미래의 재료

아이디어를 실현시키는 것은 그것을 꿈꾸는 것보다 멋지다. 불가능해 보이는 것을 구체적인 기술로 만들어내는 것. 바로 포르쉐 재료 공학자의 업무다.

첫눈에 혁신성을 알아볼 수는 없다. 필립 켈너(Philipp Kellner)가 얇게 압착된 강철판을 책상 위에 올려는다. 그가 올려 놓은 부품은 완성된 차량의 하단부 문틀에 장착되어, 도어 힌지를 올려주고, 그 위의 차량 앞 유리를 측면에서 감싸준다. 바이삭 연구소 차량 구성 및 초기 개발 부서의 포르쉐 전문가인 켈너가 설명한다. 이 부품은 차량 전면부에서 봤을 때 첫 번째 주요 수직선에 해당하는 A 필러이며, 대부분의 자동차에서 B 필러 및 C 필러와 함께 차량 공간을 구성한다. 한 마디로 생존에 필수적인 부품인 것이다. 특히 카브리올레와 로드스터같이 개방된 차량에 있어 A 필러는 차량 전복 시 탑승자를 위한 생존 공간을 확보한다. 얇은 금속판으로 된 강철 프로필에 고강도강으로 된 프로필이 추가로 더해진다. 이 눈에 띄지 않는 금속 조각 하나만으로도 엔지니어의 뛰어난 기술력이 증명된다. 왜냐하면 이 금속 조각은 끝으로 갈수록 얇아지고, 중간은 두꺼워지는 등 두께가 일정하지 않기 때문이다.

보이지 않는 척추

마름모꼴의 버팀대가 있는 검은색 플라스틱이 고강도강을 감싸는 동시에 내부에서 이를 받쳐주는 역할을 한다. “여기에는 보이지 않는 것이 있습니다. 액체 상태로 부착된 유리 단섬유 강화 플라스틱과 금속 사이에 열가소성 수지의 유리 섬유 조직 판 두 겹이 들어 있습니다. 우리는 이것을 유기 금속판이라고 부르죠.” 켈너의 설명이다. 이 모든 것이 합쳐져 3D 하이브리드 A 필러를 형성한다. 포르쉐가 처음으로 발명한 이 새로운 형태의하이브리드 차체 제작 방식은 고강도강 강철관을 가진 카브리올레의 A 필러와 같이 전복 시에도 구부러지지 않으며, 그보다 5킬로그램 이상 적은 중량에도 불구하고 동일한 성능을 자랑한다. “미래의 경량형 차체는 강철, 알루미늄, 마그네슘, 탄소 섬유 보강 플라스틱 등 여러가지 경량형 재료들이 사용됩니다. 이 새로운 형태의 하이브리드 차체 제작 방식도 이 분야에 자리 잡게 될 것입니다.” 차량 구성 및 초기 개발 부서 책임자인 마티아스 프뢰쉴레(Mathias Fröschle)가 설명한다. 탑승자 보호는 포르쉐의 중요 자산이다. 3D 하이브리드 차체 제작 방식은 여기에 크게 기여할 것이며, 뿐만 아니라 중량 저하는 물론 기존의 솔루션과 비교해 비용에도 거의 차이를 보이지 않는다.

3D 하이브리드 A필러

고강도강으로 이루어진 이 부품은 변형된 열가소성 수지의 유리 섬유 조직판을 내부에 포함하고 있으며, 유리 단섬유 강화 플라스틱이 주조식으로 부착되어 있다. 기존의 강철관을 대신하는 이 부품으로 인해 A 필러가 훨씬 적은 중량에도 불구하고 차량 전복 시 이전과 같은 안정성을 가지게 하는 효과를 낸다. 플라스틱 골격으로 이루어진 최적화된 지지 구조를 통해 접히지 않고, 탄력있게 구부러지는 것이다. 올해 이 새로운 기술의 연구가 끝나면, 미래를 위한 포르쉐 경량 차체 제작에 적극적으로 사용될 것이다.

 

브레이크 페달

앞으로 A 필러 내부에 장착될 재료를 파나메라와 918 스파이더의 운전자들은 이미 차량 페달부에서 직접 확인할 수 있다. 브레이크 페달이 이와 같은 열가소성 합성 플라스틱으로 이루어져 있기 때문이다.

