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2016 / VOL. 330

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자동차 차체 경량화 동향과 전망

2020년을 기준으로 2015년 대비 20% 이상 강화되는 연비 및 배출가스 규제가 국내 및 선진국을 중심으로 기존의 권고에서 강제이행으로 변경됨에 따라서, 자동차 산업에서의 경량화는 더 이상 선택이 아닌 필수가 되었다. 자동차의 경량화는 크게 차체(Body in White, BIW)와 추진체에 해당하는 파워트레인(Powertrain) 및 섀시(Chassis)로 구분할 수 있으며, 그중에서 전통적 경량화 분야인 자동차 차체의 경량화 기술 동향 및 향후 전망에 대하여 살펴보고자 한다.

01

자동차의 주행 중 발생되는 저항은 크게 공기역학저항, 회전저항, 경사저항 및 가속저항 등 4 가지의 저항이 있으며, 공기역학저항을 제외하고 모두 경량화에 따라서 저항이 감소되는 특성이 있기 때문에, 자동차 차체의 경량화는 연비 향상 및 배출 가스 저감을 위하여 반드시 필요한 기술이다.

철강 소재 대체 차체의 선제공격을 이끈 ASFⓇ(Aluminum Space Frame) 기술

자동차 중에서 Sports Car 및 Prototype으로 제조하는 미래지향적 Concept car를 제외하고, 양산 자동차에서 자동차 경량화를 위한 철강 소재 대체재인 알루미늄 합금 적용은 1994년 독일 Audi A8의 차체에 적용된 ASFⓇ(Aluminum Space Frame) 기술이 최호라고 할 수 있다. 1994년 Audi A8 D2 플랫폼의 차체는 알루미늄 판재, 압출재가 중심이었으며, 연결 Node 부위에 제한적으로 주조품이 적용되기 시작하였다. 이를 시작으로 2002년 Audi A8 D3 플랫폼 및 2003년 Jaguar XJ 등 고급 세단의 차체를 중심으로 알루미늄 합금이 적용되었으며, 2015년 북미 F150 픽업 트럭은 알루미늄 합금을 활용하여 철강 소재 차체 대비 43%의 경량화를 달성하였다.

자동차 중에서 Sports Car 및 Prototype으로 제조하는 미래지향적 Concept car를 제외하고, 양산 자동차에서 자동차 경량화를 위한 철강 소재 대체재인 알루미늄 합금 적용은 1994년 독일 Audi A8의 차체에 적용된 ASFⓇ(Aluminum Space Frame) 기술이 최호라고 할 수 있다. 1994년 Audi A8 D2 플랫폼의 차체는 알루미늄 판재, 압출재가 중심이었으며, 연결 Node 부위에 제한적으로 주조품이 적용되기 시작하였다.

이를 시작으로 2002년 Audi A8 D3 플랫폼 및 2003년 Jaguar XJ 등 고급 세단의 차체를 중심으로 알루미늄 합금이 적용되었으며, 2015년 북미 F150 픽업 트럭은 알루미늄 합금을 활용하여 철강 소재 차체 대비 43%의 경량화를 달성하였다.

02

ASFⓇ 기술의 초기에는 알루미늄 판재 및 압출재의 성형을 위하여 하이드로 포밍 (Hydro forming), 롤러 헤밍(Roller hemming) 및 레이저-아크 하이브리드 접합(Laser-arc hybrid welding)과 같은 특수 설비를 이용하여야 했지만, 알루미늄 전문 기업들의 지속적인 연구개발 노력으로 현재는 인장강도 300 MPa, 연신율 30% 이상의 판재 및 압출 소재를 적용하여 기존 철강 소재용 설비를 그대로 활용할 수 있는 기술적인 발전을 이루었다.

또한 고압 고진공 다이캐스팅 기술과 전용 소재 개발을 통하여 기존에는 Node 부위에 한정되던 주조품을 Door inner plate, Tail gate, Shock absorber tower 및 Sub frame과 같은 대형 박육 차체 부품을 주조 공법을 통하여 가격 경쟁력까지 확보하는 기술이 경쟁적으로 진화하고 있다.

경량 철강 소재 차체의 반격 ULSAB(Ultra Light Steel Auto Body) 프로젝트

알루미늄 합금이 철강 소재를 대체하여 차체로 양산이 시작되면서 위기감을 느낀 전 세계 철강기업 35개사가 공동으로 1995년부터 ULSAB(Ultra Light Steel Auto Body) 프로젝트를 통하여 철강소재만으로 기존 철강 차체 대비 25%의 경량화 가능성을 제시하였다. 이를 위하여 철강 기업들과 포르쉐 등의 자동차 메이커가 연구를 진행한 결과, 기존 대비 25%의 경량화 가능성을 제시하였으나, 고장력 및 초고장력강 성형시 스프링 백 및 금형 수명 저하, 특수 성형 및 접합 공정 도입 비용 등의 원인으로 제조 단가 상승의 문제를 해결하지 못하였다.

ULSAB 프로젝트는 제조단가 상승 문제를 해결하기 위하여 후속으로 ULSAB-AVC(Advanced Vehicle Concept) 및 FSV(Future Steel Vehicle) 프로젝트를 진행하여, 강도와 연신율의 동반 상승이 가능한 고망간 철강 소재인 TWIP (Twinning Induced Plasticity) 강까지 적용하여 경량화 및 재활용성을 향상시킨 성과를 내었지만, 현재까지 경량화와 제조단가를 동시에 만족하지 못하고 있는 것이 현실이다.

