왜 전기차는 추위를 많이 탈까?
전기차에 탑재되는 리튬이온 배터리는 특성상 온도 민감도가 높아 저온 환경에서 성능 저하의 문제가 발생한다. 배터리 구성요소 중 하나인 전해질은 이차전지의 충·방전 과정에서 리튬이온이 양극을 오가는 통로 역할을 한다. 겨울철 기온이 떨어지면 액체로 이루어진 전해질이 굳으면서 내부 저항이 증가해 배터리 효율이 낮아지는 것이다.

따라서, 배터리를 어떻게 관리하냐에 따라 성능이 크게 달라져 올바른 관리가 중요하다. 전기차 관리법을 미리 파악하고 준비해 더욱 효율적인 겨울철 전기차 라이프를 누려보자.

배터리 과냉각 주의, 겨울철 실내 주차하기!

위에서 언급했듯 날씨가 추운 겨울, 외부에 오래 주차하게 되면 배터리가 과냉각되기 때문에 주행거리가 줄어들 뿐 아니라 자연스럽게 배터리 효율도 떨어져 방전되기 쉽다. 배터리 소모 방지를 위해서는 반드시 적정한 온도 유지가 가능한 실내 및 지하 주차장을 이용하는 게 좋다. 실내 주차를 할 경우 배터리 과냉각을 예방할 뿐 아니라 내부 온도 유지도 가능해 과도한 히터 사용을 막을 수 있고, 불필요한 배터리 소모도 줄일 수 있다.

주기적인 차량 하부 세차는 필수

겨울철 낮은 기온은 기체를 수축하기 때문에 타이어 속 같은 양의 공기가 들어있어도 공기압이 줄어들 수 있다. 타이어 공기압이 부족하면 제 역할을 하지 못해 방향을 바꿀 때나 속도를 줄일 때 미끄러질 위험이 커지며 자칫 사고로 이어질 수 있다. 주기적인 공기압 체크와 접지력이 높은 윈터 타이어 교체를 권장한다.

또한 눈이 많이 쌓인 날이라면 차량 하부를 깔끔하게 세차해 염화칼슘을 제거해 주는 것이 중요하다. 겨울철 제설 작업으로 인해 도로에 뿌려지는 염화칼슘이 도로의 모래, 먼지 등과 섞여 차량에 붙게 되면, 철과 반응해 염화철을 만들어 차량을 부식시키는데 일조하기 때문이다. 특히 전기차의 경우 차량 하부에 배터리가 탑재되어 있기 때문에 부식에 더욱 신경을 써야 한다.

배터리 급속 충전 말고 완속 충전!

전기차 사용자의 대부분은 급속 충전에 대한 선호도가 높은 편이다. 특히 가정용 완속 충전기가 없는 환경이라면 급속 충전 시설 의존도가 상당히 높다. 급속 충전은 완속 충전 대비 충전 속도가 매우 빨라 편리하지만, 배터리 셀에 부담을 줄 뿐 아니라 배터리 수명이 빠르게 단축될 수 있다. 따라서 겨울철 배터리 최적의 상태를 위해 월 1회 이상은 배터리 20% 이하일 때, 100%까지 완속 충전하는 것이 좋다. 완속 충전을 통해 배터리 팩 안에 있는 많은 셀들의 밸런스가 맞춰지기 때문에 배터리 효율을 오랫동안 유지할 수 있다.

전력 소모 높은 히터 사용은 자제!

전기차 실내 난방 시, 히트펌프* 사용을 추천한다. 엔진에서 버려지는 열에너지를 난방에 활용하는 내연기관차와는 달리 전기차는 히터를 작동시킬 만큼 폐열이 발생하지 않아 배터리 전력으로 히터를 작동하기 때문이다. 이에 전기차 내 모터 등의 부품에서 발생하는 폐열을 방출하지 않고, 전기차 실내 난방에 활용하는 히트펌프 시스템을 사용하면 보다 효율적인 배터리 관리가 가능하다. 또한 전력 소모량을 줄일 수 있어 주행거리 증가 효과도 볼 수 있다. 그 외에도 배터리 히팅 시스템, 열선 시트, 열선 핸들 등을 적극적으로 활용하는 것이 좋다.
*히트펌프 : 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 냉난방 장치

지금까지 전기차 에너지 효율과 배터리 수명, 안전 운전을 위한 겨울철 전기차 관리법에 대해 알아보았다. 조금만 신경 써도 배터리의 컨디션을 오랜 기간 동안 균일하게 유지하고 전기차를 오래 탈 수 있다. 난감한 상황이 발생하기 전, 차량과 배터리 상태를 미리 체크해 슬기롭고 안전한 겨울철 전기차 라이프를 즐기길 바란다.

