Nikkei Automotive_2018.6 특집요약 (p46-59)

알루미늄을 능가하는 CFRP
자동차 경량화의 가장 유력한 소재

열가소성 CFRP가 양산차의 바디에 처음으로 본격 채용되었다. 강판제 부품과 동등한 생산성을 실현하여 실용화의 벽을 뛰어넘었다. 제조비용을 알루미늄(Al) 합금 수준으로 낮출 수도 있다. 전세계적으로 연비 규제가 엄격해지는 2025년을 대비하여 열가소성 CFRP는 경량화를 위한 가장 유력한 소재가 될 것이다.

Part 1. 경량화 소재의 새로운 선택지
알루미늄과 고장력강판을 위협하다

연비 규제에 대한 대응으로 2025년을 대비하여 CFRP(탄소섬유강화수지)의 바디 채용이 확대된다. 실용화에서 앞서는 열경화성 CFRP에 이어 열가소성 CFRP가 실용 영역에 들어왔다. 열가소성 CFRP는 알루미늄 합금과 같은 수준의 제조 비용으로 고장력강판을 뛰어넘는 강도를 목표한다. 경량화 소재에 대한 상식이 변하고 있다.

열가소성 CFRP가 세계에서 처음으로 양산차에 본격 채용되었다. 미국 제너럴모터스(GM)는 18년 3월에 발표한 신형 픽업트럭 ‘GMC Sierra’의 적재함 구성 부품에 데이진(帝人)그룹이 개발한 열가소성 CFRP을 사용하였다. GM과 데이진이 열가소성 CFRP를 자동차 바디에 적용하기 위해 공동 개발을 시작한지 약 6년 3개월만에 첫 채용에 도달하였다.

열가소성 CFRP는 적재함 안쪽의 대형 패널재와 바닥재에 사용되었다. 기존에는 강판을 사용했었으나 열가소성 CFRP로 대체함으로써 기존 대비 28kg(약 25%) 가벼워졌다. 데이진은 생산성을 높일 수 있는 제조 방법의 개발을 통해, 지금까지 CFRP로는 대형 부품을 양산하는 것이 어렵다고 여겨졌던 ‘실용화의 벽’을 뛰어넘었다.

-- 강판과 동등한 생산성을 실현 --
열가소성 CFRP의 부품은 데이진의 자회사인 미국 Continental Structural Plastics(CSP)가 만든다. CSP는 미국 최대의 자동차용 복합재료 성형 기업이다. 인디애나에 있는 CSP의 공장에서 만든 열가소성 CFRP제 부품을, 신형 픽업트럭을 만드는 GM의 미시건 공장에 공급한다.

GM이 양산차에 열가소성 CFRP를 채용한 최대 이유는, 연비를 개선하는 경량화 소재 중에서 가장 가벼운 CFRP를 사용하여 복잡한 모양의 대형 부품을 양산 가능하게 했기 때문이다. 데이진의 나카이시(中石) 씨는 GM이 요구하는 부품의 사양을 만족시키면서 약 1분의 성형 시간으로 만들 수 있도록 한 점을 들었다.

열가소성 CFRP는 Al 합금보다 비용은 비싸지지만 Al 합금에 비해 내충격성이 뛰어나 표면에 상처가 쉽게 나지 않는다. GM은 비용 대비 효과를 고려하여 Al 합금도 아닌, 기존의 열경화성 CFRP도 아닌, 열가소성 CFRP를 선택하였다.

CFRP는 크게 모재(母材)에 에폭시계 수지 등을 사용하는 열경화성 CFRP와 모재에 PA(폴리아미드) 수지 등을 사용하는 열가소성 CFRP로 나눈다. 열가소성 CFRP는 열경화성 CFRP와 비교하여 재료 비용은 싸고 성형 시간이 짧다. 그러나 열가소성 CFRP는 지금까지 플로어 패널 등의 대형 부품을 양산하는 것이 어렵다는 문제가 있었다.

