탄소섬유강화 플라스틱으로 車 경량화…복합소재 개발 경쟁
18세기 후반 개발된 초기 자동차의 속도는 시속 4~14㎞였다. 승객이나 운전자의 안전을 크게 신경 쓸 필요가 없었다. 자동차 재료도 쉽게 구할 수 있는 철과 나무였다. 안장 등 일부 부품에만 가죽이나 패브릭(천) 재료가 사용됐다.

1800년대 들어 자동차 속도가 시속 70㎞로 비약적으로 빨라지면서 안전에 대한 인식이 달라졌다. 또 대량 생산, 경량화에 대한 요구도 생겼다. 그 결과 1980년대 이르러 헤드램프, 범퍼와 같은 외장 부품에 플라스틱 소재가 사용됐다. 이후 엔지니어링 플라스틱 기술이 발전했고, 엔진 주변이나 칵핏(조종석) 등 고내열·고내구성을 필요로 하는 부품에 적용됐다.

영화 ‘포드 v 페라리’의 배경이 된 ‘르망24 대회’에서도 볼 수 있듯, 자동차 기업 간 고성능 차량 개발 경쟁이 본격화하면서 높은 내구성을 지니면서 경량화도 가능한 소재에 대한 연구가 본격화됐다. 플라스틱 소재와 경량 알루미늄 차체 등 신소재가 적극적으로 활용되기 시작한 배경이다.

고유가 시대에 접어들면서 기업들의 고성능 경쟁은 연비 경쟁으로 바뀌었다. 자동차 무게를 줄이기 위해 부품과 보디 설계 일체화, 단순화 등으로 연구개발(R&D) 초점이 옮겨졌다. 탄소섬유나 유리섬유 등을 섞은 복합소재 플라스틱, 알루미늄 또는 마그네슘 합금, 고장력 강판 등 가볍고 부품 강성을 유지하는 소재들의 전성시대가 열린 것이다.

업계에 따르면 차량 무게를 10% 줄이면 연비는 7%가량 향상된다.

최근에는 금속을 대체하는 플라스틱에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이렇게 개발된 소재 중 하나가 탄소섬유강화 플라스틱이다. 철보다 무게는 약 70% 가볍지만, 강도·탄성 등 물성은 약 10배 우수하다. 가장 유력한 대체 소재로 꼽히지만, 성형의 어려움으로 철 대비 제조원가가 수십 배 높다. 콘셉트카나 슈퍼카에만 간간이 적용됐던 이유다. 최근엔 유럽 자동차 회사를 중심으로 대중 차량에도 차체에 탄소섬유강화 플라스틱을 조금씩 적용하기 시작했다.

국내에서도 정부 주도로 탄소복합소재 클러스터를 구축해 자동차 부품 제조사, 학계, 부설 재료 연구소 등이 연구를 진행하고 있다. 민간에서는 현대자동차·기아를 중심으로 부품사인 현대모비스와 소재사들이 관련 연구에 나선 상태다. 탄소복합소재를 적용한 선루프 프레임, 차량 보닛 등은 이미 상용화됐다. FEM(프론트엔드모듈), CCB(카울크로스바) 등 전통적인 금속 부품을 탄소복합소재로 대체하는 기술도 선행연구가 끝난 상태다.

자율주행 시대에는 자동차가 단순 운송수단에서 엔터테인먼트, 업무공간 등으로 진화할 것으로 예상된다. 이에 따라 내장재 옵션도 증가하고 있다. 전통적인 내·외장 부품들은 소비자 취향에 맞춰 다품종 소량으로 생산 방식이 바뀔 전망이다. 금형으로 플라스틱을 사출하는 기존 방식으로는 수익성이 떨어지기 때문에 금형이 없어도 되는 3차원(3D) 프린트 수요가 늘어날 것으로 예상된다.

현대모비스도 연구개발본부 내 별도 재료연구 조직을 운영해 경량화 및 지속가능한 소재를 개발하고 있다. 또 매년 국제 콘퍼런스, 학회에 참석해 신소재 트렌드를 반영한 ‘재료 개발 로드맵’을 구축하고 있다. 기술전문가 제도를 통해 전 세계 유수 대학과 기관에 연구원을 파견하는 등 경쟁력 향상을 위해 노력하고 있다.

현대모비스 기술연구소