자동차가 에너지 절약과 배출가스 저감의 길로 더 멀리 갈 수 있게 해주는 것은 무엇일까요? 그 답은 현대 자동차를 구성하는 세 가지 핵심 재료에 있을 수 있습니다. Ford의 Model T 탄생부터 오늘날 번창하는 신에너지 자동차에 이르기까지 소재 혁신은 자동차 산업 발전의 핵심 동인으로 남아 있습니다. 이 기사에서는 자동차 경량화에 중점을 두고 자동차 차체 디자인에서 강철, 알루미늄, 플라스틱의 역할을 살펴보고 관련 재료 및 가공 기술을 분석합니다.
지속적인 자동차 기술 혁신의 물결 속에서 소재는 중요한 역할을 합니다. 제조의 기초로서 정교한 가공 기술을 통해서만 재료를 기능성 자동차 부품으로 변환할 수 있습니다. 기존 내연기관 차량은 일반적으로 수만 개의 부품으로 구성됩니다. 부품 기능성을 강화하고 연비를 향상시키기 위해 첨단 소재에 대한 업계의 수요가 지속적으로 증가하면서 새로운 소재 솔루션의 출현이 가속화되고 있습니다.
일본자동차공업협회(JAMA)의 초기 조사 자료에 따르면 석유파동 이후 자동차 소재의 구성비가 변화를 겪었다. 강판, 구조용강, 스테인리스강, 주철 등 철강재료의 비중은 약 80%에서 약 70%로 소폭 감소했다. 그럼에도 불구하고 철강은 자동차 제조에서 여전히 지배적인 소재로 남아있습니다. 한편, 알루미늄과 플라스틱의 사용은 증가하는 추세를 보이며 알루미늄 및 기타 비철금속이 약 8%를 차지하고 플라스틱도 유사한 수준에 도달했습니다. JAMA의 데이터는 2001년까지만 적용되지만 업계 추정에 따르면 현재 플라스틱은 자동차 소재의 거의 10%를 차지하고 있습니다. 재료 구성의 이러한 변화는 주로 전통적인 강철을 알루미늄 및 플라스틱 대체품으로 대체함으로써 달성되는 경량화 고려 사항에서 비롯됩니다.
따라서 강철, 알루미늄, 플라스틱은 자동차 구조 재료의 세 가지 기둥을 구성합니다. 물론 차량 구성은 타이어용 고무, 앞 유리용 안전 유리, 센서용 세라믹, 촉매 변환기용 백금 등 세 가지 재료를 넘어 모두 필수 구성 요소로 사용됩니다. 이러한 재료의 포괄적인 응용은 현대 자동차를 가능하게 하며, 자동차 개발은 기존 재료의 최적화와 새로운 재료의 연구를 동시에 추진합니다.
1980년대에 세라믹 재료는 금속 합금에 비해 우수한 고온 저항성으로 인해 금속 및 플라스틱에 이어 "제3의 재료"로 주목을 받았습니다. 획기적인 혁신은 1985년 Nissan의 Fairlady Z 모델에 질화 규소 세라믹 터보차저 로터가 통합되면서 나타났습니다. 당시 터빈 블레이드에 일반적으로 사용된 인코넬 합금(8.5g/cm3)보다 훨씬 낮은 밀도가 3.2g/cm3에 불과한 이 소재는 로터 무게를 크게 줄이고 엔진 반응성을 향상시켰습니다.
질화 규소 세라믹 엔진 밸브도 광범위한 연구를 거쳐 프로토타입 테스트 단계에 도달했습니다. 이 고경도 소재의 연삭 기술, 특히 비용 효율적인 품질 관리는 중요한 기술적 과제로 대두되었으며, 소재 가공 기술의 중요성이 다시 강조되었습니다. 세라믹은 또한 환경 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다. 가솔린 차량 산소 센서의 지르코니아 세라믹, 촉매 변환기 기판의 코디어라이트 세라믹, 배기 정화용 디젤 미립자 필터(DPF)의 탄화규소 세라믹.
2000년 푸조 607에 처음 적용된 DPF는 다공성 벽이 있는 벌집 구조를 사용해 디젤 배기가스에서 입자상 물질(PM)을 포집합니다. 이 기술에는 미세 기공 크기의 정밀한 제어와 고급 벌집형 가공 기술이 필요합니다. 일반적인 승용차 DPF 장치의 무게는 3~6kg이므로 전체 차량 중량이 필연적으로 증가합니다.
차량 경량화는 주로 연료 소비를 줄이고 동적 성능을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 환경적 압박이 증가함에 따라 연료 효율성 개선이 특히 중요해졌습니다. 낮은 연료 소비를 달성하기 위해서는 엔진 연소 최적화, 마찰 손실 감소, 동력 전달 효율 개선, 공기역학적 및 회전 저항 감소, 차량 중량 감소 등 다양한 접근 방식이 존재합니다. 그 중에서도 경량화는 가장 중요한 대책 중 하나입니다. 차체는 가장 무거운 차량 구성 요소이므로 차체 경량화는 연비에 필수적입니다. 전기차의 경우 경량화로 주행거리가 추가로 늘어난다.