다종 소재에 의한 Multi-Material Integration (MMI) 차체 경량화 기술

자동차 차체 경량화에서 알루미늄만의 ASFⓇ 및 철강 소재만의 ULSAB의 개념은 실용의 측면보다는 상징적인 의미가 더 크다고 할 수 있다. 실질적으로 차체의 경제적 경량화를 위하여 EU에서는 SuperLIGHT-CAR 프로젝트를 통하여 알루미늄 판재, 압출재, 주조재, 철강 소재, 마그네슘 및 Fiber 강화 복합소재를 적재적소에 적용하여 기존 차체 대비 35%의 경량화와 경제적인 차체 제조 공법의 가능성을 제시하였다. 이후 Audi의 경우에도 알루미늄 차체의 상징인 ASFⓇ 기술에서 2010년 A8 D4 플랫폼부터는 센터 필러 및 충돌 시 강화가 필요한 주요 부위에 초고장력강을 적용한 이종 소재 차체를 상용화하기 시작하였다.

자동차 차체 경량화에서 알루미늄만의 ASFⓇ 및 철강 소재만의 ULSAB의 개념은 실용의 측면보다는 상징적인 의미가 더 크다고 할 수 있다. 실질적으로 차체의 경제적 경량화를 위하여 EU에서는 SuperLIGHT-CAR 프로젝트를 통하여 알루미늄 판재, 압출재, 주조재, 철강 소재, 마그네슘 및 Fiber 강화 복합소재를 적재적소에 적용하여 기존 차체 대비 35%의 경량화와 경제적인 차체 제조 공법의 가능성을 제시하였다.

이후 Audi의 경우에도 알루미늄 차체의 상징인 ASFⓇ 기술에서 2010년 A8 D4 플랫폼부터는 센터 필러 및 충돌 시 강화가 필요한 주요 부위에 초고장력강을 적용한 이종 소재 차체를 상용화하기 시작하였다.

03

한편 차체의 경량화가 기존 내연기관보다 더 크게 요구되는 전기 자동차(Electric Vehicle, EV)의 경우에는 기존의 금속 중심의 다종 소재가 아니라 고분자 소재인 Carbon-fiber-reinforced polymer(CFRP)까지 적용한 다종 소재 융합(Multi-Material Integration, MMI) 기술이 2013년부터 양산하는 BMW i3의 차체에 적용되기 시작하였으며, 2015년부터는 내연기관 차량인 BMW 7시리즈 G12 플랫폼 차체까지 양산 적용이 시작되었다.

다종 소재의 금속 및 고분자를 적용한 MMI 차체의 핵심 기술은 다양한 소재간의 부식 문제, 적절한 접합 강도 및 치수 정밀도를 확보할 수 있는 접합 기술이라고 할 수 있다. 이를 위하여 기존의 전통적인 Arc 및 Laser 용접, Rivet, Flow-drill screw 및 Clinching과 같은 기계적 접합 및 다양한 고분자 소재의 접착제까지 연구되고 있고, 기존 자동차 생산의 양산성 및 경제성과 연계하는 것에 역점을 두어 개발이 진행되고 있다. 그러나 현재까지는 다종 소재를 적용한 차종의 재활용 단계 이전으로, 재활용성에 대한 기술적 고려는 크게 중요성이 부각되지 않고 있지만, 다종 소재의 재활용성 및 친환경성을 확보할 수 없다면 경량화 기술로는 한계가 있을 수밖에 없다.

한편 차체의 경량화가 기존 내연기관보다 더 크게 요구되는 전기 자동차(Electric Vehicle, EV)의 경우에는 기존의 금속 중심의 다종 소재가 아니라 고분자 소재인 Carbon-fiber-reinforced polymer(CFRP)까지 적용한 다종 소재 융합(Multi-Material Integration, MMI) 기술이 2013년부터 양산하는 BMW i3의 차체에 적용되기 시작하였으며, 2015년부터는 내연기관 차량인 BMW 7시리즈 G12 플랫폼 차체까지 양산 적용이 시작되었다.

다종 소재의 금속 및 고분자를 적용한 MMI 차체의 핵심 기술은 다양한 소재간의 부식 문제, 적절한 접합 강도 및 치수 정밀도를 확보할 수 있는 접합 기술이라고 할 수 있다. 이를 위하여 기존의 전통적인 Arc 및 Laser 용접, Rivet, Flow-drill screw 및 Clinching과 같은 기계적 접합 및 다양한 고분자 소재의 접착제까지 연구되고 있고, 기존 자동차 생산의 양산성 및 경제성과 연계하는 것에 역점을 두어 개발이 진행되고 있다.

그러나 현재까지는 다종 소재를 적용한 차종의 재활용 단계 이전으로, 재활용성에 대한 기술적 고려는 크게 중요성이 부각되지 않고 있지만, 다종 소재의 재활용성 및 친환경성을 확보할 수 없다면 경량화 기술로는 한계가 있을 수밖에 없다.

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현재 국내 자동차 메이커의 차체 경량화 수준은 철강 소재 중심이며, 고급 차종에서 부분적으로 알루미늄 및 마그네슘을 적용하는 이종 금속 소재 수준이다. 향후 국내 자동차 산업의 글로벌 경쟁력을 지속적으로 유지하기 위해서는 반드시 MMI 기술이 접목된 경제적인 경량화 기술의 확보가 필요하다. 그러나 후발 주자로써 단순 모방이 아니라 선진 기술을 추월하기 위하여서는 현재까지 선진 기술 개발에서도 중요성을 인식하지 못하고 있는 재활용 관련 기술을, 소재 적용 단위에서부터 제조 및 재활용 과정까지의 전과정을 고려한 친환경적 경량화 기술로 변환시키는 전략적 산업 생태계 조성이 필요하다.

성시영
자동차부품연구원 본부장
TREND01
TREND01
차체 경량화

차체 경량화의 동향과 전망

TREND02
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스마트카 플랫폼

스마트카 플랫폼
(애플 vs 안드로이드)

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