[기획특집: 자동차용 화학소재] 자동차용 화학소재 현황과 전망

Sun Kyoung Jeoung, Pyoung-Chan Lee, Youn Ki Ko, and Jin Uk Ha

Abstract: 자동차에는 제조사 및 차급에 따라 상이하나 질량기준으로 약 8∼25%의 화학소재가 적용되고

있다. 일반적으로 자동차용 화학소재는 차량의 오일류, 도료, 타이어, 플라스틱 소재를 지칭하나, 본 기고 에서는 자동차용 플라스틱 소재 위주로 기술하였다. 화학소재는 각국의 강화되는 환경 및 연비규제 기준 을 만족시키기 위하여 차량 경량화와 관련된 많은 연구가 다각적으로 진행되고 있다. 차량 경량화를 위해 서 플라스틱 소재는 기존에 적용되는 단순 내ㆍ외장 부품에서 벗어나 차체 부품에 적용이 가능한 금속 대체 소재로서의 연구 비중이 크게 증가하고 있다. 또한 유럽의 폐차량 재활용률에 관한 법규 만족 및 CO

발생량 저감을 위한 친환경 소재와 소비자들의 편의성 및 감성을 충족시킬 수 있는 연구가 다양하기 추진 중이다. 본 기고문에서는 자동차용 화학소재의 적용현황과 이를 극복하기 위한 화학소재회사들의 연구개발 사례를 소개하고자 한다.

Keywords: automotive, lightweight, functional, environment, plastics

1. 서 론

1)

자동차 산업과 화학 산업은 우리나라 국가 기간 산업으로서 오랜 기간 동안 지속적으로 성장해 왔 다. 특히, 자동차 산업의 경우 전체 제조업 고용의 10.2%, 제조업 생산의 10.1% 부가가치의 9.4%를 차지하며, 전방산업인 부품소재, 설비산업 및 후방 산업인 금융업, 서비스업 건설, 유류산업에 막대한 영향을 끼치고 있다[1].

자동차에서 화학소재는 매우 큰 비중을 차지하 고 있으며 , 최근 환경문제 및 소비자들의 의식수 준 향상과 더불어 그 중요성이 점차 부가되고 있 는 추세이다. 통계에 의하면 미국 내 자동차에는 2012년 현재 차량 중량 대비 약 12% 정도의 플라 스틱이 적용되고 있으며, 그 사용량은 점차 증가

†주저자(E-mail: [email protected])

하여 2020년에는 약 30% 이상 증가할 것으로 전 망하고 있다[2,3]. 이렇게 화학소재가 증가할 것으 로 예상되는 배경에는 각국의 연비 및 환경규제 강화에 따른 차량 경량화의 필요성 증가, 플라스 틱 폐기물 관리 강화 및 석유의존도 감소를 위한 대응전략에 따른 바이오 소재의 적용 증가[4,5], 그리고 편의 및 기능성 부여를 위한 기능성 소재 의 적용 증가로 구분할 수 있다.

2. 자동차 산업의 환경변화

석유자원의 고갈 및 환경 문제로 야기된 각국의

각종 환경 규제는 석유자원의 1/3을 소비하며 전

체 온실가스 배출량의 25%를 차지하는 자동차 산

업에 직접적인 영향을 주고 있다[3]. 이로 인한 자

동차 연비 규제는 완성차 업체 및 각국 정부로 하

여금 엔진 효율 향상, 차체 경량화 및 배기가스 개

Figure 1. 선진국의 환경 및 연비규제 동향.

선 등에 막대한 연구개발비를 지출하도록 유도하 고 있다. EU에서는 자동차 경량화를 위한 MOSAIC (Material Optimization for Structural Automotive with an Innovative Concept) 연구개발 프로젝트를 통하여 현재 대비 25% 경량화, 설비투자 15% 절 감을 목표로 연구개발을 진행하고 있으며, 독일의 BASF의 경우도 이미 2011년 가볍고 가공이 용이 한 화학소재를 이용한 스마트 포비젼을 벤츠와 함 께 공동연구 진행 중이다. 일본 도요타의 경우도 2009년부터 개발한 에코플라스틱을 프리우스 및 렉서스에 시범 적용하여 경량화 및 친환경화를 선 도하고 있으며, 미국 교통부 또한 2009년부터 미 래 플라스틱 기반 자동차 및 안전성에 대한 로드 맵을 작성하고 이에 따른 연구개발을 수행하고 있 다[6].

