산업시장분석실 책임연구원 이호신 (Tel: 02-3299-6018, e-mail: leehs@kisti.re.kr)

“기존 철강소재 차체의 한계 극복을 위한 플라스틱 복합소재 개발 필요”

범세계적으로 강력해진 환경규제로 인하여 철강업계의 신강재 개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히, 사람에게 가장 인접하게 관련되어 있는 자동차업계는 수요측면의 사회(환경규제), 경제(연비향상), 안전, 주행성 향상 등과 공급측면의 판매경쟁 심화로 고부가가치 강재 개발이 가속화됨에 따라 자동차의 고장력, 내식성, 고강도, 방청성, 성형성의 신강재에 의한 자동차 경량화가 필수 불가결하게 되었다. 자동차의 차체는 자동차의 기본골격을 이루는 부분으로 승객 탑승 및 화물적재를 위한 공간을 제공하고 내부부품을 보호하는 부분이며, 크게 패널, 프레임, 도어, 범퍼로 구분된다. 차량의 중량을 줄이는데 가장 효과적인 방법은 차체의 중량을 줄이는 것인데 기존 철강소재 차체는 두께를 줄임으로써 가능하다. 그러나 이것은 자동차의 안전성에 치명적일 수 있기 때문에 철강의 강성을 높여 안전성의 문제를 해결하려는 노력이 자동차 차체를 생산하는 철강업계에서 진행되었으나, 시장에서 요구하는 획기적인 중량 감소에는 한계가 있다.

따라서, 향후 자동차 경량화를 위해서는 차체를 비금속 소재인 플라스틱으로 제조할 수 있는 기술을 조기에 확보해야하며, 기존 자동차 차체용 금속에 동등한 기계적 강도를 갖는 플라스틱 복합소재 기술도 동시에 개발되어야 한다. 자동차 경량화 재료로서는 고강도강, 알루미늄합금, 티타늄합금, 마그네슘합금, 플라스틱, 수지 복합재료, 래미네이트(laminate)판 등이 있다. 재료선택에 있어서는 경량화효과 뿐만 아니라, (1) 강도특성(강성, 피로강도, 충격강도), 진동제어특성, 내식성 등의 기능특성, (2) 성형성, 용접 및 접합성, 도장성 등의 생산성, (3) 재료비와 가공비, (4) 재료의 안정공급체제, (5) 폐기처리, 재순환성 등의 종합적인 검토가 필요하다.

현재 플라스틱이 자동차 1대에 차지하는 구성 비율은 약 8%정도이다. 플라스틱은 다양한 종류가 각각의 특성에 따라 여러 가지 용도로 사용되고 있으며 공통된 특성으로서 가볍고 부식되지 않으며, 가공하기 쉬운 장점이 있다. 이 때문에 자동차에도 기존부터 사용되어 왔던 내장부품에 이어 1980년대부터 엔진부품이나 외장부품에도 확대 적용되어 구성 비율이 높게 신장되고 있다. 특히, 탄소섬유는 자동차의 경량화를 통해 연비를 개선할 수 있는 금속 대체 소재로서 많은 관심이 집중되고 있다. 탄소섬유를 이용한 플라스틱 복합재료(Carbon Fiber Reinforced Plastic : CFRP)는 금속재료보다 강도가 약 30%이상 우수하고 20~50%정도의 경량화가 가능하여 자동차, 항공기 및 우주비행체의 구조물에 널리 이용되고 있다. 완성차업체의 연비향상을 위한 경량화에 따라 대체소재의 개발이 가속화되면서 플라스틱 복합재료, 알루미늄, 마그네슘 등 경량화 소재를 기반으로 하는 부품제조업체가 기존의 강판 공급업체를 일부 대체할 전망이다.

“자동차 경량화 플라스틱 소재 및 금형의 상용화 확대를 위해서는 다수의 해결과제 존재”

최근 플라스틱의 강도를 향상시키는 방법으로는 강도가 높은 소재와 조합시킨 복합재료를 제조하는 것으로써 대표적인 것이 유리섬유로 강화한 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics), 탄소섬유로 강화시킨 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)이다. ④네번째로는 디자인 성형 및 리사이클의 해결이다. 대표적인 경량화 소재인 CFRP는 강도가 스틸의 4배로 이미 비중은 철의 1/4이기 때문에 F-1 등의 레이싱카 모노콕이나 브레이크에 채용되고 있으나 성형의 어려움이나 높은 코스트 때문에 아직까지 일반차에 적용하는 데는 한계가 있다. 플라스틱은 사용되고 있는 종류가 다양하여 리사이클이 어렵다,

따라서, 어려우며, 리사이클 식별용으로 재질을 나타낸 마킹을 사용한다거나 리사이클하기 쉬운 재질로 변경한다거나 하는 대책이 요구되기도 하지만 향후에는 사용되는 플라스틱의 종류가 통합될 것으로 전망되기도 한다.

