롤스로이스 뉴 팬텀과 토요타 뉴 캠리가 최근 국내 시장에 출시됐는데요. 롤스로이스 럭셔리 아키텍처와 토요타 뉴 글로벌 아키텍처(TNGA)를 기반으로 경량화를 통한 차체 강성 증대와 연비향상을 실현한 것이 두 모델의 특징입니다.

롤스로이스 모델 최초로 뉴 팬텀에 적용된 럭셔리 아키텍처는 100% 알루미늄 스페이스 프레임 구조로 기존 모델보다 가벼우면서도 차체강성이 30% 이상 향상됐습니다. 뉴 캠리 TNGA 플랫폼 역시 차체를 경량화하고 차체 강성 역시 30% 향상됐다는 것이 회사의 설명입니다. 

일반적으로 자동차 연료소비의 42%는 엔진 및 변속기의 효율과 관련이 있고 차량 중량은 23% 정도를 차지합니다. 공기저항(19%)과 회전저항(13%)도 연비에 많은 영향을 주고 있죠. 따라서 자동차 무게를 줄이는 것은 연비향상은 물론 이산화탄소를 줄일 수 있는 가장 효과적인 설계 요소입니다.(차량 중량을 100kg 줄이면 CO2를 km당 3.5~8.5g 줄일 수 있다고 합니다).

뿐만 아니라 차량 경량화는 연비향상 외에도 성능이 개선되는 장점이 있습니다. 1.5톤 승용차의 무게를 10% 줄일 경우, 가속성능이 8% 향상되고 제동거리 5% 단축, 조향성능은 6% 향상됩니다. 차체의 내구수명 또한 1.7배 증가하는 효과를 거둘 수 있죠. 

하지만 자동차의 무게는 갈수록 증가하고 있습니다. 중형차를 예로 들면 80년대 초반 1000kg 내외의 공차 중량을 갖고 있었지만 최근에는 1500kg 이상이 대부분입니다. 일부 대형차는 2500kg을 넘는 경우도 많습니다. 이러한 이유는 갈수록 성능이나 안전성이 요구됨에 따라 이에 따른 부품수가 증가해 왔기 때문이죠. 

▲ BMW i3

완성차 업체들이 엔진 및 변속기의 효율 개선과 더불어 경량화를 더욱 고민할 수 밖에 없는 이유입니다. 이에 따라 최근에는 무게를 줄이면서도 차체의 강성을 확보하기 위해 고장력 및 초고장력 강판의 사용비중을 50% 이상 높이고 엔진 후드나 트렁크리드, 도어, 서스펜션 부품 등에 알루미늄 합금을 사용하고 있습니다. 

차체 기본 골격인 BIW(Body In White)에도 고장력강을 적용함은 물론 롤스로이스의 럭셔리 아키텍처를 비롯해 포드와 아우디, 메르세데스-벤츠, GM, 재규어 등 많은 완성차업체가 100% 알루미늄 BIW를 적용해 경량화와 강성을 향상시키고 있습니다. 

아우디의 경우 마그네슘과 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 등 복합소재를 적재적소에 사용해 경량화를 극대화하기 위한 MSF(Multi-material Space Frame)를 선보이기도 했습니다. 한편 자동차에는 범퍼, 프런트 앤드 모듈, 실린더 헤드 커버, 인스트루먼트 패널, 도어 트림 등에 플라스틱 등 다양한 복합소재를 적용하고 있는데 최근 그 범위가 점점 확대되고 있습니다. 

통상적으로 복합소재의 비중은 자동차 중량의 10% 내외를 차지하지만 경량화 추세와 더불어 기술이 발달함에 따라 적용 비중이 더욱 늘어날 것이라는 것이 관련업계의 설명입니다. 특히 최근에는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 적용이 확대되고 있는 추세입니다. 

탄소섬유강화플라스틱은 철보다 50%, 알루미늄보다 30% 가벼우면서도 인장강도는 철에 비해 10배 정도 높은 것이 특징으로, 과거에는 인스트루먼트 패널이나 도어 트림, 디퓨저, 스포일러 윙 등 내외관 디자인의 고급감이나 기능적 측면에 사용됐습니다.

▲ McLaren Carbon Pioneer

하지만 최근에는 엔진 후드나 트렁크리드, 범퍼는 물론 루프나 로어 암, 드라이브샤프트, BIW의 탑승자 구조물(Passenger Cell) 등 구조용 소재로까지 사용범위가 확대되고 있습니다. BMW는 신형 7시리즈에 알루미늄합금 기반의 BIW에 A필러와 B필러, 루프랙, 사이드 언더패널 등에 탄소섬유강화플라스틱을 적용하고 있습니다.

렉서스도 고성능 스포츠세단인 LC에 탄소섬유강화플라스틱 루프를 적용하고 있습니다. BMW i3와 i8, TU Dresden의 인에코(InEco) 등은 탑승자 구조물을 100% 탄소섬유강화플라스틱을 적용했습니다. 현재 이러한 탄소섬유강화플라스틱 구조물은 일부 차종에 적용되고 있지만 오는 2025년 이후에는 탄소섬유강화플라스틱이 적용된 탑승자구조물을 비롯해 로어암, 드라이브샤프트 등이 일반화될 것으로 보입니다.

이와 관련해 국내 완성차업체의 복합소재 담당연구원은 한 복합소재 관련 세미나에서 “자동차용 복합소재는 열가소성과 열경화성이냐에 따라 그리고 불연속섬유나 연속섬유 보강재에 따라 기계적성질이 완전히 달라진다”고 말합니다.

또 “구조용 복합소재의 경우 연속섬유보강재 기반의 열경화성 소재를 적용해야 하지만 성형성이 어려운 것이 단점으로 현재 일부 자동차 메이커에서만 적용되고 있는 것이 사실이지만 향후에는 BIW에 탄소섬유강화플라스틱의 적용이 확대될 것”이라고 밝혔습니다. 이에 따라 앞으로는 차체의 기본골격인 BIW를 BIB(Body In Black)라고 불러야 될지도 모르겠습니다. [김아롱 기자=카테크]