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온난화를 줄이는 다이어트

미래를 생각한다면, 자동차도 다이어트가 필요합니다. 그렇지 않으면 치솟는 유가와 늘어나는 CO2 배출량을 감당하기 어려워질 수도 있습니다. 차량이 많은 에너지를 소비하는 원인 중 하나는 차량이 너무 무겁기 때문입니다. 최근 각광받고 있는 차체 경량화 기법 중 하나는 섬유강화 플라스틱을 사용하는 것으로, 이를 위해 랑세스의 화학자와 엔지니어들이 더욱 더 가벼운 소재들을 만들어내고 있습니다.

무겁지만 둔하지 않게

자동차의 안전성과 편의성이 꾸준히 향상되었지만, 이 과정에서 차량의 무게가 상당히 늘어나게 되었습니다. “운전자들은 10년 전보다 지금의 차량에 훨씬 더 많은 것을 요구합니다”라는 것이 레버쿠젠에 위치한 특수화학기업 랑세스의 플라스틱 사업부에서 글로벌 어플리케이션 개발을 담당하고 있는 줄리안 하스펠(Julian Haspel)의 설명입니다. “파워 윈도우, 에어컨 등의 장비는 이제 그야말로 필수적인 것이 되었습니다.“

뿐만 아니라, 주요 자동차 회사들은 운전을 더욱 쉽게 만들기 위한 다양한 아이디어를 채택하고 있습니다. 이러한 아이디어 중 많은 수가 새로운 센서나 모터의 장착을 필요로 합니다. 안전 시스템 역시 상당한 진전을 이루었으며, 여러 개의 에어백이나 승객을 안전하게 보호해주는 탑승공간 등은 누구나 필요로 하는 자동차 안전의 기준으로 여겨지고 있습니다.

경량 엔지니어링 전문가인 하스펠은 “2012년 선보인 폭스바겐의 베스트셀링 모델 골프는 1970년대 출시된 1세대 모델에 비해 무게가 450kg이나 더 나갑니다“라고 이야기합니다. 현행 모델을 출시하면서 이러한 중량화 추세는 역전되었지만, 7세대 골프의 공차중량은 장비 종류에 따라 약 1,200kg에 달합니다.
“하지만 최근 들어 차량의 크기가 점점 커지고 있다는 사실도 고려할 필요가 있습니다“라고 하스펠이 설명을 덧붙입니다. 그러나 이런 엄청난 무게에도 불구하고 요즘 출시되는 자동차는 결코 둔하지 않은데, 이는 엔진 개발자들의 노력으로 지난 수 년 동안 차량의 성능이 현저히 향상된 덕분입니다.

 배출 감소를 목표로

Leichtbau I-2하지만 앞으로는 자동차 업계가 단순히 엔진 출력만을 향상시키는 데에 주력할 수는 없을 것으로 보입니다. “기후 변화가 주된 원인입니다”라고 하스펠이 설명합니다. “결국 엔진은 연료를 온실가스인 이산화탄소로 바꾸는 장치입니다. 이건 바꿀 수 없는 자연의 법칙이죠.” 최근 나온 자동차들의 연료 소모량이 이전 세대 자동차에 비해 훨씬 더 적음에도 불구하고 유럽위원회(European Commission)에서는 더욱 엄격한 배출규제를 새롭게 만들었습니다. 이 규제에 따르면 각 자동차업체들은 2008년의 165g까지 허용되던 차량의 킬로미터 당 평균 CO2 배출량을 2020년까지 95g으로 낮춰야 합니다. 이러한 목표를 달성할 수 있는 유일한 방법은 연료 소비량을 더 줄이는 것뿐인데, 자동차 연료 1리터를 태우면 2.33kg(가솔린), 2.66kg(디젤)의 이산화탄소가 배출되기 때문입니다.

뚱뚱해도 괜찮아

leichtbau_II_1자동차회사들은 이러한 엄격한 배출제한을 충족시키기 위한 다양한 조치를 취하고 있습니다. 그 중 하나는 단순히 차량을 ‘다이어트’ 시키는 것입니다. “차량 무게를 100kg 줄이면 100km당 연료 소모량이 0.35 ~ 0.5 리터 줄어듭니다”라고 하스펠이 이야기합니다. “엔진과 연료 종류에 따라 다르지만, 이렇게 연료 소모량이 줄어들면 킬로미터 당 이산화탄소 배출량이 8.8 ~ 12.5g까지 줄어듭니다. 또한 전기차를 가볍게 만들면 더 먼 거리를 달릴 수 있습니다. 모터가 움직여야 하는 하중이 줄어들어 배터리가 그만큼 덜 닳게 되기 때문이죠. 체중감량은 이렇게 많은 장점이 있습니다.”

