가벼운 자동차 연비 효율 좋은 이유 [우리가 몰랐던 과학 이야기] (186)

최근 자동차 업계에서 가장 주목받는 핫이슈는 바로 무게 줄이기, 즉 경량화입니다. 세계 각국의 환경 및 연비 규제 강화에 따라 경량화는 경쟁력을 좌우하는 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 또한 전기차와 수소차 등 친환경 자동차가 증가함에 따라 연비 및 성능 향상을 위해 경량화 기술이 더욱 중요하게 부각되고 있습니다.

자동차 무게가 5% 줄면 연비는 1.5% 향상된다고 하는데요. 자동차 경량화와 연비는 어떻게 연관이 있고, 경량화를 위해서는 어떤 기술이 필요한지 알아보겠습니다.

◆자동차 경량화의 의미

자동차 경량화는 말 그대로 무게를 가볍게 하는 기술을 뜻합니다. 전 세계적으로 자동차 업체들은 무게를 1g이라도 줄이기 위해 다양한 소재 개발 및 연구에 노력하고 있습니다.

단순히 무거운 소재를 가볍게 바꿨다고 경량화라고 하지 않습니다. 가벼워진 만큼 튼튼하고 단단하게 만들어야 경량화를 이루었다고 할 수 있습니다.

◆자동차 연료 소비와 차체 중량의 관계

전기자동차(EV) 중량에 따른 주행효율 향상관계 그래프. 출처=자동차부품연구원

현대자동차에 따르면 자동차 연료 소비의 약 23%는 차량의 중량과 연관이 있습니다. 무거울수록 연료 소비가 늘어난다는 것입니다.

자동차부품연구원에서 양산화된 전기차 주행거리와 무게의 연관성을 분석한 결과 차량 무게가 1% 줄어들 때마다 주행거리가 0.53% 길어지는 사실을 발견했습니다. 차량 무게의 감소와 주행거리가 직접적으로 연결되어 있다고 확인한 셈입니다.

◆경량화가 중요한 이유

자동차 무게는 연비 효율을 결정하는 핵심 요소입니다. 연료 소비 및 배기 가스, 주행 저항의 감소, 제동성 및 조정 안정성의 향상 등 차량 전반에 걸쳐 성능을 향상시켜주는 역할을 합니다. 또한 자동차 무게를 100㎏ 경량화했을 때 하루 평균 연료는 160만ℓ, 온실 가스는 200만㎏의 절감 효과를 각각 달성할 수 있다고 합니다.

전기차 등 친환경 자동차에서 경량화의 중요성은 더욱 강조됩니다. 전기차는 내연기관이 없어 그만큼 무게가 덜 나갈 것 같지만, 전기를 이용해 구동해야 하기 때문에 무거운 배터리가 탑재돼 있습니다. 무게가 가벼울수록 일정한 배터리 용량으로 갈 수 있는 주행거리는 더 확보될 수 있습니다.

◆3대 자동차 경량화 방법

자동차 경량화를 위한 방법으로는 구조(설계)와 공법, 소재 등 크게 세 가지로 나눌 수 있습니다.

-구조의 경량화

차체 혹은 섀시(차대) 구조의 형상 최적화를 통해 부위별로 요구되는 강도를 만족시키는 동시에 무게를 줄이는 방법입니다.

-공법의 경량화

일체화를 통한 부품 수 및 소재 사용량을 각각 낮추는 등 기존 소재를 보다 정교하게 가공하는 방법입니다.

-소재의 경량화

무거운 강철 소재를 가볍지만 단단한 경량화 소재로 교체하는 방법입니다.

새로운 구조 및 공정 변경에는 비용이 많이 들고 적용 범위에 한계가 있다는 점에서 경량 소재를 적용하는 방법이 경량화 효과가 가장 뛰어나다는 평가를 받고 있습니다.

◆자동차 경량화 소재의 종류

자동차 차체 및 부품 등은 부위별로 요구되는 특성이 다르기 때문에 거기에 맞는 소재를 선택해야 합니다. 주로 고장력강이나 알루미늄 합금, 플라스틱, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP·Carbon Fiber Reinforced Plastics)이 주요 경량화 소재로 주목받고 있습니다.

특히 우수한 강도와 탄성, 뛰어난 내열성으로 금속을 대체하는 소재로 엔지니어링 플라스틱(Engineering Plastics)이 각광받고 있습니다. 엔지니어링 플라스틱에는 폴리아미드와 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET·페트) 등이 있습니다.

또한 CFRP는 강철보다 75% 가벼우면서도 강성과 탄성은 각각 10배, 7배 뛰어나 철을 대체하는 경량 소재로 각광받고 있습니다.

◆공기를 맑게 하는 #경량화 효과