철도차량은 무엇으로 만들어질까? 열차 제작에 사용되는 원소재

"내가 지금 타고 있는 열차는 무엇으로 만들어졌을까?"

열차를 타면서 누구나 한 번쯤 해봤을 법한 질문이죠. 빠르고 안전하게 많은 승객을 수송해야 하는 교통수단인 만큼 열차의 '소재'는 매우 중요한 문제입니다. 일반적으로 철도차량의 주요 소재는 금속으로 알려져 있지만, 그렇다고 아무 금속으로나 차량을 제작할 수는 없습니다.

우리가 매일 탑승하는 열차에 사용된 소재는 곧 그 교통수단에 대한 신뢰로 이어집니다. 오늘 현대로템 공식 블로그에서는 철도차량을 만드는 데 사용되는 원소재(Raw materials)와 그 환경에 대한 영향에 대해 알아봅니다.

철도차량에 꼭 필요한 주요 원소재

산업혁명 이전의 최초의 열차는 목재 소재의 차량이었습니다. 하지만 내구도와 수송력을 늘리기 위해 금속 소재를 사용하기 시작했고, 현대의 철도차량 역시 주된 원소재는 금속으로 이루어집니다.

그러나 무거운 금속으로 만들어진 열차는 속도가 낮아지고 소비전력이 높을 수밖에 없습니다. 그래서 현대로템 등 철도차량 제작사와 부품사는 열차의 무게를 줄일 수 있는 경량화 방안을 집중적으로 연구해 왔습니다. 이중에서도 안전하면서도 가벼운 열차의 경량화 소재에 대해서는 현대로템 블로그의 '알쓸신철' 열차 소재 상식편에서 소개한 적이 있으니, 이번 콘텐츠와 함께 참고해도 좋겠습니다.

▲알아두면 쓸데있는 열차 소재 상식(바로가기)

▲ 고강도 스테인리스로 만들어진 철도차량의 차체

철도차량을 구성하는 가장 중요한 부분은 차체와 대차입니다. 특히 차체에는 열차의 주요 장치들이 탑재되죠. 열차 중량의 대부분을 차지하는 차체와 대차를 비롯한 많은 장치들이 금속으로 이루어져 있습니다.

물론. 차체와 대차 외의 장치에는 금속이 아닌 다른 소재가 활용되기도 합니다. 특히 열차 인테리어에 사용되는 내장판과 바닥재는 비상 상황을 고려해 잘 타지 않는 불연소재를 사용하는 경우가 많죠.

또한 여러 객실이 연결되는 열차에서 고무로 된 연결통로, 즉 갱웨이(Gangway)를 본 적이 있을 텐데요. 이 갱웨이를 이루고 있는 열차의 안정적인 주행을 돕는 현가장치(서스펜션), 오일 누설 방지 장치, 통로연결막 등은 고무 재질로 만들어집니다. 이처럼 한 대의 철도차량에는 금속과 다양한 복합소재, 고무 등의 원소재가 사용되고 있는 것입니다.

철도차량 한 대에서 금속이 차지하는 비중은?

▲ 철도차량의 대차와 차체는 전체 중량의 약 60%를 차지한다

그렇다면 철도차량 한 대를 제작할 때 사용되는 금속의 비중은 어느 정도일까요? 트램, 전동차, 기관차, 고속열차 등 열차의 종류에 따라 사용되는 원소재의 비율은 다르지만, 보통 철도차량 한 대의 중량을 기준으로 금속으로 이루어진 대차와 차체가 차지하는 비중은 약 60% 수준이고, 여기에 다른 장치까지 감안하면 금속의 비중은 약 80%로 매우 높습니다.

▲ 철도차량을 구성하는 원소재 비율 예시(현대로템 철차 프로젝트의 예)

그 외에는 복합소재와 탄성을 지닌 엘라스토머(합성고무), 유리, 플루이드(유동체) 등의 원소재가 사용됩니다. 이러한 원소재의 사용 비율은 철도차량의 원가와도 관계가 있습니다. 그렇기 때문에 이러한 비율은 제작사의 영업 비밀에 해당되겠죠.

안전과 환경을 위한 기준

철도차량을 구성하는 차체의 주요 금속에는 KTX에 사용된 마일드 스틸(연강), 단단하고 잘 부식되지 않는 스테인레스 스틸, 가볍고 유연한 알루미늄 등이 있습니다. 과거에는 복합소재를 주요 소재로 사용한 열차가 개발되기도 했는데요. 차량의 종류와 용도에 따라 다른 금속이 원소재로 사용된다고 볼 수 있습니다.