2.1. 국가별 규제 현황

현재 선진국 중심으로 지정된 환경 및 연비규제 는 일정 유예기간을 두고 해당 기준의 달성을 종 용하고 있지만 , 시효가 지난 후에는 지정된 규제 를 충족시키지 못하는 완성차 제조사에 대해서 막 대한 벌금을 부과하는 강제성을 띄는 형태로 변해 가고 있다 .

실제 이러한 규제는 비록 환경규제라는 명분을 띄고 있지만, 선진국들의 자국 산업 보호를 위한 한국, 인도, 중국 등의 자동차 신흥국들에게는 간 접적인 무역장벽의 역할을 할 것으로 예상된다.

즉, 현재까지 성공을 거두어왔던 품질 대비 가격

경쟁력 정책은 향후 자동차 시장에서 살아남기 힘 들 수 있음을 의미한다.

미국의 경우는 1991년 개정된 CAFE (Corpo- rate Average Fuel Economy)규제에 따라 2016년 까지 승용차와 경트럭 모두의 평균연비를 35.5 mpg로 궁극적으로는 2025년까지 평균연비 52.3 mpg 달성을 계획하였으며, 1만대 이상의 자동차 를 판매하는 제조사가 지정된 평균연비를 충족하 지 못할 경우 $5.5/0.1 mpg × 생산대수의 합계 값 으로 과태료를 부과할 예정이다. 유럽의 경우는 2015년 이후부터, 이산화탄소 배출 기준에 따라 CO

기준 초과분(g) × 95유로 × 판매차량의 합계 값으로 과태료를 부과할 예정으로 2020년에 발효 되는 CO

배출 기준은 95 g/kr이다. 최대 자동차 시장인 중국의 경우도 2020년 연비규제를 20.0 km/l로 지정하는 것을 계획 중이다.

직접적인 자동차의 연비 규제 외에도 국제적으

로 자원순환, 그중에서도 폐자동차 재활용을 위한

환경관리가 지속적으로 강화되어 왔는데, 2000년

에 예고된 유럽연합의 폐차재활용지침(ELV)에서

2005년도에 폐자동차 중량 대비 재활용 비율

85%, 2015년도부터는 재활용 비율 95% 달성을

규정하였다. 따라서 2015년부터 적용되는 중량 대

비 재활용 비율 95% 달성을 위해서는 10% 내외

를 점하고 있는 폐자동차 플라스틱 부품류의 재활

용 및 에너지회수 재활용 등의 대안이 강구되어야

하며, 향후 점차 강화되는 규제에 대응하고, 환경

오염 저감, 폐자원의 효율적인 재자원화 등을 위

3가지로 구분을 할 수 있다. 첫 번째는 엔진 및 파 워트레인 등 동력 계통의 성능 향상과 HEV, EV, PEV와 같은 새로운 동력원을 적용하는 방법으로 서 그 예로, 포드자동차의 에코 부스트 엔진과 같 이 기존 대용량 엔진을 통하여 구현되었던 자동차 출력을 다운사이징된 고효율 엔진을 통하여 구현 하고 트랜스미션의 기어비를 최적화하여 연비를 향상시킨 사례가 있다. 두 번째는 차량 주행 시 에 너지 손실을 최소화하기 위한 방법으로 차체의 공 기역학적 설계를 통한 공기저항계수 저감, 타이어 의 트레드 패턴 최적화 및 소재 개선을 통한 구름 저항 감소가 있으며, 마지막으로 차량의 중량을 감소시키는 차체 경량화 방법이 있다. 하지만, 엔 진성능 및 파워트레인 성능을 향상시키는 방법은 완성차 회사에서도 많은 노력이 필요한 작업으로 큰 연구비용과 긴 연구개발기간은 부담으로 작용 하며, 공기저항 개선을 위한 차량의 외부 디자인 을 변경하는 방안도 자동차 디자인의 트렌드 등을 고려해야 하며 이미 많은 부분 공기저항을 최소화 하기 위한 기술이 적용되어 있어 이를 통한 연비 절감 효과가 쉽지만은 않은 상황이다 . 이러한 이 유로 차량의 연비향상을 위한 가장 효율적인 방안 으로서 차체를 경량화하기 위한 노력이 지속적으 로 이루어지고 있다.