 

극도로 미세한 스테인리스 가루
복잡한 형태는 지금까지 주조소의 몫이었다. 하지만 새로운 레이저 프린팅 제조 방식으로 가루를 한겹 한겹 녹여 원하는 형태는 거의 무엇이든 만들어낸다.

918 스파이더와 최신 파나메라 모델을 운전하는 사람이라면 누구나 브레이크 페달에서 이 연구 작업의 기초를 직접 확인할 수 있다. 페달에서 번쩍이는 검은 섬유재를 많은 사람들은 탄소 섬유라고 생각한다. 포르쉐 페달 및 작동 개발부의 에드가 그룬케(Edgar Grundke)는 고개를 젓는다. “이것은 열로 형성된 유리 섬유판으로 유리 섬유 강화 플라스틱 뼈대가 뒤에서 받쳐줍니다.” 바로 A 필러에 엄청난 강도를 더해 줄 미래의 재료인 것이다. “단일 성분의 이 물질은 금속보다 가볍고, 안정성을 지속적으로 유지합니다. 지금까지 누구도 양산형 모델에 이 재료를 사용하지 못했습니다. 저희가 전 세계적으로 이것을 첫 시도한 생산업체입니다.” 그룬케가 자랑스러움이 배인 목소리로 설명한다. 이는 포르쉐의 용기에서 비롯된다. 이 새로운 브레이크 페달은 앞으로 새로운 모델에 계속 장착될 예정이다.

혁신 및 초기 개발 매니지먼트 부서의 헨드릭 세바스티안(Hendrik Sebastian)도 여기에 동의한다. 이 부서는 여러 초기 개발 부서들에서 나온 아이디어들이 모아지는 곳일 뿐만 아니라, 미래에 대한 아이디어가 개발되고, 연구 작업 분석 및 착수 그리고 트렌드 모니터링이 이루어지는 곳이기도 하다. 이 부서에서 다루는 논제는 마치 미래를 예견하는 수정 구슬 속을 들여다보는 것과 같다. 고객들이 5년, 10년 그리고 15년 후에 원하는 것은 무엇일까? 그땐 어떤 기술이 존재할까? 이러한 업무에는 추상적 사고와 상상력과 함께 아이디어를 실현시킬 때까지 버티는 인내력도 중요하다. 포르쉐 개발자들은 명확히 정의된 포르쉐의 개발 원칙을 따른다. “어떤 상황에서도 훌륭한 주행 퍼포먼스를 발휘하는 것입니다. 왜냐하면 포르쉐 스포츠카는 언제나 기술적으로 실현 가능한 것의 극한에서 달리기 때문입니다. 새로운 재료와 제작 컨셉트는 반드시 필요한 요소입니다. 고객들을 위한 지속적인 가치 증대를 보장해주는 유일한 방법입니다.”세바스티안이 부서의 목표 중 하나를 설명한다.

“포르쉐의 스포츠카는 언제나 기술적으로 실현 가능한 것의 극한에서 달립니다. 이에 새로운 재료와 제작 컨셉트는 반드시 필요한 요소입니다.” 헨드릭 세바스티안

재료 선택과 생산 방식 옵션에 있어 재료 공학 부서의 전문가들은 부서 책임자 슈테판 슈미트의 지원을 받는다. 여기서 무엇보다 중요한 것은 새로운 것에 대한 열린 시각이다. 이에 대한 좋은 예로 요즘 대부분의 스마트폰에 사용되고 있는 고릴라 글래스가 있다. 이는 탁월한 강도와 완벽한 외형적 특성을 가지고 있는 초박판 유리이다. “바이삭 패키지의 918 스파이더에 처음으로 그와 비슷한 재질의 작은 유리 합판을 장착했습니다. 이 합판은 두 겹의 초박판 유리로, 그 사이에는 포일 한 장이 들어 있습니다.” 초기 개발 차량 구성 부서의 마르쿠스 슐츠키(Markus Schulzki)가 가로 세로 20센티미터인 유리판을 손에 들고 있다. 압도적인 스포츠카 918의 시트 뒤 프레임 사이에 위치하는 차 뒷 유리이다. 놀랍게 가볍고, 손으로 살짝 튕기면 플라스틱과 같은 소리가 난다. “모두 그렇게 생각하지만 이것은 유리입니다. 그리고 이것은 단지 연습에 불과했죠. 이제 저희는 훨씬 더 발전했습니다.” 현재 포르쉐 911 GT2 RS와 911 카레라 T의 후방 측면 유리와 뒷 유리 전체가 초박판 유리로 되어있다. 얼마 전까지 기술적으로 불가능했던 곡선형 유리판이 이제 포르쉐의 주도로 사용 가능해졌기 때문이다. 2밀리미터가 채 되지 않는 이 유리는 40퍼센트 가벼워졌으며, 낙석 충격에 두 배 이상의 내구성을 가진다. 또한 거의 100퍼센트에 가까운 자외선 차단, 개선된 보온 기능과 방음 기능까지 더해진다. “주행 시 부는 바람에 의해 생기는 고주파 소음은 필터링 되며, 6기통 박서 엔진이 만들어내는 멋진 저음의 사운드는 그대로 더 청명하게 들을 수 있습니다.” 슐츠키는 클래식 사운드에 대한 그의 사랑을 감추지 않는다.

