Update2024.05.21 (화)
기술·가격 해결한 Mg, 수송기기 경량화 소재 재도약
지난 12월 196개 선진·개도국 모두가 참여한 가운데 2020년 이후 새로운 기후체제 합의문인 ‘파리협정’이 채택됐다. 이제 전세계가 기후변화의 주범인 온실가스를 감축하기 위해 책임감을 갖고 나서게 되면서 상당한 온실가스를 배출하는 수송기기분야에서도 시급한 대응이 요구되고 있다.
과학기술이 만들어낸 경이로운 작품인 자동차 및 항공기가 배출하는 이산화탄소(CO₂) 문제는 그간 수송기기 설계의 핵심개념인 기기의 편의성이나 비용 관점뿐만 아니라 연비향상과 경량화측면에서 풀어야 하는데 그 기술의 밑바탕에는 소재기술이 있다.
마그네슘(Mg)은 구조용 금속소재 중 가장 가벼운 소재로 수송기기 경량화의 핵심 소재로 인식되어 왔기 때문에 2차 대전이 시작되던 1940년을 기점으로 많은 양이 사용되었으나 채 5년을 버티지 못하고 사용 불가능한 소재로 결론짓고 완전히 폐기되었다. 반면 마그네슘보다 단지 30~40여년 이른 시점에 사용된 알루미늄이나 고분자 소재시장은 엄청나게 빠른 속도로 성장하여 수천만 톤의 규모로 성장했는데 그 배경에는 경량소재를 요구하는 수송기기 산업의 수요와 그 소재가 가지는 성능이 잘 연결된 결과라 하겠다.
그럼 당시 왜 마그네슘 소재가 버려졌는가를 살펴보자. 1940년대, 독일의 폭스바겐은 그간 사용하지 않았던 새로운 경량금속인 마그네슘을 대중차에 야심차게 적용, 자동차 1대당 20kg을 사용하였으나 여러 문제점을 발견하는데 채 몇 년이 걸리지 않았다.
그것은 마그네슘은 불이 붙는 위험한 금속이고 너무 빨리 부식되며 그리고 철강처럼 그리 강하지도 않는데 너무 비싸다는 것. 이러한 이유로 사용 폐기되었던 마그네슘이 다시 소재시장에 모습을 드러낸 것은 1990년대 휴대용 전자기기에 마그네슘이 경량 신금속으로 적용되면서부터로 무려 30년이 지나서야 재평가 받은 것이다.
이제 세계 자동차사들이 다시 마그네슘에 관심을 가지고 적용하면서 새로운 마그네슘 시대가 열리고 있는데 이는 소재가 가지고 있었던 문제점들이 하나씩 해결됐기 때문이다.
경량화가 절실한 휴대용 전자기기와 자동차 내장재를 중심으로 지난 20여 년간 사용되어 온 마그네슘 소재의 각종 기계적 특성은 상당한 수준으로 향상된 상태이고, 이를 저비용을 생산하기 위한 신공정기술은 중국의 열환원 제련기술과 포스코의 판재 strip제조 신공정기술 등에서 보듯이 산업계의 요구수준을 달성했다고 볼 수 있다.
한편 마그네슘 소재의 근본적인 특성으로 해결이 불가능하리라 생각해 온 고온에서 불이 붙는 성질은 합금화기술을 통한 난연합금 개발로 해결됐다고 볼 수 있다. 우리나라 정부출연연구소인 재료연구소에서는 세계 최고수준의 난연성과 기존의 어떤 마그네슘 소재보다도 우수한 부식저항성을 가진 신합금의 개발을 보고하였다.
이는 마그네슘 부식연구의 꿈으로 인식되어 오던 알루미늄 수준의 부식특성을 보유한 신합금으로 2015년 제주에서 열린 ‘Mg-2015 세계 학회’에 보고함으로써 지난 70년간 미루어 왔던 마그네슘 소재의 2가지 숙제를 한꺼번에 해결하는 쾌거를 이루었다.
