요즘 자동차 업계는 한창 다이어트 중입니다. 강화되는 환경규제와 에너지 저감 트렌드에 따라, 자동차 무게는 줄이고 연비와 성능은 높이려는 차량 경량화 기술 개발 및 적용이 매우 중요해졌는데요. 그 일환으로 현대케피코에서도 플라스틱 하우징 ETC를 선행 개발하고 있습니다. 플라스틱 하우징 ETC 개발의 주역인 심현석 책임연구원, 김보경 책임연구원, 김진관 연구원에게서 보다 자세한 이야기를 들어보았습니다.
차량 경량화가 자동차 업계의 거스를 수 없는 대세로 떠올랐습니다. 환경 규제 강화로 인한 엔진 다운사이징과 에너지 효율을 개선해 연비를 높이려는 움직임, 고객들의 환경보호 인식 향상과 제조사의 원가 절감 노력 등이 맞물려 점점 더 가벼운 자동차가 속속 등장하고 있는데요. 현대케피코도 현재 쓰고 있는 부품과 동등 수준 이상의 성능을 발휘하면서도 불필요한 부분과 무게를 쏙 뺀 경량화 부품을 꾸준히 개발하고 있습니다. 현재 개발이 한창인 플라스틱 하우징 ETC도 이 중 하나입니다.
ETC(Electronic Throttle Control valve, 전자식 스로틀 밸브)는 가속 페달의 움직임에 맞춰 엔진에 공기를 공급하는 자동차에 있어 매우 중요한 장치입니다. 지금까지는 알루미늄으로 ETC를 만들어 왔는데, 한층 가벼운 플라스틱으로 하우징을 만들려는 연구가 곳곳에서 진행돼 왔지만 보편화까지는 이르지 못했습니다. 하지만 최근에는 상황이 달라졌습니다. 알루미늄을 대체할 수 있을 정도의 플라스틱 물성이 확보됐고, 사출 기술도 발전했기 때문인데요. 이에 따라 현대케피코는 플라스틱 하우징 ETC를 선행 개발하기로 결정하고 2018년 3월부터 개발에 매진하고 있습니다. 제품설계2팀 김보경 책임연구원은 플라스틱 하우징 ETC가 단순한 소재 변경, 그 이상의 의미를 지닌다고 말했습니다.
“플라스틱 하우징 ETC는 말 그대로 ETC의 하우징을 플라스틱으로 만든 제품입니다. 이를 통해 차량 경량화는 물론 원가 절감도 동시에 이룰 수 있죠. 더욱 중요한 점은, 플라스틱 하우징 ETC가 최소한 기존 알루미늄 ETC 이상의 성능을 발휘해야 한다는 것입니다. 특히 ETC는 주행성능과 안전에 직접적인 영향을 미치기에 약간의 오작동도 허용할 수 없습니다. 이에 따라 플레이트 보어·기어 축 지지·베어링 압입부 등 세 가지 기능부를 하나로 통합한 알루미늄 인서트 부품을 함께 적용했습니다. 다시 말해 ETC의 핵심적인 부분은 신뢰성 높은 알루미늄으로, 외부는 플라스틱으로 만듦으로써 경량화 정도와 기술적 완성도를 함께 높인 것입니다.” - 제품설계 2팀 김보경 책임연구원
플라스틱 하우징 ETC는 부품 경량화라는 목표를 넉넉히 달성하고 있습니다. 기존에 쓰던 알루미늄 재질은 밀도가 2.7g/cc인 반면, 이번 개발에 사용된 플라스틱 재질은 1.4g/cc에 불과합니다. 동일한 부피에서 약 절반가량 가벼워지는 셈입니다. 또한 플라스틱은 재질 특성상 사출 시 알루미늄 대비 복잡한 형상을 구현할 수 있습니다. 덕분에 불필요한 부분을 효과적으로 제거, 무게를 한결 더 줄일 수 있었습니다. 재료개발팀 심현석 책임연구원은 “플라스틱 수지와 알루미늄 인서트를 단단하게 붙이는 것도 주요 과제였다”며 말을 이었습니다.
