Nikkei Automotive_2021.6 특집 요약 (p30~45)

LCA 규제로 역풍을 맞은 경량화 소재
CFRP, 알루미늄, 핫 스탬프의 행방은?

자동차의 자원 채굴부터 생산, 유통, 폐기까지 라이프 사이클 전체에서 이산화탄소(CO₂) 배출량을 평가하는 LCA(Life Cycle Assessment). 유럽과 중국에서 진행되는 규제화 검토로 인해 역풍을 맞게 되는 것이 탄소섬유강화수지(CFRP)와 알루미늄(Al) 합금, 핫 스탬프 성형법이다.

차체의 경량화를 위해 널리 채택되어 왔지만, 제조 시에 발생하는 CO₂ 배출량이 상당하다. 향후, 자동차의 부품 선정에도 크게 영향을 줄 수 있어, 소재 및 부품 각 사는 대책 마련에 나섰다.

Part 1. LCA 우위 철강도 가격 2배 증가
LCA로 역풍을 맞은 CFRP, Al 합금

LCA 규제로 특히 역풍을 맞게 되는 것이 탄소섬유강화수지(CFRP)이다. 제조 시의 이산화탄소(CO₂) 배출량이 철강에 비해 7배 가까이 많다. 한편, LCA의 우등생인 철강도 업계 전체에서는 배출량이 많아 역풍을 피해갈 수 없게 되었다. 유럽의 산업 유치책이기도 한 LCA 규제에 대해 일본업체 단독의 대응으로는 한계가 있다.

일본철강연맹 등은 제조 시의 철강 CO₂ 배출량이 1kg당 약 2.3kg(이후의 CO₂ 배출량은 모두 소재 1kg당의 수치)인데 반해, CFRP는 약 21kg이라고 발표하고 있다. 이에 CFRP 관계자들은 CFRP가 철강에 비해 환경 성능이 10배 나쁘다는 인식을 심어 줄 수 있다며 분통을 터뜨린다.

분명, 탄소섬유협회가 과거에 조사한 탄소섬유의 CO₂ 배출량은 22.4kg에 가깝다. 그러나 그것은 어디까지나 탄소섬유 자체의 수치이며, 수지를 모재로 한 복합재료인 CFRP일 경우는 그보다 적다.

수지의 CO₂ 배출량은 종류에 따라 다르지만, 일본항공우주공업회의 자료에 따르면 기껏해야 2~5kg이다. CFRP의 탄소섬유 함유량이 질량 대비 50% 정도라고 한다면, CFRP의 CO₂ 배출량은 15kg으로 크게 줄어든다. 그러나 15kg도 상당히 높은 수치다. 자동차의 대표적인 경량화 소재인 Al 합금조차도 약 11kg에 그치고 있다.

CFRP 관계자들이 제조 시의 CO₂ 배출량 값에 신경을 곤두세우는 이유는 이대로 간다면 CFRP가 자동차 소재에서 배제될 수 있다는 위기감 때문이다. 유럽과 중국에서 LCA 규제 검토가 추진되고 있으며, 규제가 시작된다면 CFRP 제조 시의 많은 배출량은 치명상이 될 수 있다.

-- 성(省)에너지와 재활용이 관건 --
유럽위원회에서 2019년경부터 시작한 LCA에 의한 규제화 논의 결과가 조금씩 가시화되고 있다. 예를 들어 전기자동차(EV) 등의 배터리에 대해 2024년부터 LCA에 의한 CO₂ 배출량 신고를 의무화하기로 결정했다.

배터리 이외의 자동차 소재에 대한 규제는 아직 알 수 없으나, 2023년경에 골자가 정해질 것이라고 한다. 다만 LCA 관점에서 EV는 가솔린차에 비해 소재 및 차량 제조 시의 CO₂ 배출량 비율이 크다.

