자동차 연료 소비의 약 23%는 차량 중량과 관련이 있다. 무거울수록 연료 소비가 늘어난다고 볼 수 있다. 때문에 기존의 내연기관 차량에 비해 연료 효율성이 떨어지는 문제를 극복하고 1회 충전당 주행거리 내연기관 자동차 수준으로 끌어올려야 하는 과제를 안고 있는 전기차의 경우 연료 효율을 늘리기 위해 차량 무게를 조금이라도 줄이는 것이 아주 중요하다.

한국자동차연구원에 따르면 1,500kg의 승용차 무게를 약 10% 줄일 경우 연비는 4~6%, 가속 성능은 8% 향상되고 이외에도 제동 정지 거리 단축, 핸들 조향 능력 향상, 섀시 내구 수명 증가, 배기가스 감소 등 다양한 효과를 거둘 수 있다. 하지만 차량 경량화는 단순히 무게만 감소시키는게 아니라, 제동 안정성 향상을 기본 요건으로 만족시키면서 제조단가, 생산성 및 강도를 함께 개선해야 하기 때문에 많은 기술적 노력이 필요한 분야다.

차량 경량화는 크게 구조(Design), 공법(Processing), 소재(Materials)적 접근법으로 나누어지는데, 차체 혹은 섀시 구조의 형상을 최적화하는 구조적 접근과 부품 수나 소재 사용량을 저감시키는 공법적 접근의 경우 비용이 높아 적용 범위에 한계가 있다. 때문에 차량 경량화 연구에서 가장 중점이 되는 분야는 모든 차종에 적용이 가능하고 더 나아가 항공 및 풍력발전 산업에까지 확장할 수 있는 신소재 연구/개발이다. 특히, 경량화 소재의 사용은 자동차 산업에서 매우 빠르게 증가하고 있다.

글로벌컨설팅기업 McKinsey & Company에 따르면 2010년에 29%였던 경량화 소재 비율은 2030년에는 67%까지로 두 배 이상 늘어날 전망이다. 기존에 가장 흔하게 사용되던 일반 강판(Mild Steel)의 비중은 줄어들고 가벼운 소재의 고장력강판(HSS) 및 알루미늄(Aluminum)의 사용은 더욱 더 증가할 것으로 예상된다.

현재 일본은 2035년까지 신차 판매의 100%를 전동차로 실현하고자 하고 있으며 이에 따라 일본 정부 및 관련 기업들은 배터리, 모터 등 전동차 관련 기술 및 제품의 서플라이 체인 강화 지원을 통해 전동차 확대를 꾀하고 있다. 이러한 차량의 전동화를 위해서는 차체 및 차량 부품의 경량화를 빠뜨릴 수 없으며, 특히 배터리의 무게 증가에 따른 중량 증가를 상쇄하는 부품의 경량화 기술은 중요하다.

일본 자동차의 전동화에 따라 모터 및 배터리 등의 전동화 핵심 부품의 중요성이 날로 높아지고 있다. 이와 함께 배터리 등에서의 중량 증가를 소재의 경량화로 상쇄하려 하고 있으며 이에 대한 연구개발이 계속 진행되고 있다.

자동차 경량화는 전 세계적으로 증가하는 이산화탄소 배출 규제와 더불어 연비 효율을 개선하는 중요한 동인으로 제조단가, 생산성 등을 고려하여 신소재 개발 및 적용을 중심으로 진행되고있다. 고장력강판, 알루미늄, 고분자 복합재, 마그네슘을 중심으로 다양한 경량 신소재가 연구되고있다. 경량 신소재는 자동차 산업뿐만 아니라 항공, 풍력발전 산업 등 다양한 분야로 확장이 가능하다는 점에서 지속적으로 유망한 산업이 될 것으로 보인다. 

미국 자동차연구소(CAR, Center for Automotive Research)에서 2020년 11월 발간한 ‘Vehicle Mass Reduction Roadmap Study 2025-2035’에 따르면 차량 경량화에 사용되는 소재는 크게 4종류로 철(Steel), 알루미늄(Aluminum), 고분자복합재(Polymer Composites), 마그네슘(Magnesium)이 있다. 

철(Steel)은 자동차 생산에서 가장 많이 쓰이는 소재이며, 최적화 연구가 계속해서 진행중이므로 자동차 제조회사들이 철의 대량 생산에 익숙하다는 특징이 있다. 특히, 철강소재는 자동차 무게의 약 55%를 차지하는 중요한 소재 가운데 하나이고 일반강판(Mild Steel)보다 인장강도를 2배 이상 높여 경량화를 달성할 수 있는 고장력강판(HSS)이 주로 연구된다. 

알루미늄은 알루미늄은 철의 주요 대체 소재이며 현재 바디 인 화이트(Body-In-White, 페인트가 되지 않은 상태의 철판으로 된 차체 완성품)와 클로져섭시스템(closures subsystem, (예시) 자동차 문 및 후드)부품의 약 10~13%에 사용되는데 향후 이 비중이 20~22%까지 늘어날 전망이다. 

고분자 복합재는 단일 소재가 아니라 특정한 용도에 사용되는(application-specific) 복합재로 가장 큰 무게 절감효과가 있으나 가장 높은 비용이 든다는 단점이 있다. 이에 따라, 고분자 복합재는 주로 프리미엄 및 높은 성능의 자동차의 소재로 쓰인다. 주로 고분자 수지에 탄소섬유를 보강한 탄소섬유복합재(CFC, Carbon Fiber Composite)가 사용되며 인장강도가 철에 비해 5배 이상 높고 제조 방법에 따라 다양한 성질의 제품을 만들 수 있다는 특징이 있다.

 

※ 자료 = 해외시장뉴스 KOTRA "전시회를 통해 본 日 자동차 분야 전동화·경량화 트렌드" , "자동차도 다이어트 시대! 차량 경량화 중요성 커진다." 보고서 재구성