자동차의 경량화의 경우도 크게 3가지 방법으 로 구분할 수 있다. 첫 번째로는 차량의 소형화, 즉 작은 자동차를 타는 방법과, 디자인 변경 및 편 의 장치 등의 삭제를 통한 경량화 , 마지막으로 비 중이 많이 나가는 소재를 저비중 소재로 대체하는 방법이 있다.

하지만, 일반적인 소비자들이 연비향상을 위해 소형차를 항상 선호하지 않는다는 점과, 이미 소

럽 국가들은 기존 차체 및 샤시 부품에 적용되어 온 스틸 소재를 저비중 금속이나 화학 소재로 대 체하기 위한 연구를 지속적으로 진행해 왔으며 일 부는 상용화에 적용하고 있다. 국내 완성차 업체 들도 세계적인 흐름에 맞추어 저비중 금속과 화학 소재를 이용한 경량부품 개발 방안을 연구 중이나 아직까지 국내의 연구 및 생산기반은 경쟁국 대비 매우 열악한 실정이다.

4. 연비향상을 위한 경량화 방안

자동차는 중량 대비 약 73%의 금속과 약 16%

의 화학소재 등이 적용되어 있으며, 금속소재는 주로 차체 부품 쪽에 적용되고, 화학소재(고무, 오 일류 제외)는 주로 내장 및 외장부품용 소재로 사 용되고 있다. 따라서 획기적인 차량의 경량화를 위해서는 금속 위주로 구성된 샤시 및 차체 부품 을 저비중 화학 소재로 대체해야 한다. 그러나 플 라스틱 소재를 적용하여 금속을 대체하기에는 금 속 대비 부족한 강성, 내열성, 크립 특성 등에 의 한 적용성에 문제점이 있다. 이를 개선하기 위하 여 복합소재, EP, Super EP 등의 적용이 고려되고 있지만 강성 저하에 의한 차량 안전성 문제, 충전 재의 분산문제, 방향에 따른 물성강도 차이는 플 라스틱 소재의 적용을 위해 추가적인 연구가 필요 한 실정이다.

이렇게 불리한 소재적 특성에도 불구하고 점진

적으로 기존 대비 경량화에 성공한 여러 개발 제

품들이 적용되고 있다. 소재의 가격적인 문제로

현재까지는 유리섬유를 이용한 복합소재의 적용

이 주를 이루나 향후 탄소섬유를 이용한 복합소재

의 적용도 크게 증가할 것으로 예상된다. 특히, 과

출처: 한국고분자 학회, HMC 투자증권

Figure 2. 자동차 무게별 소재 적용동향.

Figure 3. VW Golf 7세대 적용 장섬유 복합소재.

Figure 4. 플라스틱 엔진 서포트(BASF).

거 금속으로 적용되던 FEM (Front End Module) 등과 같은 차체 부품도 금속과의 하이브리드 형태 혹은 복합소재 단독 적용을 통하여 서서히 화학소 재로 대체되고 있다.

