재료연구소 28권2호 '미래자동차용 다종소재 경량 차체 구조기술'

[특집 : 차세대복합재료기술]

 

미래 자동차용 다종소재 경량 차체 구조 기술

 

박지상, 김진봉, 문진범, 장홍규, 윤순호   재료연구소

 

최근 선진국에서 강화된 자동차 연비규제 및 배기가스 규제로 완성차 및 부품업체의 경량화 기술에 대한 관심이 그 어느때 보다 높다 할 수 있다. 특히 경량금속과 복합재를 적용한 경량 차체구조기술은 현재의 환경규제를 만족하기 위한 가장 실적이며 강력한 방안으로 평가 받고 있다. 이에 본고에서는 '미래 자동차용 다종소재경량 차체 구조기술’이라는 주제 아래，자동차산업의 중요성，차체 경량화 기술의 필요성，다종 소재경량 차체구조기술에 대해 소개하고자 한다. 또한 선진OEM의 복합재경량 차체에 대한 구조분석 과정과 복합재 차체구조 역설계과정에 대해 간략하게 소개 하고자 한다.

 

1. 자동차용 차체 경량화 기술 동향

 

1.1 자동차산업의중요성

세계자동차시장규모는 2008년 1조4，607억 달러에서 이후 연평균 3.5%성장하여 2018년 2조646억 달러로 전망되며，지역별로는 미국이 전세계자동차시장의 35.6%，아시아-태평양 지역은 30.8%，유럽은29.7%를 차지하고 있다. 특히，세계 각국정부는 자동차연비규정 및 환경규제를 계속강화하면서 친환경 자동차생산 및 보급을 장려하여，현재 친환경 자동차시장은 미국，일본이 시장을 주도하고있으나，2020년에는 유럽이 세계시장의 35%를 점유할 전망이다. 이에 하이브리드 차와 전기차로 대표되는 그린카시장은 2008년 이후 연평균50.1%의 고성장을 기록하여 2018년에는 3,000만 대규모로 전세계 신규 판매 차량중19%를 차지할 것으로 전망된다.

 

국내자동차산업은 90년대 이후 우리 경제를 주도하는 제조업의 핵심 산업으로 지난 20년간 연평균 6%의 성장을 지속하였으며，2012년 국내자동차생산량은 456만대로 세계5위의 생산국으로 317만대수출， 수출금액은 부품포함 718억 달러를 기록하였다. 또한 부품산업도 발전하여 매출액은 2000년 22.9조 원에서 2010년 58.9조원， 수출은21억 달러에서231억달러로 비약적으로 성장하였다. 특히，경제적측면에서 자동차산업은 생산，수출，고용 등 국민경제에서 차지하는 비중이 10%에 달하는 국가경쟁력의 근간이며， 제조업 생산 10.1% (113조 원)，부가가치 9.4% (35조 원)，수출 11.7% (544억 달러)，고용 10.2% (25만 명)를 담당하고 있다.

2012년 기준 자동차 및 부품산업의 무역수지는617억 달러로，선박류(353억 달러)，석유제품(293억 달러)，반도체 (182억 달러) 등 주력 기간산업과 비교해볼 때 국가 경제에서 차지하는 비중이 가장 크다. 또한 산업적측면에서 자동차산업은 2만여 개 부품으로 조립되는 대표적 종합산업으로，전후방산업과 연계효과가 높은 산업적 특성을 가지며， 높은 전후방연계 및 생산유발 효과를 토대로 고용창출，세수확대，무역흑자 등 경제 성장에서 주도적 역할을 담당하고 있다. 따라서 자동차경량화 기술은 국내 자동차산업의 글로벌 경쟁력 뿐만 아니라 국가 경쟁력 강화를 위한 핵심기술로서 향후 자동차산업의 핵심 요소로 자리 잡을 가능성이 매우 크다.

