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" 수송기기 경량복합재 기술동향 정보 공유의 장"
‘2020 수송기기 경량복합재 최신기술세미나’가 지난 1월 16일 서울 양재 aT센터에서 (주)마이스포럼 주관으로 개최되었다. 세계적으로 환경규제 및 연비규제 강화로 인해 주목받는 수송기기 경량화 트랜드를 반영한 이번 세미나는 경량복합재 분야 전문가들이 연사로 참여해 경량복합재에 관한 소재 및 관련 기술과 산업동향에 대해 발표를 진행했다.
CFRP 전망과 적용사례
첫 번째 세션에서는 아주자동차대학 한준수 교수가 ‘CFRP 전망과 적용사례’라는 주제로 탄소섬유, 복합재료 가공방법, CFRP전망 및 적용 사례에 대한 강의를 진행했다. 한준수 교수는 “지구온난화와 천연자원의 한계, 고성능 재료에 대한 요구가 대두되면서 탄소섬유의 필요성이 강조되고 있다”며 원료부터 소재부품 및 최종 제품까지 모든 산업과 연계된 탄소섬유에 대해 설명했다. 또한 완성차 SCM 기반의 가치 사슬(Value Chain)확대로 종합물류, 해운, 모듈, A/S, 미래 신사업 등 5가지 주요 사업에 대한 자세한 설명을 이어나갔다.
한준수 교수는 현재 탄소섬유에서 가격이 가장 문제라며 소비량이 증가함에 따라 시장가격은 하락할 것으로 전망하고 다양한 자료를 인용해 앞으로 자동차 분야에서의 탄소섬유 적용확대는 계속될 것으로 내다봤다.
복합재료 가공방법에서는 오토클레이브(Autoclave) 성형과 필라멘트 와인딩(Filament winding) 성형, 인퓨젼(Infusion) 성형 등의 소개와 함께 자동차 부품에서 사용되고 있는 복합재료 가공법을 설명했다. 또한 한준수 교수는 표를 통해 엔진 변속기 효율 개선과 차량 중량 절감, 디자인 및 타이어 구름저항 개선 등 자동차 경량화에 따른 개선 효과와 국내 대표 자동차 기업들의 글로벌 생산거점 및 생산 능력과 한·중·일 주요 배터리 기업들의 세계 점유율을 상세히 소개하였다.
아울러 다양한 CFRP가 적용된 사례를 설명한 한 교수는 중요한 수익성 관리, 차별화된 경쟁력, 전략적 최고의 파트너, 사업화 연계기술개발 관리(R&BD) 등의 중요성을 설명한 후, 시장분석(Trends), 기술분석(Technology), 사업성분석(Talent) 등의 해석 능력 또한 중요하다고 강조했다.
배터리 소재 기술 연구동향 및 전망
서울대학교 최장욱 교수는 “배터리는 자동차를 직접적으로 가볍게 하지는 않지만, 전기차 시대가 오면서 배터리 탑재량이 자동차 전체 무게에 크게 영향을 주기 때문에 배터리 기술을 이해하고 전체 경량화를 디자인해보는 것도 유익한 시간이 될 것”이라며 ‘배터리 소재 기술 연구동향 및 전망’에 대한 강의를 시작했다.
최장욱 교수는 이차전지의 핵심 화두로 발화문제, 주행거리, 급속충전, 원재료 가격 상승을 꼽았다. 발화문제에 대해서는 전해액이 발화가능성이 있으므로 대신 대두되고 있는 전고체전지에 대한 설명과 이를 적용하는 자동차 브랜드에 대해 소개한 최 교수는 “주행거리는 배터리 가격과 연동되며, 주행거리를 늘리려면 배터리 양을 늘려야 하는데 이는 가격상승과 이어지기 때문에 고용량 소재가 필요하다”고 설명했다. 아울러 “전기차에 대한 소비자 입장에서 갈급한 부분은 급속충전 부분”이며 “전기차 가격을 내리지 못하는 기저에는 배터리 전기에 들어가는 원재료가 문제로 더 저렴한 가격의 재료로 대체할 수 있는가”가 중요하다고 강조했다.
최장욱 교수는 전기차 판매 성장에 관한 예측자료를 제시하며 많은 자료들이 전기차에 대한 성장세를 예측하고 있으며 환경에 대한 민감도가 높은 유럽의 경우 환경규제와 맞물려 전기차 분야가 탄력을 받고 있다고 설명했다.