현재는 주행 중의 CO₂ 배출량으로 규제되며 차체가 가벼울수록 유리한 상황이다. CFRP는 가격이 철강에 비해 질량당 10배가 넘는 것으로 알려져 있지만, 비중이 철의 1/4로 크게 가볍다는 이점에 활로를 찾아왔다. 그러나 LCA 규제로 인해 제조 시의 CO₂ 배출량때문에 경량화된 분의 절감 효과가 줄어들게 된다.

CFRP 제조사 대기업인 도레이(Toray)나 테이진(帝人), 미쓰비시(三菱)케미컬은 크게 2가지 대책에 나서기 시작했다. 하나는, 제조 시 배출량의 절반 이상을 차지한다고 하는 탄소섬유의 제조 과정에서의 열에너지의 삭감이다. 중장기적으로는 에너지원을 재생가능 에너지로 전환해 나갈 방침이다.

또 하나는 재활용 기술의 도입이다. 재활용한 탄소섬유를 이용함으로써 제조 시 CO₂ 배출량을 1/6~1/10정도까지 줄일 가능성이 있다. CFRP의 전문가인 도쿄대 다카하시(高橋) 교수는 “재활용을 통해 철강과 동일한 수준까지 낮출 수 있다”라고 기대한다.

-- 알루미늄 대책은 거의 재활용에 한정 --
CFRP와 더불어 Al 합금도 제조 시의 CO₂ 배출량이 크며 LCA 규제로 역풍을 피할 수 없다고 여겨지고 있다. 예를 들어 일본에 수입되는 Al 신지금(新地金) 제조 시의 CO₂ 배출량은 일본 알루미늄협회의 조사에 따르면 9.2kg로 크다. 자동차에 자주 사용되는 5,000계나 6,000계의 판재로 가공하면, 약 11kg으로 철강의 5배가 되어 버린다.

Al 합금의 경우, 보크사이트를 제련하여 신지금으로 만드는 공정이 제조 시의 CO₂ 배출량의 대부분을 차지한다. 다만 국내에는 제련공장이 없고 수입에 의존하는 점이 CFRP와 다르다. 이 때문에 국내에서의 LCA 규제에 대한 대책은 재활용에 거의 한정된다. 재생 지금(地金; 슬래그와 쇳물 혼합물, 재생품)의 CO₂ 배출량은 0.309kg으로 신지금의 90%가 감소되어 철강을 밑도는 수준에 달한다.

Al 합금의 재활용은 기술적으로 어느 정도 확립되어 있으며 알루미늄 캔 등으로 오랜 실적이 있다. 그럼에도 자동차의 판재 및 압출재 등의 고품질재에서는 같은 부품으로 다시 이용하는 크로즈드 루프(Closed-Loop)의 재활용은 거의 실시되고 있지 않다. 대부분은 품질의 저하를 수반하는 다이캐스트 제품(엔진 블록 등)으로의 캐스케이드(Cascade) 재활용이다.

자동차 회사들은 최근 Al 합금 업체들과 손잡고 크로즈드 루프 재활용에 주력하기 시작했다. 예를 들어 알루미늄 차체에 주력하는 독일 아우디(Audi)는 2017년에 독일의 네카르줄름(Neckarsulm)공장을 시작으로 잉골슈타트 공장에도 도입했다. 2021년에는 헝가리 공장에 도입할 계획이다.

-- LCA에서 우위에 있는 철강 --
LCA 규제가 역풍이 되는 CFRP나 Al 합금에 반해, 우위에 있는 것이 철강이다. 제조 시 CO₂ 배출량은 약 2.3kg으로 다른 소재에 비해 압도적으로 낮다. 무겁다는 결점 때문에 다른 경량화 소재로의 대체가 시도되어 왔지만, 미즈호은행 산업조사부 소재팀의 오노(大野) 씨는 “LCA로 소재로서의 철강의 가치가 재평가된다”라고 분석한다.

