자동차용 플라스틱 재료의 최신동향

1. 서언
미국의 경제 위기 충격으로 세계가 동시 불황에 돌입하였다. 세계의 자동차 관련 산업은 이에 직격탄을 맞아 아주 어려운 경영환경에 놓여있다. 이러한 정세가 언제까지 계속될지는 모르나 짧게는 1, 2년 동안 어려운 상황이 계속될 것으로 보인다. 또한 자동차의 주 동력원인 화석연료의 자원문제와 가격문제도 자동차를 둘러싼 큰 문제 중 하나이다. 본 내용에서는 자동차용 플라스틱에 대하여 일본에서의 사용량 추이를 살펴 본 후 재질의 역사, 최근 주목받는 플라스틱 관련기술을 개괄한다. 자동차와 관련하여 중요하다고 생각되는 관련기술에 대해서는 보다 상세히 설명한다.

2. 일본 자동차 원재료 구성비 추이
자동차에 사용되는 재료는 철강을 위시한 금속이 80% 이상이고, 비금속이 10%대이다. 금속 가운데 철강은 70~80%이나 해가 지남에 따라 비율이 감소하고 알루미늄과 같은 비철금속, 비금속이 증가하고 있다.
플라스틱(합성수지)은 해가 지남에 따라 증가하고 있다. 1970년대에는 2.9%이었으나 2000년대에는 8.2%까지 대폭 증가하였다. 합성수지에서 가장 많이 사용되고 있는 것은 폴리프로필렌(PP)으로 약 절반을 차지하고 있고, 그 다음으로 폴리우레탄, 염화비닐수지 등이다. 보통, 소형 승용차의 총 중량은 연도에 따라 커지는 경향이 있다. 가령 2000년대에는 1970년대의 1.6배를 넘고 있다. 따라서 자동차에 사용되는 합성수지의 총량은 구성 비율 이상으로 증가하고 있다. 최근의 상황으로 판단한다면 현재 승용차에서 플라스틱의 사용 비율은 중량
베이스로 약 10%에 달하는 것으로 보인다.

3. 플라스틱 관련 기술 동향
플라스틱 관련기술은 재료개발 관련, 성형가공 관련, 기타 등 3가지로 크게 나눌 수 있다. 재료개발 관련의 기술개발은 신규재료 개발, 기존재료의 조합(고분자끼리, 고분자와 기타 재료(무기섬유, 유기섬유, 무기 충전제 등))에 의한 개발로 나눌 수 있다. 성형가공 관련으로는 새로운 기술개발로 열가소성수지 관련 기술이 추진되고 있다. 특히 기술개발이 활발하게 진행되고 있는 것은 사출성형관련 기술이다. 기타 기술개발로는 컴퓨터에 의한 플라스틱 재료의 거동(유동, 열, 응력)을 해석하는 CAE, 각종 2차 가공, 리사이클 등의 환경 관련 기술개발, 3차원 조형 등을 들 수 있다.

4. 자동차용 플라스틱 관련기술에 관한 최근 토픽

가. 재료 개발
재료개발에는 신규재료의 개발과 기존재료의 조합에 의한 재료개발로 나눌 수 있다. 신규 고분자의 개발은 현재에도 활발히 행해지고 있다. 본 내용에서는 자동차와 관련하여 독특한 특성으로 전개가 주목되는 기존재료를 조합시킨 재료를 중심으로 소개한다.

●나노 컴포짓(Nano-composite)
플라스틱 관련 나노테크놀로지는 첨단 기술이다. 소량의 무기 충전제로 플라스틱을 분자 간 삽입(Intercalation)시킨다. 그 결과 무기충전제는 수지 매트릭스 중에 층상으로 나노미터(㎚) 스케일로 분산시킬 수 있다.
나노 컴포짓은 PA6, PA66, PP, PE, PVC, 폴리에스테르 등이 검토되고 있으나 수지와 무기 충전제 간의 친화력 문제로 주로 시장으로 전개되고 있는 것은 PA계 재료가 많다.

