자동차부품의 플라스틱화 동향
2008년 02월호 지면기사  / 출처 | 2007년도 특별보고서 『자동차산업 동향과 플라스틱의 신조류』 A&D Consultant

플라스틱이 자동차용 재료로 점차 절대적인 위치를 차지하고 있다. 자동차산업에서 영원한 주제인 연비 향상을 위한 경량화와 관련하여 플라스틱의 역할은 계속해서 중요해질 것으로 전망된다.
현재 자동차 부위별 플라스틱의 사용률에 대한 종합적인 통계 데이터는 많지 않다. 유럽에서는 플라스틱 외장재 중에서 펜더(Fender)가 가장 많고 이어 테일게이트(Tail-Gate), 사이드 도어(Side door) 순이다. 플라스틱의 수평 외판(플로어 등 언더바디)로의 대량 사용에는 아직 시간이 소요될 것으로 보인다.

내외장 부품
자동차의 주요 내장 부품으로는 운전자가 차량 주행을 위해 필요한 핸들이나 인스트루먼트 패널(계기판)을 비롯해 탑승자의 신체를 보호하기 위한 시트나 운전중에 손발이 접촉하는 부품(도어트림, 플로어 매트 등) 등이 있다. 이러한 내장 부품의 대부분이 수지제로 되어 있으며 모두가 수지라고 해도 과언이 아니다. 최근 이러한 내장 부품은 쾌적성, 고품격, 유행 등의 요구에 대응하기 위해 대부분 적층체가 채용되어 성형법도 다양화되고 있다.
차량 외부에 장착되는 외장 부품으로는 범퍼, 프런트 그릴, 바디 주변 부품, 타이어 주변 부품 등이 있다. 또 옵션 부품으로서 에어댐 제품이나 루프에 짐을 싣기 위한 루프 레일 등도 외장 부품이다. 이들 대부분이 금속에서 수지로 바뀌고 있다.
외장 부품은 품격과 유행을 요구하기 때문에 재료의 대부분은 대형 성형성과 치수안전성을 갖추고 있으며, 도장 혹은 도금 사양의 가식기술이 사용되고 있다. 또한 내후성, 내열성, 내염화칼슘성, 내수성, 내상부성 등의 내구 성능을 확보한 개질이 추가되고 있다.
최근 내외장 부품에는 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 복합재가 많이 채용되고 있다. 이것은 PP와 타르크 등의 무기 충전재, 그리고 내충격성 향상제로서 고무를 용융 혼련하여 얻을 수 있는 복합재를 말한다.
PP 복합재는 내외장 부품의 요구조건에 적합하고 설계자유도가 높으며 경량성, 저가격성, 리사이클성이 뛰어나 사용량이 늘고 있다.
일본 폴리프로 사는 PP 복합재 중에서도 가장 첨단의 NEWCON(리액터 TPO)을 공급하고 있다. 이 재료는 고무 성분을 PP의 중합공정에서 제조하는 높은 고무 함유 PP 공중합체인데, 그 1그레이드인 H 타입은 고무 성분이 PP 매트릭스 안에 구상태로 분산되어 강성, 내충격성, 가공유동성의 균형이 향상되어 내외장 부품에 많이 채용되고 있다.
TSOP(The Super Olefin Polymer)는 토요타자동차와 PP 메이커가 공동 개발하였으며, PP 복합재 중에서도 특히 고강성과 고유동성을 추구한 그레이드이다.
다층 구조를 가진 내장 부품에서는 리사이클성 향상을 위해 폴리올레핀(Polyolefin, PO)으로의 재료 통합이 이루어지고 있다. 또 범퍼에 있어서도 PP 복합재제 커버에 PP폼제 에너지 흡수체 조합이 늘고 있다.
인스트루먼트 패널, 도어트림, 천정 등은 모듈화가 진행되고 있지만, 이 경향도 PO계로의 재료 통합이 가속화되고 있다.
최근 인스트루먼트 패널의 주변 부품을 일체화한 콕핏 모듈(Cockpit Module)이 보급되고 있다. 구성부품은 스티어링 멤버를 중심으로 인스트루먼트 패널, 에어컨 시스템, 에어백 시스템, 전자제어장치, 와이어링 하니스, 통신 시스템, 정보 디스플레이, 미터, 스위치, 오디오 등을 결합하여 일체화시킨다. 그 결과 시스템화, 융합화, 경량화, 코스트다운, 품질 향상, 리사이클성 향상 등이 가능해졌다. 예를 들면, 소형 승용차의 콕핏 모듈화에 의해 구성부품 점수의 18% 삭감과 구성부품 체결 점수의 35% 삭감 효과를 거두었다. 중량은 5% 절감 효과가 있다.
바이오 플라스틱은 사용 후에 생분해시키거나 소각하든 카본 뉴트럴(Carbon-Neutral, 이산화탄소 배출량을 증가시키지 않는다)이다. 이 때문에 지구온난화 대책 중 하나로 21세기의 중요한 수지로서 위치를 확고히 했다고 볼 수 있다. 현시점에서 가장 대량으로 판매되고 있는 것은 폴리유산(PoLyactic Acid, PLA)이다.
하지만 PLA만으로는 내충격성과 내열성이 떨어지기 때문에 그대로 자동차부품에 채용할 수 없다. 이에 Toray 사는 보유하고 있던 섬유나 플라스틱 기술에 나노 합금 기술 등을 적용하여 PLA를 개량함으로써 자동차부품, 전기/전자 부품, OA기기 부품에 적용할 수 있는 수준까지 성능을 향상시켰다.

