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

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.

– 기가급 초고강도 차강판 · 자동차외판 생산 경쟁력 강화
– 900억 원 투자··· WP제품 생산 확대에 안정적 대응 기대

광양제철소가 1월 16일 자동차강판 생산공장인 3냉연공장의 설비를 최신 설비로 재탄생시키며 자동차강판 전문 제철소로의 경쟁력을 한층 강화했다. 광양제철소는 지속 증가하는 초고강도차강판(AHSS) 및 자동차 판매 수요에 선제적으로 대응하고자 이번 합리화 공사를 했다.

1992년 가동에 들어간 3냉연공장은 작년까지 누적 4900만 톤의 냉연제품을 생산해 왔으나, 설비 노후 등으로 인해 기가급 초고강도강판은 생산하지 못했다. 광양제철소는 치열해지는 자동차강판 시장에서의 경쟁력을 높이고자 이번 합리화 사업에 약 900억 원을 투자했다.

작년 10월부터 3개월간 진행한 이번 합리화 공사는 기가급 초고강도강판과 자동차외판의 생산 증대를 가장 큰 목적으로 했다. 기가급 초고강도강판은 자동차 내부 뼈대인 프레임에 사용되며, 자동차외판은 차량 문이나 보닛(bonnet) 등 외부에 노출되는 면에 쓰인다.

이번 합리화를 통해 3냉연공장은 기가급 초고강도강판을 연 3만 톤 생산할 계획이며, 오는 2020년에는 생산량을 연간 10만 톤까지 확대할 계획이다.

아울러 한층 고도화된 설비를 통해 자동차외판 생산량 역시 작년 대비 50% 이상 늘려 나갈 예정이다. 이를 통해 광양제철소는 자동차강판 등 주력 WP제품 생산 확대에 안정적으로 대응할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이날 3냉연공장에서 열린 합리화사업 준공식에는 김학동 광양제철소장을 비롯해 설비공급사 대표 등 150여 명이 참석해 스위칭(switching) 세레모니를 한 뒤 새롭게 탄생한 3냉연공장 설비를 둘러봤다.

김학동 광양제철소장은 준공 기념사에서 “이번 공사를 통해 3냉연공장은 WP제품 생산 능력을 강화함으로써 포스코의 미래경쟁력을 한층 더 높이는 데 기여했다. 3냉연공장에 몸담고 있는 모든 포스코패밀리 구성원이 세계 최고를 지향하는 마음으로 끊임없이 노력해 포스코 미래 50년을 위한 중추적인 역할을 해주길 기대한다”고 말했다.

한편 광양제철소는 3냉연공장 합리화 사업 준공 후에도 설비고도화를 지속 추진할 계획이며, 이와 동시에 사물인터넷(IoT), 빅데이터, 인공지능(AI) 등 4차 산업혁명 기술을 활용한 스마트팩토리 구현으로 ‘Strong & Smart 제철소’ 실현을 앞당길 예정이다.

이수연 sutje@posco.com

<자료·사진=광양행정섭외그룹>