자동차는 코로나19(신종 코로나바이러스 감염증)의 영향으로 수요가 크게 침체됐으나 2020년 하반기부터 중국을 중심으로 서서히 회복되고 있다.
일부에서는 2020년 글로벌 신규 자동차 판매량이 약 7000만대로 2000만대 감소할 것이라는 의견을 제기했으나 중국 시장이 살아나면서 자동차 부품 및 소재 시장이 들썩거리고 있다.
특히, 자동차산업은 차세대 자동차를 중심으로 정보통신기술(ICT)을 활용해 MaaS(Mobility as a Service), 연결(Connectivity), 자율주행(Autonomous), 공유(Sharing), 전기구동(Electrification)을 포함한 CASE로 대표되는 기술 혁신이 이루어지고 있다.
지구온난화를 유발하는 이산화탄소(CO2)를 감축하기 위한 방안으로 경량화, 전동화 등에 대한 기술 개발도 잇따르고 있다.
특히, 경량화는 안전성을 유지하면서 기술을 개발하는 것이 가장 중요하며 전동화 및 자율주행 기술이 발전함에 따라 경량화에 대한 요구가 더욱 높아지고 있어 플래스틱 관련 기술 개발이 가속화되고 있다.
창문에 대한 플래스틱 적용, 탄소섬유 등 복합소재 채용, 플래스틱과 다른 소재의 일체성형 등 다양한 연구개발(R&D)이 이루어지고 있다.
코로나19에 대한 대응도 중요해지고 있다.
자동차는 밀접접촉을 피할 수 있는 공간으로 평가되고 있어 내부 항균에 기여하는 소재 개발이 요구되고 있으며, 고분자 소재는 미래과제를 해결할 수 있어 자동차 분야에서의 역할이 더욱 중요해지고 있다.
범용수지, 경량화 소재로 적용부위 확대
플래스틱은 자동차용 수요가 약 10%를 차지하고 있다.
수지는 경량성, 성형가공성이 우수하고 리사이클이 가능할 뿐만 아니라 가격이 저렴해 자동차 내외장부품은 물론 엔진룸 내부의 기능부품, 전자 및 연료 시스템, 에어백, 좌석벨트를 포함한 안전 시스템, 구동, 섀시에 채용되고 있다.
자동차 구조소재는 전기자동차(EV) 보급이 가속화됨에 따라 안전성을 유지하면서 경량화하는 기술이 가장 중요한 것으로 파악되고 있다. 전기장비 및 안전장비 탑재량이 증가하면 차체가 무거워질 수밖에 없기 때문이다.
경량화 소재로는 주로 PP(Polypropylene), PE(Polyethylene), PVC(Polyvinyl Chloride), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 등 범용수지가 주로 채용되고 있다.
특히, PP가 가장 많이 사용되고 있다.
PP 투입량은 승용차 대당 약 60킬로그램으로 중량 기준으로 범용수지 사용량의 절반 가량을 차지하고 있다.
PP는 필러 등을 첨가해 컴파운드로 제조함으로써 강성을 향상시킬 수 있으며 리사이클성이 우수한 특징을 바탕으로 계기판, 도어패널 등 내장부품 외에 범퍼, 라디에이터 등 대형부품에도 많이 채용되고 있다.
유리섬유로 강화한 PP도 채용이 확대되고 있다.
배기매니폴드에서 더욱 경량화할 수 있는 소재로 EP(엔지니어링 플래스틱)를 대체하고 있으며 SUV(스포츠유틸리티자동차) 등의 백도어에 대한 채용도 증가하고 있다.
앞으로는 열가소성 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)인 CFRTP의 매트릭스수지로도 수요가 증가할 것으로 예상된다.
EP, CASE 대응소재로 주목
EP는 자동차 경량화에 필수적인 소재로 자리 잡고 있다.
내열성, 내약품성, 고강성, 접동성, 성형가공성 등 자동차부품에 요구되는 특성에 따라 다양하게 활용되고 있으며 최근에는 CASE 대응소재로 주목받고 있어 차세대 자동차에 대한 채용이 확대될 것으로 예상되고 있다.
자동차에 사용되는 EP는 PA(Polyamide)를 비롯해 PC(Polycarbonate), POM(Polyacetal), PBT(Polybutylene Terephthalate), PPE(Polyphenylene Ether) 등이 있으며 슈퍼 EP는 PPS(Polyphenylene Sulfide), LCP(Liquid Crystal Polymer) 등이 채용되고 있다.
