l 글 과학기술칼럼니스트 이준정 박사

l 미래를 뒤엎을 전기자동차 열풍의 시작

금년 들어서 자동차 시장에 전기차 바람이 거세게 불고 있다. 테슬라 자동차가 전기차의 대중화를 목표로 저가형 ‘모델 3’를 개발하여 공개하자 전 세계에서 예약 물량이 폭주하여 한 달 만에 37만 대에 이르렀다. 이 물량은 최고 인기 차종인 도요타 ‘렉서스’가 2015년 한 해 동안 미국에서 팔린 물량(34만 4000대)보다 많다.

테슬라는 폭발적인 시장 확대에 맞추기 위해 2018년까지 전기차 생산능력을 50만 대로 늘리기로 했다. 2016년 현재 생산규모가 연산 6만 2천 대이므로 앞으로 2년 사이에 8배 이상 생산력을 높이는 계획이다.

이에 놀란 전통적인 세계 자동차 회사들은 앞다투어 전기차 생산 계획을 앞당기고 신형 전기차 개발에 한창이다. 시장분석가들은 스마트폰이 등장하면서 짧은 시간 안에 휴대폰 시장을 뒤엎었듯이 향후 몇 년 사이에 전기차가 자동차 시장을 완전히 뒤엎을 것이라고 전망하고 있다.

 

l 환경문제 해결을 위한 전 세계의 의지가 자동차 산업을 바꾸다

지구 온난화 주범 중의 하나인 화석연료 자동차는 언젠가는 소멸해 갈 자동차라고 인식되어 왔지만 지금 벌어지는 전기차에 대한 시장 반응은 예상보다 훨씬 빠르게 진행하고 있다.

대표적인 산유국인 노르웨이는 2015년 말 기준으로 전체 보유차량 중 전기차 비중이 이미 19%를 넘어섰다. 이는 통계적으로 대세 전환점을 넘어선 추세로 평가된다. 노르웨이는 2025년부터 화석연료 자동차를 판매 금지하는 법적 조치까지 취하고 있다. 네덜란드를 비롯한 여타 유럽 국가들도 이에 동조할 움직임이다.

이뿐만이 아니다. 세계 최대 자동차 시장인 중국은 전기차 확산을 위해 세계 최고의 전기차 보조금(대당 16,000불)을 지급해 주고 있으며 금년부터는 공공기관이 구입하는 차량의 50% 이상을 반드시 전기차로 구입하도록 강제하고 있다.

인도도 극심한 대기오염을 극복하기 위해서 전기차 중심으로 교통정책을 전환 중이다. 인도 교통부 장관은 인도의 자동차를 2030년까지 100% 전기차로 바꾸는 전략을 수립 중이라고 한다. 전기차는 이제 거역할 수 없는 미래 자동차로 입지를 굳혀가고 있다.

 

l 전기강판, 전기자동차의 에너지 손실을 줄이는 핵심 요소

 

전기차는 엔진이 없다. 전기차의 핵심요소는 모터, 배터리, 그리고 차체로 구분한다. 전기차를 움직이는 힘은 배터리에 저장된 전기에서 나온다. 전기모터의 힘으로 자동차 바퀴를 굴려 주면 자동차가 움직인다. 이때 자동차를 움직이는 모터의 출력을 높이려면 모터의 핵심소재인 무방향성 전기강판의 고유 특성을 개선해야만 한다.

모터의 출력은 회전속도와 토오크의 곱으로 표현된다. 모터의 토오크가 커지려면 전선이 감긴 모터의 코아로 사용되는 전기강판의 자속밀도(magnetic flux)가 높아야 한다. 또 모터의 출력을 높이려면 모터의 회전속도가 빨라져야 하는데 이때 전기강판에 발생하는 여기주파수(excitation frequency)가 높아지면서 에너지가 손실되는 철손(iron loss)량이 커지므로 전력효율이 낮아진다. 따라서 전기차 모터의 특성을 높이려면 고주파수 영역에서도 철손이 충분히 낮은 전기강판을 채용해야 한다.

