테슬라 기가팩토리의 명과 암
기술의 혁신은 트레이드오프를 고려해야 한다.
2023년 벽두부터 미국에서 화제가 된 뉴스가 있었다.*
https://edition.cnn.com/.../tesla-crash.../index.html...
첨부한 기사와 같이 지난 월요일, 테슬라의 Model Y를 몰던 40대 가장이 와이프와 4, 7세 아이들을 태운 채, 샌프란시스코 근처 해안도로를 드라이브하다가 높이 75 m 정도의 절벽 아래로 추락한 것 (나중에 경찰 조사 결과, 이 40대 가장은 일부러 이 사고를 낸 것으로 확인되어 구속되었다.).
이 정도 높이는 대략 아파트 20층 정도의 높이에 해당하는 것으로, 웬만한 경우에는 대부분 탑승자 사망으로 이어지나, 이 사고는 정말 기적적으로 어린아이 둘을 포함한 탑승자 전원이 살아남았다. 차량이 절벽 아래로 급전직하하면서 충돌한 것이 아니라, 절벽 사면에 여러 번 부딪히면서 구르기도 하고 아래의 자갈에 비스듬히 부딪히면서 충격이 분산되었기 때문으로 보인다.
사실 사람들이 더 주목한 부분은, 이 차가 테슬라의 model Y라는 것이었다. 기사의 사진에서 보이는 것처럼 차체가 크게 파손되었음에도 불구하고, 오히려 이로 인해 탑승자들이 겪었어야 했던 물리적 충격을 차체가 흡수한 것으로도 볼 수 있다. 이것이 Model Y만이 할 수 있는 기능이었을까? 테슬라가 생산하는 모델 중에서도 Model Y는 이른바 기가프레스 (Giga Press) 공정을 적용한 모델로 유명하다. 기가프레스라는 용어 자체는 사실 테슬라가 개발한 용어라기보다는, 테슬라가 자사의 차량을 생산하기 위해 도입한 설비 이름이라고 봐야 한다. 그렇지만 이제는 많은 사람들이 기가프레스를 테슬라 고유의 제조공정 브랜드인 것처럼 인식하고 있다. 사실 기가프레스라는 용어 속에도 내포되어 있듯, 이 설비는 정말 거대하며 (무게만 해도 500-1000톤 수준), 1년에 생산되는 수량도 몇 대 안 된다. (5-10대 사이). 그리고 그 수량 대부분을 테슬라가 세계 각지의 공장에 도입하고 있기 때문에, 어찌 보면 기가프레스라는 용어가 테슬라의 브랜드와 동치 되는 것은 당연한 것처럼 보인다.
기가프레스는 무엇이 다른가? 테슬라가 생산하는 다른 모델과 비교해 보면 무엇이 차이 나는지 알 수 있다. 예를 들어 테슬라의 Model 3 차체에는 171개의 알루미늄 부품이 쓰인다 (프런트에 101개, 리어에 70개). 이 부품들은 다른 자동차 회사처럼 로봇팔 수백 대가 달라붙어 용접하고 조립하면서 하나의 차체로 완성된다. 그런데 Model Y는 단 두 개의 알루미늄 부품이 쓰인다. 즉, 프런트에 1개, 리어에 1개가 쓰이는 것이다. 각 부품은 기가프레스에서 다이캐스트 공정으로 완성된다. 거대한 금속 틀 (다이)에 고온의 알루미늄 합금을 고압을 가해 밀어 넣는 (캐스트) 공법이다. 이러한 공법은 딱히 새로운 것은 아니다. 이미 수많은 금속 부품 제조공장에서 활용하는 공법이다. 기가프레스가 특별한 점은 이 공법을 거대한 부품 생산으로까지 확장했다는 것이다.
별로 어렵지 않은 것 같은데? 스케일만 키우면 되는 것 아닌가?라고 생각할 수도 있다. 실제로 다이의 크기를 늘리고, 적절한 가열 조건과 압력 조건을 최적화하면 안 될 것도 없다. 문제는 이렇게 해서 완성된 부품이 과연 실제 성능 테스트를 통과할 수 있는지 여부일 것이다. 전통적으로 자동차 차체에 요구되는 성능은 크게 두 가지다. 하나는 가벼울 것. 하나는 튼튼할 것이다. 가볍게 만드는 것은 연비 및 친환경 조건 때문에 그런 것이고, 튼튼하다는 요구 조건은 충돌 시 탑승자 보호 및 수리 범위의 최소화 (즉, 수리비용의 최소화, 전손확률의 최소화)를 위한 것이다. 재미있는 것은 이 두 가지는 독립적으로 양립될 수 없다는 것이다.
