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 찢어지기까지의 인장강도가 980MPa(1기가파스칼) 이상이어서 ‘기가스틸’이라 명명되었다.
즉, 가로 10cm, 세로 15cm의 손바닥만 한 크기에 약 1톤가량의 준중형차 1,500대를 올려놓아도 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.