이뿐만이 아니다. 모터가 고속으로 회전하려면 회전자로 사용하는 전기강판의 강도가 높아야 변형이 안 된다. 한 마디로 전기차의 가속 성능이 높아지려면 모터의 핵심소재인 전기강판의 품질이 훌륭해야만 한다.

 

l 전기자동차의 한계 극복하는 소재 기술

전기차가 안고 있는 약점은 한번 충전으로 주행할 수 있는 거리가 내연기관 차량에 비해 너무 짧다는 점이다. 이를 늘리려면 리튬이온배터리의 충전용량이 커야 한다. 충전량은 같은 배터리 공간에 리튬이온이 많이 저장될수록 많아진다. 이를 위해 비표면적이 넓은 활성물질을 양극재료로 개발해서 리튬저장량을 높여야 한다.

또한 리튬이온배터리의 수요가 급증하면서 리튬금속의 공급량 부족으로 리튬금속 가격이 폭등하고 있다. 리튬은 주로 남미대륙에 산재한 염호(salt lake)속에 녹아있는 리튬이온을 소금 염전에서처럼 태양열로 증발시켜 추출하는데 기존의 방법은 생산속도나 효율도 낮고 생산된 리튬금속의 순도도 40~50%로 낮은 문제가 있다.

최근 포스코가 개발한 ‘LiSX’공법은 리튬 함유량이 20ppm 이상인 저농도 염호에서도 99.9% 이상의 고순도 리튬을 농축시켜 8시간 만에 생산할 수 있다. 생산설비의 건설기간도 짧고 설비 가동 후 바로 리튬이 생산되는 공법이라 리튬의 시장 수요 변화에 탄력적으로 대응할 수 있다.

△ 초고강도강과 마그네슘 판재를 적용한 르노의 ‘이오랩(Eolab)

전기차의 주행성능을 높이기 위해선 차체의 중량을 줄여야 한다. 차체 중량을 줄이는 직접적인 방법은 차제 새시(chassis)와 바디(body)부품 소재를 경량화하는 방법이다. 새시부품으론 성형성이 매우 우수하면서도 강도가 일반강의 2~3배인 고망간 트윕(TWIP)강이 부품 중량을 낮추면서 충돌 안전성을 높이는데 적합한 소재이다. 차체 바디소재로는 알루미늄이나 탄소 복합소재가 채용되기도 하지만 알루미늄보다 훨씬 더 가벼운 포스코형 마그네슘 합금 판재도 미래형 소재로 주목받고 있다.

전기차가 미래 자동차로 확고한 지위를 확보하려면 아직도 기술적으로 보완하고 발전시켜야 할 여지가 많다. 전기차의 성능을 높이려면 기계 기술의 발전보다 모터, 배터리, 그리고 차체를 이루는 소재를 획기적으로 개선할 수 있는 소재 기술들이 더 필요하다. 소재 기업들은 21세기 교통 환경, 나아가서는 지구환경을 앞장서서 개선하는 기술 첨병 역할을 할 수밖에 없다. 종합소재 기업인 포스코의 활약을 크게 기대하는 이유다.

* 포스코리포트는 해당 분야 전문가 필진이 직접 작성한 것으로, 포스코의 입장이나 전략을 담고 있지 않습니다.

 

△ 이미지 출처 – 플리커

‘마그네슘’ 하면 영양제부터 떠오르시나요?

사실 마그네슘(Mg)은 상용 금속 중 가장 가벼워 자동차, IT 제품, 의료 보조기구 등에 널리 사용되고 있는 고마운 존재인데요. 오늘 Hello, 포스코 블로그에서는 신소재로 떠오르고 있는 마그네슘에 대해 자세히 다뤄볼까 합니다. 함께 보시죠!

△ 이미지 출처 – 위키피디아

마그네슘은 1808년 험프리 데비에 의해 처음으로 발견되었는데요. 지각의 약 2.1%를 차지하고 있으며, 지구상에서 여섯 번째로 많은 금속 원소이지만 제련이 어려운 탓에 1925년에 이르러서야 상용화되기 시작했습니다. 이후 세계대전을 거치며, 군용 텐트 등의 군사용 장비나 무기 제조에 사용 되었는데요. 높은 온도에서 아주 밝은 빛을 내는 성질 때문에 불꽃놀이나 조명탄에 활용되기도 했습니다.

