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[Motoroid / Tech]

고성능 스포츠카나 스페셜 에디션 차량 관련 기사를 살펴보면 '카본(Carbon)'이라는 용어가 빠지지 않고 등장한다. 그렇다보니, 카본이 뭔가 특별하거나 고가의 차량에만 적용되는 특별한 소재라는 사실은 너무나도 쉽게 알아차릴 수 있다.

그렇다. 카본(탄소 섬유)은 일반 스틸보다 뛰어난 장점을 가진 고급 소재다. 부식에 강하고 강성이 뛰어나며, 다양한 형태로 제작이 용이함은 물론이고 가볍기까지 하다. 카본이 무게대비 우수한 탄성과 강도를 자랑하다 보니, 경량화가 주된 과제로 꼽히는 자동차 시장에서 빼놓을 수 없는 소재로 떠오르게 됐다. 조금이라도 더 가볍고 튼튼해야만 하는 자동차에 있어서 카본은 최고이자 최적인 소재로 여겨질 수밖에 없기 때문이다.

이렇게 좋은 카본을 일반 차량에도 쉽게 적용할 수 있다면 좋겠지만, 제조 과정이 복잡해 가격이 비싸다. 카본이 고성능 차량이나 모터스포츠 분야서 주로 사용되는 이유도 바로 가격에 있다.

하지만 카본 소재를 일반 차량에서도 쉽게 만나볼 수 있게 될 날을 기대해도 좋을 것 같다. 미국 국립 재생 에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory)와 공학자 그레그 베컴(Gregg Beckham)이 옥수수 줄기와 밀짚과 같은 식물을 통해 보다 저렴하고 친환경적으로 카본 섬유를 생산할 수 있는 방법을 발견했기 때문이다.

photo : Nexus Media

연구팀은 식물을 당으로 분해해 산으로 전환시키는 방법을 통해 카본 섬유의 원사인 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 생산하는데 성공했고, 현재 상업적으로 활용할 수 있는 생산 공정을 확장하기 위해 외부 협력체와 협의 중인 것으로 알려졌다. 가까운 미래에 새로운 방법으로 만들어진 카본 소재가 자동차 제작 공정에 활용될 수 있을지 크게 기대되는 시점이다.

글 : 모터로이드 뉴스팀 <저작권자 (c) 모터로이드 무단 전재 및 재배포 금지>

[Motoroid / Column]

자동차 발전에 있어 '경량화'는 빼놓을 수 없는 핵심 분야다. 연비를 끌어올릴 수 있는 가장 효과적인 방법이기 때문이다. 이에 자동차 업계에서는 기존의 강성을 유지하면서 무게를 줄이기 위해 박차를 가하고 있으며, 자동차 소재 분야에도 변화의 바람이 찾아오고 있다. 

과거 자동차는 내장재를 제외한 대부분의 부품이 철로 제작됐다. 하지만 날이 갈수록 차량에 탑재되는 각종 편의장치와 안전장비 등이 늘어나게 되면서 '무게 감량'이 해결해야 할 주요 과제로 떠오르게 된다. 차체가 가벼워지면 진동과 소음이 줄어들고 관성이 낮아져 핸들링 개선에 도움이 되며, 무엇보다 연비 향상에 직접적인 영향을 미친다. 결국 차량의 성능 개선을 위해서는 차체 경량화가 필수적인 셈이지만, 무게를 줄이기 위한 방법으로는 소재를 바꾸는 것 외에는 특별한 대안이 없다. 

이 같은 이유로 자동차 업체들은 누구보다 발 빠르게 신소재 채택 및 개발에 속도를 내고 있다. 현재 자동차 제조사들이 선택하고 있는 가장 현실적인 방안으로는 알루미늄 및 알루미늄 합금이며, 이에 따라 알루미늄 차체가 적용된 신차들이 속속히 쏟아지고 있는 추세다.