Toray는 다음과 같은 부품에서 실용화 실적을 갖고 있다.

① 플로어 매트
② PLA 섬유를 PET에 넣어 매트로 만든다. 토요타자동차 라움(2003년 발매) 옵션 부품으로 채용
③ 스페어타이어 커버: PLA 섬유와 케너프 섬유를 중량비 30/70의 비율로 혼합하여 가열압축 성형에 의해 부품으로 만든다.

마츠다는 옥수수 88%, 석유 12%, PLA 기반의 결정화 촉진제와 상용화 촉진제를 배합하여 바이오 플라스틱을 개발했다. 이 회사는 PLA의 결점인 내열성과 내충격성을 개량했으며, 수년 내에 내장 부품에 채용할 계획이다.
미쓰비시자동차는 PLA 섬유와 나일론 섬유를 조합하여 내광성 및 내구성이 뛰어난 플로어 매트의 표면 파일 부분으로의 적용을 가능케 했다. 또 대나무 섬유와 폴리부틸렌 석시네이트(PolyButylene Succinate, PBS)의 조합으로 내장용 플라스틱 재료를 개발했다.

혼다는 식물성 바이오패브릭(옥수수로 제조하는 1-2 프로판디올과 석유 성분의 텔레프탈산을 중합해서 만드는 폴리프로필렌 텔레프탈레이트라는 폴리에스테르)을 개발했다. 대상 부품으로는 시트, 도어, 루프의 표피, 플로어 매트재 등이며 3년 이내에 신형 연료전지차에 채용할 계획이다.

