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Nikkei Monozukuri_2022.12 특집 요약 (p53~65)

EV 시장을 겨냥한 수지 부품의 최전선
세계 최대 플라스틱/고무 전시회 K2022

'전기자동차(EV)에는 수지를 이렇게 사용한다'. 세계 최대 플라스틱〮고무 전시회인 'K2022'가 10월 19~26일, 독일 뒤셀도르프에서 개최되었다. 이곳에서 세계를 리드하는 구미의 수지 업체들은 시장이 확대되고 있는 EV에 초점을 맞추고 새로 개발한 수지제 부품들을 어필했다. 그 중에서도 메인은 대형 부품인 배터리팩과 스마트 패널이다. 이번 전시회에 출품된 최신 EV용 수지제 부품들을 소개한다.

■ BASF
'‘All PU'로 대폭 경량화

독일 BASF가 선보인 것은 EV 전용 배터리팩의 프로토타입이다. 중형에서 대형 SUV를 상정해 자동차 업체와 공동으로 개발을 진행하고 있다. 개발 목적은 경량화. 현행 배터리팩에는 알루미늄합금이나 강철 등이 사용되고 있다. 이것을 수지로 대체해 차량의 중량이 높다는 EV 과제에 대한 하나의 솔루션을 제시했다.

-- All PU로 하면 30~35% 경량화 --
배터리팩 상면을 덮고 있는 진한 회색 부분이 배터리의 어퍼 커버. 유리섬유를 50~60 질량 퍼센트 정도 사용한 열경화성 폴리우레탄(PU)으로 되어 있다. 성형에는 경량의 복합재료 가공에 적합한 스프레이 트랜스퍼 성형(STM)을 채택했다.

유리섬유를 함유한 원단(유리매트)에 PU를 분사하여 함침(含浸)시킨 후 열을 가하면서 프레스해 성형하는 방식이다. 대형화되고 있는 배터리팩의 수요를 고려해 현재는 한 변이 1.8~2m 정도의 크기까지 대응할 수 있도록 했다고 한다.

유리매트에는 유리섬유 함유뿐만 아니라 열경화성 PU를 사용하고 있어 열가소성 수지로 된 배터리팩보다 열에 강하다. 여기에 내화 성능을 높이기 위해 첨가제를 추가. 표면에 PU계 스프레이를 분무해 내화(耐火) 코팅을 했다. 이를 통해 1,000℃의 고온 환경에서도 6분간 타지 않고 견뎌낼 수 있는, 자동차 회사들이 요구하는 기준을 클리어했다.

BASF는 향후 어퍼 커버뿐만 아니라 배터리팩 전체의 수지화도 목표로 하고 있다. 이번에 전시된 프로토타입에는 측면 구조체에 중공(中空)의 알루미늄합금이 사용되었지만, 이를 PU로 대체한 것을 현재 개발 중이다.

구체적으로는 PU를 함침시킨 유리매트를 금형을 사용해 인발(引拔) 성형하고 중공 형태의 파이프로 가공하는 것이다. 이렇게 배터리팩을 올 PU’로 대체하면, 올 알루미늄으로 만든 제품과 비교해 30~35%의 경량화 효과를 기대할 수 있다고 BASF는 추산하고 있다.

-- 방열에도 PU계 재료 할용 --
-- 변색에 강한 PA를 커넥터에 채택 --

■ Lanxess
PA로 15%의 비용 절감을 노린다

'Lanxess'는 독일 Lanxess가 출품한 EV용 수지제 배터리팩의 프로토타입으로, 독일의 Kautex Textron과 공동 개발했다. Lanxess가 재료 개발, Kautex Textron이 설계 및 성형을 담당했다.

'Lanxess'의 가장 큰 특징은 높은 실용성에 있다. 이미 판매되고 있는 양산차의 특성을 반영해 완성차업체와 부품업체의 관심을 이끌어 내려는 의도이다. 프로토타입이면서도 실제 차량에 탑재 가능한 수준의 기계적 강도와 난연성을 갖추고 있다고 한다. Lanxess는 이에 대한 실증실험을 실시하기 위해 독일 폭스바겐의 EV ‘ID.3’에 탑재된 알루미늄합금 배터리팩을 기반으로 설계·성형했다. 즉, C세그먼트 EV용으로 시작(試作)한 것이다.

이 새로운 배터리팩은 커버와 트레이, 보호 시트 등 3개로 이루어져 있으며, 나사로 체결해 조립하는 것이다. 이 중 커버와 트레이의 재료에는 유리섬유강화 PA6를 채택. 특히 강도가 요구되는 부분에는 강화재에 유리섬유 직물을 사용하여 보강했다.

