■ 기술개발 주요이슈

도와 성형성이 동시에 우수한 나노 소재 개발

강소성가공법은 비교적 큰 크기의 초미세립 또는 나노결정립 소재를 제조할 수 있다. 반면 가공에 따른 결정립 내부에 잔여가공조직 및 아결정립계 등의 가공조직의 특성이 일부 남아있다. 초기 소재보다 높은 강도로 인해 실제 균일연신율 등의 성형성에 영향을 주는 가공경화 특성이 매우 낮아 조기에 파단에 이른다. 이러한 낮은 가공경화 특성을 보완하기 위해 열처리 등을 통해 나노결정립 내부에 미세한 제이상을 석출하거나 합금계를 달리해 가공경화 특성을 증가시켜 강도뿐만 아니라 연신율이 높은 소재를 개발하고자하는 연구가 시도되고 있다.

◇ 대형 벌크형 나노소재 제조를 위한 저비용 연속공정 개발

현재까지의 나노소재연구는 결정립의 미세화와 그에 따른 물성 변화에 집중해 왔으나 최근에는 실용화를 위한 대형 나노벌크소재의 제조와 관련된 연구가 시도되고 있다. 특히 알루미늄·철강·동합금 등 구조재료에 사용되는 나노결정립 소재의 경우 일정 크기 이상의 제품을 생산할 수 있는 공정이 확립돼야 하기 때문에 기존의 단속적인 공정을 연속공정으로 변화시켜 비교적 큰 크기의 나노소재를 제조하는 방법이 개발되고 있다. 또한 강소성가공 공정은 반복적인 가공을 하기 때문에 공정비용이 높다는 단점이 있으므로 공정비용을 낮추기 위해서 반복가공 횟수를 줄이는 연구가 수행되고 있다.

◇ 구조용 소재에서 기능성 소재로 응용분야 모색

초기 강소성가공에 의한 나노소재는 주로 강도의 향상 효과에 초점이 맞추어졌다. 그러나 구조재료의 특성상 강소성가공에 의해 제조된 나노소재는 비용대비 강도효과 면에서 실제 응용이 곤란하다는 불리한 점이 있다. 최근에는 구조재료보다는 기능재료로서 적용이 고려되고 있다. 주요 분야는 의료용 임플란트, 전자부품용 스퍼터링타겟재료, 전자부품용 고강도 고전도성 소재 등이다. 또한 단일금속의 나노결정립화에 의한 강도 증가이외에 복합분말 또는 다층소재의 강소성가공을 통한 복합소재를 제조해 새로운 기능성 소재로서의 응용 연구가 진행되고 있다.

■ 해외 동향

강소성가공에 의한 금속재료의 결정립 미세화 연구는 지난 10여년간 러시아·일본·미국 등의 선진 연구기관에서 연구를 주도해 왔다. 러시아는 ECAP공정을 최초로 개발한 국가로서 현재 직경 50mm 이상급의 초미세립 알루미늄 및 타이타늄 합금 빌렛 제조기술을 보유하고 있으며 의료용 기기 등에 대한 상업적 적용을 모색하고 있다. 한편 미국의 Los Alamos 국립연구소, 영국의 맨체스터대학 및 덴마크의 Riso 국립연구소는 기존의 강소성가공법 이외의 새로운 강소성가공법에 대한 연구를 수행해 전 세계적으로 연구자의 주목을 끌고 있다. 이들 연구기관은 International nanoSPD committee를 조직해 강소성가공에 의한 나노소재 제조기술 개발을 위해 협력하고 있다.

◇ 유럽

유럽의 선도적인 강소성가공 연구팀으로는 러시아의 R. Valiev그룹(Ufa State Aviation Technical University, Russia)을 들 수 있다. 강소성가공기술 중 ECAP(Equal Channel Angular Pressing) 및 HPT(High Pressure Torsion) 가공법으로 알루미늄합금·동합금·타이타늄합금 등에 대해 많은 연구를 수행했다. 특히, 알루미늄합금(Al-5wt.%Fe)에 대해 HPT 가공법으로 평균결정립 150nm의 소재를 제조하고 특성을 평가한 바 있다. 또한 러시아 Valief와 미국 California 대학의 Mukherjee는 Ti 합금을 HPT 가공해 조직을 나노화하는 연구를 수행하고 있다.
영국의 맨체스터 대학은 강소성가공공정을 개발하기보다는 여러 조성의 알루미늄 합금에서 기존의 상업적인 가공방법보다 비교적 높은 소성변형량에서 결정립의 생성거동에 대한 연구를 주로했다. 이를 토대로 기존의 강소성가공법에 비해 낮은 소성가공에서 서브마이크론 결정립을 얻을 수 있는 방법을 개발했으며 기존 알루미늄의 조직제어방법에 응용하는 연구를 수행했다.
덴마크의 RISO 국립연구소는 압연가공량이 많은 알루미늄 합금 판재에 대한 결정립 생성거동과 강소성가공법인 ARB공정시의 초미세립의 생성거동에 대한 연구를 일본 교토대학의 Tsuji 교수 연구실과 공동으로 수행했다.
이외에도 유럽에서는 나노소재의 제조보다는 금속재료에 있어서 많은 소성변형량을 가했을때 결정립의 생성과 초미세립의 변형거동에 대한 금속조직학적 관점에서의 많은 기초연구가 수행됐다.

