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화학이야기

폴리머 인사이트#03. 자동차 엔진을 플라스틱으로 만든다? 경량화 고내열 플라스틱 동향

2018년 3월 23일

자동차 산업의 미래 ‘경량화’에 달렸다?

지구 온난화와 자원 고갈로 세계 자동차 산업은 최대 격변기에 직면해 있습니다. 온실가스 배출 억제를 위한 자동차 분야의 규제 강화와 선진국을 필두로 자동차 연비 규제가 강화되면서 2025년까지 약 2 배의 연비 향상이 필요하게 되며, 규제 미달 시 가혹한 벌금이 부가될 전망입니다. 여기에 더해 전기자동차(EV)와 하이브리드 자동차(HV) 시장 확대는 이런 흐름에 힘을 실어주고 있습니다. 이런 흐름에 따라 자동차 부품업체와 소재 공급업체도 단순히 자동차 성능을 향상시키기 위한 기술 개발의 프레임에서 벗어나 환경 규제를 만족시키기 위한 기술 개발에 박차를 가하고 있습니다.

 

'자동차 엔진을 플라스틱으로 만든다?' 고내열 플라스틱 경량화 동향

하지만, 이는 그리 간단한 문제가 아닙니다. 왜냐하면 자동차 환경규제를 만족시키는 연비 향상 방안들인 엔진 구동부품의 마찰 감소기술, 주행저항 감소 기술은 그 기술적 한계 및 개선 효과가 목표치에 비해 미미하기 때문입니다. 결국, 자동차 연비 향상의 가장 유력한 방안으로 세계 자동차 산업은 중량을 줄이는 경량화 기술에 초점을 맞추고 있습니다. 자동차 무게를 100kg 경량화 했을 경우, 하루 평균 연료 160만 리터, 온실가스 2백만kg의 절감 효과를 달성 할 수 있다고 알려져 있습니다.

 

한국, 미국, 유럽, 중국의 환경문제 해결을 위한 각 지역별 연비규제 강화 방향

출처: 산업통상자원부 ‘자동차산업 현황과 정책방향’ 2015

이번 폴리머 인사이트 3화에서는 다양한 수입차를 티어다운(Teardown)해 분석한 결과를 토대로 자동차 소재에 적용된 경량화 기술을 살펴보고, 그중에서도 엔진룸 내 각 부품의 경량화 기술에 대한 동향과 향후 전망에 대해 살펴보도록 하겠습니다.

보닛 아래서 일어나고 있는 조용한 경량화 혁명

자동차 부품의 경량화는 자동차의 심장이라고 할 수 있는 엔진룸 내에서도 활발히 진행 되고 있습니다. 지금까지 차량 엔진룸 내부 소재는 그 가혹한 환경 탓에 대부분 금속 소재의 몫이었습니다. 하지만 소재 기술이 발달하면서 무게는 가볍고 열에는 강한 고 내열 플라스틱이 금속재료를 빠른 속도로 대체해 나가고 있습니다.

최근 자동차 업계에서 엔진 다운사이징(Downsizing)과 터보 엔진 적용이 하나의 흐름으로 자리 잡으면서 엔진룸의 가혹한 조건을 만족시키기 위한 소재 기술도 날로 발전하고 있습니다. 특히 고온 환경하에서 견딜 수 있도록 부품의 내열성을 높이고 엔진오일이나 부동액 같은 화학 성분에 대한 내성을 강화하기 위해 노력하고 있습니다. 이미 플라스틱화가 실현된 제품은 두께를 더 얇게 만드는 것을 목표로 경량화를 진행하고 있으며, 박막화에 따른 소재의 유동성 향상과 사출 표면품질 향상 역시 중요한 기술로 대두되고 있습니다. 또한, 터보 시스템에 대한 응답성 향상을 위해 제품은 점점 콤팩트화되고 있으며 이에 따라 복잡해진 형상을 성형하기 위한 사출 성형 기술과 치수 안정성 또한 중요한 기술로 꼽히고 있습니다.

자동차 엔진룸 들여다봤더니…금속 대체하는 플라스틱

자동차 엔진에도 플라스틱이 쓰인다? 플라스틱 박막형 실린더 헤드커버

실린더 헤드 커버는 사람으로 이야기하면 엔진의 머리에 해당합니다. 유럽, 미국, 중국 시장에 출시된 178대의 차량의 실린더 헤드 커버를 조사(Source: A2MAC1)한 결과, 약 62%의 부품이 플라스틱으로 그 중 약 42%는 유리섬유가 보강 된 폴리아미드 66 복합소재(PA66+GF) 35%가 차지하고 있어 기존 금속의 영역으로 여겨지던 엔진룸 부품들의 플라스틱화가 이미 보편화되고 있습니다.

 

실린더 헤드커버 경량화 조건: 유독성 저하 없는 제품 강성 강화, 우수한 사출 금형기술

기술적으로 일반 실린더 헤드커버의 베이스 두께가 2.5~3mm인 것을 고려할 때, 베이스 두께 2mm는 부품 제조와 완성도를 높이기 위해서는 여러 가지 어려움이 있습니다. 우선적인 어려움은 두께가 감소함에 따른 유동성 저하 없이 강성을 높여야 합니다. 또한, 얇아진 두께에 의한 유리 섬유의 표면 돌출 문제를 해결하기 위한 사출 금형기술이 역시 중요한 문제입니다. 실린더 헤드커버의 베이스 두께의 박막화 기술을 확인하기 위해 조사한 일부 수입차의 경우, 강성 보강을 위해 일반적인 35% 유리섬유 강화 대신 40%를 적용했고 유동성과 외관 품질 향상에 많은 기술 향상을 이룬 것으로 파악되었습니다.

