세계적인 온실가스 감축 노력에 의해 수송 수단의 ‘녹색바람’은 권장사항이 아닌 필수사항이 되고 있다. 연비 향상 및 온실가스 배출 저감을 위한 방법에는 엔진개선, 친환경 연료로 대체 등 여러 가지 방법이 있으나 그 중 주목받는 것은 차체의 경량화다. 차체 40% 경량화시 연비는 무려 20% 향상된다.

포스코가 주관을 맡은 초경량 마그네슘(Mg)소재 사업단은 수송기기 경량화를 책임질 Mg소재를 개발하고 있다.

수송기기용 초경량 Mg소재는 미세조직 구성상의 정밀제어와 제조공정의 저비용·고효율화를 통해 기존 마그네슘 소재의 임계성능의 한계를 극복하고 가격 경쟁력을 확보한 소재를 말한다.

Mg은 구조용 금속소재 중 가장 가벼운 소재다. 철무게의 1/4에 불과하지만 비강도는 6배나 뛰어나 자동차 차체에 적합하며 알루미늄 무게의 2/3 수준이나 진동 흡수성 및 전자파 차폐성이 우수해 노트북, 휴대폰등 전자제품 케이스에도 적용 가능하다. 또한 재활용이 용이한 친환경 소재다.

수송기기에 Mg합금을 적용하면 50kg 당 탄소 배출은 10% 저감되고 환경비용은 2,000억원이 절감되는 것으로 나타나 대표적인 ‘녹색소재’로 각광받고 있다.

수송기기용 초경량 Mg소재는 2019년 국내시장 3조4,000억원, 해외시장 54조8,000억원으로 총 58조2,000억원에 달할 전망이다. 이는 올해 대비 약 9배 늘어난 규모다.

▲ SWOT분석.

■中에 의존하고 있는 Mg

Mg 소재는 그린수송기기의 핵심소재로 연평균 10% 이상의 고속성장을 지속하고 있으며, 세계 각국은 그린카 시장 선점을 위해 Mg을 전략소재로 분류해 관련 기술 개발에 집중 투자 중이다.

강화되고 있는 수송기기의 연비 및 배기가스 배출 규제를 위해선 현재 Mg합금제 자동차 부품의 95% 이상을 차 지하는 주조 부품의 적용분야 확대와 압연재, 압출재, 단조재 등의 가공재의 신규 적용 및 적용범위 확대가 절실하다.

그러나 Mg은 경쟁 소재인 철강이나 알루미늄 합금에 비해 열악한 성형성과 높은 제조원가 부담을 가지고 있다. Mg합금제 주조 부품은 현재 비교적 하중이 작게 작용되는 내장재에 주로 적용되고 있으나 차체, 새시 및 외장재에 주조 부품을 확대 적용하기 위해서는 기존 소재와 비교해 강도 및 인성이 향상된 신합금 개발과 고품위 주조재 제조기술 개발이 필요하다. 또한 Mg 압출재와 단조재를 수송기기에 적용하기 위해 각각 고속 생산기술과 맞춤 금형설계 및 단조공정 최적화 기술이 요구되고 있다.

특히 전세계 Mg 생산량의 95%를 점유하고 있는 중국은 Mg 자원의 무기화를 추진하고 있어 원소재의 안정적인 수급과 국내 개발 소재 및 부품의 가격 경쟁력 확보를 위해선 독자적인 원소재 제조기술 개발이 요구되고 있다. 우리나라는 Mg을 전량 수입에 의존하고 있으며 이중 93%를 중국에서 들여오고 있어 공급안정을 위한 기술개발이 시급하다.

▲ 사업단 참여기관.

■포스코 Mg 확보 나서다

수송기기용 초경량 Mg소재 개발을 위해선 무엇보다도 원소재 확보가 중요하다. Mg는 지각에서 8번째로 풍부한 물질이며 바닷물의 약 0.13%를 차지하고 있어 거의 무한정 생산할 수 있다. 그러나 바닷물에서 추출하는 전해공정은 공정이 복잡하고 환경처리비용이 비싸 이스라엘, 미국, 러시아 등 일부 지역에서만 적용하고 있다.

