자동차 경량화 신소재 접합 문제 해결

발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 최근 대기오염과 이산화탄소 저감과 같은 환경 문제가 대두되면서, 자동차 업계에서는 배출가스 저감 및 연비 향상을 위해 차체의 경량화가 중요한 과제로 떠오름.
• 기존의 자동차 제작에서는 일반 강판(MS)을 사용했지만, 최근에는 고강도와 경량화를 동시에 실현하기 위해 고장력강(HSS) 및 초고장력강(UHSS)과 같은 신소재를 사용함. 그러나 이러한 신소재는 기존의 접합 방식으로는 부식 방지나 구조적 강성을 충분히 보장할 수 없음.
• 대부분의 차체 수리 시 작업자가 소재의 특성을 고려하지 않고 임의의 방법으로 접합함에 따라 패널이 원래의 성능을 발휘하지 못하고 조기 부식되거나 강도가 저하되는 문제가 발생했음.

기술의 필요성

• 고장력강(HSS)와 초고장력강(UHSS)이 적용된 자동차는 수리 시 일반 강판과는 다른 접합 방법이 필요함. 이는 접합 방식에 따른 응력 변화를 분석하여 최적의 접합 방법을 선택해야 하는 복잡성을 가짐.
• 응력 분석을 통해 적절한 접합 방법을 적용하면 부식을 방지하고 강성을 유지하여 접합 성능을 최적화할 수 있음. 이는 자동차의 안전성과 수명을 연장하고, 유지비용을 절감하는 데 중요한 요소가 됨.

구현방법

기술의 원리

• 본 발명은 다양한 접합 방법(Bond 접합, CO2 용접, Spot 용접, Rivet 접합 등)에 대한 응력 변화를 분석함으로써 각 패널 소재에 맞는 최적의 접합 방법을 도출하는 것임.
• 이렇게 도출된 데이터는 인공지능(AI) 알고리즘을 통해 데이터베이스로 구축되며, 각 재료별로 원재질의 변형과 특성의 변화를 최소화하면서 강성을 유지하고 부식을 방지하는 접합 방법을 적용하도록 함.

구체적인 구현 방법

• 1. 데이터 수집 단계: HSS 및 UHSS 소재를 이용하여 본드 접합, CO2 용접 등을 적용한 시험편을 제작함. 각각의 시험편에 대해 인장 시험을 수행하여 응력 변화를 데이터로 수집함.
• 2. 데이터 분석 단계: 수집된 데이터를 바탕으로 각 접합 방법에 따른 응력 변화를 분석하고, 패널 소재와 접합 방법 간의 관계를 데이터베이스로 구성함.
• 3. 접합방법 결정 단계: AI 알고리즘을 이용하여 입력된 작업 대상에 대해 최적의 접합 방법을 결정함.
• 4. 접합작업 수행 단계: 결정된 최적의 접합 방법에 따라 작업이 자동으로 수행되도록 함.

발명의 활용 방안

활용 방안

• 고장력강 및 초고장력강이 사용된 차량의 수리 시, 본 발명의 접합 방법을 통해 강성을 유지하고 부식을 방지할 수 있음.
• 제조업체와 수리업체 모두 이 기술을 활용하여 자동차의 품질과 안전성을 높이며, 소비자 만족도를 증대 시킬 수 있음.
• 또한, 다양한 차량 모델에 대해 데이터베이스를 구축하여 맞춤형 수리 방법을 제공할 수 있어 효율적인 차량 관리가 가능해짐.

기대효과

기대효과

• 수리 시 최적의 접합 방법을 적용하여 패널의 부식을 방지하고 강성을 유지함으로써 자동차의 수명 연장에 기여함.
• 응력 분석을 통한 최적 접합 방법을 사용함으로써 접합 성능을 극대화하여, 차량의 안전성을 높이고 사고 발생 시 탑승자의 보호 기능을 강화할 수 있음.
• 자동차 제조사와 수리업체는 이 기술을 통해 유지비용을 절감하고, 환경 보호에도 기여할 수 있음.

시장 동향

자동차 경량화 시장 동향

• 현대·기아차는 2020년 연비 25% 향상을 목표로 선언한 이후, 부위별로 두께가 다른 초고장력 강판 성형과 알루미늄 및 초경량 접착제 등을 활용해 경량화 노력을 지속하고 있음
• 한화는 유리섬유 강화 열가소성 플라스틱(GMT) 및 저중량 강화 열가소성 플라스틱(LWRT)을 개발해 자동차용 경량 복합소재 시장 참여를 확대 중임
• 자동차 경량화는 차량 중량 증가를 상쇄하는 중요한 기술적 우위로, 1500㎏ 무게의 승용차 무게를 약 10% 줄이면 4~6%의 연비 증가와 2.5~8.8% 수준의 배출가스 배출량을 줄일 수 있음
• 전기차 판매 증가에 따라 자동차 경량소재 시장이 연평균 7.3%의 성장률로 2020년 696억 달러에서 2025년 993억 달러 규모로 증가할 것으로 예측됨
• 자동차 연료 소비의 약 23%가 차량의 중량과 연관이 있어, 차량 경량화가 연비와 배기가스 감소에 직접적으로 기여함
• 완성차업체들은 경량화 연구에 공격적인 투자를 이어가고 있으며, 특히 신소재 개발에 중점을 두고 있음

고장력강 시장 동향

• APAC은 59% 이상의 점유율로 초고장력강 시장을 장악하고 있으며 북미와 유럽이 그 뒤를 따름. APAC 경제는 주로 중국과 인도의 경제 동향에 영향을 받지만 동남아시아 경제 발전을 위한 외국인 직접 투자가 증가하며 시나리오가 바뀌고 있음. 동남아시아 국가들은 항공 및 자동차 산업에서 높은 성장을 보이고 있음.
• 세계철강협회(World Steel Association)에 따르면 매년 전 세계적으로 평균 95억 대의 차량이 생산됨.
• 유럽은 지역 AHSS 수요의 약 28.3%를 차지하는 독일이 지배하고 있음. 독일은 EU에서 가장 큰 자동차 제조업체이자 수출국이며, 독일 OEM은 연구 개발에 2022년 미화 126억 달러를 투자했음. 이는 전 세계 자동차 R&D 투자의 33%를 차지함. 독일은 전기 자동차 시장에서도 가장 빠르게 성장하는 유럽 국가 중 하나임.

