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  • 기사등록 2018-07-17 15:43:16
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재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 8번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘기후변화대응 소재’다. 태양전지, 풍력발전, 연료전지, 에너지효율화 및 경량화, 수소생산 및 이산화탄소 전환, 공기정화 및 수처리 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2016’을 연재한다.

경량화 소재, 정부주도 연구개발·인프라 확보 시급


■ 기타 수송기기 경량화 기술


1) 철도 차량의 경량화


최근 고속철도의 발달로 인하여 운송효율 향상을 위한 철도차량의 경량화가 요구되고 있다. 기존 철도차량의 경우 주로 철강이나 스테인리스강을 적용한 부품 및 차체가 대부분이었으나 고속철도차량의 무게 감소를 통한 속도 및 에너지 효율향상을 위하여 대차를 제외한 대부분의 구조체에 고강도 알루미늄의 적용이 보편화되어 있다. 최근에는 탄소섬유강화복합재를 적용하여 보다 경량화 된 차체의 제조가 검토되고 있다. 철도차량에 적용되는 알루미늄은 주로 강도 및 용접성이 우수한 5xxx계 및 6xxx계 알루미늄 합금이며 고강도 부재로는 7xxx계 압출재가 사용되고 있다. 최근 국내에서도 고강도 압출재를 이용한 고속철도차량의 국산화가 이루어졌으며 속도 400km/h급의 해무의 개발과 더불어 재료연구소와 철도기술연구원이 공동으로 고강도 마그네슘 압출재를 적용한 경량차량개발을 위한 공동연구가 일부 진행 중에 있다.


2) 선박의 경량화


선박의 경우 많은 용접공정이 수반되기 때문에 용접이 용이한 철강소재가 대부분의 구조재로 사용되어 왔다. 최근 고속선박의 건조가 늘어나면서 선체의 무게를 감소시키기 위해 알루미늄 판재의 사용량을 늘리고 있으며 최근 건조량이 늘고 있는 고급 레저용 선박으로 선박용 알루미늄의 사용량이 크게 증가하였다. 주로 강도와 용접성이 우수한 5xxx(Al-Mg계)계 합금 판재가 적용되고 있으나 국내에서는 알루미늄 후판이 생산되지 않아 전량 수입에 의존하고 있다. 최근 LNG선박의 건조가 늘어남에 따라 저온에서 강도가 우수하고 용접성이 좋은 Al-Mg계 알루미늄 후판에 대한 수요가 증가하고 있으며 환경문제로 인한 LNG연료 추진선박의 필요성이 제기됨에 따라 LNG 저장용 탱크 소재로서 고강도 알루미늄합금 판재의 개발이 요구되고 있다.


■ 산업 및 시장 국내 동향


1) 시장규모 및 전망


앞서 살펴본바와 같이 전 세계적으로 친환경자동차 시장 및 항공기시장에서 경량화요구가 증가함에 따라 수송기기용 경량금속소재의 수요는 꾸준히 증가하고 있다. 국내에서도 마찬가지로 수송기기의 경량화를 위한 경량소재의 사용이 증가하고 있다. 알루미늄은 친환경 수송기기의 경량화를 위한 가장 현실적인 경량화 소재로 최근 급속한 증가가 예측되고 있으며 마그네슘은 경량화 효율 증가를 위하여 내식성이 요구되지 않는 내판재 또는 내장재 위주로 일부 철강 또는 알루미늄 부품 수요를 대체할 것으로 예상된다. 항공기의 경우도 연료효율 향상을 이유로 보다 경량인 탄소섬유복합재와 타이타늄의 적용비율이 증가할 것으로 예상된다.


이러한 수송기기의 경량화의 요구증가에 따라 아래 표에서와 같이 국내 알루미늄, 마그네슘, 타이타늄 시장규모는 2012년 2.4조 원에서 연평균 10% 이상의 성장세를 이어가며, 2017년 3.9조 원의 시장이 형성될 것으로 전망되고 있다.


