최근 전세계적으로 자원 고갈로 인한 에너지 절약과 환경 문제에 관한 규제 강화는 환경 친화적인 소재 개발의 필요성을 가속화시키고 있다. 이러한 추세는 자동차 산업을 포함한 운송 산업도 예외가 아니다. 또한, 기본적으로 단순히 성능이 좋으면서도 값이 저렴한 제품이 아니라, 소비자와 사회의 요구에 부합되는 고기능성 소재의 개발이 필요하다. 이에 부합하는 소재로는 최근 운송 수단의 경량화를 위하여 많은 연구가 진행중인 탄소섬유 복합재료라할 수 있다. 최근 탄소섬유 복합재료는 자동차의 경량화를 위해 차체 및 부품 등 다양한 부분에 적용됨에 따라 그 수요는 크게 증가하고 있고, 차량에 적용시 차체 중량감소에 따른 제동, 조향, 내구 및 연비향상과 이에 따른 에너지 절약 및 이산화탄소 배출을 최소화 하는 장점을 갖는다. 따라서, 본고에서는 자동차의 경량화를 위한 탄소섬유 복합재료의 필요성과 더불어 탄소섬유 복합재료의 기술동향과 나아가야 할 방향에 대하여 살펴보도록 하겠다.
최근 전세계적으로 자원 고갈로 인한 에너지 절약과 환경 문제에 관한 규제 강화는 환경 친화적인 소재 개발의 필요성을 가속화시키고 있다. 이러한 추세는 자동차 산업을 포함한 운송 산업도 예외가 아니다. 또한, 기본적으로 단순히 성능이 좋으면서도 값이 저렴한 제품이 아니라, 소비자와 사회의 요구에 부합되는 고기능성 소재의 개발이 필요하다. 이에 부합하는 소재로는 최근 운송 수단의 경량화를 위하여 많은 연구가 진행중인 탄소섬유 복합재료라할 수 있다. 최근 탄소섬유 복합재료는 자동차의 경량화를 위해 차체 및 부품 등 다양한 부분에 적용됨에 따라 그 수요는 크게 증가하고 있고, 차량에 적용시 차체 중량감소에 따른 제동, 조향, 내구 및 연비향상과 이에 따른 에너지 절약 및 이산화탄소 배출을 최소화 하는 장점을 갖는다. 따라서, 본고에서는 자동차의 경량화를 위한 탄소섬유 복합재료의 필요성과 더불어 탄소섬유 복합재료의 기술동향과 나아가야 할 방향에 대하여 살펴보도록 하겠다.
Recently, the need of developing eco-friendly materials has been required with restriction strengthening on environment and energy saving by the resource depletion worldwide. These trends are not an exception in transport industry including automobile. In addition, these materials have to fulfill no...
Recently, the need of developing eco-friendly materials has been required with restriction strengthening on environment and energy saving by the resource depletion worldwide. These trends are not an exception in transport industry including automobile. In addition, these materials have to fulfill not only the high quality and cheap price but also the high-performance which meet the needs of costumer and society. Among the various materials, carbon fiber-reinforced composite which is actively studying for lightweight of the automobile is one of the most suitable candidates. Indeed, the carbon fiber-reinforced composites are used as the essential materials to substitute body and other parts in automobile and the demand is increasing largely. Carbon fiber-applied automobile has improved brake, steering, durability and high fuel efficiency, leading to the energy conservation and minimizing carbon dioxide emissions. This paper focuses on the necessity of carbon fiber-reinforced composites for lightweight of automobile and its technical trends.
Recently, the need of developing eco-friendly materials has been required with restriction strengthening on environment and energy saving by the resource depletion worldwide. These trends are not an exception in transport industry including automobile. In addition, these materials have to fulfill not only the high quality and cheap price but also the high-performance which meet the needs of costumer and society. Among the various materials, carbon fiber-reinforced composite which is actively studying for lightweight of the automobile is one of the most suitable candidates. Indeed, the carbon fiber-reinforced composites are used as the essential materials to substitute body and other parts in automobile and the demand is increasing largely. Carbon fiber-applied automobile has improved brake, steering, durability and high fuel efficiency, leading to the energy conservation and minimizing carbon dioxide emissions. This paper focuses on the necessity of carbon fiber-reinforced composites for lightweight of automobile and its technical trends.
