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자동차 소재전쟁, POSRI 철강COP, 2014.12.16

알루미늄, 탄소섬유복합재로부터 시작되는 자동차 소재전쟁
- 포드 F-150으로 대표되는 알루미늄 적용 확산
- BMW i-시리즈로 대표되는 플라스틱 소재 확산

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자동차 소재전쟁, POSRI 철강COP, 2014.12.16

  1. 1. 그림: Ford F-150 픽업트럭 포스코경영연구소 2014. 12. 16 철강COP
  2. 2. 1/19 들어가며 미래 자동차소재 방향성? 자료: 각 사 언론자료 종합  2015 포드 F-150 픽업트럭 • 알루미늄 풀바디 적용 222kg 감량 • 하부프레임 77% HSS 적용 27kg 감량 * 최근 양산 개시, 12월부터 시판 예정 Al 알루미늄 317 kg (2014년형 대비)  폭스바겐 7세대 골프 • Superstructure (AHSS 60%)로 37kg 감량 • 기타 파워트레인, 전장부품 감량 Fe 철 100 kg (6세대 대비)  BMW i3 전기차 • Passenger Cell 전체 CFRP* 적용 • 서브프레임 알루미늄, 외판 플라스틱 Poly 폴리머/ 복합재 182 kg (유사크기 닛산 리프 대비) * CFRP: 탄소섬유 복합재(Carbon Fiber Reinforced Plastic)
  3. 3. 2/19 [미국 승용차 연비규제 및 실적, 유가 추이] 0 20 40 60 80 100 120 - 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 1978 1983 1988 1993 1998 2003 2008 2013 2018 2023 CAFE std 승용차 승용차 평균실적 유가(우측, 물가상승률반영) [MPG] [$/bbl] 26년 여 간 규제 27.5mpg으로 유지 연평균 2% 개선 연평균 4.9% 개선 필요 자료: : NHTSA, HMC투자증권, POSRI 재구성 오일쇼크 1, 2차 오일쇼크 후 유가급등으로 연비규제 빠르게 강화 18 mpg (‘78)  27.5 mpg (’85) 중국 등 신흥국 성장 2000년대 들어서면서 중국의 성장, 중동리스크 원인 유가급등 전동화∙경량화 움직임 재점화 글로벌 환경 공동대응 국가별 강력한 환경규제 도입 전기차∙경량소재 정책적 육성  환경규제에 의한 연비개선
  4. 4. 3/19 자료: 『가속화되는 자동차 경량화』, 김정수 외, 한국투자증권, HMC 투자증권, POSRI 재구성 Compact Size 가솔린 기준 CO2 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-Wheel기준, 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 향상 프로세스 - 맞춤형 블랭킹 (TWB) - 하이드로포밍 (수압성형) - 핫스템핑/핫프레스포밍 구조 - 튜브구조 - 신구조 & 복합 결합구조 - 스페이스 프레임 - 최적용접, 부품소고 대체재료 - 샌드위치 시트패널 - 금속거품 - 알루미늄, 마그네슘 - 플라스틱 - 유리섬유 탄소섬유 1 경량화 기술 전동화 (Electrification) 2 3  자동차 업계 대응방안
  5. 5. 4/19 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 지속 소형 파워트레인 중심 전략 멀티소재 도입 경량화 검토 일본계 연비개선 필요성상대적 여유 높은 압박 44.2 42.0 42.0 35.2 35.6 33.8 31.5 30.9 26.9 0 10 20 30 40 50 60 TOYOTA HONDA MAZDA BMW HYUNDAI VW DAIMLER FORD JLR mpg 2014년 기업별 규제선 2014년 기업별 실적2025년 기업별 규제선 (추정치) DCT, ISG* 등 내연기관 기술개발 하이브리드 비중 확대 클린디젤 라인업 투입 알루미늄 적용 등 경량화 강조 다운사이징 등 포트폴리오 조정 (현재 프리미엄 라인은 벌금감수) 대중차 주력 그룹 고급∙대형차 주력 그룹 54.5 34.1 평균  자동차 업계 대응전략
