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

여러분 중 자동차에 관심 있는 사람 많으시죠? 그래서인지 뉴스룸에도 유독 자동차와 관련된 질문이 많이 도착하고 있는데요. 그중 가장 눈에 띄는 이야기가 있었습니다. 바로 “사고가 나도 안 찌그러지는 자동차는 없나요?”라는 질문이에요. 우리 친구들의 상상력은 날로 풍부해지는 것 같네요. 오늘도 포스코의 자동차 전문가를 모시고 여러분의 궁금증을 해결해 드리겠습니다!

l 찌그러지는 자동차강판이 좋은 것이여!

자동차 사고가 나도 잘 안 찌그러지는 자동차라… 이것 참 간단하면서 어려운 질문이네요. 하하. 찌그러지지 않는 자동차강판, 아주아주 강한 강판을 만드는 것은 사실 어렵지 않답니다. 그런데 이거 어쩌죠? 사람을 보호하려면 자동차가 어느 정도 찌그러지는 게 안전하답니다. 그 이유는 사고가 났을 때 자동차가 찌그러지면서 사람에게 전달되는 충격을 줄여주기 때문이에요. 얇고 긴 갈대가 바람에 흔들려도 부러지지 않는 것처럼 말이에요.

그렇다고 해서 자동차가 너무 많이 찌그러진다면 오히려 사람이 앉아 있는 좌석까지 그 힘에 밀려버려 사람을 다치게 할 수 있어요. 생각만 해도 무섭죠? 그래서 포스코는 운전자를 보호하면서, 혹여 사고가 나더라도 운전자와 보행자가 받는 충격을 줄일 수 있게 ‘적당히 찌그러지는’ 강판을 만들고 있답니다. 과연 어떤 것인지 알아볼까요?

l 포스코가 만드는 ‘잘’ 찌그러지는 자동차강판은?

철강은 자동차 무게 중 50% 이상을 차지하는 핵심 소재입니다. 미국화학협회에 따르면, 중형차를 기준으로 1,809kg짜리 자동차에 926kg의 철강이 사용되고 있고, 그중 911kg이 자동차강판 무게라고 해요. 자동차강판은 △자동차 보닛·지붕·문 등의 외판(Closer) △자동차의 기본 골격을 구성하는 BIW(Body-in-white) △방향계와 구동부를 갖춘 자동차 하부 섀시(Chassis)에 쓰입니다. 에어백 빼고 모든 곳에 있다고 할 수 있을 만큼 자동차 곳곳에서 튼튼한 뼈대 역할을 하고 있죠.

포스코가 생산하고 있는 자동차강판은 ‘AHSS(Advanced High Strength Steel)’라는 초고강도강이에요. 일반강보다 강도가 높으면서도 무게가 낮아 자동차를 단단하면서도 가볍게 만들어주는 자동차강판입니다.

그런데 아까 앞에서 이야기한 것처럼, 강도가 높다고 해서 사람을 잘 보호할 수 없답니다. 쫀득쫀득한 젤리는 부서지지 않지만, 단단한 크래커는 바사삭 부서지잖아요. 마찬가지로, 단순히 강도만 높은 자동차끼리 충돌하면 찌그러지지 않고 부서져 버리죠. 그러면 오히려 운전자와 보행자 모두 위험해질 수 있어요.

여기서 중요한 것이 바로 자동차강판의 ‘강도’와 ‘연성’이랍니다. 과학시간에 이 용어를 들어본 친구들도 있을 텐데요. 쉽게 표현하면 ‘강도’는 철강이 얼마나 단단한지, 그리고 ‘연성’은 얼마나 잘 늘어나는지를 말해요. 크래커는 강도가 높아 단단한 거고요, 젤리는 연성이 좋아 부서지거나 찢어지지 않고 잘 늘어나는 거예요.

강도와 연성은 보통 하나가 많으면 나머지 하나는 작은 반비례 관계를 가지고 있어요. 하지만 포스코의 AHSS는 강도와 연성을 둘 다 잡은 자동차강판이랍니다! 이런 ‘엄친아 엄친딸’ 같은 자동차강판은 어떻게 만들 수 있을까요? 핵심은, 철을 만들 때 사용하는 화학원소들에게 있습니다.