자동차의 얼굴이자 안전을 책임지는 자동차 프론트 엔드 모듈(FEM)

프론트 엔드 모듈(FEM: Front End Module)이란 자동차 전방부에 장착되는 헤드램프, 엔진 냉각 시스템, 에너지 흡수 시스템, 공기 조절, 전자 장치, 범퍼 등의 부품을 차체에 설치하기 위한 전면 패널을 구성하는 모듈을 말합니다. 이 부품은 소재의 하중뿐만 아니라, 고온 크리프(Creep) 현상, 진동과 충돌 사고 발생 시 충격까지 고려해야 하는 매우 중요한 기능성 부품입니다. 이런 이유로 기존 부품 대부분이 금속 또는 금속과 플라스틱이 결합된 하이브리드(Hybrid) 형태로 개발되어 왔습니다.

 

자동차 전면부의 프론트 엔드 모듈(FEM)제작 시 고려 사항

FEM Carrier에 고내열, 고강도의 플라스틱을 적용할 경우, 기존 여러 개의 부품을 하나의 모듈로 통합하여 FEM Carrier의 부품 개수를 감소시키고, 부품의 중량 역시 50% 이상 절감돼 경량화 효과를 극대화하는 장점을 얻을 수 있습니다. 또한 사출성형 방식으로 제작되는 만큼 제작 공정비도 크게 절감시킬 수 있습니다.

플라스틱 FEM Carrier가 적용된 폭스바겐 골프를 티어다운 분석 결과, FEM 적용 소재인 유리섬유를 강화한 플라스틱 복합재 PA6 GF40%가 사용되었습니다. 제품 상태에서 시편 절취 후 측정한 결과, 일반적인 인장강도 대비 약 60% 수준의 물성 차이를 확인할 수 있었습니다. 이를 통해 차량용 플라스틱 부품은 설계 초기 단계부터 사용 중 재료의 물성 변화를 고려한 설계가 필요하다는 점을 다시 한번 확인할 수 있었습니다.

전기 모터로 빠르게 냉각되는 플라스틱 전기 워터 펌프(Electric Water Pump)

엔진 냉각 시스템은 엔진룸 내의 온도를 적정 수준까지 유지해주는 장치로 차량운행 시 엔진룸 내의 온도가 너무 높으면 부품의 강도가 저하되어 고장이 생기거나 연소 상태도 나빠져 엔진의 출력이 저하되기 때문에 엔진룸 내의 온도를 적정 수준으로 유지해주는 중요한 장치입니다. 자동차의 전통적인 엔진 냉각방식은 크랭크 샤프트(Crank Shaft)를 통해 전달된 구동력을 이용하여 워터펌프 풀리(Water Pump Pulley)를 회전시키는 기계적 구동 냉각방식입니다.

최근 터보 엔진이 보편화되면서 높은 반응성이 요구되며 전기차 및 하이브리드 시장의 확장으로 전기 모터로 구동되는 전기식 워터 펌프(Electric Water Pump) 시장이 점차 커지고 있습니다. 펌프 커버(Pump Cover)의 경우 하우징(Housing)에 비해서 제품 하중에 대한 부담이 적어 소형 EWP를 중심으로 중대형 용량으로까지 플라스틱화가 확산되는 추세입니다. 플라스틱 EWP Cover의 특징을 살펴 보면, 구조적 보강을 위해 체결 위치에 Rib 보강을 실시하였고, 벽 두께는 최소 2mm에서 최대 8mm까지 형성되어있습니다. 제품 유동 흐름을 고려하여 이젝트 핀(eject pin)의 위치를 내부 유로를 피해 제품 표면에 위치 시킨 것을 확인할 수 있습니다. 적용 소재는 분석 결과 페놀계 열경화성 수지를 적용한 것으로 확인되었습니다.

플라스틱 기술 발전이 만들어가는 자동차의 미래

자동차 CO2, 규제 및 연비 향상에 대한 전방위적 자동차 산업에 대한 압박으로 인해 금속 재료가 대부분이었던 엔진룸 내 부품에 대한 플라스틱화 기술 개발이 활발히 이루어지고 있습니다. 불과 10여 년 전에는 생각할 수 없었던 플라스틱 재료가 쓰인 엔진이 개발되고 상용화되었고, 이미 플라스틱 화 되어 있는 제품들은 박막화 및 모듈화를 통해서 그 영역을 넓혀 가고 있습니다.

 

자동차의 미래를 만드는 플라스틱 기술: LG화학이 금속을 뛰어넘는 플라스틱의 새로운 가치와 무궁무진한 가능성을 만들어 갑니다.

이제 플라스틱 신소재의 개발과 기존 소재의 개선은 단순히 금속 대체재를 넘어 환경 보존과 자동차 산업의 지속 성장 가능성이라는 측면에서 중요한 역할을 담당하게 되었습니다. 금속에 비해 근본적으로 취약한 플라스틱의 기계적 물성을 보완하고 맞춤형 소재 개발을 계속 이어간다면 금속의 영역을 뛰어넘어 플라스틱을 활용한 새로운 아이디어와 가능성을 얼마든지 찾아낼 수 있을 것입니다.

 

출처 : 폴리머 인사이트 2017 봄호(Vol.03) P14. ’자동차 Under-hood 내 고 내열 플라스틱 제품의 경량화 동향’ (제품 설계팀)

 

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