  6. 6. 5/19 1차 소재전쟁 오일쇼크 직후 (80년대) 2차 소재전쟁 중국 성장 등 유가 급등기 (2000년대) 3차 소재전쟁 글로벌 공동 환경대응(2010년~) Poly 폴리머/ 복합재 외부장식 엠블럼, 휠커버, 미러하우징,범퍼 등 인테리어 인스트루먼트 패널, 인테리어 소재 내열성 흡배기계, 강화플라스틱 구조물 디자인, 프레임 투명유리 대체소재, 차체 및 프레임 CFRP 열교환기 Al 알루미늄 휠 실린더 헤드 실린더 블록 후드 Closure, 프레임 등 판재 Fe 철 자동차용 전기도금강 AHSS ULSAB FSVULSAB-AVC HSS, Hot dip Galvan. Steel Laser Welded blanks Hot Stamping 철강 핵심시장  대체소재의 확산
  7. 7. 6/19 사례 기존 단점 대안 • 높은 가격 • 에너지 다소비 • 낮은 생산성 • 낮은 강도∙안전성 • 높은 유지보수 비용 • 낮은 재활용성 라이프 사이클 소재생산 차량생산 유지보수∙재활용 Poly 폴리머/ 복합재 Al 알루미늄 • 신재생에너지 사용 - 에너지 비용 절감 - CO2 배출 저감 • 신공법 개발 - 양산체계 구축 - 복합소재∙설계최적화 • 생태계 구축 - 체계적 A/S 네트워크 - 2∙3차 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)  대체소재의 약진
  8. 8. 7/19 자료: 각종 언론자료 종합, POSRI 재구성 포드 F-150 픽업트럭 3만불 대 미국 대중트럭 (’13년도 76.3만대 판매) 총 317kg (2.52.2ton) 감량 -222 kg -27 kg -68 kg • 차체 95% 알루미늄 • Mg, Si 합금 (6000계) • Alcoa, Novelis 합작 • HSS 77% 확대적용 - 480MPa급 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) 장점 단점  알루미늄 - 포드 F-150
  9. 9. 8/19 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 PO재, 승차감은 Al 유리  알루미늄 증가세 둔화 예상 Seat/Fender • 휀더 • 시트 낮음 시트: 충돌∙강도 면 고강도강 유리 펜더: 철강, 플라스틱 Al 대비 우위  알루미늄 – 기술적 대체가능성 평가
  10. 10. 9/19 ※ WorldAutoSteel주관으로 미시간대학과 A2mac1의 Database에 있는 240차종을 분석한 결과 ※ 참고  알루미늄과 철강재 적용 도어부품의 Dentability 비교 실험 (포스코 철강솔루션센터) 12345 109876 1112 100 mm 100 mm Front Door Dent 측정점 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 S사 C모델 35BH 0.70t S사 C모델 35BH 0.75t Honda Acura A1 1.20t 변형량(mm) Steel Door Outer Al Door Outer 성능우위(변형량 적음) - 해치백 테일게이트 부품 사례  철강과 알루미늄 적용 부품간 중량 비교 11.4 8.658.14 7.56 일반적 설계 효과적 설계 Steel Aluminum [단위: kg] 29% 13%중량격차