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문제 정의
따라서 본고에서는 최근 자동차 경량화에 있어서 필수 소재로서 다시금 큰 관심을 받고 있는 탄소섬유 복합재료의 필요성과 기술동향을 알아봄으로써 탄소섬유 복합재료의 중요성과 발전방향에 대하여 논의하고자 한다.
또한, 현재 현대자동차는 2010년 ‘i 10 EV’의 배터리 팩 하부 케이스를 대상으로 탄소섬유 복합재료 적용 연구를 착수 하였고, 신소재 신공법 적용으로 100,000 대/년 이상 생산성 확보를 목표로 하고 있다.
본고에서는 자동차를 포함한 각종 운송수단의 차체 재료로서 가장 많이 사용되고 있는 금속재료의 대체를 위하여 전세계적으로 활발하게 연구되고 있는 탄소섬유 복합재료의 필요성과 기술 동향에 대하여 기술하였다.
대상 데이터
일부 외제 자동차나 수제차에 탄소섬유 복합재료가 적용된 경우은 있지만 양산차량에 응용되기는 처음이며, 대상차는 현대자동차의 제네시스 쿠페이다. 약 1억원의 연구개발비가 투입된 이 차량은 제네시스 쿠페 보닛과 루프 등에 탄소섬유와 탄소복합체를 적용해 제작됐다. 이 차량은 차체부분인 후드, 루프, 테일게이트, 휀더, 사이드립 및 도어와 브레이크 디스크 등 총 8개 부분에 탄소섬유 복합재료가 적용됐다.
약 1억원의 연구개발비가 투입된 이 차량은 제네시스 쿠페 보닛과 루프 등에 탄소섬유와 탄소복합체를 적용해 제작됐다. 이 차량은 차체부분인 후드, 루프, 테일게이트, 휀더, 사이드립 및 도어와 브레이크 디스크 등 총 8개 부분에 탄소섬유 복합재료가 적용됐다. 차체의 경우 탄소섬유 복합재료를 적용해 강철에 비해 70%의 경량화 효과를 확인하였고, 탄소세라믹 브레이크 디스크는 무게를 44% 줄였다.
성능/효과
현재 복합재의 리사이클에 관한 연구는 거의 진행되지 않고 있으므로 앞으로 관련 업계는 효율적인 제휴를 통해 보다 활발히 추진할 필요가 있다. 모든 제품은 반드시 수명을 다하게 되며, 따라서 섬유를 제조할 때부터 폐각의 경우를 고려하면 제품의 완성도는 높게 될 것이다. 현재는 사용 완료된 복합재료는 그 부품을 선별하여 에너지 리사이클하거나 산업폐기물로서 폐각하는 것이 일반적이나 복합재의 보급을 확대하기 위해서는 보다 고효율 재료로서 재활용해야 할 것이다.
이 차량은 차체부분인 후드, 루프, 테일게이트, 휀더, 사이드립 및 도어와 브레이크 디스크 등 총 8개 부분에 탄소섬유 복합재료가 적용됐다. 차체의 경우 탄소섬유 복합재료를 적용해 강철에 비해 70%의 경량화 효과를 확인하였고, 탄소세라믹 브레이크 디스크는 무게를 44% 줄였다. 탄소 섬유 복합재료를 적용한 결과 일반 차량의 무게보다 약 80 ㎏이 가벼워졌고, 연비는 2.
차체의 경우 탄소섬유 복합재료를 적용해 강철에 비해 70%의 경량화 효과를 확인하였고, 탄소세라믹 브레이크 디스크는 무게를 44% 줄였다. 탄소 섬유 복합재료를 적용한 결과 일반 차량의 무게보다 약 80 ㎏이 가벼워졌고, 연비는 2.2% 개선되는 것으로 분석됐다. 하지만 탄소섬유 복합재료가 도입된 차량을 양산하기는 현실적으로 어려운 실정이다.