◇ 일본

일본의 경우 알루미늄 합금에 대한 실용적인 면에서 연구가 가장 활발하다. 그 예로서 1997년부터 알루미늄합금의 초미세립화를 위해 경금속 압연 6개 기업(고베제강소·스카이알루미늄·스미토모경금속공업·일본경금속·후루카와전기공업·미쯔비시알루미늄)와 6개 대학(京都대학·大阪대학·九州대학·富山대학·宇都宮대학·千葉공업대학)으로 슈퍼메탈(알루미늄계) 연구체를 조직해 연구를 진행해 왔다. 그 연구 결과로서 결정립경을 3㎛이하로 제어할 수 있는 새로운 기술을 제시했다.
주요 개발기술에는 ECAP(Equal Channel Anguler Pressing)법, ARB(Accumulative Roll Bonding)법, 저온압연법, 급속가열열처리법, 대압하압연, 이주속압연, 온간가공, 용탕직접압연법 등이 있다.
큐슈대학의 Horita 교수연구실은 ECAP법 및 HPT법을 이용한 나노소재 제조 연구를 주도적으로 수행했다. 연성·초소성 특성 향상을 위한 조직제어에 대한 연구도 진행하고 있다. ARB법은 Osaka대학의 Saito 교수와 Tsuji 교수가 공동 창안해 최초로 결정립경 1㎛이하의 알루미늄합금 판재를 제조했다. 그 후 대부분의 금속재료에 적용한 결과 강도가 상용소재에 비해 3배 이상 향상된다는 결과를 보고한 바 있다.
일본의 경우도 국내와 마찬가지로 나노소재에 대한 중요성이 부각돼 일본통산성 산하 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO) 주관하에 나노테크놀로지에 관련된 연구로 2001년도 총 43억엔의 연구예산이 배정돼 그중 일부가 나노메탈기술개발에 사용됐다. 나노메탈 프로그램은 기존의 슈퍼메탈기술의 진보된 기술로서 재료의 경량화·내열화 등의 특성 향상을 통해 자동차·정보산업 등의 광범위한 분야에 적용가능한 나노금속을 개발을 목표로 하고 있다. 2010년부터는 일본 문부과학성의 신학술영역연구 프로그램으로 Bulk Nanostructure Metals 프로젝트가 시작됐다. 벌크나노소재에 대한 개념정립, 벌크나노소재 제조를 위한 다양한 제조공정 개발 및 벌크나노소재의 변형기구 규명에 대한 연구가 진행되고 있다.

◇ 미국

미국 USC의 Langdon교수 연구실은 1996년부터 일본 Kyushu대학의 Horita-Nemoto팀과 공동으로 ECAP을 이용한 나노화 공정기술을 개발했다. 200nm까지 Al 합금의 결정립을 나노화하고, O-temper 상태에 비해 2~3배 높은 항복강도를 얻었다. 특히 5000계 Al 합금에서는 3×10-2/sec의 고속에서 최대 2000%에 달하는 초소성을 얻었다.
LosAlamos National Lab.의 Zhu박사 연구팀은 RCS공정을 개발해 나노결정립 판재를 제조했다. 최근에는 군사목적으로 ECAP를 이용한 대형 나노결정립제조 대한 연구를 수행하고 있다. 다음 표는 각 기술의 발명 시기, 국가, 공정 특성 및 결정립 미세화 수준을 요약해 정리한 것이다.

▲ 강소성가공에 의한 나노소재 - 해외의 선도 기관.

