특집  한국산업기술평가관리원 PD Issue Report  

본지에서는 한국산업기술평가관리원의 자료를 기초하여 미래의 가치 창출의 기초가 되는 기술을 토대로 6개의 분류와 FOCUSING Issue를 순차적으로 기고한다.

ISSUE 1  산업폐열 활용 발전 기술 

ISSUE 2  2017 천연가스자동차 기술 동향

ISSUE 3  마이크로 LED 발전전략 

ISSUE 4  건설·농기계의 4차 산업혁명과 텔레매틱스 기술 

ISSUE 5  『SID 2017(Display Week)』를 통해 본 디스플레이 산업동향

ISSUE 6  경량자동차용 이종소재 접합기술 개발동향

연속섬유 강화 샌드위치 및 중공단면 복합재 중간재 제조기술 및 자동차 부품 개발

█ 국내시장 규모 및 전망

자동차는 2만 여개의 부품으로 생산되는 전․후방 효과가 가장 큰 산업으로 연관 산업을 포함해 시장규모를 산출하기 힘들 정도로 규모가 크다. 특히 국내 제조업 생산의 11.59%, 고용의 11.06%를 차지하고 있다.(통계청 광업제조업통계 조사보고서, 2012)

2013년 기준 국내 자동차부품 산업은 수출증가에도 불구하고 국내 자동차 생산 감소로 2012년 대비 0.3% 감소한 74조8303억원으로, 수익성 개선을 위한 기술 개발 및 생산성 개선이 필요하다. (한국자동차산업협동조합(KAICA), 2014)

국내 자동차용 복합재의 시장 동향은 ‘중간재 제조공정과 중간재 이용 부품성형 기술 개발’로 복합재 적용 제품의 대중화 및 이에 따른 양산 자동차 적용과 증가에 따라 전체 승용차의 생산 규모와 연동된다. 통상 자동차 산업의 경우 신기술 개발 완료 후 상업화까지 2년 정도 소요된다. 오는 2020년까지는 프로토(Proto) 개발이 완료되고 시장 상황에 따른 단계별 투자 전략 수립이 필요할 것으로 예상된다. 

특히 지금까지 Steel이나 알루미늄 소재로 제조되어 왔던 부품에 대해 신소재 신공법을 적용하려면, 원소재 업체와 더불어 금형업체, 부품 성형업체의 기술 협력 체계 구축이 필수적이다.

경량화 요구가 큰 전기자동차 등 친환경 차량을 대상으로 상업화가 먼저 시작되고, 일반 승용차나 상용차에 개발 기술이 확대 적용될 것으로 예상된다. 전기자동차의 경우 세계 시장규모는 2015년 100만대 이상 될 것으로 예상되며, 국내자동차 업체의 경우 10% 정도 시장점유율을 확보될 것으로 예상된다. 중량적 적용에 있어 대략 100kg 이상 전기자동차에 적용될 수 있으며, 국내 자동차 업체 생산 대수의 약 50% 이상 적용이 가능하며, 일반 승용차나 상용차에 개발 신기술을 적용할 수 있다. 

█ 세계시장 규모 및 전망

미래 자동차 분야에서 복합재료의 폭발적 적용확대가 예상되며, 전체 복합재료 시장 중 약 50%가 자동차/풍력 분야에서 발생할 것으로 예측된다. (출처: Composite Market Report 2013, Carbon Composites) 가장 유망한 소재는 탄소섬유강화 복합재이며 자동차 시장 진입 여부 및 시기가 향후 복합재 산업의 성패를 좌우할 것으로 예측된다.(출처: Status of the Composites Industry: Market Potentials and Innovation Mega Trends, 2014, Lucintel)

2010년 기준 탄소섬유 복합재의 자동차용 시장 규모는 1,400만달러 정도, 연평균 30.6% 성장으로 2017년까지 9,500만달러 규모의 시장이 성장할 것으로 추정된다. 평균 단가는 kg당 12.7달러이다.(출처: Supply Chain Analysis of the Automotive Carbon Fiber Composites Market, 2011, Frost & Sullivan)

▲ *자동차용 탄소섬유복합소재 시장예측 도표     © TIN뉴스

자동차 한 대당 들어가는 탄소섬유 복합재의 양은 2010년 28.6kg에서 2017년 60.7kg으로 연평균 11.3% 성장할 것으로 예상된다. 이는 새로 출시되는 BMW i3, McLaren MP4-12C, Mercedes-Benz SL-Klasse 같은 차량에 복합재의 사용량 증가에 따른 수치이다.

▲ 자동차 한 대당 사용되는 탄소섬유 복합소재의 비중     © TIN뉴스

▲ *탄소섬유복합소재를 채용하는 승용차의 대수 도표     © TIN뉴스

∙ 지금까지는 자동차용 탄소섬유 복합재 부품 중 단․장섬유 복합재 위주의 내장재 및 준구조용(Semistructural) 부품(Front-end Module, Instrument Panel 등)의 비중이 컸던 반면, 향후에는 탄소에 국한되지 않은 연속섬유 복합재 위주의 차체 부품(Space Frame, Monocoque, Impact Beam 등)이 가장 큰 성장세를 보일 것으로 전망된다. 

차체 및 주요 하중부재용 복합재는 2차 구조물에 적용되어 온 기존 복합재와는 시장 및 기술적 요구사양 측면에서 확연히 구별되어 복합재의 신 시장 창출에 기여할 것으로 예상된다.

