시장/기술/정책동향
| 제목 | 자동차용 미래 섬유 기술 개발 동향 |
| 작성자 | tawake88 |
| 조회수 | 2999 |
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글 / 유승을, 정선경 (자동차부품연구원)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2009년 12월호 1. 서론 자동차에는 일반적으로 소비자들이 생각하는 것보다 많은 부분에 섬유 소재 및 부품들이 적용되고 있다. 대부분의 일반인들이 알고 있는 시트커버, 카펫, 헤드라이너 및 안전벨트 등에서부터 에어백, 타이어, 배터리 분리막, 에어필터, 본네트 라이너, 호스류 등 직접 눈에는 보이지 않아도 다양한 기능을 부여하는 섬유 제품이 사용되고 있다. 자동차에 사용되고 있는 섬유의 양은 1990년에 자동차 한 대당 약 20kg정도였으나, 2006년에는 28kg으로 증가하였으며, 2010년에는 약 35kg정도로 그 사용량이 더욱 더 증가할 것으로 전망되고 있다. 이와같이 자동차에 적용되는 섬유소재의 양이 증가하는 이유로는 친환경 녹색성장을 위해 자동차의 저연비화 기술이 시급해짐에 따라 자동차 경량화를 이루려는 완성차 업체 및 부품업체의 노력의 일환으로 보여진다. 특히 탄소섬유, 고강성 나일론 및 바이오 섬유와 같은 고기능성 친환경 섬유는 자동차에 적용되어질 가장 대표적 미래 섬유이다. 섬유의 주 생산지역인 아세안지역에서의 자동차용 섬유의 소비량은 1995년 74.2천톤에서 2005년에는 130.5천톤으로 증가하였으며, 2012년에는 약 150천톤 정도가 될 것으로 예측되고 있다. <그림 1> 이에 본 고에서는 자동차에 사용되고 있는 섬유의 종류, 적용제품 및 기술개발 동향에 대해 알아보고자 한다. 2. 자동차용 섬유소재 자동차에 사용되고 있는 섬유는 다양한 기능을 가진 섬유 소재들의 개발 및 섬유산업의 타 산업으로의 적용 확대를 위한 노력으로 인해 고기능성 섬유의 개발이 활발히 진행되고 있다. 우리나라는 2011년부터 10년간 슈퍼섬유, 친환경섬유, 스마트섬유, 나노섬유 등 신 섬유 기반 구축을 위해 1조 2,000억원 규모의 R&D 자금 지원을 예정하고 있다. 이는 한국 섬유산업의 고부가가치 기술섬유 시대로 진입케하는 신 섬유 로드맵의 핵심 골자이며, 미국, 일본, 유럽 등 선진국이 독점하고 있는 고기능성 섬유 분야에 집중적인 기술개발과 투자를 통해 한국의 섬유산업을 기술 선진국형 첨단산업으로의 변신을 도모하고자 하는 것이다. 신 섬유의 개발이 활발히 이루어지면 현재보다 더욱 다양한 자동차 부품으로의 적용이 기대된다. 2.1 고기능성 섬유 탄소섬유는 자동차의 경량화를 통해 연비를 개선할 수 있는 금속 대체 소재로서 많은 관심이 집중되고 있다. 탄소섬유를 이용한 플라스틱 복합재료(Carbon Fiber Reinforced Plastic ; 이하 CFRP)는 금속재료보다 강도가 약 30%이상 우수하고 20~50%정도의 경량화가 가능하여 자동차, 항공기 및 우주비행체의 구조물에 널리 이용되고 있다<그림 2>. 일본의 세계적인 탄소섬유 제조업체인 토레이(Toray)는 CFRP를 사용하는 자동차 분야의 사업 확대를 결정하였으며 유럽에 CFRP 부품 자동∙생산 거점 설치 를 위하여 2008년 독일의 CFRP 부품 메이커 ACE(Advanced Composite Engineering GmbH)에 21%의 자본을 투자하였다. 이것은 자동차 분야에서 CFRP 부품의 적용이 선행되고 있는 유럽 시장에서의 개발∙생산을 시도함으로써 향후 비약적인 성장이 기대되는 자동차용 CFRP 부품 사업의 본격 확대를 시사하는 것이라 할 수 있다. 