게시물 검색

자동차/로봇 차체ㆍ부품별 중량 추이 (자동차 경량화)

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2020-03-26 12:34:00
  • hit1869
  • 218.156.0.101

자동차의 연비에 가장 큰 영향을 미치는 것이 바로 중량이다. 차체의 중량과 연비의 관계는 100kg을 경량화하면 1km/l가 향상하는 관계에 있으며, 연비 향상의 역사는 차체 경량화의 역사라 해도 무방하다. 그럼 자동차의 어떤 부분의 중량이 큰 비중을 차지하고 있을까? 이 글에서는 자동차의 부위별 중량을 살펴보고, 앞으로 어떤 부분을 경량화해야 하는지에 대해 그 동향을 소개하고자 한다.

 

 

차체 중량의 추이와 부위별 중량

 

그림1은 일본의 승용차(자가용/영업용)의 평균 중량 추이를 나타낸 것이다. 지금까지 자동차 제조사는 항상 중량의 감소를 염두에 두고 개발을 해왔지만, 과거 30년 동안 승용차의 평균 중량은 약 400kg이나 증가하였다. 또한 똑같은 회사의 동일한 차종이라도 중량이 증가하고 있으며, 크기도 커지고 있다. 이렇게 중량이 증가하는 요인으로는 다음의 3가지가 있다.

 

(1) 자동차 안전 기준의 강화로 인한 부재의 두께를 포함한 프레임 구조 등의 재검토

(2) 예방안전 장치 탑재

(3) 쾌적함을 향상시키기 위한 탑재기기 증가

 

안전 기준은 앞으로도 강화될 것이므로, 각 자동차 제조사들은 중량을 낮추면서 안전성을 높이는 노력을 기울일 것으로 보인다.

 

<그림> 일본의 승용차(자가용/영업용)의 평균 중량 추이

 

자동차 부위별 중량은 차종마다 다르지만, 대략적인 중량비율을 아래 표에 나타내었다. 대략 차체부분이 가장 무거워 전체의 약 30%를 차지하며, 다음으로 엔진 관련 파워 트레인 부분이 약 25%, 서스펜션 부분이 12%를 차지한다. 이 세 가지만으로 70%를 차지하고 있기 때문에 이들을 경량화하는 것이 중요하다.

 

ZEV화가 진행되면 파워트레인 부분은 크게 변화하여, 기화기, 연료분사장치 등의 엔진 부품, 프로펠러 샤프트, 트랜스미션 등의 구동ㆍ전달부품, 스타터 모터, 올터네이터 등의 전장부품이 불필요해진다.

 

<표1> 자동차 각 부위가 자동차에서 차지하는 중량비율

 

하지만 차체 부분은 휘발유 차나 ZEV나 모두 보닛부터 도어, 루프까지 수많은 강판으로 덮여있다. 철은 강도와 더불어 가공성도 뛰어나 대량생산하기에 적합하긴 하지만, 경량화를 위해서는 대체 가능한 구조재료가 필요하다.

아래 표에서는 철을 대체할 수 있는 가능성이 있는 경량화 재료의 특성을 나타내었다.

 

<표2> 철강재료와 각종 경량화 재료의 특성 비교

 

차체부 경량화 동향

 

이제부터 위 표에 나타낸 각종 경량화 재료 후보에 대해 각각의 특징과 활용 상황을 간단하게 이야기하고자 한다.

 

(1) 고장력강재

 

경량화에서 제일 먼저 생각하는 것은 차체부재의 감소인데, 일단은 판의 두께를 줄여야 하며, 이에 더해 안전성이 담보되지 않으면 안 된다.

 

철강판의 사용량을 감소시키기 위해 인장강도가 높은 고장력강(하이텐실)을 개발하였고, 차체의 각 부분에 채용하여, 인장강도가 1,000MPa가 넘는 초고장력강도 개발되고 있다.

