신소재경제신문·재료연구원 공동기획 소재기술백서 2019(2)-제1장 내열 및 구조소재-고강도 경량소재 기술(2)-이유환(태양금속)

신소재경제신문·재료연구원 공동기획 소재기술백서 2019(2)-제1장 내열 및 구조소재-고강도 경량소재 기술(2)-이유환(태양금속) - 경량화·고강도화 비철금속 기술 개발 必

기사등록 2021-03-15 15:25:41

재료연구원이 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 11번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘미래국방소재’다. 미래 전장 환경 변화, 병력대상 인구의 감소, 해외 주요국의 국방력 강화 등 미래국방 관련 기술개발의 요인이 갈수록 증가하고 있고, 우리나라 또한 정부 국정과제 및 주요 국방 관련 정책 대응을 위한 기술현황 파악에 적극적으로 나서고 있다. 소재기술백서 2019는 이러한 ‘미래국방을 위한 소재기술’을 주제로, 내열 및 구조 소재, 생존 및 방호 소재, 첨단지능형 방산기능 소재와 관련한 기술동향을 분석하는데 집중했다. 이에 본지는 재료연구연과 공동기획으로 ‘소재기술백서 2019’를 연재한다.

경량화·고강도화 비철금속 기술 개발 必

■ 타이타늄 합금 계 구조 재료

1) 국내 동향

타이타늄 합금은 국방 선진국의 경우 그 수요가 매우 높고 이미 많은 적용 기술이 개발되어 양산 중이고 현재도 많은 기술 개발이 이루어지고 있으나, 국내의 경우에는 수요처의 제한과 국방 외에 시장 규모 한계에 부딪혀 괄목할만한 결과를 보여주지 못하고 있는 것이 현실이다. 그러나 최근에는 최대 인장강도 1,400MPa급 국산형 타이타늄 합금 개발 및 체결부품과 항공기 동력 부품에 적용하려는 노력이 이루어지고 있다. 또한, 상용 Ti-6Al-4V(Gr. 5)을 활용하여 더욱 적극적인 시장 형성 및 국내 적용 활성화를 목적으로 기술개발사업을 수행하고 있다.

그 대표적인 사례는 한국기계연구원 부설 재료연구소(KIMS) 타이타늄연구실을 통하여 찾아볼 수 있는데, 연구실에서는 합금 설계, 저비용 고성능 타이타늄, 고융점 금속소재의 공정 기술 등을 개발하고 있다. 최근에는 <그림 7>과 같이 ‘고감도 플렉서블 타이타늄’과 ‘나노구조 초특성 타이타늄’의 개발을 통하여 구조용 부품뿐만 아니라 IT, 바이오산업 등의 기능성 핵심부품에 적용하기 위한 연구도 집중적으로 수행하고 있다.

2) 해외 동향

양적인 측면에서 중국은 타이타늄 합금의 최대 생산 국가임과 동시에 최대 소비 국가이기도 하다.

최근 수년간 중국의 성장세는 매우 높은 편이나, 이전 타이타늄 합금의 기술 또는 시장과 연관된 선진국과의 격차는 비교적 큰 편이다. 그러나 그 격차는 비교적 짧은 시간 안에 유사한 수준에 이를 것으로 전망된다. 특히 중국은 자국 내 빠른 3D 프린팅 분야의 성장에 맞추어 타이타늄 선(wire)을 이용한 부품 적용이 매우 활발하고 수출 역시 급성장하고 있다. 중국 상용 항공기 유한공사(COMAC)에서 제조 중인 중국의 첫 중대형 민간 항공기 C919는 3D 프린팅을 통해 티타늄 합금 부품을 제작, 적용하여 중량 감소에 성공했다고 알려져 있으며, 타이타늄 합금을 다량 적용하여 제작된 유인 잠수함이 1만 미터 심해 수압 시험을 통과하여 잠수함 건조에 중요한 타이타늄 합금 가공 및 응용기술이 이미 확보된 것으로 알려져 있다.

일본의 경우 일본제철 및 고베제강 등 대형 철강사를 위주로 타이타늄 합금 기술을 개발하고 있으며, 그 활용도 매우 활발하다. 2017년 고베제강은 <그림 8>과 같은 대형 타이타늄 합금 단조품을 양산 개시하였으며, GE에서 제조하는 제트 엔진 부품에 적용하는 것으로 알려져 있다.