커버는 유리섬유강화 PA6 덩어리를 금형에 넣은 후 열을 가해 압축 성형했다. 한편, 부분 보강을 요하는 트레이는 유리섬유강화 PA6 덩어리와 유리섬유 직물에 PA6를 함침시킨 시트를 금형에 넣은 후 가열하면서 압축 성형했다. 보호 시트에는 알루미늄합금판을 사용했다.

커버와 트레이의 PA6에는 난연제를 첨가하지 않았지만, 열안정제를 첨가했다고 한다. 또한 유리섬유의 함유량을 조정하는 등, “종합적으로 연소되기 어렵게 했다”(Lanxess).

알루미늄합금의 보호 시트는 스톤칩(Stone chip)으로부터 배터리팩을 보호하는 것 외에도, 전자 양립성(EMC)에 대응하기 위해 사용. 이를 통해 기계적 강도와 난연성, 전자 양립성에 있어 모두 알루미늄합금으로 된 현행의 배터리팩과 같은 수준의 요구 성능을 클리어했다고 한다.

-- CO₂ 감소효과는 40%이상 --
수지로 대체함으로써 얻을 수 있는 장점은 우선 경량화이다. 'Lanxess'는 알루미늄합금 배터리팩보다 10~15% 정도 가볍다. 또한 환경 부하 경감에도 기여한다. 원료 조달에서 폐기에 이르기까지 라이프 사이클 전체의 CO₂ 배출량인 '탄소 발자국'은 알루미늄합금 배터리팩의 배출량과 비교해 40% 이상 적어진다.

코스트에 대해서는 현행의 알루미늄합금 배터리팩 대비 10~15% 정도 낮추는 것을 양사는 목표로 하고 있다. 적은 부품 수와 높은 형상 자유도, 리브 등의 구조와 나사 관통 구멍을 금형으로 한번에 성형할 수 있는 수지의 장점을 활용해 목표 달성을 도모할 방침이다. 현행 알루미늄합금 배터리팩은 50개 정도의 부품을 용접해서 만들기 때문에 공수가 많다. 새로운 배터리팩은 공수를 크게 줄일 수 있다.

■ 듀폰(DuPont)
이종 재료 접합도 구사해 수지화

'EV용 배터리팩에 내장되는 부품을 철저하게 수지화하겠다'. 미국 듀폰은 수지 부품을 내장한 배터리팩을 제작해 선보였다. 배터리팩 내부의 부품을 이렇게까지 수지로 대체할 수 있다는 것을 시각화해 많은 관람객들의 눈길을 사로잡았다.

듀폰이 전시한 배터리팩 트레이 자체는 모형으로, 내부에 내장된 부품의 대부분을 수지화한 것이었다. 가장 눈길을 끈 것은 하이브리드 냉각 플레이트. 배터리셀 바로 위 또는 아래에 설치하여 배터리셀의 냉각에 사용된다.

-- 알루미늄합금과 수지를 이종 재료 접합 기술로 결합--
이것은 수지와 알루미늄합금을 결합해 만든 것으로, 알루미늄합금만으로 된 현행 냉각 플레이트 대비 부피의 절반 가량을 수지화했다. 장점은 올 알루미늄인 현행 냉각 패널보다 가볍게 만들 수 있다는 점과 설계의 자유도를 높일 수 있다는 점이다.

하이브리드 냉각 플레이트는 2층 구조로, 알루미늄합금 플레이트와 수지 플레이트를 결합한 형태라고 할 수 있다. 수지 플레이트의 재료에는 내열성 및 내약품성에 뛰어난 폴리프탈아미드(PPA)를 채택했다. 두 개의 플레이트 중 알루미늄합금 플레이트는 방열 기능, 수지 플레이트는 냉각수를 흘려보내는 기능을 한다. 따라서 수지 플레이트에는 냉각수로 및 냉각파이프로의 접속부가 형성되어 있다.

-- 배터리셀에도 수지제 부품 --

■ SABIC
배터리팩, 스마트 패널도 수지화

사우디아라비아의 SABIC(사우디아라비아기초산업공사)는 새로운 수지 부품을 많이 채택한 EV의 사례로 미국 Lucid Motors의 고급 EV 'Lucid Air'의 실제 차량을 부스에 전시해 관람객들의 눈길을 끌었다. 이 EV는 구조 부품과 배터리팩 부품, 내장 부품, 외장 부품 등, 25개 이상의 부품에 SABIC의 열가소성 수지가 채택. SABIC의 입장에선 수지가 EV와 잘 맞는다는 것을 어필하기 위한 차량 전시였다.

