다이캐스팅은 고정도로 표면이 우수한 주물을 하이사이클로 생산하는 주조방법이다. 환경 친화적인 프로세스로 주목받고 있어 더욱 확대될 분야로 기대받고 있다. 이와 관련 최근 개최된 다이캐스팅 전문기술 세미나에서 서강대학교 한도석 교수가 발표한 '미래 자동차 및 신소개 기술' 내용을 정리한다.

 

다이캐스팅과 밀접한 자동차 산업의 전망과 신소재에 대해 살펴본다. 앞으로 자동차 산업은 도심 과밀화 보유비용 증가 및 연비 규제 강화로 소형 및 대형급으로 양극화를 나타낼 것으로 보인다. 도시형 소형차로 EV 기반 2륜, 3륜의 도심형 개인 교통수단 개발이 본격화될 전망이다. 소재도 자동차 연비 향상을 위한 경량화, 친환경, 기능성 소재들이 개발될 것으로 보인다.

▲ 서강대학교 한도석 교수

 

미래 사회 기술 트렌드 전망

미래의 기술 트렌드로는 신소재 혁명, 무한 연결성, 생각하는 기계를 들 수 있다. 신소재 혁명은 괄목할 만한 성장 중이다. 기존 소재 대비 경량성, 친환경성이 우수하며, 고기능성 구현이 가능한 신소재의 차량 적용이 확대되고 있다. 

철강 소재의 고강도화 트렌드 지속 및 경량 금속, 탄소섬유강화 플라스틱 소재의 자동차 적용이 확대될 것으로 전망되고, 바이오 플라스틱 소재의 자동차 부품 적용 확대를 통해 친환경성도 강화될 것으로 보인다. 또한 환경차용 핵심 소재 기술 및 자동차의 신기능성 추구에 따른 관련 소재 기술 연구도 강화될 것이다. 

무한 연결성이란 운전자, 외부기기, 그리고 인프라와의 정보 교환을 통해 보다 효율적인 이동과 에너지 소비가 가능하며, 차량 내외부의 상시적 연결로 인해 차량 내에서 다양한 이용 경험을 제공하기 위한 솔루션 경쟁이 전개된다. 예를 들면 타인과의 연결을 위한 차량 시스템으로 운전자 SNS와 차량 내 주요 기능 연동 추진이나 운전자-자동차 상호작용 확보를 위한 차량용 SNS 개발 등이다. 

또한 외부기기와의 자동 호환으로 스마트폰 등 외부기기와 차량 내부 시스템간 동기화 및 제어기능 확대, 차량 내 주요 기능의 실시간 업데이트, 필요 기능 즉시 설치 등을 들 수 있다. 주택, 충전소와의 연결도 있다. 자동차-IT-주택이 연계된 홈투카 서비스, 공공 충전인프라와 연동 등이 있다. 이렇게 자동차, IoT, 인공지능 등이 결합해서 ‘커넥티드카 확산’이 이루어진다.

생각하는 기계는 인공지능 시스템의 도입으로 운전자와 차량의 교감이 확대되고, 자동차가 외부 환경과 상호작용하는 지능화가 가속된다. 운전자 의도 사전 파악, 원하는 서비스 적시 제공 등으로 차량 이용 경험이 향상된다. 또한 센싱 및 자동제어 기술 보급 확대로 ICT와 차량의 융합이 확대될 전망이다. 

신소재 혁명에 대해 자세히 살펴본다. 탄소섬유강화 플라스틱 소재 적용, 철강의 경량 금속화 등 경량 소재화되고 있다. 또한 기존에 사용하던 폴리에틸렌 등의 65%를 바이오 (식물 자원을 활용한) 플라스틱으로 전환하는 등 친환경 소재를 추구하고 있다. 그리고 스크래치를 스스로 복원하는 도료처럼 기능성을 가진 소재를 추구하는 추세이다.

무한 연결성에 대해서도 자세히 살펴보면, 음성 인터페이스는 이미 이루어졌고 앞으로는 뇌파로 가능하도록 하는 것이 과제이다. 

현대자동차의 제네시스 스마트 컨트롤의 경우 거리를 조절하는 기능이 장착되어 있다. 구글, 테슬라 등이 앞으로 전망 있는 자동차 경쟁사들인데, 커뮤니케이션을 위한 센서 기술도 중요하다는 것을 알 수 있다.

