포스코가 그룹사의 역량을 총 결집하여 눈 앞에 다가온 미래차 시장 선도에 나선다.
포스코는 전기차 및 무인자동차 등 스마트카 시대에 발맞춰 자동차의 무게를 획기적으로 줄일 수 있는 기가스틸 및 마그네슘 강판, 전기모터의 효율성을 획기적으로 개선할 수 있는 친환경 최고급 무방향성 전기강판 Hyper NO.를 개발해 미래소재로써 철강의 영향력을 더욱 강화하고 있다.
또한 전기차 모터의 핵심인 모터코어(포스코대우 TMC사업부)부터 리튬이온배터리 소재(포스코, 포스코켐텍, 포스코ESM)까지 미래차를 구성하는 필수적인 요소들을 모두 공급할 수 있는 능력을 갖추고 Total Solution Provider로서 미래차 시대를 선도할 역량을 갖췄다.
포스코 그룹은 경량차체, 고효율 모터, 배터리 등 미래 자동차 시장에 필요한 소재를 종합적으로 공급하는 글로벌 서플라이어로써 자리매김 할 계획이다.
◆스마트카 시대와 함께 높아지는 자동차경량화 요구
지난 70년대 두 번의 오일쇼크를 거쳐 2000년대 들어 중국 등 신흥국의 경제성장과 함께 장기적인 유가상승이 이어지면서 까다로워지는 연비규제와 온실가스 배출규제 강화에 따라 자동차 경량화가 가속화되었고, 또한 전기차가 등장하면서 소비자들의 고연비에 대한 수요 또한 높아졌다.
’97년 교토의정서와 ’15년 파리협정 등을 통해 지구온난화의 주범으로 꼽히는 온실가스의 배출에 대한 규제가 강화되어 자동차 경량화가 본격화되고 전기차가 등장했다.
4차 산업혁명으로 자율주행차와 스마트카 등이 출현하면서 전기차가 오래 달리기 위해서는 더욱 큰 용량의 무거운 배터리를 사용해야 하므로, 관련업계는 차체를 가볍게해 주행거리를 늘릴 수 있도록 노력을 기울이고 있다.
◆경량화와 안전성, 두 마리 토끼를 한번에 '기가스틸'
포스코가 개발한 ‘기가스틸’은 1㎟ 면적당 100㎏ 이상의 하중을 견딜 수 있는 차세대강판으로, 양쪽 끝에서 강판을 잡아당겨서 찢어지기까지의 인장강도가 980MPa(1기가파스칼) 이상이어서 ‘기가스틸’이라 명명했다.
십원짜리 동전만한 크기에 10톤의 하중을 버틸 수 있다. 이는 약 1톤 가량의 준중형차 1500대를 가로 10cm, 세로 15 cm 의 손바닥만한 크기‘기가스틸’에 올려놓아도 견딜 수 있는 것이다. ‘기가스틸’을 자동차 소재로 적용하면 알루미늄 등 대체소재에 비해 경제성, 경량화는 물론 높은 강도로 안전성 측면에서 우수하고, 특히 가공성이 우수하기 때문에 알루미늄 부품보다 더 복잡한 형상의 제품도 만들 수 있다.
같은 면적과 두께 등의 동일한 조건에서는 철강재인 ‘기가스틸’이 알루미늄 소재보다 약 3배 정도 더 무겁지만 강도가 훨씬 높은 ‘기가스틸’을 적용하면 알루미늄보다 아주 얇은 소재를 사용하면서도 강도가 높은 가벼운 자동차를 만들 수 있다.
포스코는 알루미늄 등 대체소재를 적용한 차체보다 더욱 안전하고 가벼운 차체를 구현하기 위해 미래 철강소재 '기가스틸’을 개발하고, 이를 포스코 자체적으로 설계, 제작한 ‘PBC-EV’차체에 적용해 경량 철강소재로써 ‘기가스틸’의 가능성을 입증했다.
2012년 자체 개발한 차체에는 U-AHSS와 X-AHSS급 ‘기가스틸’과 초고강도강인 AHSS를 각각 45.4%, 65% 적용해 동일한 크기의 기존 차체 대비 중량을 약 26.4%(78kg) 줄여 218kg을 달성했다. 또한 이를 개량한 Extra Light 모델을 통해 총 30% 감량에 성공한 207kg짜리 차체도 개발했다.
