차체 구조물용 복합재 보강재: CBS 기술로 강성·안전성·NVH 동시 개선

복합재가 자동차 바디-인-화이트(BIW) 구조에 일부 진입했으나, 이 영역 소재는 오랫동안 강철이, 최근엔 알루미늄이 지배적입니다. 이로 인해 완성차 업체들은 용접과 볼트·스크류 등 기계적 체결부에 의존해 금속 구조물 접합. 일반적으로 견고하나 용접부와 체결부는 파손될 수 있으며, 중량 과다 증가 없이 강성 개선이나 소음·진동·거칠기(NVH) 완화, 충돌 에너지 전달 차단엔 기여 못함. 이 과제 해결책 중 하나: 복합재와 구조용 접착제 결합해 BIW 조인트와 캐비티 보강.

CBS(복합재 바디 솔루션) 기술

이러한 솔류션 클래스를 복합재 바디 솔루션(Composite Body Solutions, CBS)이라 함. BIW 또는 기타 차량 서브구조 요소, 열가소성 캐리어(연속/불연속 섬유 보강), 열활성화 발포 구조용 접착제 결합한 3D 구조 인서트로 1차 차량 구조 보강. CBS 요소는 E-코트(전기영동 녹방지 코팅) 전 차체 공장 단계에서 조기 장착.

CBS 컴포넌트 통상 2K/사출 오버몰딩 공정 생산: 캐리어(용접 탭이나 스냅핏으로 CBS를 금속 BIW 부품에 임시 결합)에 발포 접착제 선택적 오버몰딩, 추가 실란트(3K 공정) 가능. 건조 상태 미경화 접착제(커스텀 에폭시 화학 기반) 복잡 형상 성형 가능, 경화 후 발포 시 복합재-금속 간 간격 밀폐해 박스형 '매크로 구조' 형성으로 기계적 물성 개선, 특히 고하중·동적 하중 하에서.

차량 설계 초기에 통합 시 CBS 모듈은 중량·비용 효율적 옵션으로 국소·전체 BIW 강성 향상, 승객 안전·편의 개선, 중량 저감. 전금속 솔루션 대비 중립·저비용 실현. 초기 자동차용에서 캐리어·접착제 소재 포트폴리오 확대되며 CBS 용도 확대 중.

성능 과제 해결 위한 엔지니어링

CBS 기술 개발·상용화: L&L 프로덕츠(L&L Products Inc., 미국 미시간 로미오). 오랜 자동차 씰런트, 음향 대책, BIW 성능 향상 보강재 공급 역사. 고객이 더 엄격한 충돌 요건을 저비용·저중량으로 충족하면서 차량 조립 공정·어셈블리 개선 지원 위해 기술 개발.

1995-2004년 CORE 프로덕츠(L&L과 구릿 에섹스(Gurit Essex, 스위스 와트빌) JV)가 초기 애플리케이션 개발·CBS 제조 담당. L&L이 CORE 전 자산 인수, 현재 L&L 프로덕츠 유럽으로 운영.

L&L 초기 개발·후속 CBS 기술 확장에 소재 공급사들과 긴밀 협력. 랑세스(Lanxess AG, 독일 쾰른)가 유럽에서 복합 캐리어 소재, 소재 특성화·시뮬레이션 지원 장기 제공.

CBS 적용 효과

이미 언급된 이점 외: 향상된 하중 경로 전환, 다축 하중 관리, 에너지 흡수; 향상된 단면 안정성(붕괴·침입 저항); NVH 저감; 고하중에서 향상된 주행 역학·충돌 성능. 또한 차량 설계/재설계 시 구현 타이밍 단축, 차체 공장 어셈블리 시퀀스 변경 불필요. 에너지 전달 제어 용이해 전면·측면·후면 충돌이나 루프 크러시 저항으로 승객실·배터리 보호에 이상적. IIHS(미국 고속도로안전보험협회) 스몰 오버랩 충돌 테스트 같은 까다로운 프로토콜 통과 구조에도 유용.

L&L 프로덕츠 EMEA(프랑스 알토르) 구조 제품 엔지니어링 매니저 누리아 이그네스(Núria Ignés): "CBS 기술 설계 다재다능함으로 복잡·접근 곤란 영역 어셈블리 단순화. 도어 등 클로저에 CBS 적용 시 중량 감량·강성 향상 외 초기 설계 통합 시 도어 제조 단순화. CAE 툴과 수십 년 경험, 캐리어+폼 결합으로 경화 후 BIW 견고 부착 구현, 적정 소재 적정 위치 배치로 강성-중량-비용 또는 에너지 흡수-음향-비용 균형."

L&L 글로벌 전략 마케팅 매니저 피터 케이트(Peter Cate): "CBS 기술 '생체모방(bio-mimetic)' 성격 흥미롭다. 뼈 중심 세포 강화 스트럿이 자연계 중공 구조물 강성·하중 관리 최고 중량 효율 방식이듯, 접착제 발포 후 CBS 유닛이 차량 바디 캐비티 동일 방식으로 보강, 엔지니어 최저 중량 구조 강성 최적화 지원."