 

1.2차체경량화 기술의 필요성

자동차 분야에서 경량화는 오랜 시간 지속되어 온 기술적 화두이다. 최근 선진국에서 강화된 자동차 연비규제 및 배기가스 규제로 완성차 및 부품업체들에게 경량화 과제는 선택이 아닌 필수로，자동차 업계의 생존의 문제로 등장하였다. 최근 전세계적으로 큰 문제를 일으킨 폭스바겐 (Volkswagen, VW)사의디젤엔진 배출가스 조작이나 몇몇 메이저급 OEM 희사들의 연비조작 등과 같은 일련의 사태에서 알 수 있듯，내연기관의 성능이나 효율 향상만으로 강화된 환경 기준을 만족하는 것은 기술적으로 매우 어려우며，현재 한계에 도달해 있는 것으로 알려져 있다. 특히 앞으로 자동차에 장착되는 각종 안전 및 편의장치에 대한 소비자의 요구가 더 강해질수록 자동차의 무게는 증가할 것이며，결과적으로 자동차 차체의 경량화는 자동차 연비 요구 및 배기가스 규제를 만족시키기 위한 중요한 핵심기술로 더욱 더 인식되고 있다.

 

아래 그림 4는 2008년부터 2013년까지 세계 자동차 희사들의 배기가스 개선 실적으로 유추한 2012년 유럽연합 (EU)의 C02 기준을 만족시킬 수 있는 각 OEM별 예상 연도를 보여준다. 다른 자동차 희사에 비해서 GM，현대자동차，Honda, Mazda, BMW 등이 현재의 추세를 그대로 유지할 경우 C02 감축 경쟁에서 뒤쳐져 시장에서 도태될 수 있음을 알 수 있다. BMW사는 이러한 문제를 해결하려는 노력의 하나로 2015년에 탄소섬유 복합재를 차체 구조에 적용한 BMW i3/i8 모델 등의 전기 자동차를 전략적으로 내놓고 있다.

 

현재까지 자동차 환경규제 (연비/배기가스 규제) 대응을 위한 다양한 기술이 개발되었다. 이러한 환경규제대응기술의 개발 방향은 크게 네 가지로 분류할 수 있으며，가장 많이 연구된 분야가 엔진 및 구동계의 효율 향상 연구이다. 하지만 Multi Injection, Fine Grinding 등의 신기술들은 비용대비 효과가 미약하고，엔진 및 구동계의 효율 향상만으로 기준을 만족시키기엔 기술적으로 한계에 도달해 있다는 것이 많은 전문가들의 판단이다. 다음으로 공기저항 계수를 감소시키는 차체 디자인의 경우 차량 용도의 다양성으로 일괄 적용이 불가능하며，이 역시 효과가 미약하다는 한계를 지닌다. 현재 환경규제를 만족하기 위한 가장 현실적이며 강력한 대안은 복합소재나 경량금속 같은 경량화 소재를 차체에 적용하여 자동차의 차제 구조를 경량화 시키는 방안으로 판단된다. 이에 최근 들어 고성능 슈퍼카나 고급 자동차가 아닌 일반 양산형 자동차에도 섬유강화 복합소재의자동차차체 및 내/외장 부품에의 적용이 증가하고 있는 추세이다.

 

해외 주요 완성차 업체들은 환경규제와 소비자 요구를 충족시키기 위해 열경화성/열가소성 탄소섬유 복합재료 (carbon fiber-reinforced plastic, CFRP)로 경량 자동차 부품 및 차체 개발에 주력하고 있다. 예를 들어 자동차무게가 100kg 감소하면주행거리 100km당 0.3〜0.5리터의 연료를 절약할 수 있고，C02 배출량은 8.0〜12.5g/km 감소하는 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 특히 자동차 시장의 새로운 패러다임으로 자리 잡을 것으로 예상되는 전기 자동차 (EV)，하이브리드 전기 자동차 (HEV)，플러그인 하이브리드차 (PHEV) 등에도 대용량 배터리로 인해 높아진 차량 중량을 감소시키기 위해 CFRP의 적용이 증가할 것으로 예상된다. 지금까지 CFRP 는주로 자동차의 비 구조파트인 루프 (roof) 나 후드 (hood)，트렁크리드 (trunk, lid) 등의 내외장단품에 주로 적용되어 왔다. CFRP 적용에 따른 경량화 효과를 살펴보면 루프 적용 시 6.0kg 감소，후드 적용 시8.0kg 감소 등 매우 제한적인 경량화 효과만을 얻을 수 있다. 따라서 100kg 이상의 차량 중량 감소를 통해 환경규제 기준을 만족시키기 위해서는 경량금속이나 CFRP 의차체구조적용이 필수적이라 할 수 있다. 그 대표적사례가 BMW사의 i3/i8로，i3 모델의 경우 CFRP의 차체골격 (body-in-white，BIW) 적용을 통해서 철강 대비- 120kg의 획기적 중량 절감 효과를 얻을 수 있었다.