“자동차 경량화 플라스틱 산업의 성장은 금형기술이 열쇠이며, 1조 4천억 원 규모의 시장 형성”
자동차 차체 경량화 플라스틱 금형의 세계 시장에서는 해외의 주요 상용차 제조업체들이 소재개발업체와 공동으로 개발단계의 공급체인(Supplier Chain)을 형성하고 있으며, 국내 업체의 경우도 유사한 구조를 가진다. 현재 국내에서는 자동차 차체 경량화 플라스틱 금형을 생산 및 납품하고 있는 업체가 전무한 실정이며, 해외 선진업체들과의 경쟁관계가 아니라 금형산업의 특징처럼 최종 수요자와 부품소재 메이커와의 긴밀한 협업을 통해 시장을 개척해야 하는 것이 현실이다.

해외 자동차 차체 경량화 플라스틱 금형을 이용한 제품생산업체는 현재 상용차 업체와 수지메이커에 의해 주도적으로 진행되고 있으며, 일본의 TORAY, TOYOTA, 후지중공업, 프랑스의 랑세스, 이탈리아의 람보르기니, 중국의 테이진, 미국의 FORD사 및 한국의 현대자동차 등이 있다.이들 대부분은 다국적 기업으로 대형 설비의 제작, 운반, 설치 등의 문제를 해결하기 위한 필요한 지역마다 생산업체를 두고 있다. 국내에서는 미국 GE사와 공동으로 엔지니어링 플라스틱을 사용해서 차체를 약 60kg경량화에 성공하였으며, 비록 현재는 기존 금속 차체 부품을 대체하기 위한 선행연구단계이지만, 국내 금형산업의 구조 및 환경을 고려할 때 해당 시장은 급속도로 성장할 것으로 예상된다.

자동차 차체 경량화 플라스틱 금형 생산의 신규 참여자로는, 기존 대형 내외장 플라스틱 차체 부품을 생산하고 있는 성우하이텍, 일지테크, 한일이화, 에코플라스틱, 대의테크, 평화산업, 신성델타테크, 한국몰드, 덕양산업 등이 기술력과 자본력을 바탕으로 독자개발 및 선진 메이커들과의 기술제휴를 통하여 진출할 가능성이 있다. 공급자는 최종 플라스틱 성형 차체 부품의 원소재인 엔지니어링 플라스틱, 즉 복합 PP(폴리프로필렌), 익시스(IXIS) 등과 고경도 금형강 및 핵심금형요소부품을 제공하는 업체가 주를 이룬다. 엔지니어링 플라스틱소재는 현재 대기업(삼성토탈, 한화L&C(구 한화종합화학), 호남석유화학, 제일모직, 효성, 코오롱, 현대EP, 삼성정밀화학, 송원산업 등)과 같은 화학소재 전문업체에 의해 공급하고 있다. 이들 금형시장의 성장을 위해서는 고기능소재 - 컴파운드 - 금형/성형/가공 - 부품 - 신뢰성 평가의 In-Line화된 기술개발 프로세스가 진행되어야 하며, 특히 자동차 외장 패널의 경우 열에 의한 변형 및 고급표면적용의 한계를 극복하기 위해서는 각 요소별 선순환 개발 구조가 필요하다. 특히 원천 소재뿐만 아니라, 장수명, 초정밀, 고생산성 금형개발을 위한 투자를 통해 제조단가의 경쟁력을 확보하는 것이 중요하다.

자동차 차체 경량화 플라스틱 금형의 세계시장규모는 기술 적용 가능한 차체 부품 10종을 기준으로 2012년 2.8%의 연평균성장률로 연간 약 1조 5000억 원에 달하며, 이중 국내 시장규모는 1000억으로 세계 시장의 약 7%에 이르며 세계시장보다 높은 7.7%의 연평균 성장률을 나타내고 있다. 최근 세계경제의 침체로 자동차 시장성장이 정체되어, 시장성장에는 한계가 있으나, 기존 금속 차체 시장의 경량화 추세로 인해 경량화 플라스틱 금형 수요는 점차 증가할 것으로 전망된다. 특히 향후 앞서 언급한 가격경쟁력 확보, 안정성 개선, 디자인 성형 및 리사이클 해결시점을 기점으로 수요가 크게 증가할 것으로 전망된다. 2017년에 국내시장은 2012년 대비 1.5배의 성장을 보일 것으로 전망되며, 세계시장규모의 약 9.7%까지 증가할 것으로 예상된다.