외장재

외장재(外裝材)는 건물이나 자동차 외부를 마감하는 데 쓰는 재료이다. 글로벌 자동차 브랜드들은 연비 향상뿐만 아니라 승객들의 안전을 최우선으로 하기 위해 가볍고 강성이 좋은 경량소재를 외장재로 채택하기 위해 노력하고 있다.

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종류

철/강판

알루미늄이나 플라스틱이 이전보다 많이 사용된다고는 하지만 여전히 철보다 중요한 차량 외장재는 없다. 게다가 자동차에 사용되는 철의 성능이 향상되고 등급이 다양해지면서 오히려 철의 사용량이 늘어나는 경우도 있다. 1886년 카를 벤츠(Karl Benz)가 만든 페이턴트 모터바겐(Patent Motorwagen)은 현대적 자동차의 구조를 가진 최초의 자동차였다. 액체 연료를 사용하는 내연기관이 적용된 최초의 자동차로 특허를 받았다는 데에 큰 의의가 있지만 하나 더 중요한 의미는 차체와 바퀴를 비롯한 차의 대부분이 철로 만들어졌다는 점이다. 원하는 구조적 강도를 얻으려면 굵고 두툼한 부재를 사용해야 하는 목재에 비하여 훨씬 가는 부재로도 원하는 강성을 얻을 수 있는 철제 프레임을 사용하면 차체의 크기가 작아지고 같은 크기의 차체로도 승객과 화물이 탑승할 공간을 훨씬 많이 확보할 수 있다. 출력이 높은 차량일수록 무겁지만 단단한 철을 사용하는 것이 나무로 프레임을 만드는 것보다 오히려 가볍게 원하는 강성의 차체를 만드는 길이기도 했다. 철은 여러 가지 측면에서 자동차를 위한 최고의 소재였다. 일단 철광석에서 철을 추출하는 제련 과정이 수월하였다. 구리나 동에 비하여 훨씬 높은 강도를 갖고 있으므로 구조물을 만들기에 적합하였고 가공하기가 쉬웠다. 또한 다양한 원료를 첨가하여 원하는 성질을 갖도록 합금을 만들기가 수월했다. 그리고 세계 어디서나 구하기 쉽고 값이 저렴하다는 결정적 장점을 갖고 있었다. 이와 같은 이유에서 20세기는 철강의 세기라고 할 만큼 철은 기계-건축-토목 등 사용되지 않는 산업 분야가 없을 만큼 다양하게 사용되었고 자동차도 예외는 아니었다. 그렇게 장점이 많은 철이지만 결정적인 단점은 무겁다는 것이다. 무거우면 더 힘이 센 엔진이 필요하고 힘이 센 엔진은 더 많은 연료를 소모한다. 따라서 연료를 더 많이 실어야 하는데 그러면 차는 더 무거워진다. 이에 알루미늄과 플라스틱으로 제작된 차체의 자동차가 출시되었다. 그럼에도 철은 여전히 가장 보편적이고 대중적인 소재이다. 다른 소재들이 발전해온 속도 이상으로 철 역시 엄청난 발전을 거듭해왔기 때문이다. 그 발전 속에서도 철은 자신이 가진, 다른 소재보다 더 우수한 특성들만큼은 그대로 유지하고 있다. 철이 가진 가장 큰 장점은 다른 소재들에 비해 가공성이 우수하다는 점이다. 복잡한 형상을 만들기에 철보다 더 간편한 소재를 찾기가 힘들 정도인데, 가공성이 우수하다는 것은 결국 가공비용이 저렴하다는 뜻이기도 하다. 결국 자동차의 차체를 만든다는 것은 안전성과 승차감 및 효율성을 포함하여 경제성까지 고려해야 하는 작업이므로, 그런 측면에서 보자면 최초에 자동차를 구성했던 철은 아직까지도 가장 각광받는 소재임에 분명하다. 최근에는 철이 가진 상대적인 단점인 무게를 보완하는 새로운 기술들도 많이 등장하고 있다. 예를 들면 포스코(POSCO)의 초고장력 강판인 기가 스틸도 그 중 하나이다. 기가 스틸이라는 것은 1평방미터당 수백톤 이상의 무게를 견딜 수 있는 철을 의미한다. 단단한 프레임 위에 차체를 올려서 만드는 방식은 SUV 제작의 오랜 전통과도 같은 일이었다. 물론 오늘날에는 프레임 구조를 채택하는 회사들이 점차 사라지고 있는 것도 사실이다. 그 이유는 프레임 구조 자체가 모노코크에 비해 무거워 연료를 많이 소비할 수밖에 없기 때문이다. 제철 기술의 향상으로 인해 강하고 안전성이 높으면서도 가벼운 프레임 구조가 등장한 것처럼, 다시 철로 제작된 차체가 늘어나고 있다. 과거 100% 알루미늄 구조를 통해 기술력을 과시하던 제조사들도 새로운 차체를 제작하면서 기가스틸과 같은 초고장력 강판을 도입하고 있다. 이른바 하이브리드 방식의 차체 제조가 이루어지고 있는 셈인데, 자동차의 차체를 보다 세밀하게 쪼갠 후 각 부위에 맞는 강도와 무게를 선택하고 그에 맞는 소재를 선택하는 시대로 변화해가고 있는 것이다. 다가올 전기자동차의 시대에는 이런 경향이 더욱 거세질 것으로 보인다. 전기자동차가 더 빠르고 멀리 가기 위해서는 배터리 기술이 혁신적으로 빨라지거나, 차체의 무게를 줄여야 하기 때문이다. 이런 환경적 변화 속에서 새로운 기술로 개발된 철은 다른 소재와 어우러져 계속 자동차의 한계를 극복하는 새로운 신소재로 각광받을 것으로 보인다.

