그림 : Ford F-150 픽업트럭

포스코경영연구소2014. 12. 16 철강 COP

자동차 소재 전쟁

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자동차 멀티소재 시대의 개막 들어가며

미래자동차소재방향성 ?

자료 : 각 사 언론자료 종합

2015 포드 F-150 픽업트럭• 알루미늄 풀바디 적용 222kg 감량• 하부프레임 77% HSS 적용 27kg 감량 * 최근 양산 개시 , 12 월부터 시판 예정

Al알루미늄 317 kg(2014 년형 대비 )

폭스바겐 7 세대 골프• Superstructure (AHSS 60%) 로 37kg 감량• 기타 파워트레인 , 전장부품 감량

Fe철 100 kg(6 세대 대비 )

BMW i3 전기차• Passenger Cell 전체 CFRP* 적용• 서브프레임 알루미늄 , 외판 플라스틱

Poly폴리머 /복합재 182 kg( 유사크기 닛산 리프 대비 )

스포츠카 고급세단에 사용되던 고가의 대체소재∙ , 대중차에도 대폭 적용

* CFRP: 탄소섬유 복합재 (Carbon Fiber Reinforced Plastic)

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연비규제 강화에 의한 자동차 연비개선 압박

[ 미국 승용차 연비규제 및 실적 , 유가 추이 ]1978 1983 1988 1993 1998 2003 2008 2013 2018 2023

-

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

0

20

40

60

80

100

120

CAFE std 승용차승용차 평균실적

[MPG] [$/bbl]26 년 여 간 규제 27.5mpg 으로 유지

연평균 2% 개선 연평균 4.9% 개선 필요

자료 : : NHTSA, HMC 투자증권 , POSRI 재구성

오일쇼크1, 2 차 오일쇼크 후 유가급등으로연비규제 빠르게 강화

18 mpg (‘78) 27.5 mpg (’85)

중국 등 신흥국 성장2000 년대 들어서면서중국의 성장 , 중동리스크 원인 유가급등전동화 경량화 움직임 재점화∙

글로벌 환경 공동대응국가별 강력한 환경규제 도입

전기차 경량소재 ∙정책적 육성

환경규제에 의한 연비개선

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내연기관 개선 , 전동화 (Electrification), 경량화를 통한 대응

자료 : 『가속화되는 자동차 경량화』 , 김정수 외 , 한국투자증권 , HMC 투자증권 , POSRI 재구성

Compact Size 가솔린 기준CO2 저감 정도

5% 10% 15% 20% 25%

GDI+VVT+Turbo: Downsizing

CNG

Hybrid

Clean Diesel

50%

FCEV

기계적 마찰개선

EV

Idle Stop/Start

VVT

Stratified GDI, lean

자료 ) Well-to-Wheel 기준 , Bosch

- GDI 등 터보 / 슈퍼 차징- 마찰개선 , 열효율 개선 소재- 고효율 연소기술- 실린더수 축소 , 다운사이징- 클린디젤 ( 필터기술 등 )- 천연가스 내연기관

- Idle Stop and Go- 하이브리드 기술- 플러그인 전기차- 연료전지차

내연기관 효율 향상프로세스- 맞춤형 블랭킹 (TWB)- 하이드로포밍 ( 수압성형 )- 핫스템핑 / 핫프레스포밍구조- 튜브구조- 신구조 & 복합 결합구조 - 스페이스 프레임- 최적용접 , 부품소고대체재료- 샌드위치 시트패널- 금속거품- 알루미늄 , 마그네슘- 플라스틱- 유리섬유 탄소섬유

1 경량화 기술

전동화 (Electrification)2

3

자동차 업계 대응방안

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기업별 전략 차이 존재하나 공통적으로 효율화 경량화 추구∙

자료 : NHTSA ( 미 교통안전국 )주 : CAFE(Corporate Average Fuel Economy) 자료는 미국 수입승용차 기준* DCT: 듀얼클러치 트랜스미션 , ISG: Idle Stop and Go

하이브리드 등 전동화 지속소형 파워트레인 중심 전략멀티소재 도입 경량화 검토

일본계

연비개선 필요성상대적 여유 높은 압박

TOYOTA HONDA MAZDA BMW HYUNDAI VW DAIMLER FORD JLR0

10

20

30

40

50

60

44.2 42.0 42.0 35.2 35.6 33.8 31.5 30.9 26.9

mpg2014 년 기업별 규제선 2014 년 기업별 실적2025 년 기업별 규제선 ( 추정치 )

