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INNOVATE [현대자동차그룹] 미래 자동차는 어떤 첨단소재로 바뀔까? HMG저널 2018. 2. 13. 10:57 이웃추가 본문 기타 기능 본문 폰트 크기 조정 본문 폰트 크기 작게 보기 본문 폰트 크기 크게 보기 가 공유하기 URL복사 신고하기 첨단소재는 자동차의 모습을 어떻게 바꿔놓을까요? 금속 소재, 자동차의 르네상스를 이끌어내다 금속으로 만든 차체는 자동차의 성능을 크게 높였습니다 19세기 말에 내연기관으로 움직이는 자동차가 처음 발명된 이후, 자동차에 쓰이는 소재는 크게 달라졌고 점점 더 다양해졌습니다. 이와 같은 변화는 자동차가 자동차를 둘러싼 환경에 적응하는 과정이라고 볼 수 있습니다. 점점 더 많은 사람이 자동차라는 물건을 사고 쓰면서 자동차가 갖춰야 할 특성이나 조건이 꾸준히 달라졌기 때문입니다. 무엇보다 금속, 즉 강판으로 차체를 만들게 된 것은 자동차 산업은 물론 자동차 자체의 특성도 크게 바꿨습니다. 강판으로 만든 차체는 마차에서 주된 소재로 쓰인 나무와 비교하면 많은 장점을 갖고 있습니다. 나무보다 훨씬 더 견고한 소재인 것은 물론이고, 페인트를 입히는 등 녹슬지 않게 처리한 뒤에는 수명도 훨씬 깁니다. 그리고 날씨와 같은 주변 환경은 물론 외부 충격으로부터 차에 탄 사람을 보호하기에도 알맞은 특성을 가지고 있습니다. 간단히 말하면 강판으로 만든 차체는 차에 탄 사람이 더 안전하고 편리하며 쾌적하게 이동할 수 있도록 만들어 준 것입니다. 물론 대량생산에 알맞다는 특성도 빼놓을 수 없는 이유입니다. 이후 자동차의 성능은 비약적으로 좋아졌지만 소재에 한정해서 보자면 자동차의 변화는 보수적인 패턴으로 이뤄져 왔습니다. 현재 자동차는 또 한 번의 큰 변화를 앞두고 있습니다. 앞으로 다가올 변화는 자동차의 개념을 완전히 뒤집어 버릴 만큼 큽니다. 전기차, 자율주행, 공유경제 같은 키워드들이 대변하듯 지금까지와는 전혀 다른 형태로 자동차가 움직이고 쓰이는 시대가 다가오고 있으며 이미 어느 정도는 현실이 되고 있습니다. 이런 변화는 새로운 자동차 환경은 물론 자동차의 구조와 소재에도 큰 변화가 이루어질 것임을 예고합니다. 갑작스러운 변화는 아닙니다. 이미 20세기 후반부터 환경과 안전 관련 규제가 강화됐고 더 편리하고 안전한 차에 대한 소비자의 요구도 커져왔습니다. 아울러 요즘 소비자들은 친환경성, 경제성, 효율성 같은 가치도 함께 고민합니다. 그렇다면 이런 흐름은 자동차 소재에 어떤 영향을 줄까요?경량화, 미래 자동차의 가장 주요한 키워드 제네시스 G80 스포츠의 대시보드는 가볍고 단단한 카본 소재로 만들어 졌습니다 경량화는 내연기관 자동차에서도 이미 중요한 과제였습니다. 차가 가벼워질수록 엔진의 부담이 줄고, 덕분에 같은 엔진 힘으로도 차의 성능이 좋아집니다. 또한 낭비되는 에너지가 줄어 연료소비 효율이 높아지고 유해 배기가스 배출도 줄어듭니다. 자동차 부품업계에서는 차 무게를 10퍼센트 줄이면 연료소비 효율이 7퍼센트 정도 개선되는 것으로 판단합니다. 그러나 가벼운 것이 좋다고 해서 무작정 가볍게 만들 수는 없습니다. 구조적으로는 쾌적하고 안정감 있는 차체 움직임을 줘야 하고 사고 시 탑승자를 보호할 수 있는 안전성에 무리가 없어야 합니다. 무엇보다 제조 업체로서는 소재 특성이 아무리 좋다 한들 무조건 많이 쓸 수는 없습니다. 소재가 너무 비싸거나 생산 속도에 무리가 있다면 대량생산을 위한 차에 쓰기에 무리가 있기 때문입니다. 즉, 경량화라고 해도 합리적이고 경제적인 수준에서 타협이 이뤄져야 합니다. 그래서 자동차 업체는 어느 곳에 어떤 소재를 얼마나 써야 가장 현실적인 결과물을 만들 수 있을지 고민합니다. 그래서 경량화에 큰 도움을 주는 소재는 값비싼 고급차나 고성능 스포츠카에 먼저 사용합니다.  생산성이 일반 승용차보다 낮아도 시간과 비용부담에서 상대적으로 자유로울 수 있기 때문입니다. 또한 소량 생산되는 차에서 장점이 입증된 뒤에는 대량생산을 위한 기술이 개발되어 점차 낮은 값에 빨리, 많이 생산되는 과정을 거치기도 합니다. 