[EBN=김민철 기자] 좋은 기술과 소재가 좋은 자동차를 만든다. 그 중 철강재는 자동차의 꽃이자 뼈대다. 자동차 강판은 외관상 아름답기도 하지만 기술적으로도 가장 높은 품질 수준을 갖춰야 한다. 현재까지 가장 저렴하면서 자동차가 요구하는 모든 품질을 만족시켜 주는 소재는 철강이 유일하다. 알루미늄 등 경금속과 플라스틱 등의 거센 도전 속에서 매년 발전을 거듭하고 있는 자동차강판에 대해 3회에 걸쳐 알아본다.<편집자 주>

철강의 꽃이라고 불리우는 자동차 강판은 더 좋은 물성과 더 미려한 외관을 위해 지금도 진화를 계속하고 있다.

자동차용 강판은 자동차 부품별 요구특성을 만족시키기 위해 강판의 화학성분 및 공정별(제강~열연~냉연) 핵심 요소 기술을 조합해 만든 제품으로 제철소에서 생산되는 제품 중 가장 엄격한 품질관리가 이뤄진다.

◇ 자동차 적용 소재 현황

일부 철강 전문가들은 현재 철강은 모든 성능을 100%까지 끌어 올린다는 전제 하에 60% 정도를 사용하고 있다고 평가하고 있다. 기술개발을 통해 앞으로도 절반 가까이를 개선할 수 있는 셈이다.

이를 위해 선두에 선 신일본제철이나 티센크룹이 달려가고 있다면 포스코와 현대제철은 더욱 잰 걸음을 놓으며 이들을 추격하고 있다.

특히, 자동차강판은 국내 관련 기술개발과 자동차사와의 협력관계 등이 크게 확대되고 있는 만큼 향후 빠른 시일내에 선진국 반열에 오를 수 있을 것으로 보고 있다.

자동차업체 역시 환경 규제에 따라 유해원소 저감(Pb(납), Cr(크롬)), 연비 향상은 물론 안정성을 위해 고강도, 고내식성 등이 요구되고 있다. 또한 내구성을 향상 차원의 고강도 강판의 다량 사용과 비용절감 차원의 재료비 절감이 동시에 요구되고 있다.

결국, 철강사에 대한 자동차업체들의 요구사항이 커지고 있는 상황이다. 따라서 철강업계는 경량화를 요구에 대응하는 한편 초고장력강 개발, 고장력강 적용 확대를 실시하고, 원가 절감 요구에 따른 제품단순화 및 고성형강판 개발 등의 방향으로 기술을 진화시켜나가고 있다.

또한 고기능화를 위해 고선영강판을 개발하고 고내식성강판, 제진강판 등을 만들어 내고 있으며 환경친화 요구에 따라 Pb, Cr-Free 강판, 재활용 용이화를 위해 연구하고 있다.

- 자동차 강판 생산 20년..기술력 선진국과 어깨 나란히
현재의 자동차강판은 일반적으로 자동차의 생산 프로세스(Process) 및 완성차 필요(Needs)에 따라 자동차의 각 부위(Part)별로 서로 다른 특성이 요구돼 가공성(성형성, 내시효성, 형상동결성), 외관품질(무결함,도장성), 방청성, 용접성, 내충격성 등이 별도로 관리돼야 한다.

국내 자동차 강판 개발은 포스코 광양제철소가 준공되면서 부터 시작했다고 할 수 있다.

포스코가 광양에 자동차 강판공장을 세운 것은 지난 1987년. 지금으로부터 23년 전이다. 하지만 처음에는 문제점 투성이였다. 초창기인 1990년대에는 겨울 고속도로 결빙 방지를 위해 뿌려진 염화칼슘을 견뎌낼 수 있는 고급강판 생산마저도 힘들었다.

당시, 자동차 회사들은 염화칼슘에 대한 내식성이 뛰어난 강판을 원했기 때문에 포스코는 반드시 이 숙제를 풀어야 했다. 1990년대 초반 포스코는 드디어 전기의 반응을 이용한 아연 도금기술을 획득하면서 염화칼슘에 부식되지 않는 강판 개발에 성공한다.

하지만 이번엔 다른 문제에 봉착하게 된다. 이 방법을 이용한 차 강판은 품질은 훌륭했지만 생산원가가 너무 비싸다는 단점이 있었다.

