현대제철·현대차 ‘하이브리드 변속기 기어 소재’

왼쪽부터 현대제철 홍성민 책임연구원, 황순홍 책임연구원, 현대자동차 성현제 책임연구원, 강민우 책임연구원.

최근 자동차 시장에서 전기차 전환의 과도기를 메울 현실적인 대안으로 하이브리드(HEV) 자동차의 인기가 급상승하고 있다. 이에 따라 더 높은 효율과 강력한 힘을 발휘하는 하이브리드 구동 시스템 개발 경쟁도 치열해졌다. 하이브리드 차량이 복잡한 도심과 고속도로에서 부드럽고 강력하게 달리려면 구동계의 핵심 부품이 극한의 토크와 열을 견뎌내야 한다.

이 같은 시장의 요구에 발맞춰 해외 경쟁재를 압도하는 내구성과 가격 경쟁력을 자랑하는 국산 자동차 소재 기술이 2026년 제26주 차 IR52 장영실상을 수상했다. 현대제철과 현대자동차가 공동 개발한 ‘차세대 하이브리드 변속기 고내구 기어 소재’이다.

이 기술은 변속기 내부에서 엔진과 모터의 동력을 직접 감속하고 토크를 증폭시키는 핵심 부품인 ‘리어선 기어’에 적용된다. 차세대 하이브리드 변속기는 기존 대비 토크가 31%나 증대된 반면, 전장 길이는 오히려 20mm 줄어들어 부품이 받는 부하와 발열이 극심해졌다.

이에 내구성을 높이기 위해 크롬과 규소 함량을 늘려왔다. 하지만 이 방식은 표면에 치밀한 산화막을 형성해 탄소 침투를 막는 ‘저침탄 현상’이라는 품질 저하를 유발하는 한계가 있었다. 해외 완성차 업체들은 니켈 함량을 극대화해 이를 해결했으나 심각한 원가 상승이 걸림돌이었다.

연구팀은 합금 성분의 최적 임계값을 도출해 저침탄 현상을 방지하는 동시에, 바나듐을 첨가해 미세 조직을 강화하는 방식으로 상충 관계의 기술적 난제를 해결했다.

이번에 개발한 신소재는 열처리 공정을 통해 금속 내부를 단단하게 지탱해 주는 미세 보강 알갱이를 기존보다 3배 가까이 촘촘하게 만들어낸 것이 특징이다. 덕분에 부품이 맞물려 돌아갈 때 발생하는 극심한 마찰과 열을 버티는 능력이 크게 향상됐다. 기어 표면이 닳아 발생하는 피로 수명은 23%, 기어 이빨이 부러지지 않고 견디는 수명은 10%나 늘어났다.

실제로 대형 SUV인 ‘팰리세이드 하이브리드’에 탑재해 가혹한 10만km 이상을 달리는 실차 내구 시험을 거쳤음에도 아무런 문제가 없었다. 그러면서도 고가의 원료를 줄여 해외 경쟁사 제품보다 가격을 17%나 낮췄다.

이 소재로 만든 제품은 현대차·기아의 프리미엄 하이브리드 및 EREV(주행거리 연장형 전기차) 제품군에 순차적으로 탑재될 예정이다. 지난해 기준 3억 5000만 원 수준의 매출을 시작으로, 글로벌 하이브리드 시장 확대에 발맞춰 2029년에는 연간 13억 원 이상의 매출 효과를 낼 것으로 회사 측은 기대하고 있다.

홍성민 현대제철 특수강개발팀 책임연구원은 “소재 자체의 한계를 극복하는 것도 어려웠지만, 이를 실제 차량에 탑재하기 위해 협력사들을 설득하고 양산 규모의 테스트를 거쳐 최적의 열처리 조건을 확립하는 과정이 핵심이었다”며 “성능 향상과 원가 절감이라는 두 마리 토끼를 잡기 위해 현대제철과 현대차 연구진이 한 팀처럼 움직이며 고민한 결과 불가능해 보였던 가혹 기준을 만족할 수 있었다”고 밝혔다.