인테리어의 유리 혁명

자동차 산업의 커뮤니케이션 기술력은 스마트폰을 통해 차량 내 정보 전달 방식을 발전시켰다. 마티아스 프뢰쉴레는 외장 구성 요소 외에도 차량 내부 솔루션을 개발한다. 그가 자신의 비전에 대해 말한다. “중앙 콘솔은 곡선형 표면 전체가 초박판 유리로 되어 있습니다. 이 유리 안의 포일을 통해 디스플레이와 컨트롤을 탑승자가 원한는 데로 생성시킬 수 있습니다. 제스처 컨트롤로 메뉴를 활성화시키고, 유리의 접촉을 통한 촉각 반응으로 명령이 실행되었다는 응답을 받게 됩니다.”


로터 샤프트
기존의 제작 방식을 이용한 전기 엔진의 핵심 작업은 여러 부품으로 이루어져야 했다. 레이저 용해 기술은 원료를 적게 씀에도 내부에 섬세한 골을 만들어낼 수 있다. 이렇게 만들어진 샤프트는 기존보다 훨씬 가볍다.

 

911 GT2 RS의 측면 유리
포르쉐 911 GT2 RS(프로토타입 단계)에 장착된 고강도 측면 유리는 모든 방향으로 구부러져 있으며, 마력 하중비를 개선시키는 역할뿐만 아니라, 주행 시 바람의 소음을 필터링하며, 중량이 40퍼센트 가량 적다.

 


고릴라 글래스
고강도의 초박판 유리에 대한 아이디어는 원래 스마트폰과 노트북의 디스플레이에서 나온 것이다. 포르쉐는 모래, 재활용 유리 그리고 안전 포일로 이루어진 이 합성 유리를 본격적으로 차량 유리에 사용하는 첫 번째 자동차 생산업체이다. 점점 더 많은 신형 모델들에 이 유리가 장착되고 있다. 이 초박판 유리는 더 안정적이고, 더 가벼우며, 개선된 자외선 차단 기능을 제공한다. 또한 앞으로 디스플레이 기능을 하게 될 가능성이 높다.

헨드릭 세바스티안과 그의 동료들은 더 많은 가능성을 상상한다. “전혀 새로운 형태의 증강현실 유리와 디스플레이입니다. 탑승자들이 창문을 통해 오래된 성을 발견하여 유리 표면을 터치하면, 측면 카메라가 성을 포착하고, 사진이 인터넷의 정보와 비교 확인되어 실시간으로 실제 성 옆의 유리 표면에 표시되는 것이죠.” 두 겹의 유리판 사이에 있는 포일이 디스플레이의 역할을 한다. 이는 결코 망상이 아니다. 실제 연구 진행 상태에 대한 설명이다. 또한 햇빛의 정도나 탑승자의 요구에 따라 단계 없이 자연스럽게 차량 내부를 어둡게 할 수도 있다.