◇ 자동차 부품도

포스코는 1990년대 중반들어 용융된 아연을 냉연강판이 통과하면서 자연스럽게 코팅이 되는 용융아연도금강판 생산에 성공해 저렴하면서도 생산성 높고, 품질까지 우수한 차강판을 만들어 내게 된다.

특히 1990년대 말에 접어들면서 포스코는 용접성이 우수한 합금아연도금까지 생산하기 시작하면서 명실상부 글로벌 시장을 향한 본격적인 도약의 날개를 펼쳤다.

포스코가 도요타에 납품하는 강판은 합금화 용융아연도금강판(GA) 첨단 고강도강(AHSS) 내판이다.

이런 재질의 강판을 만들 수 있는 철강사는 전세계에 모두 20여군데에 지나지 않는다. 철강사간 우열을 가리는 요소는 생산 속도와 가격이다. 포스코의 생산 속도는 140mpm(분당 미터)으로 경쟁사들보다 훨씬 빠르다. 값도 신일철 등과 비교하면 상대적으로 싸지만 품질은 거의 같다. 기술도 최고 수준에 도달했다.

현대하이스코 역시 지난 1999년 순천에 공장을 처음 설립하면서 자동차강판에 대한 개발에 나섰다. 포스코와 일본 고로업체들에게서 각종 열연을 구매해 고장력강판 및 표면처리강판 개발하기 시작했다.

2004년에는 자동차용 GA(합금화용융아연도금강판) 외판재 제조기술 개발을 통해 KT마크 획득했으며 울산 연구개발팀 설립해 고부가가치 강관 및 하이드로포밍, 핫스탬핑 기술 개발에 성공했다.

또 지난 2005년 당진 연구개발팀을 설립해, 자동차용 고장력강판 및 표면처리강판 개발에도 성공했으며 지난 2007년에는 당진에 철강종합연구소를 설립해 본격적인 차강판 개발에 나섰다.

현대하이스코는 현대제철과 연계해 자동차용 고장력강 개발에 나설 방침이며 자동차를 구성하는 다양한 종류의 강판에 대한 개발을 진행중이다.

이렇듯, 국내 철강사들의 차강판 개발에 대한 노력으로 이제는 세계 최고로 꼽히는 신일본제철이나 티센크룹과 대등하거나 큰 차이가 없을 만큼 기술력이 높아진 상황이다.

- 차강판의 진화..개발 현황
이제는 기존 차강판과 차별화된 보다 진화된 물성을 갖춘 강판 개발이 추진되고 있다. 새로운 강판 제조 기술과 함께 경량화 기술을 살펴본다.

▲ GA 외판재 : 자동차의 차체 방청을 위해 강판 표면에 합금화용융아연도금(GA) 처리를 해 강판 수명을 연장시킬 수 있다. 특히 자동차용 외판재는 철강의 꽃이라고 할 수 있는 고부가가치 강판으로, 어떤 표면결함도 용납되지 않는 까다로운 제품이다.

최근에는 여기에 강판의 강도도 향상된 제품을 요구하고 있다. 포스코가 지난해 8월 세계 최초로 자동차 외판용 590㎫(메가파스칼)급 합금화용융아연도금강판을 개발했다.

단위면적당(㎟) 최고 60㎏의 하중을 견딜 수 있는 이 제품은 기존 자동차 외판용으로 주로 사용해 온 340㎫급 강판에 비해 강도가 70% 이상 향상돼 기존 제품보다 강판두께를 줄이면서도 찍힘저항성이 우수한 장점을 갖고 있다.

실제로 자동차 외판 중 하나인 후드(Hood)부품 가공 결과, 성형성과 표면 외관이 우수했으며 강판두께를 0.7㎜에서 0.55㎜로 줄일 수 있어 20% 정도의 경량화 효과가 기대된다.

▲ 소부경화형 고장력강(BH 강판, Bake Hardening) : 외판용으로 주로 사용되는 강판으로, 차량 외부에서의 국부적인 충격으로 인한 찍힘 현상(덴트)을 방지하기 위해, 자동차 도장공정시 강판의 강도가 상승하는 제품을 말한다.

▲ DP강(Dual Phase Steel) : DP강은 성질이 다른 두가지 조직을 포함한 강을 말한다. 즉 페라이트와 마르텐사이트의 2가지 조직을 가지고 있는 강판을 말한다. 연성이 우수한 페라이트와 강도가 우수한 마르텐사이트의 혼합비율에 의해 강도와 연성을 결정할 수 있다.