알루미늄 합금과 마그네슘 합금, 탄소섬유, 강화 플라스틱 등으로 대표되는 비철금속과 복합소재가 바로 그것입니다. 전기차는 경량 소재의 장점을 최대한 살리는 설계에 중점을 둡니다 순수 전기차처럼 배터리 의존도가 높은 차에서 경량화는 더 절실한 과제입니다. 내연기관차의 엔진과 주변장치들이 필요 없는 대신, 주행에 필요한 에너지를 담아두는 배터리가 차지하는 부피와 무게가 크기 때문입니다. 배터리 용량에 비례해 부피와 무게가 늘어나는 만큼, 먼 거리를 달릴수 있는 전기차는 점점 더 무거워집니다. 배터리의 무게를 다른 곳에서 최대한 줄이는 것이 필요하다는 뜻입니다. 그래서 전기차에서는 지금까지의 내연기관차와 다른 구조로 경량 소재의 장점을 최대한 살리는 설계를 많이 하고 있습니다. 뒷좌석 아래나 뒤쪽에 연료탱크를 배치하는 내연기관차와 달리, 전기차에서는 탑승공간 바닥 전체에 배터리를 배치하는 경우가 많습니다(무거운 배터리를 차체 중심 가까이에 놓으면 주행특성이 안정화되는 효과도 있습니다). 또한 배터리를 외부 충격에서 보호하는 전기차만의 구조가 차체 강성을 높이는 효과가 있어, 상대적으로 다른 부분을 강화하기 위해 무거운 소재를 쓰지 않아도 됩니다. 게다가 내연기관차의 엔진에 해당하는 전기 모터는 상대적으로 크기와 무게가 작아 배치가 자유로운 편입니다. 그래서 차의 개념이나 용도에 따라 기존 자동차와는 다른 구조로 만들기가 쉽습니다. 복합소재가 대세다 유리섬유 강화 플라스틱은 수백 가닥의 유리섬유를 꼬아 만듭니다 이처럼 자동차의 경량화와 전동화가 함께 진행되면서 최근에는 특히 복합소재에 관한 연구와 실용화가 활기를 띠고 있습니다. 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP, carbon fiber reinforced plastics), 유리섬유 강화 플라스틱(GFRP, glass fiber reinforced plastics) 등 섬유강화 복합소재가 좋은 예입니다. 탄소섬유 강화 플라스틱은 흔히 ‘카본 파이버’라고도 많이 읽힙니다. 가볍고, 충격 흡수가 뛰어난 소재죠. 무게는 철의 50%에 불과하지만 철보다 10배 단단합니다. 하지만 카본 섬유를 겹겹이 쌓아 굽는 복잡한 제조공정 때문에 대량생산이 어렵고 값비싼 소재기도 하죠. 이런 이유 때문에 슈퍼카 등에 제한적으로 사용됐습니다. 유리섬유를 수백 가닥 꼬아서 만든 유리섬유 강화 플라스틱 역시 비슷합니다. 아직까지 프리미엄 브랜드와 스포츠카 업체 중심으로 많이 쓰이고 있는 이들 소재는 과거에는 낮은 생산성과 높은 가격 때문에 널리 쓰일 수 없었지만, 생산성을 높이고 값을 낮추려는 여러 업체의 연구가 이어지고 있어 점차 사용범위가 넓어질 것으로 보입니다. 특히 복합소재는 생산방식에 따라 그동안 자동차 차체와 구조의 주 소재로 쓰인 강판보다 더 자유롭거나 복잡한 형태로 부품을 만들 수 있어, 자동차 디자인을 더 자유롭게 만드는 데에도 긍정적인 영향을 줄 것으로 기대됩니다. 전동화와 더불어 전기 관련 소재에도 변화의 조짐이 보이고 있습니다. 전기차 보급이 늘어나려면 배터리 값을 낮추는 것이 가장 중요한데, 비교적 값비싼 소재를 써야 하는 지금의 배터리 기술로는 한계가 있기 때문입니다. 특히 배터리 생산에 필수적인 코발트 같은 소재는 수급 불안정성도 문제가 되고 있어 값은 저렴하면서 쉽게 구할 수 있는 소재로 배터리를 만들기 위한 연구가 이어지고 있습니다. 그래서 배터리 무게에서 큰 비중을 차지하는 전해액이 필요 없는 ‘전고체 배터리’ 같은 차세대 배터리가 앞으로 전기차 대중화에 중요한 역할을 하리라고 보는 의견도 있습니다. 전고체 배터리는 리튬이온이 이동하는 전해질을 고체로 만든 배터리입니다. 안전성도 높지만, 부피와 무게를 크게 줄일 수 있다는 것이 장점입니다. 전고체 반도체 배터리가 실용화되면 자동차 구조와 설계에 다시 한 번 혁신이 이루어질 수 있을 것입니다.미래의 소재는 어떻게 될 것인가? 그래핀은 강철보다 강하면서 유연합니다. 