연석 중량이 1,214kg인 2.0리터 승용차 세단을 생각해 보세요. 강철 차체의 무게는 343kg이며, 바디 인 화이트(구조 프레임) 261kg과 도어 및 후드 82kg으로 구성됩니다. 따라서 차체는 전체 차량 중량의 약 30%를 차지합니다. 이에 비해 엔진의 무게는 41kg의 주철 실린더 블록을 포함하여 141kg입니다. 이를 알루미늄으로 교체하면 무게가 15kg 감소합니다. 이는 경량화를 위한 소재 대체의 전형적인 예입니다.
부품 소형화는 또 다른 중요한 경량화 접근 방식을 제공합니다. 엔진 및 엔진 베이 구성 요소 크기를 줄이면 실내 공간이 확장될 뿐만 아니라 충돌 완충 구역도 늘어나 충돌 안전성이 향상됩니다. 소형화는 또한 차체 설계 유연성을 향상시킵니다. 예를 들어, 현대의 경량 차량(공차 중량 718kg)은 차체 무게가 206kg으로 2.0리터 세단과 비슷한 차체 대 차량 중량 비율을 유지합니다(표 1 참조).
| 차량 종류 | 공차중량(kg) | 체중(kg) | 체중 비율 |
|---|---|---|---|
| 2.0L 세단 | 1,214 | 343 | ~30% |
| 경량 차량 | 718 | 206 | ~29% |
자동차 차체는 가장 크고 가장 복잡한 차량 구조를 대표하므로 경량화의 주요 대상이 됩니다. 차체 디자인은 무게 감소 노력을 희생하지 않으면서 강도, 강성, 내구성, 내부식성, NVH(소음, 진동 및 충격) 성능, 충돌 안전 등 다양한 성능 요구 사항을 충족해야 합니다.
고강도 강철(HSS)은 중요한 경량화 소재 역할을 합니다. 철강 강도를 높임으로써 제조업체는 구조적 성능을 저하시키지 않고 재료 사용량을 줄일 수 있습니다. DP(이상강), TRIP(변태유도소성강), CP(복합상강), MS(마르텐사이트강)을 비롯한 AHSS(초고장력강)는 자동차 응용 분야에서 점점 더 널리 사용되고 있습니다. 이러한 소재는 더 가볍고 안전한 차체 구조를 위해 더 높은 강도와 더 나은 성형성을 제공합니다.
한 자동차 제조업체의 최신 모델은 광범위한 AHSS를 사용하여 차체 중량을 15% 줄이면서 강성과 충돌 안전성을 향상시켰습니다. 또한 열간 성형 강철은 일반적으로 A 필러 및 B 필러와 같은 중요한 구조 구성 요소를 강화하여 충돌 저항성을 향상시킵니다.
알루미늄 합금은 또 다른 중요한 경량화 솔루션을 제공합니다. 밀도가 강철의 약 3분의 1에 달하는 알루미늄 대체재로 인해 본체 무게가 크게 감소합니다. 알루미늄은 성형성과 내식성이 뛰어나 제조 공정이 용이합니다. 현재 응용 분야는 차체 패널, 구조 부품, 서스펜션 시스템 및 엔진 부품에 걸쳐 있습니다.
아우디 A8은 풀 알루미늄 차체 구조를 선보이며 기존 강철 차체에 비해 약 40%의 무게 감소를 달성했습니다. Tesla의 Model S는 무게를 줄이고 주행 거리를 늘리기 위해 알루미늄을 광범위하게 활용합니다.
플라스틱 및 복합재는 추가적인 경량화 경로를 제공합니다. 금속에 비해 밀도가 상당히 낮기 때문에 무게를 크게 줄일 수 있으며 뛰어난 설계 유연성과 내식성은 복잡한 형태의 부품에 적합합니다. 현재 적용 분야에는 범퍼, 펜더, 도어 트림 패널 및 계기판이 포함됩니다.
탄소 섬유 복합재는 뛰어난 강도와 강성을 지닌 고성능 경량 소재를 대표합니다. 더 높은 비용에도 불구하고 BMW의 i3 및 i8과 같은 프리미엄 차량에서의 사용은 계속 확대되고 있습니다.
자동차 경량화는 재료, 디자인 및 제조의 조화로운 발전을 요구하는 체계적인 엔지니어링 과제를 구성합니다. 기술이 발전함에 따라 미래의 자동차는 더 가볍고, 더 효율적이며, 더 환경적으로 지속 가능해질 것입니다.
