CFRTP(열가소성 탄소섬유복합재료) 소재기술 개발 동향 문정희 기자입력 2017-08-29 19:15:13

 

자동차 경량화는 전 세계적인 자동차 산업의 트렌드로 부각되고 있다. 차량 경량화는 적용 기간이 짧고 다양한 경량화 방법을 통해 연비 개선에 많은 효과를 얻을 수 있기 때문에 연비 규제 강화의 대응책으로 선택이 아닌 필수적 요소가 되고 있기 때문이다. 차량 경량화 방법은 여러 가지가 있는데, 본문에서는 CFRTP를 이용한 차량 경량화 기술에 대해 살펴본다.

* 자료 : 화학소재정보은행(www.matcenter.org)
* 필자 : 자동차부품연구원 윤여성 책임연구원

 

 

【목차】
Ⅰ. 자동차 경량화 필요성
Ⅱ. 탄소섬유를 이용한 차량 경량화
  1. 탄소섬유를 이용한 열가소성 복합재료
     1.1 사출, 압축 공정을 이용한 열가소성 탄소섬유 복합재료

     1.2 중합반응을 이용한 열가소성 탄소섬유 복합재료
Ⅲ. 결언

 

Ⅰ. 자동차 경량화 필요성

 

자동차의 경량화는 현재 수많은 글로벌 자동차 기업들의 화두이자 주요 추진과제이다. 그 이유로는 자동차의 가속력과 제동력 증가, 엔진과 타이어 등의 부품 성능 증가 및 수명 연장 등이 있지만 가장 큰 이유는 연비 개선에 큰 효과가 있다는 점이다.
미국고속도로 교통안전국(NHTSA)에 따르면, 자동차 무게 10%를 경량화하면 최소 6~8%의 연비 개선이 가능하다고 한다. 이러한 경량화에는 대량 생산 시 높은 비용과 기술적 한계라는 큰 단점이 있지만, GM, Ford 등 주요 자동차 기업들은 이미 자동차 경량화를 위해 활발한 연구와 노력을 지속적으로 하고 있다. 이런 주요 자동차 기업들의 행보로 보아 자동차 경량화는 전 세계적인 자동차산업의 트렌드로 부각되고 있다.
연비개선을 위한 기술은 다양하게 이루어지고 있다. 그 중 하나인 엔진/구동계(파워트레인)의 개발은 높은 연비 개선 효과가 있으나 이미 많은 부분에서 완성된 기술로 추가적인 기술 개발에 한계점을 지니고 있고, 많은 투자비용, 투자기간, 교체비용이 들어가며 투자 회수 기간이 길어 해당 기술의 급속한 환경규제강화에 충분한 대응 수단으로는 한계점이 있다.
차량의 디자인 단계에서부터 공기저항을 최소화해 연료의 효율성을 높이기 위한 공기저항 감소 디자인은 연비개선기술에 비해 비용은 적게 들어가나, 유선형 형태의 일괄적인 디자인을 모든 차종에 적용해야 하는 문제가 있어 제품의 다양성을 충족하기에 어려움이 존재한다.
대체에너지를 이용한 구동은 전기자동차, 수소연료전지 자동차, 하이브리드 자동차 등을 들 수 있다. 이는 배기가스 저감에 가장 높은 효과가 있으나 단기간에 적용하기가 쉽지 않다는 단점이 있으며 현재 기술을 감안할 때 높은 적용 비용과 인프라 구축 비용이 필요하다.
반면 차량 경량화는 적용 기간이 짧고 다양한 경량화 방법을 통해 연비 개선에 많은 효과를 얻을 수 있다. 그래서 자동차 연비개선을 위한 현실적인 대안으로 차량 경량화 기술에 주목하고 있다. 이 기술은 빠르게 차량에 적용해 연비 개선이 가능하다는 장점이 있기 때문에 급속히 진행되고 있는 연비 규제 강화의 대응책으로 연비 개선기술의 선택이 아닌 필수적 요소가 되고 있다.
즉, 차량 경량화는 가장 현실적이고 효과적인 연비 개선 방법으로 조명받고 있는 것이다. 또한 경량화로 인한 연비 개선 효과도 명확하다. 일반적으로 승용차 무게 10% 경량화 시 연비는 3.8% 향상되고, 배기가스인 이산화탄소와 질소산화물은 각각 4.5%, 8.8% 감소된다고 보고되고 있다[그림 1].