STEEL Talk에서는 STEEL(철강)은 물론 Science, Technology, Energy, Environment and Life에 대한 궁금증과 호기심을 재미있는 이야기로 풀어드립니다.

오늘도 재미있는 질문이 도착했네요. 질문을 보내준 어린이는 세상에서 가장 얇은 스틸과 두꺼운 스틸이 어떤 것인지에 대해 묻고 있는데요. 포스코가 만들 수 있는 가장 얇은 스틸과 두꺼운 스틸의 두께는 어느 정도인지, 그리고 그 스틸은 어디에 쓰이는지 자세히 살펴볼게요.

결론부터 말하자면, 포스코는 휴지보다 얇은 스틸을 만들 수 있고, 또 빅맥 햄버거보다 두꺼운 스틸도 만들 수 있어요. 자세하게 하나씩 살펴보도록 할게요.

우리가 화장실에서 쓰는 두루마리 화장지 알죠? 3겹짜리 화장지의 두께는 약 0.35mm 정도 된다고 해요. 하지만 알다시피 화장지는 너무 얇아서 쉽게 찢어져요. 그런데! 이렇게 휴지처럼 얇지만 아주 튼튼하고 잘 늘어나는 스틸이 있어요.

두께는 0.2mm로 휴지보다도 얇지만, 플라스틱이나 유리처럼 깨지지 않는 성질이 있는 이 제품을 우리는 냉연재라고 해요. 냉연재는 쉽게 말해 차가운 상태의 철을 롤러로 밀어서 두께를 아주 얇게 만든 후, 다시 열을 가해서 만드는데요. 최종적으로 표면이 아주 반짝이는 고급 소재예요. 우리가 타고 다니는 자동차 내부 부품이나 주방의 싱크대에서 쉽게 볼 수 있는 스틸이 바로 이 냉연재죠.

그럼, 이번엔 가장 두꺼운 스틸에 대해서 알아볼까요? 포스코에서는 두꺼운 철판을 ‘후판’이라고 불러요. ‘두터울 厚, 널조각 板’, 한자로는 이렇게 쓰죠. 후판은 용도에 따라서 크루즈선과 같은 커다란 배, 백화점과 같은 각종 건물, 그리고 강이나 바다를 건널 수 있는 다리 등 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있어요. 그중 포스코가 만드는 가장 두꺼운 후판은 두께가 몇 mm일까요?

정답은 바로 200mm랍니다. 어른들의 한 뼘 정도 되는 두께죠. 이렇게 두꺼운 철판은 석유, 천연가스, 전기와 같이 우리 생활에 꼭 필요한 에너지를 만들어내는 공장에서 주로 사용합니다. 대표적으로 먼바다에서 석유와 가스를 만드는 해양플랜트와 땅에서 전기를 생산하는 발전소가 있어요.

▲ 바다 한 가운데 우뚝 선 해양플랜트 (사진출처=Maersk Drilling)

해양플랜트는 바다 한가운데에서 설치되어 있기 때문에 파도를 견디며 넘어지지 않고 잘 서 있어야만 해요. 이 거대한 설비가 넘어진다면 정말 큰 일이겠죠? 그래서, 설비 바닥에 아주 두꺼운 후판을 튼튼하게 깔아요.

전기를 만들어내는 발전소를 살펴볼까요? 아래 사진을 보면 굴뚝처럼 높게 솟은 것들이 보이죠? 바로 이곳에 두꺼운 후판이 쓰이는데요. 고온·고압의 수증기를 버텨내야 하기 때문이에요.

▲ 발전소의 고온·고압 수증기를 버티는데 반드시 필요한 후판! (사진출처=SIEMENS)

자세하게 설명하면, 발전소에서는 석탄을 태워 보일러의 물을 끓여요. 물이 끓으면 어떻게 되죠? 맞아요, 수증기가 나오죠. 이렇게 나온 수증기로 발전기를 돌려서 우리 생활에 없어서는 안 될 전기를 만들어내는 건데요. 안전하게 전기를 만들기 위해서 반드시 두꺼운 후판이 있어야 해요.

오늘은 두꺼운 스틸과 얇은 스틸을 알아봤어요. 우리 집 반짝반짝 싱크대부터, 저 멀리 바다 한가운데 있는 해양플랜트에까지 얇고 두꺼운 스틸이 여기저기 자리 잡고 있네요! 또 궁금한게 있나요? 포스코 뉴스룸으로 언제든 물어봐 주세요. ʕ•ﻌ•ʔ

* 도움말 주신 분: 포스코 기술연구원 유승호 전문연구원

포스코와 포스코대우가 글로벌 자동차사인 폭스바겐과의 협력 강화에 나선다.