특히, PA가 가장 많이 사용되고 있다.
PA는 내열성, 강도, 내유성, 성형성, 코스트 등 종합적인 밸런스가 뛰어나 배기매니폴드, 엔진커버, 라디에이터탱크 등 엔진 주변을 비롯해 좌석벨트, 팔걸이 등 내장부품에 채용되고 있다.
고내열성 그레이드는 터보엔진 소형화, 차세대 파워트레인용 등으로 사업기회가 증가하고 있다.
사이드미러 스테이, 후방카메라 등 외장부품에도 꾸준히 채용되고 있으며 에어백 섬유용으로도 기대가 높아지고 있다.
기계적 특성, 성형가공성 등 종합적 밸런스가 뛰어난 PBT는 자동차 전장화에 따라 커넥터용 등으로 수요가 확대되고 있다.
PBT 생산기업들은 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS: Advanced Driver Assistance Systems), 자율주행 보급에 대비해 레이더 및 카메라 주변, 전자제어계 케이스용 그레이드 개발에 힘을 기울이고 있다.
PPS도 차세대 자동차용으로 기대되고 있다.
PPS는 내열성, 내약품성, 기계적 강도 등을 겸비한 열가소성 슈퍼 EP로 전장계 및 냉각계 부품용으로 채용이 확대되고 있으며 앞으로는 기계부품에 대한 적용이 증가할 것으로 예상되는 등 금속을 대체하는 주요 소재로 주목받고 있다.
저유전 등 전기적 특성이 우수한 LCP도 차세대 자동차용 소재로 공급량이 확대될 것으로 예상되고 있다.
LCP 생산기업들은 우선 5G(5세대 이동통신)에 이용하는 고주파용 기판소재에 적용하면서 자동차에 탑재하는 밀리파 레이더용에 대한 응용을 추진하고 있다.
PC는 유리창을 대체하는 경량화 소재로 투입되고 있으며 HUD(Head Up Display) 등 신시장 개척과 동시에 곡면 디스플레이, 각종 센서에 적합한 그레이드를 개발하고 있다.
프론트그릴를 포함한 외장재, LiB(리튬이온전지) 케이스용 수요에 대한 기대도 높아지고 있으며 헤드램프 부품인 주간주행등(DRL)용 수요도 확대되고 있다.
PC는 우수한 안전성 및 외관에 따라 세계적으로 채용차종이 증가하고 있는 것으로 알려졌다.
접동성이 뛰어난 POM은 자동차 전동화에 따라 앞으로 기어용을 중심으로 채용비중이 높아질 것으로 예상되고 있다.
플래스틱은 경량화 및 CASE에 대응할 수 있을 뿐만 아니라 여러 부품을 용접 등으로 모듈화할 수 있는 강점이 있어 디자인 자유도를 향상시키는 솔루션으로도 주목받고 있다.
TPE, 고무 대체소재로 채용 증가
열가소성 엘라스토머(Elastomer) TPE(Thermoplastic Elastomer)는 고무와 플래스틱의 특성을 겸비한 기능성 소재로 가황공정이 불필요하고 플래스틱과 동일한 방법으로 성형할 수 있을 뿐만 아니라 열안정성이 우수해 가공범위가 넓고 소재를 조합해 복합소재를 생산할 수 있는 특징이 있다.
경량화도 가능함에 따라 최근에는 고무 대체소재로 채용이 확대되고 있다.
자동차 분야에서는 미국, 유럽, 일본에 이어 중국 등 아시아에서도 인지도가 상승하고 있으며 글래스런채널, 표피재 외에 엔진 주변에도 채용이 확대되고 있다.
대표적인 TPE인 올레핀(Olefin) 계열의 TPO(Thermoplastic Olefin)는 단순혼합 타입과 고무성분을 부분·완전 가교한 TPV(Thermoplastic Vulcanized) 등으로 구분된다.
TPO는 비중이 작은 강점이 있으며 가황고무에 비해 생산성 및 경량화 효과가 뛰어나 자동차 도어, 창문 등 몰딩부분, 에어백커버에 필수적으로 투입되고 있다.
