[인터뷰] '하이브리드자동차 경쟁력, 결국 소재'…홍성민 현대제철 책임연구원

현대제철과 현대자동차가 공동 개발한 ‘차세대 하이브리드 변속기용 고내구 리어선 기어 소재’가 국내 대표 산업기술상인 IR52 장영실상을 수상했다. 이번 기술은 차세대 하이브리드 시스템이 요구하는 고토크·소형화 환경에 대응하기 위해 개발됐으며, 실제 양산 차량에 적용돼 실차 검증까지 마쳤다.

이번 기술 개발을 참여한 홍성민 현대제철 특수강개발팀 책임연구원은 본지와의 인터뷰에서 개발 배경부터 기술적 차별성, 양산 검증 과정, 소비자가 체감할 수 있는 효과, 향후 친환경 자동차용 특수강 개발 방향까지 자세히 설명했다.

◇ "차세대 하이브리드 핵심은 고내구 소재“

홍 책임연구원은 전 세계적으로 탄소배출 감축과 전동화 차량 전환이 가속화되는 가운데 하이브리드차가 현실적인 전동화 솔루션으로 자리매김하고 있다고 진단했다.

그는 “전기차의 높은 구매 비용과 충전 인프라의 제약, 일부 국가의 보조금 축소 등의 영향으로 시장에서는 하이브리드차가 현실적이고 효율적인 전동화 솔루션으로 주목받고 있다”라며 “하이브리드차는 내연기관과 전기차를 연결하는 과도기적 기술을 넘어 높은 연비와 우수한 주행 성능을 동시에 제공하는 핵심 전동화 기술로 자리매김하고 있다”고 말했다. 

이어 “차세대 하이브리드 시스템의 성능과 내구성을 향상시키는 것은 국내 자동차 산업의 경쟁력 확보를 위한 매우 중요한 과제로 부상했다”라며 “차세대 하이브리드 변속기는 기존보다 더욱 높은 토크를 전달해야 하는 반면 패키징 제약으로 인해 부품 크기를 확대하기 어려운 환경인 만큼 핵심 구동 부품의 내구성 확보가 필수적이었다”라고 설명했다.

특히 리어선 기어는 엔진과 모터의 동력을 직접 전달받아 감속과 토크 증폭 기능을 수행하는 핵심 부품으로, 변속기 구성품 가운데 가장 높은 하중과 발열이 발생하는 부위인 만큼 극한의 구동 환경에서도 안정적인 성능과 내구성을 확보할 수 있는 새로운 합금 설계가 필요했다고 강조했다.

이에 현대제철과 현대자동차는 새로운 합금 설계 개념을 적용해 ‘차세대 하이브리드 변속기 극한 구동조건 대응 전용 고내구 소재 기술’을 공동 개발했다.

현대제철은 이번 기술의 가장 큰 차별점으로 양산성과 내구성을 동시에 확보한 점을 꼽았다.

홍 책임연구원은 “차세대 하이브리드 변속기는 기존보다 더 높은 토크를 전달해야 하는 동시에 소형화가 요구돼 기어에 가해지는 하중과 발열이 더욱 증가한다”라며 “실제 양산 환경에서 안정적인 열처리 품질을 확보하면서도 극한 구동 조건에서 우수한 내구성을 구현할 수 있는 소재 개발에 집중했다”고 말했다.

이를 위해 크롬(Cr)과 실리콘(Si) 함량을 최적화해 대기 침탄 열처리 양산 품질을 향상시켰고, 바나듐(V)과 니켈(Ni) 합금 원소를 정밀하게 설계해 석출 강화 효과를 확보하는 동시에 인성을 높였다.

그 결과 기어의 핵심 성능 지표인 접촉 피로수명은 기존 소재 대비 23%, 치굽힘 피로수명은 10% 향상됐다.

그는 “이번 기술은 연구실 수준의 소재 개발에 머무르지 않고 실제 차세대 하이브리드 차량에 적용돼 대형 SUV 팰리세이드의 실차 가혹 내구시험을 성공적으로 통과했다”라며 “기술의 신뢰성과 양산 적용 가능성을 입증했으며, '양산성'과 '내구성'이라는 두 가지 핵심 가치를 동시에 확보한 차세대 하이브리드 변속기용 고내구 소재 기술이라는 점에서 기존 소재와 차별화된 경쟁력을 갖췄다”라고 강조했다.

◇ "양산 기술이 핵심…실차 검증으로 경쟁력 입증"

개발 과정에서 가장 어려웠던 부분으로는 대기 침탄 열처리 양산 품질 확보와 기어 내구성 향상을 동시에 만족시키는 소재 설계를 꼽았다.