  11. 11. 10/19 자료: 각종 언론자료 종합, POSRI 재구성 • 1대당 약 3천7백 개 리벳 • 17종, 바코드 분류 • 갈바닉 부식방지 코팅 • 최소 2회 X-Ray 검사 철강재 용접 리벳팅 본딩 • 170m 연필굵기 접착제 분사 • 리벳팅+화학적 접합: 용접보다 강한 접합력 알루 미늄 • Captive 수력발전 통한 전력비 절감 - 알루미늄 제련소 수력발전소 직접 보유 혹은 지역발전사와 장기 계약 (5센트/kWh vs. 6.75~13센트/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 향상 레인지로버 사례 소재 경제성 확보 알코아/찰리코, 포드 F-150 사례  난용접성 극복, 생산효율 향상  원가의 약36% 해당하는 전력비 절감, 유지보수비용 절감으로 상품성 향상  알루미늄 – 생산경제성 확보전략
  12. 12. 11/19 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
  13. 13. 12/19 자료: 각종 언론자료 종합, POSRI 재구성 BMW i3 • Aluminum Chassis Frame • 배터리 및 구동부 지지 프레임 4만불 대 준중형 전기차 공차중량 1,.304kg (닛싼 리프 1,486kg) 상품성 향상 (1회 충전시 160km) 배터리 무게보상 (230kg 배터리팩) 설비투자↓ (컨베이어, 페인트샵, 보디샵 x) 수리비용↓ (부분절단, 접착제 이용 본딩) 차체 가격상승 +$2,500~$3,000 소재 재활용성↓ (건설용 소재 재활용) 설비투자↑ (CFRP생산라인, 신재생에너지) CFRP 생태계 구축 (수리센터 투자 등) • Outer Shell (외피) 열가소성 수지 • Roof Top, Rear Shell는 재활용 CFRP • 100% CFRP • 동일구조 철강재 대비 -50%, 알루미늄 대비 -30% 경량화 장점 단점  플라스틱 – BMW i3
  14. 14. 13/19 25% 외판 10% 스크랩 90% CFRP (Rooftop) • 연료원 • 건축재료 • 소각 • 매립 • 건축보강재 • 매립 스크랩 75%  엔지니어링 플라스틱 평균 재활용 수준 약 20% (BMW i3 플라스틱 외판, 구조용 CFRP 재활용 소재 적용률) 인테리어 구조용 플라스틱 외장재 보강용 PBT 구조물 시트 외장용 PA 구조용 PU 리어시트 하부지지용 PU 인테리어 소재 케냐프(Kenaf): 무궁화과 식물 이용 섬유 사용 섬유 1kg당 이산화탄소 배출량 -20.6kg CFRP LifeModule 자료: BMW  플라스틱 – 부품별 적용가능성 외판재(Outer Shell) 탄성강화 복합수지 EPDM-modified PP copolymer
  15. 15. 14/19 방청, 프라이머 코팅 위한 Dipping 프레스, 페인트샵 삭제, 개별도장 물사용 -70% 에너지사용 -50%  플라스틱 – 친환경성/경제성 확보
  16. 16. 15/19 자료: 각종 언론자료 종합, POSRI 재구성 • 고열 탄화공정 (전력소모 高) • Wanapum 수력발전 100% 탄화 직물화 형상재단 레진주입 가열가압 PAN섬유 (Precursor) 탄소섬유 (CF) 프리프레그 (Prepreg) 부품성형 (HP-RTM) 보수∙수리 (Sectioning) SGL Moses Lake (BMW합작) 차량생산 전력단가: 2.8센트/kWh ※ 미국 1/3, 독일 1/5 가격 • high-pressure resin transfer molding • 열경화성 에폭시 수지 100도 고압성형 고속 부품성형 성형속도: 3~5분 가격: 시장대비 1/3 ※ 기존 성형속도 수십분~24시간, CFRP 가공비 10불/kg 미만 BMW Leipzig공장 • 2.5MW 풍력발전기 4대 생산전력 100% 공급 • CFRP 및 열경화성 수지 사용 프레스, 페인트 공정 대폭 축소 에너지사용: -50% 물사용: -70% 재활용 소재 Rooftop CFRP 10% 열가소성 수지 25% 알루미늄 프레임 80% 경제적 수리작업 표준화 • CFRP는 표준 Sectioning  최소절단, 화학적 본딩 • 플라스틱 외피 저렴 내부프레임 파손가능성↓ 보험 및 수리비↓  플라스틱 – 협력생태계