세계적으로 에어백 장착률이 높아짐에 따라 수요가 확대되고 있으며 미츠비시케미칼(Mitsubishi Chemical), 미쓰이케미칼(Mitsui Chemicals), 스미토모케미칼(Sumitomo Chemical) 등 일본기업을 중심으로 글로벌 생산체제 확대 및 라인업 확충을 가속화하고 있다.
미국에서는 자동차 내부에 고급스러움을 부여하기 위해 대시보드, 계기판을 TPO 표피재로 덮는 수요가 증가하고 있으며 고급승용차 뿐만 아니라 일반승용차에도 채용이 확대되고 있는 것으로 알려졌다.
슬러시성형에 대응한 PVC 파우더, 진공성형에 대응한 가교형 TPO 등으로 다양한 요구에 대응할 수 있으며 에어백커버는 도장 없이도 외관품질이 우수한 비가교형 채용이 확대되고 있다.
폴리에스터(Polyester)계 TPE인 TPC(Thermoplastic Copolyester)는 내열성, 내유성, 기계강도 등을 겸비한 EP계 엘라스토머로 등속조인트(CVJ) 부츠, 에어덕트, 연료튜브 등에 적용되고 있으며 내부 쾌적성이 요구되는 자율주행 자동차에는 소음재로도 활용되고 있다.
완충재용 등 LiB 관련수요에 대한 탐색도 이루어지고 있으며 앞으로는 카메라, 밀리파 레이더의 방수‧방진용 등으로 적용될 것으로 예상되고 있다.
스타이렌(Styrene)계 TPE 가운데 수첨계 TPS(Thermoplastic Styrene)는 컴파운드로 기어커버, 에어백커버 등 내장표피재에 사용되고 있다.
부드럽고 성형가공성이 양호하며 내후성, 내열‧내한성 균형이 뛰어날 뿐만 아니라 감촉이 좋아 고급스러운 느낌을 부여할 수 있는 특징이 있다.
EP에 첨가하면 플래스틱부품 제진성이 향상됨에 따라 흡음효과도 얻을 수 있는 것으로 파악되고 있다.
열경화성수지, 복합화로 금속소재 대체
열경화성 수지는 열을 가함으로써 삼차원으로 가교한 분자구조를 형성하는 플래스틱으로 가교한 후에는 다시 열을 가해도 구조가 변화하지 않는 등 내열성이 뛰어난 특징이 있다.
자동차 분야에는 페놀수지(Phenolic Resin), 에폭시수지(Epoxy Resin), UPR(Unsaturated Polyester Resin), 폴리우레탄(Polyurethane) 등이 대표적으로 사용되고 있으며 내열성을 보유하지 않은 엔진 주변을 시작으로 다양한 부위에서 금속소재를 대체하고 있다.
모터, 인버터, 감속기를 조합해 전동구동 시스템으로 제안하는 대책도 이루어지고 있다.
자동차 주물부품 분야에서는 규사를 수지로 코팅한 RCS(Resin Coated Sand)에 따라 고품질제품 생산에 기여하는 등 페놀수지가 활약하고 있다.
금속 대체소재로는 높은 강도를 끌어내기 위해 유리섬유 및 탄소섬유로 강화한 복합소재가 주목받고 있다.
연속섬유 타입의 강화섬유에 수지를 균일하게 함침시키기 위해서는 경화 전 점도가 낮은 열경화성 수지가 사용하기 쉬운 것으로 파악되고 있다.
일반적인 CFRP에는 에폭시수지가 사용되나 성형방법, 요구물성에 따라 다양한 수지를 이용하는 제안이 이루어지고 있다.
CFRP, 성형코스트 감축이 보급 좌우
탄소섬유는 단위중량에 비해 강도가 매우 높은 고기능성 소재로 이방성 소재 특성상 CFRP 특유의 설계가 요구되나 금속과 동일한 수준의 강도를 부여하면서 무게를 대폭 줄일 수 있어 자동차 경량화를 위한 필수소재로 주목받고 있다.
자동차는 세계적으로 지구온난화 대책 및 이산화탄소 배출량 감축에 대한 요구가 높아짐에 따라 탄소섬유 적용 가능성이 높아지고 있다.
