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포스코 소식/제품소식 2017.06.22 07:00

['기가스틸'의 기가 막힌 이야기] 3편. 철은 진화한다



우리가 일상적으로 타는 자동차는 늘 비슷했던 것 같지만 10년 전, 20년 전과 비교해 보세요. 디자인·기능 등 눈에 보이는 곳부터, 소재와 같이 보이지 않는 부분까지 진보된 기술로 무장하며 눈의 띄게 달라졌습니다.


특히 당연히 철로 인식되던 자동차 소재에 알루미늄 등의 사용이 늘면서 '소재 전쟁'이라고 불러도 좋을 만큼 연구가 활발히 이뤄지고 있는데요. 지난 시간 소개해 드린 다양한 기가스틸 제품도 지금 이 순간 더 발전된 모습으로 진화를 거듭하며 자동차의 미래를 그려가고 있습니다. 이번 편에서는 미래의 자동차를 현실로 앞당기는 차세대 기가스틸, PosM을 만나보겠습니다. 


△ 사진출처 - Daimler AG


처음으로 만들어졌던 자동차와 오늘날의 자동차를 비교해보면 빠른 속도는 물론이고 더 세련된 디자인에 더 튼튼하고 안전한 차체를 지니고 있죠. 아마 칼 벤츠(Karl Benz)가 요즘의 자동차를 봤다면 턱이 땅에 닿을 정도로 놀랄 것입니다. 이러한 자동차 발전의 원동력은 철의 발전에 있었다고 해도 결코 과언이 아닙니다. 철은 자동차 발전에 있어 절대 빼놓을 수 없었고, 앞으로도 빼놓을 수 없는 중요한 요소일 것입니다. 


그러나 최근 철의 대체 소재임을 표방하며 다양한 소재들이 양산차에 적용되고 있습니다. 대표적인 소재가 바로 알루미늄, 그리고 새로운 소재로 떠오른 CFRP (Carbon Fibre Reinforced Plastic·탄소 섬유 강화 플라스틱)와 같은 복합소재입니다. 


△ 사진출처 - Daimler AG


특히 알루미늄은 1930년대부터 이미 경주용차의 경량 소재로 사용됐는데, 초기에는 외판으로 많이 쓰였습니다. 메르세데스 벤츠의 경우 경주 당일 규정된 무게를 통과하지 못해 흰색 페인트를 벗겨내면서까지 경량화에 집착했는데, 당시 드러난 알루미늄 차체 때문에 실버 애로우라는 별명이 붙기도 했죠. 하지만 당시에는 오늘날과 같은 강화된 안전의 개념이 부족했던 시절이어서 사고가 나면 거의 대부분 죽거나 다치기 일쑤였습니다. 


그래서 경주용차 설계자들은 크롬 몰리브덴 강을 소재로 한 튜블라 프레임(Tubular Frame) 등을 사용해 구조적으로 강성을 보강하고 운전자의 신체와 생명을 보호하는 방법들을 연구했으며, 그 덕분에 사망률은 점차 낮아질 수 있었죠. 

 

△ 사진출처 - Mclaren Automotive


그러다 1970년대로 접어들면서 항공우주 산업에 적용된 CFRP가 포뮬러1에 등장했고, 이후 경주용차 설계자들이 이 소재의 잠재적 가치를 알아보고 빠르게 접목해 나간 끝에 오늘날의 경주용차들은 CFRP를 사용하는 것을 당연하게 여기게 됐습니다. 




△ 사진출처 - Audi AG


이렇게 모터스포츠 분야에서 새로운 소재들이 빠르게 선행 연구되면서 양산차 시장에서도 변화가 일어났습니다. 2000년대 초, 아우디가 차체 전체를 알루미늄으로 제작한 A2와 A8을 통해 알루미늄 차체를 선보였을 때 오직 알루미늄만으로 자동차를 만들 수 있다는 사실에 수많은 사람들이 놀랄 수밖에 없었습니다. 


그리고 2015년, 그간 극소수의 자동차에만 적용됐던 CFRP가 BMW의 대형 세단에 처음 접목됐을 때 사람들은 다시 한번 놀랄 수밖에 없었습니다. 그리고 차체에 쓰이던 철을 알루미늄과 CFRP가 대체하며, 철은 그렇게 시대의 흐름에 어쩔 수 없이 그 자리를 내줄 것 같아 보였습니다. 

 

△ 사진출처 - Audi AG / 최초로 차체 전체를 알루미늄으로 제작한 대형 세단이였던 Audi A8 


하지만 감히 철의 종말이라고 부르던 수많은 사람들이 한가지 간과하고 있는 것이 있었습니다. 철은 항상 발전한다는 사실입니다. 분명 알루미늄과 CFRP는 철을 대신할 수 있는 소재이기도 하며, 소재 자체만 비교하면 철보다 가벼운 소재인 것도 사실입니다. 


