탄소섬유로 만들어진 복합소재는 자동차 생산 라인에서 해결해야 할 문제가 많음에도 불구하고 보다 가벼운 자동차에 대한 연구에서 핵심 역할을 할 것으로 기대된다.
환경 문제가 대두되고 도시 발전에 따른 자동차 사용이 급증하면서 자동차 업계는 새로운 방식의 생산을 모색해야 했다. 그들은 하이브리드 혹은 순수 전기 자동차를 기본 형태로 하면서, 중량이 가벼운 새로운 차체 디자인과 배터리 수명에 특히 중점을 두고 있다.
2014년 후반기까지 거의 모든 자동차 제조업체가 하이브리드 자동차를 출시할 예정인데, 이는 시작에 불과하다. 독일 뒤스부르크-에센 대학 교수이자 동 대학 자동차 연구 센터장인 Ferdinand Dudenhöffer는 기술의 변화를 이야기한다.
“2025년 무렵이면, 세계 자동차 시장에서 화석연료로 움직이는 신차의 비중이 35%까지 떨어질 것입니다.”
또 다른 예측에 의하면 향후 10년 내로 연간 2,400만 대의 하이브리드 혹은 전기 자동차가 판매될 것이라고 한다. Dudenhöffer는 이 정도도 보수적으로 잡은 수치라고 말하면서 모든 자동차 제조업체가 하중이라는 동일한 문제를 극복해야 한다고 강조한다. 배터리를 장착할 경우, 순수 전기 자동차의 무게는 약 250kg, 플러그인 하이브리드차는 200kg 가량 증가하게 된다.
볼보 자동차도 이에 대해 실현 가능한 해결책을 모색 중이다. 스웨덴 외테보리(고텐버그)의 엔지니어들과 런던왕립대학의 항공학부 연구원으로 이루어진 협력 팀은, 탄소섬유와 폴리머 합성물로 만든 복합소재가 에너지를 충전하고 저장할 수 있다는 사실을 발견했다. 즉 미래의 볼보 자동차들은 그 자체로 전기화학 배터리로 작동하는 차체를 갖게 된다는 의미이다. 하지만 과연 이 아이디어가 현실화되려면 얼마나 더 걸릴까?
볼보 자동차 소재 센터의 개발 엔지니어인 Per-Ivar Sellergren은 “모든 일이 계획대로 이루어진다면, 2012년 말경 트렁크(car boot) 형태의 프로토타입 모델을 갖게 될 것으로 봅니다.”라고 낙관적인 전망을 내놓는다. 문제는 비용인데, Sellergren은 복합소재가 강과 알루미늄보다 훨씬 더 고가이지만 그래도 전기 및 하이브리드차의 시대인 미래에는 복합소재가 대세일 것이라고 자신한다.
볼보의 계산에 의하면, 새로운 배터리 재료로 자동차 보닛 하나를 만드는 데 들어가는 비용은 기존 덮개에 리튬-이온 배터리를 더한 비용과 맞먹는다. Sellergren은 “우리 같은 제조업체는 탄소섬유로 만들어진 보닛에 추가 비용을 지불할 의사가 있습니다. 사실상 무료로 배터리를 갖게 되기 때문입니다.”라고 전한다.
볼보 자동차의 복합소재 전문가인 Ulf Carlund의 설명에 의하면, 현재까지의 복합소재는 기존의 자동차 생산라인에 적용하기에는 생산 속도가 너무 느리다고 한다. 부분적인 이유는 강을 재료로 자동차를 제조해온 업체들이 복합소재를 활용한 작업에 어려움을 느꼈기 때문이다. 그러나 이러한 상황을 변화시키려는 강한 의지가 있고, 대중이 신차의 내, 외부에 사용한 폴리머 소재를 점점 더 많이 보게 될 것이라는 게 볼보 전문가들의 의견이다.
알루미늄의 장점을 십분 활용한 모델 A2를 출시한 아우디는 가벼운 차량 제조의 선두주자이다. 독일 남부 네카르줄름에 위치한 아우디 ‘경량화 센터’ 엔지니어들은 자회사 모델인 람보르기니에 사용 중인 탄소섬유 기술과 모기업 폭스바겐이 개발하여 럭셔리 모델 부가티에 적용한 복합소재 기술력 및 전문성을 함께 갖추고 있다.
생산비만 12만 유로(약 1억 8천만 원)가 넘게 들어가며 하루 15~20대 생산되는 스포츠카 모델 아우디 R8 Spyder의 경우, 루프박스의 옆면과 윗면에 탄소섬유 강화 폴리머 재료를 사용한다. 좀 더 저렴한 대량생산 모델의 비용 효율성을 높이기 위한 필수 전제조건 중 하나는 수많은 알루미늄 부품을 탄소섬유 부품 하나로 대체할 수 있어야 한다는 것이다. 아우디 경량화 센터의 개발 엔지니어인 Karl Durst는 “5~6가지 공구가 아닌 단 한 개의 공구만 필요할 것”이라고 설명한다.