이러한 구조재의 금속 대체 연구 외에도 가장 도전적인 경량화 연구 사례 중 하나는 차량 부품 중 가장 혹독한 환경에 있는 엔진룸의 경량화이 다. 엔진룸 내의 환경은 엔진으로부터 복사, 전도, 대류에 의한 열과 후드를 통해 전달되는 외기의 열 및 냉기에 의해 넓은 범위의 온도영역을 가짐 으로써 보통 금속소재가 많이 적용되었으나, 최근 기술의 발달로 고내열 플라스틱이 많이 적용되고 있다 . 고분자소재는 대당 사용량은 200 kg 이상이 지만, 엔진룸 내에서 사용되고 있는 플라스틱은 아직 불과 10∼15 kg에 지나지 않으며 이는 엔진 모터에서 생기는 온도상승에 대한 높은 내열성 요 구로 인해 적용이 늦어진 것이다.

엔진주변 부품의 경우, 기계적 특성 외에 크리 프 특성, 응력완화, 내열성, 진동피로특성, 내약품 성 등이 필요하기 때문에 유리섬유강화 플라스틱 (GFRP)이 많이 적용되고 있다. 타이밍벨트 커버, 쿨링팬 , 휠 캡, 커넥터, 센서 하우징 등에 사용되고 있는 PA (Poly amide) 수지가 가장 많으며, 고내 열성 PA (방향족 PA, PA9T 등)의 개발로 엔진룸 주변 부품으로 확대가 예상된다. 또한 엔진 서포 트는 엔진의 무게를 온전히 받기 때문에 기존에는 알루미늄으로 만들어졌으나 , 최근 기존 알루미늄 대비 음향 특성 및 단열 특성이 우수하고 사출성

형이 가능하며 30% 경량화가 가능한 플라스틱 엔 진 서포트가 개발되어 완성차(Mercedes, 2013)에 적용되었다.

금속소재를 대체하는 방법 이외에도 자동차 질 량에 큰 비중을 차지하는 유리를 대체하기 위한 연구도 상당부분 진척되고 있다. 물론 아직까지는 투명 플라스틱의 소재적 단점을 완벽하게 극복하 지 못해 부분적으로만 적용이 가능한 실정이나, 내후 특성과 내스크래치 특성 등이 향상된다면, 자동차의 경량화, 비용절감, 및 안전성 향상 등을 도모할 수 있다. 최근 국내시장에도 선보인 링컨 MKZ 모델의 경우는 세계에서 가장 큰 파노라마 선루프 형태에 투명소재를 적용한 것으로 보도되 어 있으며, 헤드램프 프로젝션 램프의 렌즈 부품 도 투명소재로 대체하여 경량화, 비용절감 등의 효과를 본 것으로 보도되었다.

이러한 다양한 경량화 연구 중에 단연 기대를

모으고 있는 소재는 탄소섬유를 이용한 복합재이

다. 기존 플라스틱 소재에서는 구현할 수 없는 금

Figure 5. 파노라마 선루프, 헤드 램프 렌즈(링컨 MKZ).

Figure 6. 경량소재의 인장강도 비교[10].

Figure 7. 복합소재 적용 가능 부위 사례[6].

속을 능가하는 강성과 경량성 특성은 크게 눈독을 들일만한 기술이기는 하나 현재까지는 탄소섬유 소재의 가격과 가공법의 양산성 문제로 인하여 고 가의 자동차에만 부분적으로 적용되고 있다[9].

이러한 단점을 극복하고자 BMW에서는 이미 탄소섬유를 적용하기 위한 양산체재를 구축하여 전기자동차 i3 및 i8에 적용할 계획을 갖고 있으 며, 1리터당 100 km가는 것으로 보도된 폭스바겐 의 XL의 경우도 21%의 카본섬유복합소재를 적용 하는 것으로 보도되어있다 . 또한 선진국의 일부 럭셔리 브랜드의 차종을 중심으로 카본섬유복합 소재 적용사례가 증가하고 있다. 독일의 벤츠의 경우는 도레이사와 함께 카본섬유복합소재 적용 을 추진 중이며, GM의 테이진과 자동차용 CF를 공동 개발하여 적용할 계획을 갖고 있다[9]. 미국

에서는 향후 증가하게 될 플라스틱 복합소재의 적 용에 대비하여, 복합소재를 통하여 대체 가능한 차체 주요부위의 충돌 안전성에 대한 심도 깊은 연구를 이미 수행하고 있다[6].