2002년 세계 최초로 경유 1 L로 100 km를 주행할 수 있도록 개발한 이 차에도 경량화 기술은 필수적이며, 알루미늄 재질의 크랭크케이스, 실린더 헤드, 서스펜션 등 가벼운 재질의 부품을 적극 사용하였다. 폭스바겐은 이미 세계 최초로 3 리터카를 상용화한바 있는데, 3 리터카의 연비 향상 요인 중 경량화 부분은 20%를 차지하는 것으로 분석되었다. 다임러는 향후 신차가 기존 차량의 중량을 초과하지 않도록 한다는 원칙을 세웠다.
이러한 차체 경량화를 위하여 알루미늄합금 등의 비철금속류가 사용되어 왔으나, 최근에는 고분자, 특히 적절히 강도가 보강된 고분자 복합재료가 선두 주자라 할 수 있다. 현재 국내에서 일반소형 승용차를 1대 제조하는데 있어 사용재료별로 보면 철강재료 40%, 특수강 20%, 알루미늄 15%, 고분자(고무류 포함) 14% 수준이며, 특히 향후 고분자의 사용량은 크게 증가될 것으로 예상된다. 또한, 최근에는 탄소섬유 복합재료는 금속소재 대비 우수한 물성과 낮은 비중으로 자동차뿐만 아니라 각종 수송기기의 경량화 소재로 각광을 받고 있다.
후속연구
이를 위해서는 이미 확보된 전문인력 및 기초기술을 이용하여 상용화 및 응용기술개발에 필요한 적극적인 연구지원 및 산업계와의 협력이 필요하다. 또한, 이러한 탄소소재를 이용한 소재는 다양한 응용분야에 적용이 가능하며, 저탄소 녹색성장을 이루는 원동력이될 것으로 판단된다.
복합재료는 자동차에 있어서 외장재, 구조부품 등으로 응용되고 있으며 향후 사용량은 대폭 증가할 것으로 예상된다. 그러나 복합재료가 자동차에 응용되는데 있어서 장애요인으로 알려진 성형 중 발생하는 물리·화학적 변화, 계면효과, 재활용, 데이터베이스 및 실험방법 등 해결해야 할 과제가 남아 있다.
또한, 제품화 및 양산화 되기 위해서는, 이 중 특히 생산성이 기존의 복합재료 성형방법에 비해 최소한 10배 이상 빨라져야 한다 (부품 1개당 1분 내). 뿐만 아니라, CFRP 유지보수 기술, 부품 설계 및 성형 기술, 재활용 기술 등이 동시에 개발되어야 할 것이다.
또한 현재의 리사이클 컨셉으로는 섬유의 질은 리사이클이 반복됨에 따라 저하될 수밖에 없다. 사용 완료된 복합재를 섬유로 분리한 후 리사이클에 의해 섬유의 원재료와 보다 유사한 재료로 개발할 수 있으면 생산과 재생의 프로세스가 근접하여 한층 좋은 재료로서 보급될 수 있다.
24 Figure 8은 일반 탄소섬유와 재활용된 탄소섬유를 비교한 것으로, Figure 8에서 보는 바와 같이 일반 탄소섬유와 달리 재활용된 탄소섬유 표면에는 리싸이클 동안 제거되지 않은 미량의 불순물들이 표면에 남아 있는 것을 확인할 수 있다. 이에 초임계수(초임계온도 374℃, 임계압력 22.1 MPa 이상의 물)와 아임계수(임계온도 이하, 포화수증기 이상의 액체수)를 이용하여 수지만을 분해하여 탄소섬유를 손상 없이 회수하는 방법이 개발된바 있지만 재활용 탄소섬유의 물성 저하로 인하여 추가적인 연구가 필요한 실정이다.