또한, 경량금속소재 시장은 신소재/시제품을 대상으로 고부가가치화 및 원소재 자급화 요구가 심해지고 있으며, 제련, 정련 등의 대규모 플랜트가 요구되는 분야를 제외한 가공업에서는 빠른 기술주기에 대응할 수 있는 기술 확보 방안과 수요기업과의 소재부품기업과의 연계가 점점 더 중요해지고 있다.


2) 기업 동향


국내 완성차 제조기업에서는 기존 스틸의 강도를 향상시켜 두께를 저감하는 초고장력강 경량화 전략을 채택하고 있다. 특히 국내 현대·기아자동차는 최근 준준형 급에는 약 40%까지 초고장력강이 적용되고 중대형 차량의 경우에는 50% 이상의 초고장력강을 적용하고 있다.


현대·기아자동차의 경우 이미 2000년대 초부터 엔진, 자동변속기 모듈 등의 제작에 들어가는 부품 중 일부를 알루미늄 소재로 제작하고 있으나 아직까지 차체는 그 사용 비중이 미미하다. 그러나 국내/외 연비규제 정책으로 인하여 수송기기 경량화는 이미 피할 수 없기 때문에 그 사용량은 점차 증가할 것으로 판단된다. 현대의 제네시스(구형), 에쿠스가 후드에 알루미늄을 적용했고, 아이오닉, 니로 등에 세계 최대 알루미늄 판재 메이커인 노벨리스에서 개발한 ‘노벨리스 어드밴즈(Novelis Advanz)'를 전량 수입하여 적용하였다. 또한, 2018년 기존차량의 후속 모델의 후드/도어/펜더/트렁크 리드/쇼크 업소버 하우징/범퍼 백 빔을 알루미늄으로 대체하고 고성능 EV의 BIW에 알루미늄 소재를 채용하여 차량당 137kg/대 수준의 알루미늄을 사용할 계획이라고 알려져 있다. 한편, 쌍용자동차는 티볼리에 71.4%의 초고장력강을 적용하고 있으며, 현재까지 다종 소재보다는 초고장력강을 이용한 경량화 기술이 주류를 이루고 있다.


국내 자동차 산업에서의 마그네슘 부품 적용은 스티어링 휠 코어(steering wheel core), 스티어링 컬럼 하우징(steering column housing), 에어백 하우징 등 소규모 다이캐스팅 부품에 한정되다가 시트 프레임이 그랜져, 오피러스, 제네시스에 적용되면서 확대되었다. 또한 경량화의 극대화를 위해 마그네슘 판재를 활용한 시트 프레임도 개발되었으며, 르노 삼성에서는 자사 최고급 차종인 SM7 파티션 판넬을 마그네슘 판재로 대체하여 양산 적용하였다. 그러나 현재까지 국내 자동차업계의 마그네슘합금 적용 현황은 다이캐스팅 부품에 한정되어 있으며, 판재류의 적용은 전무한 실정이며 관련 연구도 저조하다. 다이캐스팅 부품은 마그네슘 잉곳을 생산하며 노동단가가 저렴한 중국에 비해 경쟁력을 잃어가고 있으므로 판재성형 및 용접에 의한 고부가가치부품 제조 분야로 관심 집중이 필요하다.