냉각과정에서 마르텐사이트 변태시 주변 페라이트에 전위 다수 발생하는데 저(低)항복강도, 연속항복거동, 지시효성이 확보된다. DP강은 우수한 강도 및 연성을 가진다.

▲ TRIP강(Transformation Induced Plasticity) : TRIP강은 탄소, 실리콘, 망간을 첨가해 강도와 연신율을 동시에 확보한 강을 말한다. 조직은 잔류 오스테나이트를 함유한 강(5~10%)으로 가공중에 소성유기변태가 일어나면서 연성이 향상된다.

▲ TWIP강(Twinming Induced Plasticity) : TWIP강은 일반강에 망간을 첨가해 연신율을 높인 철강을 말한다. 지난해부터 포스코는 자동차용 TWIP(Twinning Induced Plasticity)강 양산공급 서두르고 있다. TWIP강은 일반적으로 철강제품은 강도가 높으면 가공성이 떨어지는데 비해 초고강도 수준에서 최고 수준의 가공성을 가지는 제품이다.

이같은 특성을 이용해 가공이 어려운 복잡한 형상의 자동차 부품을 동 강종으로 제조함으로써 연비향상을 위한 차량 경량화는 물론, 차량 충돌시 안전성을 향상시킬수 있는 강점이 있다.

현재 포스코는 일본, 유럽의 주요 완성차 및 부품 업체와 자동차 구조재 용도로 TWIP강 채용을 추진하고 있으며 이에 필요한 차체 내구성등 각종 테스트를 진행하고 있다. TWIP강은 포스코가 원천기술 특허를 보유하고 있으며 유럽의 메이저 철강사인 아르셀로미탈과 티센크루프도 포스코의 TWIP강과 같은 고연성 제품개발에 주력하고 있는 것으로 알려져 있다.

▲ Q&P 등 차세대 고강도 고성형성 강판 : 기존 강판은 강도가 큰 경우 연신율이 떨어져 복잡한 형상의 부품을 제조하는 데 한계가 있었다. Q&P강 등의 차세대 고강도 고성형성 강판은 고강도와 고성형성을 동시에 만족시켜 복잡한 형상을 갖는 고강도 부품 제조가 가능하다.

▲ TWB강판(Tailor Welded Blanking) : TWB란 두께 또는 강도가 서로 다른 강판을 적절한 크기와 형상으로 절단한 다음, 용접에 의해 연결한 강판을 프레스 가공에 의해 원하는 형태의 부품으로 가공하는 기술을 말한다. 치수 정밀도 향상은 물론 충돌특성 향상되는데다 경량화가 가능해 일체 성형시 비용절감이 가능하다.

또한 자동차 공정을 단순화할 수 있고, 소재 손실(loss)가 적으며, 부품 부위별 다양한 강도·두께를 나타내 자동차 경량화에 기여할 수 있다.

▲ 하이드로포밍(Hydroformin) : 하이드로포밍은 강관 형태의 소재를 금형에 넣어 관 내부에 강한 수압을 가해 원하는 형상대로 최종 제품을 제조하는 기술이다. 하이드로포밍의 장점은 용접부가 없어 중량 감소가 가능하고, 관 형태의 제품을 짧은 시간에 제조할 수 있으며, 강한 수압을 사용해 우수한 치수 정밀도를 가진다는 점이다. 또한 용접 등을 거치지 않기 때문에 내구성과 내식성도 좋아진다.

▲ 핫스탬핑(Hot Stamping) : 핫스탬핑은 특별히 설계된 합금강을 950℃의 고온으로 가열 후 금형에 넣어 가공하고 금형 내에서 냉각해 초고강도 부품을 제조하는 기술을 말한다. 핫스탬핑의 장점은 인장강도 150kg/㎟ 이상의 초고강력강을 복잡한 형태로 가공할 수 있으며, 우수한 치수정밀도를 갖는다는 점이다.

▲ IDHS(InDirect Hot Stamping) : IDHS강은 기존 핫스탬핑 공법과 달리, 1차 성형을 한 반제품을 핫스탬핑 적용하는 기술이다. IDHS를 통해 생산성 향상 등의 장점이 발생한다.

▲ 비선형 TWB : 기존의 TWB가 직선 형태의 레이저용접을 적용했던 것에 비해, 비선형 TWB는 다양한 형태의 레이저용접을 적용하는 기술을 말한다.

