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전기자동차 시대에 대응하는 "더 가벼운" 소재 기술

한국자동차공학회
2021-01-31
조회수 2507

최근 자동차 산업에서의 큰 변화와 화두 중 하나는 전기차 시장의 성장일 것이다. 전기차는 이미 1800년대에 개발되었으나 내연기관 자동차에 비해 현저히 낮은 경제성과 높은 인프라 구축 비용으로 상용화가 늦어 지다가 최근 들어 배터리 기술의 발전과 함께 하이브리드 또는 순수 전기차의 형태로 급속히 확대되고 있다. Global EV Outlook<그림 1>과 블룸버그 보고서 등에 따르면 전기차 시장은 2018년 500만대 수준에서 전기차 생산량이 매년 빠르게 증가하여 2030년에는 연간 약 2천 6백만대 수준까지 판매량이 늘어날 것이라고 한다.


이러한 전기차 시장의 성장은 배터리 기술의 발전, 세계 각국 정부의 환경 규제 정책에 기인하고 있다. 심지어 영국과 프랑스는 각각 2030년, 2040년부터 내연기관 신차 판매를 금지하는 목표를 제시하는 등 향후 전기차 시대의 도래는 불가피할 것으로 보인다.



그렇다면 빠르게 성장하고 있는 전기차 시대가 자동차 소재 및 부품 산업에 미치는 영향과 이에 대한 대응 방안은 무엇일까? 많은 전문가들은 전기차 시대에는 배터리 기술과 더불어 가벼운 차체와 부품 적용을 통한 에너지 효율성 향상 기술이 매우 중요한 부분이 될 것이라고 예상한다. 즉, 내연기관 자동차가 소재 부품의 경량화를 통하여 연비 향상과 이산화탄소 배출량을 감소시키고자 하였다면, 전기차 또한 가벼운 차량의 개발은 전비 향상과 에너지 효율성 극대화를 위해 필수적이라는 것이다.


자동차 경량화를 위한 방법으로는 구조 설계, 신공법 개발, 그리고 경량 신소재의 개발이 있으며, 이 중 가장 직접적이고 효과적인 방법은 기존 소재를 대체할 수 있는 신소재의 개발일 것이다. 특히, 전기차의 동력원인 배터리 팩이 기존 내연기관의 엔진 대비 3배까지 무겁기 때문에 안전성이 확보되면서도 차량의 무게를 획기적으로 줄일 수 있는 소재와 부품 가공 기술의 개발은 그 어느 때보다도 시급한 실정이다. 예를 들어, 맥킨지에 따르면 기존 자동차 차체의 대부분을 이루는 철강 소재를 비철 경량 금속과 엔지니어링 플라스틱 등으로 대체한다면 최대 490kg 까지 무게를 줄일 수 있다고 보고하였으며 이는 새로운 소재의 개발과 적용이 차량의 경량화를 위해 얼마나 중요한 지를 시사한다.


이러한 자동차 경량화에 대한 관심과 중요성이 고조되고 있음에도 불구하고 기술 특성 상 신소재의 개발은 매우 오랜 기간이 필요하며, 또한 개발된 소재가 차량에 적용되기 위해서는 자동차 제조사, 부품사, 소재사가 공동으로 협력하여야만 하는 어려움이 있다. 실제로 이와 같은 산업간 협력의 예는 북미와 유럽에서 쉽게 찾아볼 수 있으며 전기차를 위한 경량화 기술 개발의 모델로 적절할 것이다.


1990년대 알루미늄 차체의 확대에 대응하기 위해 국제철강협회를 중심으로 철강 기반의 차체 바디 설계 개념을 도입한 ULSAB(Ultra Light Steel Auto Body) 프로그램을 시작으로 철강 업계와 관련 연구 기관이 협력하여 기존 차량 대비 약 25%의 경량화를 달성하였으며, 이는 향후 ULSAB-AVC(Advanced Vehicle Concepts) 프로그램으로 확대되어 소재 뿐만 아니라 가공 기술의 발전을 가져왔다<그림 2>.