양극, 음극, 분리막, 전해질 등 이차전지의 4대 구성요소와 이차전지 역사에 대한 소개 다음으로 실리콘 음극기술과 고용량 층상계 양극 기술, 리튬-황 전지 기술, 리튬 금속 음극 기술, 전고체 전지 기술 등 다양한 배터리 기술에 대한 설명이 이어졌다.
특히 차세대 배터리 기술로 주목받고 있는 전고체 전지(Solid State Battery)에는 Sulfide(S)기반 소재, Oxide(O)기반 소재, Polymer기반 소재, Hybrid 소재 등이 있으며 이 중 Sulfide 기반 고체 전해질이 가장 주목 받고 있다.
최장욱 교수는 배터리의 안전을 모니터링하고 효율적인 작동 및 수명을 제어하는 BMS(Battery Management System)에 관한 소개를 이어나갔다.
BMS는 안전한 전압 범위 내에서 셀 작동을 하는 ‘전압 제어’와 온도를 측정하고 배터리의 전체 온도를 유지하도록 시스템을 제어하는 ‘열 제어’, 심각한 노화 또는 잠재적 위험이 높은 특정 셀을 차단하는 ‘팩 레벨 제어’ 등의 주요 기능을 갖추고 있다.
최장욱 교수는 새로운 활물질, 바인더, 전해액, 분리막 기술의 필요성과 새로운 BMS 기술 접목의 중요성을 설명한 후 “작은 차이가 큰 차이를 만든다”며 “우리나라는 여전히 배터리 후발국과의 격차를 벌이기 위한 기술개발의 여지가 크다”고 말했다.
미래 자동차를 위한 Multi-Material 이종접합 기술 및 차체경량화를 위한 이종접합기술
(재)포항산업과학연구원 이목영 수석연구원과 경북테크노파크 김숙환 센터장이 ‘미래 자동차를 위한 Multi-Material 이종접합 기술’과 ’차체경량화를 위한 이종접합기술’에 관한 주제로 각각 강의를 이어나갔다.
이목영 수석연구원은 이날 강의에서 국내외 경기침체와 국내 전통 제조업의 현황을 조명하며 미래 용전기술과 용접기술의 진화를 설명했다. 아울러 “다중 재료 결합, 스마트 자동화, IoT 감지, 디지털 트윈 등의 요소가 갖춰져야 전기자동차가 상용화 될 수 있다”고 내다봤다.
이어 AHSS(Advenced High Strength Steel), 알루미늄, 마그네슘, CFRP 등의 경량소재에 대한 소개가 이어졌으며 자동차 부품별 주요 적용 소재에 대해 부연했다. 또한 11가지의 다양한 이종접합공정에 대한 소개가 이어졌다.
경북테크노파크 김숙환 센터장은 미래형 자동차의 경량화를 위한 알루미늄 기반 이중소재 융복합 기술의 필요성을 강조하며 이종소재간 용융용접과 고상접합, 기계적 체결 등의 기술을 소개했다.
특히 알루미늄과 스틸, 알루미늄과 CFRP, CFRP와 스틸 등의 이종접합으로 경제적인 경량화가 가능하다며 이에 대한 기계적 체결기술이 선진국을 중심으로 차체경량화를 위하여 적극적으로 적용되고 있음을 소개했다.
차체 경량화를 위한 경량 금속 대체용 탄소 복합재 부품 개발 사례
삼양사 화학연구소 권 혁 책임연구원은 ‘차체 경량화를 위한 경량 금속 대체용 탄소 복합재 부품 개발 사례’에 대해 강의했다.
지난 1988년 고도 2만4천피트 상공에서 동체 파손으로 인한 알로하 항공기(Aloha Airline) 사고를 통하여 항공분야에서의 CFRP 도입 배경을 설명한 권 혁 연구원은 “여객기의 경우 항공기 동체는 ‘감압’에 민감하다”며 “설계수명을 초과한 노후 항공기가 다수 운영 중 Fatigue Damage(피로손상) 비중이 매우 높아짐에 따라 피로손상에 대한 저항성을 갖는 소재 도입의 필요성이 대두되었으며 이때 탄소섬유 복합재가 주목을 받았다”고 설명했다.
아울러 “탄소섬유 복합재는 티타늄이나 알루미늄보다 피로저항성이 뛰어났고 성능이나 연료 효율적인 측면에서도 우수했다”고 덧붙였다.