이 EV에 탑재된 부품의 한 예로 SABIC는 배터리 모듈 하우징(배터리 캐리어)을 전시했다. 유리섬유를 20 중량 퍼센트 함유시킨 난연성 폴리카보네이트(PC)를 사용해 금속제 도전부품을 금형에 넣어 인서트 성형한 것이다. 높은 충격 강도 및 연성과 함께 내열성도 갖추었다. 올 금속제와 비교해 가볍고, 제조 비용을 낮출 수 있다는 장점이 있다.

실제 차량인 Lucid Air와 함께 주목을 끌었던 전시는 GM이 EV ‘Lyriq’에서 실용화한 프론트 패널이었다. Lyriq는 고급차 카딜락(Cadillac) 브랜드로 판매되고 있는 SUV 타입의 EV로, 그릴리스 형상과 조명을 이용한 연출을 살린 외관 디자인의 이른바 '스마트 프론트 패널'을 선보였다.

-- 금형으로 만들어 비용절감 --
이 프론트 패널은 표면이 투명한 PC '렌즈', 인쇄로 의장을 한 가식(加飾) 필름, 검은색 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)의 합금(PC/ABS)로 이뤄진 '캐리어'의 3층 구조이다.

가공방법은 2회의 인서트 성형. 먼저 가식 필름을 금형 내부에 세팅하고 가식 필름의 표면에 PC를 사출성형한다. 이렇게 얻은 성형체를 다른 금형에 삽입하고, 가식필름 뒷면에 PC/ABS를 사출 성형해서 프론트 패널을 완성한다.

SABIC는 진화형으로서 조명 모듈과 센서 모듈을 접목해 일체화한 프론트 패널 콘셉트도 발표했다. 표면 쪽부터 투명한 PC 렌즈, 가식 필름, PC 도광판, LED 유닛이 부착된 수지 화장용 선반, 카메라, 밀리미터파 레이더 및 LiDAR 등의 센서 모듈, 검은색 폴리프로필렌(PP) 캐리어 등 각 층이 차례로 배치된 구조로 되어 있다.

이 가공(LED나 센서와 같은 반도체는 제외)을 모두 금형 내부에서 성형함으로써 접착 공정을 줄여 생산 시간을 단축할 수 있고 품질도 향상된다고 SABIC는 밝혔다.

-- 저렴한 PP를 이용한 배터리팩 --
SABIC가 시작(試作)한 '올 수지'의 EV용 배터리팩 트레이에 채택된 재료는 유리장섬유를 30 중량 퍼센트 강화한 PP. 내열성을 높인 것이 특징으로, 최고 1,200℃의 열에 2~3초간 견딜 수 있다고 한다. 또한 알루미늄합금 배터리팩 대비 최대 12%의 경량화를 기대할 수 있다고 한다.

-- 혼다가 PHEV용에서 선도 --

■ Covestro
‘그릴리스’ 프론트 패널

독일의 Covestro도 EV용의 수지 스마트 프론트 패널을 전시했다. 일반적으로 EV에는 엔진 냉각을 위한 큰 프론트 그릴이 설치되지 않는다. 많은 엔진차들은 프론트 그릴에 마련된 구멍으로 주행 시 바람을 끌어들여 라디에이터를 통해 엔진 냉각수를 식히지만, 모터로 주행하는 EV에는 엔진 냉각을 위해 많은 양의 공기를 끌어들일 필요가 없다. 즉, 자동차 외관 디자인 중 가장 눈에 띄는 맨 앞부분을 '그릴리스'로 만들 수 있다.

프론트 그릴을 대체할 수 있는 것이 스마트화된 차세대 프론트 패널, 즉 스마트 프론트 패널이다. 외관 디자인성을 높이기 위해 가식을 도입하거나, LED의 빛이나 레이더를 투과하거나, 디스플레이 기능을 갖추는 등 다기능화되고 있다. Covestro의 부스에서는 스마트 프론트 패널의 구체적인 모습을 선보여 많은 관람객들로 붐볐다.

-- 이것이 스마트 프론트 패널의 구조 --
스마트 프론트 패널은 5층 구조로 되어 있으며, 하드 코트, 아우터 필름, 아우터 패널, 이너 필름, 이너 패널 순서로 배치되어 있다. 이너 패널 뒤쪽(내부)에는 LED 조명 부품인 라이트바 모듈과 히트싱크, 첨단운전자보조시스템(ADAS)용 레이더 모듈, 표시용 디스플레이 모듈 등의 기능 부품들이 내장되어 있다.

