Special 핵심전략소재 자립을 위한 소재산업 생태계 조성 및 기술 개발 동향(2)
수송기계 적용 탄소섬유복합소재 기술 동향 및 전망

최흥섭_홍익대학교 기계정보공학과 교수

1. 서론

최근 10여 년간 과거를 돌아보면 우리들은 그 전의 세계와는 달리 급변하는 세상에 살고 있는 듯 많은 변화가 일어나고 있는듯하다. 석유자원의 경우 피크 점을 지나 40여년 후에는 고갈이 예상되고 지난 백여 년간 화석연료의 남용으로 인한 지구온난화에 따른 인류의 멸망시기를 100여년 후로 예상하는 저명한 과학자의 언급도 전파를 타고 인류에게 경고를 하고 있는 그야말로 변화무쌍한 세상에 살고 있는듯하다. 각국에서는 기존 내연기관 자동차에 의한 환경파괴를 지연시키기 위해 각종 연비규제를 강화하고 있고 100여 년 전에 등장하여 불과 짧은 기간을 발전하다 역사 속으로 사라져 버린 전기자동차가 부활하여 내연기관 자동차를 다시 몰아내고 향후 10여년 후에는 전기자동차가 대세를 이를 듯이 전기자동차에 대한 연구가 활발해지고 있다. 하지만 전기자동차의 연료에 해당되는 리튬배터리의 에너지 밀도가 휘발유나 디젤의 에너지 밀도보다 크게 떨어지기 때문에 내연기관의 엔진과 동력전달 장치가 사라지고 전기모터가 엔진역할을 하여 차량의 무게가 크게 줄어드는 예측에도 불구하고 전기배터리의 무게가 500여 kg에 이를 정도로 상대적으로 무게 절감의 효과가 예상보다 작아 이에 따라 전기자동차의 연비를 향상시키고자 하는 노력이 가속화되고 있다. 이러한 배경 하에서 대형 항공기의 구조재로서 활발히 적용되어 충분히 성숙해진 탄소섬유복합재료(CFRP)를 자동차에 적용하여 경량화를 구현하고자 많은 연구와 개발 적용이 이루어지고 있다. 하지만 항공기에 적용된 기존의 탄소섬유는 매우 뛰어난 기계적 강도 및 강성을 가져 자동차에 적용하기 에는 너무 높은 가격대를 갖고 있으며 성능도 필요이상으로 뛰어나 그 적용이 일부 초고가 스포츠카나 유명 고급차에 적용되어 범용화가 늦어지고 있는 게 현실이다.      
  그림 1은 전 세계 자동차회사의 황금시장인 미국에서 시행되고 있는 연비규제인 CAFE(Corporate Average Fuel Economy 기업평균연비제도)로서 자동차를 생산하는 기업이 생산차종의 한 기종에서 매년 요구하는 연비조건을 만족하지 못하면 그 회사에서 생산하는 모든 자동차에 일정금액을 징벌 금으로 거액을 지불해야 하는 제도를 마련하여 시행중에 있다. 그림에서 footprint는 자동차의 크기에 해당하고 여기에 맞추어진 연비조건을 충족시켜야 벌금을 피할 수 있는데 이 규정이 매년 강화되어 내연기관 관련 기술이 뒤떨어지는 중국이 이를 포기하고 전기자동차에 모든 것을 걸고 발전시켜온 이유가 CAFE규정이라 할 수 있다. 자동차 선진국도 석유자원의 고갈시점이 반세기로 가까이 다가오고 지구온난화와 이에 따른 규제도 심해져서 우월적인 기술을 가졌음에도 불구하고 내연기관 자동차의 생산을 향후 10여년 안에 중단하고 전기자동차의 기술개발에 많은 투자를 하고 있다. 이러한 이유로 전기자동차를 미래의 자동차라 부르며 활발히 연구를 수행하고 있는데 이들 전기차의 배터리의 1회 충전 용량당(MJ) 주행거리(km)를 상당연비라 한다며 이를 향상시키고자 항공기의 적용해온 복합재료 특히 탄소섬유 복합재료 생산 및 성형기술을 자동차에 적용하는 노력이 전에 없이 커지고 있다고 볼 수 있다. 