AHSS를 만들 때는 강도를 높이기 위해 탄소(C), 망간(Mn), 크롬(Cr) 등의 물질을 주로 사용해요. 예를 들어 탄소가 0.3%만 첨가되더라도 강도가 1기가파스칼(GPa)을 쉽게 넘어 갈 수 있어요. 1기가파스칼이 얼마나 단단한 거냐면, 10원짜리 동전 크기로 35kg 어린이 710명을 견딜 수 있는 정도에요. (포스코의 기가스틸 더 보기)

단 0.3%의 탄소만으로도 어마 무시하게 단단한 철강이 만들어지는데, 탄소를 조금만 더 첨가한다면 자동차가 너무 단단해져 과자처럼 부서져버리겠죠? 안전을 위해 자동차강판의 원소 함량을 아주 미세하게 조정하는 것은 정말 어렵고 중요한 일이랍니다. 그래서 포스코의 자동차 전문가들은 강도가 높으면서도 연성 또한 좋은 강판을 만들기 위해 노력하고 있답니다.

포스코는 U-AHSS, X-AHSS, 그리고 1GPa 이상의 초고강도강인 기가스틸 등 고강도이면서 연성도 우수한 새로운 강종에 대한 연구를 활발히 진행하고 있어요. 또한 더욱 좋은 강판을 만들기 위해 인공지능을 활용한 스마트팩토리도 열심히 가동하고 있습니다.

포스코는 여러분이 어른이 되어서 타게 될 자동차는 더 강하고, 더 가볍고, 더 안전해질 수 있도록 앞으로도 열심히 노력할 거에요. 그래도 무엇보다 중요한 건 안전운전! 오늘은 자동차로 출퇴근하는 엄마아빠에게 안전운전하자고 꼭 이야기해 주세요~

* 도움말 주신 분: 포스코 기술연구원 나현택 책임연구원

현재 자동차 업계는 차체 경량화를 위해 다양한 강재를 활용하고 있다. 이와 관련해 최근 미국의 철강재활용협회(SRI: Steel Recycling Institute)가 진행한 연구 결과는 매우 흥미롭다. SRI는 <차체 경량화: 라이프 사이클 온실가스 및 에너지 연구>*라는 리포트를 발표했는데, 실험을 통해 차체 경량화에 널리 이용되는 초고강도강판(AHSS)과 알루미늄 두 재질이 환경에 어떤 영향을 미치는지 심층적으로 연구했다.
*연구 원문: “Life Cycle Greenhouse Gas and Energy Study of Automotive Lightweighting”

온실가스 배출과 관련해 AHSS와 알루미늄을 연구한 SRI의 결론은 무엇이며, 이 연구 결과가 자동차ㆍ철강 업계에 시사하는 점은 무엇일까? 포스코 뉴스룸에서 간략히 정리해봤다.

자동차의 에너지 효율성과 차체 경량화. 이 두 마리 토끼를 잡으려면 어떻게 해야 할까? 자동차ㆍ철강업계에서는 온실가스 배출을 억제하기 위한 세계적인 노력에 발맞춰, 친환경적인 방식으로 차체 경량화를 달성하고자 협력을 지속하고 있다. 이 일환으로 철강업계가 개발한 AHSS(Advanced High-Strength Steel)는 기존에 사용하던 일반강보다 더 높은 강도를 가지면서도 무게는 낮춰, 차체의 안전한 경량화를 가능케한다.

차량의 전체 중량을 줄이면서 연비를 향상시키는 AHSS가 환경에는 어떤 영향을 미치는 걸까? AHSS를 포함, 차체에 주로 쓰이는 다섯 가지 소재로 자동차를 경량화했을 때 예상되는 온실가스의 배출량은 아래와 같이 산출됐다.

