늦은 밤, 야근하고 집에 돌아온 초록이가 소파에 몸을 던집니다. 얼굴에 피곤이 가득하네요. 저녁 먹기 전에 급한 대로 당을 충전해야겠다는 생각에 부엌으로 향하는 강초록. 냉동실 문을 열고 아이스크림을 꺼내 먹으려고 하는데, 이게 웬걸! 아이스크림이 다 녹아버렸네요. 냉장고가 고장이 났나 봅니다. 내일 똑똑하고 야무진 친구 철석이랑 같이 냉장고를 사러 가야겠어요.

l 에너지 효율 높은 냉장고, 그 비밀은?

철석아 여기야! 냉장고 고르는데 같이 와줘서 고마워~ 가전제품을 만드는 데 안팎으로 빠질 수 없는 소재가 스틸 아니겠어? 스틸 전문가인 네가 어쩐지 똑똑하게 잘 골라줄 거 같더라고! 이번엔 튼튼하면서도 저탄소 고효율의 친환경적인 냉장고를 사려고 해.

친환경적인 냉장고라.. 그럼 으뜸 효율 가전제품을 사면 되겠다. 1등급 제품은 5등급 제품보다 30~40%의 에너지를 절감할 수 있다고 하니까, 꼭 1등급 제품으로 사자!

sss

오! 그럼 전기 요금도 많이 절약할 수 있겠네. 예전엔 가전제품들이 전기를 많이 먹어서 사놓고도 제대로 쓰지는 않고 신줏단지 모시듯 했는데.. 요즘은 1,2 등급 에너지 효율 제품들이 많아서 그런 걱정이 확 줄어든 것 같아. 그런데 똑같이 생긴 가전제품인데.. 에너지 등급은 왜 차이가 나는 거지?

그 비밀은 바로 컴프레서(compressor)에 있어! 다 같은 제품이라도, 그 속에 어떤 컴프레서를 쓰느냐에 따라 에너지 효율이 달라지거든. 냉장고, 건조기가 소모하는 에너지의 70% 가량을 컴프레서가 차지한데. 심장이 우리 몸에 피가 흐르게 하듯, 가전에 냉매를 흐르게 하는 게 컴프레서이기 때문에, 컴프레서는 ‘가전의 심장’이라고 불려.

컴프레서라고 들어는 봤지만 그렇게 많은 제품에 사용되는 줄은 몰랐네. 컴프레서가 정확히 어떤 역할을 하길래 그렇게 다양한 곳에 쓰이는 거야?

▲ 컴프레서 이미지 (출처=LG전자)

냉장고를 예로 들자면, 냉장고는 내부를 시원하게 하기 위해서 냉매를 기화시키고 그걸로 열을 빼앗거든. 기체가 된 냉매를 다 쓴 후에는 밖으로 내보내는 게 아니라 다시 액체로 만들어서 사용하는데, 이때 컴프레서가 작동해. 그 원리가 기체를 압축해서 액화하는 거라, 컴프레서는 다른 말로 ‘압축기’라고도 하지. 요즘 나오는 냉장고는 기기의 상태에 따라 작동하는 ‘인버터 컴프레서’를 사용하기 때문에 예전처럼 시도 때도 없이 우웅~ 소리를 내면서 돌아가지는 않아. 예전에는 컴프레서들이 소음도 많이 발생하고 전기료도 과도하게 나왔지만 최근 고효율 컴프레서들은 그런 단점을 모두 극복했지.

요즘 코로나 시대를 맞아서 집콕러들이 늘고, 라이프스타일의 변화로 소음과 진동이 적은 제품이 무척 선호된다고 하던데. 이런 추세도 고효율 컴프레서의 인기에 한몫하겠구나. 그럼 고효율 컴프레서, 저효율 컴프레서의 차이는 어떻게 생기는 거야?

l 다 알지? 우리나라 가전, 월드 클래스이라는 거!