포스코와 포스코대우는 폭스바겐과 5월 22일 독일 볼프스부르크(Wolfsburg)에서 전략적 협력 강화를 위한 ‘프레임워크 협약(framework agreement)’을 체결했다.

포스코와 포스코대우가 글로벌 완성차사인 폭스바겐과 5월 22일 독일에서 전략적 협력 강화에 관한 프레임워크 협약에 서명했다. 왼쪽부터 윤양수 자동차소재마케팅실장, Sancha Garcia 폭스바겐 철강구매총괄, 방영식 포스코대우 자동차강판사업실장.

이번 협약에 참여한 3사는 폭스바겐 글로벌 생산기지로의 포스코 강재 공급을 확대하고, 폭스바겐 신차에 포스코 신강종을 적용하기 위한 기술협력을 적극 추진하기로 했다.

이를 위해 업무교류를 확대ㆍ정례화 하는 등 전략적 파트너십을 한층 공고히 해나갈 계획이다.

고등학교 전기과에 입학을 하면서 한 가지 목표를 세웠는데요. 바로 ‘최고의 전기기술자가 되자’입니다. 이를 이루고자 학교 수업뿐만 아니라 전기에 대해 전문적으로 배울 수 있는 방법을 찾던 중 교내에 ‘전기기기 기능부’가 있다는 것을 알게 되었습니다. 전기기술에 대한 전문성을 높일 수 있는 좋은 기회라고 생각해 참여하려고 하니 경쟁이 꽤나 치열했습니다. 최고의 전기기술자가 목표인 저는 기능부 입성을 위해 불철주야 학과 공부에 매진, 결국 그렇게 바라던 기능부에 최종 합격했습니다.

초심을 잃지 않고 기능부에서 전기 분야를 심도 있게 학습하고 각종 대회 준비 및 참가 경험을 하면서 관심과 열정을 쌓아나갔습니다.

전기부문을 공부하다 보니 최고의 전기기술자가 되기 위해서는 이론과 실무 두 가지를 두루 익혀야 한다는 생각이 들었습니다. 따라서 학과 수업을 통해서는 이론 공부를, 전기 기능대회를 준비하면서는 관련 실무를 익혔고, 이런 노력들 덕분에 졸업 때에도 학과 1등이라는 놀라운 결과를 얻기도 했답니다. 그리고 진로에 대한 고민 끝에 전기에 대한 전문성을 기르기 위해 관련 대학교 진학을 결정했습니다.

#순위는 자신감과 노력의 결과

매일같이 회로를 보고 패턴을 구현하고, 동작 사항에 맞게 PLC(Power Line Communitication ; 가정이나 사무실에서 전기선을 꽂으면 전기선을 통하여 음성, 데이터, 인터넷 등을 고속으로 이용할 수 있게 제공한 서비스)를 구현하는 법 등을 흥미롭게 공부하던 중 문득 제 실력이 궁금해졌습니다. 그래서 고등학생 때 처음으로 기능대회에 참가했는데요. 첫 대회에서는 아쉽게도 동메달에 그쳤습니다.

대회를 마치고 다른 수상자의 작품과 제 것을 비교해보니 완벽한 동작 구현에 비해 외형이 조금 부족하다는 생각이 들었어요. 그리고는 부족한 부분을 보완해 다시 출전해야겠다는 굳은 다짐을 했죠. 다음 해 대회가 열리기까지 1년 동안 각고의 노력으로 대회 환경에 맞게 패턴을 준비했고, 드디어 출전의 시간이 다가왔습니다. 열심히 노력을 기울인 만큼 자신감도 있었지만 한편으로는 긴장도 많이 됐습니다. 하지만 마음을 다잡고 대회에 집중, 결국 금메달 수상이라는 쾌거를 이뤄냈습니다.

△ 2011년 기능경기대회 상장(동상), 2012년 기능경기대회 상장(금상)

두 번의 기능대회를 준비하고 출전하면서 깨달은 점이 있는데요. 자신의 부족한 점을 인정하고, 포기하지 않고 도전하면 좋은 결과는 저절로 따라온다는, 불변의 진리를 깨우친 값진 경험이었습니다.

#국제 창작 자동차 경진대회

저는 전기 파트 제작으로 대쉬 보드*(LCD 디스플레이를 이용해 속도와 RPM이 나오도록 화면을 표시하는 기능)와 배선 파트를 담당했습니다. 처음 시도해보는 것이라 애로사항도  많았는데요. 하지만 포기하지 않고 동료들과 각자의 분야에서 힘을 합쳐 노력해 목표했던 자동차를 완성했고, 여러 번의 테스트를 거쳐 대회에서 좋은 성적을 얻었습니다.

