일본 도요타자동차(Toyota Motors)는 2014년 12월15일 세계 최초의 FCV(Fuel Cell Vehicle)인 「MIRAI」 양산에 돌입했다.
아베 수상은 MIRAI 1호가 관저에 납품될 즈음 “수소사회가 개막되었다”고 말해 일본에서 FCV에 대한 관심이 고조되고 있다.
가격은 약 7200만원으로 일본 정부가 보조금 2020만원을 지원하고 있다.
Iwatani산업은 수소충전소에서 공급하는 수소 가격을 kg당 1만1000원으로 비교적 저렴하게 판매하기로 결정했다.
FCV는 주행 중 이산화탄소(CO2)를 배출하지 않고 항속거리가 길기 때문에 궁극적인 에코자동차로 평가되고 있다.
차세대 자동차는 HV(Hybrid Vehicle)에서 EV(Electric Vehicle), PHV(Plug-in HV)에 FCV가 추가됨으로써 폴리머 시장에 어떠한 영향을 미칠지 관심이 집중되고 있다.
PBT를 시작으로 EP 사용 확대
자동차에 사용되는 폴리머는 환경문제 등에 따라 종류가 점차 변화하고 있다.
리사이클, 환경부하물질 감축, 지구온난화에 대응하기 위한 경량화 등을 목표로 열가소성 플래스틱이 주로 사용되고 있으며 PP(Polypropylene)는 PVC(Polyvinyl Chloride), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)를 대체하면서 전체 폴리머 사용량의 50% 이상을 차지하고 있다.
자동차는 폴리머 채용비율이 8-10%로 전동화된 닛산자동차(Nissan Motors)의 EV 「LEAF」도 비슷한 것으로 알려졌다.
다만, PP가 감소하고 PBT(Polybutylene Terephthalate)등 EP(Engineering Plastic) 채용비율이 증가하고 있다.
LiB(Lithium-ion Battery)의 세퍼레이터에는 여전히 PP가 사용되고 있으나 엔진이 없어짐에 따라 엔진주변용 PP가 감소하고 전동화에 따른 신규 유닛의 패키징에 PBT 등 EP가 주로 사용되고 있기 때문이다.
전동화·경량화로 연비 개선
자동차는 지구온난화를 방지하기 위한 대책으로 CO2 배출량 감축을 비롯한 연비 향상이 최대 과제로 부상하고 있다.
연비는 차량 중량을 최소화하거나 HV와 같이 전동화를 통해 에너지효율을 향상시킴으로써 개선할 수 있어 EV 시장이 점차 확대될 것으로 예상되고 있다.
일본 자동차 시장은 HV 판매량이 전체의 20% 이상을 차지하고 있으며 앞으로 계속 증가할 것으로 예상되고 있다.
HV는 주행패턴에 따라 연비개선 효과가 상이하나 일본 도로 사정에 대한 적합성이 높아 급속히 보급된 것으로 파악되고 있다.
반면, 환경에 대한 관심도가 높은 유럽은 디젤엔진의 크기를 줄이고 터보차저(Turbocharger)를 통해 디젤자동차를 개선하는 등 적합한 방법을 이용해 연비를 향상시키고 있다.
아울러 2020년에는 유럽의 연비규제 강화에 따라 CO2 배출량을 km당 95g까지 줄이는 움직임이 가속화되고 있어 전동화 기여도가 높은 PHV 투입이 본격화될 것으로 파악되고 있다.
차세대자동차, 전동화로 온도 제어가 중요
차세대 자동차는 전동화가 가장 중요하며 2차전지, 모터, 인버터가 주요 부품으로 자리 잡고 있다.
2차전지는 높은 에너지 밀도가 요구됨에 따라 니켈수소전지에서 리튬이온전지로, 모터는 희토류자석을 사용한 고성능 모터로 전환되고 있으며 인버터도 소형화가 요구되고 있다.
특히, 이상고온이 지속되지 않도록 온도를 제어하는 작업이 공통 과제로 부상하고 있다.
리튬이온전지는 유기용제를 사용함에 따라 온도가 올라가면 내압이 상승해 화재가 발생할 가능성이 높아지고 모터는 파주력 저하로 이어져 디스프로슘(Dysprosium) 감축을 방해하는 것으로 알려졌다.
인버터는 소형화에 따라 소자 발열량이 늘어나는 것으로 나타나고 있다.
전기가 흐르는 곳은 줄열(Joule Hear)이 발생해 열을 외부로 방출하지 않으면 온도가 계속 올라가기 때문에 방열기술이 중요해지고 있으며 성형하기 쉬운 고분자를 이용한 고열전도 절연소재의 개발이 요구되고 있다.
고분자는 전지용 세퍼레이터를 포함해 자체 보유하고 있는 절연기능을 새롭게 활용할 수 있어 차세대 자동차가 발전하면서 용도를 확대할 수 있는 기회가 늘어나고 있다.
CFRP, 중량 70-80% 감축 가능
경량화는 오래전부터 연비 향상을 위한 주요 과제로 자리 잡고 있다.