LG, 삼성전자 같은 우리나라 기업의 제품이 생활가전에서 GE를 넘어 세계 1위에 등극했다는 거 알아? 그야말로 ‘월클’이라는거지. 한국산 가전제품은 해외에서는 품귀현상이 있을 만큼 인기가 좋대. 디자인적으로도 훌륭하지만, 무엇보다 고효율 컴프레서 덕분에 소음이 거의 없고 에너지 효율이 높아서 너도나도 우리 제품을 찾는다지. 2017년을 기준으로 삼성전자가 생산한 냉장고 컴프레서가 2만 대를 넘었대. 전 세계 인버터 냉장고 2대 중 1대는 삼성 ‘디지털 인버터 컴프레서’를 사용하는 거라나.

와 대단하다! 내가 듣기로 컴프레서 하면 LG도 빼놓을 수 없다던데?

맞아. LG의 컴프레서 기술력은 업계에서도 모두 인정할 만큼 대단하데. 대표적인 것이 LG가 자체 개발한 ‘리니어 컴프레서(Linear Compressor)’ 기술이야. 기존 모터의 회전하며 움직이는 방식을 직선 운동 방식으로 바꿨어. 이로써 마찰량을 획기적으로 줄이고 에너지 효율을 높였지.

아, 부모님 댁에 있는 냉장고에 ‘리니어 컴프레서, 10년 보증’이라는 스티커가 붙어있는 걸 봤는데! 앞뒤로 움직인다고 해서 리니어구나!

이렇게 컴프레서 원리 자체를 바꾸는 것도 엄청난 기술이고, 또 하나는 컴프레서를 만드는 소재로 철손(Core Loss)이 적은 프리미엄 강재를 쓰는 것도 필요해. 철손이라 함은, 철심이 들어 있는 기기에서 발생하는 전력 손실을 말해. 모터는 기본적으로 전기에너지를 운동에너지로 변환해 주는 기계잖아. 그래서 모터의 소재는 두 에너지가 상호 전환되는 과정에서 에너지가 최대한 손실되지 않게 하는 게 중요하지. 어떤 강판의 철손이 낮다는 것은, 이 강판을 이용하면 에너지 손실이 낮다는 뜻이야.

혹시 그게.. 전기강판??

역시 초록이는 아는구나! 진화한 컴프레서에 그만큼 진화한 스틸이 빠지지 않겠지? 아무 스틸이나 써서 만들 수 있는 게 아니니까. 특히 유행에 민감한 가전 산업은 다른 산업군에 비해 제품 개발 주기가 빠르고, 제조 비용 저감과 신규 기능에 대한 요구가 많은 분야야. 여기에도 역시 포스코의 전기강판 솔루션이 함께 하고 있어.

l 컴프레서 핵심 소재 : 포스코의 무방향성 전기강판 Hyper NO

전기강판이라… 전기가 흐르는 강판인가?

얼추 맞았어! 전기강판은 규소를 1~5% 함유해서 전자기 특성이 양호하고 철손이 적은 강판이야. 포스코는 국내외 유수의 자동차사, 가전제품 기업 등으로 세계 최고 수준의 전기강판을 연간 100만 톤가량 공급하고 있지. 그리고 전기강판은 크게 ‘방향성 전기강판’과 ‘무방향성 전기강판’으로 나눌 수 있어.

방향? 무방향? 말이 어렵네. 그게 뭐야?

방향성 전기강판(GO, Grain-Oriented electrical steel)은 전류가 압연된 한 방향으로 잘 흐르는 강판이고, 무방향성 전기강판(NO, Non-Oriented electrical steel)은 한쪽 방향이 아닌 모든 방향으로 전류가 균일하게 흐르는 강판이야. 우리가 오늘 이야기하는 컴프레서에 들어가는 건 무방향성 전기강판이지!

컴프레서 속 모터가 적은 양의 전기로도 강하고 조용하게 작동해야 하니까, 모든 방향으로 자기적 특성을 전달할 수 있는 무방향성 전기강판이 필요하구나.

그리고 이런 무방향성 전기강판에도 등급이 있어. 철손량에 따라 철손값 3.5W/kg 이하일 때 Hyper NO, 6.0W/kg 이하일 경우 High NO 제품이라고 해.

고효율 컴프레서에 들어가는 건 당연히 Hyper NO겠군!