DCT, ISG* 등 내연기관 기술개발하이브리드 비중 확대클린디젤 라인업 투입알루미늄 적용 등 경량화 강조다운사이징 등 포트폴리오 조정

( 현재 프리미엄 라인은 벌금감수 )

대중차 주력 그룹 고급 대형차 주력 그룹∙

일본계는 상대적으로 여유 있는 반면 , 고급 대형차 브랜드는 연비개선 압박 가중∙

2014 년 미국내 기업별 연비규제 (CAFE) 대비 실적을 비교해 보면 ,

54.5

34.1

평균

자동차 업계 대응전략

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대체소재는 최근 철강 핵심시장인 판재류까지 침투1 차 소재전쟁

오일쇼크 직후 (80 년대 )2 차 소재전쟁

중국 성장 등 유가 급등기 (2000 년대 )3 차 소재전쟁

글로벌 공동 환경대응 (2010 년 ~)

Poly폴리머 /복합재외부장식

엠블럼 , 휠커버 , 미러하우징 , 범퍼 등인테리어

인스트루먼트 패널 , 인테리어 소재내열성 흡배기계 , 강화플라스틱 구조물디자인 , 프레임투명유리 대체소재 ,차체 및 프레임 CFRP

열교환기Al알루미늄

휠 실린더 헤드 실린더 블록 후드 Closure, 프레임 등 판재

Fe철자동차용전기도금강 AHSS

ULSAB FSVULSAB-AVC

HSS,Hot dip

Galvan. Steel

LaserWeldedblanks

HotStamping

철강핵심시장

대체소재의 확산

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사례

기존단점

대안

대체소재 , 철강소재와 격차 축소 위한 단점 보완

• 높은 가격• 에너지 다소비 • 낮은 생산성

• 낮은 강도 안전성∙• 높은 유지보수 비용• 낮은 재활용성

라이프사이클 소재생산 차량생산 유지보수 재활용∙

Poly폴리머 /복합재

Al알루미늄

• 신재생에너지 사용 - 에너지 비용 절감 - CO2 배출 저감

• 신공법 개발 - 양산체계 구축 - 복합소재 설계최적화∙

• 생태계 구축 - 체계적 A/S 네트워크 - 2∙3 차 활용처 개발

수력발전소 직접 보유로 전력비용 절감 ( 알코아 )

탄소섬유 공정 전력단가 낮은 수력발전소 인근 배치 (BMW-SGL JV)

Rivet-Bonding 접합 ( 포드 재규어 랜드로버∙ ∙ ) 스페이스 프레임 설계 ( 아우디 )

고속성형기법 개발 (BMW) 프레스 페인트 공정축소 ∙ (BMW) 멀티소재 솔루션 ( 르노 )

차체 Sectioning 설계로 최소절개 A/S ( 포드 ) 체계적 A/S 가이드 대비 ( 포드 )

차체 Sectioning (BMW) 재생 바이오 플라스틱 사용∙ , 건축자재 용도 재활용 (BMW)

라이프사이클 관점의 경쟁력 강화방안 장시간 준비

대체소재의 약진

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포드 F-150 알루미늄 풀바디 적용으로 업계 큰 파장

자료 : 각종 언론자료 종합 , POSRI 재구성

포드 F-150 픽업트럭3 만불 대 미국 대중트럭(’13 년도 76.3 만대 판매 )총 317kg (2.52.2ton) 감량

-222kgBody

-27kg

BaseFrame

-68kg

Engine/Interior

• 차체 95% 알루미늄• Mg, Si 합금 (6000 계 )• Alcoa, Novelis 합작• HSS 77% 확대적용 - 480MPa 급 HSS ( 기존 14MY 23%)

• 엔진 다운사이징• 도어트림 축소• 플라스틱 foam 등

연비 +12.5% ( 고속도로 30 mpg)

상품성 향상 ( 경량화 , 내식성 , 첨단소재 )

가격상승 5~10% (+$1,500~2,500)

보험료 +10% ( 소재비 , 공임 , 설비 )

설비투자 ( 본딩 , 리벳팅 등 설비 )

알루미늄 생태계 구축 ( 정비 , 재활용 )

장점단점

알루미늄 - 포드 F-150

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도어 , 후드 등 외장재 (Closure) 우선 적용 가능