미국의 대표적 자동차 제조업체인 Ford사는 가능한 철강소재를 모두 CFRP로 대체한 컨셉카 GT 90을 발표하였으며, 차체 무게의 51.5%를 줄이는 효과<표 2>를 보여주었다. 또한 도요타자동차는 전체 바디의 65%를 CFRP로 대체한 렉서스 LF-A<그림 3>를 제작하여 2009년 11월 동경모터쇼에 출품하였으며, LF-A의 무게는 1,480kg으로 기존 렉서스 차량에 비해 약 20%의 무게감량이 이루어졌다. 탄소섬유 시장은 일본의 합섬회사인 Toray, Tenex, Rayon 3사가 전 세계 시장의 80%를 점유하고 있으며 이들 업체는 향후 5년간 연평균 15%의 성장을 기대하고 있다. 탄소섬유의 자동차 재료로서의 본격적인 수요전환은 2015년부터 본격화될 것으로 예상되고 있다. 슈퍼섬유란 일반적으로 섬유의 인장강도가 2GPa를 초과하고, 비강도가 20g/d 이상인 섬유를 말한다. 슈퍼섬유의 종류는 PA6, PET, p-Aramid, Polyarerate, Polyasole, UHMW-PE, Polyketone, PVA 등이 있으며, 그 중 자동차에 가장 많이 적용되는 섬유로는 PET, PA6, p-Aramid 등이 있다. 슈퍼섬유로 보강된 고무는 고성능의 타이어, 호스 벨트 등에 사용되며 이로 제조한 타이밍 벨트와 무단변속기용 벨트는 종래의 금속소재에 비해 내구성, 내피로성이 월등히 향상되고 약 20%의 경량화가 가능하여 연료절감 효과가 있다. p-Aramid 섬유를 보강재로 사용한 타이어는 30% 정도 경량화가 가능하며, p-Aramid 섬유인 Kevlar를 사용한 브레이크 패드는 초고강도, 내열성 및 제동력 향상과 브레이크 수명 연장이 가능하다<그림 4>. 기능성 섬유로 주목 받고 있는 나노섬유는 표면이 부드럽고 종이보다 얇으며 가볍고 땀 배출이 우수하고, 항균성 등의 특성을 가지고 있어 자동차 시트 및 내장부품의 스킨 층등 소비자의 감성이 요구되는 제품에 많이 적용되고 있다. 습식방사, 건식방사 등 기존의 섬유방사 기술로는 통상 고분자섬유의 직경이 마이크로미터 범주까지 가능하지만 섬유 직경을 마이크로미터에서 나노미터로 줄이게 되면 표면적/부피 비율을 매우 크게 할 수 있기 때문에 소량의 섬유 함량으로 높은 물성 향상을 기대할 수 있으며 자동차용 필터류에 사용 되고 있다. 2.2 친환경 섬유 최근 자동차의 컨셉은 그린 자동차이다. 이에 따라 국내∙외적으로 전기자동차, 수소연료전지자동차, 하이브리드 자동차 및 클린 디젤 자동차의 개발에 박차를 가하고 있으며, 자동차용 섬유소재도 환경 친화적인 재료를 사용하고자 하는 움직임이 활발하다. 식물성 천연섬유는 1990년 중반이후 전 세계 모든 자동차 메이커들이 내장부품으로 적용하고 있을 정도로 가장 광범위하게 적용되고 있다. 천연섬유의 장점은 가격이 저렴하고 비중이 낮으며 인성과 적절한 비강도를 가지고 있다. 또한 에너지 회수율이 높고, 이산화탄소 분리가 용이하여 환경친화적이고 생분해성이 매우 좋다. 자동차 부품 메이커인 도요타 방직은 도어의 내장<그림 5>이나 천정 등 5종의 부품에 케나프(Kenaf)를 혼합한 소재를적용하여 현재 도요타 자동차의 렉서스 등 고급차를 중심으로 약 20여개의 차종에 사용하고 있다. Poly Trimethylene Terephthalate (PTT)는 Terephthalic acid 혹은 Dimethyle Terephthalate와 1,3-propanediol (PDO)의 축중합물로서 1990년대 후반 Shell Chemicals에서 PDO의 대량 생산 기술을 개발하였으며, 