이미지 크게보기 시계방향으로 경량화를 목표로 설계한 현대차 3세대 플랫폼, 출력 밀도를 높여 배터리 무게를 16㎏ 줄인 쏘나타 하이브리드, 초경량 신소재를 사용한 접착제 ‘초저비중 실러’가 적용된 차체 부품, 후드 등에 탄소섬유 소재 부품을 적용한 기아차 스팅어 GTS 카본.

탄소섬유 등 첨단 신소재 적용
G70, 후드 등에 알루미늄 이용
배터리, 출력밀도↑ 무게 16㎏↓
초저비중 실러도 경량화 한몫

8세대 쏘나타 3세대 플랫폼
첨단공법으로 차체 24㎏ 줄여

연비와 배출가스 규제 강화 속에 차량 경량화는 이제 선택이 아닌 필수다. 탄소섬유, 마그네슘, 티타늄 복합 재료 등 첨단 융복합 신소재 적용을 통한 경량화 기술이 급속도로 발전하고 있다. 새시(Sash·차대) 계통은 주로 초고장력 강판 등 금속재료 교체를 통해 무게를 줄인다.

◇경량화 필요성과 효과=10일 자동차 업계에 따르면 산업통상자원부는 지난 8월 발표한 ‘에너지효율 혁신전략’을 통해 승용차 평균연비 기준을 내년 ℓ당 24.3㎞, 오는 2030년엔 28.1㎞까지 지속해서 강화하겠다고 밝혔다. 유럽연합(EU)의 2016년 자동차 1㎞ 주행 시 이산화탄소 배출량 기준은 2016년 118.1g이었지만, 2021년까지 95g으로 강화된다. 시장조사기관 ‘프로스트 앤드 설리번’(Frost & Sullivan)에 따르면, 2021년 EU 환경 목표를 충족하려면 자동차 1대당 매년 45㎏ 이상을 경량화해야 한다.

1500㎏대 중형 자동차의 무게를 5% 줄이면 연비는 1.5%, 동력 성능은 4.5% 향상된다. 차가 가벼워지면 엔진에 부하가 적게 걸리므로 각종 배기가스 감소(질소산화물 약 4%, 탄화수소 약 2%) 효과도 발생한다.

◇소재 경량화=철보다 비중이 작은 알루미늄을 후드 등에 적용하면 큰 도움이 된다. 제네시스 G70은 후드(-9.1㎏)와 앞 서스펜션(-6.7㎏), 뒤 서스펜션(-5.2㎏) 등 차체 곳곳에 알루미늄 부품을 사용해 29.7㎏을 줄였다.

최근에는 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 적용도 점차 늘어나는 추세다. CFRP는 무게가 철의 절반 수준에 불과하지만, 충격 흡수력은 훨씬 뛰어나서 강도가 철의 10배에 달한다. 그러나 소재 가격이 비싸고 제조 공정이 복잡해 슈퍼카 등 고급 브랜드 차에만 일부 사용되는 한계가 있었다. 그러나 최근엔 우리나라 업체들이 기술을 국산화해 현대·기아차에서도 기아 스팅어, 제네시스 G80 스포츠 같은 스포츠형 모델을 시작으로 탄소섬유 적용을 늘려가고 있다. SK케미칼이 만든 CFRP는 현대차 유럽 생산모델 ‘i30N 프로젝트 C’ 후드 소재로 사용됐다. 현대차 수소 전기차 넥쏘의 수소탱크는 수소 투과를 최소화하는 폴리아마이드 라이너(나일론 소재) 내피에 탄소섬유를 감아 700bar의 높은 압력을 견디는 외피를 만들었다. 가벼운 건 기본이고 용광로에서도, 수심 7000m 고압에서도 터지지 않는다.

그 밖에 플라스틱에 ‘몬모릴로나이트’라는 점토 광물을 머리카락 1만 분의 1 두께 초미세 입자 크기로 분사해 무게는 가볍지만 강도는 높게 만든 신소재 ‘클레이 나노 복합재’도 있다. 차 문 아래에 있는 ‘사이드 실 몰딩’(Side Sill Molding)에 클레이 나노 복합재를 쓰면 무게를 약 20% 줄일 수 있다.

◇부품 소형화와 초경량 접착제=리튬이온 배터리가 대부분인 친환경차 배터리는 에너지밀도(부피당 출력 에너지양)를 높여 작은 배터리로도 장거리를 달릴 수 있게 하는 게 과제다. 예를 들어 현대차 신형 쏘나타 하이브리드 배터리는 출력 밀도를 21% 높여 부피는 16%(7.1ℓ), 무게는 16㎏ 줄였다. 생산기술 개선을 통해서도 경량화를 이뤄낼 수 있다. 초저비중 실러(초경량 접착제)가 좋은 예다. 실러는 차체 패널이 겹쳐지는 부분에 물이 새거나 녹슬지 않도록 하는 접착제다. 보통 차 한 대에 쓰이는 실러 무게만 6∼8㎏에 달한다. 초저비중 실러의 비결은 실러 충진재를 비중 2.9인 탄산칼슘에서 비중 0.38인 초경량 신소재 ‘글라스버블’로 대체하는 데 있다.

◇구조 최적화=자동차 뼈대 역할을 하는 플랫폼 구조 최적화를 통해서도 차의 무게를 줄일 수 있다. 현대차 8세대 쏘나타에 처음 적용된 3세대 플랫폼은 설계 단계부터 경량화를 염두에 뒀다. 부위마다 초고장력 강판 두께를 다르게 성형하는 ‘TRB/TWB (Tailor Rolled Blanking/Tailor Welded Blanking) 공법’ ‘핫스탬핑’(950도 고온으로 가열한 철강소재를 금형에 넣고 프레스로 성형한 뒤 급속 냉각시키는 공법) 적용 부품을 늘려 차체 무게를 기존 모델보다 24㎏ 줄였다.

김성훈 기자 tarant@munhwa.com