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자동차용 고방열 탄소/고분자 복합소재자동차의 전장화에 따른 신규 시장 성장 기대
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승인 2015.10.13  12:54:40
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KISTI 산업정보분석실 유영복 (Tel: 02-3299-6050 e-mail: yybokl@kisti.re.kr)

 

[ 요약 ]

1. 전세계적으로 자동차의 차체의 전자화 추세로 인하여 차체 내의 전자기기 수요 및 전력사용량이 급속히 증대되고 있으며, 반면에 사용되는 전자부품은 가볍고 작으면서도 기능에 있어 더욱 신뢰성 이 요구되고 있다.
2. 이러한 자동차용 전자소자의 고집적화 및 전력 사용량의 증대로 인하여 고성능의 IT-자동차 융합 고방열 소재부품 기술 적용 연구가 진행되고 있다.
3. 이에 따라 자동차 방열 관련 소재부품 세계시장은 2020년 약 8,000억원 시장으로 성장할 것으로 예측되며 이 중 고방열 탄소/고분자 복합소재 시장은 약 4,000억원 수준이 될 전망이고, 디자인의 용이성, 금속 대체 경량성, 생산성 기반 원가절감 수요에 따라서 시장은 급속히 성장할 가능성이 높다.
4. 현재 국내의 LG그룹, 삼성그룹은 자동차 전장부품 시장을 신성장동력산업으로 규정하고, 특히 탄소와 고분자의 복합소재를 핵심부품으로 적용하기 위한 탄소/고분자 복합소재의 열전도율 향상 기술개발에 매진하고 있다.

자동차용 전자소자의 신시장 진출
미국의 한 통계 자료에 의하면 전자 소자의 고장은 55% 정도가 온도에 의하여, 19% 정도는 습도에 의하여 야기되는 것으로 나타났다. 발열 문제는 전자기기에 있어 치명적인 문제인데 현재 자동차 차체 내에 전자기기 사용량 증가, 전자소자의 고집적화, 자동차의 전력사용량 급증으로 인하여 열밀도가 급격히 증가하는 문제가 발생하고 있다.

전 세계적으로 자동차의 차체 전자화 추세로 인하여 차체 내의 전자기기 수요 및 전력 사용량이 급속히 증대되고 있으며, 반면에 사용되는 전자부품은 가볍고 작으면서도 기능에 있어 더욱 신뢰성이 요구되고 있다.

   
 
이에 따라 사막부터 영하 수십 도의 극지에서도 운행되는 자동차의 특성상 이러한 방출열은 소자의 기능을 저하시킬 뿐만 아니라 주변 소자의 오작동, 기판 열화 등의 원인이 되고 있어 방출 열을 제어하는 기술에 대해 많은 관심과 연구가 이루어지고 있으며 산업적으로 가장 보수적인 시장 중 하나인 자동차 부품소재 시장에서 많은 신시장 창출이 실현되고 있다.

   
 
활발히 진행 중인 기술개발

방열 부품에는 일반적으로 열전도성이 낮은 수지성분(매트릭스)에 금속 혹은 탄소재료나 세라믹 소재 같은 고열전도성 필러 소재를 다량으로 충전함으로써 열전도 및 방열 성능이 얻어진다.
고방열 복합소재는 기존 고분자 재료의 장점인 용이한 가공성, 저비용, 경량성, 제품형태의 다양성 등을 그대로 유지하면서 도전특성과 절연특성을 보유하고 있다.

복합 소재로 사용되는 이유는 고열전도성 무기 필러 소재가 열전도성이 우수하나 접착력이 없고 고분자 소재는 접착력은 우수하나 열전도성은 낮기 때문이다. 그러나 고분자 복합 재료의 높은 열전도도를 달성하기 위해서는 많은 양의 필러가 들어가게 되는데 이러한 경우에는 가공이 어려워지고 제품의 물리적 성질이 저해되는 문제점이 있다.

   
 
자동차용 방열 소재로 사용되기 위해서는 열전도도가 대략 1~30W/m,k 값을 가져야하고 방열소재로는 금속, 세라믹, 카본 등의 열전도성 필러와 고분자로 이루어진 복합재료를 채택하여 사용하는 경우가 증가하고 있다.

자동차용 방열 소재로 사용되기 위해서는 열전도도가 대략 1~30W/m,k 값을 가져야하고 방열소재로는 금속, 세라믹, 카본 등의 열전도성 필러와 고분자로 이루어진 복합재료를 채택하여 사용하는 경우가 증가하고 있다. 그라파이트(Graphite), 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 탄소섬유(Carbon Fiber), 그래핀(Graphene) 등의 탄소계 필러들은 열전도도가 높고 기계적 물성이 우수하며 가벼워서 고기능성 복합재료가 필요한 분야에서 응용이 기대되는 신소재들이다.

특히, 그라파이트는 우수한 열전도도, 저렴한 가격, 양호한 매트릭스 내에서의 분산성 때문에 최고의 필러로 인식되고 있다. Expanded graphite(EG)는 두께가 20~100nm의 층으로 그라파이트가 박리된 상태를 말하며 고분자의 복합재료로 많이 사용되어 왔고, 복합재료의 열전도도는 EG가 박리된 정도, 분산상태, 종횡비에 따라 달라진다고 보고되고 있다. 탄소나노튜브는 3,000W/m,k 이상의 우수한 전기전도도 값을 가지며 종횡비가 커서 소량만 첨가하여도 열전도도가 향상된다.