Al·Mg·Ti, 2017년 3조9억 시장…연평균 10% 성장
빠른 기술주기 대응·수요기업과 소재기업 연계 중요


국내 항공 산업의 기술 수준은 첨단전투기능(스텔스 등)이나 대형 민항기를 제외하면 일정 수준의 설계/개발 기술, 시험평가 기술을 확보하고 있는 상태이다. 정부는 약 18조원 규모로 단군이래 최대 국책사업이라는 한국형 차세대 전투기(KFX) 개발사업을 2014년 8월에 착수함으로써 독자적인 항공기술 확보를 위해 총력을 기울이고 있다. 국내 KAI(에어버스 A350 주익 및 동체 부품 RSP 참여)과 KAL(보잉 B787 주익 및 동체 부품 RSP 참여)이 RSP 참여로 1차 협력업체 지위를 확보하였으나 항공산업의 경쟁력을 결정하는 소재 분야는 100% 해외에 의존하고 있는 산업 구조를 가지고 있다.
포스코특수강과 포스코는 2010년 타이타늄 잉곳 제조사와 지속적인 협의를 통해 ‘잉곳(수입) → 단조 슬래브(포스코특수강) → 열연(포스코) →냉연(포스코)’을 통한 타이타늄 판재를 생산하는 프로세스를 구축함으로써 타이타늄 소재의 국산화를 진행하고 있다. 2013년도 들어서 포스코에서는 타이타늄 사업을 확대하며 타이타늄 판재와 튜브에 이어 후판 제품의 양산을 발표하고 타이타늄 시장개척을 위한 큰 프로젝트들이 진행되고 있어 이에 따른 연구개발 투자가 이루어지고 있는 상황이다.


■ 산업 및 시장 해외 동향


1) 시장규모 및 전망


환경규제 대응, 미래형 수공기기에 관련하여 경량금속소재를 포함한 세계 비철금속 시장규모는 지속적으로 성장할 것으로 전망되고 있다. 그중에서 수송기기의 경량화와 밀접한 알루미늄, 마그네슘, 타이타늄 시장은 꾸준한 성장세를 보일 것으로 전망되고 있다.


2) 기업 동향


미국 최대 알루미늄 제조 기업인 알코아의 경우 최근 알루미늄 판재 생산 시간을 크게 단축시킬 수 있는 연속제조공정인 ‘마이크로밀(Micromill)’ 기술을 개발하여 기존 20일이 소요되는 알루미늄합금 판재 제조 공정을 20분으로 대폭 단축하였다고 발표하였다. 또한, 포드(Ford)와의 공동연구를 통하여 뉴 F-150의 테일 게이트(tail gate)에 신 공정으로 개발된 알루미늄 소재를 적용하였으며, 추후 플로어 팬 터널과 휠 하우스(wheel house)도 같은 공정으로 제조하여 알루미늄 사용량을 증대시킬 예정이다.


세계 최대의 알루미늄 판재 생산 및 재활용 기업인 캐나다의 노벨리스는 포드, 랜드로버, 재규어 등 세계적인 완성차 메이커에 알루미늄합금 판재를 공급하고 있다. 최근에는 기존 차량용 알루미늄합금 판재보다 강도가 2배 이상 뛰어난 고강도 알루미늄 합금 어드밴즈(AdvanzTM) 7000 시리즈를 개발하여 전 세계 완성차 고객사에 납품할 예정이다.


세계 각국의 자동차 연비기준 강화에 따라 테슬러(Model S), 랜드로버(Range Rover), 아우디(A8, S8), 쉐보레(Corvette Stingray), 포드(F-150) 등 세계 선진 자동차 메이커의 경우 지속적인 기술개발을 통하여 알루미늄 합금의 차체 적용범위를 적극적으로 증가시키고 있는 추세이다.


BMW i3는 항공용 소재로 알려진 CFRP를 저가로 대량 생산할 수 있는 RTM (Resin Transfer Molding) 공법과 접착제를 이용하여 CFRP, 알루미늄 및 철강 소재로 이루어진 경량 차체를 개발하여 상용화 하였으며, 2015년 10월에는 플래그십 모델인 신형 7시리즈에 스틸, 알루미늄, CFRP를 적용하여 이전 세대 대비 130kg 경량화한 내연기관 자동차 중에서 최초의 다종재질 차량을 상용화하였다.
혼다의 경우 2025년 자동차 경량화 전략으로 Al inner frame, Al hood, bumper beam, Al BIW 등을 순차적으로 적용하여 경량화율 30%를 목표로 개발 추진 중이며, Friction Stir. Welding을 통한 철강-알루미늄의 이종소재 접합 및 3차원 lock seam 구조를 채용한 복합 구조를 개발하여 서브프레임 및 도어 패널에 적용하고 있다.