바디 부품
최근 펜더와 함께 해치백 패널의 플라스틱화가 진행중이다. 이러한 모듈화의 흐름 속에서 해치백 도어는 외판이 되는 아우터 패널과 그 내측의 이너 패널이 조합되고, 다시 이너 패널에는 글라스 해치, 하니스, 와이퍼 모터, 래치류 등이 수납 부착되고, 도어 모듈로 공급된다.
아우터 패널의 플라스틱 재료는 기존 PPE/PA가 사용되었으나, 최근 PP 복합재나 PC/ABS가 등장했다. 해치백 도어 모듈은 하니스 등을 내장하기 위해 아우터 패널의 도장이 저온의 오프라인이 되고, PPE/PA보다 내열 온도가 낮은 PP 복합재나 PC/ABS의 채용이 가능해졌다.
이너 패널에는 경량화 및 강성 외에 충돌 시 파괴 단면이 예리하지 않도록 하는 재료가 필요하며, 장섬유의 보강재를 가진 PP-GF 매트 압축성형품 또는 유리 장섬유강화 PP의 사출성형품이 채용되고 있다.
해치백 패널의 플라스틱화도 진행되고 있다. 외판이 되는 아우터 패널, 이너 패널, 그리고 기구부품을 달아서 도어 모듈로 공급된다. 아우터 패널은 도장이 저온의 오프라인이 되어 최근에는 내열 온도가 낮은 PP 복합재, PC/ABS(기존은 PPE/PA)의 채용이 가능해졌다.
닛산은 1980년대 말부터 1990년대 초에 걸쳐 Be-1, PAO, 피가로에 이어 플라스틱 펜더를 발표했으나, 2001년에 엑스트레일에서 PA66/PPE제 펜더를 새롭게 등장시켰다. 여기에는 카본나노튜브를 배합해서 온라인 도장 시 도전성과 내열성을 확보했다. 이 펜더(3.2kg/개)는 금속제(8.2kg/개)보다 60%의 경량화를 달성했다.
수평 외판의 경우, 부품으로서의 장강성(재료 물성으로서는 구부림 강성)이 필요한데, 재료만으로는 알루미늄이나 마그네슘이 많은 범용적인 플라스틱보다도 금속에 비해 경량화 효과가 크다(높은 가격의 CFRP는 별도).
그러나 플라스틱은 부품 뒷면에 리브를 달아 장강성을 향상시키는 것이 가능하다는 이점이 있다. 또 플라스틱은 금속에 비해 ‘형상의 자유도가 크다’는 특징이 있어서 최근 수평 외판에도 플라스틱이 채용되고 있다.
닛산은 2000년 8월 발매한 스카이라인 GT-R의 V스펙 Ⅱ에 양산차로서는 처음으로 카본 파이버제 FRP(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics)의 엔진 후드를 채용했다. CFRP의 외판은 페라리의 한정 모델 등 고급 스포츠카에는 있었으나 양산차에서는 첫 시도였다. Toray가 재료와 성형을 담당하고, RTM(Resin Transfer Molding)법이라는 항공기용 CFRP재의 성형기술을 자동차부품에 적용했다. 알루미늄재보다도 4kg의 경량화를 달성하여 저중심화나 전후 중량의 균형 개선, 주행 특성의 향상을 달성했다. 또한 혼다도 2002년 5월 발매한 NSX-R에 같은 재료를 엔진 후드(리어 스포일러에도)에 채용했다. 동방라나텍스 사가 카본 파이버를 제공하고 있다. 기존 제품보다 엔진 후드에서 2.2kg, 리어 스포일러에서 1.3kg의 경량화를 달성했다.
외판의 플라스틱화는 선진국에서는 FRP, 열가소성 플라스틱을 중심으로 상당히 보급되고 있다. 그러나 아직은 산발적으로 스포츠카나 한정 판매 승용차에 채용되고 있는 것이 현실이다. 이것은 경량화 효과는 있어도 월간 2,000~3,000대를 넘어가면 강철보다 비용이 높아지기 때문이다. 또한 리사이클 인프라가 충분치 못하다는 점도 플라스틱제 외판의 보급을 가로막는 요인이 된다.

한편, 하이브리드 카나 연료전지차의 보급이 확대되면 경량화 효과가 큰 플라스틱 외판이 향후 큰 추세가 될 가능성이 높다. 확대 채용을 위한 필요조건으로,

① 보다 저가격으로 뛰어난 성능(내열성, 내충격성, 표면평윤성, 경량성 등)을 가진 재료 개발
② 뛰어난 성형기술 확립(성형 외관, 성형 속도 등)
③ 모듈화에 의한 어셈블리 공수 절감, 중량 절감, 총비용 절감
④ 재료의 리사이클성 향상과 리사이클 인프라 정비 등을 들 수 있다.

또, EU의 CO2 배출규제 강화와 같은 지구환경보호를 위한 규제에 대한 대응이나 고갈 자원의 보호를 위한 연비 향상이 요구되고 있다. 이 때문에 승용차는 더욱 더 경량화가 필요하여 플라스틱 외판의 채용 확대가 기대된다. 향후 이 분야에서의 수지 재료 메이커의 역할은 더욱 중요해질 것으로 보인다.

엔진룸 내 부품의 플라스틱화
엔진룸 내 부품은 최근 적극적으로 수지화가 진행되고 있다. 여기서는 프런트엔드 모듈용 유리장섬유 강화 PP, 스로틀 바디용 강화 PPS, 엔진 커버용 PA6계 나노컴포지트에 관해 소개한다.
유리단섬유 강화 PP는 GF40% 강화품이라도 당김 강도가 100MPa 정도밖에 되지 않기 때문에 자동차용으로는 쿨링팬에 채용되는 정도이며, 고강도를 필요로 하는 구조체에는 GF 강화 나일론과 같은 엔지니어링 플라스틱이 자주 사용되었다. 치소(Chisso) 사는 구조체로 사용할 수 있는 유리장섬유 강화 PP를 개발, 상용화에 성공했다. 일본 폴리플라스틱스 사가 일본에서 판매중인 ‘팽크스타’가 그것이다. 팽크스타는 주로 프런트엔드 모듈에 응용되고 있다.
프런트엔드 모듈은 라디에이터 뿐만 아니라 콘덴서, 워셔탱크, 모터팬, 핸드램프 등의 프런트 주변 부품을 일체화한 것이다. 이 모듈을 받쳐주는 볼스타(라디에이터 코어 서포트라고도 한다)에, 유리장섬유(LGF) 40wt% 강화 PP 수지(PP-LGF40)가 채용되고 있다. 유리장섬유 강화 PP의 채용 확대를 위해서는 다음과 같은 기술 개발이 필요하다.