 

1.3다종소재경량 차체구조 기술

세계자동차시장에서 산업환경 (환경/연비 규제)및 소비환경 (신뢰성/친환경)의 변화로 인해 경량화기술에 따른 자동차의 성능차이가 완성차 및 자동차부품•소재업체들의 시장 경쟁력을 좌우하는 소비자의 선택기준，즉 기술적 패러다임으로 부각하고 있다. 이러한 자동차경량화 요구에 대한 가장 현실적이며 강력한 솔루션으로 탄소섬유 복합재료가 대두되고 있으며，해외 선진 완성차 및 복합재 업계를 중심으로 자동차용 복합재 기술 (AutomotiveComposites Technology)0!] 대한 요구가 폭발적으로 증가하고 있다. 특히 기존금속재 차체의 디자인 및 설계에 기반을 둔 단순경량 소재전환이 아닌，복합재료의 구조적장점을 극대화한 차체구조에 대한 연구가 필요하며，다종소재 (Multi-materials)로 구성된 새로운 CarbodyArchitectural 개발이 필요하다.

과거자동차경량화 연구개발은 두가지 큰 흐름으로，①알루미늄，마그네슘 등의경량금속과 탄소섬유 복합재의경량화 신소재를적용하여강도는강화하고중량을줄이는방향과，②자동차구조자체를 합리화해 경량화를 추구하는 경량화 구조방향으로 진행되었다. 경량금속과 CFRP를 이용한 차체개발은주로유럽이주도하였다.특히독일Audi社 ALDC (Audi lightweight design center)가 경량금속차체연구를 통해 경량금속을 양산차에 적용하였으나，CFRPMonoooque차체의 경우 소량생산 되는 슈퍼카에 주로 적용되었다. 하지만，기존금속재 차체의구조적특징을 그대로 유지했으며 단순 소재대체라는 한계를 가진다. 이러한 초기 기술개발 방향은 경량화를 달성할 수는 있으나，구조적효율성과 생산성，비용 등의 측면에서 양산화에 분명한 한계를 가진다.

 

최근 유럽 여러 연구기관 및 완성차 OEM에서는 CFRP 중심의 다종소재 구조가 자동차 경량화 기술의 주요 방향이 될 것이라고 보고 있다. 기존의 차체 경량화 기술 방향에서 벗어나 구조형식 (spaceframe，monocoque 등)이나경량소재 (알루미늄，마그네슘, CFRP 등)의 종류에 제한 없이，차체 경량화를 달성하기 위한 다양한 재료의 적용과 최적의 구조형식 개 발에 노력을 기울이고 있다. 이에 독일 TU Dresden ILK (Institute for Lightweight Design and

Polymer Technology)에서 InEa)® 프로젝트의 결과로 Multi-Material 구조를 적용한 전기자동차를 개발 및 기술시연 하였으며，Audi사와BMW사는 양산모델 (R8 e-tron, i3/i8)을 개발하였다. 독일 TUD ILK는 복합재료를 중심으로 하는 경량구조 기술 전문연구기관으로，세 개의전문연구센터 (LIZ: Lightweight Innovation Qr., KAZ ^ PolymerApplication Ctr., PEZ: Process Development Ctr.)로 구성되어있다.

 

자동차 산업의 특성상 차체의 경량화 성능뿐만 아니라，양산화 가능 기술을 바탕으로 하는 대량생산이 기술개발의 주요한 요구 성능이다. 탄소섬유 복합재의 경우 경량화 효과의 잠재력은 어떠한 소재보다 우수하나，높은 원소재가격과 공정비용，낮은 생산성으로 인해 대량생산해야 하는 양산차에 적용하기엔 한계를 갖고 있다. 반면，스틸 (steel)과 같은 금속재의 경우 낮은 원소재 가격과 공정비용，우수한 성형성 및 높은 생산성의 장점으로 대량생산에 매우 적합하나，차체 경량화 효과가거의 없어 현재 또는 미래의 환경규제 기준을 만족하기에 불가능하다. 이에 국내외 주요완성차 OEM 및 연구기관/대학에서는 차체경량화를 위한 다양한연구를 수행중에 있으며， 미래경량화차체구조를 위한 핵심은 경량화와 대량생산의 두가지 목적을 만족할 수 있는Multi-Material Design과 HybridStructurcs로 판단하고 있다. 이를 위해서는 기존금속재 차체설계에기반한경량화차체 구조에서 벗어나，Multi-Material의 구조적 장점을 극대화할 수 있는Carbody Architecture (carbody concept&structural layout) 의개발과Design Requinsments 의구축이필요하다.또한이러 한Stmctuial Layout을 구현하기 위한Hybrid Structural Element와 이를구성 하는 동종 및 이종재료간의 접합을 위한 대량생산 공정을고려한 Structural Joint 기술의 개발이핵심 기술로 판단된다.

