○ 과거 자동차 추세나 현재 기술 돌파구, 자동차 제조회사들의 최근 발표들을 살펴보면, 자동차 중량감소가 자동차 성능, 이산화탄소 재출, 연료 경제성을 위한 중요한 기술 목표임을 명쾌히 알 수 있음. 차 중량감소기술은 가속기, 크기, 화물 용량, 구조 통합 등의 다른 차량 특성의 조합없이 차 중량을 감소시키는 잠재력을 제공하고 있음.

○ 규제당국이 보다 엄격한 미래 CO2나 연료경제성 기준을 평가하고 있으며, 차량 중량 감소 기술이 첨단 연소기술이나 하이브리드 시스템 기술처럼 효율성 기술과 함께 이용될지는 명확하지 않음. 이 보고서는 현재 자동차 추세, 연구조사, 차량 중량 최적화에 대한 발전된 개념을 조사하여 질량에 관하여 자동차가 나아가야 할 바를 결정하고자 함.

- 차량 중량이 차량 CO2 배출의 가장 중요한 부분으로 중량 감소를 통해 필요한 에너지를 줄임으로써 CO2 배출을 줄일 수 있음.

○ 자동차 제조회사들은 새로운 차 모델에 다양한 진보된 재료를 활용하고 있음. 고강도 스틸, 알루미늄, 마그네슘, 플라스틱과 같은 대안재료가의 경쟁은 부품별 차 중량감소를 위한 풍부한 옵션을 가능하게 하고 있음. 또한 고강도 스틸이나 알루미늄을 주로 이용하는 차체 구조 설계가 시작되어 차 모델 중량이 점진적으로 감소하고 있음. 초소 제조비에 의한 중량감소 기술은 2015-2020년에 새 차량 중량에 20%까지 절감할 것으로 기대함. 이러한 기술은 차량 크기와 성능이 일정하게 유지되면서 CO2 배출을 12-16%까지 감소하는 결과를 가져올 것임.

표 1. Examples of overall vehicle weight reduction from production vehicles

- 2011년 Porsche Cayenne 모델은 2010년 모델보다 실제로 약간 크나 중량감소 기술을 이용하여 10% 중량을 줄이고 있으며(총 396 lb 감소), 첫 번째 하이브리드 모델로 출시될 예정임.

                                    그림 1. 2011 Porsche Cayenne model

○ 자동차 중량 감소기술 추세에 대한 연구 결과는 다음과 같음

- 차량 중량감소 기술은 역사적으로 핵심적인 효율성 기술이었음. 전륜 구동, 일체형바디 구조, 고강도 스틸, 알루미늄, 플라스틱 등 강하고 저밀도 재료를 활용한 차량 중량 효율 설계쪽으로 전환되고 있으며, 이러한 혁신적인 중량감소 기술은 기술적인 차량 효율성을 점차 증가해 오고 있지만, 차량크기, 내부 부품과 성능 등으로 효율적인 개선은 아직 미미한 수준임.

- 차량 중량감소 기술은 중요한 첨단 효율 기술임. 혁신적인 재료, 기술의 구성, 통합 차량부품과 전체적인 차량설계의 미래 트렌드는 연료 경제성 향상과 CO2 배출 감소에 관한 고단기간 동력전달 기술(밸브트레인, 급속충전, 직접주입, 이중 클러치) 만큼이나 유망한 상황임. 차량 중량에 있는 20% 감소를 위한 조기 기술의 적용은 CO2 배출의 12-16%를 감소할 것임.

- 2가지 Lotus 차량(Low and High Development)과 the Volkswagen-led Super Light Car design의 기초재료 분류를 통한 차량 재료구성에 의한 중량 감소를 살펴보면, 알루미늄과 스틸기반 접근발식은 단일 금속방식이 다중재료 방식에 비해 중량감소에 효과적임을 보여줌. 고강도 스틸 바디로부터 30-46% 차체중량감소를 가져왔으며, 전체 알루미늄 차체설계로부터 47%의 중량 감소를 가져옴.