예전에 우리 학교에 계시는 교수님과 연구한 주제 중에, 그래핀 flake를 가지고 마이크로 사이즈의 버블 (bubble)을 만들어 이들을 3차원에서 차곡차곡 쌓아 annealing 한 후, 거대한 3차원 격자 구조로 만드는 연구를 한 적이 있다. (https://onlinelibrary.wiley.com/.../10.1002/adma.201802997)
이 연구는 그래핀 자체의 강성도 살리면서, 속이 비어있는 마이크로 버블의 장점을 살리는 방향에서, 초경량-초고강도 소재를 만들 목적으로 이루어졌다. 실제로 우리가 예측한 것과 거의 유사한 수준에서 꽤 괜찮은 강도와 경량화가 이루어졌다. 그렇지만 그 어떤 초경량-초고강도 소재 개발 연구도 한 가지 저주에서 풀려날 방법은 없다. 그것은 경량화 (즉, 밀도를 낮추는 것)와 초고강도 (즉, 항복응력이나 탄성계수 등을 높이는 것)를 동시에 달성하기는 매우 어렵다는 것이다. 밀도를 낮추면 자연스럽게 탄성계수가 낮아지고, 높이면 높아진다. 대략적으로 비례관계에 있고, 정확한 관계는 각 소재의 물성과 이들이 이루는 구조적 특성에 따라 달라진다. 그렇지만 반비례 관계는 없다. 만약 경량화에 너무 초점을 맞춘다면 강도가 희생되어야 하고, 강도를 높인다면 경량화는 포기해야 한다.
대략적으로 차량의 무게가 10% 정도 감량되면 연비는 7% 정도 향상된다고 알려져 있다. 그리고 강도는 5-10% 정도 떨어진다. 현대차 같은 전통적 자동차 메이커들은 꾸준히 차체의 무게를 줄이면서 강도를 유지하기 위해 여전히 철강을 채용하지만, 강판과 구조용강을 분리해서 최적화한다. 예를 들어 현대제철의 핫스탬핑 공법 등으로 생산된 차체 재료는 1.5-1.8 GPa 정도의 강도를 가지면서, 예전의 재료보다 10% 정도 감량된 무게를 갖는다. 그런데 테슬라는 이와는 다른 방향을 걷는다.
테슬라가 생각하는 방향은 아예 알루미늄으로 가는 것이다. 알루미늄 합금을 이용하여 이를 녹이고 고압으로 다이캐스팅해서 큰 부품 2-3개를 찍어내어, 조립을 완료하는 것. 이것이 전통적인 생산공정과 무엇이 다른가? 당연히 부품의 개수가 줄어드니 생산 공정이 단순해지고, 생산 비용이 절감된다. 보통 차체 조립에 500-1000개 정도의 로봇팔이 쓰이는데, 테슬라는 적어도 2/3 정도의 로봇이 필요 없게 만들 수 있다는 것. 이로 인해 생산단가는 35-40% 정도 절감되는 것으로 분석된다. 알루미늄 합금이라는 소재 역시 기존의 철강 기반 차체 소재보다 훨씬 가벼울뿐더러, 가공성이 용이하기 때문에 테슬라의 연비 개선과 생산 속도 향상에도 도움이 될 것으로 기대된다.
그렇지만 여기에 문제가 있다. 알루미늄 합금이 모든 면에서 뛰어나다면 대부분의 자동차 메이커가 이를 채용하지 않을 이유는 없다. 그렇지만 여전히 대다수의 자동차 메이커들이 (특수용 차량 제외) 철강을 위주로, 조금씩 알루미늄 합금을 늘리는 방향을 고집하는 이유는 가격뿐만 아니라, 강도 면에서 알루미늄 합금은 여전히 크게 낮은 수준을 보이고 있기 때문이다. 테슬라가 Model Y에 채용하고 있는 알루미늄 합금은 테슬라 스스로가 특허를 낸 (그리고 스페이스 X의 합금설계 엔지니어링 자산을 이용한 것으로 추정되는) AA386이라는 알루미늄 합금이다. 업계의 분석에 따르면 이 합금의 89.5%는 알루미늄이고, 8.5%는 실리콘, 0.46%는 망간, 나머지는 철, 마그네슘, 티타늄, 주석, 납, 지르콘, 아연, 구리, 니켈, 바나듐 같은 미량 원소들이 포함되어 있다. 대략 알루미늄+실리콘 합금이라고 봐도 무방하다. 사실 이전에도 이와 비슷한 조성의 알루미늄 합금은 있었다. A356이나 A100 시리즈가 그것이다. 다만 이들 합금은 강도보다는 전기전도도를 위주로 물성이 최적화된 것이라 차체용 소재로는 적합하지 않았고, 그래서 테슬라는 나머지 조성을 조금 더 세밀하게 최적화하여 강도를 높이려고 한 것으로 추정된다.