 

그림 11은 다종소재경량차체 연구개발의 대표사례로 독일연구기관인 TU Dresden ILK 의hEoo® 프로젝트와 TU Munchen의 Visio.M 프로젝트의  결과물이다. InEoo® 프로젝트는 독일철강회사인Thys9en Krupp사와 공동으로Multi-Material&Hybrid 구조를 적용하여 차체에필요한 부품수를 299개에서 63개로 75% 줄이는 설계를 바탕으로 기술시연용 전기차를 개발하였다. Visio.M 프로젝트에서는 양산화를 전제로 BMW, 다임러를 비롯한16개의 기업과 공동으로 탄소섬유 복합재와 알루미늄을 차체에 적용한 2인승의 마이크로전기차를 개발하였다.

 

 

2. 선 진 OEM 복 합 재 경 량 차 체 분 석

 

2.1복합재차체구조분석과정

 

자동차 분야에서 역설계(inverse engineering)는 OEM 경쟁사의 기술력을 분석하고，다양한 정보를 획득하기 위한 방법으로 널리 이루어지고 있다. 완성된 차체를 분석하고，실험을 수행함으로서 구조물의 설계에 녹아있는 설계개념을 이해하고，기술 수준을 판단하는 등 다양한 정보를 얻을 수 있기 때문이다. 2014년도에 기존 양산 자동차 차체의 설계패러다임을 뒤흔드는 모델인 i3/i8이 BMW사에서 발표되었고，이를 역설계하여 그 패러다임을 이해하고 분석하기 위한 시도가 다양하게 진행되었다.

 

독일 BMW사 i3 모델의 기본 구조는 탄소섬유 복합재료로 이루어지는 Life module 과 알루미늄샤시와 배터리로 구성된 Drive module로 구분된다. i3 모델의 차체는 복합재를 대부분 사용하기는 하였지만，차체의 구조성능에 주요하게 작용하는 파트는 여전히 금속재가 많이 사용되고 있음을 알 수 있다.특히 차체의 굽힘 강성과 비틀림 강성，전방 및 측면 충돌 등에서 주요하게 작용하는 파트에서는 금속재가 사용되고 있다. 특히 사시 구조에서 B-pilk•가 없이 측면충돌에너지를 주요하게 흡수해야 하는 floor panel 의 경우 중간부분이 알루미늄으로 구성되어 있음을 통해서 이러한 부분들은 쉽게 알 수 있다.하지만，전방충돌에서 충돌 에너지 일정 부분을 흡수하는 A-pillar 파트에서는 복합재료가 상당 부분 사용되는 것을 볼 때 BMW사에서 자동차 차체 구조에 복합재료를 적용하기 위한 상당한 노력을했고，또한 복합재 차체 제조공정 부분에서는 괄목할 만한 발전이있었음을 알 수 있다.이처럼 전체적으로 보았을 때 i3는 모노코크 구조 (monocoquestactTO)와My-on-fmme 구조를 섞어 놓은 듯한구조컨셉을보이고 있다. 구조강성에 지대한 영향을 미치는 샤시가있고 그위에 복합재료로 이투어진Life module이 을려져 있는 body-on-frame 구조와 유사하지만，연구 결과 life module 자체도 전체차체의 구조 강성에 상당한정도의 영향이 있어 모노코크 구조 개념도 섞여 있는 구조로 판단된다. 아래 그림은 i3 모델 차체의 실제 사진과 이를 5가지 파트로 teandown해 놓은 사진이다.