심지어 투명하다는 장점까지 가진 소재입니다 이처럼 첨단소재는 자동차 기술과 상호작용하면서 자동차가 더 효율적이고 안전하면서 편리한 존재가 되는 데 보탬이 되고 있습니다. 나아가 그래핀, 풀러렌, 탄소나노튜브 등 꿈의 신소재로 여겨지는 탄소나노소재의 실용화와 대량생산이 이루어지면 획기적 변화로 이어질 것이 분명합니다. 그래핀은 오랫동안 이론적으로만 존재했던 물질로 최근에야 생산을 위한 기초 기술이 개발된 첨단 소재입니다. 이 소재는 육각형 구조의 탄소가 원자 한 층으로 배열된 물질로, 인장강도 면에서 강철보다 수백 배 강하면서도 가볍고 유연하며 투명하기까지 해 열 전도성은 물론 전기 전도성도 뛰어납니다. 특히 투명하다는 특성 덕분에 각종 디스플레이와 태양전지 등에 필름 형태로 다양하게 활용될 것으로 보입니다. 신소재 풀러렌의 원자구조 형태입니다. 튼튼한 구조로 인해 다이아몬드보다 더 단단한 소재죠 풀러렌은 그래핀처럼 탄소 원자끼리 결합된 물질이지만 원자가 결합한 형태가 축구공처럼 되어 있습니다. 구조적 특성으로 다이아몬드보다 더 단단하기 때문에 높은 온도와 압력에도 충분히 견딜 수 있는 것이 특징입니다. 이 물질 역시 그래핀과 마찬가지로 결합하는 다른 물질의 특성에 따라 다양하게 활용할 수 있습니다. 기계 작동 부위의 윤활제나 차체 표면 코팅제에도 활용할 수 있고 반도체의 속도 향상을 도와 다양한 전자기기의 성능을 높일 수 있습니다. 아울러 전기차에 쓰이는 2차 전지의 효율을 높이고 수명을 늘리는 효과도 기대됩니다. 탄소나노튜브는 탄소원자가 원기둥 형태로 결합되어 있는 것으로 다양한 활용이 가능한 소재입니다. 특히 최근에는 수소전기차의 핵심 구성요소인 연료전지 스택의 값을 낮출 것으로 기대하고 있습니다. 미국 에너지성에 따르면 연료전지 스택 값의 절반 이상이 스택에 쓰이는 백금 값이라고 합니다. 따라서 스택의 백금 대신 탄소나노튜브를 쓰면 값이 훨씬 낮아질 수 있습니다. 특히 탄소나노튜브는 화학적 에너지를 곧바로 전기 흐름으로 바꿀 수 있어 백금을 쓸 때보다 4배 더 많은 전류를 만들어낼 수 있습니다. 또한, 화학작용도 안정적이고 지구상에 풍부한 소재인 탄소로 만들기 때문에 백금에 비해 안정성과 내구성이 뛰어납니다. 따라서 오랫동안 고르게 전기를 발생시킬 수 있어 사용 중 비용 부담도 줄일 수 있습니다. 지난해 공개된 제네시스 ‘GV80 콘셉트’입니다. 첨단소재는 지금까지 힘들었던 형태의 자동차를 만드는 데 큰 도움을 줄 수 있을 전망입니다 이와 같은 첨단 소재는 아직 개발 초기단계인 만큼 적용 범위가 제한되어 있지만 앞으로 연구를 통해 더욱 폭넓게 쓰일 전망입니다. 특히 쓰임새에 알맞은 구조와 특성에도 변화를 줄 수 있어 차체 구조에서 외형에 이르기까지 많은 부분의 소형 경량화와 다기능화에 기여할 것으로 보입니다. 그러면 차체 전체를 완전히 투명하게 만들고 그 중 일부만 필요에 따라 밝기를 조정하거나 투명 디스플레이로 구현하는 것도 가능해집니다. 또한 탑승자를 충격에서 보호하는 차체구조와 공간이 차지하는 비율을 줄여도 안전성을 확보할 수 있으므로 자동차 디자인의 자유도도 높아질 수 있습니다. 뛰어난 기능을 바탕으로 다양한 특성을 갖고 있는 첨단 소재는 지금까지 구현할 수 없었던 모습의 자동차를 만드는 데 도움을 줄 것입니다. 다시 말해 첨단 소재의 발전은 설계와 디자인에 혁신을 가져와 자동차의 미래를 더욱 밝게 만들 밑거름이라 할 수 있겠습니다. 글. 류청희 (자동차 평론가)1996년부터 자동차와 관련된 글을 쓰고 있는 자동차 전문 글쟁이. 월간 <비테스> 편집장, 웹진 <오토뉴스코리아 닷컴> 발행인, 월간 <자동차생활>, <모터매거진> 기자를 거쳐 현재 자동차 전문 필자 및 번역가로 활발하게 활동하고 있다. <카북>(공역), < F1 디자인 사이언스 >를 번역했으며 그의 글을 묶은 매거진 총서로 <알기 쉬운 자동차 용어풀이>, <발가벗긴 자동차>가 있다. ◆ 이 칼럼은 필자의 주관적인 견해이며, HMG 저널의 편집 방향과 다를 수 있습니다.

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