   
 
최근 신소재로 각광받고 있는 그래핀 소재는 이론적으로 높은 열전도도와 높은 분산성, 낮은 가격을 바탕으로 차세대 탄소/고분자 방열 복합소재로써 연구가 활발히 진행 중이다.

급속한 성장이 예상되는 국내외 시장  
2014년 후지 경제 자료에 따르면 세계 방열 부자재 시장은 2012년 51,800억 원에서 2018년 74,100억 원으로 연평균 성장률 6%씩 성장하여, 2012년 대비 43%의 시장 성장을 예측하고 있으며, 그 시장의 주요 성장 품목으로 자동차용 LED 헤드램프와 ECU 주위, HV와 EV 등의 차세대 자동차의 탑재 배터리, 모터, 컨버터용 방열시트와 전자기기 및 전기자동차용 방열 기판 등을 들고 있다.

자동차 방열 관련 소재부품 시장은 전체 방열 부자재 시장의 10%를 차지하고, 업계 전문가 의견에 따르면 자동차 방열 관련 소재부품 시장 중 탄소/고분자 복합소재 시장은 향후 자동차 방열 관련 소재 부품 시장의 최대 약 50%를 차지할 것으로 전망되고, 특히 자동차 관련 부품 소재 시장은 국내가 세계 시장의 7%를 차지하므로, 이를 토대로 향후 시장 규모를 전망하면 다음 표와 같다. 또한 자유로운 디자인, 금속 대체 경량화, 생산성 기반 원가 절감 니즈가 더욱 반영될 경우 자동차 방열용 탄소/고분자 복합소재의 시장 규모는 예상보다 더 커질 가능성이 높다고 전망된다.

   
 
신뢰성 및 안전성 평가가 선결 과제

시장 트랜드로 본 자동차용 고방열 소재부품 시장에서의 가장 중요한 사업화 요소로는 크게 네 가지로 분류되며, 구체적으로 방열특성, 가격, 생산성 및 디자인, 경량화, 그리고 극한 환경 신뢰성 및 안정성이다. 우선 방열특성 면에서 살펴보면, 현재의 기존 알루미늄 소재의 경우 열전도도 237W/m,k이고 열방사율는 0.01~0.02인데 반하여 아래 표와 같이 탄소/고분자 복합소재가 도입되는 경우 열전도도로 인하여 열방사율은 매우 높아진다.

   
 
그리고 알루미늄 방열 소재부품 재료가 저렴하나 생산 시 적용되는 다이캐스팅 공정시 적용되는 가공 및 후처리 공정을 고려시 불량률로 인한 생산성이 낮은 것에 반하여 탄소/고분자 방열 복합소재의 경우 생산성이 우수한 압사출 프로세스가 사용되므로 부품으로 제작시 가격은 알루미늄 제품과 현재 거의 동등하게 되며 디자인 측면에서는 탄소/고분자 복합소재가 우수하다.

또한 자동차용 차세대 기능성 소재의 가장 큰 요구사항인 경량화 측면에서도 탄소/고분자 복합소재는 기존 경량 금속 대비 30% 이상의 경량화가 가능하여 자동차용 방열 탄소/고분자 복합소재로서의 성장가능성이 매우 크다. 그리고 자동차의 경우 사막이나 극지에서도 사용되므로 그러한 곳에서도 사람의 생명을 보호할 수 있는 안전성 및 극한 환경 신뢰성 검증이 있어야 한다.

이 점에서 탄소/고분자 방열 복합소재는 아직 검증이 완전히 되지 않아서 그러한 곳까지의 시장 확대 시점은 정확히 언급하기가 힘들다. 그러나 탄소/고분자 복합소재 제품의 경우, 이미 디스플레이 등의 IT 전자제품용 부품소재에 적용되고 있으므로 타 분야에서의 신뢰성 및 안전성 평가가 완료되는 향후 4~5년 이내 시장은 급속히 성장할 것으로 전망된다. 

LG그룹, 삼성그룹은 자동차 전장부품 시장을 신성장동력산업으로 규정하고, 특히 탄소와 고분자의 복합소재를 핵심부품으로 적용하기 위한 탄소/고분자 복합소재의 열전도율 향상 기술개발에 매진하고 있다.

탄소/고분자 복합소재는 종래 범용 EP, 알루미늄, 세라믹 등의 자동차용 방열소재와 비교하여 열전도율 측면에서 우수하지는 못하지만, 자동차의 경량화를 통한 연비 향상 측면에서 볼 때 가장 가벼운 소재라 할 수 있고, 또한 성형이 용이하다는 장점으로 인하여, 열전도율을 알루미늄, 세라믹 수준으로 향상시킬 경우 종래 자동차용 방열 소재를 대체할 가능성은 매우 높은 것으로 전망된다.

그래서 현재 국내의 LG그룹, 삼성그룹은 자동차 전장부품 시장을 신성장동력산업으로 규정하고, 특히 탄소와 고분자의 복합소재를 핵심부품으로 적용하기 위한 탄소/고분자 복합소재의 열전도율 향상 기술개발에 매진하고 있다.

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