자동차에 쓰이는 소재들을 알아보자 1편

오늘은 자동차에 쓰이는 소재들에 대해 알아보겠습니다.

자동차를 만드는데 수 많은 재료들이 쓰이지만 가장 많이 쓰이는 소재는 당연히 철(Steel)입니다. 철 소재는 그 구조의 변화에 주목을 해야하는데요. 크게 Frame Body와 Monocoque로 나뉘는데요. 이 둘은 자동차에 뼈대를 만드는데 기본 구조를 잡습니다. Frame Body와 Monocoque는 이 뼈대들을 만드는 공법에 따라 나누는데요. Frame body는 사다리꼴 모양의 사각 구조에 Engine, Tire, 그리고 변속기를 조립한 후 나머지 차체 외형을 조립합니다. 각 파트가 구분되어 있고 하나하나 조립을 하는 방식이 프레임 바디라고 할 수 있습니다.

이 방식의 장점으로는 프레임이 단단하고 구조가 치밀하다는데 있습니다. 외부 충격에도 강한편이며 자동차에서 필수적으로 발생하는 자체진동에도 강한 편입니다. 이러한 이유 때문에 사고나 나더라도 차량 자체에 피해가 적어 화물을 싣는 트럭이나 SUV 같은 대형 차량에 많이 쓰이는 공법입니다. 반면 견고함을 높이기 위해 프레임 자체가 무거운 편이라 경제적이지 못 한데요. 제조 공정과 소재가 가격이 높아 제조 단가가 높습니다.

반면 모노코크 방식은 Mono 즉 하나의 프레임에 부품을 조립하는 방식입니다. 모노코크는 차량 하부와 좌석 부분이 전부 하나의 통짜로 되어있습니다. 기본 Frame 자체가 하나로 이어져 있기 때문에 제조 공정이 다소 줄어드는데요. 이로인해 제작단가가 낮다는 점은 큰 장점인데요. 또한 제조 공정이 상대적으로 간단하기 때문에 대량 생산에 용이합니다. 또한 프레임의 무게가 가벼운 편이라 차량 소유주들 입장에서 경제적이라고 할 수 있습니다. 하지만 사고가 나면 프레임이 하나로 이어져 있어 각 부품들이 충격을 흡수하지 못해 차량 프레임 자체가 손상 될 수 있습니다. 같은 이유로 도로를 주행 할 때 포장되어 있지 않으면 Suspension이나 차량 하단이 변형 될 수 있는데요. 이러한 변형으로 인해 차량에 탑재된 여러 장비들이 오작동을 할 수 있습니다. 현재 자동차 시장에서는 생산 단가와 공정의 간소화의 장점을 살려 Monocoque 방식을 채택하고 있습니다. 

또한 최근 자동차를 만드는 기업들은 자동차를 파트별로 구분해서 소재를 사용하는데요. 예를 들어 사고시 충격을 흡수해야하는 Crumple Zone 그리고 탑승객들의 안전을 보장해야하는 Safe Zone으로 나누어 소재를 다르게 사용합니다. 자동차의 파트가 세분화되면서 파트별로 다른 소재를 쓰는건 당연한 일이 되었는데요. 어떤 원료들이 쓰이는지 알아보겠습니다.

고장력 강판(AHSS, Advenced High Strength Steel)

최근 자동차 제조사들에게 주목을 받는 소재인데요. 예전부터 쓰이던 철재들을 고온과 고압력으로 다시 한 번 가공을 해서 만드는 소재입니다. 각 자동차 제조사 별로 이 고장력 강판의 스펙을 표기하고 있는데요. 이 강판은 1mm도 안되는 두께지만 기존에 사용하던 철재 소재의 강판에 비해 월등한 성능을 보여주고 있습니다. 무게가 덜 나가는 만큼 연비의 효율을 올릴 수 있어 개발이 활발하게 이어지고 있는데요. 국내외 자동차 제조업체들은 각 차량의 모델마다 사용하는 비율과 고장력 강판의 기준을 다르게 두며 사용하고 있습니다. 2012년을 기점으로 AHSS나 HSS를 사용하는 비중이 점점 늘고 있는 실정인데요. 최근 자동차 기업들은 얼마나 더 고장력 강판을 많이 사용하는가를 놓고 경쟁을 시작했다고 볼 수 있습니다. 그러나 AHSS는 단점 또한 존재하는데요. HSS와 AHSS 모두 두께가 상당히 얇은 편이라 자동차 외형이 변하거나 구부리는 각이 너무 커지면 찢어진다는 단점이 있습니다. 가공경화, 시효경화, 내부응력 처럼 외형변형이 일어날 수 있는 경우의 수가 많아 자동차 디자인을 뽑는데 제약이 있다는 것 또한 단점인데요. 무엇보다 신소재이고 추가적으로 재조공정이 들어가면서 많이 사용 할 수록 기존 자동차 모델에 비해 가격상승이 불가피하다는 점 또한 단점으로 꼽을 수 있겠습니다.

알루미늄(Aluminium)

알루미늄은 오랫동안 자동차 제조업계에서 각광 받고 있는 소재입니다. 알루미늄의 가장 큰 장점은 가벼다는 점인데요. 알루미늄을 사용해 자동차 차레의 중량을 줄일 수 있어 엔진 부하를 줄이고 향상된 연비를 낼 수 있게 되었습니다. 미국 정부는 CAFE라는 연비규정을 제정했는데요. 미국 자동차들은 기름을 특히나 많이 사용하기 때문에 생긴 규정이라고 할 수 있겠습니다. 점점 강화되는 연비규정으로 인해 알루미늄의 수요는 계속 될 것으로 보이는데요. 알루미늄은 다른 철재 소재들보다 원가가 200% 넘어 비싼 소재지만 그럼에도 불구하고 이 소재를 많이 사용하는데요. 그 이유는 차체가 50%까지 가벼워지기 때문에 엔진의 크기를 줄일 수 있고 더욱 경량화된 차량은 연비가 더욱 높아지기 때문입니다. 대형 자동차를 생산하기로 유명한 랜드로버(Land rover)는 차체 제적에 쓰이는 모든 소재를 알루미늄으로 대체해서 생산해 연비와 안전성을 향상시켰습니다. 소재를 만드는 제작단가를 제외하면 친환경적이라는 장점도 있는데요. 재사용이 가능한 소재임에도 불구하고 재활을 하는데 에너지도 거의 필요하지 않은데요. 심지어 CO2 배출량도 다른 철강소재들에 비해 5%정도로 극단적으로 적어 친환경적인 소재입니다.

자동차에 쓰이는 대표적인 소재들만 알아봐도 글이 길어지기 때문에 자동차에 쓰이는 소재들은 다음편에서 계속 알아보겠습니다.