또한 항공기의 피로특성 향상 효과에서는 글로벌 항공기 전문기업인 보잉사 자료를 통하여 복합재료 항공기는 정비주기 및 운용기간 연장으로 인해 알루미늄 항공기에 비해서 약 12년 정도 항공기 수명을 연장했으며 복합재료 항공기를 채택함에 있어서 알루미늄 항공기에 비해서 운용비용이 30% 절감되었음을 설명했다.
뿐만 아니라 동영상을 통하여 알루미늄과 CFRP를 각각 적용한 비행기 윙(Flex Wing)을 비교하며 CFRP 소재가 항공기를 공기역학적으로 더 안정되게 이착륙 하고, 난기류(Turbulence)와 같은 상황에서 탑승감 및 안정성을 향상시킴을 보여주었다. 아울러 기체 경량화로 인한 연료 효율 증가와 낮은 탄소배출량도 강조하였다.
다음으로 권 혁 연구원은 자동차용 경량부품으로 평가조향장치 중 하나인 너클을 탄소복합재료로 적용한 사례를 발표했다.
권 혁 연구원은 “탄소섬유복합재는 보통 프리프레그(PREPEG) 좌층구조 때문에 외부충격 시 파손에 취약한 특성이 있는데 이에 대한 해결방법으로 단섬유 기반의 복합재료를 적용했다”고 말했다.
아울러 “단섬유 형태의 소재를 사용함으로써 가장 큰 장점은 패턴디자인이 필요하지 않았다”는 권 연구원은 “보통 프리프레그를 일정한 크기로 재단해서 사용함으로써 재료 손실을 초래하지만 이번 연구는 프리프레그 자체를 제품 제작에 온전히 사용할 수 있어서 재료손실이 없었다”고 강조했다.
자동차 산업과 신소재 기술적용 동향
마지막 세션에서는 한국자동차연구원 노상호 수석연구원이 ‘자동차 산업과 신소재 기술적용 동향’이라는 주제로 강의를 진행했다.
노상호 연구원에 따르면 자동차는 우리나라 수출품목 3위이며 부품까지 포함한다면 2위를 차지한다. 세계 자동차 판매 순위는 현대기아자동차가 지난 2018년 기준 판매량 739만대로 세계 5위를 차지하고 있고, 국가별 자동차 수요는 중국이 2,700만대로 2,500만대가 대부분 내수로 사용되고 있으며 2위는 미국, 3위 일본, 4위 독일 순으로 우리나라는 7위에 해당한다.
노상호 연구원은 “자동차산업의 핵심은 환경규제로 그에 따른 대응이 중요하다”며 “자율주행자동차와 스마트카가 대응으로 떠오르고 있다”고 말한 뒤 자동차 경량화 효과에 대한 설명을 이어갔다.
내연기관자동차의 경우 10% 경량화는 3.2%의 연비 성능 향상과 30%의 내구성, 9%의 동력 성능 향상 효과를 얻을 수 있으며 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC), 질소산화물(NOX) 등의 환경오염물질이 저감하는 효과를 얻을 수 있다. 또한 전기자동차의 경우 30% 경량화는 69.2km의 주행 증가 효과와 79.5kg의 배터리 경량화를 실현시킬 수 있을 뿐 아니라 비용절감 기능을 가져올 수 있다.
노상호 연구원은 자료를 통하여 자동차 시장 규모 및 전망에서 세계 자동차용 플라스틱 수요는 PE, PP, ABS, PPA, PPS, 에폭시, PC, POM, PU, UPR 등의 보고된 18종을 기준으로 2016년 1175만톤이며, 향후 5년은 연평균 4.1% 성장하여 2030년 1987만톤에 이를 것으로 내다봤다. 또한 2016년 범용 플라스틱 구성비 61%에서 2021년 62%를 유지하며 열경화성 수지 비중은 감소할 것으로 예상했다.
자동차 각 부위별 경량화에서는 신뢰성과 가격 문제, 품질 유지의 용이성 등을 고려하여 강재의 사용이 많으나 장기적으로는 알루미늄이나 고분자 수지로 대체할 것으로 예상하였고, 각종 케이스 등의 엔진룸 내 경량화 전환이 진행되고 있으나 이를 금속에서 수지로 대체하기 위해서는 전자파 방지, 내열성 등의 대책이 필요하다고 설명했다.
이밖에도 자동차 경량화 신소재의 기술 동향에서는 ‘PET 소재를 이용한 3D 복합화 기술의 흡차음성·경량 자동차 내외장재 개발’과 ‘고분자계 경량화 리어 시트 프레임’ 등의 연구 개발 및 적용 기술 사례를 상세히 설명함으로써 경량화 적용 기술에 대한 이해도를 높였다.
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