탄소섬유는 가격이 높을 뿐만 아니라 일반적인 금속 및 플래스틱과는 다른 이방성 소재라는 점이 보급에 걸림돌로 작용했으나 오래전부터 레이싱카, 럭셔리카의 외장부터 구조부품에 이르기까지 다양한 부위에 채용되면서 성능을 최대한 발휘하고 있어 앞으로 채용이 확대될 것으로 예상되고 있다.
다만, 자동차에 채용하기 위해서는 저코스트화가 필수적으로 요구된다.
특히, 생산비용에서 높은 비율을 차지하는 성형 코스트를 낮추는 방안이 보급을 좌우할 것으로 판단됨에 따라 프리프레그를 이용한 오토클레이브 성형을 시작으로 RTM(Resin Transfer Molding), SMC(Sheet Molding Compound), 프리프레그를 프레스 성형하는 PCM(Prepreg Compression Molding) 등 다양한 성형방법이 실용화되고 있다.
열경화성 수지에 비해 성형사이클이 빠른 열가소성 수지인 CFRTP 활용에 대한 개발도 잇따르고 있다.
열가소성 수지는 일반적으로 점도가 높아 탄소섬유에 깨끗하게 함침하기 어려우나 현장중합 등을 통해 문제점을 해결하는 기술이 개발되고 있다.
열가소성 수지는 사출성형소재를 강화하는 용도로도 채용되고 있다.
일반적인 사출성형은 섬유길이가 유지되지 않아 물성 향상에 한계가 있으나 연속섬유를 수지로 피복해 생산하는 장섬유 펠릿은 사출성형임에도 일정수준의 물성을 끌어낼 수 있어 선루프 프레임과 같은 대형부품에 채용되고 있다.
PVB, 앞유리 성능 향상에 기여
자동차 안전성 및 쾌적성에 연관되는 안전유리는 PVB(Polybinyl Butyral)를 원료로 사용하는 중간막이 중요한 역할을 담당하고 있다.
안전유리는 크게 합유리와 강화유리로 분류된다. 합유리는 2장 이상의 유리 사이에 중간막을 끼우고 열과 압력으로 접착해 생산하고 있으며, 중간막은 PVB를 원료로 사용하며 유리 수준의 높은 투명성과 내관통성, 유리에 대한 높은 접착성이 요구된다.
자동차에 탑재하는 합유리용 중간막은 일본 세키스이케미칼(Sekisui Chemical)이 글로벌 시장점유율 1위를 차지하고 있다.
일본은 1987년 앞유리에 대한 합유리 채용을 법제화했다.
세키스이케미칼은 안전성, 방범성, 자외선차단성, 차음성, 차열성 등 다양한 기능을 복합한 중간막을 S-LEC 브랜드로 공급하고 있다.
차음 중간막은 PVB층에 차음층을 끼운 세계 최초의 다층 중간막으로 사이드미러에 닿는 바람소리 등 사람이 민감하게 반응하는 1000-4000Hz 부근의 주파수를 차단하며 바디로부터의 진동을 흡수하고 최대 5dB 이상의 차음성능을 보유한 것으로 파악되고 있다.
차열 중간막은 나노분산 기술로 중간막 안에 차열 미립자를 분산시켜 피부를 자극하는 중적외선을 차단하는 기능이 있어 자동차 내부온도 상승을 억제함으로써 에어컨을 사용할 때 경차 연비가 3% 향상되는 것으로 확인됐다.
기미, 주름의 원인으로 여겨지는 장파장 자외선(UV-A)을 99.9% 이상 차단하는 중간막도 세계 최초로 개발하고 있다.
속도, 내비게이션 정보 등을 나타내는 HUD를 적용한 앞유리에는 쐐기형 중간막을 투입하고 있다. 중간막을 쐐기형으로 제조함으로써 빛의 굴절각을 제어해 깨끗한 표시가 가능한 것으로 알려졌다.
세키스이케미칼은 차음 및 차열기능을 부여한 다층구조의 HUD용 쐐기형 중간막을 세계 최초로 개발했으며 앞으로도 자동차를 생활공간으로 인식하고 PVB 특성 및 가공성을 활용해 다기능성 중간막 개발을 적극화할 방침이다.
바이오매스, 친환경성에 기능성도 향상
식물 베이스인 바이오매스 플래스틱은 자동차부품에 꾸준히 채용되고 있다.
초반에는 내장재에 채용되는데 그쳤으나 최근에는 바이오매스 EP가 외장부품에 채용되는 등 적용부위가 확대되고 있다.