미국의 타이타늄 관련 연구는 주로 정부 기관인 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency), DOE(Department of Energy) 및 DOD(Department of Defense)에서 주도하고 있다. 수행 중인 주요 연구로는 웹스터 홉(Webster-Hoff Corp.)과 일리노이 공과대학교(Illinois Institute of Technology) 등이 DOE로부터 지원을 받아 타이타늄 분말로 자동차용 부품을 저가로 제조하는 공정연구가 있다. 기업의 예로는 보잉(Boeing)이 최근 과학산업연구개발위원회(CSIR)와 타이타늄 분말을 활용하여 저가의 항공부품을 제조하는 기술에 대한 MOU를 맺은 것으로 알려져 있다. 또한, 미국은 항공 우주용으로 사용되는 고품질 잉곳이 요구되므로 EBDHM(Electron Beam Cold Hearth Melting) 및 PACHM(Plasma Arc Cold Hearth Melting) 기술을 통한 스크랩 재활용 기술이 더욱 발전되고 있다.

■ 알루미늄 합금계 구조 재료

1) 국내 동향

현재 고강도 알루미늄 관련 기술은 수송기기 경량화를 위한 구조용 소재 분야가 주도하는 양상이며, 특히 자동차 부품 경량화와 관련하여 고강도 5XXX계, 6XXX계 및 7XXX계에 대한 개발 수요가 매우 많은 편이다. 경량화가 절대적인 요소인 항공 분야에서도 알루미늄-리튬 합금 개발을 중심으로 꾸준히 진행되어 오고 있으나, 신합금 및 고효율 제조공정 개발을 위한 합금설계 기술, 용해·주조기술, 가공기술, 열처리 기술, 시험·평가기술 및 시뮬레이션 기술 등에 대한 개발 또한 지속적으로 필요할 것이다.

국내 알루미늄 기술은 사업체에서는 저강도 소재 위주로 일부 제한된 업체에서만 보유 중이다. 고강도 소재 기술에 관하여 국내 주요 업체에서는 알루미늄 용탕제어기술, 박판주조기술 및 조직제어기술 등을 통하여 고강도 압출재, 고성형성 판재, 입자강화 복합재료 및 발포 알루미늄 등의 개발연구를 진행해 오고 있다. 그러나 아직 2XXX계, 7XXX계 및 Al-Li계 등 고강도 소재에 대한 국내 기술은 선진국 대비 약 50% 수준으로 평가되고 있다.

국내 주요 연구기관에서는 몇 가지 괄목할만한 기술들이 개발되었다. 그중 몇 가지를 소개하자면, 첫째는 <그림 9>와 같이 재료연구소에서 개발된 ‘고강도 알루미늄 합금판재의 저비용 기술’로써 알루미늄 용탕으로부터 판재를 직접 제조하는 박판연속주조 기술이다. 이것은 현재 강도가 낮은 저합금계에 한정되어 적용되고 있으나, 공정의 정밀 제어를 통하여 고합금계에 적용하여 저가로 고강도 알루미늄 합금 판재를 제조함으로써 철강소재 대비 가격 경쟁력 확보 가능한 기술로써 알려져 있다.

또한, <그림 10>에 나타낸 것은 한국생산기술연구원에서 개발된 것으로서 고강도 고열전도도 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제조하는 방법이다. 이것은 알루미늄에 아연, 마그네슘, 구리, 지르코늄, 티타늄 등의 합금원소를 첨가하여 인장강도 350MPa, 열전도도 130W/mK 이상의 특성을 갖는 합금소재에 대한 기술로써 특히 다이캐스팅용 알루미늄 합금 소재에 효과적으로 적용될 수 있는 것으로 알려져 있다.

향후에는 자동차용뿐만 아니라 항공기 및 국방 소재 적용 관점에서 고특성 고부가가치 항공용 알루미늄 개발 요구는 증대될 것이며, 이에 따른 연구도 활발해질 것이다. 알루미늄 합금은 지금까지 국방, 방산 및 항공용 소재 분야에서도 더불어 독보적인 위치를 점유하고 있었으나, 최근 탄소복합재 사용량의 증가로 그 기세가 약화되었다. 그러나 알루미늄 합금은 경량이면서 금속이라는 장점이 분명히 있는 만큼 자동차 산업의 적용 및 활용 증가 추세에 따라 항공기 및 국방 소재에도 적용할 수 있는 연구결과 또한 속속 등장할 것이다.