미국 Dupont사는 옥수수를 원료로 한 PDO를 개발하였다. PTT 는 전체 물질의 40%에 해당하는 부분이 재생된 소재이기 때문에 친환경 소재로 각광 받고 있으며 폴리에스터와 나일론의 장점을 겸비한 소재로서 PET에 비하여 부드러운 촉감을 발현할 수 있고 10% 신장 범위 내에서 탄성회복율이 우수하여 자동차 Carpet, Seat Cover 등으로 사용되고 있다. PLA(Polylactic acid or Polylactide)는 전형적인 지방족 폴리에스터로서 옥수수 및 감자와 같이 100% 재생가능한 자원으로부터 얻어진 단량체를 이용하여 합성된 환경 친화적인 열가변성 섬유 고분자 소재이다. 도요타 자동차는 PLA를 사용하여 매트 및 러기지 보드에 적용하였으며, 마쯔다 자동차는 카시트에 PLA를 적용하는 등 자동차 내장부품으로의 사용이 증가하고 있다. 도요타 방직에서는 PLA 소재를 이용하여 섬유를 방사하고 직조하여 자동차 시트에 적용한 컨셉 시트를 2008년 JSAE에서 선보였다<그림 6>.
3.1 시트커버 (Seat Cover)
승용차 타이어의 타이어코드에 사용되는 레이온 섬유는 성능에 문제가 없으나, 트럭 등 상용차의 대형화∙고성능화에 따른 타이어 성능 향상 요구로 인해 에너지 흡수성이 좋은 나일론을 타이어코드로 사용하는 연구가 진행되었으며 이미 1960년대 후반에 미국, 일본의 타이어코드 주종은 레이온에서 나일론으로 대체 되어졌다.
타이어코드에 적용되는 신소재 섬유로는 PEN(Polyethylene Naphthalate), Lyocell, POK(Polyolefin Ketone) 및 PVA(Polyvinyl Alcohol) 등이 있다. PEN은 PET 대비 내열성, 내화학성, 내가수분해성능 등이 우수하며, 인장 모듈러스가 PET에 비하여 약 2배 이상으로 2001년 일본에서 고급승용차에 적용을 시작하였으나 현재 수요는 많지 않은 실정이다. Lyocell은 Air-gap Wet Spinning 법으로 방사한 Cellulose계 신소재이며 특히, 효성에서는 타이어코드용 Lyocell섬유를 세계 최초로 개발, 일부 타이어에 적용이 시작된 상태이다. POK는 일산화탄소와 Ethylene Gas를 기상 중합하여 만든 POK 수지를 겔 방사법에 의하여 방사한 섬유로 고강도, 고탄성, 우수한 접착성 등의 특징을 가지고 있으며 일본 Bridgestone에서 활발히 연구를 진행하고 있다. PVA는 고강도, 고탄성율을 가졌지만, 내열수성의 부족으로 인하여 타이어코드 적용에 어려움을 겪어 연구가 중단 되었다가, 최근 일본 Kurarey 등에서 PAV 표면의 가교화를 통한 내열수성 개선을 달성하였으며, 이에 따라 다시 타이어코드로서의 가능성을 평가 받고 있는 섬유 소재이다. 하지만 PEN과 마찬가지로 타이어코드에 적용되기 위해서는 가격적인 문제가 숙제로 남아있다.
에어백 전개 시 내부에 발생하는 질소가스의 온도는 약 400~500℃ 이상이며, 가스압력은 0.03초 내에 최고 40psi이상이기 때문에 이를 극복하기 위하여 고내압성, 내열성, 기밀성, 내수성, 경량성, Compact성 및 유연성 등의 물성이 요구되어 진다. 이러한 에어백용 섬유 소재로는 나일론 66이 사용되고 있으며 나일론 66은 나일론 6 및 PET에 비해서 고습, 고온상태에서 장시간 방치되었을 때의 인장강력 유지율이 우수하며, 내열노화성 및 접이용 수납성과 2차 피해를 막는 자기소화성, 에너지 흡수성 등 이 뛰어나고 전개 시 피부의 손상도가 적은 장점을 가지고 있다.
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