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[오토저널] 혁신적인 자동차용 고분자 관련 기술 개발
승인 2016-10-28 05:20:07
미국을 비롯하여 전 세계적으로 연비와 배출가스 규제의 강화에 따라 자동차의 경량화에 대부분의 완성차 업계는 많은 비용과 인력을 투입하고 있다. 하지만 이와는 별개로 자동차를 구매하는 소비자의 성향 변화 및 다양한 안전, 편의 등에 필요한 기술의 개발로 인하여 오히려 전장품을 중심으로 차량 중량은 오히려 증가하고 있어 이러한 모순을 해결하기 위한 새로운 기술의 개발은 매우 중요하다.
자동차 경량화의 방식은 크게 세 가지로 구분할 수 있다. 첫 번째로 구조 최적화를 통한 부품 사용의 최소화를 통한 방법, 두번째로 기존 소재의 제작, 가공기술 개발 및 개선을 통한 방법 그리고 마지막으로 기존의 금속재를 대체할 수 있는 경량소재의 개발 및 응용을 통한 방법이다. 특히 두 번째 및 세 번째 방법의 적극적인 적용을 위하여 많은 업체들은 고분자 소재를 기반으로 한 가공기술 및 새로운 고분자 기반 소재 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
미국 고분자관련 유력단체인 Society of Plastic Engineers(SPE)의 Automotive division에서는 매년 새로운 고분자 소재 관련기술을 대상으로 SPE Automotive Innovation Award를 시상해 오고 있다.
2015년에 개발된 기술 중 Grand Award로는 GM의 2016년형 Chevrolet Corvette에 적용한 초경량 Class A 차체패널을 선정하였다. 이 부품에는 Continental Structural Plastics의 밀도 1.2를 갖는 TCA Ultra Lite SMC 경량 소재를 적용하였다. 또한 이 부품은 진공 압축 몰딩 방법을 통하여 판재로 성형 후 가공하였으며 가공 장비 개발에는 Continental Structural Plastics 외에 Century Tool & Gage and Paragon Die & Engineering Co.도 함께 참여하였다.
이 부품은 기존의 공정을 크게 변화시키지 않고 중량 소재를 사용한 기존 제품에 비하여 차체 패널 무게를 9kg 절감할 수 있었다. 이는 기존 중량 고분자 소재에 비하여 최대 43%의 밀도 감소를 통하여 이루어질 수 있었으며 이 소재의 경우 금속재료에 비하여 경량화는 물론 가공비, 설계 유연성, 부식, 덴트와 같은 국부 변형 등 다양한 측면에서 비교우위에 있다고 알려져 있다.
이 소재는 기존 중량 고분자 소재에 사용하였던 탄산칼슘(Calcium carbonate)의 대체소재로 중공형 미세 유리구를 충진재로 사용하였으며 특히 표면처리 방법을 개선하여 고분자 수지와 충진재의 계면 특성을 획기적으로 향상시켰다.
SPE는 Grand Award와 별도로 자동차 각 분야별로 여덟개의 Innovation Award를 선정하였으며 선정된 기술은 다음과 같다.
● 차체 외장 Ford의 Push-to-release exterior serviceability fastener
Ford의 2015년형 Mustang에 적용된 기술로 Ascend Performance Polymers, LLC, A&P Tool Inc. 및 M&M Tool and Mold LLC가 공동으로 개발하였다. 이 제품은 나일론 계열인 PA 6/6 소재를 사용하여 사출성형된 버튼 형태의 Fastener로 기존의 유사한 부품이 Twisting 방식이었던데 반해 중심부의 핀을 눌러 해체가 가능하게 하였다. 기존 방식에 비하여 Fastener의 분리시간을 90% 이상 단축할 수 있어 매우 효율적이면서도 재사용이 가능하도록 설계되었다.
● 차체 내장 Rear-seat folding restraint
Ford의 2015년형 F-150 트럭에 적용된 부품으로 Exxon Mobile의 Polypropylene(PP) 공중합체를 이용하였으며 IRC Engineering이 공동개발하였다. 이 부품은 용접된 강철 구조물을 제거하고 사출된 PP 단품으로 구성된 리빙 힌지(Living-hinge)를 기본구조로 하고 있다. 이 부품을 활용함으로써 두께를 33mm 줄여 안락함과 후방 시야 확보를 도모할 수 있었음은 물론 제작공정 간소화를 통한 생산비용 절감 및 624g의 중량 감소도 실현할 수 있었다.
