이제는 일본도 차량 경량화 시대, 더 가볍고 강한 소재는?

- 연비규제 강화에 대응하기 위해 차량 경량화 추진 불가피 -

- 철강 기업부터 화학∙소재 기업까지… 차량 경량화에 나서기 시작한 일본 기업 -

 

 

 

□ 차량 경량화 추진 배경

 

 ○ 세계 주요국에서 자동차 연비규제가 강화됨에 따라, 엔진 효율성 향상과 함께 차량 경량화가 일본에서도 주요 화두로 대두되고 있음.

  - (미국) 연비규제를 CO₂ 배출량으로 환산하면 2010년에는 187.6g/㎞였으나, 2025년에는 약 50% 감소시킨 90.9g/㎞로 연비 개선이 요구됨.

  - (EU) 2015년 130g/㎞에서 2021년 95g/㎞, 2030년 60g/㎞까지 연비 개선이 필요할 것으로 전망됨. 130g/㎞에서 60g/㎞로 CO₂ 배출량을 70g/㎞ 줄이기 위해서는 차량 무게를 350㎏ 가볍게 할 필요가 있음.

  - (일본) 2009년 기준 131g/㎞에서 2020년에는 105g/㎞까지 규제가 강화됨.

 

 ○ 주행능력 향상도 차량 경량화 추진의 주요 배경으로 작용

  - 2015년에 출시된 마츠다 자동차의 소형 스포츠카인 로드스타에는 알루미늄 합금이 9% 사용돼, 주행 성능을 높이고 상품력을 강화함.

  - 한편, 이전 모델은 너무 무거워서 주행능력이 낮은 것이 단점으로 지적됐으며, 알루미늄 합금 비율이 0.1%에 불과했음.

 

□ 주목받는 차량 경량화 소재 및 기술

 

 ○ 최근 철강을 빠르게 대체하고 있는 소재는 알루미늄

  - 미국 알루미늄 협회에 따르면, 2025년 자동차 1대당 알루미늄 평균 사용량은 2011년 대비 60% 증가한 250㎏에 달할 것으로 전망됨.

  - 독일 다임러가 2014년에 발매한 메르세데스 벤츠 C클래스는 차체 알루미늄 사용 비중을 50%로 높여 연비를 약 30% 개선하기도 함.

  - 일본 자동차 업계도 차츰 알루미늄 합금 채용을 늘리고 있음. 상술한 마쓰다 자동차 외에도 도요타 자동차는 2016년 2월에 출시한 렉서스 일부 차종의 후드, 도어, 범퍼 등에 알루미늄을 사용했으며, 향후 사용을 확대할 계획

  - 알루미늄은 철과 비슷한 강도에도 무게가 50% 가량 가볍다는 장점이 있는 반면, 철에 비해 2~3배 비싸다는 단점이 있음.

 

 ○ '강하면서 가벼운' 탄소섬유, 차세대 경량화 소재로 주목

  - 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP; Carbon Fiber Reinforced Plastics)은 철강 대비 강도가 5배이지만 무게는 가벼움.

  - 그러나, 무게당 비용이 최대 10배까지 비싼데다가 생산에 시간이 걸리고, 재활용하기 어렵다는 단점이 있어 F1 자동차 및 최고급 자동차에 사용되는 데 그침.

  - 하지만 경량화가 더욱 요구될 경우, 가장 가벼우면서 강하다는 특징 때문에 향후 사용이 확대될 가능성이 높은 소재

  - 이에 따라, 탄소섬유의 단점을 극복해 더욱 저렴하면서도 가공하기 쉬운 소재 개발이 진행되고 있는데, 그 중 하나가 열가소성 수지를 이용한 CFRTP(Carbon Fiber Reinforecd Thermo Plastics)

  - 일본에서는 이미 2013년 도쿄 대학, 도레이 등이 참여한 NEDO 프로젝트가 CFRTP 개발에 성공한 바 있으며, 테이진도 기술 개발을 개시하는 등 실용화를 위한 노력이 가속화되고 있음.

 

 ○ 알루미늄 합금 및 CFRP를 사용해 경량화한 일본 자동차 사례

 

알루미늄 합금을 사용한 마쓰다 자동차 로드스터	알루미늄 합금과 함께 측면 도어 안쪽에 CFRP를 사용한 렉서스의 신모델 LC500h
자료원: 각 사 홈페이지

 

 ○ 재료 간 접합을 통해 멀티 재료화 추구

  - 엔진 효율을 높이고 하이브리드 시스템을 사용하더라도, 향후 규제 기준을 만족시키기 위해서는 대폭적인 경량화가 불가피

  - 이에 따라 기존 소재의 한계를 극복하기 위한 재료 간 접합 기술이 일본 자동차 제조기업 사이에서도 폭넓게 사용될 것으로 닛케이 테크놀로지는 보도

  - 적용 대상으로 주목받는 소재는 단연 CFRP로, CFRP와 알루미늄 합금 등 금속 소재의 접합 기술 활용은 향후 필수가 될 것으로 전망됨.