철강은 ‘리사이클의 우등생’이다. 일본제철은 ‘철 스크랩의 회수율은 90%’라고 자신한다. 재활용 제품의 철강인 경우, CO₂ 배출량은 ‘40% 이상 줄어들어 1.2kg 정도’일 것으로 시산한다. (일본제철)

LCA에서 재평가 받는 철강이지만, 가공법까지 눈여겨보면 과제도 있다. 그것은 최근 국내 자동차업체에서 채택이 확산되고 있던 핫 스탬프(열간 프레스)이다. 강판을 가열하여 프레스 성형한 후, 금형 내에서 급속도로 냉각해 강판을 고강도화 하는 기술이다.

가열하는데 대량의 에너지를 필요로 하기 때문에 CO₂ 배출량은 일반적인 냉간 프레스에 비해 커진다. 향후, 일부 프레스 업체 간에는 핫 스탬프로의 투자를 억제하려는 움직임이 있다.

-- LCA로 재평가 받는 철강도 업계에 대 역풍 --
자동차 소재로서 LCA의 관점에서 거의 '단독 승리자'라고 할 수 있는 철강이지만, 업계로서는 대역풍을 맞게 된다. 철강 사용량은 떨어졌지만 2020년 국내 조강 생산량은 8,319만톤으로 다른 소재에 비해 압도적으로 많기 때문이다. 사용 섹터 별로 보면, 일본 전체 CO₂ 배출량의 15%에 달하며, 실제 산업 분야의 약 40%를 차지하고 있다.

세계에서 탄소중립에 대한 대응이 확산되는 가운데, 이대로는 사업 활동에 영향을 미치게 될 것은 분명하다. 국내 최대 기업인 일본제철은 2030년까지 CO₂ 배출량을 2013 년 대비 30% 삭감해, 2050년까지는 카본 오프셋(Carbon Offset) 등을 활용해 탄소중립을 실현할 계획이라고 표명했다.

탄소중립의 실현을 목표로 한 거액 투자를 추진하면, 철강의 가격 상승은 피할 수 없다. 일본제철은 조강(粗鋼)의 제조 원가가 현재의 두 배 이상이 될 가능성을 시사한다.

-- 유럽 대항에 일본 정부의 지원은 필수 --

Part 2. 도레이·데이진·미쓰비시케미칼의 도전
CFRP, 2030년에 CO₂ 배출에서 Al 합금을 역전


LCA로 특히 타격을 받는 것이 탄소섬유강화수지(CFRP)이다. 제조 시의 이산화탄소 배출량이 철강의 7배 가까이 많기 때문이다. 경량을 무기로 자동차에 대한 보급이 조금씩 진행되고 있는 가운데, 존재의 가치를 잃을지도 모른다. 이에, 도레이, 데이진, 미쓰비시케미컬의 대형 3사는 CO₂의 대폭적인 삭감에 도전하기 시작했다.

3사는 기업의 경쟁력에 직결된다는 이유로 현 시점의 LCA에 있어서 CFRP 제조 시의 CO₂ 배출량을 밝히지 않고 있다. 다만 3사가 가입해 있는 탄소섬유협회의 과거 조사에 따르면, 탄소섬유를 50질량% 포함하는 CFRP에서 1kg당 배출량은 약 15kg라고 한다. 철강의 배출량은 약 2.3kg로 작으며 그 차이는 상당하다.

-- 탄소가격을 얹어서 재생에너지 도입 가속화 --
실제 CFRP 제조사에 의한 지금까지의 대응으로 CO₂ 배출량은 이미 15kg를 밑도는 수준이다. 또한 각 사는 2030년까지 회사 전체의 온난화가스(GHG) 배출량을 20~30% 낮춘다는 목표를 제시한다.

회사 목표와 같은 수준까지 CFRP 제조 공정의 배출량을 낮출 수 있다면, Al 합금(11 kg)을 밑도는 수준이 가시화된다. “Al 합금과 충분히 경쟁할 수 있도록 한다”(국내 CFRP 기술자)는 것으로, 자동차의 경량화 소재로서의 존재감을 높인다. 그 후에 50년에 걸쳐 탄소중립(Carbon Neutral)을 실현한다는 계획이다.