맞아. 컴프레서의 모터는 Hyper NO를 여러 층 겹쳐서 만드는데, 그 두께가 얇고 체결 방식이 간단할수록 모터의 효율을 향상할 수 있어. 전기강판의 두께가 얇아질수록 철손량이 줄어들거든. 포스코는 두께 0.15mm까지 초극박재 Hyper NO를 생산해서 더 낮은 철손을 구현하고 있지. 머리카락 굵기가 평균 100㎛(=0.1mm)라고 하니 얼마나 얇은 지 상상이 가지? 포스코는 현재 세계 최고 수준의 무방향성 전기강판을 생산하고 있어.

우와 머리카락처럼 얇은 강판을 만들다니 정말 대단하다! 근데 그렇게 얇은 강판을 빠른 속도로 회전시키면 강판이 찢어져 버리는 거 아니야?

l 컴프레서를 한 단계 더 혁신하는 방법? 셀프본딩 기술!

하하. 한 장만 사용하는 게 아니야. 얇은 Hyper NO를 회전시킬 수 있는 덩어리로 만들기 위해선 수많은 판을 차곡차곡 쌓아야 해. 그리고 이 판들을 잘 붙여야 하지. 이때 주로 사용하는 건 원래 용접 방식이었어.

sss

용접? 그럼 Hyper NO의 우수한 전자기적 특성이 훼손되는 거 아니야?

그래서 포스코가 용접보다 더 좋은 체결방식이 없을까 고민한 끝에, ‘셀프본딩(Self-bonding)’이라는 기술을 2016년에 개발해냈어. 셀프본딩은 전기가 통하지 않는 얇은 접착제 같은 코팅을 전기강판 표면에 적용하는 기술인데, 전자기적 특성은 저하하지 않고 강하게 접합하기 때문에 소음은 줄이면서 모터 효율을 향상시킬 수 있어. 판끼리 밀접하게 붙으니까 뒤틀림이나 들뜸이 방지되어서 모터의 평행도가 개선되고, 판 사이의 진동이 줄어서 소음도 낮아지지. 셀프본딩 기술을 적용하면 용접 체결 방식 대비 모터 코어의 철손이 무려 10% 이상 줄어들어. 모터 소음도 5dB 이상 개선된데.

포스코의 Hyper NO로 가전제품 모터를 만들면, 에너지도 절약하고 소음도 줄일 수 있구나?

이 셀프본딩 기술은 원래 자동차 모터를 제작할 때 주로 사용되는데, 최근에는 가전제품의 컴프레서 모터에도 적용할 수 있도록 포스코와 고객사가 협력 중이야.

sss

빨리 셀프본딩이 적용된 가전제품을 써보고 싶은걸! 친환경 제품이 필요한 곳이라면 어디든 나타나서 솔루션을 제공해 주는 포스코구나.

l Hyper NO가 적용된 컴프레서를 쓰면 지구에 얼마나 도움 될까?

예전엔 막연히 전기 요금이 저렴하다는 이유로 에너지 효율 등급이 높은 가전제품을 선택했는데, 이제는 에너지를 절약함으로써 환경을 지킬 수 있다는 점 때문에 친환경 고효율 제품을 더 많이 찾는 거 같아.

맞아, 에너지 효율이 높은 가전제품을 쓰면 온실가스 배출 저감에도 큰 도움이 돼. 1등급 제품을 구매하면 구매 비용의 10%를 환급해 주는 ‘으뜸효율 가전제품 구매비용 환급사업’도 있잖아. 1등급 제품 사용은 국가, 개인적으로 큰 흐름이 된 것 같아.

포스코가 Hyper NO를 더 열심히 만들어야겠네! 그럼 실제로 에너지 효율 2~5등급 제품보다 1등급 제품을 쓰는 게 지구에 얼마나 도움이 될까?