●나노 얼로이(Alloy)
고분자 얼로이는 1980년대 검토가 많이 이루어진 재료개발 기술이다. 그 배경으로서는 값싸게 우수한 신규 고분자 개발이 곤란한 점, 사용자로부터의 요구가 다양화, 고도화 되어 기존의 고분자만으로는 요구에 대응할 수 없는 점 등이 있다.
현재까지 개발된 대표적인 얼로이 재료에는 PBT/PC계, PA계 충격 흡수 플라스틱, PBT/PC계 나노 얼로이 등이 있다. 현재 이 기법은 재료개발 기법의 유력한 수단으로 플라스틱 메이커에 정착되었다.

●Ultradur High Speed(PBT)
이 재료는 2009년 3월 개최된 제1회 국제 자동차 소재, 가공전의 컨퍼런스에서 BASF사가 발표한 나노테크놀로지 응용의 신규 재료이다. 이 재료는 PBT에 50~300㎚ 크기의 구상 유기 나노입자를 분산시킨 유리섬유 강화 품종이다. 종전 품종보다 2배의 유동성을 나타낸다.

●장섬유 강화 열가소성 수지
열가소성수지의 유리 강화 그레이드는 주로 길이 약 3㎜의 단섬유를 사용하고 있다. 이에 대하여 유리 장섬유를 사용한 그레이드가 유럽에서 모듈화 부품의 구조부품 등에 대량으로 사용되고 있고, 일본에서도 이 재료의 시장개발이 활성화되고 있다.
Dicell사는 매트릭스 수지로 PP, HDPE, ABS, PA6, PA66, PA126T, PC, PBT, PPS, TPU를 사용하고, 섬유로는 유리섬유, 탄소섬유, 스테인리스섬유, 아라미드섬유 등을 사용하여 폭넓은 그레이드를 제조하고 있다. 향후 전개가 크게 주목되고 있다.

●탄소섬유 강화 복합재료(CFRP)
CFRP는 우수한 강도, 강성을 살려 아주 높은 수준의 경량화가 요구되는 민간항공기의 2차 구조재료로 채용이 본격화되고 있다. 그러나 자동차 분야에서는 경주용 자동차 차체의 안전성과 경량화를 위해 사용되고는 있으나, 생산성이 낮고 코스트가 높아 일반 승용차에는 본격적으로 보급되지 못하고 있다. 하지만 성형 시간을 10분 이하(종전의 약 15분의 1)로 대폭 단축하여 CFRP의 자동차 적용 가능성이 크게 진전되었다. 성형시간의 단축에는 초고속 경화성 수지와 고속 수지 함침기술의 개발이 크게 기여하고 있다.

●셀룰로오스 섬유 강화 수지
환경에 우수한 식물 유래 셀룰로오스섬유에 의해 강화된 수지이다. 이 재료를 착안한 배경에는 세계적인 환경의식이 높아지는 것과 유리섬유강화수지 소각시 잔류물이 남는 문제가 있다. 셀룰로오스 섬유는 천연섬유로 재생 가능하고 탄소중립 재료로 환경에 우수하다. Dicell Polymer사는 셀룰로오스섬유를 20~30% 강화한 PP를 개발하여 2005년 시장에 내놓았다.

나. 성형가공기술과 관련 재료
●핫멜트 몰딩(Hot Melt Molding)
핫멜트 접착제를 전자부품으로 직접 사출성형함으로써 우수한 봉지 성능이 발휘된다. 종전의 핫멜트에 비해 많은 장점을 갖는다. 사용된 재료는 폴리아미드계, 폴리에스테르계, 폴리올레핀계, 폴리우레탄계의 핫멜트 접착제이다.
이 성형법은 2년 정도 전에 개발되어 주로 전기, 전자 관련 전시회에서 소개되었다. 최근 보급을 위해 2008년 「인간과 자동차의 기술전」에 전시되어 자동차 용도로 전개가 개시되고 있다. 구체적인 용도로는 각종 센서, 방수 커넥터, 각종 스위치 등의 부품이 있다.

●컴파운딩 동시 사출성형
독일의 세계적 플라스틱 성형기계 메이커 Krauss Maffei가 개발한 IMC(Injection Molding Compounder) 프로세스가 있다. 이 프로세스는 2축 압출기로 수지 등을 용융시키면서 유리 로빙(Roving)을 연속적으로 공급한다. 유리 로빙을 스크루로 절단하면서 용융 수지 중에 분산시키고 사출 플런저(Plunger)에 머물게 한다. 일정량을 계량 후 금형 내로 사출 성형한다.