● 섀시 Fiberglass/epoxy composite coil spring
2015년형 아우디 AG A6 Avant 2.0 TDI Ultra 웨건에 적용된 기술로 Hexion Inc.에서 소재를 개발한 Epikote 에폭시와 유리섬유를 개선된 Winding기법을 활용하게 제작되었다. 그동안 많은 연구가 된 복합재 코일 스프링 중 현가장치에 성공적으로 사용된 몇 되지 않는 상용제품으로 특허기술인 Winding 기법을 통하여 제작되었으며 기존의 금속 스프링에 비하여 40% 경량의 제품으로 보다 민첩한 반응을 보인다.
● 환경 Seat fabric from recycled materials
이 기술은 Ford의 2015년식 F-150 픽업트럭에 사용된 것으로 Johnson Cotrols Inc., Sage Automotive Interiors 그리고 Unifi Manufacturing Inc.가 공동개발하였다. 재생 PET 100%로 제작된 이 Fabric은 기존의 제품에 요구되는 물성을 모두 만족할 뿐 아니라, 한 해에만 약 500만개의 플라스틱 물병을 재활용하는 효과를 갖게 된다.
● 파워트레인 Heated-tip fuel injector
2015년 혼다의 Fit과 City 모델 등에 사용된 이 기술은 Dupont Automotive와 Coltelleria Baldi가 Delphi Powertrain과 공동으로 개발하였다. Dupont의 Zytel HTN54G35EF BKB336 PPA로 몰딩된 Injector는 유동성, 고열 안정성 및 전자 호환성을 고려하여 설계되었으며, 냉간 시동 성능을 향상시키고 차량 당 미화 60불 절감 및 8.8kg의 감량에 성공하였다.
● 공정 및 조립 “IMX” instrument panel
이번에 선정된 분야별 Innovation award에 유일하게 선정된 국내 업체의 제품이다. 현대자동차 i20 모델에 적용된 이 기술은 현대모비스, 한일이화, 한화 L&C가 현대자동차와 공동으로 개발하였다. 이 기술은 2-shot 압축-사출 공정을 기반으로 하며 ‘IMX’라는 단일한 장비로 가공된다. 이 공정을 통하여 폴리프로필렌에 TPO 발포물을 함께 가공하게 되며, 가공 제품의 표면 특성 및 안정성 향상을 위하여 TRIZ 기법도 활용하였다. 이 공정을 통하여 생산된 제품은 차량 당 미화 10불 절감 및 300g의 무게 감량을 달성하였다.
● 안전 Floor rocker reinforcement
이 제품은 2015년식 Jeep Renegade에 적용된 것으로 Proma Group, Redstamp 및 SABIC이 공동 개발하였다. SABIC의 Polyamide(PA)와 Polyphenylene ether(PPE)의 블랜드인 Noryl GTX를 허니컴 형태로 가공된 이 제품은 매우 효율적인 충돌에너지 흡수성을 갖는다. 이 제품은 또한 BIW에도 쉽게 조립될 수 있으며, 제품 양쪽에 스틸 플렌지가 함께 가공되어 조립시 별다른 접착제의 사용이 필요 없다. 이제품을 적용할 경우 BIW의 무게에 약 1kg의 감량이 가능하게 된다.
● 애프터 마켓 Transparent lightweight wind deflector
이 제품은 2016년형 GM의 Corvette Stingray Convertible 에 장착될 수 있는 애프터마켓 제품으로 SABIC, Polytec FOHA Inc. 및 Pace Machine Tools Inc.가 공동으로 개발하였다. 이 제품은 AS2 ANSI 및 ECE 규정을 만족하는 컨버터블 자동차용 최초의 투명 내연 wind reflector 상용 제품이다. 유리를 Polycarbonate(PC)로 대체하여 33%의 무게 감량이 가능하였으며 공기 터뷸런스 및 소음의 감소를 위한 복잡한 외형의 가공이 매우 용이하다.
미국에서는 물론 전 세계적으로 고분자를 이용한 자동차 관련 기술이 최근 크게 부각되고 있고 그 시장도 점차 다양화 되고 있어 여러 형태의 혁신적인 제품들이 올해에도 많이 발표될 것으로 예상되고 있다. 또한, 국내의 고분자 관련 기술이 최근 급성장하고 있으며, 국내의 완성차 업계에서도 많은 관심을 갖고 있어 국내에서도 관련 기술의 큰 발전이 기대된다.
출처 / 오토저널 16년 5월호 (http://www.ksae.org)