 

이처럼 life module 전체를 복합재료로 대체해 현재 가장 앞선 복합재차체기술을 보유한 것으로 보이는BMW사도 아직 복합재료의 장점을 완벽하게 활용하고 있는 것은 아닌 것으로 판단된다. 그 이유로 각 파트의 단면을 보면 기존 메탈차체의 부품설계개념이 그대로 녹아있음을 알 수 있기 때문이다. 복합재료는 섬유의 방향과적층，구조의형상과 형식 등이 각 파트의 구조적물성을 결정짓는데 주요하게 작용한다. 섬유의 직진도를 향상시키기 위해서 복합재구조물은 단순한형태가 적절하며，버클링이나 굽힘 강성 등이필요한 부분에서는 형상을 복잡하게하기 보다는 두께를 늘리는 방법으로 샌드위치 구조등을 활용하는 방법을 사용한다. 그러나 그림에서 보는바와 같이 대체로 i3 차체 모델의 단면들은 전형적인 메탈차체의 복잡한형태를 가지고 있다. 이는 기존의 차체구조형상을 그대로 적용하고，소재만 메탈에서 복합재료로 대체하는 정도의 기술이 적용되었다고 판단할 수 있는대목이다. 복합재료에 적합한 형태의 부품형상은 가능한 굴곡을 없애고，단순하며，섬유의 직진성이 잘 나오는 형태의 부품임을 감안할때，i3 모델의 복합재 life module 은 복합재료에 최적화된 형상을 가지고 있지는 못한것으로 판단된다. 따라서，복합재료를 이용한 차체설계 기술은 아직 완성된 수준이 아니며, 국내복합재료전문가와 차체설계전문가가 협력하여 개발한다면 세계적수준의 기술을 선점할 수 있음을 시사하고 있다.

 

다음으로BMW사i3 모델 차체의 특이한 점은 대부분의 구성품이 폴리 우레탄 (polyurethane，PU)접착제를 이용한 접착 조인트 (adhesivejoint)를 가진다는점이다. 20여종 정도의 기계적 조인트 부분도 있었으나, 도어，보넷 및 외부/내부 패널 등 비구조 부재류의 연결에 적용되었으며, 차체 구조를 연결하는 구조 접합에는 거의 모든 부분이 접착조인트 또는 볼트 (bolt)와PU 접착제를 함께 사용한 하이브리드 조인트 (hybrid joint)를 적용하고 있었다. 복합재료는 섬유의 연속성이 중요한 만큼 홀이 있으면 그 부분의 강도가 급격히 저하하는 단점이 있고, 또한 탄소섬유 복합재와 금속재 사이의 이종 접합면에서는 갈바닉 부식 (galvardcoorrosion) 문제가 발생한다. 이러한 문제점들을 고려하고，보완하기 위한 접합 방식으로 폴리 우레탄을 이용한 접착 조인트를 선택하였을 것으로 판단된다. 따라서 복합재료차체 구조물을 개발하기 위해서는 적용 가능한 접착제의 개발이 반드시 필요하다 할 수 있다.

 

2.2 복합재 차체 구조 역설계 과정

복합재 구조물의 역설계과정 은금속과 같은 등방성 소재로 구성된 구조물을 역설계 하는 과정에 비해서 다소 복잡하다. 그 이유는 잘 알려진 바와 같이 복합재료는 등방성 (isotropic) 이아니 라이방성 (anisotropic) 소재이기 때문이다. 즉 방향별로 소재물성이 다르기 때문에 역설계 중 소재물성을 분석하는 기법이 등방성인 메탈에 비해서 매우 복잡하다. 더구나，복합재료는 기본이 되는 라미나 (lamina)층을 여러 층을 각각 각도를 달리하여 적층하는구조로되어있고，그적층정보에따라서적층판의 물성이 달라지기 때문에복합재료구조물에사용된소재의물성을 판단하기 위해서는 여러 번의시험이 필요하다. 또한，이러한 시험 결과를 이용하여 고전적 층판이론(classicallaminatedplate theory)과 복합재료마이크로메카닉스 (micro mechanics)를이용하여 야비로소 소재물성을 정의할 수 있다. 일정한 두께의 평판구조물에서 시편을 채취하여 몇 번의 시험으로 소재물성을 판단할 수 있는 금속재료와 비교하면 매우 까다로운 과정이라 할 수있다. 그외 차체구조물의 3D 스캔을 통한형상 정보분석이나 두께를 측정하는 등의 분석은 기존의 금속재구조물과거의 유사하다.이상과같은복합재료의역설계과정을 대략적으로 도식화하면그림17과 같다.