  17. 17. 16/19 Fe 철 Al 알루미늄 Poly CFRP 자료: Mass Reduction for LDV for MY2017-2025, NHTSA *BIW: Body-In-White Poly 폴리머/ 복합재 • Captive 발전소 보유 등 일부 기업 제한 • 생산설비 교체 등 대규모 신규 투자 필요 소재 생산비 절감, 성형 공법 개발, 공정혁신 등 경제성 일부 향상했으나, Al 알루미늄 전력비 및 CO2 배출 절감, 생산가공성 향상 일부 달성했으나,  단위중량당 소재가격 비교 [단위:$/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 1.14 1.44 4.26 17.6 1.46 2.08 5.62 42.24 Mild Steel AHSS Aluminum Sheet CFRP 가공비 소재가격 ※ 열경화성 수지: 소재 4.24 $/kg, 가공비 0.89 $/kg • BMW 유사 생태계 완성 10년 이상 소요 • 소재-생산-A/S 생태계 전반 신규투자 • 리그닌 등 대체원료 개발 장기간 소요  팩트체크1 – 가격경쟁력
  18. 18. 17/19  알루미늄 경량화의 착시효과 알루미늄 효과 기타 경량화 파워트레인 개선 효과 19.7 +2.5 F-150의 연비개선 효과 mpg 0.8 0.4 1.3 mpg 전체 연비개선 효과 Payback: 7.5년 (2천 달러 상승분)  알루미늄 효과 Payback: 15.4년 (1,500 달러 상승분) 차량 무게 10% 감량시 터보차저 장착 1실린더 다운사이징 12% 15% 20% 하이브리드 化 경량화 효과: POSRI 분석 자료: 연비개선효과 자료 Bosch  적용기술별 연비개선 효과 비교 4~6% 연비개선 효과비교 고급차 요구성능 • 고출력, 4륜 구동 • 가속/제동력 픽업트럭 요구성능 • 견인 / 적재능력 • 대형 파워트레인 전기차 요구성능 • 배터리 무게 보상 경량화 장점 충족  팩트체크2 – 연비개선 효과
  19. 19. 18/19 Poly 폴리머/ 복합재 Al 알루미늄 Fe 철  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 확대 2012년 2025년  자동차 판매량에 따른 철강수요 8천만대 1억2천 2백만 대 7,800 만톤 9,278 만톤  차량 1대당 평균 중량, 소재구성 변화 철강재 65% 철강재 55% 1,500Kg 1,377Kg무게 -8.2% 연비 +3.3~4.9% 일반강 51% 고강도강 14% 알루미늄 7% 플라스틱 12% 일반강 19% 고강도강 36% 알루미늄 13% 플라스틱 14% 마그네슘 1% 자료: HMC투자증권 자료 POSRI 재구성 기타 17% 기타 16%  자동차 소재 방향성
  20. 20. 19/19 자료: 세계시장 기본가정, HMC투자증권, IHS 자료 POSRI 재구성 포스코 판매목표 ~’20년은 목표값, ’21년 이후는 단순 Extrapolation 추정 [만 톤] 8,773 9,502 9,974 10,964 8,010 8,535 9,060 9,179 9,278 8,906 8,771 - 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 '13 '14 '15 '16 '17 '18 '19 '20 '21 '22 '23 '24 '25‘13 ‘15 ‘17 ‘20 ‘25  철강 55%  Al 16%  철강 65% • 철강 65% 시나리오: ’25년까지 철강이 자동차 중량의 65% 수준 유지 • 철강 55% 시나리오(기본가정): ’25년 철강이 자동차 중량의 55% 수준으로 축소 • Al 16% 시나리오: Ducker 주장 ’25년 Al 비중 16% 가정 시나리오 2025년 북미지역  전세계 자동차 평균 알루미늄 중량비중 전망 13% HMC 투자증권 16% Ducker vs. 기관별 편차 존재 픽업트럭 76% 18%Body&Closure 알루미늄 풀바디 채택 알루미늄 Closure 채택  전세계 자동차용 철강재 수요전망  자동차용 철강재 수요 전망

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