 

고장력강(High Tensile Strength Steel; HTSS)이란 Mn 등의 합금 성분을 첨가, 열처리 등으로 조직을 제어하여, 일반 구조용 강재보다 강도를 높인 강재이다. 일반적으로 강도가 높으면 연성이 낮아져, 성형 불량이 발생하기 쉬워지기 때문에 성형성과 강도를 양립시킨 고장력강이 개발되고 있다. 비용은 기존의 강재보다 높아지지만, 알루미늄 등의 경량 소재보다는 저렴하며, 수리나 재활용도 비교적 쉽기 때문에 친환경 강재로서도 주목을 받고 있다.

 

국제철강협회가 중심이 되어 전 세계 33개의 철강회사가 참가하여 1999년부터 공동으로 추진하는 ULSAB-AVC(Ultra-Light Steel Auto Body-Advanced Vehicle Concept) 프로젝트에서는 고장력강재를 다양하게 활용하여, 1,500cc 수준의 소형 승용차에서 19%(1,147kg→933kg), 2,500cc 수준의 보통 승용차에서 32%(1,470kg→998kg)의 경량화를 달성했다고 발표하였다.

 

자동차 제조사들도 고장력강의 채용 비율을 높이고 있으며, 예를 들어, 마쓰다는 2019년에 시장에 투입할 예정인 차세대 소형 자동차용 차체에서 사용비율을 대폭 증가시켰다. 인장강도가 780MPa 이상인 강재의 사용 비율을 현재의 18%에서 45%로 확대하고, 980MPa 이상의 초고장력강재는 9%에서 36%로 대폭 증가시켜 차체를 경량화하고, 연비성능을 향상시키고자 한다. (참고문헌 5)

 

(2) Al(알루미늄)

 

알루미늄 합금은 철과 수지의 중간적인 특성을 가지는데, 철보다는 가볍고 수지보다는 무거우며, 강도는 철보다 떨어지지만 수지보다는 뛰어나다. 하지만 합금의 종류나 그 제조 공정에 따라서는 인장강도를 향상시킬 수 있어, 철에 비해 높은 비강도(인장강도/비중)를 얻을 수 있으므로 철을 대체하는 재료로서 수요가 확대되고 있다.

 

철에서 알루미늄으로 대체된 부품으로는 실린더 헤드, 실린더 블록, 변속기 케이스, 휠 피스톤, 서스펜션 등이 있다.

 

1990년대에 들어서 고급 승용차나 스페셜티 카를 중심으로 푸드, 트렁크 리드 등의 클로저 패널류에 알루미늄 압연판이 사용되어 왔다. 또한 1990년에 혼다의 플래그십 자동차로서 발매된 NSX의 차체는 모노코크 구조로 전신재를 사용한 올 알루미늄 차체였다. 1994년에 발매된 독일의 아우디ㆍA8은 알루미늄 스페이스 프레임 구조로 알루미늄 주물이 많이 사용되었다. 또한 2012년에 일본에서 공개된 EV인 테슬라의 ‘모델S’는 섀시가 모두 Al제로서, 보강 부재로서 붕소 첨가 스틸재를 사용하여 차체 전체를 경량화하였다.

 

이러한 Al 합금은 생산량이 적은 고급 승용차에 주로 채용되지만, 2015년에 미국의 포드는 인기 차종인 픽업트럭 F-150(연간 판매대수~10만 대)의 차체에 Al 합금을 전면적으로 채용하였고, 이러한 움직임은 유럽 각국이나 일본에서도 가속화되고 있다.

 

(3) Ag(마그네슘)

 

마그네슘은 모든 구조용 금속 중에서도 가장 가볍고, 비강도는 가장 높은 재료이며, 인체에 대량으로 포함된 무기물 중 하나이기 때문에 생체적합성, 생분해성도 뛰어나다.

 

하지만 내식성에 가장 큰 문제가 있어, 이종합금과의 접합부가 전식하는 데 대한 대책을 강구해야 한다. 또한 영율이 낮아 강성이 필요한 부품에 적용하려면 리브 구조 등의 처리를 해야 하므로, 적용 부위가 한정되어 있다.

