‘기가스틸(Giga Steel)’에 대해 들어보신 적 있으신가요? 기가스틸은 포스코의 자동차 강판용 WP(월드프리미엄) 제품 중 하나로, 기존 고장력 강판보다도 더욱 강력해진 차세대 강판인데요.

기가스틸의 탄생부터 현재와 미래, 포스코인의 숨은 땀방울까지! Hello, 포스코 블로그에서 ‘기가스틸’의 기가 막힌 이야기 시리즈로 전해드립니다. 함께 확인해 보시죠

전 세계 자동차 제조사들의 화두, 차체 경량화!

△ 이미지 출처 –  Renault / SM6(탈리스만)는 동급 경쟁 차종 대비 더 넓은 공간과 가벼운 무게를 강점으로 내세웠습니다.

최근 각 자동차 제조사들의 신차들을 보면 한가지 공통된 특징이 있습니다.

“이전 모델 대비 무게는 000kg 가량 줄이면서도 탁월한 강성을 유지하며, 심지어 내부 공간은 더 넓어졌습니다.”

무게가 줄어들었는데, 강성은 그대로고 공간까지 넓어졌다니요? 자동차가 더 큰 무게나 충돌을 견디려면 소재의 두께를 두껍게 해야 합니다. 그러면 당연히 차체는 무거워질 수밖에 없는 것이 상식이죠. 그런데 제조사들은 이런 상식을 뒤집는 기술들을 세상에 선보이고 있습니다.

△ 알루미늄은 전통적인 경량 소재로 오래전부터 쓰였습니다.

자동차 무게를 줄이기 위한 경량 소재 개발은 아주 오래전부터 시도되었습니다. 알루미늄이나 마그네슘 혹은 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)을 사용해 무게를 줄이는 동시에 강도를 높이는 기술을 계속 개발해 왔습니다.

주로 우주항공분야에서 먼저 시도되었고, 자동차 분야도 꽤 오래전부터 이러한 개념을 도입하고자 많은 노력을 기울여 왔습니다. 이러한 노력을 가장 먼저 기울이기 시작한 사람들은 레이스카 엔지니어들이었습니다. 그들에게 레이스카 차체의 경량화는 우승을 위해 반드시 풀어야만 할 숙제와도 같았고, 모터스포츠는 경량 소재의 개발과 실험에 가장 적합한 무대 중 하나였습니다.

△ 모터스포츠는 자동차 경량 소재 개발과 발전을 위한 최적의 무대였습니다.

끊임없는 노력 끝에 불과 20~30년 전까지만 해도 레이스카에서나 쓰였을 법한 소재들이 이제는 양산차에서도 어렵지 않게 찾아볼 수 있게 됐습니다. 특히 오늘날 차체 제작의 가장 큰 트렌드 중 하나가 바로 경량화이기에 모터스포츠의 경량화 기술을 비롯해 다양한 경량 소재들이 빠르게 접목되고 있습니다.

모터스포츠가 경량화를 추구하게 된 이유는 단순합니다. 낮은 연료 소모로 고출력을 내기 위함이죠. 물론 레이스카와 양산차 사이에는 약간의 차이가 존재합니다. 레이스카는 코너에서 더 민첩한 반응을 이끌어 내고 타이어에 부담을 줄이며 동시에 가지고 있는 출력을 온전히 사용하기 위함이라면, 도로를 달리는 양산차는 보다 낮은 연료 소모와 탄소 배출에 목적이 있습니다.

앞서 소재 개발로 자동차 무게를 줄이고, 강성을 높이면서 공간 효율도 향상시킬 수 있었다고 했는데, 실제로 이를 구현하기란 굉장히 어려운 일입니다. 차체는 사람의 골격구조처럼 매우 복잡하기 때문입니다.

예를 들어 두개골은 사람의 신체에서 가장 중요한 뇌를 보호하기 위해 단단하며 동시에 다양한 조각들로 나뉘어 있어 충격을 흡수할 수 있게 이루어져 있습니다. 막대한 힘을 견뎌야 하는 대퇴골 역시 가장 무겁고 단단한 부위이지요.

