마성원*, 최창휴, 서영종
{swma*, chchoi, yiseo}@lottechem.com 롯데케미칼 연구소
롯데케미칼은 2012년 말 호남석유화학과 케이피케 미칼이 합병해 새로운 사명으로 출범하였다. 국내 8 개, 해외 8개 사업장을 가지고 국내 에틸렌 생산량 1 위인 석유화학회사로, 2010년 삼박LFT 인수, DACC 항공 인수를 통해 복합재 사업에 본격적으로 참여하 였다. 2011년에는 미국 알라바마에 생산법인을 설립 하고 LFT 및 복합수지를 생산하고 있다. 이외에 메 가트렌드 사업을 통해 ESS, 수처리, 탄소소재, 그리고 바이오 화학 등의 신 사업에도 적극 참여하고 있다.
롯데케미칼은 2018년 아시아 Top 3 화학기업 Vision 달성을 위해 끊임없이 노력하고 있다.
자동차용 경량화 필요성
최근 자동차 산업은 세계적으로 이산화탄소 저감과 관련된 각종 규제 증가 및 연료 효율성에 대한 요구가 높아짐에 따라 기존 플라스틱 부품에 대한 경량화 노 력은 물론 금속 부품을 플라스틱 복합재로 대체하는 차량 경량화에 많은 연구 개발을 진행하고 있다. 특히, 세계 각국은 지역별로 새로운 자동차 배기가스 배출 량 및 이산화탄소 배출에 대한 규제와 자동차 연비에 대한 새로운 목표를 설정함으로써 자동차 경량화에 대한 의지를 강력하게 표명하고 있다. 유럽연합은 자 동차 운행에 따른 이산화탄소 배출량을 2012년부터 차량 주행 1 km당 130 g 미만으로 규제하는 환경정 책을 발표하였고, 미국은 2009년 5월 오바마 대통령의 발표로 2016년까지 자동차 평균 연비를 1 liter당 약
15 km 이상 달성하고 배기가스 배출량을 현재의 1/3 수준으로 개선하겠다고 밝히고 있다. 이러한 정책은 기존 2020년을 목표로 추진하던 것을 2016년까지 앞 당김으로써 자동차 경량화를 통한 환경오염문제 해결 과 효율성 향상을 목적으로한 세계 각국의 복합재 개 발에 적극 참여하겠다는 의지를 나타내고 있다. 이에 따라 산업통상자원부에서도 자동차 연비 개선에 대한 새로운 방향 및 가이드 라인을 2009년 6월에 제시하 였으며, 향후 5년간 약 1,500억원의 연구 개발비를 투 입하여 매년 자동차 연비를 5 %씩 개선하겠다는 계 획을 마련하였다. 현재 국산 자동차의 평균 연비는 1 liter당 약 12.7 km 수준이며 이는 일본 자동차의 평균 연비 대비 약 70 % 수준에 해당하는 것으로 파악되 고 있다. 향후 2015년 세계 각국의 자동차 평균 연비 를 예상할 때, 일본 16.8 km/liter, 유럽연합 18.1 km/liter, 미국 16.6 km/liter, 중국 17.9 km/liter 등으 로 향후 국산 자동차 경량화를 통한 연비 개선 및 배
그림 1. 세계 각국의 장/단기 연비 규제.
자동차용 경량화에 따른 복합재 시장 전망 및 개발 동향 | 마성원, 최창휴, 서영종
기가스 배출량 감소는 시급히 추진되어야 할 상황이 다[그림 1].
복합재 LFT 시장전망
주요 자동차 부품 복합재인 LFT(Long Fiber Reinforced Thermoplastic)는 도어모듈, FEM(Front End Module), IP(Instrument Panel) 등 다양한 곳 에 적용되고 있다. 그 이유는 유가 급등으로 인한 에
너지 위기로 자동차의 경량화 요구가 크게 증가한 것 과 생산성을 높이면서 경량화를 도모하는 재료로써 LFT가 큰 기대를 모았기 때문이다. 실제로 다양한 부품이 조립되어 완성되는 FEM, 도어모듈, IP 등을 LFT 재료로 대체하여 조립비용 감소로 원가절감 효 과도 크게 작용하였다.
전 세계 LFT 시장을 분석해보면 2017년까지 약 313,400 톤을 초과할 것으로 기대되며 주된 성장 원인 그림 2. 전세계 LFT 시장에서 용도 점유율 및 자동차 부품소재에 따른 LFT 시장 규모.
그림 3. 각 국가별 자동차용 복합재 시장 전망(2013년~2023년).
현재까지 전세계 LFT 시장을 분석해 보면 자동차용 소재가 약 65 %로 주를 이루고 있다[그림 2].
