온실 가스 줄이는 플라스틱 자동차의 활약 [우리가 몰랐던 과학 이야기] (149)

기존에는 무거울수록 자동차는 튼튼하다고 여겼지만 지금은 ‘가볍지만 튼튼한 자동차’가 각광받고 있습니다. 화학기술과 함께 경량화 기술이 발전하면서 엔지니어링 및 탄소 섬유 강화 플라스틱과 같은 복합소재들이 개발되면서 가볍지만 강한 자동차가 등장하고 있는데요.

자동차가 가벼울수록 이산화탄소 배출량이 줄어들어 온실 가스 감축에 도움을 줍니다. 세계적으로 온실 가스 배출 억제 및 자동차 연비 규제가 강화되면서 연비 향상 및 경량화 기술이 주목받고 있는데요. 무거운 강철을 대신하여 자동차 경량화 소재로 떠오른 플라스틱이 어떤 역할을 하고 있는지 자세히 살펴보도록 하겠습니다. 

◆자동차 경량화의 중요성

Green car, conceptual computer artwork.

자동차 무게는 연비 효율을 결정짓는 핵심 요소인데요. 자동차 무게가 줄어들면 연료 소비와 배기 가스 배출 감소는 물론이고 주행 저항 감소, 제동성 및 조종 안정성의 향상 등 차량 전반의 성능을 높이는 효과가 있습니다. 

최근 이산화탄소 배출이 없는 전기차와 수소차가 각광을 받고 있는데요. 이와 같은 친환경 자동차는 배터리 무게로 인한 중량 증가분을 상쇄하기 위해 차체 경량화는 필수입니다. 

◆경량화와 이산화탄소 배출 감소

Exhaust fumes from a car exhaust pipe in freezing weather, UK.

1.5t의 자동차 무게가 약 10% 줄어들면 연비는 3.8%, 가속 성능은 8% 각각 향상하는데요. 여기에다 배기 가스 배출량도 2.5~8.8% 감소합니다. 자동차가 가벼워질수록 연비는 향상되고 이산화탄소 배출은 줄어드는 효과를 가져오게 되는 것입니다.

일반적인 자동차는 2만7000여개의 부품으로 구성되어 있는데요, 사용 부위에 따라 요구되는 물성이 다르기 때문에 각 부품에 따라 적절한 소재를 적용하는 것이 중요합니다. 

◆자동차용 플라스틱 소재

자동차용 플라스틱은 크게 범용, 엔지니어링, 수퍼 엔지니어링, 수퍼 섬유 등으로 나눌 수 있는데요. 범용 플라스틱은 자동차 내·외장재 등에 주로 사용됩니다. 엔지니어링 플라스틱(EP)은 인장 강도 및 내열성 등이 범용보다 우수해 금속을 대체하여 자동차 부품에 쓰이고 있습니다.

이 가운데 EP와 수퍼 섬유에 대해 조금 더 자세히 알아보겠습니다. 

◆금속을 대체하는 엔지니어링 플라스틱(EP)

출처=plastech.biz

엔지니어링 플라스틱(Engineering Plastics)은 금속을 대체할 수 있는 고성능 수지로, 강도와 탄성이 우수하고 100도 이상에서도 견딜 수 있을 만큼 내열성도 뛰어납니다. EP에는 폴리아미드와 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등이 있으며 내충격성과 내마모성, 내열성, 내한성, 내약품성, 전기 절연성이 뛰어나 생활용품과 전기·전자 제품, 항공기 구조재 등 여러 분야에서 이용되고 있습니다. 

◆철보다 가볍지만 10배 강한 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)

탄소 섬유로 차체를 만든 BMW의 ‘2016 7 시리즈(Series). 출처=BMW

탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics·CFRP)은 흑연 섬유로 만든 기재에 에폭시나 불소 수지 등을 적층·가압한 뒤 가열해 만든 복합 소재로, 탄소 섬유 외에 유리 섬유, 아라미드 섬유 등이 있습니다. 

CFRP는 강철보다 75% 가벼우면서도 강성과 탄성은 각각 10배, 7배 우수한 특성을 지니고 있어 철을 대체하는 경량 소재로 각광받고 있습니다. 

플라스틱 하면 환경을 오염시키는 물질이라고 여기기 쉽지만, 이렇게 자동차 무게를 줄여 성능을 높이고 이산화탄소 배출을 줄여 온실 가스를 줄이는데 기여하고 있는데요. 이제 고기능 플라스틱 기술과 함께 이산화탄소 배출이 전혀 없는 친환경 자동차들이 더 많이 도로 위를 달릴 수 있기를 기대해봅니다. 

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