자료 : 포스코 철강솔루션센터 분석자료 , POSRI 재구성

Al 대체위협분류 부품 설명

Body-In-White• 외판 , 내판• 충돌부재• 강성부재

충돌 양산성 고강도강 유리∙ 강성부재 위주 완만한 증가낮음

Closure• 후드 • 도어 • 트렁크

높음 Al 경량화 강성 유리∙ 대체 확산 가능성 가장 높음

Body 기타 • 범퍼빔• IP 서포트

고강도 철강재와 Al 경쟁 당분간 증가 ( 범퍼빔 중심 )경합

Suspension• 서브프레임• 컨트롤암• 기타

경합 내구는 PO 재 , 승차감은 Al 유리 알루미늄 증가세 둔화 예상

Seat/Fender • 휀더• 시트 낮음 시트 : 충돌 강도 면∙ 고강도강 유리

펜더 : 철강 , 플라스틱 Al 대비 우위

외판은 설계 개선으로 경쟁력 갖추고 , 충돌부재는 압출재 활용 등 복합구조로 경쟁

알루미늄 – 기술적 대체가능성 평가

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외판 (Outer) 성능은 대체로 알루미늄이 경쟁 우위

※ WorldAutoSteel 주관으로 미시간대학과 A2mac1 의 Database 에 있는 240 차종을 분석한 결과

※ 참고

알루미늄과 철강재 적용 도어부품의 Dentability 비교 실험 ( 포스코 철강솔루션센터 )

12345

1098761112

100 mm

100 mm

Front Door Dent 측정점

0.000.100.200.300.400.500.600.70

S 사 C 모델35BH 0.70t

S 사 C 모델35BH 0.75t

Honda AcuraA1 1.20t

변형량(

mm

) Steel Door Outer

Al Door Outer

성능우위 ( 변형량 적음 )

Dentability 실험결과 알루미늄 도어가 철강재보다 적은 변형량으로 성능우위

효과적 설계를 통한 철강재의 경량화도 가능하나 , 알루미늄 대비로는 여전히 열위

- 해치백 테일게이트 부품 사례 철강과 알루미늄 적용 부품간 중량 비교

일반적 설계 효과적 설계

11.4

8.658.14 7.56

SteelAluminum

[ 단위 : kg]

29% 13%중량격차

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생산성과 경제성 확보 위한 기술과 전략 개발

자료 : 각종 언론자료 종합 , POSRI 재구성

• 1 대당 약 3 천 7 백 개 리벳• 17 종 , 바코드 분류• 갈바닉 부식방지 코팅• 최소 2 회 X-Ray 검사

철강재용접

리벳팅

본딩• 170m 연필굵기 접착제 분사• 리벳팅 + 화학적 접합 : 용접보다 강한 접합력

알루미늄

• Captive 수력발전 통한 전력비 절감 - 알루미늄 제련소 수력발전소 직접 보유 혹은 지역발전사와 장기 계약 (5 센트 /kWh vs. 6.75~13 센트 /kWh, Alcoa vs. 미국 평균 )

• 차체 세분화로 보수비용 절감 - 차체 세분화 (Sectioning) 으로 절개구간 최소화 , 교체비용 인하 - 공임 최소화 위한 직관적 설계 - Repair Starter Kit 표준구성 홍보 / 확산으로 수리센터 편의 배려

생산가공성 향상레인지로버 사례

소재 경제성 확보알코아 / 찰리코 ,포드 F-150 사례

난용접성 극복 , 생산효율 향상

원가의 약 36% 해당하는 전력비 절감 , 유지보수비용 절감으로 상품성 향상

알루미늄 – 생산경제성 확보전략

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멀티소재 위한 다양한 이종소재간 접합기술 개발

자료 : 한국기계연구원 서정 광응용생산기계연구실장

• 경량금속 낮은 레이저 흡수율 향상• 에너지 효율 증대 , 용접품질 개선 연구개발 단계

하이브리드 용접• Tool 회전력 이용 마찰열 접합 현대차 트렁크 리드 접합 혼다 아큐라 , 닛산 차세대 적용

마찰교접 용접

• 부식방지 코팅된 보론강 리벳• 알루미늄 및 이종소재 접합 재규어 , 랜드로버 , 포드

Self-piercing Rivet• BASF, Henkel 등 화학기업 제품• 알루미늄 마감재 및 접착제 개발 대부분 차종 적용

화학적 본딩

• 미래 용접 대안으로 부상• 초음파에 의한 미세 마찰열 이용 금속간 접합

Ultrasonic Spot Welding

알루미늄 – 이종소재 접합기술

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BMW i3, 르노 이오랩 등 플라스틱 소재의 가능성 제시

자료 : 각종 언론자료 종합 , POSRI 재구성

BMW i3

• Aluminum Chassis Frame• 배터리 및 구동부 지지 프레임Underbody

(Battery)