최초 유럽에서 적용되기 시작한 LFT 사용은 북미 지역을 거쳐 아시아에까지 이르렀으며 2009년까지는 소비량이 적었던 중국에서도 그 사용량이 급증한 것 이 하나의 원인으로 작용하였다. 유럽은 오래 전부터 환경 및 경제성을 중요하게 생각해왔기 때문에 가장 큰 LFT 시장을 가지고 있다[그림 3]. 그리고 급속한 경제성장을 이루고 있는 아시아 지역의 국가들은 중 국을 중심으로 또 하나의 큰 소비시장으로 성장하고 있으며 매년 10 % 이상의 성장을 할 것으로 예측된 다. 또한 자동차에 적용되는 복합재의 향후 전망을 보 면 지속적인 성장세를 이루고 있으며 연평균 성장률 (CAGR)은 2023년까지 7.6 %에 이른다[그림 4]. 또 한 자동차에 적용되는 복합재의 규모는 연비 규제 등 으로 인해 큰 폭으로 증가하는 추세를 보일 것으로 예 상된다. 따라서 향후 LFT와 같은 복합재는 그 용도 및 기능에 있어 크게 발전할 것이며 섬유 보강재는 현 재 사용되는 유리섬유에서 탄소섬유로 적용되어 저비
산업에서는 가격이 상대적으로 저렴한 폴리프로필 렌을 기재로 사용하고 장섬유를 보강재로 이용한 장 섬유 보강 열가소성 복합재와 관련한 많은 연구를 수 행하고 있다. 대표적인 것이 LFT이며 자동차 산업에 서 엔지니어링 플라스틱, 열경화성 소재, 그리고 일부 금속 부품을 대체할 수 있는 이상적인 기술로 주목 받 고 있다.
복합재의 물성은 다양한 인자에 의해 영향을 받는 데 그 중 하나가 보강용 섬유의 길이이다. LFT는 그 단어에서 의미하는 것처럼 Pellet 내의 보강섬유의 길 이가 약 8 mm에서 12 mm를 유지하고 사출성형이 가능한 소재이다[그림 5]. 기존 섬유 복합재에서 Pellet 내에 있는 섬유의 길이가 2 mm 이하인 것과
그림 5. LFT Pellet의 모식도(좌) 및 삼박LFT (롯데케미칼
자회자)에서 생산된 SUPRAN (우).
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비교해 볼 때 보강섬유의 길이 면에서 약 4배에서 6배 정도 길고 이로 인하여 최종 사출 후 물성 보강에 큰 영향을 주게 된다[그림 6].
LFT 생산공정은 크게 세 부분으로 나눌 수 있다.
원료가 되는 열가소성 플라스틱을 공급하는 압출공정 과 유리섬유를 함침할 수 있는 함침 공정 그리고 8 ~ 12 mm로 Pellet을 제조하는 커팅 공정으로 나누어 진다. 이중 가장 중요한 공정이 수지에 섬유를 함침시 키는 공정이며 함침 정도에 따라 보강섬유의 분산 및 수지와의 접촉면적을 변화시킬 수 있기 때문이다[그 림 7].
앞에서도 언급한 것처럼 LFT의 특징은 보강섬유 의 길이이다. [그림 8, 9]에서 보는 것처럼 장섬유 복 합재와 단섬유 복합재의 수지를 제거한 후 비교해 볼 때 잔존 섬유의 길이 차이를 확인해 볼 수 있으며 [그 림 8]에는 두 복합재의 잔존섬유 길이를 정량적으로 분석하여 비교하였다. 섬유의 길이 분포를 보게 되면 사출 성형 후 장섬유 복합재에서는 다양한 길이의 잔 존섬유 분포를 확인할 수 있지만, 단섬유 복합재에서 는 0.4 mm 이하의 잔존섬유 길이를 확인할 수 있다.
이처럼 성형된 복합재에 남아있는 잔존섬유의 길이 때문에 LFT기술을 적용한 복합재가 그렇지 않은 복 합재에 비해 높은 물성을 가질 수 있다.
그림 6. 장섬유 복합재와 단섬유 복합재의 물성비교.
그림 8. 단섬유 복합재(上)와 장섬유 복합재(下) 시편에 잔존하는 섬유 이미지.
그림 7. LFT 생산 공정 모식도.