■ 국내 동향

◇ 연구개발 현황

국내에서는 1990년대 후반부터 강소성가공에 의한 나노결정립 연구가 시작됐다. 재료연구소(KIMS)는 초기 ECAP법 및 ARB법을 기초로한 강소성가공법을 알루미늄 합금에 적용시켜 서브마이크론 결정립으로 초미세립화하는 고강도화 연구를 1999년부터 국가지정연구실사업으로 시작했으며 대부분의 알루미늄 합금의 강소성가공에 의한 미세립 형성 기구에 대한 기초연구를 수행했다.
이후 교육과학기술부에서 추진한 21세기 프론티어 연구개발사업으로 나노소재기술개발사업단에서 구조용 나노소재기술개발사업으로 강소성가공에 의한 나노소재기술 개발사업이 진행됐으며 KIST·재료연구소·한양대·한밭대·포스텍 등 많은 연구팀이 참여해 강소성가공기술에 의한 나노벌크소재 제조에 대한 기초연구와 나노벌크소재의 대형화 및 연속제조기술에 대한 연구를 수행했다.
최근에는 다양한 금속소재에 적용하기 위한 연구와 나노소재의 변형거동에 대한 연구와 더불어 일부 의료용 기기, 전기전자용 고강도 부품 등에 적용하려는 연구가 병행되고 있다. 지금까지 수행된 대표적인 연구과제 및 내용을 정리하면 다음 표와 같다.

◇ 선도 기관

국내에서 수행한 강소성가공법에 의한 나노소재 제조기술에 대한 연구는 대학에서 주로 수행된 나노결정립의 생성기구 및 변형거동에 대한 연구와 정부출연연구소를 중심으로 수행된 나노벌크소재의 연속제조기술로 나눌 수 있다.
국내 대학은 기존의 강소성가공법을 다양한 금속 및 합금에 적용시켜 결정립 미세화 기구와 제조된 나노벌크 소재의 변형거동 평가에 대한 연구를 수행했다. 한양대·한밭대·홍익대·목포대·포스텍 등은 다양한 금속의 나노결정립의 생성 및 변형거동에 대한 많은 연구 결과를 발표했다. 이외에도 많은 대학에서 철강 및 비철소재의 나노결정립 소재 제조와 변형거동에 대한 연구가 수행됐다.
KIST는 기존 ECAP공정의 한계인 불연속적인 공정을 개량해 봉재 및 판재에 적용가능한 ECAR법을 개발해 알루미늄 및 IF스틸에서의 나노결정립 생성과 변형거동 연구를 진행했다. 재료연구소는 알루미늄 합금 및 동합금에 대해 다양한 강소성가공법을 적용시켜 결정립 미세화 기구 및 변형기구를 연구했다.

◇ 기술경쟁력분석

강소성가공에 의한 나노소재기술은 선진국수준 대비 평균 70%정도 수준이다. 나노벌크소재의 제조공정에 대한 연구가 주로 수행됐으며 나노벌크소재에 대한 기초이론 및 특성평가기술은 선진국에 비해 크게 뒤쳐져 있어 관련 기술의 육성이 시급하다.

■ 산업 및 시장 동향

◇ 산업동향

강소성가공에 의한 나노벌크 소재 제조기술의 연구는 국내외적으로 기초연구단계이므로 아직 산업화되지 않았다. 관련기술은 대부분의 금속재료의 나노결정립화를 통한 고성능화가 가능한 기초원천기술로서 그 파급효과가 크기 때문에 일본·미국·유럽의 선진국들은 장기적인 계획하에 신기술 개발 및 실용화 연구를 진행하고 있다.
러시아와 미국은 ECAP를 이용한 대형 Ti 나노벌크소재를 제조해 의료용 임플란트에 적용하기 위한 연구를 진행하고 있다. 또한 미국은 Be합금 및 텅스텐 합금을 강소성가공해 나노결정립소재를 제조하고 탄두와 같은 특수 군사목적으로 사용하기 위한 연구가 국립연구소를 중심으로 진행하고 있다. 국내에서는 초고강도 초미세립 탄소강, 고강도 고성형성 알루미늄 나노소재, 고강도 고전기전도도 나노결정립 소재에 대한 연구가 진행된 바 있으나 현재까지 실용되지 않았다.

◇ 시장규모 및 전망

강소성가공에 의한 나노소재기술은 금속재료 전 분야에 적용이 가능하기 때문에 그 응용범위는 넓다. 상업적인 응용과 관련해 먼저 나노벌크소재를 대량으로 생산할 수 있는 공정과 저비용으로 생산가능한 기술확보가 필요하며 기존 금속소재의 고강도화 및 고기능화를 통해 기존 시장을 대체할 것으로 전망된다. 따라서 적용분야 모두에 대한 시장규모를 예측하기는 곤란하기 때문에 최근 상업적 이용이 고려되고 있는 고강도 타이타늄 및 생체용 임플란트 분야의 금속소재 시장 규모를 다음 표에 정리했다.

▲ 강소성가공에 의한 나노소재 - 국내의 선도 기관.