국내의 경우도 경량화 효율은 카본섬유복합소 재 대비 다소 떨어지나 양산성이 확보된 장섬유복 합소재(Long Fiber Thermoplastic)를 적용한 부품 의 적용사례가 증가하고 있는 추세이며, 2013년 가을 시장에 출시된 현대자동차 상용 트럭인 엑시 언트의 경우 기존 금속 소재로 제작되었던 자동차 프론트 그릴 부위를 복합소재로 대체하면서 경량 화 효과와 함께 기존에 구현하기 어려웠던 곡선 설계를 통하여 차별적인 디자인을 가능하게 했다.

5. 친환경 소재 동향

유럽에서는 매년 8백∼9백만 톤 정도 발생하는

자동차 폐기물 문제 해결을 위하여 폐자동차 처리

지침(ELV)에서 규정[6]하는 재활용 및 재생률 목

표치를 설정하고 제조자로 하여금 신차 설계단계

에서부터 재활용성을 고려하도록 의무화하고, 자

동차 형식승인 심사기준에 부품 및 재료의 재활용

가능률 기준을 마련하게 하고 있다. 이러한 규제

뿐만 아니라 석유자원 고갈에 대처한 대체원료의

사용에 대한 관심으로 인하여 천연물 유래 원료를

이용한 플라스틱 적용 또한 증가할 것으로 예상된

다. 현재 사용되고 있는 대표적인 친환경 소재는

이미 오래전에 상용화되어 잘 알려진 PLA를 비롯

하여 자동차 내장부품의 표피재, 시트의 쿠션재를

Figure 8. 바이오 소재가 적용된 하이브리드 자동차 SAI

포함한 각종 내ㆍ외장 부품의 흡음용 패드 등으로 사용되고 있는 바이오 폴리우레탄 , PTT 등이 있다.

하지만, 일반적인 바이오 소재는 아직까지 기존 플라스틱 대비 물성이 떨어지는 문제로 인하여 강 성에 대한 요구가 상대적으로 덜한 부품에만 적용 이 되고 있으며, 부족한 강성을 보존하기 위하여 기존 석유기반 소재와 혼합하여 사용되고 있다.

일본의 경우는 이러한 바이오 소재의 기계적 특성 을 개선하기 위한 다양한 연구가 완성차 메이커를 중심으로 추진 중에 있으며, 자사에서 생산되는 자동차에 적용률을 점진적으로 향상시키고 있다 [9]. 도요타의 경우는 독자적인 PLA의 제조기술 을 확보하여 2015년까지 자동차 부품의 20%를 대 체할 계획이며, 미국의 경우도 천연소재를 이용한 부품의 적용사례가 점진적으로 늘고 있는 것으로 추정된다[10].

6. 기능성 고분자 연구동향

자동차용 기능성 고분자 소재는 일반 소재로 구 현되지 않는 새로운 기능을 부여하여 자동차의 이 용에 도움이 될 수 있는 소재를 지칭한다. 기능성 고분자의 예를 들면, 자동차의 증가하는 각종 편 의장치로 인한 유해 전자파 차단 및 전기 전자 기 기 간 오작동 방지를 위한 전자파 차단소재를 포 함하여, 방열소재 및 고감성 소재를 대표적으로 들 수 있다 . 이외에도 PCM (Phase Change Material)

소재를 이용한 온도 적용형 자동차 내장부품 제조 기술 소재를 이용하여 차량 탑승자가 온도에 따른 불편함을 감소시키는 기능, 영구대전방지 기능을 이용하여 자동차 내부의 오염을 감소시키는 기술, 스크래치를 복원할 수 있는 캡슐 혹은 섬유가 함 유된 스크래치 복원 가능 기술 등의 연구가 활발 히 진행되고 있다. 이는 금속 소재가 구현할 수 없 는 화학 소재의 강력한 장점으로서 현재까지는 비 용 및 양산성의 문제로 널리 적용되고 있지는 못 하나, 향후 차량의 적용사례가 증가할 것으로 예 상된다.