4 만불 대 준중형 전기차공차중량 1,.304kg(닛싼 리프 1,486kg)

상품성 향상 (1 회 충전시 160km)

배터리 무게보상 (230kg 배터리팩 )

설비투자↓ ( 컨베이어 , 페인트샵 , 보디샵 x)

수리비용↓ ( 부분절단 , 접착제 이용 본딩 )

차체 가격상승 +$2,500~$3,000

소재 재활용성↓ ( 건설용 소재 재활용 )

설비투자↑ (CFRP 생산라인 , 신재생에너지 )

CFRP 생태계 구축 ( 수리센터 투자 등 )

Outer Shell(Closure)

• Outer Shell ( 외피 ) 열가소성 수지• Roof Top, Rear Shell 는 재활용 CFRP

• 100% CFRP• 동일구조 철강재 대비 -50%, 알루미늄 대비 -30% 경량화

PassengerCell

장점 단점

플라스틱 – BMW i3

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경제성 , 안전성 확보한 플라스틱 소재 대폭 채용

25%

외판

10%

스크랩90%

CFRP(Rooftop)

• 연료원• 건축재료• 소각• 매립

• 건축보강재• 매립스크랩

75%

엔지니어링 플라스틱 평균 재활용 수준 약 20% (BMW i3 플라스틱 외판 , 구조용 CFRP 재활용 소재 적용률 )

인테리어 구조용 플라스틱

외장재 보강용PBT 구조물 시트 외장용 PA구조용 PU

리어시트 하부지지용 PU 인테리어 소재케냐프 (Kenaf): 무궁화과 식물 이용 섬유 사용

섬유 1kg당 이산화탄소 배출량 -20.6kg

CFRP LifeModule

자료 : BMW

플라스틱 – 부품별 적용가능성

외판재 (Outer Shell)

탄성강화 복합수지EPDM-modified PP copolymer

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공정 단순화로 에너지 효율 및 친환경성 향상

방청 , 프라이머 코팅 위한 Dipping

프레스 , 페인트샵 삭제 ,개별도장

물사용 -70%에너지사용 -50%

플라스틱 – 친환경성 / 경제성 확보

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장기간 전 밸류체인에 걸친 협력노력으로 생태계 완성

자료 : 각종 언론자료 종합 , POSRI 재구성

• 고열 탄화공정 ( 전력소모 高 )• Wanapum 수력발전 100%

탄화

직물화

형상재단

레진주입가열가압PAN 섬유

(Precursor)

탄소섬유(CF)

프리프레그(Prepreg)

부품성형(HP-RTM)

보수 수리∙(Sectioning)

SGL Moses Lake (BMW 합작 )

차량생산

전력단가 : 2.8 센트 /kWh※ 미국 1/3, 독일 1/5 가격

• high-pressure resin transfer molding• 열경화성 에폭시 수지 100 도 고압성형

고속 부품성형

성형속도 : 3~5 분가격 : 시장대비 1/3※ 기존 성형속도 수십분 ~24 시간 , CFRP 가공비 10 불 /kg 미만

BMWLeipzig 공장

• 2.5MW 풍력발전기 4 대 생산전력 100% 공급• CFRP 및 열경화성 수지 사용 프레스 , 페인트 공정 대폭 축소

에너지사용 : -50%물사용 : -70%재활용 소재

Rooftop CFRP 10%열가소성 수지 25%알루미늄 프레임 80%

경제적수리작업표준화• CFRP 는 표준 Sectioning 최소절단 , 화학적 본딩• 플라스틱 외피 저렴 내부프레임 파손가능성↓

보험 및 수리비↓

플라스틱 – 협력생태계

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단기적으로는 현 소재간 경제성 격차 극복 어려울 전망

Fe철 Al알루미늄 PolyCFRP

자료 : Mass Reduction for LDV for MY2017-2025, NHTSA *BIW: Body-In-White

Poly폴리머 /복합재

• Captive 발전소 보유 등 일부 기업 제한• 생산설비 교체 등 대규모 신규 투자 필요

소재 생산비 절감 , 성형 공법 개발 , 공정혁신 등 경제성 일부 향상했으나 ,

Al알루미늄 전력비 및 CO2 배출 절감 ,생산가공성 향상 일부 달성했으나 ,

단위중량당 소재가격 비교 [ 단위 :$/kg]

동일차종 BIW* 적용시 경량화 효과와 가격차( 미 교통안전국에서 혼다 어코드 2011 모델로 분석 )