 

복합재 역설계 과정에서 소재 물성을 분석하는 부분과 적층 정보를 분석하는 부분이 추가적으로 더 필요하며，이를 수행하는 과정이 복합재료에 대한이해를 요구하는 부분이기 때문에 자동차업계에서 BMW사 i3 모델의 차체를 분석하고자 하나 많은 어려움을 안고 있는 것으로 판단된다.이 부분을 해결하기 위해서는 단순한 시편 채취 및 인장시험 뿐만 아니라，시편의 단면분석，섬유체적률 분석，광학현미경 관찰이나bum-off 시험을 통한적층 정보분석 등이 동시에 수행 되어야 한다. 우선 소재 적층 정보 부분을 살펴보면，앞서 언급하였듯이 복합재료는 기본이 되는 다양한 적층각을 가지는 라미나의 조합으로 이루어지는 다양한 라미네이트 (laminates)로구성이 된다. 따라서 단면의 적층 정보가 다른 파트를 구분하고 분할하여 각 라미네이트의 적층 정보를 평가 하여야 한다.이를 위해서는 두 가지의 방법이 사용될 수 있다.첫 번째가 복합재 시편의 일부를 채취하여 수지를 모두 태우고，섬유만 남겨서 한층씩 벗겨내며 분석하는bumꠓoff 시험이 있다.시험 방법은 시편을 채취한 후 고온챔버에 넣어 650oC에서2시간가량소각하면복합재료내의 고분자 수지는 모두 소각되고 섬유만 남게 되며，이를 층별로 걷어내며 적층각을 확인할 수 있다.하지만 이 방법을 사용하면 사용된 라미나의 두께를 알 수 없는 단점 이 있으나，적층각은 명확하게 알 수 있는 방법 이다.두 번째로는 시편을 채취하고，그 단면을 매우 높은 조도로 연마하여 표면을 광학 현미경으로 관찰하는 방법이다. 섬유의 단면을 원형으로 가정했을 때, 관찰되는 단면의 가로세로비를 계산하여 적층각을 분석하는 방법이다. 이 방법은 적층각 뿐만 아니라, 사용된 라미나의 두께를 동시에 평가할 수 있다. 그림 18 ③은burn-off 시험으로 적층 정보를 확인하는 방법을 보여주고 있으며，그림18②는 광학현미경을 이용하여 적층정보를 분석하는 방법이다. 두방법의 장단점이 있기 때문에，역설계 과정에서는 대표적인 라미네이트 일부에 대해서 burn-off 시험을 병행하여 적층각 분석을검증하고，광학 현미경을 이용한 방법을 이용하여 단면을 분석하였다. 이를 통해서 구조물 전체의라미네이트 정보를 획득한다.특히 복합재료는 방향성을 가지기 때문에 시편을 채취할 때 기준이 되면 방향을 정하고，그 방향을 표기하여 어느 방향에 대한 정보인지를 반드시 확인해 야 한다. 적층분석결과 i3모델에는 일방향 NCF직물 (UDNCFfabric)과 이방향NCF직물 (Bi-axialNCT 사용되었으며，0°, 90°, ±45ᄋ의 기본적인 적층각이 사용되었음을 알 수 있다.또한 이러한 적층각을 이용하여 대부분의 라미네이트가 준등방성 적층구조 (quasi-isotropic)를 가지고 있었고，일부 방향성이 명확한 부분에서는 하중을 많이받는 방향으로UD 라미나를 더 많이 배치하는 등의 설계개념도 볼 수 있었다.그리고 사용된 라미나의 두께도 각각2종류씩 사용이 된 것으로 분석되었다.

 