7. 결 론

국내 플라스틱 산업은 상대적으로 안정적인 수 익구조를 낼 수 있는 PP, ABS 등 범용 플라스틱 으로 많이 치중되어 있으며, 부가가치가 높은 금 속 대체용, 친환경, 기능성 플라스틱에 대한 연구 는 선진국 대비 열악한 수준이다. 예를 들면, 폴리 아마이드의 경우 국내시장에서 해외업체의 점유 율은 약 80% (2010년 기준)이며, 세계 EP 시장은 Rhodia, DuPont, BASF 등 미국 및 유럽업체가 시 장의 약 47% 이상을 점유하고 있다. R&D 투자 비율을 보더라도 국내 주요기업의 R&D 투자비중 은 2010년도 기준을 약 1% 수준이며, 상대적으로 규모가 큰 글로벌 대기업에 비해 현저히 낮은 수 준이라고 볼 수 있다(BASF 2.8%, 듀폰 5.3%)[11].

이렇게 범용소재 중심의 국내 플라스틱 산업은 저

가의 중동 및 중국산 소재로 인하여 쉽게 경쟁력

을 잃을 수 있다. 따라서 우리 화학산업계도 부가

가치가 큰 플라스틱 소재 관련 연구에 보다 많은

투자를 해야 할 필요가 있으며, 플라스틱 생산 신

흥국과의 격차를 넓히고 선진국과의 기술격차를

좁혀야만 한다. 본문에서 설명한 것처럼 자동차

산업에서는 연비 및 환경규제로 인한 금속대체 가

능한 복합소재와, 친환경 소재, 그리고 그 시급성

은 상대적으로 떨어지나 꾸준히 그 수요가 증가하

고 있는 기능성 소재는 국내 화학 산업의 위기이

자 기회라고 볼 수 있다. 이러한 트렌드에 국내 화

정 선 경

1988∼1992 서울시립대학교 화학공학과 박사

1992∼1994 서울시립대학교 화학공학과 석사

2002∼2007 충남대학교 고분자 공학과 박사

1994∼현재 자동차부품연구원 경량화 융합소재연구센터 센터장 2013 자동차공학회 여성 위원회

위원장

이 평 찬

2000∼2005 성균관대학교 고분자 공학과 학사

2005∼2007 성균관대학교 고분자 공학과 석사

2007∼2012 성균관대학교 고분자 공학과 박사

2009∼현재 자동차부품연구원 경량화 융합소재연구센터

고 윤 기

1998∼2003 KAIST 기계공학과 (학사) 2003∼2005 KAIST 기계공학과 (석사) 2005∼2011 KAIST 기계공학과 (박사) 2011∼현재 자동차부품연구원 경량화

융합소재연구센터

하 진 욱

1997∼2004 인하대학교 화학공학과 학사 2003∼2005 현대/기아 자동차 2005∼2007 New Jersey Institute of

Technology 화학공학과 석사 2007∼2011 New Jersey Institute of

Technology 화학공학과 박사 2010∼2012 제일모직 케미칼 연구소 2012∼현재 자동차부품연구원 경량화

융합소재연구센터

2. 후지경제연구소, 고분자 재료 동향, EV, HEV (2012).

3. A&D 컨설턴트, 자동차 경량화 기술 동향 보 고서 (2011).

4. 이경미, 홍정석, 이상현, 한국과학기술평가원, 석유대체 친환경 바이오화학 산업 정책 동향 및 R&D 이슈 (2012).

5. 홍윤석, 교통안전공단 자동차 안전연구원, 친 환경자동차의 소개 (2011).

8. 이원구ㆍ조병철ㆍ전형진, 공업화학 전망, 15(4), (2012).

9. 한국화학연구원, 자동차부품연구원 보고서 자 동차 화학소재산업 육성전략 보고서 (2012).

10. 경량화 소재 최신 개발동향 및 산업화 전망 세 미나, 비즈오션 (2013).

11. 자동차로 보는 화학소재의 미래, SERI경영노

트 146호.