Hot Tech - 경량소재를 적용한 자동차 조향·현가 부품의 연구개발
HOT TECH에서는 혁신기업의 기술력과 성과, 성공 노하우, 업계 동향과 전망을 살펴봅니다.
글·사진_ (주)센트랄 중앙연구소
자동차 산업 발전을 이끄는 중견기업 ‘센트랄’
경상남도 창원에 본사를 두고 있는 (주)센트랄은 한국의 자동차 제조 기술력을 세계에 알리고 있는 자동차부품 전문 기업이다.
창립 이후 연구개발에 힘써 온 센트랄은 차량용 핵심 보안 부품인 조향 및 현가장치 부품을 국산화하여 개발했으며, 이를 계기로 부산·경남지역의 현대 자동차(당시) 협력업체로 거래를 시작하였다.
이후 사업영역을 트랜스 미션, 엔진, 파워트레인에서부터 브레이크 모듈까지 확장하며 자동차 부품 전문 기업의 면모를 갖추고 있다.
센트랄은 기술연구소 및 중국 장가항 현지 법인, 미국 디트로이트 지사, 독일 프랑크푸르트 지사를 운영하며 연구개발과 영업망 확대에 주력하고 있다.
주요 생산품으로는 조향 운동을 바퀴에 전달하는 타이로드엔드(Tie Rod End), 바퀴의 움직임을 컨트롤하는 역할을 하는 컨트롤 암(Control Arm), 차량주행시 노면에서 오는 충격을 완화하는 역할을 하는 볼조인트(Ball Joint) 등이 있다.
센트랄은 품질에 대한 엄격한 기준과 연구개발에 대한 지속적인 노력으로 현대기아자동차를 비롯하여 GM, 벤츠, BMW, 테슬라 등 113개 고객사에 공급하며 생산품의 70% 이상을 해외로 수출하고 있다.
특히 2009년부터는 GM으로부터 세계 80여 협력업체만 선정되는 ‘최우수 협력업체’로 4년 연속하여 선정되는 등 기술력을 인정받았다.
‘고객의 가치를 창조하는 혁신기업’이라는 비전을 바탕으로 신 설비 투자 및 신공법 개발 등으로 지속적인 변화와 발전을 추구하고 있는 센트랄은 2020년 ‘자동차부품 글로벌 100대 기업 진입’이라는 목표를 향해 나아가고 있다.
기술 개발의 배경
지구 온난화 문제를 계기로 자동차의 고연비화에 대한 움직임이 한층 가속화되어 경량화 요구가 높아지고 있다.
연비 향상 기술에는 기계의 효율향상과 주행 저항의 저감에 관계되는 ‘연비기술’과 재료 변경 등으로 인한 ‘경량화 기술’이 있다.
이 중 경량화 기술은 연비 개선뿐만 아니라 주행, 주행방향의 변경, 승차감과 같은 자동차의 운동 성능 향상을 위해 중요한 기술적 위치에 있다.
최근에는 유럽, 미국 등 자동차 선진국을 중심으로 경량형 자동차 부품의 수요가 꾸준히 증가하고 있는데, 플라스틱, 알루미늄, 마그네슘, 고강력 강판 등의 경량화 재료들이 기존 철강재료의 대체재로 부각되고 있다.
현재 많은 자동차부품 업체가 경량화 부품 개발 연구에 박차를 가하고 있다.
중국, 인도, 터키 등에서 저가형 제품 개발이 늘어나 경쟁업체가 증가하고 있고, 동종 업계대비 성능 우위 확보의 필요성이 커짐에 따라 고품질, 중량저감, 비용절감 등의 고객요구가 확대되고 있다.
이에 센트랄은 2003년부터 경량화 소재를 적용한 부품을 개발하는 연구에 힘쓰고 있다.
기술력 및 개발성과
(1) 알루미늄 단조 컨트롤 암 개발
컨트롤 암(Control Arm)은 타이어 부근의 너클(Knuckle)과 크로스 멤버(Cross Member)를 볼조인트(Ball Joint) 및 부시(Bush)로 연결하는 구조로 되어 있다.
이 컨트롤 암은 타이어의 안쪽에 위치하여 노면으로 입력되는 하중을 차체에 전달하는 역할을 하며 휠(Wheel), 타이어, 제동장치 등을 연결하여 지지하는 부품이다.
컨트롤 암의 형상은 장착 구조에 따라 L자, 부메랑 및 Link 구조이며, 서스펜션 지오메트릭의 결정과 조립성을 염두에 두고 설계된다.