때문에 현재는 자동차 바디에 열경화성 CFRP제 부품을 채용한다. 미쓰비시케미칼 콤포지트제품사업부의 미야키타(宮北) 부장에 따르면 “복잡한 모양의 부품을 성형할 수 있고, 열경화성 CFRP 중에서는 양산에 대응하기 쉽기 때문에 SMC(시트 몰딩 컴파운드)공법으로 만드는 열경화성 CFRP가 중심이 되어 있다”라고 한다.

열경화성 CFRP의 향후 적용 부위는 바디 골격의 보강재로서의 사용법이 중심이 된다. 도레이 자동차 재료전략추진실의 이시노(石野) 실장은 “이종재료구성(멀티 머티어리얼)의 바디가 보급되는 가운데 보강재로서 사용하는 경우가 많아진다”라고 본다.

-- 강도에서 고장력강판을 초월 --
-- 고장력강판과 알루미늄만으로는 한계 --

Part 2. 생산성을 높이다
강판 부품과 동등한 성형 시간

CFRP의 보급을 저해해 온 최대 요인은 비싼 제조 비용이다. 생산성을 높여 제조비용을 낮출 수 있다면 자동차 바디에 많이 채용할 수 있다. 해결을 위해 열가소성 CFRP에서는 강판 부품과 동등한 성형시간의 제조법이 실용화되었다. 열경화성 CFRP에서도 양산차에 대한 채용 확대를 목표로 성형시간을 5분 이하로 하는 제조법 개발을 추진한다.

데이진그룹의 열가소성 CFRP를 적재함 구성 부품에 채용한 미국 GM의 신형 픽업트럭 ‘Sierra Denali’. 이를 포함한 Sierra시리즈 전체의 2017년 미국 판매 대수는 약 22만대(월평균 약 2만대)다. Sierra시리즈의 판매대수 중 10~20%(약 2,000~4,000대)를 최상급 차종인 GM 데날리가 차지한다.

통상, 자동차의 생산 라인에서 월 약 2만대의 차량을 만들기 위해서는 약 1분의 택타임이 요구된다. 최상급 차종인 GM 데날리의 판매대수는 약 2,000~4,000대로 적다. 그러나 적재함의 구성 부품이 강판제인 다른 차종과 같은 생산라인에서 제조하기 때문에 열가소성 CFRP제의 적재함 구성 부품에도 강판제 부품과 같은 약 1분의 성형 시간(제조 택타임)이 요구되었다.

-- 약 1분의 성형 시간을 실현 --
약 1분의 성형시간을 실현하기 위해 데이진은 열가소성 CFRP제 부품의 제조공정을 자동화하였다. 데이진이 개발하고, 데이진의 자회사인 미국 CSP가 도입한 제조설비의 경우는 폴리아미드(PA)계의 열가소성 수지에 절단한 탄소섬유(CF)를 균일하게 혼합한 성형용 시트를 사용한다. 가열을 통해 이 시트를 부드럽게 하여 프레스 성형으로 부품으로 만든다.

이러한 성형 프로세스 중, 성형용 시트를 금형에 세트하여 프레스 성형한 후에 금형에서 꺼낼 때까지의 공정을 자동화하여 그 시간을 약 1분으로 단축하였다. 이로 인해 향후 열가소성 CFRP제 적재함 구성 부품을 채용하는 차종이 늘어도 생산량 증가에 쉽게 대응할 수 있게 된다. 강판제 부품과 동등한 생산성을 실현한 것이 GM의 신형차의 적재함 구성 부품에 채용된 생산 면에서의 결정적인 이유가 되었다.

이처럼 열가소성 CFRP의 생산성을 높일 수 있다면 자동차 바디에 대한 채용은 증가한다. 데이진 외에도 이러한 시도를 추진하고 있다. 신에너지산업기술총합개발기구(NEDO)와 나고야대학 National Composites Center(NCC)는 열가소성 CFRP를 이용한 새시의 제조에 성공하였다. NEDO가 ‘신구조재료기술연구조합(ISMA)’에 위탁하여 실시한 국가 프로젝트의 일환이다. 새시를 구성하는 각 부품의 성형 시간은 데이진의 제조법과 마찬가지로 약 1분을 실현하였다.

