샌프란시스코의 아찔한 오르막과 내리막을 빠르게 오가며 숨가쁘게 이어지는 추격전. 2018년 공개된 영화 《앤트맨과 와스프》 속 한 장면입니다. 자동차는 엄청난 엔진음과 함께 롬바드 스트리트의 오르막길을 고속 주행했다가 화려한 코너링으로 내리막에 진입해 적을 따돌리려 합니다. 때론 후진으로 주행하다가 급정거를 하며 방향을 바꾸는 등 손에 땀을 쥐게 하는 추격전을 보여줍니다. 

©현대자동차

이렇게 역동적인 자동차의 질주를 가능하게 하는 숨은 주역이 있습니다. 바로 자동차 부품 중 하나인 변속기입니다. 변속기는 기어비*를 바꿔 엔진이나 모터에서 생성한 동력을 주행상황에 적합한 회전속도와 토크*로 변환해 바퀴로 전달합니다. 예를 들어 오르막길에서는 속도보다는 큰 힘이 필요하기 때문에, 변속기는 회전속도를 낮추고 토크를 높여 바퀴에 에너지를 전달하죠. 반대로 고속으로 달릴 때는 엔진이나 모터를 효율적으로 회전시켜 적은 에너지로도 속도를 유지하도록 돕습니다.

*기어비: 서로 맞물린 두 기어의 회전수 비율
*토크(torque): 엔진이나 모터가 바퀴를 돌리는 회전력

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최근 시장 선호도가 높아지고 있는 하이브리드 자동차에서는 변속기의 역할이 더 중요해지고 있는데요. 엔진과 모터의 동력을 바퀴에 효율적으로 전달해야 하는 변속기가 차량의 성능과 연비를 좌우하는 핵심 요소로 부각되고 있습니다.

속도와 힘을 조절하는 기어의 원리

변속기는 여러 종류의 기어가 맞물려 움직입니다. 그 중 리어선 기어는 엔진의 힘을 전달하는 핵심부품으로, 작동 중 매우 큰 힘을 반복해서 받는 특징이 있습니다.

*이해를 돕기 위해 AI로 생성한 이미지로 실제와 다를 수 있습니다.

특히 기어의 톱니는 마찰이 반복되어 ‘접촉 피로’가 누적되고, 강한 압력으로 기어의 이가 휘어지는 ‘치굽힘 피로’가 누적되기도 하는데요. 이러한 피로는 기어의 수명을 단축시키는 주요 요인입니다. 따라서 변속기의 리어선 기어 소재는 이런 피로를 견딜만큼 충분한 내구성을 필요로 합니다.

차세대 하이브리드 변속기 고내구 리어선 기어 소재로 장영실상 수상한 현대제철·현대자동차

현대자동차는 좁아진 공간에서 더 큰 구동력을 전달할 수 있는 기어가 필요했습니다. 차세대 하이브리드 변속기의 토크는 약 31% 증대된 반면, 전장 길이는 20 mm 감소되었기 때문이죠. 이에 현대제철과 현대자동차는 차세대 하이브리드 변속기 구동조건을 충족시킬 수 있는 고내구 소재 기술을 개발했습니다. 이 소재로 과학기술정보통신부가 주최하고 한국산업기술진흥협회와 매일경제신문이 주관하는 2026년 26주차 IR52장영실상을 수상하며 기술과 상용화 성과를 인정받았습니다.

고내구 리어선 기어는 어떻게 만들어졌을까?

기어는 다음과 같은 공정을 거쳐 탄생합니다. 먼저 기어에 필요한 강도와 내구성, 열처리 특성을 고려하여 합금 성분을 설계합니다. 제강*을 거쳐 탄생한 철강은 블룸, 빌렛과 같은 반제품 형태를 지나 소형봉강으로 가공됩니다. 소형봉강이 열간 또는 냉간 단조* 과정을 지나 정삭가공을 거치면, 이를 갖춘 기어 모양이 됩니다. 이 단계까지 마친 기어는 형상을 갖췄지만 성능을 완전히 확보한 것은 아닙니다. 핵심은 침탄에 있죠.