<주요 소재별 생산과정에서 발생하는 온실가스 배출량과 각 소재로 만든 부품 무게에 따른 온실가스 배출 총량>

▲출처: SRI

일반강, AHSS, 알루미늄 등 각 소재에 따라 차량의 무게와 온실가스 배출량은 어떻게 달라질까? 먼저 일반강으로 차량을 만든다고 가정하고, 이 차량의 한 부품의 무게를 100kg로 보았다. 일반강 1kg을 만들 때 발생하는 온실가스가 1.9kg이기 때문에, 100kg짜리 부품 생산 과정에서 총 190kg의 온실가스가 배출된다고 볼 수 있다. 이제 같은 부품을 AHSS로 만든다고 가정하면, AHSS의 경량화 효과로 부품의 총 무게가 75kg로 줄어든다. AHSS를 만들 때 발생하는 온실가스의 양은 일반강과 마찬가지로 1kg당 1.9kg이지만, 부품 무게가 절감됐기 때문에 총 배출량은 143kg에 그치는 것으로 나타났다.

알루미늄을 사용하면 부품의 무게는 67kg으로 줄일 수 있어서 차체 경량화만 놓고 보면 알루미늄이 AHSS보다 우수하다. 하지만 알루미늄 생산 단계에서 배출되는 온실가스는 1kg당 8.9kg에 달한다. AHSS의 4.7배에 달하는 수치다. 결국 알루미늄으로 차량을 경량화했을 때 배출되는 온실가스는 596kg로, AHSS의 4배 이상의 온실가스를 배출하게 되는 것으로 보인다.

l 다섯 차종 실험, 결과는 같았다

소재 생산 시 배출되는 온실가스를 산출한 위의 연구 결과만 놓고 봐도 AHSS의 온실가스 배출량이 가장 적음을 알 수 있다. 그렇다면 차체 경량화만을 위해 철을 대체하는 비철강소재를 사용하는 것은 환경에 어떤 영향을 미칠까? SRI는 이어서 AHSS와 알루미늄 두 소재를 비교하는 포괄적인 연구를 진행했다. SRI는 소재 생산 단계뿐 아니라 자동차 생산 및 사용 단계(운전 단계), 그리고 차량의 수명이 종료된 시점까지 아우르는 차량 수명주기, 즉 라이프 사이클(Life Cycle) 전체를 대상으로 연구했다.

SRI는 2016년도에 출시된 일반 차량 다섯 종을 대상으로 연구를 진행했다. 중형 세단, SUV, 픽업트럭, 중형 하이브리드 전기 자동차 및 소형 배터리 전기 자동차 등 크기와 연비가 다양한 다섯 가지 유형의 차량을 ‘기준 차량(baseline vehicle)’으로 설정했다. 트럭이나 밴 같은 상용 차량은 연구 대상에서 제외했다.

이후 자동차의 성능을 유지하는 선에서 위 다섯 종의 ‘기준 차량’을 AHSS와 알루미늄으로 경량화했다. 차종별로 각각 ‘AHSS 경량화 차량(이하 AHSS 차량)’ 그리고 ‘알루미늄 경량화 차량(이하 알루미늄 차량)’으로 디자인ㆍ설계한 후 각 차량의 라이프 사이클 단계별 온실가스 배출량을 조사했다. 이에 대한 차종별, 주기별 결과를 도출했는데 그 중 한 예(SUV)가 아래 도표에 잘 나타나 있다.

<기준차량, AHSS 차량, 알루미늄 차량 1대 당 라이프 사이클 전 과정에서 배출하는 온실가스>

▲ 각 차량을 대상으로 전 과정평가(Life Cycle Assessment, 이하 LCA)을 실시한 결과,  AHSS 차량의 온실가스 총량이 알루미늄 경량화 차량보다 낮게 나타났다. (출처: SRI)

먼저 생산 단계를 살펴보니, AHSS 차량의 온실가스 배출량이 가장 낮게 나타났다. 사용 단계에서는 알루미늄 차량의 온실가스 배출량이 다소 낮게 나타났으며, 수명이 끝난 폐기 및 재활용 단계에서 역시 알루미늄 차량의 온실가스 배출량이 가장 낮았다.