“플라스틱과 알루미늄은 서로 다른 화학적 특성을 지니기 때문에 잘 달라붙지 않습니다. 따라서 밀착력을 높이기 위해 접촉면적을 최대화하고 기계적 결합을 강화할 수 있는 형상 설계가 매우 중요했는데요. 이 문제를 해결하기 위해 국내외 각종 논문 및 사례를 참고했고, 알루미늄 특수 표면처리를 적용했습니다. 또한 플라스틱 사출이 제대로 이뤄질 수 있도록 여러 관련 조건을 끊임없이 개선·보완했죠.” - 재료개발팀 심현석 책임연구원
커버 체결 방식도 변경됐습니다. 기존 ETC는 4~6개의 나사로 커버를 체결했지만, 플라스틱 하우징 ETC는 커버와 하우징을 모두 플라스틱으로 만들었기에 둘 사이를 레이저로 용접했습니다. 제품설계2팀 김진관 연구원은 이로 인해 기밀성능이 한층 높아졌고, 불필요한 부품 삭제로 원가도 절감할 수 있었다고 이야기했습니다.
“보다 완벽한 전 둘레 레이저 용접을 위해 많은 부분을 변경했습니다. 양산 중인 알루미늄 ETC의 커버 형상을 그대로 가져오면 레이저로 용접하기가 쉽지 않습니다. 굴곡이 많을수록 레이저 출력 차이로 각 부위의 용접력에 차이가 생기기 때문이죠. 따라서 커버 둘레 형상을 최대한 타원에 가깝게 만들고 하우징과 맞닿는 부분을 대칭 형상으로 설계해, 모든 둘레가 고르게 용접될 수 있도록 했습니다.” - 제품설계2팀 김진관 연구원
플라스틱 하우징 ETC 프로젝트 팀원들은 지금껏 만난 난제들을 꼼꼼하게 극복해 왔습니다. 이러한 노력의 결과로 2년여가 흐른 현재, 양산 최적화 단계를 밟는 중입니다. 고객사의 경량화 움직임을 반영한 선행 개발 제품이기에 당장 엔진에 적용할 수는 없지만, 추세에 비춰볼 때 서서히 알루미늄 ETC를 대체해 나갈 것으로 전망되는데요. 특히 부품 경량화가 곧 자동차 전체의 성능으로 연결되는 하이브리드 자동차 등 친환경 분야에서 도입을 서두를 것으로 예상됩니다.
현대케피코가 제품 경량화의 최전선에서 활약하는 만큼, 자연스럽게 전체적인 경량화의 방향성에 대해서도 이야기를 나눴습니다. 가장 먼저 고려해야 할 점은 ‘성능’인데요. 무게를 많이 줄였더라도 기존 제품 대비 성능이 떨어지면 아무런 소용이 없기 때문입니다. 경량화를 위해 성능을 낮춰서는 안 될뿐더러, ETC처럼 주행성능 및 안전과 직결되는 부품의 경우 더더욱 동등 수준 이상의 능력을 발휘해야 추후에 문제가 발생하지 않습니다. 이와 함께 다양한 소재에 대한 연구와 생산공법에 대한 고민이 더해진다면, 더 많은 경량화 제품이 성공적으로 개발될 것이라는 게 세 연구원의 설명입니다.
“저희도 지금까지 이러한 점을 명심하고 많은 부분들을 개선해 왔지만, 여전히 몇 가지 과제들이 남아 있습니다. 알루미늄의 사용량을 줄여 무게를 더욱 감량해야 하고, 이를 위해 형상 및 위치 최적화를 꾸준히 수행하는 중입니다. 현재는 하우징 무게의 30% 정도만 덜어낸 상태지만, 다른 부품들도 경량화해서 최종적으로 기존 ETC 총 무게의 30%를 절감이라는 목표를 달성하겠습니다.”
많은 사람들이 ‘더하는 것보다 빼는 게 어렵다’고 말합니다. 차량 경량화도 마찬가지인데요. 가벼워진 무게로 기존 이상의 성능을 구현해야 하기에 무언가를 더하는 것 이상의 혹독한 과정을 거쳐야 합니다. 하지만 ‘차량 경량화는 곧 4차 산업혁명 시대의 경쟁력’이라는 사명감을 바탕으로 오늘도 그 어려움을 기꺼이 헤쳐 나가고 있습니다. 현대케피코의 ‘빼기의 미학’은 현재 진행형입니다.
글. 강진우
HMG 저널 운영팀
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