그림 2. Material composition of mass-optimized vehicle body designs

- 제조회사별로 상이한 수준의 중량감소 기술을 이용함. 중량감소기술은 양자택일의 문제가 아닌, 제조회사는 설계단계에서 차 중량을 고려해야 함. 기술적으로 모든 차량은 어느 정도까지 중량체적화기술을 사용하고 있음. 그러나 상대적인 중량 최적화 모델은 그 모델 설계를 이용하는 재료나 부품, 시스템에 의해 결정됨.

- 주요 제조회사별 상이한 전략적 접근 방식으로는

1) Steel-insentive design으로 중량을 15-40%까지 줄일 수 있으며, Many OEMs, ThyssenKrupp, Porsche, Auto/Steel, EDAG, Ford, Lotus, VW 등에서 채택함.

2) Aluminum-intensive design으로 중량을 30-45%까지 줄일 수 있으며, Audi, GM, Honda, Jaguar, Ford 등이 채택하고 있음.

3) Multi-material design으로 중량을 30-50%까지 줄일 수 있으며, VW/Superlight car, Lotus, DCX 등에서 채택됨.

4) Carbon-intensive design으로 중량을 40-60%까지 줄일 수 있으며, Dodge, RMI 등에 채택하고 있음.

- 차 중량 감소 기술의 범위는 구성부품 대체부터 주요 차체 재설계까지에 이름. 모델 재설계시 제조회사들은 거의 추가 제조비용이나 패러다임 변화 기술없이 차 중량의 20%까지 감량할 수 있음. 전체 차량을 조명해 볼 때, 중량최적화 설계는 동력전달, 차대 및 구조 시스템 등에 2차 중량 감소 기회를 가져옴. 많은 기술 연구들은 20-35%의 차 중량 감소는 발전된 중량감소 기술로의 자동 기술변화로 실현 가능하다고 보고 있음.

- 주요 중량감소를 위해 다수의 중량최적화 전략이 경쟁하고 있음. 제조회사별로 상이한 재료, 제조과정, 부품으로 특성화하고 있으며, 기존의 중량최적화 차량설계는 상이한 접근방법별로 구조 성능목표를 초과하면서 어떻게 30-40%의 차체중량 감소를 달성할 수 있는지를 증명하고 있음. 차체에 탄소섬유복합물질을 이용하는 향후 설계는 차 중량 감소분야에 더 진행될 것임.

- 중량 최적화 설계 프로젝트를 통해 차체 중량을 16-57%까지 줄일 수 있으며, 평균 차량 설계는 30%의 차량중량 감소를 가져 올 것을 기대됨. 소형 등급의 차량생산 설계(Honda NS-X, Audi A2, Audi A8, Jaguar XJ)에서는 30-40% 감소, 중량 감소 차체인 프로토타입 차량설계는 20%(IMPACT weight-reduced Ford F150)에서 54%(Ford P2000)까지 감소, 가장 최근의 공학중량 최적화 설계는 16%(Lotus Low Development vehicle)에서 49%(the U.S. AMP aluminum-magnesium design)까지 감소하였음. 탄소섬유차체인 RMI Revolution는 차체 중량의 57%까지 감소하였음.

그림 3. Mass reduction from the body structure of mass-optimized vehicle designs

- 중량 감소는 향후 발전된 차량기술과 함께 보다 중요하게 성장할 것임. 공공의 압력, 정부의 인센티브, 기술혁신의 조합은 전력차 개발로 몰아가고 있음. 모든 종류의 전기차는 기존의 가솔린 차량보다 더 중량감소기술의 혜택을 받을 것으로 기대됨. 중량 감소 기술은 특히 고비용 전기 동력전달장치의 크기를 줄일 수 있는 잠재력 때문에 미래 전기차량의 핵심 기술로 이용가능함.

○ 정책관련 연구결과로는

- 차량 효율성 정책은 중량감소 재료와 설계 등을 포함한 모든 효율성 기술에 이행 인센티브를 제공함.

- 상대적인 느슨한 연료 경제성이나 CO2 배출 기준 하에 중량감소 기술은 대형 및 급속 차량에는 적용되기 어려웠음.

- 연료 경제성에 대한 규제 기준이나 CO2 배출은 차량 효율성을 위해 중량감소 기술 추세를 포착할 수 있음

- 중량감소기술은 잠재적인 녹색기술 성장 분야임.

▣ 원문제목 : Review of technical literature and trends related to automobile mass-reduction technology