AI 생성 이미지 포함

*제강: 주원료를 녹이고 불순물을 제거하는 공정
*단조: 금속 가공물을 두드려 원하는 형태로 만드는 공정
*소둔: 금속을 가열 후 늦은 속도로 냉각시켜 기계적 성질을 변화시키는 열처리 공정
*황삭가공: 정삭하기 전 대충 모형/전체 모습을 잡는 목적으로 거칠게 면을 가공하는 작업

침탄은 소재 표면의 탄소 함유량을 증가시키는 열처리 방법입니다. 침탄 후 담금질을 하면 기어 표면은 마찰과 마모를 견딜 수 있도록 단단해지고, 내부는 충격을 흡수할 수 있는 질긴 성질을 유지할 수 있게 됩니다. 침탄 이후 연삭* 공정을 통해 열처리로 발생한 미세한 변형을 바로잡고, 기어의 정밀한 치수와 형상을 맞추면 최종 부품이 완성됩니다.

*연삭: 연삭숫돌을 고속으로 회전시켜, 가공물의 표면을 연마하는 작업

기어 소재 개발에 있어서는 합금 설계와 침탄 공정에 주목했습니다. 왜냐하면 ‘내구성 향상’과 ‘대기 침탄 열처리 품질 확보’가 상충하는 특성을 띠었기 때문이었죠. 기존 강종보다 내구성을 더욱 향상시키기 위해 크롬과 규소 함량을 높일 경우, 침탄 열처리 과정에서 산화막이 쉽게 형성되어 목표 물성을 확보하기 어려웠습니다.

*이해를 돕기 위해 AI로 생성한 이미지로 실제와 다를 수 있습니다.

이에 현대제철과 현대자동차는 연구를 통해 내구성은 높이되, 저침탄 현상은 방지할 수 있는 크롬과 규소의 최적 함유량을 도출했습니다. 또한 내구성을 높이기 위해 바나듐(V)과 니켈(Ni)을 최적의 비율로 첨가한 소재 설계 기술을 적용했습니다. 바나듐은 강철 내부에 매우 미세한 강화 입자를 형성해 소재를 더욱 단단하고 강하게 만들어 주며, 니켈은 충격에 견디는 능력을 높이는 역할을 합니다. 특히 니켈은 강철 내부에 잔류 오스테나이트 조직이 안정적으로 형성되도록 돕는데, 이 조직은 기어가 실제 구동되는 과정에서 더욱 단단한 마르텐사이트로 변화해 마모와 피로 손상에 대한 저항성을 높입니다. 또한 외부 충격 에너지를 흡수해 균열 발생을 억제함으로써 높은 강도와 인성을 동시에 확보할 수 있습니다.

기술적 완성도와 상품성을 모두 갖추다

치열한 소재 개발 끝에 리어선 기어용 신소재는 뛰어난 성능을 보여주었습니다. 기존 소재 대비 접촉 피로 수명은 23%, 치굽힘 피로 수명은 10% 향상되었고 차세대 하이브리드 적용 팰리세이드 실차 내구 품질을 충족했습니다.

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리어선 기어 신소재는 상품성도 확보했습니다. 고함량 니켈계 해외 유사 경쟁재와 비교 시, 신소재는 경쟁재 원료 기준 추정 가격 대비 약 5 ~ 17% 낮아 우수한 가격 경쟁력을 확보했습니다. 뿐만 아니라 양산 적용 가능성도 증명했습니다. 대형 SUV인 팰리세이드 하이브리드에 신소재 기어를 탑재하여 극한 환경에서의 실차 내구시험을 통과했습니다. 내구성 및 장기간 성능 유지력이 향상된 기어 소재는 향후 자동차 실 사용자의 부품 교체 및 유지·보수 부담을 줄이고, 장기간 경제적 운행에 도움을 줄 것으로 예상됩니다.

자동차의 힘찬 질주, 소재 기술로 완성하다

경사로를 질주하는 자동차 속 변속기는 보이지 않는 곳에서 극한의 하중을 견디며 속도와 힘을 정교하게 조절합니다. 고내구 변속기는 단순한 철강 부품이 아니라, 자동차의 성능을 한 단계 높게 구현할 수 있는 핵심 부품입니다. 작은 기어 소재에 담긴 현대제철의 기술력은 더 강하고 효율적인 미래 모빌리티의 가능성을 넓혀가고 있습니다.