플라스틱/CFRP

자동차는 핵심 부품 몇몇을 제외한 대부분은 플라스틱으로 만들어진다. 시트나 카펫 등 내장재 뿐 아니라 외장재도 철강 대신 복합 플라스틱 소재를 주로 사용한다. 철강 대신 복합 플라스틱 소재인 섬유강화 플라스틱, 섬유강화 복합재료 등을 사용해 자동차를 경량화한다. 차량이 가벼워야 연료 사용이 줄고, 연료 사용이 적어야 공해물질 배출도 줄일 수 있기 때문이다. 특히 자동차 제조사들은 사다리꼴 프레임 위에 엔진과 변속기, 타이어를 얹고 그 위에 차체를 올리는 프레임바디보다 차체와 바디가 하나로 된 모노코크바디 제작을 선호한다. 모노코크바디로 제작하면 제조라인이 줄어 비용을 낮출 수 있는데다 경량화로 연비도 우수해지기 때문이다. 모노코크바디를 만들 때 선호하는 소재 중 하나가 섬유강화 플라스틱(FRP)이다. 섬유강화 플라스틱은 플라스틱을 유리섬유나 탄소섬유, 아라미드섬유 등으로 강화한 복합재료인데 유리섬유 강화플라스틱(GFRP)과 탄소섬유 강화플라스틱(CFRP) 등이 대표적이다. 유리섬유 강화 플라스틱(GFRP)은 불포화 폴리에스터에 유리섬유를 보강한 플라스틱이다. 철보다는 강하고 알루미늄보다 가볍다. 단단하지만 가벼워 외부충격에 강하고, 녹슬지 않고 열에 변형되지 않지만 가공하기는 쉽다. 다만, 고온에서는 사용할 수 없다는 것이 단점이다. GFRP는 건축자재, 보트, 스키용품이나 헬멧, 자동차와 항공기 부품 등에 사용된다. 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 플라스틱에 탄소섬유를 첨가해 강도와 탄성을 높인 소재다. 탄소섬유는 철보다 밀도가 낮고, 인장강도는 높다. 무게가 가볍고 열팽창률은 낮아 자동차와 항공우주산업, 건축 및 각종 스포츠 용품의 경량화 소재로 각광받고 있다. CFRP의 무게는 강철의 4분의 1에 불과하지만 강도는 철의 10배에 달한다. 자동차의 바디는 물론, 후드, 도어, 트렁크, 루프 등에도 많이 사용되고 있다. 부가티(Bugatti), 람보르기니(Lamborghini) 우라칸(Huracán), 비엠더블유(BMW) i8 등 유명 슈퍼카의 차체로 사용됐고, 내장재와 시트 등에도 많이 사용된다. CFRP는 장점이 많은 만큼 제조단가가 높다. 또 구조용 접착제나 기계적 접합만 가능하고, 사용 중 손상될 경우 리페어기술이 없어 소재의 특성에 따른 설계기술과 접착제 응용기술이 없으면 사용할 수 없는 소재다. 소재가 훌륭하지만 전세계적으로 고부가가치 차량이나 콘셉트카에 한정적으로 사용할 수밖에 없는 이유다. 이 때문에 대한민국 자동차 제조사들은 CFRP를 사용하고 싶어도 기술이 부족해서 사용할 수 없는 실정이다.