 

 

이는 신차 등록 8백만 대 기준 일평균 60㎞ 주행과 평균연비 12㎞/L 가정 시 하루 16만L 의 연료절감과 20만㎏의 온실가스 감소 효과와 동일하다. 미국의 경우 DOE에서 발표한 Light Duty Vehicles(LDV)의 연차별 경량화 목표를 [표 1]에서 보면, 2020년까지 Body 분야에서 35%, Power-train 10%, Chassis/suspension 25%, Interior 5%의 경량화를 통해 차량 전체 기준 약 20% 경량화 목표를 삼고 있으며, 2050년에는 기존 차량 대비 약 50% 경량화를 목표로 하고 있다.

 

 

차량 경량화 방법은 3가지 정도로 구분된다. 최적화된 구조를 구현해 소재의 사용을 최소화하는 구조의 경량화, 기존 소재를 보다 정교하게 가공해 소재 사용량을 줄일 수 있는 공법의 경량화, 기존 철강소재를 경량소재로 대체하거나 부분적으로 결합하는 방식의 소재의 경량화가 있다. 특히 차량 소재의 다변화로 초고장력 강판, 알루미늄, 마그네슘 및 탄소섬유 등 경량소재의 수요가 확대될 것으로 전망되고 있다.

 

Ⅱ. 탄소섬유를 이용한 차량 경량화

 

1. 탄소섬유를 이용한 열가소성 복합재료

탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP, Carbon-Fiber Reinforced Plastic)은 고강도 강 및 알루미늄 합금과 같은 기존의 경량 소재보다 비중이 높고 강성이 강하며 자동차의 중량 감소를 위한 금속 재질의 중형 구조물 대체를 위해 연구되고 있으며, 1970년대부터 스포츠(낚싯대, 테니스 라켓, 골프 샤프트)와 항공 분야에서 적용하기 시작했다.
자동차 분야에서의 적용은 1979년에 Ford가 발표한 LTD 세단(기존 모델보다 544㎏ 가벼운)이 세계 최초이다. 이후 GM과 BMW, 도요타 자동차, 닛산 자동차가 이를 적용했지만 열경화성 복합재료의 제조 시간, 공정, 고비용 및 열경화성 수지의 낮은 재활용 등 비용과 가공상의 문제로 CFRP의 본격 적용에는 이르지 못했다.
그래서 최근 제조시간, 공정 등 생산성 측면과 원가 절감, 재활용 측면에 있어 탄소섬유에 매트릭스 수지로 열가소성 수지를 사용하는 CFRTP(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic)가 주목을 받고 있으며, CFRTP 시장은 2016년에서 2026년 사이에 8.66%의 연평균 성장률을 보일 것으로 예상된다. CFRTP 시장의 성장을 주도하는 주요 요인으로는 연비가 좋은 차량에 대한 수요 증가, 우주 항공 응용 분야에서의 CFRTP 사용, 복잡한 모양 및 디자인 유연성 등이 있을 것으로 기대된다. 그러나 높은 원자재 및 생산 비용과 열경화성 복합재 제조업체와의 치열한 경쟁은 시장의 성장을 억제하는 요인이 될 것으로 예상된다.