 

2003년에 발매한 Ford F150의 라디에이터 코어 서포트에서는, 강판 프레스 부품에서 마그네슘 주물로 변경하여 경량화를 달성하였다. 또한 2006년에 발매한 Audi R8에서는, 엔진 프레임의 일부에 마그네슘제 부품을 채용하였는데, 플래그십 세단인 Audi A8에서는 2017년의 신기종 모델에 Mg 합금을 스트라트의 보강재로 사용하고 있으며, 기존보다 28%가 가벼워졌다. 마그네슘 합금 주물의 차체에 대한 적용은 유럽의 자동차 회사에서 적극성을 보이고 있으며, 소량의 차종이기는 하지만 도어 이너, 뱅크도어 이너 등의 클로저 패널, 링 휠, 인스톨먼트 패널 등의 인테리어 부품, 차량 컴포넌트 부품에도 사용되고 있다.

 

(4) Ti(티타늄)

 

Ti 합금의 항복강도와 피로강도는 Fe나 Al에 비해 뛰어나지만, 탄성률이 적어 경량 구조재의 재료로서는 Al, Mg에 비해 뒤처지기 때문에, 차체 계가 아니라 섀시나 파워계통에 사용되고 있다.

 

(5) 합성수지

 

철 다음으로 많은 중량을 차지하는 것이 수지이다. 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 폴리염화비닐(PVC), 우레탄(PU), 페놀(PF)과 같은 재료가 주로 이용되어 왔다. 내열성 및 표면강도에는 문제가 있지만, 가벼우며 성형성도 뛰어나기 때문에 내장재나 외장재에도 많이 사용되고 있으며, 열가소성 수지의 PP는 저렴하기 때문에 범퍼나 인스톨먼트 패널 등의 부품에 사용되고 있다. 2000년 이후에는 범용 수지에서 벗어나 고내열 고기능 수지가 채용되기 시작하였다.

 

(6) FRP(섬유강화 수지)

 

섬유강화 수지는 섬유와 복합화함으로써 수지의 약점인 강도를 높인 것으로서, 유리섬유 등이 많이 사용되고 있는데, 탄소섬유를 사용하는 CFRP는 비강도, 비강성이 뛰어나 주목을 받게 되었고, 일부 차체 등에 이용되기 시작하고 있다.

이렇게, 재료적으로는 철에서 알루미늄, 더 나아가 수지로까지 경량화 재료의 사용이 확대되고 있으며, 용도에 따라 재료를 나누어 사용하거나 조합하여 각각의 재료를 상호간에 활용하는 멀티 머리티얼화가 진행되고 있다. 그렇다면 이러한 경량화가 이루어지면서, 어떤 재료가 자동차의 어느 부위에 적용되며, 적용이 검토되고 있을까? 다음의 표3에서 현재 상황을 정리하였다.

 

<표3> 부위별 경량화 재료 적용 사례

 

이 표에서는 모두가 경량화 재료로서 대체할 수 있는 것뿐 아니라, 시험적으로 일부 차종 등에 사용되는 부위도 나타내고 있는데, 확실히 다양한 경량화 재료에 의한 대체가 이루어지고 있음을 알 수 있다.

 

차체는 보통 철강에서 고장력강으로 전환되고 있으며, 고급 승용차를 중심으로 고장력강에서 Al화의 움직임이 나타나고 있다. 또한 CFRP를 부분적으로 사용하는 경우도 생겨나고 있다. Mg 합금, Ti 합금이 사용되는 일은 그리 많지 않지만, 특히 항공 업계에서는 Mg를 많이 사용하고 있으며, 그 발전으로 인해 자동차 업계에 반영되는 날이 올 것이라 기대해볼 수 있겠다.