하지만 알루미늄 차량의 경우 생산 단계에서 온실가스 배출량이 워낙 크게 나타나 라이프 사이클 전 과정을 놓고 봤을 때 배출하는 온실가스의 총량이 AHSS 차량을 웃돌았다. 이 결과는 SUV뿐만 아니라 실험 대상이었던 다섯 차종에서 모두 같은 것으로 나타났다.

l 가볍지만 무거운 알루미늄

SRI는 라이프 사이클 별로 다섯 차종 모두에서 어떤 결과가 나타났는지 상세히 분석했는데, 연구를 통해 드러난 주요 결과를 살펴보면 다음과 같다.

(1) 테스트된 모든 차종에서 AHSS 차량의 라이프 사이클 온실가스 배출량이 알루미늄 차량보다 더 낮거나, 최소한 동등한 것으로 나타났다.

(2) 알루미늄 경량화 차량의 경우, 생산 단계에서의 온실가스 배출량이 상당히 높은 것으로 나타났다. 차가 탄생하는 순간에 발생한 이 온실가스는 차의 수명이 다할 때까지 회수되지 않고 대기 중에 남아 있다.

(3) 대부분의 경우 알루미늄은 생산 단계에서 베출하는 온실가스의 양이 막대하다. 때문에 사용과 폐기 단계에서의 온실가스 배출양이 AHSS에 비해 적다고 해도, 라이프 사이클 전체에서 배출하는 총량은 여전히 AHSS를 상회하며, 만회되지 못한다.

l AHSS vs 알루미늄, 선택에 따라 온실가스 1,200만 톤이 좌우된다

그렇다면 SRI의 이번 연구 결과가 현실에서는 어떤 의미가 있을까? 앞서 SRI가 보여준 연구 결과는 차 한 대를 생산했을 때 배출되는 온실가스의 양이다.  연구진은 2016년도 미국과 멕시코에서 생산된 일반 차량 수 약 600만 대에 연구결과를 적용시켜봤다. (같은 해 전 세계 일반 자동차 생산량은 약 7,200만 대이다. 출쳐=OICA)

<기준차량, AHSS차량, 알루미늄 차량 600만 대가 라이프 사이클 전 과정에서 배출하는 온실가스>

▲ 각 차량 1대가 라이프 사이클 전 과정에서 배출하는 온실가스의 양을 600만 대에 곱한 수치. 600만 대는 2016년도 미국과 멕시코에서 생산된 차량의 수이다. 이 수치는 미국 환경보호국(Environmental Protection Agency: EPA)의 기준에 따라 산출됐다. (출처: SRI)

미국과 멕시코에 있는 600만 대의 차량이 AHSS로 만들어진다면, 알루미늄으로 만들어진 차보다 무려 1,200만 톤의 온실가스를 줄일 수 있다. 이는 51,800 평방킬로미터 면적의 숲이 정화할 수 있는 이산화탄소의 양과 같은 수치로, 설악산 국립공원의 약 130배에 달하는 면적이다. 1,200만 톤의 온실가스는 또 다음과 같은 수치로도 환산될 수 있다고 한다.

<온실가스 1,200만 톤의 기타 환산 수치>

▲ 미국 환경보호국(Environmental Protection Agency: EPA)의 산출 기준에 따라 계산한 온실가스 1,200만톤 환산 수치 (출처: SRI)

l “최상의 솔루션은 철이다”

이번 연구가 시사하는 점은 무엇일까? 그것은 바로 철은 다른 소재와 비교했을 때 온실가스 배출량이 적어 자동차 제조에 있어 가장 친환경적인 선택이라는 것.

포스코 역시 친환경 자동차 철강재 개발을 선도하며 ‘기가스틸’을 양산 중이다. 기가스틸은 포스코가 생산하는 AHSS강의 대표주자인데, 인장강도가 1000Mpa, 즉 1 Gpa(기가 파스칼) 이상이기 때문에 붙여진 이름이다. 기가스틸은 알루미늄보다 3배 이상 강하고 3배 이상 얇으면서도 가격은 3.5배, 가공비는 2.1배나 낮아 생산 비용을 효율적으로 절감할 수 있다. 또한 자동차의 누적 CO₂ 배출량을 기존 일반강 대비 약 10% 감소시켜 환경을 보호하는 데에도 도움을 준다.

