무거워진 자동차, '탄소섬유'로 다이어트 해야

자동차업계의 영원한 화두는 친환경과 고효율이다. 이를 위해선 차체 경량화가 필수적이지만 역설적이게도 최근의 자동차는 각종 전장부품과 안전품목 강화로 점점 무거워지고 있다. 그 해법으로 제시되는 방법이 소재 경량화다. 부품의 가짓수를 줄일 수 없다면 소재 자체를 가벼운 것으로 대체하는 것. 그 중심에 CFRP(탄소섬유강화플라스틱)이 있다.

25일 전경련회관에서 '자동차 경량화를 위한 소재 및 성형기술 개발 세미나'가 열렸다. 알루미늄과 마그네슘, 타이타늄 등 고강도 비철금속의 적용기술과 CFRP의 적용현황 및 동향 등을 살폈다. 발표자로 참석한 르노삼성자동차 유기재료섹션장 이철휘 수석연구원은 CFRP의 적용효과와 활용사례에 대해 설명했다.
이 수석은 "토레이(TORAY) 발표자료에 따르면 1,380㎏의 준중형차에 CFRP를 최대한 적용해 무게를 970㎏까지 줄일 수 있다"며 "후드와 루프, 트렁크 리드부터 시작해 실내 시트백 프레임과 헤드레스트 스포트, 엔진 파츠까지 교체 가능하다"고 말했다.
현재보다 차체 무게를 30% 이상 줄일 수 있다는 얘기다. 이 경우 자동차의 나머지 기능은 모두 긍정적으로 개선된다. 이 수석은 "자동차 무게가 10% 줄면 연료효율은 3% 좋아지고, 가속성능과 조향성능은 각각 8%, 6% 개선된다. 또 제동성능은 5% 향상된다. 뿐만 아니라 섀시 내구성은 1.7배 강해지고 배출가스는 당연히 감소한다"고 강조했다.

글로벌 브랜드 중에선 BMW가 CFRP를 가장 활발히 도입하고 있다. M3와 같은 고성능차와 친환경차인 i브랜드에 적용한다. CFRP로 제작한 M4 트렁크리드는 50% 정도 무게가 덜 나간다. 순수전기차인 i3의 경우 차체(라이프 모듈) 중량이 388㎏으로 일반차 평균(450㎏)과 비교해 상당히 가볍다. 수리 용이성을 위해 라이프모듈을 9개 파트로 나눈 멀티피스 방식으로 구성한 게 특징이다. 각각의 피스만 교체하면 돼 상대적으로 수리비가 덜 든다.
CFRP가 경량화를 위한 최적의 소재임은 맞지만 단점도 있다. 가격이 비싸고 공정시간이 길다는 점이다. CFRP는 ㎏당 20달러 내외로 철강 1달러, 알루미늄 3달러, 마그네슘 17달러보다 훨씬 비싸다. 슈퍼카와 프리미엄 브랜드 외에 대중차가 감당하기엔 부담스러운 수준이다. 또 기존 프레스 가공이 1분 안에 끝나는 것과 달리 CFRP는 열경화성수지여서 경화과정이 30분 정도 걸린다. 따라서 가격경쟁력과 공정 최적화를 확보하는 게 관건이라는 게 이 수석의 설명이다. 그는 CFRP 가격이 ㎏당 10~12달러, 공정시간은 5분 미만을 생산성 확보 기점으로 봤다.
또 다른 단점은 제작 시 자투리가 많이 발생해 소재 낭비가 심하다는 점이다. CFRP는 부직포같은 탄소섬유를 보닛이나 루프 모양으로 재단하고, 이를 5~6장 쌓아올려 에폭시나 레진을 주입해 굳히는 방식으로 제조한다. 탄소섬유 재단과정에서 원소재의 약 30%가 버려진다. 소재 가격도 비싼데 낭비하는 자투리가 상당히 많다. 따라서 이를 어떻게 재활용할 지도 중요 항목이다. 최근 자투리를 모아 재가공하는 방법을 개발했다는 얘기도 있다.

현재 국내 자동차제조사들은 CFRP 적용에 아직 소극적이다. 소재에 관한 연구개발을 하고 있지만 부진하다. 이 수석은 "현대자동차의 경우 현대제철, LG하우시스와 CFRP를 개발중이지만 현대제철이 철강을 생산하고 있어 신소재 개발에 그리 적극적이지 않은 것 같다"며 "국책사업으로도 연구하는 만큼 2022년 양산기술을 목표로 한다"고 말했다.
오아름 기자 or@autotimes.co.kr
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