탄소섬유 제조 시에 CO₂ 배출량이 많은 것은 원료가 되는 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 1000~3000도의 고온으로 가열해 탄화·흑연화하는 공정이다. 가열하는데 에너지를 대량으로 소비한다. CFRP 제조 전체의 CO₂ 배출량 중 절반 이상을 차지하며 에너지원은 전력이 대부분이다.

탄화·흑연화 공정의 CO₂ 배출량을 삭감하기 위해 각 사는 크게 2가지 방법으로 도전한다. 첫 번째 방법은 에너지 절약이다. 예를 들면, 도레이는 단열기술의 도입이나 공장의 소등 관리 등, 많은 방법을 도입해 착실하게 대응을 추진해 나가고 있다.

두 번째 방법은 천연가스나 재생가능 에너지를 사용해 열에너지를 만드는 것이다. 예를 들면 미쓰비시케미컬은 “전력을 사용하는 것보다도 천연가스를 태우는 것이 CO₂ 삭감에 효과적인 경우가 있다”(미쓰비시케미컬 Advanced Materials 섹터장 오쿠노 씨)라고 분석한다.

재생에너지 도입에 적극적인 곳은 데이진이다. 네덜란드에 거점이 있는 Teijin Aramid에서는 이미 공장에 재생에너지를 도입하고 있다. 앞으로는 국내 사업소에도 재생에너지 등의 저탄소 설비 도입을 추진하기 위해, 사내 설비의 조달 방법에 새로운 시스템을 도입했다.

대표적인 예가 내부탄소가격(Internal Carbon Pricing, ICP)이다. CO₂ 배출을 수반하는 설비투자에 대해서는 설정한 사내 탄소가격을 적용해 가상의 비용으로 환산해 투자 판단 기준 중 하나로 삼는다. 설비의 CO₂ 배출량에 따른 탄소가격을 얹음으로써 원래 가격이 다소 비싸더라도 CO₂ 배출량이 적은 설비를 도입하기 쉬워진다.

데이진은 탄소 가격을 1톤당 6,000엔으로 설정했다. 데이진그룹 상무집행임원인 우치카와(内川) 씨는 “ICP는 경제 합리성만으로는 추진되지 않는 설비의 도입에 도움이 된다”라고 설명해, CFRP의 제조 공정에 재생에너지 등의 도입을 가속화한다는 생각을 밝혔다.

-- CFRP 재활용 어디까지 왔나? --
CFRP 제조 시의 CO₂ 배출량에 대한 대책과 함께 3사가 주력하는 것이 재활용 기술의 개발이다. 재활용한 탄소섬유를 이용하면, 제조 시 CO₂ 배출량을 신품의 1/6에서 1/10정도까지 줄일 수 있는 가능성이 있다. 재활용 CFRP의 이용이 확산되는 것은 2030년 이후가 될 것으로 보이지만, 철강과 동일한 수준의 배출량이 전망된다. 수지의 재활용 기술을 연구하는 간토가쿠인(関東学院)대학 사노(佐野) 교수는 “리사이클이 CFRP의 생존의 열쇠를 쥐고있다”라고 말한다.

-- 최대 과제는 회수량이 적다는 점? --

Part 3. 알루미늄 합금의 CO₂ 삭감책
닛산, 도요타, 고품질 판재에 재생품

자동차 경량화 소재로서 대표격인 Al 합금---. LCA(Life Cycle Assessment)의 CO₂ 배출량에서 철강의 5배로 불리하다. 이에 열쇠를 쥐고 있는 재활용에 닛산 자동차나 도요타 자동차가 본격적으로 나서기 시작했다. 지금까지 추진하지 않았던 고품질의 자동차용 외판의 재활용에 도전하기 시작했다.

AI 합금의 CO₂ 배출량이 많은 것은 보크사이트(Bauxite)를 전기분해를 통해 신지금으로 할 때 대량의 전력을 소비하기 때문이다. 일본에 수입되는 신지금 제조 시의 CO₂ 배출량은 9.24kg으로 대부분을 차지한다. 다가올 LCA에 의한 CO₂ 배출량 규제에 대비하기 위해서는 Al 신지금 사용량을 억제하고 재생 지금(재활용한 지금)을 늘리는 것이 중요하다.

