[아롱테크] 초고장력강 이상으로 쓰임새 많은 '섬유강화플라스틱'...경량화 필수 소재

2023.01.13. 10:51:36

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일반적으로 자동차의 주재료는 철강재가 주로 사용되고 있지만 생각보다 많은 부분에서 플라스틱 제품이 적용되는 추세입니다. 자동차에는 범퍼, 프런트 앤드 모듈, 실린더 헤드 커버, 인스트루먼트 패널, 도어 트림 등에 플라스틱 등 다양한 복합소재를 적용하고 있으며 그 적용 범위는 점점 확대되는 추세입니다.

통상적으로 복합소재의 비중은 자동차 중량의 10% 내외를 차지하고 있지만 경량화 추세와 더불어 자동차용 복합소재 기술이 발달함에 따라 적용 비중이 더욱 늘어날 것이라는 것이 관련 업계의 설명입니다.

자동차용 플라스틱 복합재료는 섬유강화플라스틱으로 불리는 FRP(Fiber Reinforced Plastic)가 대표적이라 할 수 있습니다. 1940년대 처음으로 등장한 FRP는 글자 그대로 섬유조직과 플라스틱을 조합해 가벼우면서 강도가 강한 플라스틱 복합재료로 섬유와 수지의 조합성분에 따라 다양한 종류가 사용되고 있습니다.

사용범위 또한 무척이나 광범위해 자동차와 선박, 항공기 등 산업용 제품은 물론 욕조나 물탱크, 천장재 등 각종 건축자재를 비롯해 가전제품, 생활용품에 이르기까지 실생활 곳곳에서 널리 사용되고 있지요.

특히 유리섬유를 폴리에스트테르나 폴리비닐네이스테르, 에폭시 수지 등과 조합한 유리섬유 강화플라스틱(GFRP)은 금속보다 가볍고 부식이 없을 뿐 아니라 기후변화에도 변형이나 탈색 등이 없고 뛰어난 전기절연성 및 단열효과 등으로 대중화를 이끌고 있는데요.

1980년대만 해도 유럽 시장의 경우 자동차산업과 군용항공기 시장의 25%, 민간항공기 분야의 10% 가량 FRP 소재가 사용됐습니다. 그러나 유리섬유가 주재료인 GFRP는 재활용이 어렵고 파쇄 또는 소각처리도 쉽지않아 환경오염의 주범으로 몰리면서 후진국형 산업으로 불리고 있기도 합니다. 또한 첨단 복합소재가 개발되면서 자동차 분야에서 설 자리를 잃어가고 있는 추세입니다.

하지만 저렴한 생산비용과 높은 성형성 등으로 대형버스 지붕에 설치된 에어컨 커버나 스포츠유틸리티트럭(SUT)의 적재함 하드탑 등과 같은 자동차 외장부품에 사용되는 등 여전히 생각보다 많은 부품에 적용되고 있습니다.

최근에는 GFRP 대신 탄소섬유(Carbon Fiber)를 사용한 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)이 대중화되고 있는 추세이기도 합니다. CFRP는 무게가 철보다 50%, 알루미늄보다 30% 가벼우면서도 인장강도는 철에 비해 10배 정도 높은 것이 특징으로, 스포츠 및 레저 관련 용품부터 항공우주산업에 이르기까지 폭넓은 분야에 적용되고 있습니다. 자동차의 경우 인스트루먼트 패널이나 도어 트림, 디퓨저, 스포일러 윙 등 내외관 디자인의 고급감이나 기능적 측면은 물론 엔진후드나 트렁크 리드, 범퍼는 물론 루프나 로어 암, 드라이브 샤프트, 차체의 탑승자 구조물(Passenger Cell) 등과 같은 구조용 소재로까지 사용범위가 확대되고 있습니다.

또한 탄소중립과 같은 환경규제가 강화되면서 한번 성형하면 변형할 수 없는 열경화성 수지인 FRP 재료 대신 기존 제품을 녹여서 재사용할 수 있는 열가소성 FRP에 대한 업계의 관심이 증가하고 있으며, 여러 업체에서 열가소성 복합재료 개발을 서두르고 있기도 합니다.

자동차산업에서 GFRP나 CFRP 등과 같은 경량복합소재의 적용 비중을 늘리고 있는 이유는 환경규제에 적극적으로 대응하기 위해서입니다. 일반적으로 전체 자동차 연료소비량의 42%는 엔진 및 변속기의 효율과 관련이 있습니다. 차량 중량 역시 23% 정도를 차지하고 있으며, 이 외에도 공기저항(19%)과 회전저항(13%) 등이 연비에 많은 영향을 미치고 있습니다.

따라서 자동차의 무게를 줄이는 것은 연비향상은 물론 이산화탄소를 줄일 수 있는 가장 효과적인 설계요소라 할 수 있지요. 차량 중량을 100kg 줄일 경우 CO2를 km당 3.5~8.5g 줄일 수 있다는 것이 관련 업계의 설명입니다.

차량 경량화는 연비향상 외에도 차량의 성능이 개선되는 장점이 있습니다. 1.5톤 승용차의 무게를 10% 줄일 경우, 가속 성능이 8% 향상됨은 물론 제동거리가 5% 단축되고, 조향 성능은 6% 향상된다고 알려졌습니다. 차체의 내구수명 또한 1.7배 증가 효과를 거둘 수 있습니다.

김아롱 칼럼니스트/webmaster@autoherald.co.kr