차체의 경량화는 구동계의 손실 감소 이외의 전부에 기여할 수 있으므로 충돌 시의 안전을 위해 크고 무거운 자동차를 좋아해도 자동차의 경량화는 앞으로 계속 추진될 것으로 기대된다. 탄소섬유 복합재료는 앞으로도 계속 응용범위가 증가될 신개념 자동차 소재이며, 국내의 경우 차량 생산규모와 역사에 비해 채용 비율은 극히 초보적인 단계로 향후 성장잠재력이 매우 큰 분야 중 하나이다.
만약 현대·기아차가 탄소섬유 개발에 성공할 경우 비용도 줄이면서 차량도 경량화하는 이중의 과제를 해결하게 될 것으로 보인다. 탄소섬유의 구체적 생산 시기를 정하지 않았지만 개발을 완료할 경우 전기차와 고성능 스포츠카 등에 탄소섬유를 적용할 계획이다. 또한, 기아차는 독일 프랑크푸르트 모터쇼에서 공개된 스포츠 콘셉트카 'GT'의 휠에 탄소섬유를 적용해 미래의 차체 경량화에 대한 방향성을 제시한바 있다.
현재 복합재의 리사이클에 관한 연구는 거의 진행되지 않고 있으므로 앞으로 관련 업계는 효율적인 제휴를 통해 보다 활발히 추진할 필요가 있다. 모든 제품은 반드시 수명을 다하게 되며, 따라서 섬유를 제조할 때부터 폐각의 경우를 고려하면 제품의 완성도는 높게 될 것이다.
실제로는 5% 정도의 경량화를 목표로 하고 있으며 이를 실현하기 위한 다양한 계획을 수립 중에 있다. 현재로선 양산차에 적용하기 어려운 기술들을 콘셉트카에 시험 적용하고 있는데, 향후 10년 이내에 이들 중 50% 이상을 적용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
환경 친화적인 소재개발의 필요성이 가속되는 이유는?
최근 산업이 점차로 고도화, 세분화됨에 따라 다양한 분야에서 요구되는 엄격한 규제조건을 충족시킬 수 있는 차세대 소재에 대한 필요성이 증대되고 있으며, 특히 자원의 고갈로 인한 에너지절약과 환경문제에 관한 규제 등은 환경 친화적인 소재개발의 필요성을 가속화시키고 있다. 이러한 추세는 항공기, 철도, 선박뿐만 아니라 자동차산업도 예외가 아니어서 최근 환경변화에 대응하기 위한 신규 소재개발이 시급한 실정이다.
자동차의 연비개선 대책으로는 무엇이 있는가?
반면에 세계적으로 환경오염 문제가 대두되면서 기업별 평균연비 및 자동차 배기가스 규제강화에 대비한 연비개선이 절실히 요구되고 있는 실정이다. 자동차의 연비개선 대책으로는 엔진, 구동 계의 효율 향상, 주행저항 저감을 위한 차체 설계, 소형화 및 경량화 등이 있다. 이중 구조 변경, 경량재료로의 대체, 부품합리화 등에 의한 차체의 경량화는 연비를 대폭적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대되어 현상황에서 경량화가 가장 유력한 방안으로 제시되고 있다.
이산화탄소에 의한 지구온난화를 막기 위해 수송기기로부터 발생되는 이산화탄소의 최소화가 효율적인 방법으로 대두되는데 이에 대해 자동차 업체가 하는 노력은 무엇인가?
더욱이 환경문제와 관련된 배기가스 및 연비규제 관련 법안이 제정되고 있어 이에 대한 대처여부가 향후 자동차 업체의 생존과도 직결되는 문제로 대두되고 있다. 이러한 환경 문제를 해결하기 위해 자동차 업체들은 여러가지 노력을 기울이고 있는데, 그 중 하나가 바로 차량의 경량화이다. 탄소섬유 복합재료를 자동차에 적용한 경우 온실가스 절감효과를 Figure 3에 나타내었다.
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