과거 컨트롤 암의 설계에는 차량 간섭을 피하고 목표 성능을 만족하는 수준이면 되었기 때문에 과설계(Over - Design)되어진 경우가 많았다.
과설계는 차량의 무게를 증가시키고, 이는 연비 감소로 이어진다.
차량의 경량화는 과설계를 피하고 목표 성능을 만족하는 제품을 설계해야 이룰 수 있다.
현재 센트랄은 다양한 기술을 접목하여 경량화된 제품을 설계하고 있는데, 이 중 형상최적설계(Shape Optimum Design) 기법을 도입하여 컨트롤 암을 설계하고 있다.
기존의 설계에서는 모델링을 직접 수정하여 제품을 해석적으로 평가하고 이와 같은 사이클이 반복된다.
하지만 형상최적설계 기법을 사용하게 되면 원하는 성능을 만족하면서 경량화된 제품을 설계할 수 있다.
그림 2 의 컨트롤 암 모델링 이미지는 연관 치수가 사전에 컨트롤될 수 있게 작성된 것이다.
부분적으로 연관 치수를 조절하고 최적화를 진행하여 경량화된 컨트롤 암이 설계되었다.
하지만 해당 사례의 경우는 단순화된 모델에 국한된 것으로 실제 제품은 이와 같이 만들어지기는 매우 어렵다.
그림 3 은 다양한 분야에서 사용되고 있는 형상최적설계 방법으로, 위상최적화(Topology Optimization)라고 한다.
이는 수학적 알고리즘을 기반으로 FE 모델의 엘리먼트를 컨트롤하여 형상을 최적화한다.
설계하고자 하는 기본 모델을 작성하고, 프로그램에 적용하고 해당하는 해석 조건을 부여하게 되면, 최적의 형상을 얻을 수 있다.
센트랄에서는 이와 같은 해석적 기법을 기반으로 알루미늄 컨트롤 암을 설계하고 있다.
해당 기법의 적용으로 고객의 요구를 만족시키면서 더욱 경량화된 제품을 보다 짧은 시간에 설계할 수 있다.
과거에는 차량에 강의 단조품, 주철제품, 강판 프레스 제품이 많이 사용 되었으나, 최근 지구 온난화에 따른 자동차 고연비화가 가속화되면서 경량화 소재 적용 범위가 확대되고 있다.
대표적인 경량화 소재로는 고장력 강판 및 알루미늄 소재를 이용한 주조, 단조, 주단조품이 있으며, 센트랄에서는 2003년 알루미늄 컨트롤 암(Aluminum Control Arm) 단조품을 개발하고 양산하였다.
이후 현대기아차의 소나타, 그랜저, 오피러스, 제네시스, 에쿠스 차종의 알루미늄 컨트롤 암을 비롯하여 쌍용차의 Chairman 및 해외자동차 업체의 고급차종에 사용되는 알루미늄 컨트롤 암을 제작하여 공급하고 있다.
초기에 알루미늄 컨트롤 암 단조품을 개발할 때에는 높은 원소재 가격 및 낮은 성형성, 철계 부품대비 낮은 기계적 특성으로 인해 양산 적용이 힘들었다.
그러나 이후 연주재 적용을 통한 단조 소재비 절감 및 연주 형상재와 Roll Forging 공정을 적용한 단조수율 향상으로 생산단가를 낮추어 타 소재 대비 경쟁력을 향상했다.
이후 소재 유동제어를 위한 성형해석 적용을 진행하였으며, 이를 통해 상용 알루미늄 소재 단조품과 비교하여 10% 높은 기계적 특성과 제품 건전성을 동시에 확보하였다.
부품소재사업(2003~2010년)을 통해 알루미늄 컨트롤 암 개발, 고강도 알루미늄 소재개발 및 설계 성형 해석기술 개발로 연계되었으며, 고강도 알루미늄 컨트롤 암 제조기술 개발로 이어졌다.
알루미늄 단조 기술 적용을 확대하여 Outer Tie Rod 제품을 기존 스틸소재에서 알루미늄 소개 적용하여 2011년에 상용화하였으며, 현재까지 알루미늄 소재 적용 기술에 대한 연구를 활발히 진행하고 있다.
(2) 하이브리드 스테비라이저 링크 개발
스테비라이저 링크(Stabilizer Link)란 자동차 조향부품으로 차량 선회시 원심력에 의해 차체가 기울어지는 것을 최대한 감소시켜 차체의 좌우 기울어짐의 발생을 억제하고 차량의 평형을 유지시켜주는 장치이다.
기존에 스틸로 제작되어 왔던 제품을 플라스틱 인서트 사출공법으로 양산한 제품으로, 경량화 부품에 대한 새로운 시각을 열었다.