328 kg 164 kg213 kg-35% -23%중량

가격 +$720 +$1,792

Mild Steel AHSS Aluminum Sheet

CFRP1.14 1.44 4.26

17.61.46 2.08 5.62

42.24

가공비소재가격

※ 열경화성 수지 : 소재 4.24 $/kg, 가공비 0.89 $/kg

• BMW 유사 생태계 완성 10 년 이상 소요• 소재 - 생산 -A/S 생태계 전반 신규투자• 리그닌 등 대체원료 개발 장기간 소요

개선의 여지 있으나 , 아직 큰 가격격차로 인해 대체소재 확산의 속도는 제한적

팩트체크 1 – 가격경쟁력

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대중차는 파워트레인 성능개선을 , 고급∙대형차는 경량화 선택

알루미늄 경량화의 착시효과

알루미늄 효과 기타 경량화 파워트레인 개선 효과

19.7 +2.5F-150 의 연비개선 효과

mpg

0.8 0.4 1.3mpg

전체 연비개선 효과 Payback: 7.5 년 (2 천 달러 상승분 )

알루미늄 효과 Payback: 15.4 년 (1,500 달러 상승분 )

파워트레인 성능 양보할 수 없는 고급 대형차∙ , 전기차 시장은 상품성 유지 위해 경량화 선택

차량 무게 10% 감량시터보차저 장착1 실린더 다운사이징

12%

15%

20% 하이브리드 化

경량화 효과 : POSRI 분석 자료 : 연비개선효과 자료 Bosch

적용기술별 연비개선 효과 비교경량화로 인한 경제적 효과보다는 상대적으로 파워트레인 성능개선이 효과적

4~6%

연비개선효과비교

고급차 요구성능• 고출력 , 4륜 구동• 가속 / 제동력

픽업트럭 요구성능• 견인 / 적재능력• 대형 파워트레인

전기차 요구성능• 배터리 무게 보상경량화장점 충족

팩트체크 2 – 연비개선 효과

단순추정자료

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철강은 보편적 소재 위상 유지하나 , 비중은 상당부분 축소

Poly폴리머 /복합재

Al알루미늄

Fe철 가격경쟁력 충돌 구조안정성 재활용성 , 설비 유지

대중차 보편적 소재 위상 유지

미국 / 유럽 중심 확산 경트럭 연비기준 충족 고급차 상품성 확보

고급차 & 북미 픽업트럭 확대

전기차 배터리 무게 보상 스포츠카 성능 향상 미학적 디자인 소재

스포츠카 , 고급전기차 확대2012 년 2025 년

자동차 판매량에 따른 철강수요

8 천만대 1억 2 천2 백만 대

7,800만톤 9,278만톤

차량 1 대당 평균 중량 , 소재구성 변화

철강재 65% 철강재 55%1,500Kg 1,377Kg무게 -8.2%

연비 +3.3~4.9%

일반강51% 고강도강

14%

알루미늄7%

플라스틱12%

일반강19%

고강도강36% 알루미늄

13%

플라스틱14%

마그네슘1%

자료 : HMC 투자증권 자료 POSRI 재구성

기타17%

기타16%

자동차 생산 증가 영향으로 철강 총수요는 완만한 성장세 유지

자동차 소재 방향성

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대체소재와 경쟁 가운데 철강시장 내 고강도강 경쟁 가열

자료 : 세계시장 기본가정 , HMC 투자증권 , IHS 자료 POSRI 재구성 포스코 판매목표 ~’20 년은 목표값 , ’21 년 이후는 단순 Extrapolation 추정

[ 만 톤 ]

'13 '14 '15 '16 '17 '18 '19 '20 '21 '22 '23 '24 '25 -

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

8,906 8,771 8,010

8,535 9,060

9,179 9,278 8,773

9,502 9,974

10,964

‘13 ‘15 ‘17 ‘20 ‘25

철강 55% Al 16%

철강 65%

• 철강 65% 시나리오 : ’25 년까지 철강이 자동차 중량의 65% 수준 유지• 철강 55% 시나리오 ( 기본가정 ): ’25 년 철강이 자동차 중량의 55% 수준으로 축소• Al 16% 시나리오 : Ducker 주장 ’ 25 년 Al 비중 16% 가정 시나리오

2025 년 북미지역

전세계 자동차 평균 알루미늄 중량비중 전망

13%HMC 투자증권

16%Ducker

vs. 기관별 편차 존재

픽업트럭 76%

18%Body&Closure

알루미늄풀바디 채택

알루미늄Closure 채택

전세계 자동차용 철강재 수요전망

자동차용 철강재 수요 전망

단순추정자료