-- 제조 비용은 Al합금과 동등 --
제조한 새시는 영국 Lotus의 스포츠카 ‘엘리스’의 Al 합금제 새시를 열가소성 CFRP제로 대체한 것이다. 새시의 질량은 40kg으로 Al 합금제(45kg)보다 약 10% 가볍다. 강도나 강성은 Al 합금제 새시와 비슷하다.

엘리스의 Al 합금제 새시는 약 100개의 부품으로 구성된다. 한편, 열가소성 CFRP제 새시는 플로어 패널이나 플로어 크로스 멤버, 사이드실, 앞뒤의 어퍼 패널 등 10개의 부품을 조합한다. 이들 부품을 저비용의 ‘초음파 융착법’으로 접합하여 새시로 만든다. 제작을 주도한 나고야대 NCC의 이시카와(石川) 교수는 “열가소성 CFRP의 재료비용은 Al 합금보다 비싸지만 부품 수를 1/10로 줄였기 때문에 전체 제조비용은 Al 합금제 새시와 비슷하다”라고 말한다.

새시의 구성 부품은 ‘LFT-D(Long Fiber Thermoplastic-Direct)’라는 방법으로 만들었다. 데이진의 제조 방법의 경우는 성형용 시트를 미리 준비해 두지만 나고야대 NCC의 제조방법은 원료 투입부터 프레스 성형하여 금형에서 꺼낼 때까지의 공정을 자동화하였다.

구체적으로는 PA6의 펠릿을 가열하여 녹여 CF와 혼합한다. 다음으로 2축 스크류식 혼련기(混練機)를 이용하여 섞고, 압출 성형기를 사용하여 부드러운 중간 소재로 만든다. 혼련기로 혼합하고 있을 때 CF가 수mm 정도의 길이로 구부러지거나 끊어져서 중간 소재 속에 랜덤으로 분산된다. 이 중간 소재를 3,500톤급의 프레스기로 약 1분에 새시의 구성 부품을 성형하였다.

나고야대 NCC의 이시카와 교수는 앞으로 “제조비용을 더욱 낮추기 위해 항공기 부품 등에서 회수한 CF를 사용할 예정이다”라고 말한다. 열가소성 CFRP의 제조법에서는 연속 섬유의 CF를 짧게 잘라 모재인 수지와 혼합시킨다. 회수한 짧은 CF를 사용하면 현행 시스템의 절단 공정이 필요 없게 되어 제조비용 떨어질 것으로 본다.

-- 혼련기(混練機)로 탄소섬유의 길이를 제어 --
-- 열경화성의 성형 시간은 2분으로 --

Part 3. 탄소섬유의 비용을 낮추다
2025년에 비용 반감

탄소섬유의 가격을 싸게 하여 CFRP의 제조비용을 낮추려는 시도가 추진 중이다. 가격을 낮추는 첫 번째 대책은 CFRP 폐기물에서 탄소섬유를 회수하여 재이용하는 것이다. 두 번째는 탄소섬유(CF)를 저비용으로 생산할 수 있는 공정을 개발하는 것이다. 25년에는 탄소섬유의 가격을 1kg당 1,000엔 이하로 하는 것을 목표한다.

과거에 1kg당 3,000엔 이상했던 CF의 가격은 현재 2,000엔 정도까지 싸졌다. 이를 1,000엔 이하로 할 수 있다면 CFRP의 바디 부품에의 채용은 가속화된다.

CF의 가격을 낮추는 방법은 2가지다. 하나는 CF의 제조공정을 재고하여 비용을 낮추는 방법. 다른 하나는 CFRP의 폐기물에서 CF를 회수하여 강화섬유로서 재이용하는 방법이다.

-- 생산성을 10배로 높이는 제조법 --
첫 번째 제조공정을 재고하는 것은 열경화성과 열가소성의 CFRP의 비용 저감에 효과가 있다. NEDO는 도쿄대학과 산업기술총합연구소, 도레이 등과 공동으로 현재의 제조공정보다 생산성을 10배 정도 높일 수 있는 CF의 제조법을 개발하였다.