이 제품은 플라스틱의 가볍고 대량 생산이 용이한 특성과 금속의 강한 성질을 융합한 점이 특징이다.
플라스틱의 장점과 금속의 장점을 더해 융합이라는 새로운 개념으로 경쟁기술과 차별화하였다.
경쟁 제품은 인서트 사출의 한계를 극복하지 못해 이중 사출 또는 사출 후 볼스터드를 압입하는 방법을 사용하여, 마찰 모멘트는 만족하나 강도가 약하고 성능이 낮고 내구성이 떨어지는 단점을 가지고 있다.
또한, 제작 공정도 1~2회 늘어나 원가절감을 이룰 수 없다.
센트랄은 이러한 한계를 극복하기 위하여 설계 디자인과 공법을 최적화하고 최적의 플라스틱을 선정하여 경쟁 제품 대비 강도는 2배 향상시켰고, 맞춤형 그리스를 개발하여 성능이 9배 우수한 제품을 개발하였다.
또한 공정 및 부품의 단순화를 통한 전체 공정의 간소화를 구현하여 2개의 공정을 축소하였다.
핵심 부품인 볼조인트부는 마찰 모멘트가 중요한데, 인서트 사출의 한계에 의해 마찰 모멘트가 높아 조인트로 사용할 수 없었다.
이를 극복하기 위해 전용 그리스를 개발하고, 사출 공정에서 마찰 모멘트 조정이 가능한 금형을 제작하였다.
플라스틱과 금속의 결합력 강화와 원가절감을 동시에 이루기 위해 결합부의 표면적 증대를 통한 미끄럼방지 효과를 얻어, 원하는 강도와 원가절감을 동시에 만족할 수 있었다.
추가 경량화를 실현하기 위해 로드(Rod)부는 중공파이프를 적용하고 양쪽 표면에 표면적 증대를 위한 신공법을 사용하였다.
기존 스틸 환봉사양에서 중공파이프와 캡을 이용하여 강도를 유지하며 경량화를 이루었다.
사출 성형 해석을 통한 플라스틱 형상 최적화 설계로 강도를 향상하고 내부 결함(Void)을 제거하였다.
이 기술 개발로 원가를 10% 절감하고 중량을 20% 낮추었으며, 관련된 국내외 특허출원 2건, 등록 6건을 보유하게 되었다.
뿌리 산업이라고 할 수 있는 사출/금형 기술로써 국내 산업 발전에 기여하고 고용창출 효과를 냈으며, 연간 매출액 수백 억 원의 수출 물량을 확보하였다.
또한 2014년에 녹색기술 인증을 취득하고 ‘IR52 장영실상’을 수상하는 결실을 이루었다.
기술개발을 향한 끊임없는 도전과 혁신
센트랄 경쟁력의 원천은 끊임없는 자체 연구와 개발 노력이라고 할 수 있다.
40여 년 전 현대자동차의 ‘포니’ 탄생과 함께 조향부품을 국내에서 처음으로 개발한 것에서 알 수 있듯이 자체 기술력 확보를 위한 노력은 회사설립 초기부터 진행되었다.
센트랄 기술연구소는 1990년에 정식으로 설립되어 25년간 연구개발 인프라를 축척해 나가고 있다.
R&D 연구 인력은 120명으로, 전 직원의 29%를 차지하고 있다.
특히, 전체 연구 인력 중 석박사 비중(전체인력 중 27%)이 높은 것이 특징이다.
25년간 연구소를 운영해온 노하우로 체계적인 연구기획 조직이 갖추어져 있으며, 연구기획 조직은 연구전략을 전담하고 지식재산권 동향 분석과 산업재산권확보에 초점을 맞추고 있다.
미래 기술 확보를 위한 선행 연구조직은 2개 팀으로 운영되고 있으며 경량소재, 알루미늄 단조, 서브모듈, 모터 등의 연구를 진행하고 있다.
연구 인프라로는 43종의 시험설비 및 장비를 갖춘 시험실, R&D 시제품 제작을 위한 가공 기반의 시작실, 설계 해석 기반 시설 등을 갖추고 있다.
센트랄은 기술과 품질의 우수성을 세계적으로 인정받아 미국의 Big 3(GM, Ford, Chrysler)는 물론, 유럽 시장을 주도하고 있는 독일의 BMW, 다임러, 폴크스바겐과 안정적으로 거래하고 있으며, 이 밖에도 일본 등과의 수주 확대를 위해 고객 다변화 정책을 확대해 나가고 있다.
