자동차 산업은 수송부문 온실가스 배출량의 약 25%를 차지합니다. 지구 온난화에 대응하기 위한 세계 각국의 강력한 배출가스 저감정책으로 인해 기존의 내연기관을 사용하는 자동차에서도 배출 가스 저감을 위한 투자가 끊임없이 지속되어 왔는데요.
내연기관에서는 다운사이징과 초고장력강 차체소재 사용 등을 통하여 연비 향상을 추구하고 있으며, 이러한 차량의 경량화는 연비를 높이고 이산화탄소(CO2)의 배출량을 줄이며 제동성 향상, 가속성 증대, 도로 보호, 안락성 증대, 주행거리 향상, 자원 재활용, 환경 개선 등의 많은 도전과제를 해결하고 있습니다.
이런 가운데 최근 대학생 자작자동차대회 전기차 부문에서 차량의 동력 효율과 주행성능 개선의 핵심인 차체 중량 절감을 성공적으로 달성하여 우승을 차지한 팀이 있어 화제입니다.
△ 서영대학교 튜닝엑스팀이 자작자동차대회 전기차(EV) 부문 우승을 차지한 뒤 기념촬영을 하고 있다.
10명의 멤버로 구성된 서영대학교 투닝엑스(Tuning-X)팀은 중요한 우승 요소로 포스코 마그네슘 판재를 꼽았는데요. 팀을 이끈 서영대학교 윤재곤 교수님을 통해, 전기차 개발 과정과 경량화 소재 트렌드 그리고 마그네슘 소재의 특장점에 대해 들어 보았습니다.
l 2017 KSAE 대학생 자작자동차대회
2007년부터 시작된 대학생 자작자동차대회는 대학생들에게 자동차 설계 및 제작기술 습득의 기회를 제공하고 자동차 전문가로 양성하기 위해 한국자동차공학회(KSAE)가 매년 주최하는 행사입니다. 올해는 8월 10일부터 12일까지 전북 군산에서 전국 102개 대학, 186개 팀이 참가해 기량을 겨뤘는데요.
경기종목은 125cc 이하의 엔진을 장착한 자동차로 오프로드를 질주하는 바하(Baja), 125cc 이상 650cc 이하의 엔진을 이용하여 만든 차량으로 온로드를 달리는 포뮬러(Formula), 마지막으로 배터리와 모터를 동력원으로 하는 전기차량을 이용하는 EV로 구성되어 있습니다.
l 튜닝엑스 팀의 성공 비결
△ ‘2017 대학생 자작자동차대회’에 출전한 서영대 튜닝엑스팀이 포스코 마그네슘 판재를 적용해 제작한 자동차로 EV(전기차) 부문 우승을 차지했다.
전기차 부문에서 우승을 차지한 튜닝엑스 팀에게 가장 어려웠던 숙제는 바로 높은 배터리 효율성과 차량 경량화라는 두 마리 토끼를 잡는 것이었습니다. 특히 직류전기보다 출력 대비 무게가 높은 교류전기를 사용하는 전기모터를 사용한 튜닝엑스 팀에게는 차량의 무게 감소가 반드시 필요했던 상황이었는데요.
차세대 자동차 시장을 이끌어갈 전기자동차는 전기를 저장하는 핵심장치인 배터리가 ‘주행거리가 짧다’는 단점을 보완하기 위해 점점 대용량화(약 200~500kg) 되어 가고 있습니다. 윤재곤 교수님에 따르면 이러한 노력에도 불구하고 수백kg의 무게를 가지고 1회 충전으로 가능한 주행거리가 수백km를 넘기기 힘든 상황이라, 소비자들의 전기자동차 선택의 폭이 좁을 수밖에 없는 시장 구조라고 합니다.
△ 튜닝엑스팀은 운전자의 탑승 공간인 캐빈(Cabin)의 바닥면, 측면, 후면 판넬에 마그네슘 판재를 적용해 차체중량을 절감했다.
