철강 업계가 알루미늄의 ‘기가캐스팅’ 위협에 반격하고 있다.

철강과 알루미늄 업계는 다음 설계 주기에서 EV 구조를 장기적으로 주도할 분야를 판가름할 수 있는 신소재 전쟁을 벌이고 있다. 새로운 알루미늄 활용 분야의 열기를 느낀 철강 기업들은 차량 차체 구조 자재로서의 입지를 수성하고자 적극적으로 노력하고 있다. 또한 현재 알루미늄 압출가공(extrusion)이 주도하는 EV 배터리 인클로저(enclosure) 시장도 정복하고자 한다. 철강 기업 임원들은 이 두 가지 분야에서 신기술과 접근 방식을 낙관적으로 전망하고 있다.

철강 대기업 ArcelorMittal의 수석 부사장 Brad Davey는 “오늘날 많은 자동차 제조사들이 특히 BEV에 사용되는 고압 다이캐스팅(HPDC) 알루미늄을 다루고 있다”고 말했다. 미시간 주 노바이에서 열린 2024년 우수 철강 설계(Great Designs in Steel, GDIS) 컨퍼런스의 기조 연설을 마친 후 Davey는 <SAE Media>의 인터뷰에서 거대한 HPDC 알루미늄 기가캐스팅(gigacasting)이 부품을 통합하고 제조를 단순화하는 잠재력 덕분에 ‘스케이트보드’ EV 플랫폼에 도움이 된다는 사실을 인정했다. 그는 최종 장점은 특히 EV 기업들의 자본 지출이 필요한 조립 라인이 적어진다는 점이라고 말했다. 그는 “조립 과정에서 거대한 단일 캐스팅으로 바닥 공간과 용접 로봇 수를 줄일 수 있다면 기존 공정에 비해 매력적인 솔루션이 될 수 있을 것”이라고 말했다.

Tesla가 《Model Y》에 가장 먼저 도입한 기가캐스팅은 궁극적으로 BEV의 차체 하부 전체를 단일 알루미늄 부품으로 형성하기 위한 방법이다. 《Model Y》는 전면과 후면에 두 개의 캐스팅을 사용하며, 철강/알루미늄 배터리 박스로 연결한다. 이 방식이 제공할 수 있는 장점은 업계의 폭넓은 관심을 끌었으며, 특히  IDRA, LK Group, Buhler, Yizumi 등 툴링 공급업체의 주목을 받았다. 2023년 하반기 GM은 Livonia와 미시간 주에 위치한 파운드리 몰드 기술의 선도기업인 Tooling & Equipment International(TEI)을 인수했다. GM 엔지니어들은 TEI의 전문성을 이용해 올해 하반기 출시될 Cadillac 《Celestiq》의 하부 차체 캐스팅의 프로토타입을 제작하고 검증했다.

최근 Tesla가 업계 최초의 단일 하부 차체 캐스팅 방식을 사용하여 《Model 2》를 생산할 계획을 축소했다는 보도가 있었지만, 철강 제조사들은 알루미늄 기가캐스팅을 사용하는 중국 제조사들이 급진적인 신규 EV 아키텍처 채택에 일조하는 상황도 우려하고 있다. S&P Global은 중국에서 1만2천~1만6천 미터톤의 HPDC 장비가 개발되었다고 밝혔다.

◆ 기가캐스팅의 단점

철강 전문가들은 이 기술이 그렇게 빠르게 도입되지 않을 것이라고 말한다. ArcelorMittal의 Davey는 기가캐스팅의 단점을 강조했다. 그는 “부품 비용이 높기 때문에 제조 비용을 절감하는 방법으로 부품 비용을 상쇄하지 못하면 설계 비용이 높아지거나 비용 문제를 개선하지 못할 것”이라고 말했다. 또한 “수율 문제, 높은 툴링 비용 및 툴링 수명 연장과 관련된 결함, 캐스팅의 균열 등 많은 문제가 있다”고 설명했으며, 캐스팅의 충돌-에너지 흡수 특성을 지적하며 자동차 제조사들이 기존 구조와 같이 외장 차체 스타일링을 빠르고 효율적으로 개선하고 변경할 수 있을지에 관한 의문을 제기했다.