이곳에서는 알루미늄 대비 17~18%에서 약 25%까지의 경량화를 실현하기 위해 복합소재 안에 섬유를 채우는 프로젝트가 진행 중 이다. 중량이 같다는 조건 하에 공기 및 압력 저항력이 알루미늄과 동일한 재료를 찾는 것이 이 프로젝트의 관건이다. 이러한 노력에도 불구하고, 여전히 크고 작은 문제들이 존재한다고 Durst는 말한다. 복합소재와 다른 재료들 간의 접합부 부식 및 소음 문제가 그 중 하나이다. 자동차의 중량이 1kg 줄어들 때마다 소음 수준은 증가하고 결국 중량을 늘리는 방음 처리가 필요하게 된다. 자동차 정비사들이 해당 재료에 익숙해져야 한다는 점도 또 다른 과제이다. Durst는 “Audi 정비소가 있는 곳이면 세계 어디든, 가장 작은 규모의 정비소라 해도 복합소재로 만든 자동차를 수리하고 해당 부품을 교체할 수 있어야 할 것입니다”라고 말한다.
아우디 R8 Spyder 스포츠카는 루프박스 측면과 윗면에 모두 탄소섬유 강화 폴리머를 사용한다.
제조 공정 또한 개선될 필요가 있다. 독일의 산업기계 제조업체 Voith의 자회사인 Voith Composites 매니저인 Lars Herbeck는 다양한 영역에서 공정 개선의 필요성이 크게 증가할 것이라고 보고 있다. 그 중 하나는 재료의 공정 프로세스를 최적화하는 것이고, 또 하나는 생산 속도를 향상시켜 1년에 10만 개 이상의 부품을 만들어내는 것이다. 알루미늄 부품은 1초에 하나씩 만들어낼 수 있는 데 반해, 대형 복합소재 부품 생산은 20분에서 1시간이 걸린다. 이는 항공우주 산업에서뿐 아니라 전세계적으로 5,500만대 이상의 자동차가 생산되는 대규모 자동차 조립 라인 생산에도 해당된다.
독일 핀츠탈에 위치한 연구기관 프라운호퍼 화학기술 연구소(Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie)의 복합소재부 연구원인 Oliver Geiger는 다양한 부문의 대기업과 제휴할 방법을 모색하고 있다. Audi의 Durst는 속도가 느린 기술의 진화에 기대기보다는 비약적인 도약이 필요하다고 역설한다.
2004년부터 자사 레이싱카 SLR McLaren에 탄소섬유를 사용한 Daimler 역시 기술개발에 주력하고 있다. 2010년 4월, Daimler는 일본의 화학기업이자 세계 제일의 탄소섬유 제조업체인 Toray와 제휴하기 시작했다. 목표는 3년 안에 탄소섬유로 만든 부품을 개발하여 연간 평균 생산량이 2만~4만 대인 모델에 적용하는 것이다.
한편 BMW의 발표는 더 과감하다. 독일 제휴업체인 SGL Carbon과 함께 미국 워싱턴 주 모세 레이크에 위치한 복합소재 공장에 1억 달러(약 1,100억 원)를 투자하기로 한 것이다. BMW의 CFO인 Friedrich Eichinger은 이 공장에서 최초로 “경쟁력 있는 가격으로 대규모 생산을 할 예정”이라고 전한다. 재료의 가격을 현재 레이싱카에 사용되는 탄소섬유 가격의 절반 이하인 1kg당 22~55달러(약 25,000~60,000원)으로 맞추는 데 목표를 두고 있다.
탄소섬유는 연간 1,500 ton 가량을 생산하는 생산라인 두 곳에서 만들어지며, BMW가 새롭게 선보이는 전기차 Megacity Vehicle을 만드는 데 사용될 예정이다. Megacity Vehicle은 35kWh 리튬 배터리를 장착한 4인승 해치백 모델로, 한 번 충전으로 100km 이상 주행이 가능하다. 작은 추가 디젤 엔진 하나와 전기 엔진 두 개를 스포츠카에 장착하면 시간당 최고 200km 이상의 속도를 낼 수 있다.
Megacity는 BMW가 4억 유로(약 6,160억 원)를 투자한 라이프치히 공장에서 2013~2014년에 생산라인을 출범시킬 예정이다. BWM에 의하면, 알루미늄 섀시에 승객 탑승부 전체를 가벼운 탄소섬유 복합소재로 만든 최초의 대량 생산 자동차가 될 것이라고. BMW가 배포한 최초 스케치를 보면 Megacity는 마치 공상과학 영화에서 튀어나온 듯한 형상을 하고 있다. 쿠페형 차체 아래에 납작한 매트리스 모양의 배터리가 장착돼 있고, 부피가 큰 바퀴가 달려 있으며, 공격적으로 보일 만큼 역동적인 이미지를 지니고 있다.