2) 해외 동향

세계 최대 압연 알루미늄 및 재활용 기업 노벨리스에서는 자동차 차체용으로 저비용 알루미늄합금을 제조하기 위한 박판연속주조공정 및 조직제어에 의한 성형성 향상 기술에 대한 연구가 수행 중이며, 다층소재로 구성된 슬라브를 주조할 수 있는 기술을 개발하고 다층판재를 생산할 예정으로 알려져 있다. 또한, 일본의 오사카 대학의 교수 그룹에서는 고속으로 알루미늄합금 판재를 제조할 수 있는 수직형 박판주조 기술에 대한 연구가 진행 중이다. 그러나 이는 국내에서도 시도된 바 있으며, 이미 유사한 기술을 보유하고 있는 것으로 판단된다.

<그림 11>은 최근 알려진 주요 기술로 미국 퍼듀 대학(Purdue University)과 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology) 연구진에 의해 개발된 알루미늄 합금으로 스테인리스강에 비견될 수 있는 강도를 가지고 있다. 이 새로운 고강도 알루미늄은 적층 결함을 결정 구조 속에 도입함으로써 만들어졌다. 구리와 은과 같은 금속에서는 적층 결함을 쉽게 생성시킬 수 있었지만, 알루미늄에서는 생성이 어려운 것으로 알려져 왔다.

대부분의 알루미늄 합금은 기계적 강도가 낮다. 나노쌍정(nanotwin)은 금속 재료에서 높은 강도와 연상을 유도할 수 있다. 그러나 알루미늄에 고밀도 나노쌍정을 도입하는 것은 매우 높은 적층-결함 에너지(stacking-fault energy) 때문에 어렵다. 이번 연구진은 알루미늄에 몇 원자 퍼센트의 Fe를 혼입시켰다. 그래서 Al(Fe) 고용체에 고밀도 9R 상을 가진 나노쌍정 입자를 형성시킬 수 있었다. Al-Fe 합금은 Al 합금 중에서 가장 높은 약 5.5GPa의 최대 경도를 가졌다. 분자 동역학 시뮬레이션을 통해서 Al-Fe 합금의 고강도 및 고경도를 확인할 수 있었고, 이것은 고밀도 9R 상과 나노크기의 입자 때문에 주로 발생한다는 것을 확인할 수 있었다. 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)이라고 불리는 방법에 의해서 알루미늄 결정 구조 속에 철 원자들을 주입함으로써 알루미늄 속에 9R 상을 유도할 수 있었다.

이 연구는 전자 및 자동차 산업에 적용할 수 있는 내마모성 및 부식 방지 알루미늄 합금 코팅 기술을 개발하는데 적용될 수 있을 것으로 보이며, 강도가 높고 가벼운 알루미늄 합금으로 자동차 및 우주 산업에도 새로운 혁신을 불러올 수 있을 것으로 전망된다.

일반적으로 알루미늄 단조품들은 결정립도가 조밀하고 균일한 섬유구조로 인해 강도와 피로강도가 매우 높은 것으로 알려져 있다. 이것을 보다 향상할 목적으로 <그림 12>와 같이 독일의 AWW(Aluminium-Werke Wutoschingen)사는 자동차 차체용 고강도 알루미늄 합금을 개발해 기존에 사용되던 강철을 대체할 수 있게 되었다고 발표하였다. 개발 과정에서 재결정 억제 원소인 크롬이나 망간을 첨가하거나, 철과 실리콘 사이의 비율을 조절하고, 연속주조 및 압출성형을 할 때 적합한 가공 열처리를 효과적으로 적용함으로써 상당히 미세한 조직을 확보하였는데 상당히 고온인 530°C에서도 안정적으로 유지되는 매우 작은 입자 크기(ASTM class 5 미만)로 알려져 있다.