따라서 ‘가볍지만 강력해야 한다.’라는 모순을 해결하기 위해 윤재곤 교수님과 튜닝엑스 팀은 포스코의 도움을 받기로 했는데요. 포스코에서 제작 초기부터 제공한 기술세미나와 마그네슘 개념과 제작 관련 기술교육 등의 도움을 받아, 팀은 시간대비 효과가 가장 좋은 마그네슘 판재를 운전자의 탑승 공간인 캐빈(Cabin)의 바닥면, 측면, 후면 판넬에 적용해 차량의 무게 감소를 달성했고요. 부족한 출력을 위해 전기모터를 트윈으로 설치하여 무게중심을 유지하고, 병렬 제어를 시행하여 배터리의 소모 전력도 고려할 수 있게 되었습니다.
윤재곤 교수님에 따르면 포스코의 사전교육을 통해 시행착오를 줄일 수 있었고, 대회까지 충분히 예비 시간을 가지고 준비함으로써 좋은 결과를 얻을 수 있었다고 합니다.
l 마그네슘 소재의 효과적인 경량화
그렇다면 마그네슘 판재를 적용함으로써 튜닝 엑스팀의 자작차는 얼마나 가벼워질 수 있었을까요?
기존 알루미늄 판재와 비교했을 때 자작차의 전체 중량을 177kg에서 172kg로 5kg의 감소를 이룰 수 있었는데요. 또한, 소재의 가공 시에 제조회사와 같은 전문적인 가공법이 아닌 일반적인 다양한 가공법에도 기존의 알루미늄과 비교하여 거의 유사한 가공성을 나타냈다고 합니다.
윤재곤 교수님은 “마그네슘 합금은 압궤 특성의 신뢰성 향상과 제작 단가 및 조립 단계 등의 현실화를 통해서 미래 경량화 기술 소재로서 자리매김을 할 수 있으리라 예측한다”라며 알루미늄, 복합재료와 함께 앞으로 가장 주목받을 경량화 기술/소재로 마그네슘을 꼽기도 했습니다.
“경량화와 더불어 마그네슘 합금의 여러 가지 장점 중에서 가장 부각되는 것은 단연 환경에 기여하는 부분입니다. 이는 마그네슘 합금의 제작 과정에서의 지구 온난화 촉진 물질을 감소시키는 방법이 가능해지고, 차량의 경량화를 통한 연비 향상으로, 전 세계 자동차 기업의 과제인 배출가스의 감소로 이어질 수 있기 때문입니다.”
대표적인 경량 소재이고 비강도와 비강성이 우수한 복합재료의 사용은 차세대 자동차 경량화 시장에서 가장 중요한 부분 중에 하나인데요.
“지금까지 복합재료는 주로 자동차의 비 구조 파트인 루프 (Roof)나 후드 (Hood) 등에 사용되고 있으며, 동일 용적에 사용 시에 1000kg 단위의 경량화까지 예상합니다. 역시 비강도와 비강성이 우수한 마그네슘도 이러한 비구조 파트에 사용을 늘리는 것과 더불어, 차량에서 너클(Knuckle), 허브(Hub), 휠(Wheel) 등을 기존의 알로이 휠에서 마그네슘으로 적용할 경우 개당 kg단위의 경량화가 가능하기 때문에, 전기차에 적용 시에 더욱 효과적인 경량화를 이룰 수 있으리라 봅니다.”
수많은 연구 조사와 기술 개발이 이뤄지고 있는 가운데, 마그네슘 합금은 폭넓은 시장성으로 운송, 항공우주, 의료, 레져 등 다양한 분야에서 활용되고 있는데요. 이를 통한 경량화로 운전자의 안전을 지켜주는 안전장치의 추가 장착이 가능해지면서 탑승자의 안전과 사회적 손실비용의 감소를 동시에 만족할 수 있을 것으로 예상합니다.
포스코는 2016년 대회 이후 Formula와 EV 부문 우승 팀을 대상으로 마그네슘 판재와 압출재를 무상으로 공급하고 있으며 마그네슘 소재를 더 쉽게 접목할 수 있도록 기술 집합교육을 실시해 학생들이 차량에 마그네슘 소재를 사용할 수 있도록 돕고 있는데요. 앞으로도 이러한 협업을 발전시켜 산학협력 관계를 구축하고, 미래의 자동차 주역인 학생들에게 더욱더 많은 기회를 제공할 예정입니다.