충분히 단단하고도 가벼운 몸

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늘어난 장비와 더 단단해진 차체 강성 때문에 차량 무게가 늘어나지 않느냐는 물음에 하스펠은 “꼭 그렇지는 않습니다“라고 답하며 대단히 강력하면서도 가벼운 소재를 사용할 수 있다는 점을 지적했습니다. 예를 들어, 철강업체들은 이전보다 더 많은 힘을 흡수할 수 있는 특수 초강도 강판을 생산하고 있습니다. 또한 경량 마그네슘과 알루미늄 특수 합금을 이용하면 중요 부위에 사용되던, 상대적으로 무거운 강철 소재를 대체할 수 있습니다.

하스펠과 그의 동료들은 무거운 자동차를 민첩하고 재빠른 모습으로 변화시킬 수 있는 신소재를 개발해 왔습니다. 이러한 최신 차량은 이전에 비해 가벼운 만큼 CO2 배출량도 적어집니다.

 장기적인 솔루션의 일부

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자동차업체들은 최근 들어 설계에서 금속 소재를 대폭 줄이고 있는데, 이는 뛰어난 엔지니어들이 금속을 플라스틱으로 대체하는 데에 성공을 거두고 있기 때문입니다. 현재 폴리아미드 또는 그와 유사한 재료로 만들어지고 있는 부품의 목록을 보면 상당히 인상적입니다. 대시보드 지지대, 공기 흡입구, 암레스트, 엔진 커버, 커넥팅 로드, 마운팅, 시트 등 다양한 부품이 플라스틱으로 만들어지고 있습니다.

그렇기 때문에 추가로 대체할만한 또 다른 부품을 찾는 일이 대단히 어렵습니다. 강철은 무겁지만 단단하기 때문에 자동차 제조업체들이 전통적으로 사용해온 재료입니다. 또한 강철은 사고 발생 시 승객을 보호하는 데에도 뛰어난 역할을 하기 때문에 차체 구조, 문, 측면, 펜더, 후드를 비롯한 다양한 부품을 대부분 강판으로 만들고 있습니다. 따라서 얼마 남지 않은 대체 가능 부품을 놓고 강철, 알루미늄, 마그네슘 등의 소재와 겨루기 위해서는 폴리머 소재 역시 금속만큼 튼튼해야 합니다. 뿐만 아니라, 가격이 너무 높아서도 안됩니다.

 강력한 섬유

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이러한 문제를 해결해 줄 수 있을 것으로 기대되는 가장 유망한 방법 중 하나가 플라스틱 대신 그보다 훨씬 튼튼한 소재를 사용하는 것입니다. 유리섬유나 탄소섬유가 그러한 소재의 좋은 예입니다. 유리섬유나 탄소섬유를 플라스틱에 넣으면 부드러운 폴리머 소재에 탄탄한 골격이 생긴 것과 같은 결과를 얻게 됩니다. 섬유강화 부품에 힘이 가해지면 섬유가 뼈와 같은 역할을 해 대량의 하중을 버텨냅니다. 따라서 부품이 깨지거나 찢어지지 않고 훨씬 더 많은 부하를 견딜 수 있습니다. “여기서도 다양한 요소들을 고려해야 합니다”라고 하스펠이 이야기합니다. “예를 들어, 섬유는 가능한 한 길게 만들어서 사용해야 최대의 효과를 발휘하죠.” 이는 재료에 혼합되어 소재를 통해 힘을 더 잘 전달하려면 섬유의 길이가 긴 것이 유리하기 때문입니다.

 “젖은 식탁보” 법칙

IV_1_Leichtbau몇 년 전만 하더라도 짧은 길이의 섬유 여러 가닥을 사용하는 것이 최신 기술로 여겨졌습니다. 예를 들어, 유리섬유를 아주 짧은 길이로 잘라 폴리아미드 소재와 잘 섞일 수 있도록 하는 식이었습니다. 이를 통해 예전에는 상상도 할 수 없었던 부품을 만드는 것이 가능해졌습니다. 한 가지 예로, 일부 고급 승용차에는 유리섬유가 60% 포함된 랑세스의 듀레탄(Durethan) 소재로 만들어진 예비 타이어 웰이 들어 있습니다. 플라스틱 부품은 자동차의 알루미늄 차체에 대단히 강력하게 결합되어 차량의 후면부를 보강하는 데에 도움이 되며, 이는 뛰어난 조향성을 만들어내는 데에 핵심적인 역할을 합니다.