■ 마그네슘 합금계 구조 재료

1) 국내 동향

마그네슘 합금은 밀도가 1.74g/cm3으로 비강도, 비탄성율이 우수하다. 이러한 장점으로 기존의 경량재료인 플라스틱 및 알루미늄으로 만든 부품을 점차 마그네슘 합금으로 대체 적용하고 있으며, 경량화가 적극 요구되는 국방 및 방위산업용 부품으로도 적용에 대한 관심이 증가하고 있다.

1900년대 초, 독일에서 최초로 항공기 엔진 블록에 마그네슘을 사용한 이래로 주요 참전 국가를 중심으로 여러 나라에서 마그네슘 합금을 각종 무기체계에 적용하려 하였으나, 적용된 무기체계의 발화 및 부식 등 예상치 못한 문제점이 대두되면서 이후 마그네슘 합금 적용은 급격히 감소하였다. 그러나 1990년대 초, 부식이나 발화의 영향을 받지 않는 부품에 활발히 적용하기 시작하면서 항공기, 헬리콥터, 전차, 장갑차 및 개인용 화기 등에 폭넓게 적용하고 있다.

Al 고강도 소재, 국내 기술 선진국 대비 50% 수준 평가

Mg 항공기좌석, 2억불 연료비절감·12만6천톤 CO2 감소

특히 마그네슘은 낮은 강도와 부식 민감성, 낮은 발화온도 등의 특성으로 인해 부품 적용이 다른 금속에 비해 다소 어려웠으나, 2015년 미국 FAA(Federal Aviation Administration, 연방항공국)에 의하여 발화특성 평가 및 항공기에 적용 가능한 난연 특성에 대한 기준이 제시되면서 항공기용 마그네슘 합금을 이용한 소재 및 부품 시장이 새로운 경량금속 적용 분야로 부상하고 있다.

특히 재료연구소를 중심으로 구성된 한반도광물자원개발(DMR) 융합연구단 소속 마그네슘활용기술연구팀에서는 북한의 대표적인 전략금속 자원인 마그네사이트를 국가 주력산업에 적용하기 위하여, 고품위 내화물 제조기술과 고효율·친환경 신제련기술, 고특성 마그네슘 신합금 및 부품화 기술을 개발하는 것을 목표로 연구를 수행하고 있다.

주요 기술개발 결과로는 첫째, ‘고효율·친환경 용융염전해법에 의한 CP급 마그네슘 금속 제조 실용화 기술’이 있다. 산화마그네슘의 전해환원으로 생성된 마그네슘과 액체금속 음극과의 반응에 의해 금속간화합물을 생성 후 이를 진공 증류하여 고순도 마그네슘 금속을 제조하는 MSE-LMC(Molten Salt Electrolysis using Liquid Metal Cathode)법의 실증화 기술이다. 둘째로는 북한산 마그네사이트를 MSE-LMC법으로 제련한 마그네슘 순금속 맞춤형 Fe-free 마그네슘 신합금 개발이 있고, 셋째로는 자동차, 철도, 항공기 등의 수송기기에 적용 가능한 양산설비 대응형 마그네슘 합금 압출재 제조기술 개발이 있다. 마지막 넷째로 마그네슘 판재 분야에서 최대 난제인 상온성형성과 내식성을 동시에 향상시키기 위한 연구를 수행 중인 것으로 알려져 있는데, <그림 13>에 나타낸 바와 같이, 이미 1단계 연구를 통해 상온성형성과 내식성을 동시에 확보하기 위한 신합금 조성 및 압연-열처리 신공정 제어기술을 개발하였고, 2단계에서는 세계 최고 수준의 복합특성을 가지는 마그네슘 판재 개발 및 Pilot Plant급 스케일업 기술 개발 연구를 수행 중이다.

POSCO는 2015년에 세계 최초로 쌍롤주조법으로 제조한 마그네슘 합금 판재를 삼성-르노 자동차 SM7의 Luggage retainer에 성공적으로 적용하였으며, 포르쉐 911 GT3 RS의 지붕에 개발된 마그네슘 합금 판재를 <그림 14>와 같이 적용하였다. 특히 박판주조공정의 경우 광폭화 기술 및 고합금계 박판주조기술 개발과 관련된 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 최근에는 내식성이 우수한 합금 개발 및 박판주조공정 적용이 추진되고 있는 것으로 알려져 있다.