이보다 조금 더 이상적인 경량화 소재로는 카본파이버(탄소섬유 소재)나 강화 플라스틱 소재가 있다. 물론 비싼 가격 탓에 고가 차량이나 슈퍼카, 고가 튜닝 차량에 한정적으로 사용되고 있다. 카본 파이버는 고분자 복합 구조의 물질 안에 탄소를 일정한 공정에 따라 침투시킨 소재로, 부식에 강하고 다양한 형태로 제작이 용이할 뿐만 아니라 가볍기까지 하다. 또한 무게 대비 우수한 탄성과 강도를 자랑하기 때문에 경량화에 있어 최고이자 최적의 소재로 여겨지고 있다. 

실제로 포드와 마그나는 경량화를 통한 배기가스 감소와 연비 향상을 이끌어내기 위해 '탄소섬유 서브 프레임 공동 연구·개발'을 발표하기도 했고, 영국의 스포츠카 브랜드 로터스는 카본을 사용해 800kg도 채 되지 않는 경량 스포츠카 '엘리스 스프린트'를 선보이기도 했다. 

자동차 소재 분야의 변화는 슈퍼카라고 예외는 아니다. 람보르기니는 일찌감치 철강재가 아닌 탄소섬유 강화 플라스틱을 차량에 적용시켰다. 지난 2011 제네바 모터쇼에 등장한 아벤타도르의 경우 상업용 차량 최초로 통짜 탄소섬유 강화 플라스틱 덩어리가 적용됐다. 강철에 비해 무게는 1/5수준이지만 강도는 10배에 이른다. 

람보르기니 CEO 스테판 윙클만은 "미래 슈퍼카 시장의 핵심 트렌드인 운전의 즐거움과 배출가스 절감을 위해서 체계화된 경량화 기술을 통해 무게 당 출력비를 높이는 것이 매우 중요하다"라고 강조하기도 했다. 

조금 쌩뚱맞게 느껴질 수도 있지만, 경량화를 위한 차세대 소재로 철강 소재가 아닌 '목재'가 될 가능성도 일부 제기되고 있다. 바로 일본발 차세대 신소재로 주목받고 있는 '셀룰로오스 나노 파이버(Cellulose nonafibers)'다. 일본 기업이 연구개발(R&D)과 상용화를 이끌고 있는 셀룰로오스 나노파이버는 생·폐 목재에서 뽑아낼 수 있는 나노 신소재로, 복합소재로 응용하면 강도는 철의 5배, 무게는 고작 1/5 수준이다. 

셀룰로오스 나노파이버를 적극적으로 연구해온 일본 관련 업체들은 해당 소재를 차세대 경량 신소재로 개발해 자원 수출국으로의 부상을 계획하고 있으며, 제조 원가를 낮추는 것만이 해결해야할 과제로 남겨지고 있다. 현재 셀룰로오스 나노파이버를 제조하는 데 드는 비용은 1kg당 약 9달러 수준이지만, 연구개발을 이끌고 있는 교토 대학의 야노 히로아키(Yano Hiriaki) 교수는 다가오는 2025년까지 제조 비용을 절반가량으로 줄이는 것을 목표로 하고 있다. 

일본 정부가 적극적으로 개발 지원에 힘입어 여러 대기업이 상용화에 나서고 있으며, 지난 2016년 이후 개발 회사의 생산체제가 급속히 진전하고는 있지만, 안정적인 양상 체제 확립에는 아직 이르지 못하고 있다. 자동차 용도의 금속 대체 실현에는 연구개발이 더욱 요구되고 있으며, 연구진들은 셀룰로오스 나노 파이버로 제작한 자동차 부품을 2020년까지 내놓을 전망이다. 

실제로 토요타는 이탈리아 '밀라노 디자인 위크 2016'을 통해 나무로 만든 콘셉트카 '세투나(Setsuna)'를 선보이기도 했으며, 향후 경량화를 이끌어내기 위한 방안으로 어떤 소재가 주목받게 될지 귀추가 주목된다. 

글 : 모터로이드 칼럼 기획팀 <저작권자 (c) 모터로이드 무단 전재 및 재배포 금지>