미래 자동차 기술

2025년 연비 규제와 시장 전망을 보면, 현 수준 35.5mpg 대비 30% 강화된 규제 적용 시 내연기관이 시장의 80%를 차지할 것으로 예상한다. 규제가 62mpg로 2배 강화될 경우 PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 비중은 64%로 증가될 것으로 예측한다. 이는 소형 EV화 가능성으로 연결된다. 

또한 도시환경 변화가 심해져 2030년 세계 인구의 60%가 도심에 거주하고, 부의 80%는 도심에 집중되어 도시 과밀화 교통과 주차 문제가 생길 것으로 전망된다. 도심 내 주차장 확보의 어려움으로 주차공간을 찾는데 연료의 40%가 소모될 것으로 예측되며, 교통 정체가 심한 뉴욕 도심 맨하튼 거주자의 경우 77%가 차량을 소유하고 있지 않다. 이는 차량 공유화, 대중교통 연계가 중요하다.

교통 정체와 주차 문제는 어반 모빌리티 구현의 주요한 영향 인자이다. 도시 규모가 클수록 정체시간 증가로 주행속도는 급격히 감소하고, 이는 CO2 배출량을 증가시킨다. 일일 평균 주행거리는 운전자 50%가 32km 미만으로, Range 50km 이하 소형 EV 가능성이 높아진다. 

궁극적으로 미래 자동차 발전 방향은 현재는 안전성, 기능성, 과시욕을 이유로 소형차급 확대가 부진하지만 점차 소형차를 위한 인프라가 개선될 것으로 보인다. 또한 도심 과밀화 보유비용 증가 및 연비 규제 강화로 소형 및 대형급으로 양극화될 전망이다. 도시형 소형차로 EV 기반 2륜, 3륜의 도심형 개인 교통수단 개발이 본격화될 것이다.

자동차 신소재 기술

연비 향상 기술을 구체적으로 보면 엔진 다운사이징, 파워트레인 효율화 및 차량 경량화 등의 방법을 들 수 있다. 다운사이징이란 엔진의 배기량을 축소하면서도 축소 전과 동일한 성능을 갖도록 하는 기술로, 터보처저 및 GDI 기술을 통해 성능을 보완한다. 포드 에코부스터 엔진, BMW 에어로다이나믹 엔진 등이 있다. 파워트레인은 전자제어식 연료분사장치로 점화 및 연소 시 효율을 제고(마찰을 줄임)하여 배기시스템을 개선시킨다.

경량화 기술로는 고탄성 알루미늄 신합금을 들 수 있다. 알루미늄 용탕 내에서 첨가 원소 자발반응을 통해 강화상을 생성하도록 하면 기존 알루미늄 대비 탄성을 20% 향상시킨 신합금이 생성된다. 

한편, 보잉 787 드림라이너의 경우 동체 및 날개 등에 탄소섬유복합소재를 적용한 결과 동급 항공기 대비 연료 소비 및 이산화탄소 배출량을 20% 저감시켰다. 향후 5년 내에 관련 시장 규모가 2배로 성장할 것으로 전망된다. 항공기뿐만 아니라 로봇, 풍력발전기, 골프채 등 다양한 분야에 활용이 확대 중이다. 또한 친환경 기술로 식물계 자원을 100% 활용한 바이오 플라스틱 소재도 개발 중이다. 

2002년 15%에서 2010년 32%로 지속 증가하였듯 2015년 자동차 부품의 40% 이상이 전장화될 것으로 전망된다. 따라서 센서, 제어, IT 및 소재 기술 기반의 자동차 기능성 요구에 대한 대응이 필요하다. 또한 기능성 나노 고분자로 하이브리드 필러를 적용한 복합재 개발을 통해 방열/차폐 성능도 향상된다. 필러와 고분자 수지 최적 조합 선정으로 방열/차폐 성능 예측, 복합재 내부 전달 현상 규명, 최적 부품 설계가 기대된다.

또한 에너지 회수용 소재로 고효율 고온 열전자소자 적용을 통해 배기열 회수 효율을 향상시킨다. 비스무스테리륨, 레드텔리륨계 소재로 작동 온도 500도, 효율 12% 이상이 향상된다. 

전기차에서는 배터리 팩을 베터리 셀로 개발해 주행거리 증대를 위한 에너지 밀도 향상을 이룰 것이다. 향후 10~20년 동안 리튬이온 배터리의 지속적 사용량이 증가할 전망이다. 인버터의 경우도 전력 반도체용 소재로 Si 대비 전류 밀도가 높고 낮은 파워 손실을 실현하는 SiC에 대한 연구를 진행 중이다.

김정아 기자 (prmoed@hellot.net)