반대로 갈비뼈는 손으로 누르기만 해도 휘어질 정도의 탄성을 지니고 있는데, 특히 폐호흡을 해야 하는 동물들의 갈비뼈가 이런 구조적 특성을 지니고 있습니다. 심장, 폐와 같은 중요한 장기를 보호하면서 동시에 폐의 원활한 팽창을 위해 높은 탄성과 복원력이 요구됩니다.

이렇게 인체를 구성하고 있는 뼈는 진화를 통해 부위별로 맡고 있는 역할에 따라 강도나 밀도 그리고 탄성이 달리 발달되어 왔습니다.

△ 이미지 출처 – Daimler AG

자동차의 차체 구조도 마찬가지입니다. 만약 모든 차체가 단단하기만 하다면 충돌이 발생했을 때 전달되는 충돌 에너지를 고스란히 사람이 받아야 할 것입니다. 반대로 모든 차체가 무르다면 충돌은 잘 흡수하겠지만, 결국 쉽게 망가져 마찬가지로 탑승자들에게 직접적인 피해를 가하겠죠?

그래서 차체는 각 상황에 맞게 사용해야 하는 소재의 강도나 연성이 다 다릅니다. 갈비뼈처럼 충격이 발생했을 때 흡수하는 부위가 있는가 하면 쉽게 무너지지 않고 탑승자를 보호하는 두개골과 같은 부위도 필요하죠. 무턱대고 단단하게만, 혹은 가볍게만 만들 순 없는 것이 차체입니다.

따라서 경량 소재를 사용한다고 해도 고려해야 할 부분이 아주 많으며, 이는 생산 효율성과도 깊은 관련이 있는 문제입니다. 가령 우주왕복선이나 레이스카에 쓰이는 고가의 경량 소재들을 사용한다면 자동차의 연비는 높일 수 있겠지만, 생산 단가가 지나치게 비싸고, 가공 비용이 많이 듭니다. 높아진 단가는 고스란히 소비자 가격 상승으로 이어지며, 결국 아무리 효율성이 좋은 자동차라고 해도 소비자들은 이를 구입하기 어려울 것입니다. 이는 잘 알려진 경량 소재들이 안고 있는 문제이기도 합니다.

또한 경량 소재는 원하는 형상의 부품을 만드는데 까다로운 기술을 요하거나 접합, 용접 기술이 자동차에는 접목하기 까다롭다는 단점이 있습니다.

포스코의 기가스틸로 자동차의 한계를 뛰어넘다!

지금부터 소개할 “기가스틸(Giga Steel)”은 이렇게 까다로운 목적들을 충족시키기 위해 포스코가 탄생시킨 새로운 개념의 소재로, 다른 경량 소재와 비교해 더 나은 효율성을 지닌 소재입니다.

그런데 왜 기가스틸이라고 하는 걸까요? 하드디스크에서 1000Mb를 1Gb라고 표현하죠? 기가스틸의 기가(Giga)도 같은 의미입니다. 인장강도가 1000메가 파스칼 이상의 철을 의미하기 때문에 기가스틸이라 이름 지어진 것이죠. 다음의 설명을 들어보면 기가스틸에 대해 좀 더 쉽게 이해할 수 있을 것입니다.

 “가로 세로 1센티미터의 철판 위에 약 10톤의 무게를 올려도 변형이나 파괴가 없는 철”

허나 이렇게 높은 강도를 지니고 있다고 해도 무게가 무겁다면 아무런 소용이 없습니다.  기가스틸이 가지고 있는 또 하나의 특징은 바로 경량 소재로 될 만큼 가볍다는 점입니다. 이른바 ‘강하면서 우수한 성형성까지 갖춘 철!’이라 할 수 있겠네요. 그래서 두께를 얇게 해도 다른 소재만큼 강도를 낼 수 있어 차체의 무게까지 가벼워질 수 있는 것이죠.