그림 1. 년도별 CAFE 규제에 따른 자동차 footprint당 연비 목표[1]

  그림 2는 다양한 종류의 수송기계의 1명의 승객을 태우고 1km을 주행하는데 들어가는 에너지를 표시한 것으로서 이 값이 클수록 자동차의 운송에너지효율(Transport Energy Efficiency)이 상대적으로 떨어지는 것을 의미하고 있다. 인력으로 운행되는 자전거 개념에 유선형 덮개를 씌운 형태인 벨로모빌(Velomobile or Bicycle car)이 최고의 운송에너지효율을 보여주고 있고 항공기가 최고 나쁜 효율을 보여주고 내연기관승용차, 오토바이, 전기자동차(닛산 Leaf), 전기자동차(Tesla), 전철, 사람, 자전거 순으로 운송에너지 효율이 좋아지고 있음을 보여주고 있다. 이때 사람을 제외한 모든 에너지는 그 형태는 다르지만 궁극적으로는 지구온난화와 환경오염을 심화시킨 매장 에너지 자원인 석유/석탄에서 나온 에너지임을 인지할 필요가 있다. 

  그림 2.  다양한 수송기계의 에너지 효율 비교[2]

  다양한 수송기계의 에너지 효율을 높이기 위해 수송기계에 부여되는 기능적 요구조건은 충족하면서 무게를 줄이는 경량화를 하는 방법은 그림 3과 같이 여러 방법이 있다. 다양한 소재선정기법을 이용하여 적절한 소재를 찾아 대체함으로써 경량화를 이루는 재료의 경량화를 적용할 수 있다. 대체소재가 선정된 후 설계를 통해 어떤 기계요소의 무게변동 없이 단면의 형상을 바꾸어 줌으로서 사용하중을 더 효율적으로 전달하게 하여 궁극적으로는 더 경량화를 하는 설계의 경량화가 있다. 설계의 경량화가 완료되는 새로운 도면이 나오는 것이며 이를 생산하여야 하는 경우 기존의 생산공정을 보다 효율적인 공정으로 전환하는 경우 추가적으로 무게를 줄일 수 있는 경우가 있을 때 이를 공정의 경량화라 지칭할 수 있다. 무게를 줄이는 경량화의 경우 무게(mass, kg)가 목적함수가 되는데 반면에 부품의 기능적 요구조건을 만족시키면서 최종가격을 낮추려고 하는 경우 가격(Cost, $)이 목적 함수가 될 수 있으며 이도 또한 기존 소재를 새로운 소재로 대체하므로 서 이룰 수 있는 것이다. 

그림 3. 수송기계 경량화 방법

  그림 4는 기존 자동차등을 포함하는 다양한 수송기계 구조물의 구조용 재료로 많이 사용되는 강재(steel) 및 알루미늄 등을 보다 비강도(specific strength)가 우수한 경량 금속합금이나 탄소섬유보강 고분자 복합재료 (이하 CFRP)등의 경량화 소재로 대체 시 얻을 수 있는 상대적 무게 감소율%을 제시하고 있다. 기존 알루미늄 합금의 항공기 동체를 등방성으로 적층한 탄소섬유 복합재료로 대체하는 경우 약 20% 무게를 절감할 수 있음을 보여준다. 이때 알루미늄을 최적 적층으로 하지 않고 단순하게 등방성 탄소섬유복합재료로 쉽게 대체하는 경우 무게 절감 효과가 떨어지는데 이때 탄소섬유복합재료를 설계현장에서는 ‘블랙알루미늄’이라 호칭하기도 한다. 간혹 이러한 방법으로 대체를 하고 안전을 위해 더 튼튼하게 설계하는 경우 가끔 대체하려는 원 재료의 무게보다 하중이 더 증가하는 웃지 못 할 일도 설계초기에는 현장에서 나타나기도 한다.

그림 4. 강재(steel) 및 알루미늄을 경량화 소재로 대체 시 상대적 무게 감소율%[3]

  본 기고문에서는 탄소섬유 관련 국내외 소재업체의 동향에 대해 간략히 기술하고 수지의 종류와 이에 따른 수송기계 부품의 경량화를 위한 탄소섬유 복합재료를 성형공정을 간략하게 소개하고자 한다.

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2020년 6월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>