또 대학교 마지막 학기에는 지금까지 제가 했던 여러 경험들을 정리해 제출하는 ‘포트폴리오 대회’에 참가했는데요. 무려 금상을 수상하는 영예를 안았답니다. 매사에 주어진 일을 포기하지 않고 묵묵히 해나간 경험들이 금상에 이르게 하지 않았나 생각합니다.

여러 대회에 참가하면서 자동차부터 디퓨져까지 다양한 작품을 만들었는데요. 그중 창업 아이디어 경진대회에 출품한 IOT 멀티 디퓨져를 소개합니다!

#동료들과 선의의 경쟁 # 멘토는 부모님

여러 대회에 참가해 좋은 성적을 거둘 수 있었던 가장 큰 이유는 동료들과의 협동입니다. 대회를 준비하면서 힘든 적도 많았고, 포기하고 싶은 순간도 있었는데요. 그럴 때마다 친구들에게 의지하고 격려하면서 부족한 부분은 서로 보완해 나갔답니다. 특히 공개 과제가 주어지면 다른 팀들은 메달을 목표로 서로 경쟁하는 경우가 많은데요. 저와 동료들은 각자 맡은 역할에 따라 주어진 사항에 맞게 빠르게 해결하는 데 초점을 두고 임했습니다. 그리고 대회장에 갔을 때는 결과에 연연하지 않고 동료들과 선의의 경쟁을 펼쳤고, 그 덕분에 수상까지 할 수 있었다고 생각합니다.

그리고 25살 건강한 청년으로 성장하기까지는 든든한 멘토인 부모님이 계셨기 때문인데요. 부모님께서는 매일 아침 5시 30분에 일어나서 다른 사람들보다 먼저 출근을 하셨고, 매사에 솔선수범하는 모습을 보여주셨습니다. 이런 부모님의 모습을 자연스럽게 보고 배워서 저도 항상 모든 일에 최선을 다하려고 노력하게 된 것 같아요.

#5가지 마음 #0원히

저는 항상 가슴에 50이라는 숫자를 깊게 새기고 있는데요. 저에게 50이란, 5가지 마음(협동심, 도전 정신, 창의성, 인내심, 배려심)을 갖고, 0(영)원히 목표를 향해 끝까지 달리자는 의미로, 이를 바탕으로 행동하고 있습니다.

대학생 때 팀원들과 함께 창업경진대회를 준비한 적이 있는데요. 성격과 행동이 다른 팀원들이 모였지만 한 가지 공통점이 있었습니다. 바로 ‘목표를 향해 끝까지 포기하지 않고 도전하자’는 마음. 이를 바탕으로 힘을 모았고, 아이템 선정, ppt 발표, 아이템 제작, 시장성 조사 등 각자 성격에 맡는 파트를 담당, 아이템을 완성해 대회에 출전했습니다. 하지만 첫술에 배부를 수는 없죠. 첫 출전에서 심사위원들로부터 여러 가지 지적 사항을 받았고, 이를 개선해 다음 대회에서 수상을 했습니다. 이러한 경험이 말해주듯 앞으로도 5가지 마음을 갖고 목표를 향해 포기하지 않고 끝까지 도전하는 인성과 실력을 모두 갖춘 다재다능한 인재가 될 것입니다.

또 제 나이 50살이 됐을 때는 전기 기술자 명장으로 국내뿐만 아니라 외국에서도 설비 관리 향상을 위한 PLC 프로그램을 구성해 회사를 위해 보탬이 되었으면 좋겠습니다. 이를 위해 매일 30분씩 영어공부, PLC 프로그램을 완벽하게 구성하기 위한 전기 공부, 건강을 위한 운동을 하며 차근차근 준비해 나가고 있답니다. 앞으로 겸손하고 배려하는 마음가짐을 갖고, 항상 도전하며 모든 일에 최선을 다하는 사람이 되도록 노력하겠습니다.

고등학생 때부터 각종 전기 관련 대회를 섭렵한

남영균 신입사원의 이야기 재미있게 보셨나요?

그때 그 열정을 현업에서도 마음껏 펼치시길 응원하겠습니다.

더불어 ’17-4차 신입사원들의 활약도 지켜봐 주세요!

현재 자동차 시장의 가장 큰 화두는 단연 자율주행차, 전기차, 그리고 카 셰어링(차량 공유)으로 볼 수 있습니다. 멀게만 느껴졌던 미래형 자동차가 바로 눈앞에 현실로 다가옴에 따라 자동차 제조사와 공급사 모두 이러한 변화에 대비할 행보를 서두르고 있는데요.

포스코 역시 시장 변화에 발 빠르게 대응하기 위해 지난 10월 30일부터 3일간 2017 글로벌 전기차 소재 포럼을 개최하고 고객사, 협력사, 그리고 관련 업계 모두를 위한 기술 교류의 장을 마련한 바 있습니다. 포스코에서 처음으로 개최하는 전기차 소재 관련 포럼임에도 18개국, 300명 이상의 관계자들이 참여해 미래 자동차 산업을 결정지을 트렌드 나눴다고 하는데요.