미국철강협회의 산하기관인 철강시장개발센터(SMDI)의 조디 홀(Jody Hall) 부사장에 따르면 점차 엄격해지는 규제로 인해 운전 중 배출되는 온실가스 배출량은 점차 줄어들고 있는 실정이라고 한다. 그러나 운전 중에 배출되는 부분만 고려해서는 안된다. 자동차 생산 단계에서 발생하는 온실가스까지 고려하는 라이프 사이클 평가(LCA)의 중요성은 더욱 부각되어야만 한다.

조디 홀 부사장은 이렇게 덧붙인다. “자동차 소재의 생산단계를 고려한다면, 자동차가 환경에 미치는 부정적인 영향은 새 자동차에 시동을 걸기 전부터 시작되는 거나 마찬가지다. 환경을 생각했을 때 최상의 솔루션은 바로 철이다.”

*SRI의 <차체 경량화: 라이프 사이클 온실가스 및 에너지 연구>는 LCA 전문가 패널의 검증을 거쳐 ISO(International Organization for Standardization: 국제 표준화기구) 기준에 부합함이 확인되었습니다.
** 본 리포트는 SRI의 연구 결과로 포스코의 입장이나 전략을 담고 있지 않으며, 본문의 포스코 기가스틸 관련 내용은 SRI의 입장이나 전략을 담고 있지 않습니다.
*** 철강재활용협회 SRI의 <*차체 경량화: 라이프 사이클 온실가스 및 에너지 연구> 보고서 전문은 이 링크를 통해 직접 요청할 수 있습니다.

자동차 소비자는 점점 더 안전한 자동차를 선호하고 있다. 하지만 그로 인해 차체가 무거워지는 걸 원하진 않는다.  가볍지만 더 강한 자동차에 대한 제조업체의 고민을 해결하기 위해 철강사는 가볍고 더 강한 소재 개발에 힘쓰고 있다.

알루미늄의 경우 철보다 가볍지만, 강도는 철보다 약하기 때문에 차체 강성을 유지하기 위해서는 두께가 증가할 수밖에 없다. 또한 차체 강성 확보를 위해 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 등 다른 소재와 함께 사용되어야 하므로 소재가 가볍다는 장점을 100% 발휘하지 못한다.

조디 N. 홀 (Jody N. Hall) 미국 철강협회 산하 철강 시장개발센터(SMDI)의 부사장은 “테슬라와 포드처럼 가벼운 무게 때문에 알루미늄을 선호하는 자동차 업체도 있지만, 인장강도(Tensile Strength)를 고려했을 때, 안전 기준을 충족시키기 위해 알루미늄을 사용한 경우, 두께가 두꺼워질 수밖에 없다”고 지적했다.

그는 이 경우 운전자의 운전 경험과 차내 인테리어 및 승차감에 부정적 영향을 미칠 수 있다고 설명했다. 그렇다면 소비자가 원하는 요구를 충족하는 가볍지만, 더 강한 철 소재는 무엇일까?

l 글로벌 자동차 시장이 주목하는 AHSS

초고강도강(AHSS)는 일반 자동차강판보다 높은 강도를 가지고 있어 차체 고강도화와 강판 적용 두께를 낮출 수 있어 경량화를 동시에 만족시킬 수 있는 소재로 주목받고 있다.

AHSS는 일반 자동차강판보다 높은 강도로 인해 차량 도어 바디 하단에 장착돼 외부로부터 충격을 완화해주는 역할을 하는 사이드 실(Side Sill)과 같은 자동차 구조부재에 적용된다.

지난달 14일(현지 시각) 미국 디트로이트에서 개최된 2019 북미 국제 오토쇼(이하 2019 디트로이트 모터쇼)에서 분야별 올해의 차 최종 후보에 오른 모델 대부분이 초고강도강판(AHSS)를 대거 사용한 것이 눈에 띈다.

트럭 부문에서 올해의 차를 수상한 2019 닷지 램 1500는 트럭 짐칸 부분에 54%, 프레임에는 98% AHSS를 사용했다. 이로 인해 프레임 강성은 증가하고, 무게는 45kg가량 줄었다. 지금까지 출시된 모델 중 가장 강력하다.