다. 기타 화제
●폴리카보네이트(PC)를 사용한 자동차 창유리(Glazing)의 수지화
PC 관련의 자동차 용도에서 향후 큰 수요량이 기대되는 것은 창유리이다. PC Glazing이 주목받는 배경에는 ①자동차에서 유리 표면적의 확대 ②루프(Roof)의 투명화 ③디자인의 복합화, 고급 기능 지향이라는 경향 등을 들 수 있다.
PC Glazing의 이점은 형상의 자유도, 경량화, 충격 강도, 기능의 복합화가 가능한 점 등이다. 문제점으로는 코스트, 내후성, 강성, 투명성, 열선 차단 등이 있다. 내찰상성과 내후성은
하드코트를 행함으로 대처하고 있다.

●3차원 조형
금형없이 성형품을 제작하는 방법으로 3차원 조형은 광 조형이 종전부터 행해져 왔으나 광경화성 수지를 사용하기 때문에 열가소성 수지를 사용하여 직접 제품을 얻을 수 없다. 최근에는 컴퓨터 기술을 활용하여 금형 없이 열가소성 수지를 사용한 3차원 조형기가 등장하였다.

5. 결언
자동차 업계는 어려운 상황에 있다. 자동차는 우리들의 일상생활에서 없어서는 안 될 이동수단으로 향후도 중요성이 증가될 것이다. 화석자원이 유한하기 때문에 향후 자동차 동력원은 다양화 되어갈 것으로 추정되나 연비절약은 영원한 과제이고, 경량화의 요구는 점점 높아질 것이다.
요구에 대응하는 재료의 유력 후보는 플라스틱이다. 본 내용에서는 최근의 기술개발 중에서 자동차 관련 용도에 활용이 기대되는 것을 중심으로 살펴보았다.

6. 전문가 제언
100년에 한 번이라는 세계 동시 불황의 영향으로 각 자동차 메이커는 전지 등의 동력원을 사용한 자동차의 개발에 힘을 쏟고 있다. 그러나 연료 절약을 위한 경량화 요구가 높아지고, 유력한 수단인 플라스틱의 역할은 향후에도 매우 클 것으로 예상된다. 본 내용에서는 일본에서 자동차의 플라스틱 사용 상황의 역사, 관련기술의 움직임을 개관하고, 자동차용 플라스틱의 최근 기술 토픽에 대하여 설명한다.
금번의 동시 불황의 타개책으로 각 자동차 메이커는 전기자동차 등 지금까지의 가솔린을 주 연료로 한 내연기관 이외의 동력원을 사용하는 환경 친화적인 자동차의 전개를 시도하고 있다. 그러나 어느 동력원을 사용하는 경우에도 연비 절감의 요구는 향후에도 계속 높아져가고, 자동차 경량화 요구는 지금까지 보다도 더욱 치열해질 것이다.
자동차에 있어서 환경 및 에너지 대응기술은 CO2배기가스 억제나 연비 향상을 위한 경량화, 사용이 끝난 부품 재료의 리사이클링이 중점과제이다. 이들을 해결하기 위한 방법으로 재료적으로는 플라스틱과 그의 복합재료 이용 촉진에 큰 기대를 걸고 있다. 내열성, 강성이나 성형가공성 등의 난점은 중합기술과 복합화 등으로 해결해 나아가면서 리사이클링성을 위한 구조변경 등으로 개선되어 오고 있다.
수지재료는 지금까지 자동차의 경량화, 설계 및 디자인의 자유도 향상, 신규 기능의 부여, 저 코스트화에 기여해 왔다. 이러한 검토는 향후에도 계속되어야 한다. 또한 새로운 과제로서 환경문제에도 대응하는 기술개발, 종전 기술로는 수지화가 어려웠던 부품을 수지화 할 필요가 있다.

자동차는 우리들 일상생활에서 없어서는 안 될 이동수단으로 향후에도 중요성이 증가할 것이다. 화석자원이 유한하기 때문에 향후 자동차 동력원은 다양화 되어갈 것으로 추정되나 연비절약은 영원한 과제이고, 경량화의 요구는 점점 높아질 것이다. 자동차 산업은 세계적인 산업이다. 한국의 경우도 보다 근본적인 대응이 필요하다.

* 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 김기수(kskjnoo@reseat.re.kr)
* 출처 : 安田武夫, “自動車用プラスチック材料の最新動向”, 「工業材料(日本)」, 57(5),

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