① PP와 LGF의 접착성 향상에 의한 역학 물성 향상
② LGF의 세경화에 의한 표면 외관 향상
③ LGF 이외의 강화섬유(탄소섬유, 알라미드 섬유 등)의 채용에 의한 역학 물성의 향상

아이산공업은 토요타자동차, 다이하츠공업과의 공동개발로 일본 내 첫 수지제 스로틀 바디를 제품화하여 실차에 탑재했다. 수지 재료는 강도, 강성, 치수 정도가 뛰어난 PPS-GF20+GB40(GF: 유리섬유, GB: 유리 비즈)을 채용하여 원통형 부분의 동그란 원 정도의 표면평윤도를 목표치로 합격시켰다. 또 이 제품은 기존의 알루미늄제보다 34%의 경량화와 온수가열 폐지(아이싱이 없기 때문)에 의한 시스템 비용 절감에 성공했다.
엔진 커버는 최근 장착이 늘고 있는 엔진 상에 장비하는 부품인데, 그 목적은 엔진 소리를 감쇠시켜 정숙성을 향상시키는 것과, 후드를 열었을 때의 모습을 보다 좋게 하기 위해서다. 이 부품에 유니치카 사가 개발한 나일론6계 나노컴포지트가 채용되었다.
이 나노컴포지트의 특징은 기존의 복합 재료보다 필러가 저충전(5wt% 정도)이면서 유리섬유 10~20wt% 강화품이나 미네랄 20~35wt% 강화품과 동등한 정도의 강도, 탄성률, 내열성을 보유하고 있다는 것이다. 또 필러 저충전이기 때문에 경량성, 외관, 성형성, 리사이클성도 뛰어나다는 점이 큰 장점이다.
나노컴포지트의 이러한 특성은 나노 필러의 중량에 대한 비표면적이 크다는 점과, 폴리머와의 분자 수준에서의 상호작용에 기인한다. 즉, 나노컴포지트 경우의 크레이 나일론6의 상호작용으로는 나일론6의 아미노 말단과 실리케이트층의 상호작용에 의한 결합이나 나일론6 분자고리와 실리케이트층의 수소결합적 상호작용이 제창되고 있다.
나일론6계 나노컴포지트는 PP계나 폴리스틸렌계와는 가격 상 경쟁할 수 없다. 대체할 수 있는 대상이 되는 분야는 다음과 같다.

① 나일론계나 PBT, PET계의 GF15% 정도의 강화품, 미네랄 20~30% 정도 강화품을 저비중, 좋은 외관으로 치환할 수 있다.
② 가스 배리어성이 나일론6이나 66보다도 뛰어나기 때문에 나일론이 사용되고 있는 연료계 부품(퓨얼 캡 어퍼, 퓨얼 컷오프 밸브, 캐니스터 케이크 등)에 대해 나일론보다도 고강도, 고강성, 고가스 배리어성을 살려 채용될 것이라는 기대가 있다.

연료계 부품
최근 연료계 부품의 재료가 금속에서 수지로 전환되고 있는데, 그 이유는 경량화, 형상의 자유도, 내부식성, 내충격성, 조립성, 안전성, 내연료투과성(각국의 규제 대응), 비용절감 등을 위해서다. 여기서는 연료탱크와 연료튜브의 수지화에 대해 소개한다.
연료탱크에는 기존 납 스테인리스 합금이나 아연 등을 도금한 0.8~1.2mm 두께의 강판이 사용되었다. 그러나 유럽에서는 1970년대 초부터 블로우 성형법에 의한 수지(HDPE)제 연료탱크(Plastic Fuel Tank, PFT)가 보급되기 시작했다. 그 이유는 PFT가 금속탱크보다 다음과 같은 장점을 갖고 있기 때문이다.

① 경량화(20~30%의 중량 절감)
② 형상의 자유도가 높아 설치장소 선정의 자유도 향상과 용량 상승(10% 정도)
③ 내부식성(특히, 최근 늘고 있는 경향인 알콜 함유 가솔린에 대한 내부식성이 금속에서는 충분하지 않다)
④ 내저온충격성(HDPE는 유리전이점이 -130℃로 매우 낮기 때문에 내저온충격성이 뛰어나다)
⑤ 양산 시에 비용 절감
⑥ 강판에는 필수 도금 관련 문제(도금에 고도의 기술과 비용이 드는 것과 도금액의 환경오염 문제)가 없다.



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