이러한 마그네슘이 최근에는 우주선, 항공기는 물론, 자동차, 자전거, 카메라, 프라이팬, LED조명 방열판 등에도 쓰이는 등 적용 범위가 확산되고 있는데요. 무게는 철보다 4배나 가볍지만, 비강도는 6배나 높은 성질 덕분입니다. 또 성형이 쉽고, 방열 효과도 좋은데다 진동도 잘 견디는데요. 전자파도 차단하는 성질까지 가지고 있어 더욱 활용도가 높습니다.

최근 수년 간 모바일 시대가 도래함에 따라 IT 기기가 점점 가벼워지고, 자동차 업계에서도 경량화가 최대 화두가 되면서 마그네슘에 대한 관심이 커지고 있는데요. 국제마그네슘협회는 2018년에 세계 마그네슘 수요가 584조원에 이를 것으로 예상하고 있답니다.

△ 이미지 출처 – LG전자 홈페이지

LG 노트북 ‘그램 15’

LG전자가 의욕적으로 내놓은 노트북 신제품 ‘그램 15’는 무게가 단 980g에 불과해 15.6인치 노트북 중 세계에서 가장 가벼운 제품에 등극한 바 있는데요. 주요 미디어와 소비자들 사이에서 ‘아무것도 들고 있지 않는 느낌’이라며 놀랍다는 반응이 이어지고 있습니다.

이런 놀라운 성과는 외관에 리튬마그네슘, 카본마그네슘 등의 신소재를 적용해 가능한 것이었는데요. 특히 몸체 밑판을 지탱하는 부품에는 포스코가 생산한 마그네슘이 사용되었다는 사실!

1미터 높이에서 떨어뜨려도 파손되지 않을 정도로 내구성이 뛰어나고, 6세대 i3~i7 인텔 코어 프로세서, 내장 램 용량 4~8GB, 솔리드스테이트드라이브(SSD) 용량 180~512GB로 뛰어난 사양까지 갖춰 그램 15의 인기몰이는 당분간 계속될 것으로 보입니다.

 

 

르노 삼성 ‘이오랩’과 포르쉐 ‘911 GT3 RS’

마그네슘 판재가 가장 각광받는 업계가 바로 자동차 산업입니다. 전 세계적으로 자동차 연비에 대한 기준이 강화되면서, 더욱 가벼운 자동차를 만드는 기술이 중요해졌기 때문인데요. 강철이나 알루미늄 보다 무게가 훨씬 낮은 마그네슘이야말로 차량 경량화라는 어려운 과제를 해결하는 열쇠가 될 수 있죠.

신소재 개발과 관련해 포스코와 MOU를 체결하기도 한 르노 삼성의 경우, 2014년 공개한 친환경 콘셉트카 ‘이오랩’에 포스코 마그네슘 판재를 사용해 화제가 되기도 했는데요. 총 무게가 10kg 정도인 차체 지붕에 포스코 마그네슘 판재를 사용하면서 무게를 4.5kg 정도로 줄였습니다. 이를 포함해 각종 경량화 소재를 사용해 이오랩은 기존 르노 삼성의 소형차에 비해 400kg이나 가벼워졌답니다.

포스코의 마그네슘 판재는 포르쉐 고성능 스포츠카인 신형 ‘911 GT3 RS’ 지붕에도 적용된 바 있는데요. 이는 ‘2015 제네바 모터쇼’에 처음 공개된 최고급 신형 스포츠카로 ‘911 GT3’의 고성능 버전입니다. 정지 상태에서 100km/h까지 3.3초 만에 도달하며 연비(유럽기준)도 1리터당 7.9km에 달해 주행성능 향상과 연비 개선을 동시에 달성했다는 평을 들었는데요. 비결 중 하나로 차량 경량화에 일조한 포스코의 마그네슘 판재가 지목되었답니다.

 

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여기까지 Hello, 포스코 블로그와 함께

마그네슘 신소재의 무궁무진한 가능성에 대해 알아보셨는데요. 어떠셨나요?

철에 관한 흥미로운 이야기를 전해드리는 스틸캐스트! 다음 시간을 기대해주세요