▲ 많은 승객이 탑승하는 철도차량의 소재는 안전과 환경을 중점적으로 고려해 선정된다

이 금속 소재의 선정 기준은 열차의 충돌에 따른 강도 요구조건을 따라야 합니다. 운영사에서는 열차에 탑승하는 승객의 안전을 위해 다양한 요구사항을 제시하고, 차량 제작사는 표준규격에 명기되는 화학적 특성 또한 만족하는 소재를 사용해야 합니다. 특히 2000년대 들어 전세계적으로 환경 규제가 강화되면서 철도차량 제작사는 환경에 미치는 영향과 폐기시 재활용률까지 고려해 열차의 소재를 선정하고 있습니다. 최근에는 이러한 철도차량 소재의 사용 비율에 따라 탄소발자국(Carbon Footprint) 및 저탄소발자국 인증 등이 온실가스 저감 대책 방안의 일환으로 요구되고 있습니다.

특히 EU는 2006년부터 자국의 환경을 보호하기 위해 자동차 산업에 여러 환경 관련 규정을 적용하기 시작했습니다. 아래의 규정 중 ISO22628 (Road vehicle - Recyclability and recoverability – Calculation method)는 ISO 21106 (Railway applications – Recyclability and recoverability calculation method for Rolling stock)로 2019년부터 철도차량에 적용되고 있습니다.

- 유해물질제한지침(RoHS)

: 해로운 물질을 사용한 전자제품이나 전자기기를 제한하는 지침 

- 폐자동차처리지침(ELV)

: 폐기물 감소 및 재활용을 위해서 자동차 생산자와 수입업자에게 폐자동차의 무료회수(수거) 의무를 부과하고 재사용, 재활용, 재생 의무화 비율을 준수하도록 강제하는 조치

- 폐전기전자제품처리지침(WEEE)

: 폐전기전자제품 발생을 억제하고 환경성을 개선하기 위한 구체적인 가이드 

- 신화학물질관리정책안(REACH)

: 기존에 사용하고 있는 모든 화학물질을 등록, 평가 및 승인토록 하는 관리제도

- ISO22628 Recyclability

: 재활용 및 재생 가능률 산정방법 국제 표준

- 배터리 처리지침

ISO22628 Recyclability는 차량의 설계 단계부터 재활용 및 재생 가능률을 산정해 85% 이상의 재사용/재활용 가능률과 95% 이상의 재사용/재생 가능률을 만족시키도록 하는 지침입니다. 철도 산업에서도 ISO 21106과 관련된 요구가 점점 증가하는 추세입니다. 

원소재의 내구성과 환경의 관계

열차 소재는 이처럼 환경적인 요소를 고려해 사용하는 것은 물론, 사용 기간과 유지보수 과정에서도 환경에 미치는 영향을 고려하여 선정됩니다. 이는 부품의 폐기 단계에서 발생하는 자원 낭비와 환경 오염을 막기 위해서입니다.

일반적으로 철도차량을 구성하는 주요 부품인 차체와 대차의 사용 기간을 열차의 수명으로 보는데요. 최대 30~35년 정도로 계산하지만 일정 시간이 지나면 정기적인 안전 정밀 진단을 통해 최대 사용기간까지 사용할 수 있도록 관리합니다. 시간이 지나며 변형되거나 부식되는 고무나 플라스틱 소재는 주기적으로 교체를 해야 하죠.

▲ 철도차량의 주요 부품은 정기적인 관리를 통해 교체 또는 유지된다

앞서 언급한 지침 중 ‘ISO22628 Recyclability’는 최근 대두되는 재활용과 재생의 의무화 비율을 말합니다. 이 지침에 따라 차량제작사는 열차를 이루는 소재에 대해 운영사가 원하는 재활용률 및 재생률을 증명할 필요가 있습니다. 그러기 위해서는 열차의 수명이 다 되었을 때 모든 열차 소재의 재활용과 에너지 회수율을 알아야 하는데요. 차량 제작사들은 이를 위해 설계 단계에서부터 폐기 시의 재활용까지 고려해 철도차량을 제작하게 됩니다. 이처럼 운영사와 제작사 모두가 폐기물을 적게 배출하는 친환경 철도차량 제작을 위해 노력하고 있습니다.

*에너지 회수율: 설비 유지 기간의 ‘총 에너지 생산량-총 에너지 소비량’과 ‘건설 기간에 소요된 에너지’의 비율, 회수율이 높을수록 에너지 효율이 높아짐

오늘 현대로템 공식 블로그에서는 철도차량을 이루는 원소재와 그 기준, 환경과의 관련성을 소개해 드렸습니다. 차량 제작에는 금속을 비롯한 다양한 소재가 사용되지만, 그 방향은 모두 안전과 환경을 향한다는 사실을 알 수 있었습니다. 열차에 대한 유용한 상식과 기술에 대해 더 많이 알고 싶으시다면 현대로템 공식 블로그를 구독해주세요!

[참고자료]
▲환경부(바로가기)