특히 이번 포럼 기조강연 연사로 초청된 스탠포드 대학 자동차연구소 센터장 Stephen Zoepf(스티븐 조프)를 통해 자동차 시장의 변화 양상과 그 영향에 대한 견해를 들어볼 수 있었습니다. ‘전기차 시대의 발전과 도전’이라는 주제의 기조 연설을 통해, 자동차 시장에 대한 전망과 이러한 변화가 소비자를 비롯해 자동차 생산자와 공급자에게 주는 의미를 짚어본 스티븐 조프 센터장의 강연을 포스코리포트를 통해 자세히 알아보겠습니다.

l 차원이 다른 미래 자동차 시장을 전망하다

독립연구기관 RethinkX의 연구결과에 의하면 2030년 미국 내 자동차 총 주행 거리는 2021년에 비해 50%가량 증가한 약 9.6조 킬로미터이고, 이 중 95%는 자율주행차, 전기차 또는 공유 차량에 해당하며 디젤이나 가솔린을 이용하는 내연 기관 자동차는 고작 5% 정도에 그칠 것이라고 합니다.

또한 미국에서는 머지않아 자율주행 전기자동차가 전체 차량의 60%를 차지하고 카 셰어링을 이용하는 운전자도 늘어나면서 실제 도로 위를 주행하는 차량 수는 2020년 약 2억 5천만 대에서 2030년 4천4백만 대로 대폭 줄어들 것으로 보았는데요.

이러한 트렌드가 빠르게 현실화되고 있는 뉴욕만 놓고 봐도 2015년에 비해 2016년에 카 셰어링 서비스인 우버와 리프트의 이용자가 약 3배 이상 증가하여 하루 50만 명에 다다랐고, 테슬라와 제너럴모터스와 같은 자동차 제조사들은 앞다퉈 카 셰어링 서비스 도입 계획을 내놓고 있습니다.

다시 말해 앞으로 10년 안에 현재 자동차 수의 절반가량으로 세 배 더 많은 거리를 운전하게 될 것이고, 연료보다는 전기로, 개인 소유보다는 공유된 차량이 더 많아질 것이라는 얘기인데요. 미래 자동차가 이제 더는 미래의 이야기가 아니라는 것이죠.

l 자동차 제조사와 공급사의 행보

자동차 수가 줄어들고 차츰 전기자동차로 대체된다는 것이 의미하는 것은 오직 한 가지입니다. 지금의 자동차 시장이 대거 붕괴한다는 것인데요.

“그렇다면 머지않아 자동차 총 판매량이 감소하게 되는 것인가?” 일부 자동차 제조사들 중 이런 우려 섞인 질문을 하는 경우가 있는데, 조프 센터장은 질문 자체가 잘못되었다고 조언합니다. 자동차 제조사 입장에서는 오히려 “우리가 미래에 수익을 낼 수 있을까?”라고 물어야 한다는 것이죠.

더 세부적으로 보면 자동차 수명에 생기는 변화가 자동차 디자인에도 영향을 미치게 되지 않을까 궁금해하시는  분들도 많을 텐데요. 스티븐 조프 센터장은 자동차의 수명이 줄어들고 있는 만큼 제조사는 디자인을 고안할 때 빠른 사이클로 교체가 용이하도록 하거나 혹은 차체 자체는 수명이 길게 만들되 좌석과 같은 내부 부속품은 쉽게 교체할 수 있게 하는 것이 효율적이라고 조언합니다. 또한 어느 방향이든 차체와 서비스의 질을 향상시키는데 성공한다면 시장에서 경쟁력을 갖추는 지름길이 될 것이라고 덧붙였습니다.

l 자동차 소재 공급자의 역할

그렇다면 차량의 수명이 중요하지 않다는 이유로 자동차 제조 시 내구성이 약한 소재를 사용해도 되는 걸까요? 대답은 당연히 ‘아니오’입니다.

조프 센터장은 미국의 카셰어링 서비스 Zipcar의 고객 약 6만 명을 대상으로 조사를 진행하여, 소비자가 차를 고를 때 가장 중요시하는 요소가 안전성이라는 것을 확인했다고 하는데요. 선호하는 특정 차량 모델이나 유형이 아닌 사용 목적에 따라 원하는 차량의 종류가 달라지기 때문에, 카 셰어링의 성공 여부는 안전성이 보장된 차량을 얼마나 다양하게 제공하는지에 달려있다고 분석했습니다.