▲2020 도요타 코롤라 (출처: 디트로이트 모터쇼)

2020 도요타 코롤라는 AHSS 사용을 늘린 덕분에 차체의 견고함과 탑승자의 안전도를 높였다. 이전 모델보다 비틀림(torsion)의 견고함이 60%가량 증가했다. 2019 스바루 포레스터는 주재료로 31% AHSS을 적용해 내구성과 충돌 시 안전도 증진, 내부 소음을 줄였다.

▲2019 지프 체로키 (출처: 디트로이트 모터쇼)

2019 지프 체로키도 차량 무게를 줄이기 위해 AHSS을 사용했다. 2019 메르세데스 벤츠 G클래스는 AHSS를 적용한 덕분에 무려 170kg의 무게를 감량했다. 이를 포함해 이번 모터쇼에 출시된 차종 중 무려 65종이 차량 경량화부터 강도, 내구성까지 모두 갖춘 AHSS를 주재료로 사용했다.

l 가볍지만 강한 기가스틸

출처: 디트로이트 모터쇼

전문가들은 국제 자동차 충돌 규제 및 이산화탄소 배출 규제가 강화됨에 따라 차체 경량화는 탄소 배출량 감축 달성에 필연적인 요소라고 입을 모은다.

차체 경량화를 위해 고강도화는 피해갈 수 없는 숙제다. 뿐만 아니라 미래 교통수단으로 거듭날 자율주행주동차 및 전기차 같은 신성장 부문에도 거액을 투자하며, 혁신을 시도하는 기업의 입장에서는 강하고 가벼우면서 비용이 합리적인 재질 확보가 관건이다.

포스코는 포스코가 전기차 및 무인자동차 등 스마트카 시대에 발맞춰 자동차의 무게를 획기적으로 줄일 수 있는 ‘기가스틸’을 개발해 미래소재 개발에 집중해 왔다.

포스코가 개발한 ‘기가스틸’은 1㎟ 면적당 100㎏ 이상의 하중을 견딜 수 있는 차세대강판으로, 양쪽 끝에서 강판을 잡아당겨서 찢어지기 시작할 때까지의 인장강도가 980MPa(1기가파스칼) 이상이어서 ‘기가스틸’이라 명명되었다.

즉, 가로 10cm, 세로 15cm의 손바닥만 한 크기에 약 1톤가량의 준중형차 1,500대를 매달아도 견딜 수 있는 강종으로 알루미늄보다 3배 이상 강도가 높고 성형성도 우수해 가벼우면서 강한 자동차 차체를 만들 수 있다.

*포스코는 인장강도 780 메가파스칼(MPa) 이상의 강판을 초고강도강이라고 하고, 1㎟ 면적당 100㎏ 이상의 하중을 견딜 수 있는 인장강도 980Mpa(1기가파스칼) 이상의 강판을 ‘기가스틸’이라고 정의한다. 반면 타사의 경우 590 MPa를 초고강도강으로 분류하는 경우도 있다.

특히, TWIP강, PosM-XF강 등 강도를 높이면서 동시에 사용자가 철강의 성형 또한 쉽게 할 수 있도록 한 상상 속에서만 가능했던 ‘더 강하고, 잘 구부러지는 철’을 만들어냈다.

포스코는 ‘기가스틸’을 활용해 알루미늄, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 등 철의 영역을 침범해오는 대체 소재의 확산을 막고, 미래소재로써 철강의 영향력을 더욱 강화할 계획이다.

이번 모터쇼를 통해 알 수 있는 것처럼 더 강하면서 더 가벼운 자동차 강재에 대한 수요는 계속해서 늘어날 것으로 보인다. 조디 N. 홀 부사장은 “AHSS는 자동차 제조업체뿐만 아니라 부품 제조 업체와 소비자에게 있어 최상의 선택“임을 거듭 강조했다.

이에 따라 글로벌 자동차 시장에서 기가스틸의 적용 범위도 확대될 것으로 기대된다.