‘기가스틸’을 채용한 PBC-EV는 가벼울 뿐만 아니라 구조적인 강성도 함께 갖췄다. 국제자동차안전표준에 포함된 7가지 충격시험과 4가지 강성시험의 요구사항을 만족시킬 수 있도록 설계되었다. 이는 자동차의 충돌 안전성을 평가하는 미국신차평가프로그램(NCAP)의 안전등급 별 5개와 동등한 수준이다.
또한 2013년 파리국제모터쇼에서 공개된 콘셉트카 이오랩에 트윕강(900TWIP), 프레스성형강(2000HPF) 등 초고강도강과 마그네슘 판재 등 신강종을 적용, 차체 경량화에 기여했으며 데모카(demo car)용 부품 제작에 참여하는 등 다양한 솔루션마케팅 활동을 펼친 바 있다. 특히 약 10㎏의 차량 지붕에 포스코 마그네슘 판재를 적용하면서 이오랩의 지붕 무게는 4.5㎏ 내외로 줄어들었다. 이를 포함해 이오랩은 경량화 소재 사용으로 기존 르노의 소형차에 비해 총 400㎏가량 무게를 줄이는 데 성공했다.
포스코가 이오랩 콘셉트카 개발 프로젝트에 참여한 미쉐린•포레시아 등 르노의 5개 파트너사 중 유일한 철강사이자 비유럽 파트너사라는 점은 유럽 자동차 시장에서도 인정받은 포스코의 선도적인 기술역량을 보여준다.
포스코는 기가스틸 판매량을 외부에 공개하지 않고 있다. 포스코는 지난 2015년 차강판 870만톤을 팔았고, 이 중 기가스틸 비중은 1.8%라고 밝힌 바 있다. 이를 계산해보면 포스코는 지난 2015년 기가스틸을 약 20만톤 판매했다. 현재는 자동차 고객사의 기가스틸 채용률은 아직 미미한 상태지만 자동차소재 경량화 트렌드에 맞춰 해당 수요가 폭발적으로 증가할 것이라는 게 포스코의 예상이다.
◆최첨단 전기강판 Hyper NO.와 모터코어로 전기차 모터의 에너지효율 극대화
포스코의 무방향성 전기강판 ‘Hyper NO.’는 주로 고효율 모터에 적용되어 전기자동차의 연비를 향상 시킬 뿐만 아니라 자동차의 성능을 높여줄 수 있는 핵심 소재이다.
포스코는 Hyper NO제품을 1990년 초부터 개발 및 생산했으며, 최근 그 시장이 급속히 성장하는 친환경차 구동모터용 제품은 2010년부터 양산을 시작했다. 포스코는 ’17년 2월 신규 설비 준공을 통해 Hyper NO. 생산능력을 연 16만톤까지 늘렸으며, 이는 전기차 구동모터코어 기준 약 260만대에 공급할 수 있는 양이다.
전기강판은 규소를 약 1~4%를 함유하고 있어 전기적ㆍ자기적 특성이 우수하며, 강판 내부의 결정이 제각각의 방향을 향하고 있는 무방향성(無方向性) 전기강판(NO; Non-Oriented electrical steel)과 결정을 한 방향으로 갖추어 자기적 성능을 비약적으로 높인 방향성 전기강판(GO; Grain Oriented electrical steel)으로 분류할 수 있다. 무방향성 전기강판(NO)는 발전기와 모터 등 회전기(機) 부품 등에 많이 사용되며, 방향성 전기강판(GO)은 변압기 등의 철심재료로 쓰인다.
무방향성 전기강판(NO)은 전기에너지를 회전에너지로 변환시키는 과정에서 필연적으로 에너지 손실, 즉 철손(core loss)이 발생하는데, 포스코의 Hyper NO는 에너지 손실을 최소화하고 효율성을 높일 수 있도록 개발돼 기존의 전기강판 대비 철손이 30%이상 낮다.
또한 전기강판은 두께가 얇을수록 철손이 적어 모터의 효율성을 높일 수 있다. 일반적으로 전기강판은 두께가 0.50~65mm인데, 포스코의 Hyper NO는 두께 0.15mm까지 생산이 가능하다.
