. 만도나 삼성자동차도 출원양은 많지 않으나 이 분야에 대한 기술개발에 참여하고 있음을 알 수 있다.
국내 주요 출원인의 소재별 출원현황
 국내 주요 출원인의 소재별 출원현황을 살펴보면 <그림 4>에서 보는 것과 같이 전체적으로 알루미늄 소재와 플라스틱 소재에 관한 출원이 많으며 그 중 플라스틱 소재에 관한 출원이 알루미늄 소재보다 더 많은 것으로 나타났다.
출원인별로는 현대자동차와 삼성자동차는 플라스틱 소재가 출원양이 많으며 기아자동차, 대우자동차, 만도는 알루미늄 소재에 관한 출원이 많은 것으로 나타났다. 알루미늄과 플라스틱 소재에 관한 출원이 많은 이유는 범퍼와 같은 자동차부품을 스틸 대신에 알루미늄이나 플라스틱으로 대체해 자동차의 경량화를 이루고자 하는 기술이 많기 때문인 것으로 판단된다.
알루미늄 소재의 기술별 출원분포
 알루미늄 소재의 기술별 출원분포를 살펴보면 <그림 5>와 같이 범퍼에 관한 기술이 가장 많은 출원을 보이고 있으며, 그 다음으로 브레이크 디스크, 차체, 프레임, 열교환기, 휠 등에 관한 기술개발이 활발하게 이루어지고 있음을 알 수 있다. 그 외의 실린더 블록이나 판재 등에 관한 기술도 다소 출원양이 많은 것으로 나타났다.
플라스틱 소재의 기술별 출원분포
 플라스틱 소재도 알루미늄 소재와 마찬가지로 범퍼에 관한 기술이 가장 많이 출원되었다.(그림 6 참조) 그 다음으로 판재, 흡기 매니폴드, 차체, 프레임 등에 관한 출원이 일부 차지하고 있는 것으로 나타났다. 범퍼에 관련된 기술이 가장 많이 출원되고 있는 것을 볼 때 앞에서 언급한 것과 같이 자동차의 경량화를 위해 종래의 스틸재로 쓰이던 범퍼 백빔이나 범퍼의 보강재 등이 플라스틱 소재로 대체되고 있음을 알 수 있다.
마그네슘 소재의 기술별 출원분포
 마그네슘 소재의 기술별 출원분포를 살펴보면 <그림 7>과 같이 스티어링 휠에 관한 기술이 가장 많이 출원되고 있으며 그 다음으로 휠, 조향축, 실린더, 판재, 브래킷 등에 관한 기술들이 출원되고 있음을 알 수 있다. 마그네슘 소재에 관한 기술은 마그네슘 자체만 쓰이는 것 보다는 타 금속과의 합금 형태로 많이 쓰이고 있는 것으로 나타났다.
세라믹 소재의 기술별 출원분포
 세라믹 소재는 <그림 8>에서 보는 것과 같이 브레이크 디스크와 피스톤 핀에 관한 기술이 가장 많이 출원되고 있음을 알 수 있으며 그 밖에 밸브와 실린더 등에 관한 기술도 일부 출원되고 있는 것으로 나타났다. 앞에서 언급한 것과 같이 세라믹 재료는 생산기술적 측면에서 양산성 성형가공이 불가능하기 때문에 그 이용분야가 많지 않은 것을 알 수 있다.
결론 및 향후 전망
이상에서 살펴본 것과 같이 자동차의 경량화 기술은 알루미늄과 플라스틱 소재를 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있고 앞으로도 지속적인 연구개발이 이루어질 것으로 전망된다. 현재는 자동차의 일부 부품에만 적용되고 있으나 마그네슘은 가장 경량의 실용 금속재료이므로 향후 알루미늄의 대체재가 될 가능성이 있으므로 이 분야에 대한 기술개발이 활발히 이루어져야 할 것이다.
또한 세라믹 소재도 이용분야는 많지 않으나 구조용 세라믹스는 경량으로 고온강도나 내마모성 등의 특징으로 디젤엔진부품으로 쓰이고 있으며 앞으로 세라믹 소재의 이용분야는 더욱 확대 될 것으로 전망된다.
본 리포트에 대한 상세 특허정보 DB를 신청하고자 하거나 기타 문의사항이 있으신 분은 한국특허정보원(www.kipi. or.kr)으로 연락주시기 바랍니다. |