이 복잡한 구조의 스마트 프론트 패널을 Covestro는 금형으로 만들었다. 인서트 성형을 구사한 것이다. 표면 보호용 하드 코트와 LED, 레이더, 디스플레이 등의 전자 부품들을 제외하고, 패널, 케이스, 기재 등의 재료는 모두 PC로 만들었다.

가공은 2회의 인서트 성형으로 나누어 실시. 첫 번째는 아우터 필름과 아우터 패널, 이너 필름의 성형이다. 아우터 필름과 이너 필름 모두 PC 필름으로 되어 있으며, 스크린 인쇄로 의장 등이 실시되어 있다. 좌우 금형에 각각 아우터 필름과 이너 필름을 삽입하고 형 조임을 실시해 양 필름 사이의 빈 틈에 용융된 PC를 사출하여 성형한다. 이것이 고화(固化)되면 좌우 양면에 필름이 용착된 아우터 패널이 생긴다.

이어서 2차 인서트 성형이 진행된다. 한쪽 금형에 아우터 패널을, 다른 한쪽 금형에 라이트바 모듈과 히트싱크, 레이더 모듈, 디스플레이 모듈을 삽입하여 형 조임을 한다. 형 조임을 한 다음, 아우터 패널과 모듈류 사이에 형성된 빈 틈에 용융 PC를 사출. 그리고 이것이 고화되면 스마트 프론트 패널의 성형이 완료되는 구조이다.

아우터 필름과 이너 패널에 실시되는 인쇄에서는 의장 외에도 도전 잉크를 사용해 히터나 회로 등을 형성할 수도 있다. 이를 통해 동결 방지 히터나 디플로스터 기능을 추가하는 등, 인쇄의 고안 방법에 따라 스마트 프론트 패널이 한 층 더 다기능화될 수 있다.

-- 2023년부터 시장에 투입 가능 --

■ KURZ
금형 내에서 차량용 외장품의 가치를 높인다

수지 제품의 표면 가식용 필름이나 이와 관련된 기술을 개발하는 독일의 KURZ는 형내(型內) 가식에 관련된 첨단 생산 시스템을 선보였다. 타깃은 차량의 수지제 외장품이다.

앞에서 언급한 대로 유럽에서는 최근 EV용으로 프론트 패널이나 리어패널의 스마트화가 빠르게 추진되고 있다. 형상에 따라 외관 디자인을 표현하는 지금까지의 사고방식과 함께 표면 가식이나 이를 통한 광투과성을 활용한 의장성 향상, 기능성 필름을 이용한 고기능화의 움직임을 수면 아래에서 볼 수 있다. KURZ는 이러한 자동차 분야의 스마트화 흐름을 포착한 리어패널의 샘플(이하, 리어패널)을 선보였다.

이 리어패널은 위(표면)부터 차례로 가식 필름(인쇄층), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA, 아크릴수지), PC/ABS의 3층 구조로 되어 있다. 이 중, 가식 필름은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)제 캐리어 필름에 문자나 아이콘 등을 그라비아 인쇄 한 것이다. 리어패널을 성형하면 마지막으로 캐리어 필름을 벗겨내 인쇄층을 노출시킴으로써 완제품이 된다.

-- 리어패널, 이렇게 만든다 --
이 리어패널의 전자동생산시스템은 오스트리아 ENGEL의 2색 성형기와 독일 KUKA의 수직 다관절 로봇을 조합한 것이다. 즉, KURZ의 가식 기술 및 노하우를 바탕으로 ENGEL의 성형기를 이용해 리어패널의 형상 및 가식을 만든다. 그리고, KUKA의 산업용 로봇이 성형체/완제품의 이형(離型)과 반송을 담당하는 생산 시스템이다.

2색 성형기를 정면으로 보면 중앙에 회전코어(위에서 볼 때 반시계 방향으로 회전)가 있고, 좌우에 하나씩 캐비티가 있다. 리어패널 가공은 좌측에서 스타트한다. 첫 번째는 IMD이다.

우선 캐비티 바로 오른쪽에 가식 필름을 보내고 그 세팅이 끝나면 캐비티를 오른쪽에 있는 회전코어를 향해 이동시켜 거푸집 조임을 한다. 거푸집 조임이 끝나면 캐비티와 회전코어에서 형성되는 빈 틈에 용융된 PMMA를 사출한다. 이것이 자연냉각으로 고화되면 3층 구조의 리어패널이 된다. 형을 열어 이 리어패널을 수직 다관절 로봇이 이형하면 리어패널 가공이 완료되는 구조이다.

-- 끝 --

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