전자신문

최근 세계 각국은 연비와 배기가스 규제를 강화하고 있다. 자동차 업체들은 이에 대응하기 위해 파워트레인(동력계통) 효율성을 높이고 친환경차 개발에 나서고 있지만 투자 대비 효율이 떨어진다. 이에 따라 대안으로 경량화에 대한 관심이 날로 커지고 있다.

소재 경량화는 교체주기가 파워트레인(8~10년)보다 짧은 4~5년이면 가능하다. 시시각각 변화되는 환경 요인에 대응이 가능하다는 장점이 있다. 경량화 효과도 종류에 따라 40~70%까지 가능해 연비 향상을 위한 필수 조건으로 부각되고 있다.

경량화 소재는 △고장력강판 △알루미늄 △탄소섬유(CFRP) 등 다양하다. 특히 알루미늄 소재는 철강을 대신할 현실적 대안으로 부상되고 있다. 고장력강판은 경량화율이 10~20% 정도로 미미하고, 탄소섬유는 높은 가격 및 낮은 생산성 등으로 적용에 어려움이 있기 때문이다.

실제 알루미늄을 적용한 자동차 부품의 경우 최소 30%에서 최대 70%까지 경량화가 가능하다. 자동차부품연구원(자부연)에서는 신개념 합금, 친환경 합금 등 신소재 설계와 공정상 문제점을 개선할 수 있는 신공정기술을 중소·중견기업에 지원하고 있다.

자부연 알루미늄 소재기술은 자동차용 부품에 최적화된 소재다. 자동차 중량은 바디, 파워트레인, 섀시 3부분이 차지한다. 때문에 이 부분들이 주요 경량화 대상이다. 현재는 우주 항공용으로 개발된 알루미늄 소재만이 활용되고 있다. 자부연은 기존 알루미늄 소재와 항복강도는 동일하지만 연신율을 20% 수준으로 향상시킨 소재를 개발했다.

자부연이 개발한 알루미늄 소재는 성형성이 열악한 문제를 개선해 기존 소재보다 소성가공성이 4배 이상 우수하다. 연구팀은 알루미늄 합금소재를 구성하는 각각의 원소들이 항복강도, 연신율, 소성가공성 등에 미치는 영향을 규명했다. 이를 활용해 복강도와 연신을 동시에 향상시키는 합금설계 원천기술을 확보했다.

이 기술은 커넥팅로드에 적용했고 차체에서는 범퍼 백빔에 적용해 시제품을 제작하고 성능 검증까지 완료했다. 이를 통해 지난해 자부연에서는 알루미늄 합금소재 기술과 이를 적용한 커넥팅 로드 제조기술을 패키지화해서 국내 중소기업에 대형기술을 이전했다.

자부연은 스티어링 칼럼 부품에도 적용할 수 있는 알루미늄 합금을 개발했다. 스티어링 칼럼은 차량 하중과 조향력에 의한 비틀림을 동시에 받는 부위로, 상황에 따라 섭씨 200도 이상 고온으로 상승하게 된다. 이런 조건에서 기존 알루미늄 합금은 항복강도가 급격히 떨어져 부품이 파손됐다. 그렇기 때문에 완성차 업체들은 다시 철강 소재를 적용하고 있다.

자부연은 이런 문제를 해결하기 위해 합금 제조 공정에 있어 응고 및 열처리시 안정화되는 상의 종류 및 역할을 분석하고, 원하는 물성을 얻기 위한 각 상의 분률을 제어해 고온에서 물성이 저하되는 현상을 방지하는 합금 기술을 개발했다. 자부연이 개발한 합금은 고온 유지 후에도 310MPa의 항복강도 이상을 나타낸다.

자부연 연구센터는 알루미늄 소재 적용 범위를 확대시키기 위해 차기 연구테마로 차체 분야 기술 개발을 목표로 하고 있다. 기업과 공동연구 등을 통해 현재 전량 수입되고 있는 알루미늄 판재 제품을 전량 국산화 할 수 있는 그날까지 그들의 노력은 계속한다는 계획이다.

류종은 자동차/항공 전문기자 rje312@etnews.com