[소재 이야기] 자동차도 다이어트를 한다고? 초경량 자동차를 만드는 공식, 탄소섬유

다이어트 전성시대입니다. 다이어트를 위한 각종 피트니스 센터가 성행하고, 각종 다이어트 식품은 ‘없어서 못 팔’ 정도로 인기입니다. 분기별로 한 번씩 연예인들이 마신다는 다이어트 음료 레시피가 유행하고, 다이어트 도시락을 만들고자 하는 시도는 끊임 없이 이어집니다. 예전에는 여름에 집중해서 다이어트가 이뤄졌다면, 겨울에도 노출이 빈번해지는 요즘은 4계절 내내 다이어트에 신경 써야 합니다.

다이어트는 내일부터라던데요…

이처럼 남녀노소 다이어트에 열중하는 요즘, 차량에도 다이어트 바람이 심상찮게 불고 있습니다. 자동차가 가벼울수록 차체를 움직이는 에너지가 낮아져 연비가 개선되기 때문이죠. 그래서 ‘차량 경량화’는 올해 자동차 업계의 가장 큰 화두였다고 해요.

그런데, 자동차가 가벼워질 수 있을까요? 자동차를 구성하는 요소로 철이나 그 외 합금이 가장 많이 쓰이는 만큼 크기를 줄이지 않는 한은 쉬운 일은 아닐 텐데요, 하지만 탄소섬유로 만들면 가능하다고 합니다. 강철 무게의 4분의 1밖에 되지 않지만 강도는 10배 이상 강하기 때문이에요. 자동차의 다이어트를 도와주는 가볍고 힘센 탄소섬유의 이야기, 지금부터 자세히 만나보시겠어요?

 자동차 업계의 화두, 초경량 자동차

요즘 자동차 업계의 가장 큰 화두로 떠오르고 있는 것은 단연 ‘초경량’, ‘친환경’, ‘스마트’라고 해요. 그 중 초경량 자동차는 연비 규제에 따른 차량의 경량화 필요성이 커지면서 시장이 빠르게 성장하고 있는 분야입니다. 자동차가 가벼우면 강도가 약해질 것이라고 생각하는 경우가 많은데요, 이 때문에 가벼우면서도 강도가 높은 ‘초경량 고강성’에 주력하여 연구 개발이 지속되어왔습니다.

하지만 자동차 강판이 무조건 강하기만 해서도 안돼요. 너무 강해서 깨져버릴 경우, 사고가 날 때 그 충격이 탑승자에게 전해져 큰 부상을 입게 되기 때문입니다. 그래서 잘 늘어나는 성질도 가져야 합니다. 강판이 잘 늘어나는 성질(고장력)을 가지면 강판이 다시 원래대로 돌아가려는 복원력이 생겨 사고 시 충격을 튕겨내 운전자를 보호하기 때문이지요. 어렵다고요? 네, 맞아요. 쉽지는 않은 과제입니다. 생각하는 대로 뚝딱, 자동차가 가벼워진다면 연구원들이 필요치 않겠죠. ^^;

 자동차 강판의 핵심, 철강의 성질

자, 그럼 자동차 강판의 대부분을 차지하는 철강에 대해 설명해드릴게요. 철강재의 경우, 철광석을 용해해 불순물을 제거하고 응고시킨 후 압연(강재를 롤러로 눌러 미는 과정)을 거쳐 두께를 줄이고 길이를 늘려서 생산합니다.

압연 시의 온도에 따라 열간압연재와 냉간압연재로 구분되는데, 자동차의 경우 용도에 따라 열간압연재와 냉간압연재가 골고루 사용되고 있어요. 겉으로 드러나지 않는 프레임이나 휠, 각종 기계 부품 등에는 표면이 거칠고 평탄하지 않은 열간압연재가, 겉으로 드러나는 외판 등의 부분에는 표면이 평탄한 냉연압연재가 사용되고 있지요. 냉연압연재는 전자레인지나 세탁기, 자동차 문, 지붕 등에도 두루 쓰이고 있습니다. 이 밖에도 모양이나 생산 과정, 특성에 따라 후판, 선재, 도금강판, 전기강판 등으로 구분되기도 합니다.

앞서 잠깐 말씀 드린 것처럼, 자동차 강판은 강도가 높고, 마찰에도 닳지 않고 잘 견뎌야 하며, 쉽게 부식되지 않아야 합니다. 철은 탄소를 함유할수록 강도가 세어지는 성질을 가지고 있으나, 탑승자를 보호하기 위해서는 고장력성을 함께 갖추는 것이 무엇보다 중요하겠죠?