그렇지만 이렇게 최적화된 알루미늄 합금 소재도 다이캐스트 공법의 한계를 벗어나기는 어렵다. 다이캐스트는 사실 커다란 부품을 만들기 위해 채용되어 왔던 공법은 아니다. 대부분 피겨 용이고, 커봐야 의자 수준이다. 차체 수준의 부피에 다이캐스트 공법이 잘 채용되지 않았던 이유는 그렇게 해서 만들어진 부품의 강도를 보장할 수 없었기 때문이다. 그냥 구 형태의 부품을 만든다면 상관없지만, 차체 같이 복잡한 (즉, 곡면과 접히는 부분과 예각과 직각 파트가 가득한) 부품의 부피가 커지면, 평평한 부분과 접히는 부분의 면적당 비율이 달라진다. 부피가 커지면 접히는 부분에 캐스팅된 소재는 다른 부분보다 더 큰 strain을 겪게 되고 그래서 더 큰 stress를 받게 된다. 이는 차체의 접힌 부분이 더 결함에 취약해짐을 의미한다. 이를 보완하기 위해 접히는 부분을 조금 더 두껍게 만들거나, 다른 소재로 보강하기도 하지만, 기가 프레스에서는 이렇게 하기 어렵다.
테슬라가 Model Y에 채용한 AA386 시리즈 알루미늄 합금의 항복응력은 대략 100-150 MPa로 나온다. 동일한 부피 대비, 기가프레스에서 나온 부품의 무게는 기존 압연공정으로 만들어진 차체에 비해 무게가 약 3/4-2/3 수준이 된다. 그렇지만 앞서 이야기했듯, 경량화와 가공성을 높이면서 희생된 것은 바로 강도다. 100-150 MPa의 항복응력은 기존의 구조용 강의 1.5 Gpa 내외의 1/10 수준이다. 무게 당 강도로 따져도 AA386 시리즈 알루미늄은 구조용 강의 30-40% 수준에 머문다. 같은 알루미늄 합금 소재 시리즈 중에서도, 항복응력 강화에 특화된 소재가 없는 것은 아니다. A1-3 시리즈 강판은 두께 3mm 조건에서 270-280 MPa 수준의 항복응력을 갖는다. AA386보다 적어도 2배 이상은 높은 수준이다. 물론 기존의 알루미늄 합금이 테슬라의 기가프레스에 활용되지 않은 이유는 기가프레스 공정 조건에 맞지 않기 때문이기도 하며, 밀도가 더 높기 때문이기도 하다. 즉, 테슬라의 기가프레스 철학에는 강도보다는 경량화와 가공성이 더 우선시 되는 것으로 보인다.
만약 AA836으로 다이캐스트한 차체의 강도를 기존의 구조용강 차체와 비슷한 수준으로 만들려면 얼마나 더 두껍게 만들어야 할까? 적어도 접히는 부분 수준으로, 내가 계산한 바로는 (FEM simulation), 3.2배 이상은 더 두꺼워져야 한다. 접히지 않는 부분은 1.9배 이상 더 두꺼워져야 한다. 평균적으로 2.2-2.4배 더 두꺼워져야 한다. 그만큼 더 많은 소재가 필요하다는 것이고, 차량의 무게가 더 증가함을 의미한다. 그렇지만 테슬라는 경량화와 친환경 특성을 위해 이러한 중량 강화를 택하지는 않을 것이다.