재료硏 고내식 난연성 신합금 개발, GM 車 도어소재 적용 테스트
항공·철도 본격 적용 확대 기대, 韓 세계 Mg 기술 선도 ‘호기’
가장 큰 자동차 시장을 보유한 구미에서는 PNGV, Freedom CAR, MagNET 등의 대형 프로젝트를 통해 자동차 경량화를 위한 연구가 지속적으로 수행되어 왔으며 성공적인 결실이 있었으나 미국 자동차 경기 침체로 이들 열기 또한 식었던 것이 사실이다. 그러나 2015년을 기점으로 미국은 ALMMII(American Lightweight Materials Manufacturing Innovation Institute)를 설립하고 LIFT(Lightweight Innovation for Tomorrow) 프로그램을 본격 가동하면서 새롭게 경량소재의 자동차 적용연구에 박차를 가하고 있다.
이와 같이 마그네슘 소재에 대한 집중적인 투자의 배경에는 기존에 마그네슘의 자동차 내장재 적용한계를 벗어나 샤시 및 바디를 포함하는 외장재 적용에 대한 확신이 있기 때문이다.
제너럴모터스(GM)의 중앙연구소가 있는 디트로이트에서는 자동차 도어 인너(door inner)를 기존의 스틸소재에서 마그네슘 주조재로 대체하기 위한 연구를 수행하고 있다. 이는 부품의 제조공정에 드는 총 에너지를 50% 줄일 수 있을 뿐 아니라 중량도 50% 이상 절감하기 때문에 경량화에 따른 연비향상과 탄소배출 저감효과를 동시에 취할 수 있다는 장점이 있다.
이 프로젝트에서 제너럴모터스는 한국에서 개발된 난연성 고내식 마그네슘 합금을 평가하고 있다. 이 연구를 성공적으로 수행한다면 제너럴모터스는 8년 이내에 마그네슘 도어 인너를 전 차종으로 확대 적용하겠다는 야심찬 계획을 소개함으로써 단일품목 마그네슘 사용량을 15만 톤으로 확대하는 역사적인 전환점이 될 것으로 기대되고 있다.
마그네슘의 시대의 도래는 수송기기의 주류인 자동차에만 국한하지 않고 항공기 및 철도분야와 함께 한다. 그간 마그네슘 소재의 발화에 대한 위험성으로 인해 사용이 금지되었던 항공기 분야의 문을 연 곳은 독일의 RECARO로서, 마그네슘 소재의 항공기 의자 적용을 위한 발화테스트 규정을 마련하여 금년 미국 FAA(Federal Aviation Administration)의 승인을 받았으며 난연성 마그네슘을 적용하기 위한 기초테스트를 마치고 양산을 위한 최종 검증단계에 있다.
철도분야에서의 마그네슘 적용은 철도 선진국인 프랑스, 독일, 일본 등과 같이 한국에서도 고속철도 차량을 대상으로 하고 있으며 2010년 국산기술로 제작된 KTX산천 차량을 개발함과 동시에 시작되었다.
고속철도 차량의 경량화는 차량의 고속화나 운영에너지 절감 측면과 더불어 철로의 보수 및 유지에 드는 비용절감 측면에서도 절실하기 때문에 각국에서는 마그네슘 소재를 적용하기 위한 정부차원의 대형 프로그램들이 수행되고 있다. 항공기용 소재와 같이 철도차량 내외장재 적용 위한 안전규정을 마련하기 위해 우리나라에서도 마그네슘 소재의 발화테스트 규정을 마련 중에 있고 그 규정이 마련된 후 본격적인 적용량 확대가 기대된다.
이와 같이 새로운 마그네슘 시대는 이미 우리 주위에 현실로 다가와 있으며, 그간 한번도 기초소재 분야에서 세계 최고의 자리를 차지해 본적이 없는 한국의 연구진과 산업계가 이 시대의 주역으로 당당하게 그 자리를 차지하고 있다는 사실이 가슴 뿌듯한 일이 아닐 수 없다.