냉장고로 한번 가정해볼까? 포스코 자체 연구에 따르면, 똑같은 컴프레서 모터의 소재만 High NO에서 Hyper NO로 바꾸어도 에너지 효율이 최대 1.5% 증가한데. 컴프레서가 냉장고 전체 전력량의 70%를 차지하니까, 컴프레서 효율이 1.5% 높아지면 전력 소모량은 약 1.1% 낮아진다는 뜻이겠지? 작년 국내로 판매된 2~5등급 냉장고에 Hyper NO로 제작한 컴프레서를 적용한다고 가정해보니, 연간 약 7.1GWh의 전력 사용량이 절감되고 온실가스 배출량 역시 약 3,300톤 줄어든다는 결과가 나왔어. 냉장고 한 대당 사용 수명이 평균 9.1년이라고 하거든. 그 기간을 따지면 온실가스 배출량은 약 3만 톤 줄일 수 있는 거야.

내가 쓰는 냉장고 한 대는 미약할지 몰라도 이렇게 계산하니 그냥 지나치면 안 되겠구나. 우리 집에도 친환경을 위한 해법이 숨어있었네. 나는 꼭 Hyper NO 컴프레서가 들어간 1등급 제품, 이걸로 사야겠어!

초록이가 마음에 드는 냉장고를 찾았네요. 역시 에너지 효율 1등급 제품입니다. 우리 집 한편에 놓여있는 냉장고, 건조기, 에어컨에도 포스코의 스틸 솔루션이 숨어 있을 줄이야~ 초록빛 지구를 향한 포스코의 GPS는 우리의 일상에도 함께하고 있습니다.

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

우리 친구, 환경을 생각하는 마음이 너무 예쁘네요! 선생님 말씀처럼 전기차와 수소차는 대표적인 친환경 자동차에요. 가솔린이나 LPG와 같은 화석연료를 쓰는 자동차와 달리 전기차와 수소연료전지차는 전기 에너지를 동력으로 하기 때문에 차에서 대기오염 물질이 배출되지 않는답니다.

잠깐, 전기차와 수소차 모두 전기 에너지로 달린다고요? 맞아요. 다른 점이 있다면, 전기차는 전기를 외부에서 충전해 사용하고 수소차는 수소를 충전해 차 속에서 스스로 전기를 만들어 쓴다는 점이에요. 전기차와 수소차는 전기 에너지로 달리는 친환경 자동차라는 것 외에 공통점이 하나 더 있는데요. 바로, 포스코의 소재와 기술이 들어간다는 사실!

그럼 전기차가 도로 위를 쌩쌩 달리는 데 포스코가 어떤 도움을 줬는지 함께 알아볼까요?

첫째, 전기차의 구동모터에 에너지 효율이 높은 포스코의 전기강판이 쓰이고 있어요. 전기차는 전기를 충전해 → 배터리에 축적된 전기로 → 모터를 회전시켜 구동 에너지를 얻는데요. 전기차의 구동모터는 일반 차의 엔진, 사람으로 따지면 심장과 같은 역할을 합니다. 전기를 적게 쓰면서 모터를 많이 회전시킬 수 있다면 너무 좋겠죠? 포스코의 Hyper NO 전기강판이 있다면 가능해요. 포스코 Hyper NO는 전기에너지가 회전 에너지로 바뀌는 과정에서 발생하는 에너지 손실을 최소화하고, 효율성을 높일 수 있도록 개발됐어요. 0.15mm 두께까지 아주 얇게 만들 수 있어 기존 전기강판 대비 에너지 손실이 30% 이상 낮은 고효율 전기강판이랍니다.

둘째, 전기차의 가볍고 튼튼한 차체와 충격 흡수 장치, 배터리 팩에는 가볍고 튼튼한 포스코의 기가스틸이 쓰인답니다. 기가스틸은 10원짜리 동전만한 크기에 25톤의 무게를 견딜 수 있을 만큼 단단한데요. 자동차 차체로 흔히 쓰이는 알루미늄보다 3배 이상 얇고, 3배 이상 튼튼합니다. 기가스틸로 전기차를 만들면 사고 시 충격을 완화시켜 탑승자의 안전을 지킬 수 있어요. 또한 차의 무게가 가벼워져 운전 시 에너지 소모량을 최소화하여 깨끗한 지구를 만드는 데 도움이 됩니다.