△ 사진출처 - Jaguar Landrover


그러나 이 소재들이 가지고 있는 몇 가지 단점들은 여전히 철이 가장 효율적일 수밖에 없음을 확인시켜 줍니다. 우선 알루미늄의 경우, 소재가 가진 비중은 분명히 철보다 가볍지만 알루미늄의 강도는 철보다 작기 때문에 차체의 강성을 유지하기 위해서는 불가피하게 두께가 두꺼워져야 하고, 다른 소재들과 함께 사용되어야만 합니다. 결국 가볍다는 알루미늄의 가장 큰 장점을 100% 활용할 수 없는 것이지요. 특히 적용 대상이 자동차라면 내구성이나 안전성, 생산성 등 고려해야 할 부분들이 더 많을 수밖에 없습니다. 

 

△ 사진출처 - Jaguar Landrover


또한 알루미늄은 용융점이 낮고 산화피막이 쉽게 생성되기 때문에 용접을 방해해 제대로 용접되기 어렵습니다. 열전도율 또한 매우 높아서 용접시 발생하는 열이 전도되면서 소재가 가진 취성을 변화시키기도 해, 알루미늄 용접의 경우 철과는 다른 용접법을 사용하거나 혹은 리벳팅(Riveting : 두 개 이상의 판재를 서로 접합할 때 머리가 둥굴고 두툼한 버섯 모양의 굵은 못을 사용하여 접합하는 방법)이나 접착제로 이어붙이는 방법 등을 써야만 합니다. 


추가적인 문제도 남아 있습니다. 리벳팅 과정에서 완벽히 밀착되지 않으면, 틈새로 산화피막이 형성되면서 시간이 지나 피로파괴를 유발할 수 있으며, 접찰제로 이어붙일 경우 충돌 에너지가 전달되었을 때 접착면을 따라 파단되는 현상도 일어납니다. 그래서 이런 문제들을 해결하면서 내구성을 높이고, 차체의 무게를 줄이며 보다 튼튼하게 만들려다 보면 기존의 철로 차체를 만드는 것에 비해 생산비용이 훨씬 증가할 수밖에 없습니다.

 

△ 사진출처 - BMW AG


1930~70년대까지 경주용차들이 알루미늄을 적극 사용할 수 있었던 것은 한두 경기만 사용하면 그만이었기 때문이며, 심지어 1960년대까지 경주용차와 스포츠카에 적용된 알루미늄은 모두 사람이 손으로 두드려 만들고 리벳으로 접합했기에 제작이 가능했지, 대량 생산 체제에 적용하기에는 어려운 소재였습니다. 지금도 가격 문제와 기술적인 문제로 사용하기 까다로운 소재이죠. 


△ 사진출처 - Mclaren Automotive / 멕라렌 MP4/1은 세계 최초로 CFRP만으로 차체를 구성한 경주용차입니다.


철보다 더 가볍고 강하다고 알려진 CFRP는 또 다른 문제들을 안고 있습니다. 최근 들어 대량 생산체제가 갖추어지고 있기는 하지만 여전히 CFRP로 자동차의 차체나 외판을 만들기 위해서는 철보다 훨씬 더 긴 제작시간(1개의 제품이 생산되기까지 허용된 시간)이 필요합니다. 단일 제품의 제작시간이 길다는 것은 그만큼 생산 시간이 많이 소요된다는 뜻이며, 이는 곧 더 많은 시간, 인적 비용이 소요되어야 함을 의미합니다. 


또한 가장 큰 문제는 바로 재활용이 불가능하다는 점입니다. 최근 보잉과 BMW가 연구를 시작하기는 했으나, 철이나 알루미늄처럼 완전히 녹여서 새로운 생명을 얻게 하는 것은 근본적으로 불가능하다고 알려져 있습니다. 또한 제조 과정에 다양한 화학제품들이 투입되기 때문에 친환경적이라 보기도 어렵습니다. 


△ 사진출처 - BMW AG


게다가 CFRP의 핵심적인 소재 중 하나인 카본 파이버의 경우 여전히 생산량의 80%가량이 항공 분야에 집중 소비되고 있기 때문에 자동차 시장 전체로 보급되기까지는 많은 시간이 필요하며, 당연히 수요보다 공급이 부족하므로 가격도 철에 비해 훨씬 비싼 편입니다. 