기가프레스 공법으로 다이캐스팅된 차체의 문제는 이뿐만이 아니다. 사실 워낙 제조 공정 자체에 특화된 공법이라, 오히려 기사에 언급한 것 같은 수준은 물론, 일상적인 추돌사고에서도 차체가 손상되는 사고가 났을 경우 차체에 대한 부분 수리는 불가능하다. 왜냐하면 다이캐스트된 부품이기 때문이다. 금속 다이캐스팅된 아이언맨 (즉, 한 덩이로 된 피겨) 피겨의 팔 한쪽이 떨어졌다고 한다면 적절히 떨어진 면을 녹여서 붙이거나 스크루를 붙여서 억지로 연결하면 될 것이다. 그렇지만 그것은 그냥 세워두기만 하면 되는 피겨다. 차량은 다르다. 파손된 부분을 전기톱으로 잘라내고 다른 파트를 가져다가 붙이는 것은 불가능하다. 파손된 부분을 억지로 잡아 펴는 것도 불가능하다. 이미 항복응력을 넘어서 마이크로조직이 다 파손된 부분들이기 때문이다. 얇은 플라스틱을 접었다 폈다 하다가 접은 부분이 하얗게 변하면 더 이상 복구하기 불가능한 것을 생각하면 된다. 즉, 차체에 변형이 생길 정도의 사고에서는 기가프레스로 만들어진 테슬라 차의 차체는 전손 처리될 가능성이 매우 높아진다. 적어도 프런트든, 리어든 한쪽은 무조건 전손이다. 그나마 같은 기가프레스를 적용하면서 울퉁불퉁한 외골격을 갖게 될 사이버트럭은 그 외골격이 충격을 나눠서 분산시키기라도 하지만, Model Y는 그러한 외골격조차도 없다.
기가프레스 공법 자체에서 사용하는 에너지도 결코 만만한 수준은 아니다. 기존의 구조용강이나 압연강을 만드는 공정에 비해 전체적인 에너지는 적은 편이지만, 단위 톤 당으로 따지면 오히려 더 높아진다. 계산 방식에 따라 적게는 5배에서 많게는 10배의 에너지 소모량으로 분석된다. 제련 공장이 단일 공장으로는 늘 전기사용량 최상위 업종에 위치하는 이유를 생각해 보면 된다. 고압을 가하든, 고열로 녹이든, 기가프레스의 다이캐스팅 공정은 엄청난 전기를 필요로 한다. 알루미늄 제련이나 다이캐스트 공정도 결국 RE100의 제약을 피해 갈 수는 없을 것이며, 결국 막대한 양의 재생에너지 공급이 가능한 사이트에서만 기가프레스가 가능할 것으로 예상된다. 현재는 기가프레스가 가동되는 테슬라 공장이 미국의 프리몬트 공장과 중국의 상하이 공장 둘 뿐인데, 그나마 재생에너지 공급이 원활할 것으로 예상되는 텍사스나 독일 등지에 추가 공장이 계획된 것도 이러한 연유가 있을 것으로 예상된다.
테슬라가 채용하는 모든 기술과 공법에 대해 사람들은 지레짐작 그것이 최신이고 최선이라고 생각한다. 그래서 그런지 기가프레스에 대해서도 온통 찬양 일색이고, 새해 벽두에 있었던 자동차 사고의 기적도 테슬라의 기적이라고 쉽게 생각한다. 그렇지만 그것이 테슬라 차가 아니라 다른 내연 기관 구조용강을 채용한 차였다고 하더라도 비슷한 충격 조건이었으면 결과는 크게 다르지 않았을 것이라 생각한다. (물론 내연기관에 의한 화재는 별개의 문제다..) 테슬라가 일으킨 수많은 혁신들, 그리고 모험과 비전은 분명 많은 영감을 준 것이 맞고, 여전히 업계의 주요한 레퍼런스가 되는 것은 인정해야 한다. 그렇지만 어떤 엔지니어링이든, 트레이드오프 관계의 지배를 벗어나기는 매우 어렵고, 그래서 어느 하나의 성능이 크게 개선되었다면, 다른 하나의 성능이 크게 저하되었을 것이라고 반대쪽에서 생각해 보는 습관도 필요하다고 생각한다. 테슬라를 비롯하여, 차세대 모빌리티에서 추구해야 하는 것은 당연히 앞으로도 경량화가 되겠지만, 그 와중에 충돌로 인한 충격을 차체가 충분히 흡수할 수 있는지, 차체가 손상되었을 때 더 저렴하고 더 간단하게 수리할 수 있는지, 차체를 만드는 과정이 energy-saving이 가능한지, 그리고 무엇보다도 지속가능한지 여부도 중요한 요소로서 인정되고 추구되어야 할 덕목이 될 것이라 생각한다.