홍 책임연구원은 “일반적으로 기어의 내구성을 높이기 위해서는 크롬(Cr)과 실리콘(Si) 함량을 높이는 것이 효과적이지만, 함량이 과도하게 증가하면 침탄 열처리 과정에서 표면에 산화막이 형성돼 탄소의 침투를 방해하는 저침탄 현상이 발생할 수 있다”라며 “내구성 향상을 위한 설계가 오히려 열처리 품질을 저하시켜 기어 성능 향상에 한계를 초래하는 기술적 난제가 있었다”라고 말했다.

이를 극복하기 위해 재료 열역학 해석과 합금 설계 기술 노하우를 바탕으로 크롬(Cr)과 실리콘(Si)의 최적 조성을 도출했으며, V·Ni·Si 성분을 정밀하게 설계하고 청정강 기술을 적용해 내구성과 인성을 동시에 향상시키는 한편 피로 특성 저하 요인을 최소화하는 데 성공했다는 설명이다. 

또한 신규 합금 설계에 최적화된 침탄 열처리 조건을 확보하기 위해 열처리 전문 협력사와 수차례 양산 규모 검증을 수행했고, 그 결과 안정적인 양산 품질과 목표 내구 성능을 모두 확보할 수 있었다고 소개했다.

홍 책임연구원은 “이번 개발은 단순히 새로운 소재를 개발한 것을 넘어 소재 설계부터 열처리, 부품 평가, 실차 검증에 이르기까지 다양한 분야 전문가들이 긴밀하게 협력해 완성한 성과”라며 “연구진과 협력사들의 기술력과 헌신이 있었기에 차세대 하이브리드 변속기용 고내구 소재를 성공적으로 개발할 수 있었다”고 말했다.

이와 함께 현대제철은 이번 기술이 소비자가 체감하는 차량 성능과 품질 향상에도 기여할 것으로 기대하고 있다. 

홍성민 책임연구원은 “최근 하이브리드차와 전기차는 강력한 모터 성능을 바탕으로 순간적으로 높은 토크가 발생하기 때문에 구동계 부품, 특히 기어 소재의 내구성이 차량 성능과 품질을 결정하는 핵심 요소”라며 “고내구 소재를 적용하면 극한 구동 조건에서도 기어 손상 위험을 최소화하고 안정적인 동력 전달이 가능해져 가속 성능과 주행 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다”고 설명했다.

이어 “구동계 부품의 내구성이 높아질수록 기어 파손이나 변속기 이상으로 인한 고장 가능성이 감소하고 장기간 사용 시에도 안정적인 성능을 유지할 수 있다”라며 “변속기와 구동계 부품의 수명 연장으로 부품 교체와 유지보수 부담을 줄일 수 있고, 소비자는 차량을 더욱 오랫동안 경제적으로 운행할 수 있을 것으로 기대된다”라고 말했다.

또 “부품 수명 연장을 통해 자원 사용을 줄이고 폐기물 발생을 감소시킬 수 있어 친환경 측면에서도 의미 있는 가치를 제공한다”며 “이번 기술은 안전성, 경제성, 친환경성을 동시에 향상시키는 차세대 하이브리드 핵심 소재 기술로서 소비자가 체감하는 차량의 품질과 상품성을 한 단계 높이는 데 기여할 것”이라고 덧붙였다.

◇ "친환경 특수강으로 전동화 시대 대응"

향후 개발 방향에 대해서는 친환경 특수강을 제시했다.

홍 책임연구원은 “전 세계 자동차 산업의 가장 큰 화두는 탄소배출 감축과 지속가능성”이라며 “현대제철 특수강 부문은 차량 성능 향상뿐 아니라 제조 과정에서 탄소 배출을 줄일 수 있는 친환경 소재 개발에 역량을 집중하고 있다”고 밝혔다.

이어 “이러한 소재는 부품 제조 과정에서 에너지 사용량과 탄소 배출을 줄일 수 있을 뿐 아니라 생산 공정을 단순화해 부품 생산 리드타임 단축과 원가 절감 효과도 기대할 수 있다”며 “전동화 차량이 요구하는 높은 강도와 내구성을 확보하면서도 친환경성을 높인 차세대 특수강 소재 개발을 지속 추진해 자동차 제조사의 생산 효율성과 경쟁력을 높이고, 궁극적으로는 소비자에게 더욱 경제적이고 친환경적인 차량을 제공하는 데 기여하겠다”라고 말했다. 

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