CFRP의 강화섬유에는 PAN(폴리아크릴로나이트릴)계의 CF를 사용한다. 현재, 세계의 PAN계 CF업체가 사용하고 있는 것은 신도(進藤) 박사가 개발한 ‘신도방식’이라는 제조방법이다. 이 방법은 우선 PAN의 공중합체(Copolymer)에 용제(溶劑)와 촉매를 섞어 방사(紡絲)한 후에 감아서 꺼낸다. 감아서 꺼낸 PAN 섬유를 가열로 내에서 산화시켜, 내열성을 부여하는 ‘내염화 처리’를 한다. 시간은 30~60분이 걸린다. 내염화 처리가 끝나면 별도의 가열로 내에서 가열하여 탄화시켜 CF로 만든다.

내염화 처리에 시간이 걸리기 때문에 고품질 제품 ‘레귤러토우’의 CF의 경우는 한 라인당 연간 생산량은 2,000톤 정도가 한계라고 한다. 설비 비용은 한 라인당 100억~200억엔. 이것이 CF의 가격이 비싼 최대의 요인이었다.

도쿄대학이 중심이 되어 개발한 제조방법은 저가의 의류용 PAN으로 만드는 폴리머를 사용한다. 이 폴리머를 방사한 후에 기존의 내염화 처리 대신에 용제 안에서 산화시킨다. 그 후에 마이크로파 가열 장치에서 가열하여 탄화시킨다. 이 탄화처리 시간은 2~3분이면 된다. 이 방법은 30~60분이 걸리는 내염화 처리가 불필요하기 때문에 처리시간을 5분 정도로 단축할 수 있다.

새로운 제조법으로 만든 CF의 인장탄성률은 240GPa, 인장강도는 3.5GPa, 신장(伸張)은 1.5%를 달성하였다. 이 모든 수치는, 스포츠용품 등에 사용되고 있는 도레이의 범용 등급인 CF ‘T-300’과 같은 수준이다. 그러나 자동차 부품에 다용되고 있는 도레이의 자회사인 미국 Zoltek Companies의 라지토우의 CF ‘48K’에는 미치지 못한다.

실용화를 위해 기계적 특성을 Zoltek의 CF 등과 같은 수준으로 높인다. 동시에 NEDO는 연산 수 톤 규모의 실증 플랜트를 수년 이내에 완성하여 자동차기업 등에 샘플을 출하할 계획이다. 10년 이내에 연산 2만 톤 이상의 양산 설비를 만들어 양산 시점의 가격을 현재의 절반 이하로 한다.

-- 리사이클 섬유를 열가소성 CFRP에 사용 --
두 번째 방법인 리사이클은 특히 열가소성의 CFRP의 비용 삭감에 기여한다. 현재, 열가소성 CFRP는 연속 섬유인 CF를 짧게 잘라 모재 수지에 배합하는 경우가 많다. 버진 섬유(PAN으로 만든 미사용 CF)보다 가격이 싼 리사이클 CF를 사용하여 열가소성 CFRP의 제조비용을 낮춘다.

실용화를 목표하는 CF의 리사이클 방법은 ①열분해법, ②상압 용해법, ③과열 수증기법, ④아임계/초임계 유체법의 4개다. 4방법 모두 열경화성 CFRP에서 CF를 회수한다. 항공기나 자동차의 부품으로 사용하는 열경화성 CFRP의 폐기물이 대량으로 발생하는 2025년 무렵까지의 실용화를 목표한다.

4방법 중 회수 비용을 억제하기 쉬운 것은 열분해법과 상압 용해법이다. 도레이나 데이진, 미쓰비시케미칼이 개발하는 열분해법은 열경화성 CFRP를 상압의 질소(N2) 속에서 가열하여 모재 수지를 녹여서 CF를 단섬유 모양으로 회수한다. 회수하는 CF는 단섬유가 중심이기 때문에 용도가 한정된다.

히타치카세이가 개발하는 상압 용해법은 상압의 용매 속에서 열경화성 CFRP를 가열하여 CF를 장섬유 모양으로 회수할 수 있다. 반응을 가속시키기 위해 촉매에 알칼리금속염을 사용한다. CF를 장섬유 모양으로 회수할 수 있어 열분해법보다 강화섬유로서의 용도는 넓다.

  -- 끝 --