다음으로 사용된 소재의 물성을 평가하는 방법에 대해서 소개하고자 한다. 복합재료는 이방성 소재이기 때문에 기본적으로 평가해야 하는 물성이 많다. 예를 들어 금속이 2개의 소재 물성을 갖는다면，직교 이방성 (orthotnopic)복합재의 경우 9개의 소재물성을 정의해야한다. 또한， 라미네이트가 다양한적층각과 다양한 두께 등을 가지며 적층되기 때문에 시편 하나를 채취해서 물성을 구하는것은 불가능하다. 이에 복합재료의 기본 역학인 고전적 층판이론을 바탕으로 역으로 그 물성을 산출해야한다. 복합재료의 물성 및 설계，역설계과정을 그림에 도식적으로 표현하였다. 복합재료 라미네이트의 구조강성을 나타내는ABD 매트릭스에서 시험을 통해가장 명확하게 이용할 수 있는 파라미터가 축방향 하중으로 당겼을 때，그 하중방향으로 늘어나는 강성을 나타낸 All이다. 이를활용하여，서로 다른적층패턴을 가지는3개의라미네이트를선정하여 인장시험을 수행하면 소재의 물성을 정의할 수 있다. 그러나，인장시험의 결과만 으로는 모든 라미나의 물성을 알아 낼수는 없다. 시험에서 오는 여러 가지 오차들로 인해서 최종계산된 라미나 물성에 오차가 발생하는데 그 영향성이 각 물성마다 다르기 때문이다. 상대적으로큰물성을 나타내는 섬유방향 물성의 경우 그 영향이 적은 반면，섬유 수직방향물성은 수지(matrix)가 지배적인 물성으로 강성이 섬유방향물성에 비해 매우 낮다. 따라서 실험에 의해발생한 오차가 섬유 수직방향에 의영향성은 매우커서 의미 없는 값이 산출된다. 본시험 결과에서는 섬유방향 물성만을 평가할 수 있으며，이를 통해서 사용된 섬유의 종류와 물은 사용된 폴리머를 분석하여 사용된 소재를 분석하고 그 수지의 물성을 조사급 과수지물성 을 이 용하여 복합재료 마이크로 메케닉스룰 이용하여 강성 정 보를 이용하여 직접 복합재 물성 시험용 시편을 만들어 물성 시험을 수행함으로 데이터베이스룰 확보할 수 있다.

성을 구할 수 있다. 그 외 수지의 물성하여야 한다. 이렇게 구해진 섬유 물가를 구할 수 있다. 그리고 분석된 소재를 이용하여 직접 복합재 물성 시험용 시편을 만들어 물성 시험을 수행함으로서 최종적으로 강석 정보 및 강도 정보데이터 베이스를 확보할 수 있다.

 

 

복합재 역설계과정을 통해서 얻어진 적층 정보 및 물성 정보의 정확도를 검증하기 위해서 i3 모델의 차체 부품인roof middle cross member의 구조시험 및 해석 비교를 통해 검증하였다. 먼저 앞서 얻어진 복합재료 라미나 물성정보를 바탕으로 roof middle cross member에 대 한 3차원 쉘 요소로 구성 된 유한요소 모델을 구성하기 위해서 단면분석을 통해 적층각 및 두께 정보를 파악한다. 3차원 스캔을 이용하여 형상정보를 수정하여 유한요소 해석이 가능한 모델로 만들고， 각 파트에 상기 역설계 과정에서 구해진 적층정보 및 소재 물성을 부여하고 실험과 동일한 하중 및 경계조건을 부과하여 유한요소해석을 수행하였다. 그림 21은rafrridde(rossmmber의 굽힘 시험 및굽힘 시험의 유한요소해석을 보여주고있다.하중을800N을 부여하였을 때， 부재의 굽힘 변형량을 측정하고 계산한결과와 비교하였을 때 잘 일치하는것을 확인함으로서 최종물성을 확정하였다.

 

 

3.맺음말

 

자동차분야에서 경량화는 오랜시간 지속되어온 기술적 화두이며,최근 강화된 자동차연비규제 및 배기가스 규제로 경량화 기술개발은 자동차업계의 생존의 문제로 부각하였다. 이에 환경규제 대응을 위한 다양한 기술이 연구개발되었으나，가장 현실적이며 강력한 대안은 복합소재나 경량금속 같은 경량화 소재를 적용하여 자동차의 차제구조를 경량화 시키는 방안으로 판단된다. 따라서 미래형 경량화 차체구조를 위한 핵심은 경량화와 대량생산의 두가지 목적을 만족할 수 있는Multi-Material Design과 Hybrid Structures로 판단하고있다. 이를 위해서는 기존 금속재차체에서 벗어나，Multi-Material의 구조적 장점을 이용한Garbody Architecture의 개발과 Design Requircments의 구축이 필요하다. 또한 이를 구현하기 위한 Hybrid Structural Element와 동종 및 이 종재 료 간의 접합을 위한 StructuralJoint 기술의 개발이 필요할 것으로 판단된다.