▲ * 자동차 한 대당 사용되는 탄소섬유 복합소재의 비중     © TIN뉴스

█ 과제 핵심기술 및 주요 연구내용

[샌드위치 및 중공단면 중간재를 이용한 복합재 성형] 

샌드위치 및 중간재에 적용되기 위해서는 몇 까지 전제조건이 필요하다. 우선 상대적으로 유동이 낮은 열가소성 수지가 섬유 간 침투가 용이하도록 높은 유동을 지녀야 하며, 동시에 섬유와의 높은 접착력을 유지할 수 있어야 한다.

또 일반적으로 유리 및 탄소섬유는 열경화성 수지와의 접착성을 높이는 방향으로 제조되므로 이러한 특성이 모두 고려된 엔지니어링 플라스틱의 개발이 필요하고, 동시에 두께를 최소화하면서 굽힘 강성을 극대화할 수 있는 구조를 가져야 한다. 따라서 이러한 샌드위치 중간재를 이용해 One-shot으로 제품을 압축 성형함에 있어 다음 2가지 도전적인 문제를 해결해야 한다.

* Deep drawing: 스킨 박리 없이 큰 깊이를 갖는 Depression 형상 성형기술 개발

* 가변두께 성형: 스킨 박리 없이 국부변형 및 가변두께를 갖는 성형기술 개발이며, 필요 시 형성된 샌드위치 복합재를 국부 보강재로 활용하여 그 주위에 LFT를 사출 또는 압축 성형함으로써 하이브리드 복합재 제품을 One-shot으로 성형이 이루어져야 한다. 

중공단면 중간재는 그 자체로 최종 부품을 만드는 것은 드물며, 요구되는 형상으로 중간재를 변형시키거나 구부려서 국부보강재를 형성한 후 그 주위에 LFT를 사출 또는 압축 성형함으로써 하이브리드 복합재 제품을 제조하는 방식으로 사용되게 된다. 중공단면 중간재도 샌드위치 못지않게 높은 강성을 가지므로, 국부보강 역할을 효과적으로 할 수 있을 것으로 예상된다. 중공구조이기 때문에 동시에 높은 경량화 효과를 얻을 수 있게 하는 것이 본 기술의 가장 주요한 점이다. 여기서 도전적인 문제는, 고온성형조건에서 중공단면 중간재가 형상을 유지할 수 있도록 하는 공법을 개발하는 것이다.

▲ <샌드위치 및 중공단면 중간재를 이용한 복합재의 설계 및 해석기술>     © TIN뉴스

▲ 샌드위치 및 중공단면 중간재 설계 및 해석     © TIN뉴스

█ 기술적 기대효과 

자동차용 복합재는 전 세계적으로 장섬유 위주의 준구조용 부품에서 연속섬유 기반의 구조용 부품으로 적용분야가 확대되고 있는 추세이다. 국내의 경우 열경화성 수지를 활용한 연구에 치중되어 있고 성형공정에 대한 기술이 부족한 상황에서 본 기술은 열가소성 수지를 활용하여 소재 및 공정비용을 절감할 뿐만 아니라 중간재 제조공법 기술개발을 동시 수행함으로서 국내기업의 공정기술력 향상을 유도할 수 있다.

경량화 측면에서 자동차용 소재는 다중소재(Multi-material) 구조로 전환되고 있는 추세임에 따라, 복합재에 메탈 인서트 삽입 및 이종소재 접합 기술 개발에 다양한 접근이 용이하여 추가적으로 다양한 부품의 적용이 가능하다. 이러한 점을 고려 Holistic 방식을 통해서 상기 핵심요소기술들이 확보된다면, 향후 경량화 효과가 큰 차량 구조용 부품(Seat Structure, Seat Back Frame, Bumper Back Beam, Side impact Beam, Monocoque 등)에 적용되어 고경량화 달성이 가능할 것으로 전망된다.

▲ 기술개발 후 확대 적용 가능 부품군     © TIN뉴스

█ 경제적 기대효과

산업생태계 조성면에 있어 상기 제안과제는 복합재 분야에서 설계, 제조, 응용(부품개발)을 아우르는 Downstream 역할에 해당되며, 열가소성 필름용 소재생산, 섬유 원소재, 중간재 등을 포함하는 Upstream 역할과의 연계를 통한 Value Chain 형성을 촉진할 것으로 기대된다.

수입대체 효과로는 현재 국부보강용으로 사용되고 있는 연속섬유 복합재가 탄소섬유의 경우  고가로 전량 수입되고 있다. 따라서 본 과제를 통해 함침성능 및 기계적 성능, 가격경쟁력이 높은 소재가 성공적으로 개발되는 경우, 그 용도 확대가 가능하고 수입 대체 효과가 증대될 것으로 기대된다. 

아울러 그린자동차는 전 세계적인 이슈로 부각된 환경규제 강화로 시장이 대폭 확대될 것으로 예상되며, 각 국 정부로부터 보조금을 받는 등 제도적 뒷받침이 이루어지기 때문에, 관련 기술 개발은 국내 기업의 경쟁력 확보 및 매출 증대로 이어질 것으로 예상된다. 

실제 Seat Structure 기준 5개 이상 차종 적용 시, 과제 종료일 기준 최소 200억원 매출(내수+수출) 및 500만달러 규모의 수출이 예상된다. 또 이후 매년 10%씩 적용차량 대수가 증가할 것으로 예상된다.

* 자료출처 : tin뉴스 바로가기