즉, 자동차 소재 공급업자는 예전과 변함없이 안전성과 가격 경쟁력 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있는 솔루션을 찾아야 하는데요. 이를테면 포스코 기가스틸과 같이 초경량이면서 고강도인 소재를 지속해서 개발하고, 전기차 모터 코어에 쓰여 경쟁력을 한 단계 더 높여줄 수 있는 포스코 무방향성 전기강판 Hyper NO나 배터리 소재를 비롯하여, 포스코 ICT와 같은 전기차 충전 서비스와 인프라 개발에도 앞장서야 합니다.

전기자동차와 자율주행 전기자동차가 안전하고 친환경적인 특장점을 갖고 상용화에 성공하기 위해서는 아직도 많은 과제가 남아있습니다. 기업과 소비자, 그리고 관련 규제까지 충족시킬 합의점을 찾기까지는 아마 이론으로 예상하는 것보다 많은 시간이 걸릴지도 모르죠. 그렇지만 이미 많은 변화가 진행되어 온 만큼, 자동차 제조사와 공급사 모두 서둘러 전략을 마련한다면, 앞으로 다가올 미래에서 충분히 기회를 잡을 수 있을 것입니다.

자동차 산업은 수송부문 온실가스 배출량의 약 25%를 차지합니다. 지구 온난화에 대응하기 위한 세계 각국의 강력한 배출가스 저감정책으로 인해 기존의 내연기관을 사용하는 자동차에서도 배출 가스 저감을 위한 투자가 끊임없이 지속되어 왔는데요. 

내연기관에서는 다운사이징과 초고장력강 차체소재 사용 등을 통하여 연비 향상을 추구하고 있으며, 이러한 차량의 경량화는 연비를 높이고 이산화탄소(CO2)의 배출량을 줄이며 제동성 향상, 가속성 증대, 도로 보호, 안락성 증대, 주행거리 향상, 자원 재활용, 환경 개선 등의 많은 도전과제를 해결하고 있습니다.

이런 가운데 최근 대학생 자작자동차대회 전기차 부문에서 차량의 동력 효율과 주행성능 개선의 핵심인 차체 중량 절감을 성공적으로 달성하여 우승을 차지한 팀이 있어 화제입니다.

△ 서영대학교 튜닝엑스팀이 자작자동차대회 전기차(EV) 부문 우승을 차지한 뒤 기념촬영을 하고 있다.

10명의 멤버로 구성된 서영대학교 투닝엑스(Tuning-X)팀은 중요한 우승 요소로 포스코 마그네슘 판재를 꼽았는데요. 팀을 이끈 서영대학교 윤재곤 교수님을 통해, 전기차 개발 과정과 경량화 소재 트렌드 그리고 마그네슘 소재의 특장점에 대해 들어 보았습니다.

l 2017 KSAE 대학생 자작자동차대회

l 튜닝엑스 팀의 성공 비결

△ ‘2017 대학생 자작자동차대회’에 출전한 서영대 튜닝엑스팀이 포스코 마그네슘 판재를 적용해 제작한 자동차로 EV(전기차) 부문 우승을 차지했다.

전기차 부문에서 우승을 차지한 튜닝엑스 팀에게 가장 어려웠던 숙제는 바로 높은 배터리 효율성과 차량 경량화라는 두 마리 토끼를 잡는 것이었습니다. 특히 직류전기보다 출력 대비 무게가 높은 교류전기를 사용하는 전기모터를 사용한 튜닝엑스 팀에게는 차량의 무게 감소가 반드시 필요했던 상황이었는데요.

차세대 자동차 시장을 이끌어갈 전기자동차는 전기를 저장하는 핵심장치인 배터리가 ‘주행거리가 짧다’는 단점을 보완하기 위해 점점 대용량화(약 200~500kg) 되어 가고 있습니다. 윤재곤 교수님에 따르면 이러한 노력에도 불구하고 수백kg의 무게를 가지고 1회 충전으로 가능한 주행거리가 수백km를 넘기기 힘든 상황이라, 소비자들의 전기자동차 선택의 폭이 좁을 수밖에 없는 시장 구조라고 합니다.

△ 튜닝엑스팀은 운전자의 탑승 공간인 캐빈(Cabin)의 바닥면, 측면, 후면 판넬에 마그네슘 판재를 적용해 차체중량을 절감했다.

따라서 ‘가볍지만 강력해야 한다.’라는 모순을 해결하기 위해 윤재곤 교수님과 튜닝엑스 팀은 포스코의 도움을 받기로 했는데요. 포스코에서 제작 초기부터 제공한 기술세미나와 마그네슘 개념과 제작 관련 기술교육 등의 도움을 받아, 팀은 시간대비 효과가 가장 좋은 마그네슘 판재를 운전자의 탑승 공간인 캐빈(Cabin)의 바닥면, 측면, 후면 판넬에 적용해 차량의 무게 감소를 달성했고요. 부족한 출력을 위해 전기모터를 트윈으로 설치하여 무게중심을 유지하고, 병렬 제어를 시행하여 배터리의 소모 전력도 고려할 수 있게 되었습니다.