비선형TWB기술을 통해 부품의 성형성 향상, 용접선의 외부 노출 방지 등의 장점을 얻을 수 있다.

▲ TWB+핫스탬핑 : 이 공법은 TWB를 적용한 부품에다 핫스탬핑을 통해 부분적으로 초고강도를 갖는 부품을 제조하는 기술이다. 이를 통해 핫스탬핑 부품에 대한 경량화가 가능해진다.

- 자동차업체와 협력 확대
독일의 티센크룹과 일본의 신일본제철이 자동차강판 부분에서 최고의 업체로 꼽히는 것은 이들 국가들에서 자동차 산업이 차지하는 비중과 생산이 세계 최고 수준이기 때문이다.

결국 이들 국가들의 철강사들과 자동차회사들의 상생협력이 현재의 위치를 담보해냈다.

◇ 자동차 조립 공정

포스코는 현재 15개 글로벌 자동차사에 자동차강판을 공급하고 있다. 현대자동차 그룹은 세계 빅 5의 자동차 회사로는 유일하게 철강에서 자동차까지의 일괄 라인을 보유하고 있다.

현재 자동차 시장은 급격하게 변화하고 있다. 중국 등 신흥시장의 성장과 소형차 강세, 자동차의 패러다임이 변화 등을 들 수 있다.

이미 자동차 강대국으로 부상한 중국의 시장 규모는 2020년 3천만 대를 돌파해 세계 판매의 30%를 초과하는 시장으로 성장할 것이고, 인도도 600만 대 이상의 규모로 성장할 전망이며 세계 자동차시장은 소형차 중심으로의 재편이 심화되고 있다.

이제는 자동차업계에도 전환기를 맞았다. 자동차의 패러다임이 변화하고 있기 때문이다. 에너지원이 석유에서 전기로, 구동방식도 엔진에서 모터로 변화하고 있다.

보급 속도와 보급률은 기술, 경제성, 환경규제 강도 등에 따라 매우 유동적이지만 이미 하이브리드차는 성장기에 진입했고, 전기차도 도입기에 진입했다는 평가다.

이에 따라 차세대 친환경차 주도권 확보 경쟁은 더욱 심화될 전망이다. 현재 하이브리드차 기술을 보유하지 못한 후발 업체들은 전기차에 집중하고 있다.

현재는 도요타, 폴크스바겐, GM, R·닛산이 500만 대 클럽에 가입돼 있지만 향후 포드, 현대·기아, 피아트·크라이슬러, PSA·미쯔비시가 가입할 것으로 예상되며, 중국 및 인도의 주요 로컬계 자동차사들도 강력한 내수기반을 바탕으로 급성장할 가능성이 매우 크다.

자동차강판 관련해서는 원가절감을 위해 강판의 현지조달을 확대하고, 비도금재의 사용비율을 늘릴 것으로 보인다.

이에 철강업계는 신흥국 시장에서의 자동차강판 생산기반 구축을 강화하고 있다. 대표적으로 중국과 인도 시장에서 주요 철강사들은 대대적인 자동차강판 생산설비 구축을 추진 중이다.

또한 설계부터 함께 참여하는 EVI(Early Vendor Involvement)활동 등이 지속적으로 늘어날 것으로 보인다.

소재 사용패턴의 변화에 대한 대응도 한층 강화될 전망이다. 대형차 대비 중소형차 비중이 확대되면서 원단위도 하락하고, 사용 강종도 냉연(CR)·산세(PO) 중심으로 수요가 확대될 것으로 보인다.

아시아 시장에서 중소형차 생산은 2020년까지 1천200만 대 증가가 예상되는 데 반해, 대형 차량 생산 증가는 287만 대에 그칠 전망이다.

철강 대체소재로서 알루미늄 등의 경량 비철금속과 플라스틱의 사용비중도 지속 증가할 것으로 보인다.

알루미늄 사용량은 1970년 대당 35㎏에서 2020년에는 전체 공차중량의 10.4%인 171㎏까지 확대될 것으로 예상된다. 일본의 고베제강은 2009년 알루미늄과 철의 용접기술을 개발해 EVI를 진행 중에 있다.

도요타는 2030년까지 차체 경량화 목표율을 50%로 설정하고 강판 공급사들에 같은 목표율을 제시했다. 이를 달성하기 위해 강도는 현재의 980㎫에서 2천㎫로 두 배 이상 증대돼야 하고, 두께도 1.0∼2.0mm에서 0.5∼1.0mm으로 축소돼야 한다.