바이오매스 플래스틱은 원료를 화석 베이스에서 식물 베이스로 변경할 뿐만 아니라 성능 및 기능이 기존 폴리머를 능가하는 특징이 있다.
최근에는 미츠비시케미칼의 바이오 EP 브랜드 Durabio가 주목받고 있다.
마쓰다(Mazda) CX-5의 대형 외장부품인 프론트그릴에 채용되고 있는 Durabio는 일반 EP에 비해 내충격성, 내열성 등이 뛰어날 뿐만 아니라 안료 배합만으로 도장제품을 뛰어넘는 컬러를 표현할 수 있어 생산할 때 휘발성 유기화합물(VOCs) 감축이 가능한 것으로 파악되고 있다.
미츠이케미칼과 SKC의 합작기업인 Mitsui Chemicals & SKC Polyurethanes(MCNS)은 식용이 불가능한 피마자를 이용해 개발한 바이오 폴리올(Polyol) 브랜드 Econykol를 공급하고 있으며 최근 ZMP가 출시한 새로운 콘셉트의 자율주행 자동차에 채용됐다.
부직포는 자동차산업 발전, 환경보전 의식 향상의 영향으로 성장을 계속하고 있다.
자동차용 부직포는 자동차 생산이 감소하고 천정표피재용이 편물과 경쟁함에 따라 성장세가 둔화됐으나 경량화 및 내부정숙성에 대한 니즈가 높아짐에 따라 차음재, 흡음재로 펜더라이너, 언더커버에 채용이 확대되고 있다.
플래스틱‧고무 가공도 전기자동차 적용 확대
플래스틱 및 고무 가공기업은 가솔린(Gasoline) 자동차부품 개발을 통해 축적한 핵심기술을 전동자동차에 적용함으로써 공급영역을 확대하고 있다.
일본 도요다고세이(Toyoda Gosei)는 수지 베이스 연료필러 파이프, 냉각배관 등 가솔린자동차용 기능성 부품을 하이브리드자동차(HV) 및 플러그인하이브리드자동차(PHEV)에 활용하고 있으며 2020년대 초부터 연료전지자동차(FCV)용 고압수소탱크를 생산할 계획이다.
스미토모리코(Sumitomo Riko)는 독자적으로 개발한 유연‧도전성 고무소재 SR(Smart Rubber) 센서를 활용한 DMS(Driver Monitoring System)를 실제 자동차에 적용해 자율주행기술 실용화에 따라 점차 높아지고 있는 운전자의 상태 감시 니즈에 대응할 방침이다.
최근에는 중국이 신에너지 자동차(NEV: New Energy Vehicle) 정책에 박차를 가하고 있는 가운데 미국에서도 대형 HV 생산이 본격화됨에 따라 차체 경량화와 전동화의 고도융합이 세계적인 트렌드로 부상하고 있다.
고무부품은 구동모터용 방진고무, 하이브리드 엔진용 연료밸브 등 신규 수요가 발생하고 있다.
도요다고세이가 생산하는 수지 베이스 연료필러 파이프는 급유구와 가솔린탱크를 연결하는 100% 플래스틱 파이프로 기존 금속제품과 성능은 동등하며 무게는 약 50% 가벼운 것으로 파악되고 있다. 일본, 미국을 중심으로 적용차종을 확대하기 위해 힘을 기울이고 있다.
냉각배관은 배터리용 냉각 시스템에 대한 적용을 추진하고 있다.
FCV용 고압수소탱크는 수지라이너와 탄소섬유를 복합화함으로써 일본 미에(Mie) 소재 이나베(Inabe)에 일관생산체제를 구축할 방침이다.
스미토모리코는 수요기업과 공동으로 DMS에 대한 실증시험을 진행하고 있다.
탑승자의 좌압 분포와 변화를 파악해 자세, 체격, 호흡, 심박수를 감지하고 알고리즘 기술을 응용함으로써 시트를 자동으로 조정할 뿐만 아니라 피로감, 졸음, 일사병, 긴장감 등 탑승자 상태를 실시간으로 모닝터링할 수 있는 것으로 파악되고 있다.
시트 일체형, 쿠션 타입의 장착형을 개발했으며 커넥티드, 클라우드 기술과 융합해 다양한 서비스에 적용할 방침이다.
