자동차 경량화 추세에 따른 패러다임 전환

전기차 배터리 팩의 무게는 250kg에서 최대 900kg 이상까지 다양하다. 특히 대형 전기 트럭의 경우 배터리 무게만 1,315kg에 달한다. 그래서 전기차의 공차 중량은 2,000kg에 육박하거나 초과하는 경우가 많다.

수소차의 경우 탱크 및 관련 부품의 총 무게는 200kg을 약간 넘는 수준으로, 전기차의 배터리 무게보다 훨씬 가볍다. 이에 따라서 자동차 경량화 추세가 일반적이다.

자동차가 가벼워지면 연비의 개선, 주행 거리 증가, 그리고 탄소 배출 감소에 도움이 된다. 따라서 자동차의 경량화는 전 세계 자동차 패러다임으로 자리잡아가고 있다.

차량의 연비를 개선하기 위한 가장 효과적인 방법으로, 제조간 공정을 조정하는지 따라 구조의 경량화, 공법의 경량화, 소재의 경량화로 나뉜다.

구조의 경량화는 개발 시간이 비교적 적지만 차량 내에서 적용 범위가 한정적이고 수요자의 혁신적인 의견을 수용하지 못한다는 단점이 있다.

공법의 경량화는 막대한 설비 및 투자 비용이 필요하다는 점이 치명적이다. 따라서 기업들은 소재의 경량화를 택한다. 이 방법 역시 연구개발을 필수적으로 요하지만 경량화 효과는 가장 뛰어나다.

유럽연합(EU)은 2023년 폐자동차 규제(ELV, End-of-Life Vehicles Regulation Draft)를 발표했다. 새로운 ELV 규제는 자동차에 들어가는 수만 개의 부품부터 소재, 주행 과정, 버려지고 난 뒤의 재활용 절차까지 자동차의 전 생애 주기를 아우르는 규제이다.

첫째, 신차 설계 시 재사용 및 재활용률을 최소 85%로, 재사용 및 재생 가능률을 95%로 향상하도록 하며, 부품과 소재 단계에서부터 재활용이 가능한 설계를 의무화한다.

둘째, 신차 생산 시 PCR(Post Consumer Recycle) 소재의 사용을 최소 25%로 의무화하며, 25%는 반드시 폐차에서 발생하는 플라스틱을 사용하도록 한다.

셋째, EU회원국은 폐차에 포함된 플라스틱 총중량을 25%에서 30%로 늘려 재활용해야 한다.

새로운 ELV 규제에 맞춰 세계 각국의 자동차 기업들은 탄소중립을 위한 친환경 차량 개발에 몰두하고 있다. 특히 소재를 활용해 차량의 무게 자체를 줄이는 것과 폐차 과정에서 탄소 배출량을 줄이는 것에 대한 여러 연구가 현재까지도 활발하게 이뤄지고 있다.

오래전부터 자동차의 소재로는 강철이 많이 쓰였고, 이후 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 탄소섬유복합재(CFRP) 등의 소재가 각광받았다. 그러나 이제는 소재 자체가 가벼워지는 것에 더불어 친환경성이나 재활용성을 고려하는 공정이 필수가 되는 시대가 되었다.

자동차 소재로 알루미늄 매트릭스 복합재(AMC), 고강도강(AHSS), 바이오 기반 복합재 등의 신소재가 활용되고 있다.

AMC는 강철을 대체할 유망한 소재로 꼽히며, 무게는 강철 대비 30%가량 가볍지만 강도와 내열성은 유지할 수 있다. 특히 금속을 압축해서 소결하는 분말야금법, 마찰열을 활용하는 마찰교반가공 등을 활용하면 소재의 미세조직을 균일하게 만들고 마모 저항성을 40% 이상 개선할 수 있다.

또한 AHSS는 미세조직을 제어하는 기술을 통해 기존의 강철과 대비해 2배 이상의 인장 강도를 확보하고 두께를 20~30%까지 줄일 수 있다. 자연섬유나 PLA(생분해성 플라스틱) 같은 바이오 고분자를 조합한 바이오 기반 복합재는 기존의 플라스틱과 대비 탄소 배출량을 최대 50%까지 줄이고, 특정 조건에서는 생분해도 가능하다는 장점이 있다.