더 가볍게, 더 강하게… 초경량車 소재개발 ‘가속’

알루미늄-탄소복합재료 등 중심 연구
재료硏, 유해물질 없는 마그네슘 개발… 이트륨 적용해 성능-친환경성 확보

탄소섬유복합재료로 만든 자동차 트렁크 리드(덮개). 탄소섬유복합재료는 가볍고 튼튼한데다 다양한 모양으로 가공할 수 있어 친환경차의 경량화에 필수적인 소재로 꼽힌다. 재료연구소 제공

화석연료를 쓰는 자동차는 환경오염과 지구온난화의 원흉 중 하나로 꼽힌다. 자동차 업계에서도 친환경 운송수단 개발을 위한 다양한 노력이 이뤄지고 있다. 엔진의 연비를 개선하거나 동력원을 아예 배터리로 바꾼 전기자동차를 보급하는 게 대표적이다.

내연기관 구조의 혁신이나 연료 변화 외에도 에너지 소비를 줄여줄 친환경 기술은 또 있다. 바로 차체나 부품의 무게를 줄여 초경량 차량을 만드는 소재 혁신이다. 보통 자동차 중량의 30% 정도를 차체가 차지한다. 기존 철강 소재를 보다 가볍고 안전한 신소재로 바꾸면 연비는 높이고 이산화탄소 배출은 낮추는 효과가 난다. 특히 한 번 충전으로 더 먼 거리를 가야 하는 게 핵심 경쟁력인 전기차의 경우 가벼운 소재는 필수적이다. 시속 500km 이상 초고속열차의 상용화 등도 경량 금속 연구를 가속화하고 있다.

초경량 소재 연구는 마그네슘과 알루미늄, 탄소섬유복합재료를 중심으로 이뤄지고 있다. 마그네슘의 비중은 철의 4분의 1, 알루미늄의 3분의 2 수준이다. 현재 자동차에 쓸 수 있는 금속 재료 중 가장 가볍다. 항공기 부품에 주로 쓰이는 배경이다. 하지만 가격이 비싼 데다 주조할 때 불이 잘 붙고 부식이 빠르다는 단점이 있다. 이런 한계를 넘어 자동차 차체나 강한 내구성이 필요한 부품에까지 적용하려는 연구가 한창이다.

유봉선 재료연구소 실용화연구단 책임연구원팀은 쉽게 불이 붙고 폭발하는 마그네슘의 문제점을 해결한 친환경 소재를 개발했다. 기존에 쓰이던 육불화황이나 베릴륨 등 유해물질 대신 이트륨을 적용해 성능과 친환경성을 모두 확보했다. 포스코는 차체용 마그네슘 판재 제조법의 상용화를 추진 중이다.

알루미늄 역시 기존 휠이나 엔진 실린더 블록 등 주조 부품은 물론이고 차체에도 적용하려는 시도가 활발하다. 유럽에서는 자동차 후드나 도어 등에 알루미늄합금 판재를 쓰는 경우가 늘고 있다. 아우디 ‘A8’처럼 차체 프레임까지 알루미늄합금을 적용하는 차량도 나오고 있다. 포드의 픽업트럭 ‘F-150’은 알루미늄 차체를 적용해 기존 모델보다 무게를 350kg 줄였다. 국내에서도 올해 시작되는 경량금속 소재 개발 사업의 일환으로 차체용 알루미늄합금 판재 국산화가 추진된다.

강도가 높은 탄소섬유와 가공이 쉬운 플라스틱을 섞은 탄소섬유복합재료도 자동차 소재로 주목받고 있다. 제조시간을 단축할 수 있는 고속 경화형 수지, 재활용 효율을 높이는 기술 등을 개발해야 하는 과제는 남아 있다. 3차원(3D) 프린터를 이용한 부품 생산이 확대됨에 따라 이에 적합한 경량 소재 기술도 필요하다.

김형욱 재료연구소 경량금속연구실장은 “효율과 비용을 고려해 여러 소재를 융합하는 경량화 기술이 보편화될 것으로 보인다”라고 했다. 그는 “친환경 자동차 경량화 기술은 향후 항공기, 고속전철, 고성능 선박 산업 발전에도 기여할 것”이라고 덧붙였다.
　
전승민 동아사이언스 기자 enhanced@donga.com