현재 개발자들은 길이가 수 밀리미터 정도 되는 “긴” 유리섬유를 가지고 실험을 수행하고 있습니다. 긴 섬유가 더 많은 힘을 흡수할 수 있기는 하지만, 공정 상에서 이들을 짧게 자르지 않고 플라스틱과 혼합하는 일이 쉽지 않습니다.

 플라스틱에 담긴 메쉬 소재

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“그래서 랑세스에서 제 3의 접근방식을 취하고 있는 거죠”라고 하스펠이 설명합니다. “우리는 엄청나게 긴 유리섬유를 사용해 청바지를 만드는 데 사용되는 것 같은 직물을 만들고 있습니다. 이 소재를 플라스틱에 함침시키면 섬유강화 복합판이 만들어집니다.” 이렇게 만들어진 테펙스(Tepex) 섬유를 가열하면 마치 젖은 식탁보처럼 어떤 모양으로든 변형이 가능합니다. 또한 섬유가 긴 길이를 유지하고 있기 때문에 상당한 양의 힘을 흡수할 수 있습니다.

“이 연구의 뛰어난 점은 테펙스 소재가 다른 종류의 플라스틱과 쉽게 혼합 가능하다는 점입니다”라는 것이 하스펠의 설명입니다. 이에 따라 새로운 테펙스 기법은 경량 자동차에 사용되는 플라스틱을 만들어 내는 또 하나의 “하이브리드” 제조법이 되었습니다. 랑세스의 엔지니어들이 오래 전부터 금속과 플라스틱을 결합하기 위한 하이브리드 제조방식을 사용해 왔지만, 이번에 개발된 테펙스 소재는 알루미늄이 사용된 기존 하이브리드 부품에 비해 더욱 가볍다는 장점을 갖고 있습니다.

현재 랑세스 연구진은 테펙스를 코어로 사용해 엄청난 강도를 만들어내는 초강력 지지대를 만들고 있습니다. 사출성형 기법을 사용해 안정판, 볼트 슬리브, 클립 등의 형태를 만들어낼 수 있습니다. 이에 따라 부품을 쉽고 빠르게 장착할 수 있게 되며, 조립 비용도 줄어드는 효과가 있습니다. 뿐만 아니라 부품 가격도 기존 알루미늄 또는 마그네슘 부품과 비슷합니다.

 무게를 절반으로

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하이브리드 부품(특히 테펙스를 사용한 부품)의 주된 이점은 대단히 가볍다는 점입니다. 몇몇 섬유강화 소재의 경우 금속에 맞먹는 강도를 보유하고 있습니다. 부품의 종류와 용도에 따라 다르지만, 하이브리드 소재로 강철을 대체할 경우 최대 50%까지 무게를 줄일 수 있습니다.

“랑세스의 테펙스 소재를 사용하면 부품 강도에는 아무런 영향을 미치지 않고 에어백 케이스 측면의 두께를 0.5~1mm로 줄일 수 있습니다”라고 하스펠이 설명합니다. 이와는 대조적으로, 기존의 사출성형 플라스틱 부품의 경우 두께가 3~4mm에 달합니다.

랑세스의 솔루션을 사용하면 무게도 그만큼 줄일 수 있습니다. 랑세스의 전문가들이 브레이크 페달의 예를 들어 신기술이 중량 감소에 얼마나 도움이 되는지 보여주었습니다. 전체가 강철로 만들어진 브레이크 페달의 경우 무게가 794g에 달하며, 플라스틱과 금속의 복합소재도 526g 정도의 무게를 갖습니다. 그러나 테펙스 하이브리드 솔루션을 사용하면 무게가 355g까지 줄어듭니다. 하스펠의 말에 따르면, “플라스틱-금속 하이브리드 기법은 100% 금속에 비해 프론트 엔드의 무게를 최대 40%까지 줄일 수 있게 해 줍니다. 여기에 테펙스 소재를 삽입하면 알루미늄 프론트 엔드의 무게가 더욱 가벼워집니다.”

따라서, 금속이 주 재료의 자리를 지키고 있는 마지막 영역인 차체 부문까지 플라스틱이 영역을 넓히리라는 점이 거의 확실해 보입니다. 금속과 플라스틱을 결합함으로써 수많은 부분에서 개선을 이룰 수 있을 것입니다.