포스코의 경우 해외 자동차메이커와 신차 공동개발 MOU를 체결하는 등 EVI 협력 강화하고 있다.

포스코는 올해 1월 그동안 강재와 함께 EVI 기술을 제공해 온 고객사인 이란 사이파사와 말레이지아 프로톤사의 신차 개발에 참여하기로 결정하고, 양사와 신차공동개발 양해각서를 체결했다.

사이파사는 이란의 자동차 최대 생산 업체로, 포스코가 고급강을 공급하고 이용기술도 지원하는 등의 기술협력을 지속해 왔다. 2006년부터는 양사 엔지니어 교류도 주기적으로 실시하는 등 포스코의 강재를 자동차에 최적으로 적용할 수 있도록 하는 EVI 교육 프로그램을 진행했다.

또한 프로톤사도 말레이시아의 자동차 최대 생산 업체로, 2000년 초부터 포스코가 EVI 활동을 실시해 왔다. 그 결과 프로톤사는 포스코의 신가공부품인 TWB와 하이드로포밍 부품을 신차에 적용하게 됐다.

또한 포스코는 지난해 10월 도요타에서 자동차 소재 전시회를 개최했다.

포스코는 혼다와 닛산에는 1994년부터, 도요타의 태국과 인도네시아 현지 공장에는 2000년부터 제품공급을 시작한 후 일본 자국생산 자동차 소재만을 사용해 온 일본 소재 도요타 공장에 제품공급 노력을 지속적으로 기울여 왔다.

지난해에는 도요타 구매담당자를 제철소로 초청해 포스코의 기술력과 생산제품의 품질을 직접 보여 주는 등 다양한 노력을 통해 마침내 올해 초부터 도요타에 자동차강판을 공급하기 시작했다.

포스코는 EVI 활동을 적극적으로 확대, 발전시켜 나가기 위해 지난해 11월 전 세계 자동차사가 진출해 있는 세계 최대 시장인 중국에서 EVI포럼도 개최했다.

또한 지난 2008년 10월에는 해외 고객사에 EVI 기술교육도 진행한 바 있다. 포스코는 광양 기술연구소에서 말레이시아 프로톤(Proton)자동차사 엔지니어들을 대상으로 EVI(Early Vendor Involvement) 기술 훈련 프로그램(Technical Training Program)을 진행한 것.

프로톤자동차사를 비롯해 말레이시아 주요 자동차부품사가 참가한 이번 교육에서 포스코는 고객사의 주요 관심사항인 자동차강판 개발현황, 강재 제조공정, 성형·용접 기술, 물성·성능·내구성 평가 등 다양한 고객지원 기술들을 소개하는 등 글로벌업체를 비롯한 다양한 자동차 회사들과 EVI활동을 펼치고 있다.

현대자동차 그룹 역시 현대제철을 중심으로 기술연구소를 만들어 차강판 개발에 나선 상황이다. 내부적인 일괄 라인을 구성했기 때문에 기술 개발 속도는 다른 철강사보다 빠를 것으로 보인다.

현재 현대제철, 현대하이스코, 현대차 등의 연구 인력 400여명으로 구성된 기술연구소는 고장력강을 응용할 수 있는 성형기술인 핫스템핑이나 하이드로포밍을 뛰어넘는 신공법 개발을 위해 전용 연구동을 하나 더 증축할 계획이다.

연구소 증축은 2011년까지 850억원을 들여 진행되며 완료시 박사급 연구인원이 450명으로 늘어난다.

어느 정도 예측 가능한 범위 내에서 현대차에 좋은 강판을 공급해 시너지를 발휘할 수 있다며 신강종 개발 및 이와 연동한 프로세스 융합을 진행하고 있다.

현대제철의 자동차강판 개발계획에 따르면 지난해까지 전기로 및 구매슬라브 제품을 포함해 43종을 개발했으며 올해 자체 슬라브가 생산됨에 따라 개발강종을 54종까지 늘릴 계획이다.

아울러 20011년 외판재가 양산되고 2012년 고성형 외판재, 2013년 초고강도강 신강종 개발을 통해 96종까지 확대할 방침이다.

현대제철은 올해 당진 1고로에서 나오는 열연 380만t 중 33%를 자동차 강판용으로 최우선 공급, 올해 특허출원 1천건을 목표로 하고 있다.