  - 최근 미국 포드는 픽업트럭 F-150의 차체에 알루미늄 합금과 강철을 활용

  - 일본은 접합 기술에서 세계적 경쟁력을 보유하고 있음. 미츠이 화학의 접합 기술은 CFRP와 알루미늄 합금을 견고하게 고정시켜, 2015년 에어로센스(Aerosense Inc.)에서 선보인 드론에 활용되기도 함.

 

□ 철강 기업부터 화학 기업까지… 차량 경량화 위해 총출동

 

 ○ 차체, 시트 골격 등 차량의 곳곳에서 수지, 알루미늄 등의 철강 대체가 진행되는 가운데, 확대되고 있는 자동차 경량화 시장 개척을 위해 철강 및 화학 기업, 자동차부품 기업의 경쟁이 치열해지고 있음.

 

차량 경량화에 주력하는 일본 기업들

기업	주요 내용
	ㅇ 철보다 60% 가볍고도 강한 자동차용 수지 부품 제작에 성공   - 최근 레오나 수지에 고온·진동에 강한 성능을 추가함으로써, 기존에 철이 주로 사용됐던 오일 팬을 60% 가벼운 수지로 제작   - 커져가는 유럽 시장 공략을 위해 2016년 6월 독일에 기술영업 거점을 개설, 2025년까지 유럽 매출액을 2015년 대비 3배인 3000억 엔으로 확대할 계획
	ㅇ 수지 연료 탱크와 유리 섬유를 활용한 후드 부품 개발 계획   - 유럽에 마케팅 거점을 2017년 개설할 계획
	ㅇ 유리보다 40% 가벼운 폴리카보네이트로 만든 차량 후방 창문을 5년 내 실용화할 계획   - 유리보다 2배 비싼 가격 조건 극복을 위해 후방 창문 주변 안테나 등 여러 부품을 함께 만듦으로써, 비용을 낮추고 생산성을 높이기 위해 노력 중
	ㅇ 기존 제품에 비해 30% 가벼운 도어 내장재 개발   - 피마자 기름으로 만든 수지와 폴리프로필렌을 조합한 소재를 사용함으로써 가볍게 제작 가능
	ㅇ 수지로 제작한 보닛과 펜더, 2020년까지 양산화   - 주력인 수지로 자동차 부품에서 새로운 영역을 개척 중   - 기존 강철이 주로 사용된 보닛과 펜더를 수지로 제작해 2020년까지 양산화할 계획
	ㅇ 기존 제품보다 20% 가볍고 25% 강한 고장력 강판 개발   - 신일철주금은 강도가 높으면서 가벼운 차세대 강판을 개발했다고 발표(2016.7.8.)   - 현재 실증실험 진행 중으로, 2020년까지 자동차 전면이나 측면 골격 섀시에 사용되는 것을 목표로 함.   - 이 회사는 고장력 강판이 알루미늄 합금이나 탄소섬유보다 무겁지만, 강판 대비 가격은 알루미늄 합금이 2~3배, CFRP는 10배까지 높으므로 자사 강판이 경쟁력이 있다고 판단
	ㅇ 알루미늄과 철강재를 접합해 차체 무게 20% 감량 계획   - 고베 제강소는 철강재와 알루미늄 합금을 접합하는 기술을 2021년 사용을 목표로 개발 중   - 철강재의 개선과 함께 접합 기술을 활용할 경우, 중형차 기준 250㎏ 전후의 차체 중량을 200㎏까지 줄일 수 있음.

자료원: 일본 경제신문, 각 사 홈페이지

 

□ 시사점

 

 ○ 규제 강화로 경량화 필요성 높아져

  - 세계적으로 강화되고 있는 규제에 대응하기 위해서는 경량화가 필수적이나, 자동차의 전장화 진전에 따라 차량 중량은 증가해 왔음.

  - 특히 일본 자동차 기업은 그동안 엔진의 효율성 향상이나 하이브리드 및 전기 차량 개발을 통해 규제에 대응해 왔으나, 이제는 대폭적인 경량화를 추진해야 한다는 인식이 확산되고 있음.

  - 이에 따라, 기존 철강을 대체하는 새로운 소재로 차체 및 부품을 가볍게 하려는 움직임이 철강 기업, 화학 기업 및 자동차부품 기업을 중심으로 활발해지고 있음.

  - 또한 아사히 카이세이, 미츠비시 케미컬 등 화학 기업은 유럽 자동차 시장 공략을 위해 유럽 진출 개시

 

 ○ 이제는 경량화로 어필하는 시대

  - 경량화를 통해 환경 개선뿐 아니라 주행능력 개선도 가능하므로, 경량화는 상품력 강화로 연결

  - 알루미늄, 탄소섬유 등 경량화를 위한 신소재의 가장 큰 단점은 가격경쟁력이 낮다는 점임.

  - 따라서 우리 기업이 기술 개발을 통해 경량화 부품을 조금이라도 더 가볍고 저렴하게 제작해 미국이나 유럽, 일본 시장에 진출한다면 큰 이점이 있을 것으로 전망됨.

 

 

자료원: 일본경제신문, 미츠이 전략 연구소, NEDO 및 KOTRA 오사카 무역관 자료 종합