알루미늄

금속 분야인 알루미늄과 마그네슘은 기존의 철을 대체하고 있다. 금속 분야는 주로 내장보다는 외장재에 많이 적용된다. 기존의 철을 대체해 경량화를 이끌어내려는 움직임이 활발하게 이루어지고 있기 때문이다. 금속 분야 신소재가 내장재에 적용되는 경우는 엔진 관련 부품이 대표적이다. 그 중 알루미늄은 주로 트랜스미션, 열 교환기, 실린더 헤드/블록 등의 엔진 관련 부품의 경량화 소재이다. 알루미늄은 비중이 2.7로 철강재의 35%에 불과하여 자동차용 철 소재를 대체할 경우 40%에 달하는 경량화가 가능하다. 알루미늄은 후드, 도어, 트렁크 등의 외장재에도 다양하게 적용되고 있다. 알루미늄은 주조성이 양호하고 다른 금속과 합금성이 용이하며 상온 및 고온가공이 용이하다. 대기 중에서 내식성이 우수하고 전기 및 열의 양전도체이다. 알루미늄은 판, 박, 선, 봉, 분말 등의 형상으로 사용되는데 알루미늄 판재가 주로 자동차에 사용된다. 알루미늄 주물을 가장 많이 소비하는 분야는 자동차 공업인데, 차 중량의 경감효과가 크기 때문이다. 알루미늄은 상온에서 판, 봉, 선으로 압연 가공하면 경도와 인장강도가 증가하고 연신율이 감소한다. 알루미늄 합금의 자동차 외장에 적용되는 부품과 합금의 종류로 5000계 합금이 있다. 5000계 합금은 강판과 동등한 정도의 강도를 갖으면서 성형성 및 내식성도 우수하기 때문에 차체 패널용 합금으로서 가장 많이 사용되고 있다. 5000계 합금 중 마그네슘은 알루미늄에 대한 고용도가 높으므로 고용강화를 나타낸다. 최근에는 성형성의 향상을 위하여 5~6% 마그네슘을 함유한 합금도 개발되고 있다. 알루미늄 합금은 강판과 비교하여 인장강도는 비슷하나 연신율이 작다. 또한 가공성을 나타내는 가공경화지수(n값)가 약간 낮으므로 프레스 성형이 강판에 비해 떨어진다.

참고자료

• 〈국민대 자동차 재료학 자동차 외장재 소재별 분류〉, 《해피캠퍼스》, 2012-11
• 마요네즈, 〈알아두면 쓸데 있는 신기한 자동차 차체 이야기〉, 《쌍용자동차 공식 블로그》, 2017-06-22
• 나윤석 칼럼니스트, 〈(스틸 인 테크) 3편. 시대에 따라 달라진 자동차 소재의 향연〉, 《포스코 뉴스룸》, 2017-06-30
• 군포나라, 〈자동차 차체의 발전에 대해서~~〉, 《네이버 블로그》, 2018-11-16
• 고석연 기자, 〈130년 전 막대가 LCD를 품다, 스티어링 휠의 모든 것〉, 《엔카메거진》, 2019-01-03
• 한화케미칼㈜, 〈자동차 연비를 높이는 '플라스틱 복합섬유'〉, 《한화솔루션 공식 블로그》, 2019-01-16
• 모토야편집부, 〈진화하는 자동차산업, 차량 경량화를 이끄는 ‘신소재’ ‘신공법’ 각광〉, 《모토야》, 2019-07-30
• 솔개ㄴ, 〈차체 강성 순위 뜻 프레임 수리〉, 《티스토리》, 2019-07-30
• 정영창 기자, 〈"경량화에 주목하는 자동차 애프터마켓&부품사 산업"〉, 《오토모닝》, 2019-08-20
• 김종화 기자, 〈(과학을읽다)자동차는 플라스틱으로 만든다?〉, 《아시아경제》, 2020-02-04

같이 보기

• 내장재
• 천장재
• 바닥재

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