자동차의 차체를 대체할 수 있을 것처럼 보였던 두 가지 소재들이 시간이 지나도 가지고 있는 단점을 완벽히 해결하지 못한 사이, 자동차 제조사들은 다시금 철로 눈을 돌리기 시작했습니다. 특히 알루미늄 차체를 자사의 강점으로 삼았던 아우디가 최근 새로운 대형 세단의 차체에 필요한 소재로 철을 다시 채택했다는 것은 시사하는 바가 매우 크다 할 수 있습니다. 뿐만 아니라 다른 대형 자동차 제조사들 역시 여전히 철을 가장 핵심적인 소재로 사용하고 있죠. 


△ 사진출처 - Audi AG /보라색 부분이 고장력 강판을 사용한 부분으로 아우디는 기존의 풀 알루미늄을 포기하고 고장력 강판을 도입하기 시작했습니다. 


이렇게 다시금 눈을 돌리게 된 것은 단순히 단점을 보완하는 차원이 아닌 두 마리, 세 마리 토끼를 한꺼번에 잡고 거기에 가격 경쟁력까지 갖춘 초고강도 강판, 그러니까 포스코의 기가스틸과 같은 새로운 개념의 철강소재들이 등장했기 때문입니다. 


특히 포스코는 차체의 크기부터 구조, 적용 부위 그리고 판매 가격에 맞게 다양한 기가스틸을 확보하고 있으며, 이는 지난번에도 제품별로 소개 드린 바 있습니다. 


 

PosM 강은 크게 세 가지 콘셉트로 개발되고 있습니다. 가공성(Elongation)에 초점을 맞춘 ‘E시리즈’, 강도(Yield Strength)에 특화된 ‘Y시리즈’ 그리고 둘의 장점을 반씩 혼합한(Balance) ‘B시리즈’가 그것입니다.


 


 


△ PosM 강의 ‘E시리즈’ 적용 부위


‘E시리즈’는 오랫동안 세계 유수의 철강 회사들 사이에서 꿈의 소재라고 불렸으며, 이론적으로만 가능한 것으로 여겨졌던 소재입니다. 자동차 차체에서 요구하는 두 가지 까다로운 조건, 즉 강도와 가공성을 모두 충족시킬 수 있었으니까요. 


E시리즈는 기존 소재 대비 2~ 9배의 가공성을 가지고 있는 것으로 알려져 있을 뿐만 아니라, 충격을 흡수하는 능력이 매우 뛰어나 충돌 시 충격을 흡수 분산시키는 엔진룸 부품에 쓰일 경우 안전성을 비약적으로 강화할 수 있습니다. 


그러나 위에서 언급한 것처럼 수많은 철강 회사에서 연구를 거듭했지만, 이를 완성시키지 못했습니다. 그만큼 생산이 까다로웠기 때문입니다. 하지만 포스코가 최초로 이 소재를 개발, 2008년 이후부터 제품을 생산하여 판매하기 시작했죠.



 



△ PosM 강의 ‘Y시리즈’ 적용 부위


다음으로 ‘Y시리즈’는 형태가 변형되기 직전까지 버티는 힘을 뜻하는 항복강도가 상당히 높아서 특히 승객을 보호하는 구조물에 사용됩니다. 예를 들면 충돌 시 승객룸의 변형을 막아주는 필러류 부품들이 여기에 해당됩니다.


마지막으로 ‘B시리즈’는 E시리즈와 Y시리즈의 중간 특성을 가지고 있는 강입니다. 기존 기가스틸인 HPF보다 더 간소화된 공정인 냉간성형으로도 성형이 가능한 최고의 소재 중 하나로, 가공이 쉽다는 것은 그만큼 복잡한 형태로 제작이 가능하며, 그에 따른 가공비용이 적게 든다는 뜻이지요.


철강재로써 이처럼 가공성과 강도 두 가지 측면을 모두 만족시킬 수 있는 제품은 지금까지 거의 없었습니다. 

 


이렇게 기존 기가스틸보다 한층 향상된 성능의 차세대 기가스틸인 PosM으로 인해 철은 자동차를 구성하는 핵심적인 소재로 다시금 두각을 드러내고 있습니다. 또한 포스코의 기가스틸은 아주 빠른 속도로 발전하고 있으며, 초고강도강판 시장의 트렌드를 선도하고 있습니다. 


△ 사진출처 - Renault


뛰어난 가공성과 더불어 같은 두께의 알루미늄보다 3배 이상 강한 인장 강도를 지니고 있으며, 동시에 보다 더 합리적인 비용으로 생산할 수 있기에 앞으로도 기가스틸은 수많은 자동차 회사들의 주목을 받을 수밖에 없습니다. 자동차 시장의 현재이자 미래인 전기 자동차에서도 기가스틸은 매우 중요한 소재로 쓰일 것입니다. 