Davey는 “일반적으로 과거에는 알루미늄 솔루션의 중량이 더 낮았지만, 최적의 철강 솔루션과 비교하면 그렇지 않다”고 말했다. 대형 다이캐스트 부품으로 금형 흐름을 최적화하면 많은 경우 벽 두께가 증가하거나 캐스팅이 전체적으로 크고 무거워진다고 말했다. 또한 대형 다이 캐스팅은 교통 사고가 발생했을 때 수리하기 어려워 자동차 보험 비용이 높아진다고 주장했다.

Davey는 일부 자동차 제조사들이 고가의 대형 다이 캐스팅이 파손되는 상황을 피하기 위해 차량의 부하 경로(load path)를 재설계할 필요성을 논의하고 있다고 말하자 GDIS 관람객들의 웃음이 들렸다. 그는 “이들 기업들이 BEV 탑승자와 배터리의 안전성을 유지하는 것도 모자라 다이 캐스팅도 보호해야 한다”고 말했다.

◆ 철강의 복수 부품 솔루션

Davey와 다른 철강 임원들이 알루미늄의 공세에 대응할 수 있다고 생각하는 ‘최적의 철강’ 솔루션은 1980년대 철강 업계에서 발생한 혁신과 R&D 활동에 뿌리를 둔다. 당시 철강은 플라스틱 차체 패널의 도전에 대응해야 했다. 가볍고 단단한 고강도 제품, 첨단 고강도 제품, 고강도 저합금 제품을 새로운 제조 공정, 공동 설계 서비스, 비용 우위와 결합하여 알루미늄 함량이 높은 차체의 발전이 중단되었다.

2012년 Ford의 《F-Series》를 알루미늄에 넘겨주었지만, 오늘날에도 철강은 평균 차량 질량의 50% 이상을 차지한다. GDIS에서 미국철강협회(American Iron and Steel Institute) 회장 Kevin Dempsey는 현재 철강 합금 중 75% 이상이 지난 20년 동안 개발되었으며, 현재 철강 등급 3,500여개가 존재한다고 언급했다.

자동차 제조사들과 공동 설계를 진행하는 철강 제조사의 엔지니어들은 이 포트폴리오와 함께 맞춤식 재단 용접(Tailor Welded Blank) 공법, 새로운 제작 기술 및 Davey가 ‘복수 부품 솔루션’이라고 말하는 솔루션을 내세워 EV 차체 구조에서 철강의 활용도를 더욱 높이고 배터리 인클로저 사업을 정복하며, 전반적인 EV 비용 구조를 개선하고자 한다.

철강 업계의 분석에 따르면 고강도 철강 활용률이 가장 높은 차량 10종 중 9종이 EV라고 Davey는 말했다. 그는 EV의 레이저 용접, 소부경화강(press-hardened steel)의 채택율은 하이브리드와 ICEV보다 50% 높다고 덧붙였다.

그는 “배터리 인클로저 시장을 되찾을 것”이라며, “거의 모든 자동차 제조사들이 당사 및 다른 기업들과 배터리 구조에 철강을 활용하는 방법을 논의하고 있다”고 말했다. 한 북미 자동차 제조사는 미래의 배터리 인클로저를 100% 철강 또는 철강 함유량이 높은 소재로 만들 것이라고 <SAE Media>에 밝혔다.

Davey는 경쟁에 대한 목소리가 GDIS에 참여한 업계 동료들에게 울려 퍼졌다고 말했다. 그는 기조연설을 마치며 “경쟁은 우리 모두에게 좋은 것”이라며, “중국의 철강 솔루션 채택율을 서방 국가의 약 2배”라고 경고했다.