고효율 최고급 Hyper NO 강판을 층층이 쌓아 붙여 만든 모터코어는 모터의 핵심부품이다. 모터코어는 자석 등과 함께 조립돼 전기모터가 되는데, 전기를 공급받으면 자기장을 생성하고, 이를 회전 에너지로 변환시켜주는 역할을 한다.
보통 모터코어를 만들 때 수 십장의 전기강판을 쌓아 체결하는 방식으로는 용접이 가장 많이 쓰이지만, 용접 부위에서 철손이 매우 커져서 전반적인 모터 효율이 많이 떨어지는 단점이 있다.
포스코는 최근 접착제와 같은 기능을 하는 코팅을 전기강판 표면에 적용하는 이른바 ‘셀프본딩’ 기술을 개발했다. 코팅이 된 Hyper NO강판 수 십장을 쌓아 일정 수준의 열처리만 거치면 자체적으로 결합되도록 하는 기술이다.
셀프본딩 기술을 적용하면 용접 등의 물리적인 방식과 달리 전기강판의 전자기적 특성을 저하시키지 않아 모터효율을 향상시킬 수 있으며, 기존의 용접 체결방식 대비 모터코어의 철손이 10%이상 줄어든다. 또한 용접된 일부분만 붙어있고 나머지는 서로 붙어있지 않아 고속의 회전시 소음이 많이 발생하는 기존의 용접 방식 대비 소음도 3db이상 개선시킬 수 있다.
포스코는 셀프본딩 기술의 원천특허를 보유하고 있으며, Hyper NO강판에 적용되어 고효율 미래 전기차 및 고효율 가전제품 시장의 성장과 함께 급속히 성장할 것으로 예상된다.
◆에너지저장소재의 핵심, ‘리튬 양극재 음극재’ 모두 포스코가 만든다
포스코는 지난 ’17년 2월 독자기술 개발 7년만에 전기차, 노트북, 휴대폰 배터리의 필수 소재인 탄산리튬을 추출하는 기술 상용화에 성공해 광양에 연산 2,500톤 규모의 리튬추출공장 PosLX를 준공하고 가동에 들어갔다.
포스코의 리튬제조 기술은 세계 최고 수준으로 이전까지는 고농도 염수를 자연 건조해 리튬을 생산하기까지 최소 12개월이 걸렸지만, 포스코가 개발한 PosLX기술은 3개월 이내면 리튬을 생산할 수 있다. 특히 이 기술은 생산원가에 가장 큰 영향을 미치는 리튬 회수율도 기존 최대 50% 수준과는 달리 80%이상까지 끌어올린 경제성을 보유하고 있다.
올해 초에는 호주의 리튬 광산 기업인 필바라(Pilbara Minerals)와 회사 지분 4.75%(79.6백만 호주달러)와 이에 상응하는 규모의 전환사채를 인수하면서 원료를 안정적으로 확보함에 따라 리튬 사업을 본궤도에 올려놓았다.
포스코는 현재 양극재 생산 계열사인 포스코ESM를 통해 용량, 수명 및 안정성이 대폭 개선된 이차전지 소재 ‘고용량 양극재, PG(POSCO Gradient)-NCM(Nickel Cobalt Manganese)’를 공급하고 있다. PG-NCM은 양극재의 중심부와 표면부의 조성을 다르게 설계해 니켈 함량을 80%이상 높인 제품으로, 포스코는 니켈 함량을 올리면서 동시에 열 안정성을 유지하는 기술을 구현했다.
또한 포스코는 올해 1월 중국의 코발트, 니켈 생산업체인 화유코발트와 합작법인 설립 계약을 맺고 2020년 하반기부터 연간 4,600톤 규모의 전구체 및 양극재 생산라인을 각각 가동하게 된다.
3월에는 삼성SDI와 함께 세계 최대 리튬 생산 국가인 칠레의 리튬프로젝트 최종사업자로 선정되어 양극재 합작 법인을 설립하게 됐다. 포스코와 삼성SDI는 칠레의 수출최저가 리튬을 원료로 2021년부터 연간 3200톤 규모의 전기차용 고용량 양극재 생산라인을 가동할 계획이다.
포스코켐텍은 2011년 천연흑연계 음극재 사업에 진출해 국내 최초로 독자기술을 적용한 고용량 전기자동차 배터리용 음극재를 양산하는 등 기술력과 생산능력을 갖추며 2차전지 음극재의 국산화에 앞장서 왔다.