배터리가 가진 한계를 극복하고 더 먼 거리를 달리게 해 줄 경량 소재로써 그리고 더욱더 강화되는 안전 기준에 부합하는 더 안전한 차체를 만드는데 활용될 것입니다. 



또한 다른 소재에 비해 더 경제적이고 깨끗한 생산과 더불어 보다 더 쉽게 재활용된다는 강점은 친환경 자동차 시대에 반드시 필요한 조건이 아닐 수 없습니다. 따라서 철은 자동차가 존재하는 한 가장 중요한 소재로 여겨질 것입니다. 이미 다양한 제조사들이 철을 중심으로 알루미늄, 마그네슘 그리고 카본 컴포지트를 복합적으로 사용하는 하이브리드 차체에 관심을 돌리고 있으니까요. 앞으로 기가스틸과 같은 철이 발전을 거듭한다면 다른 소재들을 다시금 대체할지도 모릅니다. 


점점 더 까다롭고 복잡해지는 환경의 변화 속에서도 이렇게 자동차는 여전히 철과 함께 미래로 향하게 될 것입니다. 그리고 그 중심에 분명 기가스틸이 자리하게 될 것입니다. 






자동차를 통해 바라본 기가스틸 이야기(3편) 어떠셨나요?

 

철에서 알루미늄, CFRP 그리고 다시 포스코의 기가스틸로 

변천해 온 자동차 소재의 역사를 중심으로 살펴봤는데요. 


다음 편은 '기가스틸'의 기가 막힌 이야기 4편, 

마지막 이야기로 돌아올 테니 많은 관심과 응원 부탁드립니다! :)


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  1. 질문드립니다. 2017.06.26 20:53 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    안녕하세요 유익하고 새로운 내용 잘보았습니다.
    내용대로라면 기가스틸은 꿈의 소재고 여러 분야에도 응용이 가능할것으로 생각되는데요
    몇가지 궁금한것이 있어 질문드립니다.
    1. 기가스틸은 알루미늄소재 및 CFRP와 비교하면 제품자체의 우수성(강도 및 무게 등) 뿐만아니라 가격경쟁력에서도 우위를 점하고 있는데요 그렇다면 기가스틸이 가지고 있는 단점은 무엇이 있는지요?
    2. 기가스틸의 여러장점에도 불구하고 현재 이를 채용하고있는 기업은 쌍용, 쉐보레 정도로 매우 적은데요 이것은 무엇인지 궁금합니다. 가령 제품홍보가 덜되어있다든지 이유가있을텐데 말입니다.
    3. 기가스틸은 기차나 비행기등 다른분야에 적용이 된다면 강점이 될수있는지? 만약 그렇다면 왜 자동차분야에 중점을 두는것인지?

    궁금한점 적어보았는데 답변을 얻을수있다면 제게 크나큰 기쁨일것같습니다.
    감사합니다.

  2. 질문이요! 2017.09.15 09:57 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    기가스틸에 대해 굉장히 관심이 많습니다. 그런데 궁금한 부분이 있습니다. 기가스틸이 알루미늄 보다 같은 두께대비 약 3배의 강도를 지닌다고 하셨는데 무게대비 강도는 어떻게 돼는 겁니까? 알루미늄4개가 기가스틸1개의 강도와 비슷할 때 그 무게가 알루미늄 4개가 더 가벼우면 여전히 경량화에는 한계가 있을 것으로 보입니다.

    • Favicon of http://blog.posco.com 포스코 블로그지기 2017.09.18 13:17 신고  댓글주소  수정/삭제

      안녕하세요! ^^먼저, 저희 블로그 기가스틸 콘텐츠에 관심 가져주셔서 감사합니다.
      더불어 문의주신 사항에 대해 답변을 드리면, 우선 철강은 알루미늄보다 가격경쟁력이 우수할 뿐만 아니라
      강도가 3배 이상 강한 기가스틸이라면, 경량화 측면에서도 같은 강도의 알루미늄 대비 우수한 성능을 낼 수 있는데요.

      다시말해, 알루미늄은 비중이 철의 3분 1 정도로 작아 자동차의 무게를 줄일 수 있지만,
      강도가 철강 소재보다 낮기 때문에, 기가스틸을 적용하면 알루미늄보다 얇은 소재로 강도가 높은 가벼운 자동차를 만들 수 있습니다.

      궁금하신 점을 해결하는데 도움이 되셨길 바라며,
      앞으로도 Hello, 포스코 블로그에 많은 관심 부탁드립니다! :)
      좋은 하루 보내세요!^^

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