 그래서 실로 자동차를 만든다

이렇듯 철의 성질을 보완하기 위해 사람들은 실(糸)로 자동차를 만들기 시작합니다. 그 이름을 ‘탄소섬유’라고 해요. 탄소섬유란 탄소원소의 질량 함유율이 92% 이상인 실로, 지구상에서 가장 안정적인 6각형의 벌집구조를 가지고 있어 알루미늄보다 가볍고 철보다 강한 꿈의 소재로 불리고 있습니다.

1879년 에디슨이 천연 셀룰로오스 원료를 이용해 최초로 발명한 탄소섬유는 탄화를 거치며 진한 아이보리 색에서 검정색을 띄게 됩니다. 강도가 높고, 열에 강하며 쉽게 마모되지 않고, 부식이 덜 되고 가벼운 것이 특징이에요. 탄소섬유는 비중이 낮아 일반 철보다 같은 면적 안에 차지하는 중량이 훨씬 적습니다. 탄소섬유를 가로, 세로로 직조하여 여러 장 겹친 후, 성형하면 자동차의 내, 외판을 만들 수 있고, 문이나 대시보드, 프레임, 휠 등 차체 대부분에 적용이 가능합니다.

반면, 탄소섬유는 철의 약 7~8배, 알루미늄의 약 3배로, 가격이 높은 것이 단점입니다. 또한 CFRP 성형으로 생산성이 낮기 때문에 현재는 대량생산해야 하는 자동차보다는 비행기에 더 많이 활용되고 있습니다. 자동차의 경우 람보르기니, 맥라렌 등의 고급 자동차 및 F1 차량에 사용되며 최근 BMW 전기차 양산차에 적용되기 시작했어요.

아직 보완할 점이 있어 단시일 내에 철강산업을 위협하지는 않겠지만, 향후 기술이 발전할 경우 차량 경량화를 이룰 수 있는 신소재로 주목을 받고 있어 가장 강력한 철의 대체재 가운데 하나로 평가 받고 있습니다.

 자동차를 만드는 실, 효성 탄소섬유 ‘탄섬’

효성은 ‘탄섬(TANSOME®)’이라는 탄소섬유를 개발하여 국내 기업 중 처음으로 자체 기술로 고성능 탄소섬유 개발에 성공했어요. 2013년 5월 전북 전주에 연간 2,000톤 규모의 공장을 완공, 상업 생산을 시작했습니다.

업계에서는 효성의 탄소섬유에 대해 강도 및 탄성률이 글로벌 Global No.1 수준이라고 평가하고 있어요. 자체 기술로 전세계에서 최단 기간 내에 고강도∙고성능 탄소섬유를 개발하여 상업화한 기술력을 바탕으로 세계 톱 클래스 탄소섬유 제조 기업으로 거듭나고 있습니다.

2014년 제네바 모터쇼에서 현대차가 선보인 미래형 콘텝트카 ‘인트라도(Intrado)’의 프레임, 루프, 사이드 패널 등에 처음으로 탄소섬유가 적용된 차를 선보이기도 하였죠. 한국 기업이 독자적으로 개발한 탄소섬유가 자동차에 쓰인 경우는 처음이라는 점에서 의미가 있습니다.

효성의 탄소섬유가 적용된 현대 콘셉트카 인트라도 프레임

이 외에도 호흡 보조용 산소통, CNG 가스통 등의 압력용기, 골프채, 낚싯대, 전선심재 등에도 효성의 탄소섬유가 두루 쓰이고 있답니다.

이제는 사람만 다이어트 하는 시대가 아니에요. 탄섬의 기술력으로 훨씬 가벼워진 자동차를 일상에서 타고 다니는 것도 머지 않았겠죠? 초경량 자동차를 생활 곳곳에서 만나볼 수 있는 그 날까지, 효성의 연구 개발은 계속됩니다~

효성 소재 이야기 다시 보기 ▶ 전기료 월 830만 원을 아끼는 법! 에너지 저장 시스템 ESS ▶ 새지 않는 기저귀의 비밀, 크레오라 컴포트 ▶ 만약에 필름이 없었더라면~♬ 식품을 오래 보관해주는 나일론 vs PET 필름 ▶ 좋은 스타킹 고르는 법은 따로 있다? ▶ 알고 보면 과학, 에어백 원리