■ 미래의 연구방향


1) 다종소재를 활용한 경량화 효율 극대화


지구온난화로 인한 온실가스 배출규제가 심화됨에 따라 수송기기의 경량화는 필수적으로 경량화 효과의 극대화를 위하여 필요 적재적소에 가장 최적의 경량화 소재를 활용하는 다중소재의 활용기술이 진행 중이다. 또한 다중소재의 활용 시 접합기술의 중요성이 부각되고 있다.


2) 비강도 향상을 위한 신합금 개발 및 성형기술 개발


기존 소재 대비 강도를 증가시켜 경량화 효과를 증가시키는 연구로서 기존 철강소재를 고강도강이 대체하는 것과 같이 알루미늄, 마그네슘 등의 비철금속소재의 경우도 비강도가 우수한 신합금 개발에 대한 요구가 증가하고 있다. 또한 개발된 고강도 소재를 저비용으로 부품화하기 위한 기술 개발도 동시에 고려되어야 한다.


3) 소재기업-수요기업의 연계를 통한 상용화 기술 확보


각종 수송기기의 경량화를 위한 신소재 개발은 소재개발 초기부터 수요기업이 참여하여 최종 목적에 맞는 수요자 연계형 소재 및 부품개발 형태로 진행 될 것으로 판단된다.


■ 정책 제언


1) 정부주도의 연구개발 지원 필요


선진 각국에서는 수송기기 경량화를 위한 소재의 기초연구를 연구기관에서 담당하고 상용화 연구의 경우 수요기업과 소재기업이 공동으로 연구하여 적용하는 형태이다. 국내의 경우 철강소재는 포스코와 현대제철 등의 대기업 주도로 연구가 가능하지만, 알루미늄 및 마그네슘의 경우 소재 제조기업의 규모가 작아 자체 연구개발 능력이 부족하여 정부 주도의 연구개발로 기술 확보가 먼저 이루어져야 할 것으로 판단된다.


2) 수송기기 경량화 소재 제조를 위한 인프라 구축


국내 경량 소재기업의 규모가 작고 연구 인력이 부족하여 연구시설 및 시제품생산을 위한 인프라가 부족하다. 따라서 공동 활용이 가능하고 경량부품 소재에 특화된 연구 장비 및 시제품 생산 장비의 인프라 구축이 필요할 것으로 판단된다.


3) 비철소재 기업의 교류 활성화를 위한 공동협의체 정비


국내 알루미늄, 마그네슘, 타이타늄, 복합재료를 제조하고 활용하는 기업의 규모가 작아 신기술자료의 조사 및 기술개발동향 분석 등을 기업이 스스로 하기에는 한계가 있을 것으로 판단된다. 각 소재별 협회가 있지만 소재간 네트워크 구축 및 신기술 소개에 대한 업무를 감당하기에는 너무 작은 규모이므로 이러한 소재협의체가 활성화 되도록 정부차원에서 지원도 고려되어야 할 것으로 판단된다.


▲ <표 3-4-2-10>경량금속소재 시장 현황 및 전망(단위 : 억 원/백만 달러)


▲ <표 3-4-2-11>자동차 경량화 관련 국내 기업 동향


▲ <표 3-4-2-12>세계 경량금속소재 시장 현황 및 전망(단위 : 백만 달러)


▲ <그림 3-4-2-14>알코아의 Micromill(좌), 포드 F-150(우)


▲ <그림 3-4-2-16>알루미늄 소재 적용 자동차


▲ <표 3-4-2-13>자동차 경량화 관련 해외 기업 동향


▲ <그림 3-4-2-12>마그네슘합금이 최초로 적용된 TGV Duplex High Speed Train 및 seat


▲ <그림 3-4-2-13-1>LNG-fuelled LNGC 개념도


▲ <그림 3-4-2-13-2>LNG-fuelled 크루즈 페리


▲ <표 3-4-2-8>수송기기 경량화 기술 - 국내 선도연구기관


▲ <표 3-4-2-9>수송기기 경량화 기술 - 해외 선도연구기관


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