이러한 추세가 이미 압력을 받고 있는 업계의 공장 현장에 어떠한 영향을 미치게 될지는 두고 볼 일이다. BMW의 경쟁업체 중 한 곳의 차량 경량화 전문가는 이를 두고 “도박”이라고 표현한다.
매니저 Norbert Reithofer도 위험성을 충분히 인지하고 있다. 2010년 10월에 독일 뉘른베르크에서 열린 자동차 컨퍼런스에서 그는 이렇게 말했다. “이 기술을 응용한 첫 번째 생산 주기에서 수익을 얻지 못할 수도 있습니다. 하지만 기존 기술로 보완이 가능합니다.”
조립라인 생산이 향후 자동차 업계의 주요 과제로 떠오르고 있다.
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2025년까지 2,400백만 대의 하이브리드 혹은 전기 자동차가 판매될 것으로 예상된다.
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2025년 무렵이면 신차의 35%만이 연료를 이용하여 작동할 것으로 예측된다.
탄소 섬유
항공우주와 자동차 산업에서 사용되는 복합소재는 대부분 탄소섬유로 강화된 에폭시나 비닐에스터로 만들어진다. 이들 복합소재는 높은 긴축성(tautness) 등의 역학적 성질을 지녔고 무게가 가볍다는 장점이 있다. 탄소섬유는 쉽게 쪼개지지만, 많은 양의 에너지를 흡수하는 형태로 만들 수 있다. 특히 고속주행 시 정면충돌의 위험이 높은 레이싱카는 이러한 특성을 반드시 갖추고 있어야 한다.
자동차 업계에서는 기술력이 다소 떨어지는 섬유 강화 플라스틱이 오랫동안 사용되었다. 과거 동독에서 생산된 Trabants의 경우, 300만 대 이상이 소련의 면사(cotton)와 화학공장의 페놀수지로 구성된 듀로플라스틱을 재료로 사용했다.
기술 인사이트
수많은 미지의 영역
항공우주 산업에서 복합소재는 이미 성장한 시장에 속한다. 샌드빅 코로만트도 PCD(다결정) 공구와 초경 드릴 등 이 분야에 도입할 수 있는 여러 가지 공구 솔루션을 갖추고 있다. 그러나 자동차 산업에서는, 실제로 복합소재에 어떤 종류의 공구가 필요한지가 여전히 불확실한 문제로 남아 있다.
탄소섬유 기술은 F-1 레이싱카와 값비싼 럭셔리 스포츠카에서 확실히 구현되었다. 그러나 이들 자동차는 대체로 수공으로 만들어지며 생산 대수가 극히 한정되어 있다.
샌드빅 코로만트의 복합소재부 직원 Francis Richt는 “양산형 자동차의 경우는 아직 연구 및 개발 단계에 있다”면서, “그러나 전기 및 하이브리드 자동차의 중량을 줄이기 위해 곧 이 신소재를 상용화하게 될 것”이라고 낙관한다. Richt는 또한 항공우주 산업의 공정은 자동차 제조 공정보다 더 복잡하다고 덧붙인다. 품질 요구조건이 훨씬 더 까다로운데다 복합소재와 티타늄 등의 다른 재료들을 동시에 가공해야 하기 때문이다.
“비행기보다는 자동차의 구조가 좀 더 단순한 건 사실이니까요. 예를 들어, 수천 개의 홀을 뚫거나 넓은 부위를 밀링하는 등의 공정을 줄일 수 있지요.” Richt의 설명이 이어진다. “대신, 기존 방식과는 다른 홀 가공과 움푹한 부분의 가공에 대해 대비할 필요가 있습니다. 고도로 발달된 우주항공 산업과 비교하여, 자동차 산업에서는 그에 맞는 가공에 대한 요구가 있습니다.”
자동차 산업에서 이용 가능한 기존의 공구들도 존재한다. 예를 들어 샌드빅 코로만트의 CoroDrill 드릴들은 표면이 다이아몬드로 되어 있어, 홀의 품질과 가공기 성능을 향상시킨다.
F-1 레이싱카에는 이미 복합소재가 사용된다. 소량 생산에서만 실현 가능했던 이 기술을 일반 자동차에 적용하여 대량 생산하는 것이 당면한 과제이다.
차체를 배터리로 바꾸는 원리
전기차의 중량을 줄이기 위한 볼보 자동차의의 전략은 단순하다. 무거운 배터리를 장착하는 대신, 차체 전부를 배터리로 만드는 것이다. 실제로 전기차 제조 작업에서는 1kg 차이가 매우 중요한데, 볼보의 솔루션이 성공할 경우 중량을 250kg까지 줄일 수 있게 된다. 이 신기술의 핵심은 새로운 복합소재를 사용하는 것이다. 이 솔루션의 원리는 아래와 같다.