셋째, 전기차 배터리에서도 포스코의 기술력을 찾을 수 있어요. 전기차 배터리는 한번 쓰고 버리는 1차 전지가 아니라, 계속 충전해서 사용할 수 있는 2차 전지인데요. 포스코그룹은 2차 전지의 핵심 소재인 양극재, 음극재를 모두 생산하고 있답니다.

다음은 수소차 차례! 수소차는 이름 그대로 수소를 연료로 하는 전기 자동차입니다. 수소차도 전기차이지만, 전기를 충전하지 않아요. 왜냐하면 수소차 속에 ‘연료전지’가 들어 있어서 이곳에서 전기를 만들어 내기 때문이죠! 그렇다면 수소차에는 포스코의 어떤 기술력이 들어있을까요?

수소차의 전기를 만들어 내는 연료전지 안에 바로 포스코의 놀라운 기술력이 숨어있어요. 수소와 산소가 만나면 물이 되는 건 다 아시죠?(2H₂+O₂=2H₂O) 연료전지는 자동차에 주입된 수소를 산소와 화학반응시켜 전기를 만들어 내는데요, 이때 연료전지 안에 있는 금속분리판이 포스코의 스테인리스 스틸로 만들어졌답니다. 포스코의 금속분리판은 전기전도성이 높으면서도 내식성과 내구성이 강해서, 습한 환경이나 외부 충격에도 잘 견딜 수 있어요. 이 금속분리판의 이름은 Poss470FC. 포스코가 13년 동안 연구해서 발명한 소재라니 정말 대단하죠?

전기차와 수소차를 만드는데 포스코 스틸이 이렇게 멋진 역할을 하고 있었다니 놀랍네요~ 친환경 모빌리티 시대에 솔루션을 주는 포스코 스틸! 스틸은 깨끗한 지구를 만드는 데 없어서는 안 될 아주 중요한 미래 소재랍니다.

l 가벼운 차가 멀리 간다

전동화(Electrification)는 자동차의 구동을 담당하는 내연기관 시스템(엔진∙변속기∙연료통)이 축소되거나 사라지고, 이 자리를 전기모터와 배터리가 대체하는 것을 의미한다. 이 가운데 에너지를 담는 리튬이온배터리는 기술적 한계를 지니고 있다. 현재 수준으로는 부피가 크고 무거워 많은 양을 차에 싣기 어렵다는 점이다.

이로 인해 전기차의 치명적 단점이 생기는데, 한 번 충전에 많은 거리를 이동하기 어려워진다. 몇 킬로미터라도 주행거리를 확보하게 되면 상품성으로 연결되기 때문에 경량화가 필수적이다. 아직 보조금 효과가 있는 전기차는 과감하게 고가의 탄소섬유 복합재나 알루미늄 소재를 다량 사용하여 주행거리를 확보하고 있다.

하지만 전기차가 대중화되면 결국 가격을 고려하지 않을 수 없기 때문에 경제적 소재인 철강재가 주류가 될 것으로 예상한다. 특히 외부 충격에 의한 화재 위험에 취약한 배터리가 탑재된 전기차의 특성상, 충돌 안전에 대비해 기가파스칼급 강도를 지닌 초고장력강판의 사용이 크게 늘 것으로 전망된다. 기가스틸을 포함해 폭넓은 적용 분야의 자동차강판 솔루션을 보유하고 있는 포스코는 마그네슘 판재 사업을 통해 철강 소재와의 경량화 시너지 또한 기대하고 있다.

l 에너지를 담는 저장고, 배터리

전기차가 소비자로부터 선택받기 위해서는 현재의 가솔린이나 디젤 자동차를 이용하는 것만큼 불편함이 없어야 한다. 핵심은 전기차 배터리의 가격을 낮추면서 동시에 용량을 늘리는 것이다. 같은 부피나 무게에 더욱 많은 전기에너지를 저장, 즉 높은 에너지밀도를 보유해야 한다.

2세대 전기차로 분류되는 GM의 쉐보레 볼트나 테슬라 모델3의 경우, 한 번 충전으로 300Km 이상을 달릴 수 있어 상당한 경쟁력을 갖춘 것으로 평가되고 있다. 하지만 여전히 한 번 주유해 600~700Km를 달리면서 보조금 제외 1천만 원 이상 저렴한 동급의 내연기관차에 비교해서는 갈 길이 멀다.