그런데 지금까지 설명으로는 기가스틸이 알루미늄과 같은 다른 경량 소재와 크게 다르지 않아 보입니다. 그래서 지금부터 기가스틸만의 특별한 차별성을 좀 더 자세히 소개해드리겠습니다.

△ 이미지 출처 – Renault / 르노의 신개념 고효율 컨셉트카 EOLAB에도 포스코의 솔루션이 사용됐습니다.

우선 대표적인 경량 소재인 알루미늄과 비교해 기가스틸은 같은 면적에 3배 이상의 하중을 견딜 수 있기 때문에 두께를 1/3로 줄일 수 있어 차체를 가볍게 확보하는데 유리합니다.

강도를 증가시키면서도 두께를 얇게 할 수 있는 기술은 오랜 선행연구 끝에 얻은 결과물이죠.

기가스틸과 다른 경량 소재의 결정적인 차이점은 생산 과정에도 있습니다. 오늘날 자동차들이 경량화를 추구하게 된 배경 중 하나는 바로 이산화탄소 배출량의 감소인데, 소재 역시 생산 과정에서 탄소를 배출하게 됩니다. 그중 기가스틸은 다른 경량 소재에 비해 생산시 탄소 배출량이 현저히 낮다는 이점이 있습니다.

거기에 조립 과정에서도 다른 경량 소재처럼 용접이나 접착제의 사용에 있어 까다로운 조건을 요구하지 않는다는 특징이 있습니다. 이런 부분들은 결국 자동차의 생산 절차의 단순화, 나아가 생산 단가의 절감으로 이어지며 궁극적으로 합리적인 소비자 가격의 형성으로 이어집니다.

기가스틸의 이러한 특징을 잘 활용하고 있는 제조사 중 하나가 바로 쌍용자동차입니다.

△ 이미지 출처 – 쌍용자동차

쌍용 자동차는 최근 Y400이라는 대형 SUV 컨셉트카를 발표했는데, 이 차는 근래 SUV 중에서도 보기 드물게 프레임 섀시(Chassis)를 이용하고 있습니다. 프레임* 섀시는 구조적 강도가 높아 안전하고 SUV같은 험로 주행용 차량에 적합하지만 문제는 무게가 무거워 연비가 떨어진다는 지적이 있었고, 그래서 최근에는 대부분 상대적으로 구조적 무게가 가벼운 모노코크* 섀시를 많이 사용해 왔습니다. 쌍용 자동차는 프레임 섀시가 가지는 이점을 유지하면서 동시에 무게를 줄여 연비를 높이고자 포스코와 함께 1.5GPa급 기가스틸의 활용을 연구하고 있습니다.

이 외에도 아주 다양한 자동차 제조사들이 포스코의 기가스틸을 활용할 방법을 함께 모색해가고 있습니다.

△ GM 쉐보레 역시 포스코와 함께 점점 까다로워지는 한계를 극복하고자 하는 파트너입니다.

여기서 우리가 알 수 있는 포스코 기가스틸의 가장 큰 이점은 바로! 단순히 소재만 공급하는 것이 아닌, 복잡한 차체와 섀시 구조에 맞게, 그리고 다양한 요구에 맞게 소재에 관한 명쾌한 솔루션을 함께 제공한다는 것입니다. 소재에 관해 가장 잘 알고 있는 사람은 결국 그 소재를 만든 사람이니까요. 지금 이 순간에도 다양한 제조사들이 포스코와 함께 기가스틸을 두고 어떻게 섀시와 차체에 적용할지 고민하고 있습니다.

인류는 언제나 한계에 봉착했을 때 새로운 답을 찾아왔고, 이를 통해 발전해 왔습니다. 한계는 인류의 발전의 원동력이며 동시에 인류가 만든 기술 발전의 근원이기도 합니다.

산업사회의 꽃이라 불리는 자동차도 마찬가지입니다. 자동차가 등장한지 120년. 그동안 자동차 산업은 힘의 논리에 의해서, 때로는 환경적 요구에 의해서 그리고 안전 기준 강화라는 한계에 부딪혀왔죠. 그리고 매번 높은 벽을 극복하면서 오늘날에 이르렀습니다.