란세스 테펙스 오토모티브(Tepex Automotive, 미국 펜실베이니아 피츠버그) 비즈니스 개발 매니저 팔 스와미나단(Pal Swaminathan): "국소·전체 강성 향상, 하중 효과적 분산으로 국소 강성·금속 피로 이슈 중량 증가 없이 해결. CBS 기술 바디 구조 통합 시 NVH 개선도 일반적. 신중한 엔지니어링 분석으로 승차감·핸들링 특성 균형 잡는 위치 최적화 솔루션 개발 가능."

초기 적용 사례

PSA 그룹(프랑스 파리, 현 스텔란티스 N.V., 네덜란드 암스테르담) 2006년 시트로엥 C4 피카소(C4 Picasso) 세단에 CBS 기술 초기 적용: A·B필러, 리어 크로스멤버 보강 9개 유닛. 차량 중량 12kg 감량하며 승객 안전 개선. 검은색 랑세스 복합재, 빨간색 L&L 에폭시 폼, 은색 금속 바디 구조 부위.

L&L 첫 상용 자동차 적용 1998년, 2002년 시장 수용 확대. 2012년 포드 트랜짓(Transit) 밴에도 유사 CBS 유닛 적용. 모든 캐리어 35wt% 단섬유 글라스/폴리아미드 6(PA6) 사출 성형.

신규 캐리어·폼 옵션

수년간 L&L과 공급사들 신규 폼 제형, 더 넓은 캐리어 수지·보강재 범위, 다른 구조 적용으로 CBS 기술 확장.

대다수 충돌용 CBS 캐리어: 내열성 30wt% 글라스 강화 PA6 엔지니어링(복잡 3D 형상 내 강성·연성 균형 필요). 주요 전기차(EV) 플랫폼 프론트 롱기튜디널 멤버에 2개 캐리어 사용: 어셈블리 단순화(부품 수 감소)뿐 아니라 화이어월 충돌 침입 20% 감소 보고.

더 높은 충격 요건용 하이브리드 캐리어 등장: 2019년 포르쉐 911 카레라 카브리올레(Cabriolet) A필러 보강. 컨버터블이라 루프 없는 프레임 강성 확보가 전복 시 승객 보호에 핵심. 포르쉐, 무거운 튜블러 강철 롤바 대신 CBS 인서트 A필러 내장. 필러 쉘 고장력 강철, 내부 CBS 인서트로 안정화·강성 확보. 메인 캐리어 바디: 압축 성형 오르가노시트(47vol% 트윌 직물 글라스/PA6), 예열·예성형 후 리브(30wt% 단섬유 글라스/PA66) 사출 오버몰딩. 오르가노시트 측에 L&L L-5235 발포 접착제 탑재. 이 하이브리드 기술로 모든 성능·중량 목표 달성(튜블러 강철 옵션은 미달), 차량 중량 5.4kg 감량, 어셈블리 용이, 무게중심 낮아져 주행 역학 개선.

오븐 공정 없어 발포 접착제 활성화 불가하거나 도장 공정 추가 지지 필요 시 주변 경화 솔루션 개발 중.

관련 파생 기술

CBS 기반 여러 관련 기술 개발. 최초 상용 적용 임박한 L&L 연속 복합 시스템(CCS): 유리/카본 파이버 강화 펄트루전 캐리어(폴리우레탄(PUR) ± 직물, 로빙) + 커스텀 제형 실란트/구조용 접착제 결합. CCS 요소는 CBS 파트·금속 부품 포함 가능, 일정 단면 구조물 강성·강도 향상(일반적으로 강철 대비 75% 경량, 알루미늄 대비 30% 경량). 내식성, 비전도성/전기 절연, 낮은 선형 열팽창 계수(CLTE), 높은 예측 가능 에너지 관리로 유니바디 차량 구조 부재나 바디-온-프레임 차량 프레임 섹션, EV 배터리 프레임 보강에 이상적.

복합 패널 보강재: 성형 금속 패널 표면 차체 공장 적용용 자가접착 발포 구조용 접착제와 파이버글라스 보강재 공압출. 대형/비지지 패널 강성 개선(웨이빙·버클링 감소), 관성 모멘트 증가로 NVH 개선. 패널 다운게이징으로 중량·비용 절감 기회. 상용 적용: 자동차 도어, 루프, 플로어 패널, 후드, 펜더, 리프트게이트, 테일게이트; 잠재 적용: 배터리 케이싱.

허니컴 패널 보강재: 경화 후 기계 가공·샌딩 가능한 경량 에폭시(수동 도포용 페이스트, 자동 펌핑용 저점도 액체). 주로 항공기 인테리어 전략적 위치 허니컴 코어 안정화용, 과다 중량 없이. 기타 용도: 보더 강화(복합 패널 에지 실링/보강), 인서트 본딩, 금속 힌지/인서트 장착 복합 패널 국소 보강.

미래 전망

1999년 첫 특허 후 L&L CBS 기술 다수 발명 출원. 이제 캐리어·접착제 옵션 광범위해 자동차 넘어 트럭·항공우주로 적용 확대. 다음은?

이그네스: "수년간 CBS 제품들 새 애플리케이션 요건 결합 기능 수행토록 진화. 단순 구조 보강에서 시작해 강성 향상뿐 아니라 음향 기능 개선이나 에너지 흡수 증대도 수행. CBS 기술이 제공하는 높은 바람직 속성 감안 시 자동차 사용 증가뿐 아니라 타 산업 성장도 기대."