특히, EV는 에너지를 모두 무거운 2차전지에 의존해야 하고, HV는 엔진계와 전동계로 구성된 2개의 동력장치를 탑재하기 때문에 전동화가 진행됨과 동시에 중량이 점차 늘어나고 있다.
또 EV는 항속거리와 직결됨에 따라 내연기관 자동차에 비해 경량화에 대한 요구가 높아지고 있다.
폴리머는 비중이 낮아 경량화 가능성이 높으나 단순한 소재 치환은 고장력 강판, 알루미늄 등 경금속에 비해 효과가 크지 않은 것으로 나타나고 있다.
부품은 기본적으로 강도에 맞추거나 강성에 맞춰 설계하며 플래스틱은 강성에 맞춘 설계가 주류를 이루고 있다.
플래스틱은 가볍지만 부드러워 강성을 맞추기 위해서는 두께를 늘려야 하기 때문에 결과적으로 알루미늄, 마그네슘만큼 경량화 효과가 크지 않은 단점이 있다.
그러나 CFRP(탄소섬유강화수지)는 중량을 70-80% 줄일 수 있어 경량화에 크게 기여할 것으로 평가되고 있으며 고급자동차 뿐만 아니라 일반자동차에도 적용될 것으로 기대되고 있다.
부품 모듈화 및 소재 복합화 기술 주목
플래스틱은 경금속 수준으로 경량화 효과를 향상시키기 위해 디자인 자유도를 살려 형태를 변형시키는 연구개발이 이루어지고 있다.
필요한 곳을 필요한 두께로 만들거나 국소부위를 리브 구조로 만듦으로써 강성을 확보하는 것으로, 이전부터 많은 자동차부품에 채용되고 있다.
또 뛰어난 성형성을 바탕으로 부품을 통합·일체화하는 사례도 나타나고 있다.
FEM(Front End Module)이 대표적이다.
금속은 조각을 용접하거나 볼트로 연결해 부품을 만드는 반면 플래스틱은 복잡한 형태도 사출성형을 통해 한 번에 최종제품으로 생산할 수 있어 볼트, 접합공정이 불필요해지는 장점이 있다.
이에 따라 모듈화는 경량화에 크게 기여할 수 있는 기술로 부상하고 있으며, 특히 플래스틱은 디자인 자유도가 높은 특징을 바탕으로 주목받고 있다.
아울러 탄성률이 다른 소재와 복합화하는 방안도 부상하고 있다.
부품은 형상을 가지고 있고 균등하게 응력이 발생하지 않기 때문에 응력이 발생하는 곳은 강한 소재를 사용하고 발생하지 않는 곳은 약하지만 가벼운 공기와 복합화(발포)해도 무방한 것으로 나타나고 있다.
플래스틱은 성형성이 뛰어나 쉽게 조합하거나 발포체로 만들 수 있는 강점이 있으며, 금속과 조합함으로써 금속 좌굴을 방지하고 에너지 흡수를 효율화할 수 있어 복합화에 대한 기대가 높아지고 있다.
CFRP도 필요한 곳을 탄소섬유로 보강한 이종 소재의 복합화라고 할 수 있다.
CFRP는 경량화 효과가 뛰어나나 생산시간이 길어 코스트 대비 효과가 떨어지는 단점이 있지만 최근 열가소성 CFRP가 개발됨에 따라 생산시간이 짧아져 코스트 장벽이 낮아질 것으로 기대되고 있다.
고급스러움 부여할 수 있는 소재 개발
폴리머는 부드럽고 따뜻한 촉감을 바탕으로 오래전부터 자동차 내장재용으로 사용되고 있으며 최근에는 고급스러움을 부여할 수 있는 소재로 연구개발이 이루어지고 있다.
원래 촉감이 꺼칠하고 용접 부분 등이 눈에 띄는 등의 영향으로 저렴한 이미지가 있었으나 천연소재보다 더욱 고급스러움을 느낄 수 있는 소재로 변화하고 있다.
인간이 느끼는 부드러운 촉감을 과학적으로 해석해 Micro-Porous 구조를 제어함으로써 만든 소재, TPO(Thermoplastic Olefin)계로 오일을 함유하면서 끈적이거나 꺼칠하지 않은, 플래스틱 느낌이 없는 사출성형용 소재가 TPU(Thermoplastic Polyurethane) 슬래시 성형과 함께 계기판 표피재로 사용되고 있다.
또 외관에 고급스러움을 부여하기 위해 성형조건을 제어함으로써 투명하고 깊이감이 있는 피아노블랙 소재이자 용접부가 전혀 보이지 않는 부품이 실현된 것으로 알려졌다.
폴리머는 분자적으로 결합이 약해 강도를 확보하기 어려운 반면 가볍고 부드러우며 따뜻한 촉감을 부여할 수 있고 비결정은 투명성도 부여할 수 있는 등 금속 등에는 없는 특징을 가지고 있다.
이에 따라 고분자 소재는 분자의 특징을 바탕으로 기술을 개발해 사용자에게 편안한 느낌을 주고 고급스러움을 부여할 수 있는 소재로 변화할 것으로 기대되고 있다.