 

차체를 중심으로 경량화 재료가 철을 대체하게 됨에 따라, 차체 중량 전체에서 차지하는 비율이 어떻게 변화하는지를 알기 위해, 생산대수가 적은 고급 승용차이긴 하지만 이미 판매 실적을 갖고 있는 Audi 자동차의 Al화로 인한 차체 중량 변화를 일례로 들고자 한다.

아래 표는 그 변천사를 나타낸 것인데, 1994년에 Audi가 Al 모노코크 보디의 첫 Audi A8을 발매한 이후, 그 차체의 중량은 모두 200kg 대에 머무르고 있으며, 차체의 중량비율은 제3세대 Audi TT의 22.4%를 제외하면, 20% 이하로서, 확실하게 내려갔다. 또한 Mg 및 CFRP를 조합하여, 멀티 머티리얼 제조 기술을 검토하기도 한다.

앞으로 CFRP가 본격적으로 적용되기 시작하면, 차체의 중량비율은 더욱 내려갈 것으로 보인다. 또한 이러한 시도는 다른 대형 회사들에서도 적극적으로 검토가 이루어지고 있어, 차체를 포함한 차량 전체의 경량화는 확실하게 발전하게 되어, 부위별 중량비가 크게 변화할 것으로 보인다.

 

<표4> Audi의 Al화 차량의 차체 중량 변화

 

자동차 부품용 재료구성의 동향

 

경량화 재료로 철을 대체하는 일은 지속적으로 이루어지고 있으며, 경량화 재료를 더욱 경량화하여 대체하는 일도 이루어지고 있다. 미국 에너지부(EIA)의 자료를 기반으로 한 경제성의 자동차용 재료의 사용비율 전망을 보면, 2030년에 철재는 50% 아래로 떨어지고, Al과 Mg와 같은 비철금속, 수지와 CFRP가 모두 20% 정도로 증대할 것이라고 예상하고 있다. 그러한 수치에 이르기까지는 기술적인 과제가 많으며, 기대치를 포함하고 있는 부분도 있겠지만, 전 세계적으로 자동차의 CO2 가스 배출을 줄이기 위해 경량화에 대한 검토가 이루어지고 있으며, 이러한 기술을 잘 조합하면 CO2 배기가스가 없는 ZEV 시대가 현실이 될 날도 머지않았다고 할 수 있겠다.

 

 

[자동차 경량화 글로벌 트렌드와 소재별 핵심기술 개발전략] 보고서 상세 보기

http://www.irsglobal.com/shop_goods/goods_view.htm?category=01000000&goods_idx=83608&goods_bu_id=

 

 
게시글 공유 URL복사
게시물 검색
List of articles
번호 분류 제목 작성자 작성일 조회수
507 자동차/로봇 With 코로나 시대에 주목해야 하는 로봇 14선 photo 관리자 2020-09-22 hit550
506 에너지/환경 세계 해양 풍력발전이 급성장, 중국의 설비 용량은 10년 후에 세계 최고가 된다 photo 관리자 2020-09-22 hit359
505 에너지/환경 ‘해상 풍력발전’의 잠재력과 비즈니스 찬스 photo 관리자 2020-09-22 hit491
504 에너지/환경 REN21 - ‘자연 에너지 세계 백서 2020’ 공개 photo 관리자 2020-09-22 hit491
503 에너지/환경 세계 재생에너지 시장 - 연평균 20%씩 성장, 코로나의 영향은 적을 것으로 예상 photo 관리자 2020-09-22 hit480
502 자동차/로봇 패신저 드론(Passenger Drone) photo 관리자 2020-09-22 hit363
501 바이오/의료 신종 코로나19에 대한 각국의 대책과 변화하는 세계 정세 photo 관리자 2020-09-22 hit347
500 바이오/의료 신종 코로나19 그 후의 세계 - 헬스케어 업계에 미치는 영향과 대응책 photo 관리자 2020-09-20 hit371
499 바이오/의료 ‘헬스케어’가 전 세계의 주요 시장이 되는 이유 photo 관리자 2020-09-20 hit403