윤재곤 교수님에 따르면 포스코의 사전교육을 통해 시행착오를 줄일 수 있었고, 대회까지 충분히 예비 시간을 가지고 준비함으로써 좋은 결과를 얻을 수 있었다고 합니다.

 

l 마그네슘 소재의 효과적인 경량화

그렇다면 마그네슘 판재를 적용함으로써 튜닝 엑스팀의 자작차는 얼마나 가벼워질 수 있었을까요?

기존 알루미늄 판재와 비교했을 때 자작차의 전체 중량을 177kg에서 172kg로 5kg의 감소를 이룰 수 있었는데요. 또한, 소재의 가공 시에 제조회사와 같은 전문적인 가공법이 아닌 일반적인 다양한 가공법에도 기존의 알루미늄과 비교하여 거의 유사한 가공성을 나타냈다고 합니다.

윤재곤 교수님은 “마그네슘 합금은 압궤 특성의 신뢰성 향상과 제작 단가 및 조립 단계 등의 현실화를 통해서 미래 경량화 기술 소재로서 자리매김을 할 수 있으리라 예측한다”라며 알루미늄, 복합재료와 함께 앞으로 가장 주목받을 경량화 기술/소재로 마그네슘을 꼽기도 했습니다.

“경량화와 더불어 마그네슘 합금의 여러 가지 장점 중에서 가장 부각되는 것은 단연 환경에 기여하는 부분입니다. 이는 마그네슘 합금의 제작 과정에서의 지구 온난화 촉진 물질을 감소시키는 방법이 가능해지고, 차량의 경량화를 통한 연비 향상으로, 전 세계 자동차 기업의 과제인 배출가스의 감소로 이어질 수 있기 때문입니다.”

대표적인 경량 소재이고 비강도와 비강성이 우수한 복합재료의 사용은 차세대 자동차 경량화 시장에서 가장 중요한 부분 중에 하나인데요.

“지금까지 복합재료는 주로 자동차의 비 구조 파트인 루프 (Roof)나 후드 (Hood) 등에 사용되고 있으며, 동일 용적에 사용 시에 1000kg 단위의 경량화까지 예상합니다. 역시 비강도와 비강성이 우수한 마그네슘도 이러한 비구조 파트에 사용을 늘리는 것과 더불어, 차량에서 너클(Knuckle), 허브(Hub), 휠(Wheel) 등을 기존의 알로이 휠에서 마그네슘으로 적용할 경우 개당 kg단위의 경량화가 가능하기 때문에, 전기차에 적용 시에 더욱 효과적인 경량화를 이룰 수 있으리라 봅니다.”

수많은 연구 조사와 기술 개발이 이뤄지고 있는 가운데, 마그네슘 합금은 폭넓은 시장성으로 운송, 항공우주, 의료, 레져 등 다양한 분야에서 활용되고 있는데요. 이를 통한 경량화로 운전자의 안전을 지켜주는 안전장치의 추가 장착이 가능해지면서 탑승자의 안전과 사회적 손실비용의 감소를 동시에 만족할 수 있을 것으로 예상합니다.

포스코는 2016년 대회 이후 Formula와 EV 부문 우승 팀을 대상으로 마그네슘 판재와 압출재를 무상으로 공급하고 있으며 마그네슘 소재를 더 쉽게 접목할 수 있도록 기술 집합교육을 실시해 학생들이 차량에 마그네슘 소재를 사용할 수 있도록 돕고 있는데요. 앞으로도 이러한 협업을 발전시켜 산학협력 관계를 구축하고, 미래의 자동차 주역인 학생들에게 더욱더 많은 기회를 제공할 예정입니다.

l 글 우아영 ‘과학동아’ 기자 

l 금속연료의 잠재력, 그 실현 가능성은?

2030년, K 씨는 출근 전 미세한 검은색 가루가 든 용기를 챙겼다. 지난밤 퇴근길에 자동차 연료가 떨어졌기 때문이다. 손에 든 가루는 바로 나노미터(10억 분의 1m) 크기의 강철 가루. 만화영화에 나올법한 상상 같지만, 실제로 철로 가는 자동차나 알루미늄을 태워 전기를 얻는 발전소를 가능케 할 ‘금속연료’ 연구는 이미 응용 단계에 접어들었다.