열환원공정은 마그네사이트(MgCO₃), 돌로마이트(백운석, MgCO₃,·CaCO₃) 등에서 고순도의 Mg을 추출하는 것으로 중국은 풍부한 원광석, 석탄, 노동력을 이용해 저가로 대량 생산해왔다. 2009년 기준 전 세계 Mg 생산시설 규모는 131만톤인데 이 중 중국은 116만톤을 점유하며 독보적인 위치를 차지하고 있다.

여기에 사업단의 주관기관인 글로벌 종합소재로 나서고 있는 포스코가 도전장을 던졌다. 지난달 10일 강릉 옥계에 연산 1만톤의 잉곳(Ingot) Mg 제련공장을 착공한 것. 포스코는 RIST와 공동 개발한 차세대 Mg제련기술인 ‘수직형 열환원 공정기술’을 적용해 중국에 비해 가격경쟁력과 친환경성을 확보하게 됐다. 포스코는 2018년까지 연산 10만톤 규모로 늘려 글로벌 Mg 제련사로 성장한다는 방침이다. 전남 순천에 Mg 판재공장을 가동 중인 포스코는 제련에서 압연까지 Mg 일관생산체제를 구축하게 됐다.

특히 포스코의 Mg 사업 진출로 인근에 Mg 클러스터가 구축될 예정이어서 관련 산업 활성화와 중소기업의 신규 참여가 확대되고 있는 것은 큰 성과로 평가되고 있다.

▲ 국내 자동차 제조사의 Mg부품 개발 추진현황.

■상용화 기술개발 시급

초경량 Mg소재 사업단은 고성형성 Mg 판재와 고강도 Mg 벌크소재 등 두 개의 세부 핵심기술을 개발하고 있다.

국내 자동차 부품업체의 경우 온간금형이 없으며 생산성도 낮아 Mg소재를 기피하는 경향이 있다. 이를 해결하기 위해 고성형 Mg 판재 개발이 필요한 것이다. 또한 대량생산에 적합한 용접법 개발과 이종소재 간 부식문제와 표면처리 방법을 해결할 폭 넓은 물성정보 파악도 요구되고 있다.

고성형성 판재 관련 국내 보유 기술의 수준은 세계 최상위 기술의 80%로 기술격차는 2~4년으로 알려져 있다.

사업단은 1차년도에 광폭 1.2m의 Mg 판재 제조기술을 개발했다. 이는 당초 목표치를 초과달성한 것으로 최종목표인 폭 1.9m 달성에 많이 근접한 것.

Mg 벌크소재와 관련해 국내에서 보유하고 있는 기술 수준은 세계 최상위 기술의 85%로 기술격차는 2~4년인 것으로 파악되고 있다.

우리나라는 이중 고강도 압출용 소재의 경우 출연연구기관과 대학의 기초연구를 통해 원천기술을 일부 확보했으나 Mg합금 압출재 시장의 미성숙과 산업계의 기술력 부족으로 양산을 위한 실용화 기술 확보가 미흡한 상황이다.

Mg 소재는 우리나라의 주력산업인 자동차산업에 점점 영향력을 미치고 있어 값싸고 고특성의 소재개발이 시급해 지고 있다. 2008년 생산된 구조용 Mg합금제 부품 중 자동차 부품이 78%를 차지했으며 내장재에서 바디, 새시, 파워트레인 등으로 사용이 확대되고 있는 추세다. 업계에 따르면 자동차 1대당 부품에 들어가는 마그네슘은 5kg에 불과했으나 2020년도에는 172kg에 달할 정도로 그 수요는 폭발적으로 늘어날 전망이다.

현재 Mg합금 부품은 일본, 유럽, 미국 등 선진국들을 중심으로 개발 적용되고 있다. 중국은 후발주자이나 세계 1위의 Mg 원료공급지로서 현재 100여개의 Mg생산업체를 바탕으로 글로벌 자동차·전자 Mg부품 공급지로 도약할 것으로 전망되고 있어 우리에게 큰 위협으로 다가올 전망이다. 포스코의 Mg사업 진출과 세계적인 자동차, 전자회사 보유라는 좋은 환경을 WPM을 통해 극대화할 수 있을지 귀추가 주목되고 있다.