배터리의 에너지밀도는 리튬, 니켈, 코발트, 망간 등의 화합물로 이루어진 양극재에 의해서 많은 부분 결정되는데, 이들 원료를 혼합하는 비율에 따라 결과적으로 전기차의 주행거리가 영향을 받는다. 배터리의 가격 또한 이들 원료의 사용량에 따라 크게 좌우된다.

(출처 : 플리커)

최근까지 리튬과 코발트는 수급 불안으로 인해 가격이 크게 상승한 바 있어 사용을 최소화하는 것이 경쟁력이다. 요즘 배터리 생산업계는 NCM811(니켈:코발트:망간의 비율이 8:1:1인 리튬이온배터리) 등 차세대 양극재를 통해 불안요소를 안고 있는 코발트 사용을 줄이고 안정적 수급을 기대할 수 있는 니켈 사용량을 늘리는 전략을 취하고 있다. 이에 발맞추어 포스코ESM은 PG-NCM(포스코ESM의 NCM811 기술)을 통해 미래 시장을 대비하고 있다. 포스코켐텍은 탄소 소재 가공 경험을 바탕으로 또 다른 핵심소재인 음극재를 생산 중이다.

l 누가 전기차를 움직이는가?

전기차 배터리가 에너지를 저장한다면 구동 모터는 실질적으로 자동차를 움직이는 엔진의 역할을 한다. 전기모터는 일반적인 인식과 달리 내연기관 대비 저속구간에서도 높은 출력을 보인다. 넓은 속도 구간에 걸쳐 고른 출력 분포를 지니고 있어 변속장치도 불필요해 자동차 구동부 설계에 유리하다. 배터리와 유사하게 전기모터 또한 경제성과 출력밀도 향상이라는 과제를 안고 있다.

모터는 효율을 높이기 위해 디스프로슘, 네오디뮴과 같은 자성 물질이 들어간다. 그런데, 이들 원료는 고가인 데다가 구하기도 어려워 함량을 낮추려는 노력을 기울이고 있다. 이러한 한계에도 모터기술은 지속해서 발전해 과거 대비 크기가 줄면서 힘도 좋아졌는데, 이는 모터의 핵심부품인 모터 코어가 소형화된 덕분이다.

모터 코어는 전기강판이라 불리는 철강소재를 여러 층 겹쳐 만든다. 그 두께가 얇을수록, 체결방식을 개선함에 따라 모터의 효율을 향상할 수 있다. 포스코는 0.15mm의 얇은 두께로 생산 가능한 고급 무방향성 전기강판(Hyper NO) 기술을 지니고 있으며, 자기접착(Self-bonding)기술을 통해 기존의 용접으로 쌓던 방식보다 높은 효율의 모터 코어 부품 생산을 가능하게 하고 있다.

▲포스코의 무방향성 전기강판(HyperNO) 기술

l 모빌리티의 미래

오늘날 젊은 세대 사이에서는 자동차를 꼭 보유해야 한다는 생각이 많이 사라지고 있다. 날이 갈수록 대중교통이 편리해지고 공유경제의 발달로 인해 필요할 때마다 자동차, 자전거 등 모빌리티 수단을 손쉽게 빌려 탈 수 있는 시대가 도래했기 때문이다. 이러한 트렌드를 반영하듯, 롤랜드버거에서는 현재 자동차 이동 수요의 74% 정도를 소화하고 있는 개인보유 차량의 비중이 향후 46%까지 줄고 그만큼 로봇 택시/셔틀의 비중이 늘어날 것으로 분석하고 있다. 미래의 자동차는 전동화로 인해 단순화 됨과 동시에 공유경제 시대에 걸맞은 최적 탑승인원 설계로 인해 1, 2인승 포드 혹은 8인승 내외의 셔틀이 부상할 것으로 보인다. 이에 걸맞은 부품과 소재 공급을 위한 기업들의 고민이 이미 시작되고 있다.