 

1.1 사출, 압축 공정을 이용한 열가소성 탄소섬유 복합재료

CFRTP는 ‘저렴한 비용’이라고 하지만 기존 CFRP 기술보다 생산 시설에 더 많은 투자가 필요하며, 장비 구축에 많은 비용이 드는 공법으로 소재 보다 제조 공정에 중점을 두고 있다.
CFRP 제조는 열경화성 수지인 에폭시의 경우, 에폭시의 두 성분이 혼합해 반응할 때까지, 저분자량 및 저점도의 액체 상태이며, 액체가 탄소섬유로 원활하게 스며들어 손으로 직접 제작할 수 있으나 긴 제조 시간과 높은 비용이 소요된다.
CFRTP의 매트릭스 수지로 사용할 수 있는 열가소성 수지인 폴리프로필렌(PP)은 경화전의 에폭시보다 약 1,000배 이상 높기 때문에 자동차 프레임과 같은 대형 부품을 형성하려면 메가뉴톤(MN)의 힘을 가할 수 있는 프레스 등 공정 장비들이 요구되나 빠른 성형과 더 낮은 비용의 장점을 가지고 있다.
현재 CFRTP 개발을 선도하는 그룹은 일본의 NEDO가 지원하고 있는 프로젝트로 Toray Industries, Inc., Mitsubishi Rayon Co., Ltd., TOYOBO Co., Ltd. 및 Takagi Seiko Corp.의 컨소시움이 있다. NEDO는 무게가 1,380㎏의 경량 자동차를 구상하고 있다. CFRTP를 도전적으로 적용해 584㎏의 금속을 174㎏의 CFRTP([그림 2])로 대체해 총 970㎏의 무게로 기존 차체 대비 약 30%의 경량화를 달성했다.

 

 

Japan Technology Report에 의하면 CFRTP를 이용해 차체 무게를 약 30% 줄일 경우 22.5%의 연료 소비량 저감 효과가 있을 것으로 기대되며, 만약 2030년까지 총 388만 대의 차량에 적용할 경우 연간 원유 환산량은 507,000kL(약 316만 배럴)에 달할 것으로 예측되고 있다.
2011년 Teijin은 자사의 CFRTP를 이용해 47㎏에 불과한 4인 승용 콘셉트 카의 차체프레임([그림 3])을 만들었다. 차체는 1분 만에 성형되었고 탄소섬유복합재료의 대량 생산 및 재활용, 재사용의 가능성을 보여주었다.

Teijin은 Save the Earth, Revolutionary & Evolutionary Carbon의 약자인 Sereebo™로 세계 최초의 CFRTP 기술을 브랜드화 했고, 현재 대량 생산에서 상업적 용도로 확대하고 있으며 가전제품 제조업체 및 정밀장비 제조업체와 공동 개발도 진행 중이다.
Covestro는 강력한 섬유와 열가소성 소재를 이용한 테이프를 제조하여 약 120㎛ 두께의 복합 UDI(단방향) 테이프([그림 4])를 제조했으며, 이를 이용해 특정 성능에 맞게 서로 다른 각도로 라미네이트해 시트([그림 4])를 제조할 수 있도록 했다.

 

 

Krauss Maffei는 CFRTP를 이용한 제품의 제조 공정에 필요한 장비들을 연구 중이며 이를 이용한 제품을 개발 중이다.
[그림 5]는 Krauss Maffei에서 개발하고 있는 1-step Process를 High-strength Lightweight Components 제조 공정도를 나타내고 있다.

Injection Molding과 Thermoforming의 Combination 기술은 우수한 섬유의 배향성을 확보할 수 있으며, 성형 시간이 짧고, 충격강도가 높으며, 디자인 자유도가 우수한 제품을 만들 수 있다는 장점이 있다.
[그림 6]은 자동차 도어용 Impact Beam을 Injection Molding과 Thermoforming을 조합해 만든 제품을 보여 주고 있다. 구성은 Door Impact Beam(Automotive)을 대상으로 했으며, Cycle Time: <55s, weight: 580g, Steel Component: 841g이고, 적용 소재는 Laminate: PA6 GF 3㎜, Injection Molding Material: PA6GF를 사용했다.

 

 

[그림 7]은 CFRTP를 이용한 자동차 부품들을 나타냈다.

 

 

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