개발 적용한 LFT 도어모듈이다. 각 계발 단계를 보면 0세대는 각각의 기능 부품들이 별개로 조립되고 공정 단계가 많아 생산성이 낮은 단계이다. 1세대부터는 모 듈 개념이 적용되고 모듈 판에 윈도우 레귤레이터 시 스템과 같은 부품들을 직접 조립하는 금속 도어모듈 공정이 개발되었다. 2세대에는 이보다 더 진보된 개념 이 적용되는데 기존 스틸 모듈에서 복잡한 형상까지
LFT에서 생산되고 있는 SUPRAN이라는 LFT 소재 이다. 기존에 적용되던 부품 수를 13개에서 5개로 대폭 줄이면서 중량 또한 50 %로 낮추는데 성공하였다. 현 재 YF 소나타(현대)와 TF 로체(기아)에 적용되고
그림 10. SUPRAN 이 적용된 삼성전자 세탁기의 아웃터 브와 YF 소나타에 적용된 도어모듈.
그림 11. 연속보강섬유로 가능한 다양한 직조 패턴.
그림 12. WLFT Sheet의 모식도와 실제 구성 이미지.
그림 13. 범퍼 백빔 제작에 사용된 Win-LFT 저압사출 공
법의 모식도.
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있으며 이런 기술을 적용한 자동차 플라스틱 도어모듈 은 국내 최초이자 세계 세번째로 개발된 제품이다[그 림 10]. 또한 이런 신기술을 자동차에 적용한 사례는 이번이 처음이다. 이외에도 LFT를 삼성전자 세탁기 의 아웃터브 등 다양한 분야에 적용하고 있다.
또 다른 대표적인 기술은 일축방향 연속보강섬유가 폴리프로필렌에 함침된 테이프를 이용한 직조체이다 [그림 11-12]. 이 기술을 적용해 개발 제품은 플라스 틱 범퍼 백빔이며 삼박LFT는 현대자동차와 공동으 로 세계 최초 신기술인 WLFT(Woven Long Fiber Reinforced Thermoplastic)의 저압사출공정을 이용 한 WIN-LFT(Woven Insert LFT) 범퍼 백빔 제조 기술개발에 성공하여 범퍼 백빔 부품 사업과 함께 초 고강도 소재사업을 진행하고 있다[그림 13]. 이 기술 은 그 독창성과 산업에 기여한 공로를 인정받아 2010 년 신기술 인증을 획득하였고 그 이듬해인 2011년에 는 장영실상을 수상하였다. 기존 스틸 빔은 상대적으 로 원가는 저렴하나 고비중 특성에 의해 과도한 중량 을 나타내는 문제점이 있다. 또한 설계 자유도 측면에
서 구현할 수 있는 디자인이 한정되므로 다양한 자동 차 디자인을 만족시킬 수 없는 단점을 보유하고 있다.
이를 해결하기 위해 다양한 기술이 개발되었고 그 중 하나가 GMT(Glass Mat Thermoplastic)기술이다.
GMT 빔은 기존 스틸 빔과 비교할 때 중량이 가벼우 며 개선된 성형성으로 스틸 빔을 대체할 수 있는 유일 한 플라스틱 복합재로 인식되어 왔다. 하지만, GMT 빔 역시 기존 스틸 빔의 성능 수준을 맞추기 위해 두 께가 증가되고 이로 인한 추가 경량화가 요구되는 상
그림 14. Win-LFT 공법을 적용한 범퍼 백빔의 실제 자동 차에 적용 위치.
그림 15. 롯데케미칼에서 생산된 LFT 및 WLFT 제품이 적용 및 개발예정 부품 이미지.
가능한 새로운 자동차 범퍼 빔 성형 공법인 Win- LFT 공법이 개발되었다. 이 공법의 특징은 기존 GMT 소재를 이용한 고압 프레스 공법과 차별화된 방법으로 폴리프로필렌을 이용한 LFT 복합 시트인 WLFT를 금형 안에 insert하고 폴리프로필렌 장섬유 강화 복합재(PP LFT)를 저압 사출하면서 프레스 성 형을 하는 하이브리드 공법이다. 이로 인해 기존 GMT 빔과 대비하여 동일 성능을 유지하면서 경량 화, 설계자유도 개선, 원가절감까지 달성할 수 있게 되 었다. 현재 이 기술은 베르나 후속 모델에 적용 중이 며 지속적인 연구 개발을 진행하여 보다 우수한 성능 의 제품을 개발해 나가고 있다[그림 14].
체에서는 차체에 복합재를 적용하기도 하고 후드, 루 프 등의 외판에도 복합재의 적용 및 테스트 하고 있는 상황이다. 이에 발맞추어 보다 다양한 소재 및 기술에 대한 필요성이 절실하다. 롯데케미칼에서는 미래형 자동차 소재에 적용하기 위해 탄소섬유가 보강된 LFT 및 탄소섬유 직조 시트를 개발하였으며 그 외 다양한 엔지니어링 플라스틱을 기재로 하여 친환경 바이오 섬유 등을 이용한 보강재 개발에도 적극 참여 하고 있다[그림 15].