인류는 이미 오래전부터 금속을 태워서 이용했다. 공중에서 금속 가루에 불을 붙여 폭발시키는 불꽃놀이가 대표적이다. 그 열과 빛, 폭발력을 이제 자동차나 발전소에 써보자는 것이 바로 금속연료의 개념이다. 실제로 금속은 기체나 액체 연료보다 반응열이 훨씬 크기 때문에 연료로서의 잠재력이 몹시 크다. 예를 들어, LNG 1L에 저장된 에너지는 22.2MJ(메가 줄)인 데 비해 같은 부피의 철은 40.68MJ, 알루미늄은 83.8MJ에 달한다.

△ 금속 가루에 불을 붙여 폭발시키는 불꽃놀이는 금속을 연료로 쓰는 대표적인 사례다. 과학자들은 이때 발생하는 열과 폭발력을 자동차나 발전소에 써보고자 한다. ⓒJon Sullivan(위키미디어코먼스 퍼블릭도메인)

금속을 자동차나 발전소 등에 연료로 쓸 수 있는 방법은 크게 두 가지다. 고운 입자로 만든 금속에 불을 붙여서 산소와 반응시키는 방법이 있다(4Al+3O2→2Al2O3). 이 때 발생하는 뜨거운 열로 엔진을 가동시킬 수 있다.

금속 가루를 물과 반응시키는 방법도 있다. 초등학교 과학시간에 은빛으로 반짝거리던 순수 알루미늄에 물을 부었던 실험을 생각해 보자. 곧바로 부글부글 끓어오른다. 반응성이 너무 커서 곧바로 수산화이온과 반응했기 때문이다(2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2). 이 과정에서 수소기체와 열이 나온다. 수소기체 자체를 연료로 이용(연료전지)하거나, 뜨거운 열로 엔진이나 터빈을 가동할 수도 있다.

△ 미군의 열압력탄 폭발 장면. 알루미늄 분말이 폭발할 때 생기는 강력한 충격파로 시설이나 인명을 파괴하는 무기다. ⓒ미국과학자연맹(fas.org)

l 깨끗하고 편리한 연료… 연소 어려운 단점은 나노 과학으로 극복

l 물속이나 지구 밖에서 전기 만들 때 최고!

다행히 최근까지 금속연료에 대한 기초연구가 이뤄지면서 여러 대안이 나오고 있다. 예를 들어, 순수한 금속 가루의 표면을 녹는점이 낮은 물질로 코팅해서 연소를 쉽게 만드는 방법이 있다. 대표적인 예가 니켈이다. 니켈은 알루미늄보다 점화 온도가 낮은 데다, 금속 간 반응 때문에 열이 발생하면서 알루미늄을 더 빨리 태운다(금속 간 반응이란, 이온화 경향이 다른 금속이 접촉해 있을 때 전자가 이동하면서 일어나는 산화-환원 반응).

전 세계 금속연료 연구 그룹의 선두주자로 꼽히는 캐나다 맥길대 기계공학과 새뮤얼 고로신 교수와 제프리 베르그토르손 교수 공동연구팀은 최근 직접 개발한 금속연료용 열엔진으로 기존의 화석연료용 엔진과 유사한 수준의 동력을 내는 데 성공했다. 연구팀은 학술지 ‘응용에너지’에 발표한 논문에서 “이런 목적으로 쓸 수 있는 1차 후보는 강철”이라며 “전 세계 제철이나 화학, 전자 산업에서 생산되는 강철 분말 수백만 t을 자동차 연료로 사용할 수 있다”라고 밝혔다.

△ 다양한 금속의 연소 특성 실험 장면. 최근 이 같은 금속연료의 기초 연구가 마무리 단계에 접어들었다. 과학자들은 발전소 등에 실제로 금속연료를 응용하기 위해 연구 중이다. ⓒ캐나다 맥길대 제프리 베르그토르손 교수

△ 캐나다 맥길대 새뮤얼 고로신 교수와 제프리 베르그토르손 교수 공동연구팀이 최근 개발한 금속연료용 열엔진의 개념도. 여기서 나오는 열을 이용해 자동차나 가정용 발전기를 가동시킬 전망이다. ⓒ새뮤얼 고로신&제프리 베르그토르손(학술지 ‘응용에너지’)

과연 강철로 달리는 자동차를 타게 될 날이 올까. 금속은 아직 다른 연료 물질보다 비싸기 때문에 모든 연료를 대체할 수는 없을 것이다. 그러나 가장 흔히 쓰이는 산화제인 산소가 없는 상황, 즉 물속이나 지구 밖에서 전기를 만들어야 할 때 유용할 수 있다. 예컨대, 배나 잠수함을 타격하는 ‘초공동 수중 비행체’라는 무기는 금속 가루를 물과 반응시켜 추진력을 얻는다. 이를 켜고 끌 수 있는 기술이 개발된다면, 금속 가루와 바닷물을 반응시켜 추진력을 얻는 새로운 패러다임의 선박용 엔진도 기대할 수 있을 것이다.

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