식물성 섬유 재질의 포르쉐

그 외에도 포르쉐는 재생형 물질의 인테리어 구성요소도 개발하고 있다. “식물성 섬유 재질의 도어 패널은 이미 존재합니다. 하지만 포르쉐의 까다로운 요구 사항을 충족시키는 재료는 아직 없습니다.” 프뢰쉴레가 말한다. 포르쉐는 곧 모든 관점에서 고객들에게 확신을 주는 부품들만을 장착하게 될 것이다. “2048년에도 차량 전체가 해초나 식물성 섬유로 이루어진 포르쉐는 존재하지 않을 것입니다. 하지만 지속성과 재활용은 지금보다 더 큰 의미를 .갖게 될 것입니다.” 세바스티안이 확신에 찬 어조로 말한다. “중요한 것은 혁신적 재료 외에도 새로운 생산 방식이 고려되어야 한다는 점입니다.”

그가 말하는 것은 바로 흔히 3D 프린팅이라고 표현하는 생산 방식이다. 이 분야의 전문가인 구동 초기 개발 부서의 팔크 하일포르트(Falk Heilfort)와 프랑크 이킹어(Frank Ickinger)가 실린더 형태의 부품을 설명한다. 이것은 전기 엔진의 로터 샤프트로, 전자기적으로 생성된 토크를 기어로 전해주는 역할을 한다. 말하자면 전기 자동차의 크랭크축에 해당하는 부품이다. “이 로터 샤프트는 특수 스테인리스로 되어 있습니다.” 하일포르트가 설명한다. 샤프트 옆에는 작은 유리 관이 서있다. 그 안에는 아주 미세한 입자의 회색 가루가 들어있다. 이것은 이 거대한 부품을 위한 극도로 미세한 원료이다. 무균 공간 안의 표면에 촘촘히 뿌려지고 레이저로 견고하게 정확히 녹아내리며, 이와 같은 작업이 한겹 한겹 반복된다. 이런 식으로 약 50센티미터 길이의 로터 샤프트가 만들어지는 것이다. 밀링 머신으로 재단된 기존의 부품과 비교해 재료가 현저히 적게 들며, 가루가 남았을 때 재사용할 수 있다. 또한 복잡한 형태도 제작 가능하다는 장점 덕분에 로터 샤프트의 내부에 안정성을 더해주는 섬세한 골을 새길 수 있다.

기존의 회전 선반에서 이러한 형태를 제작하는 것은 사실 불가능하다. 그러기 위해서는 샤프트의 일부분을 먼저 부어 넣고, 나중에 용접을 통해 닫아야 한다. “이 부품은 높아진 강도와 견인력에도 훨씬 개선된 안정성과 무게를 보여줍니다.” 이킹어가 장점들을 나열한다. 하지만 단점도 있다. “아직까지 이런 샤프트를 프린팅하는 데는 약 13시간이 걸립니다.” 이 때문에 대량생산은 시기 상조이긴 해도 이 기술은 앞으로 구동기술의 새로운 장을 열 것이다. 헨드릭 세바스티안이 덧붙여 설명한다. “이 새로운 생산방식은 부품 생산 방식에 혁명적 결과를 가져왔습니다. 훨씬 더 신속하게 최적화 작업 및 테스트를 진행할 수 있으며, 퍼포먼스도 눈에 띄게 개선할 수 있습니다. 이 혁신적인 생산 공정은 무한한 잠재력을 가지고 있습니다. 아직 험난한 여정이 남아있지만, 이것을 해결하지 못한다면 포르쉐라 불릴 자격이 없을 것입니다.” 극히 미세한 곡선형 냉각관을 가진 부품이 이러한 생산 혁신의 좋은 예다. “여기에서 하는 연구 결과로 더 높은 퍼포먼스의 더 컴팩트한 부품들이 탄생하게 될 것입니다.” 하일포르트는 확신에 차 있다.

2048년에도 재생 가능한 포르쉐나 3D 프린터로 만들어진 포르쉐는 없을 것이다. 그때도 포르쉐는 목적에 맞게 완벽하게 재단된 순수 재료들로 만들어질 것이다. 강철과 알루미늄은 부품의 더 많은 부분을 차지해 차량 전체를 더욱 발전시킬 것이다. 여기에 추가적으로 요구되는 것은 비전, 연구를 향한 열정 그리고 새로운 것에 대한 용기이며, 현재 바이삭의 전문가들은 이미 이 모든 것을 가지고 임무하고 있다.

Thorsten Elbrigmann
Thorsten Elbrigmann