2) 해외 동향

자동차 산업을 중심으로 마그네슘 합금은 자동차의 휠, 변속기 케이스 및 엔진 블록 등에 주로 응용되고 있다. 환경규제의 영향으로 철강 및 알루미늄 합금 부품에서 마그네슘 합금으로의 사용은 계속 촉진될 것이며, 이에 따라 경량화 및 연비 절감은 자동차 산업에서 계속해서 강조될 것이다. 마그네슘 합금은 국방소재로서도 많은 이점을 가지고 있어 해외에서도 많은 관심을 가지고 지속적인 연구개발을 하고 있다.

일본 신에너지종합개발기구(NEDO)에서는 산업기술종합연구소, 후지라이트메탈(주) 및 (주)토바타 제작소와 함께 기존의 방법보다 기계적 특성을 비약적으로 개선한 난연성 마그네슘합금 압출재의 제작에 성공하였다. 난연성 마그네슘합금의 경우 기존의 열처리기술을 통해 압출할 때 압출 소재의 내부에 정출물이 생성되어 생성된 정출물에서 파괴가 일어나 높은 강도와 연신율을 얻는 데 어려움이 있었다. 그러나 연구진들은 정출물을 구상화시키는 새로운 열처리 기술을 통해 동일한 인장강도를(기존 373MPa, 개발기술 적용 366MPa) 가지면서 연신율을 크게 향상(기존 11.2%, 개발기술 적용 16.8%)할 수 있었다. 개발된 열처리기술을 적용할 경우 기존보다 약 50% 높은 연성을 확보할 수 있어 철도차량 등에서 사용되는 고강도 알루미늄합금을(A7N01-T5 합금, 인장강도는 약 350MPa, 연신율 약 15%) 대체할 것으로 알려져 있다.

오토데스크(Autodesk)는 아리스토 캐스트(Aristo-Cast)와 손잡고 3D 프린팅을 이용해 마그네슘 합금으로 <그림 15>와 같은 항공기 좌석 프레임을 제조하였다고 알려져 있다. 이 좌석 프레임은 극히 가벼워서 항공사가 2억 달러 이상의 연료비를 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 오토데스크의 새로운 기하학적 모형의 좌석 프레임은 전통적인 좌석만큼 튼튼하면서도 훨씬 가벼운 것이 특징이다.

먼저 3D 프린팅으로 패턴을 제작하고 제작된 패턴을 정밀주조를 통해 프레임으로 제작하였다. 이 프레임의 무게는 766g으로서, 기존 알루미늄 프레임(1,672g)보다 56% 더 가볍다. 오토데스크에 따르면 에어버스 같은 항공기 제조회사가 A380 여객기의 좌석 615개를 새로운 마그네슘 합금 프레임으로 모두 교체하였을 때, 수명 20년의 항공기 100대당 2015년 연료비를 기준으로 2억 600만 달러를 절감할 수 있을 것으로 예상하였다. 연료비 절감은 물론 탄소 배출량 역시 12만 6,000t의 감소가 가능하다고 예상하였다.

항공기 좌석 프레임을 3D 프린팅으로 제작한 것은 획기적인 일이다. 그러나 정밀주조 업체는 3D 프린팅과 같은 신기술을 단독으로 사용하는 것이 아닌, 기존의 금속 주조기술과 결합하여 이 분야에서 새로운 성장 동력을 찾을 수 있기를 기대하고 있다.

■ 국내외 선도연구기관

본 글에서 다루고 있는 고강도 경량 국방소재와 관련하여 신 합금 설계를 기반으로 한 새로운 구조재료에 대한 연구는 주로 연구소를 중심으로 이루어지고 있다. 철강 재료의 경우는 특별히 철강 제조사와 자동차 적용 업체와 같은 기업체를 중심으로 집중적인 연구개발이 이루어지고 있으나, 철강 재료를 포함하여 대부분의 경량 구조 재료의 중심에는 한국기계연구원 부설 재료연구소가 중추적인 역할을 수행하고 있다. 더불어 주요 핵심 분야 전문 연구소(원)를 중심으로 구성된 산·학·연 네트워크를 중심으로 다양한 연구개발이 수행 중이다. 국내 고강도 경량 구조재료에 대한 선도연구기관은 다음의 표에 정리하였다.