재생 지금 제조 시의 CO₂ 배출량은 0.309 kg으로 신지금의 9% 이상이 줄어들어 철강을 밑도는 수준이다. 닛산 등 자동차업체 각 사가 Al 합금의 클로즈드 루프 재사용 등에 나서기 시작했다. 재활용 시스템이 없는 자동차업체는 Al 합금을 사용할 수 없게 될 가능성에 대비해야 한다.

-- 닛산은 ‘로그’에 Al 합금을 4배로 확대 --
닛산은 2021년 1월, 북미에서 판매한 신형 SUV인 ‘로그’에 대해, 제조 시에 발생한 Al 합금의 단재(端材) 스크랩을 보디 외판에 재이용하기 시작했다고 발표했다. 로그를 생산하는 닛산자동차 큐슈(九州)에서는 UACJ와 코베(神戸)제강소, 북미 닛산의 스마나공장에서는 미국 Arconic(아코닉)와 Novelis(노벨리스)와의 협업을 통해 실현한다는 계획이다.

닛산은 신형 로그의 보디 외판에서 Al 합금 채택을 크게 늘렸다. 선대(先代) 차량에 비해 면적 대비 10%(후드 부분만)에서 약 40%로 확대해 북미의 연비 규제로의 대응을 위해 경량화에 나섰다.

Al 합금 재활용에서 가장 큰 과제는 불순물의 혼입을 막는 것이다. 닛산이 주력하고 있는 것이 자사 공장의 프레스 공정에서의 Al 합금 분별이다. 로그에서 채택하는 5000계와 6000계의 Al 합금을 분별하는 장치를 새롭게 도입했다고 한다.

-- Al 합금 단재를 150m 날려버린다 --

Part 4. 핫 스탬프 대책
후타바산업과 게스탐프의 연구

자동차 생산에서 폐기까지 생애 주기 전체에서 CO₂ 배출량을 평가하는 LCA. 가공 시의 배출량이 많아, 역풍을 맞고 있는 것이 최근에 사용이 늘어나고 있던 핫 스탬프(열간 프레스)이다. 도요타자동차계 프레스 업체인 후타바산업 및 세계 최대기업인 게스탐프 오토모시온(Gestamp Automocion )은 설계 및 성형 공정에 대한 연구를 거듭해, 냉간 프레스에 못지않는 CO₂ 배출량을 목표로 한다.

지금까지 열간 프레스를 적극적으로 도입해 온 후타바 산업. 세계에서 6개의 라인을 도입해 왔지만, 향후 투자에는 신중한 자세를 보인다. 열간 프레스의 수요가 당분간 한계점이라는 전망 때문이다.

그 배경에는 통상적인 프레스 가공인 냉간 프레스에 비해 열간 프레스 제조 시 CO₂ 배출량이 크다는 것이 있다. LCA에 대한 주목이 높아지는 가운데, 열간 프레스재의 불확실성이 커지고 있다.

열간 프레스는 강판의 당김 강도를 크게 할 수 있는 한편, 가열하는데 에너지를 많이 사용한다. 예를 들면, 590MPa의 강판을 900~950도의 용광로에서 가열해, 차게 한 금형으로 성형 시에 급냉시켜 1.5GPa로 만든다. 프레스의 전문가는 에너지 사용량이 냉간 프레스에 비해 수십% 커진다고 한다.

닛산자동차가 2020년 12월에 발매한 소형차 ‘노트’로, 유니프레스(UNIPRES)제의 1.5GPa급 냉간 프레스재를 채택했다. 후타바산업도 1.5GPa급을 준비하고 있어 조만간 양산을 시작할 계획이다. 그 후에는 열간 프레스를 뛰어넘는 1.8GPa급까지 고려하고 있다.

-- 가열로의 정지 빈도를 억제하다 --
-- B-필러는 냉간 프레스보다 낫다 --

 -- 끝 --