초고장력강 시장 동향

• APAC은 59% 이상의 점유율로 초고장력강 시장을 장악하고 있으며 북미와 유럽이 그 뒤를 잇고 있음
• 독일은 EU에서 가장 큰 자동차 제조업체이자 수출국으로, 독일 OEM은 연구 개발에 미화 2022억 달러를 투자함
• 초고장력강(AHSS) 시장은 이중 위상(DP), 마르텐사이트(MS), 변환 유발 가소성(TRIP), 트위닝 유도 가소성(TWIP) 등 여러 유형으로 분류됨
• 차량 유형별 초고장력강(AHSS) 시장은 승객용과 상업용으로 구분됨
• 인장 강도별 초고장력강(AHSS) 시장은 최대 600MPA, 600-900 MPA, 900-1200 MPA, 1200-1500 MPA, 1500 MPA 이상으로 나뉨

자동차 접합 기술 시장 동향

• 로봇 레이저 용접 시장은 레이저 기술과 로봇의 지속적인 발전에 의해 추진됨. 이러한 기술 간의 시너지는 정밀, 속도 및 용접 공정의 효율성을 향상시킴. 향상된 레이저 소스, 고급 제어 시스템 및 협업 로봇 플랫폼이 채택을 증가시킴.
• 자동차 및 항공 산업의 성장은 로봇 레이저 용접 시장에서 주요 성장 동력임. 레이저 기술의 지속적인 발전은 정밀, 속도 및 용접 공정의 효율성을 향상시킴. 예측 기간 2024 - 2032년 간 연평균 성장률(CAGR)은 8.5%를 기록할 것으로 예상됨.
• 2023년 로봇 레이저 용접 시장 규모는 15억 달러였으며, 2032년까지 30억 달러로 성장할 것으로 예측됨.
• 2023년, 자동차 및 운송 부문은 약 40%의 시장 점유율을 차지했으며 2032년까지 크게 성장할 것으로 예상됨. 경량 및 연료 효율적인 차량 생산의 정밀 및 고품질 용접에 대한 수요는 로봇 레이저 용접 기술의 채택을 증가시킴.
• 기술의 지속적인 발전으로 경량, 연료 효율적인 차량을 생산하는 데 로봇 레이저 용접이 중요함. 민감한 부품에 대한 적합성, 전자 및 항공 산업에서의 응용 분야가 증가하고 있음.

자동차 수리 시장 동향

• 자동차보험사들이 부담한 자동차 수리 비용이 2023년 4월 전년 동월 대비 20.2% 상승했음. 같은 기간 15.5% 오른 보험료보다 가파르게 상승했음. 한층 복잡해진 차량 시스템과 민감하게 작동하는 각종 센서들이 탑재되면서 수리 비용이 대폭 늘었음.
• 국내 자동차 튜닝시장 규모는 2016년 2조1000억원에서 2020년 6조원으로 성장했으며, 2030년에는 10조5000억원에 이를 것으로 예상됨. 고가 차량의 증가세도 뚜렷함.
• 국내 자동차 등록 대수는 2007년 1600만대에서 2020년 2436만대까지 약 1.4배 증가했음. 이에 따라 자동차 관련 시장 규모는 지속적으로 증가할 것으로 전망됨. 국내 자동차 애프터마켓 규모는 140조원에 달하는 것으로 추산됨.

AI 기반 자동차 기술 시장 동향

• 자율 차량 시장은 2032년까지 30억 달러 이상을 기록할 것으로 예상됨.
• 자동차 시장에서 AI는 2022년 약 2억 달러를 기록함. 자율적이고 반 자율적인 자동차가 여러 센서에서 데이터를 수집하여 다양한 온로드 시나리오를 식별하고 인식하는 차량을 지원함.
• 자동차 시장의 AI 크기는 2022년에 6억 달러를 초과했으며 2023년에서 2032년까지 55% 이상의 연평균 성장률(CAGR)을 보일 것으로 예상됨.
• 주요 완성차 제조업체들이 AI 기술을 자동차 제조 공정에 통합하고 있음. AI를 통한 제조방식은 품질 문제를 해결하면서도 비용을 줄이는 데 도움을 줌.
• Advanced Driver Assist System (ADAS) 레벨 2 기술의 채택 증가로 자율주행 기술 응용이 촉진되고 있음.

환경 친화적 자동차 기술 시장 동향

• 2023년 기아의 글로벌 시장 판매 목표는 320만 대, 2026년 401만 대, 2030년 430만 대임. 이 중 친환경차 비중을 2023년 21%에서 2030년 55%로 늘릴 계획임
• 기아는 2027년까지 전기차 라인업을 15종으로 확대하고, 2026년 연간 전기차 판매 100만 대, 2030년 160만 대의 판매 목표를 설정함
• 하이브리드차(HEV) 시장은 2022년에 2718억 달러로 추산되며, 2030년에는 4439억 달러까지 성장할 것으로 예상됨. 연평균 성장률은 7.3%임