반면 유럽에서는 자동차사, 소재 및 가공 기업, 대학 및 연구소의 컨소시엄으로 Super Light-Car(SLC) 프로젝트를 2000년 초반에 운영하면서 전통 철강 소재에서 탈피하여 알루미늄, 마그네슘, 탄소 복합재 등 다양한 경량 소재를 함께 사용하여 차체 경량화를 달성하고자 하였으며 그 결과 기존 철강 위주의 차체 무게와 비교하여 약 30%의 경량화를 달성할 수 있었다<그림 3>.


이와 같은 경량 차체 콘셉트는 유럽 제조사에 적극적으로 적용되고 있으며 최근 독일 아우디의 순수 전기차 e-Tron은 알루미늄 중심의 이종 소재 차체와 샤시를 대폭 적용한 스페이스 프레임을 제안하여 높은 수준의 경량화를 이룰 수 있었다<그림 4>. 또한, 북미에서는 초고장력강을 무기로 철강 업계들이 최근까지도 미래 철강 차체(Future Steel Vehicle; FSV) 프로그램을 운영하면서 전기차용 차체에 대한 독자적인 실증을 진행하였으며 2020년 안전 기준 조건 하에서 내연 기관차 대비 약 35%의 경량화를 이룰 수 있음을 증명하였으며, 단순히 소재에 대한 연구 뿐 아니라 핫스탬핑, 롤포밍 등 새로운 첨단 성형 및 가공 기술에 대한 발전도 함께 이루었다. 이와 같이 자동차 관련 산업계의 협력은 소재와 공정 기술을 비약적으로 발전시키고 있음을 알 수 있다.





가까운 미래에는 전기차를 중심으로 시장이 재편될 것이며 가볍고 안전한 차체 제조를 위한 소재, 부품사들의 경쟁은 불가피할 것으로 예상된다. 특히, 부품사의 경우 여전히 내연기관 중심의 공정이 주를 이루고 있기 때문에 자동차사와의 협력을 통해 전기차만의 차체 설계에 대한 이해를 높여야 하며 이에 적합한 부품 제조 공정 기술의 고도화가 반드시 이루어져야 한다. 다행히 우리나라는 세계적 수준의 기술력을 보유한 자동차 제조사, 부품사 그리고 철강을 중심으로 한 소재사를 모두 보유하고 있으며, 전기차를 포함한 미래 친환경차에 대한 관심과 수요도 그 어느 때보다 높다. 


다만 아쉬운 점은 차량 경량화 기술에 있어 철강소재에 대한 비중이 여전히 높으며 이는 독일 등 유럽 자동차사가 차체 부품으로 알루미늄, 복합 소재 등 비철 소재를 적극적으로 채택하는 것과 대비된다. 물론 국내 자동차 차체 소재 산업이 철강을 중심으로 발전해온 것은 사실이지만 미래 전기차 시장에서 나타날 다양한 혁신 소재들과의 경쟁을 생각하면, 기존 철강 소재의 가성비를 높이기 위한 3세대 초고장력강과 같은 신소재의 개발과 함께 알루미늄, 마그네슘 등 경량 금속, 그리고 고분자 기반의 복합 소재를 최적으로 조합한 이종 소재 기반의 경량화 기술도 적극 도입해야 할 것이다.


이를 위해 북미와 유럽 국가들이 FSV, SLC 프로그램을 시도했던 것처럼 국내 시장 환경과 산업 실정에 맞게 최적화된 우리나라만의 독자적인 경량 전기차 차체 실증 프로그램을 도입하여 전기차 소재 및 부품 기술을 고도화 할 필요가 있을 것이다. 이를 통해 자동차 선진국과의 격차를 좁히고 갈수록 치열해지는 중국의 기술 추격에 대한 지속적 우위를 지킬 수 있을 것으로 기대된다.


전기차 경량화 실증 프로그램이 운영된다면 차체, 클로져, 서스펜션 등 전통적인 부품 소재 경량화 이외에도 전기차 차체 플랫폼의 최적 설계와 배터리 팩, 전기 모터 등을 위한 경량 소재 개발 혁신이 함께 이루어져야 하며, 이는 곧 세계 전기차 시장에서 국내 소재 및 부품사들의 경쟁력을 높이는 하나의 방안이 될 수 있을 것이다.


* 출처: 한국자동차공학회 제공, 오토저널 2021년 1월호








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