포스코켐텍이 생산하는 음극재는 안정성과 고효율로 높은 평가를 받고 있다. 글로벌 시장 1, 2위를 다투고 있는 국내 2차전지 제조사들로부터도 품질을 인정받고 있다. 포스코켐텍은 전기자동차 시장 확대 등에 따라 급속히 늘어나는 2차전지 수요에 대응, 생산 라인을 추가로 증설하며 2차전지 음극재 시장 공략을 가속화하고 있다.
포스코켐텍은 지난 3월 세종시 전의산업단지 내 음극소재사업소에 2차전지 음극재 공장 6, 7호기를 증설 준공하고 본격 가동에 들어갔다. 이번에 준공된 6, 7호기는 각각 년산 4천톤의 생산이 가능한 설비로 포스코켐텍은 년산 1만6천톤 규모의 생산 체제를 운영하게 된다. 기존 8천톤 대비 생산 능력을 2배로 크게 올린 것이다.
포스코켐텍은 현재 IT기기 등 소형전지부터 전기자동차용 대용량 전지에 이르기까지 다양한 제품에 적용되는 2차전지 음극재를 생산해 주요 전지사에 공급하고 있다. 이번 증설로 포스코켐텍은 늘어난 생산능력을 바탕으로 고객사의 다양한 요구에 맞춤형으로 대응하고 시장에 확대 진입할 수 있는 능력을 갖추게 되었다.
포스코켐텍은 전기자동차와 ESS(Energy storage System, 대용량 에너지 저장장치) 등에 2차전지 수요가 증가함에 따라 선제적인 투자를 바탕으로 글로벌 시장을 더욱 적극적으로 공략해나간다는 방침이다.
포스코ICT는 전기차 충전인프라 구축에서부터 충전기 운영, 멤버십관리, 부가서비스 제공에 이르는 토털 서비스를 제공하는 국내 최대 민간 전기차 충전플랫폼 사업자다. 포스코ICT는 전국 이마트를 비롯한 대형마트와 호텔, 극장, 휴양지 등 접근성이 뛰어난 주요 거점에 운영중인 자체 충전기와 로밍 충전기를 합쳐 국내 최대규모인 3천여 기를 운영하고 있다.
포스코ICT는 자체 전기차 충전 플랫폼인 'ChargEV'를 통해 충전기 원격 운영과 관리를 비롯해 충전요금 과금과 정산, 이용 내역관리 등의 서비스를 제공하고 있다. 전기차 운전자들이 스마트폰 앱을 이용하면 전국 충전소 위치확인은 물론 이를 통한 경로 찾기도 제공하고, 충전기 상태 정보도 제공받을 수 있다.
포스코는 전기차에 필요한 핵심소재를 공급하기 위해 현재까지 구축된 전기차 관련 그룹 사업간 시너지를 극대화하고, 향후 새로운 성장 엔진으로 키워나갈 수 있도록 인천 송도 포스코 글로벌 R&D센터에서 ‘글로벌 전기차소재 포럼 2017’을 개최했다.
‘전기차 Total Solution Provider로의 도약’이라는 주제로 열린 행사에서는 국내외 150여 개 전기차소재 고객사 380여명이 참석한 가운데 전기차 관련 사업을 추진 중인 포스코와 계열사 임직원들이 포스코의 전기차 관련 사업 추진 현황을 설명하고 전기차 핵심기술 관련 포스코의 종합적인 역량을 집중적으로 선보였다.
특히 ‘경량소재’, ‘구동모터’, ‘배터리’ 등 3개 분야로 나눠 고객사의 연구원 및 개발담당 임원이 전기차 관련 고객사들의 니즈와 시장 동향, 개발현황에 대해 설명하면 이어서 포스코의 연구원들이 이에 대한 포스코의 준비 현황과 관련 고부가가치제품 및 솔루션을 발표하는 ‘문제해결형’으로 진행돼 행사의 효율성을 높였다.
포스코는 전사의 역량을 결집해 전기차 소재에서 인프라까지 그룹차원의 토탈 솔루션을 제공해 미래 성장을 추진한다는 방침이다.
김현주 기자 hjk@segye.com