美 자동차산업, 트렌드는 경량화! :: 전체

자동차산업을 주도할 차세대 트렌드로 경량화가 지목되고 있는 가운데 미국에서도 경량화에 주목하고 있다. 카본 파이버를 이용해 차체의 경량화는 물론, 유리의 무게까지 줄이고 있어 자동차 경량화 경쟁에서 한발자국 앞서 나갈 것으로 전망된다. 이에 본지는 미국의 자동차 경량화 동향을 살펴보려 한다.

1. 자동차 경량화의 필요성

자동차의 경량화는 현재 수많은 글로벌 자동차 기업들의 화두이자 주요 추진과제이다. 그 이유에는 자동차의 가속력과 제동력 증가, 엔진과 타이어 등의 부품성능 증가 및 수명 연장 등이 있지만 가장 큰 이유는 연비 개선에 큰 효과가 있다는 것이다. 미 고속도로 교통안전국(NHTSA)에 따르면, 자동차 무게 10%를 경량화하면 최소 6~8%의 연비 개선이 가능하다고 한다.

이러한 경량화에는 대량 생상 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 미국을 넘어서 전 세계적인 자동차산업의 트렌드로 부각될 전망이다.

2. 경량화를 위한 다양한 시도들

1) 경량화를 위한 차세대 신소재 카본 파이버

카본 파이버(Carbon Fiber)는 탄소섬유로도 불리며, 일반적인 금속보다 가벼우면서도 금속에 비해 강도가 뛰어나 알루미늄, 마그네슘과 함께 주목받고 있는 차세대 소재이다.

카본 파이버는 원료물질에 따라 Pan계, Pitch계, Rayon계로 나눠지는데 프로필렌(Propylene)으로부터 추출한 PAN계가 시장의 90%를 장악하고 있다. 현재 가격이 상대적으로 저렴한 Pitch계의 연구가 활발하게 진행되고 있어 Pitch계 제품이 자동차 산업에 추가적으로 도입될 전망이다.

카본 파이어는 주로 레이온 또는 기타 화학적으로 합성된 섬유를 고온으로 탄화시킨 후 남은 탄소 필라멘트를 주 원료로 한다. 머리카락보다 가는 탄소 필라멘트를 엮어 섬유로 만드는데, 이렇게 제작된 섬유 원단을 카본 파이버 또는 탄소섬유라 부른다. 이렇게 만들어진 탄소섬유는 연성이 부족하여 약간의 충격에도 부서지기 쉽다. 그렇기 때문에 주로 플라스틱의 일종인 레진(Resin)과 결합하여 카본 컴포지트, 통상적으로 CFRP(Carbon Fiber Reinforces Plastic)라 불리는 소재로 재가공해 사용한다.

CFRP의 뜻 그대로 해석하면 카본 파이버로 강화된 플라스틱이라는 뜻으로 플라스틱 70%와 탄소섬유 30%로 구성된다. CFRP는 철 무게의 1/4 수준이지만 10배의 강도, 7배의 탄성률을 가지고 있어 새로운 자동차 소재로 적합하다 평가받고 있다. 하지만 가격이 알루미늄의 4배, 철강의 9배로 비싸기 때문에 아직까지 BMW 등의 프리미엄 자동차 브랜드나 항공기와 같은 고비용 제품에 주로 활용되고 있는 실정이다.

수많은 글로벌 자동차 기업들은 경량화 위해 차체를 철강 소재에서 CFRP 등의 플라스틱 소재로 대체하고 있으며, 미국 완성차 업체들은 자동차의 CFRP 사용률을 2020년까지 2014년 수준의 3배로 증가시킬 계획이라 밝혔다.

한편 업계에 따르면, 전 세계 자동차 산업에 도입되는 카본 파이버는 2030년까지 9,800톤 규모로 도달할 전망이다. 또한 2016년 기준 일본의 토레이(Toray)가 카본 파이버 시장의 글로벌 선두업체이다.

2) 기존보다 37% 얇은 유리의 등장

포드 자동차는 글로벌 전자제품용 유리 및 액정 제조기업인 코닝(Corning)사와 함께 ‘Gorilla Glass’라 불리는, 기존 자동차의 유리보다 약 37% 얇은 신형 유리를 자동차에 장착해 최대 27파운드(12.2㎏)의 무게를 줄이는데 성공했다.

이에 포드 자동차는 “Gorilla Glass는 일반 자동차 유리보다 약 25~50% 수준으로 얇지만 강도는 비슷하거나 오히려 더 높으며, 일반 자동차 유리가 약 4~6㎜의 두께를 가진 반면 Gorilla Glass는 약 3~4㎜ 수준”이라고 발표했다. 이어 포드의 글로벌 구매 부사장인 하우 타이탕(Hau Thai-tang)은 “Gorilla Glass가 포드의 납품업체들과 협력해 모든 분야에서 혁신을 이뤄낸 대표적인 예”라고 밝혔다.

한편 Gorilla Glass는 현 스마트폰 제조에 사용되는 유리와 매우 유사하나, 경제성이 충분하지 않아 현 시점에서 대량양산은 불가능한 것으로 파악되고 있다.

3. 신소재 도입의 걸림돌

1) 온실가스로 배출로 인한 환경문제

자동차 경량화를 위한 알루미늄, 마그네슘, 카본 파이버 등의 신소재 제조과정에서 발생하는 온실가스 발생량은 기존 소재인 강철에 비해 현저히 높은 수준이다. 알루미늄 소재의 경우 강철의 약 5배, 카본 파이버의 경우 약 10배, 마그네슘의 경우 최대 20배 수준의 이산화탄소가 배출되는 것으로 집계됐다. 신소재의 이러한 단점은 기존 소재인 강철을 대체하는 데 주요 걸림돌로 작용하고 있다.

2) 높은 생산비용, 그러나 알루미늄은 점점 대중화 추세

GM, Ford 등 미국의 주요 완성차 기업들은 1970년대부터 각종 신소재를 도입한 차량의 프로토 타입을 공개해왔으나, 높은 생산비용으로 인해 대부분 출시에는 실패했다. 하지만 최근 포드 자동차가 동사의 최고 인기 모델인 픽업트럭 F-150에 알루미늄 바디를 전면 도입하면서 700파운드(318㎏) 수준의 경량화에 성공하는 등, 알루미늄 소재는 점차 자동차 산업 내에서 대중화되는 추세이다. F-150은 경쟁 차량인 FCA 램 모델에 비해 최소 137㎏에서 최대 293㎏ 가벼운 것으로 미국 자동차 전문지 워즈오토(Wards Auto)는 분석했다.

4. 전망 및 시사점

미국 정부가 경량화를 통한 연비 개선을 계속 강조하는 정책과 맞물려, 자동차 경량화에 신소재를 사용하고자 하는 자동차 업계의 노력은 계속될 것으로 분석된다. 원가가 높은 단점이 있는 만큼 카본 파이버 등의 신소재를 이용해 이윤을 남기기 위해서는 내구성과 경량, 다양한 디자인이 가능하다는 장점을 최대한 살리고, 프로세스 과정을 단축시킬 수 있는 기술을 향상시켜야 한다. 또한 제품 생산의 대중화를 이루는 것이 절실히 요구되며, 국내 관련 기업들도 이러한 점을 참고해 기술 개발에 매진할 필요가 있다. 따라서 현 시점에서는 대량 생산 시의 경제성 부족과 각종 기술적 한계 극복이 가장 필수적인 요소이다.

※ 자료 : KOTRA 글로벌윈도우