국내 경량금속소재 기술개발 동향

국내 경량금속소재 기술개발 동향

<목차>

0. 요약

1. 경량금속 소재를 둘러싼 환경 변화

2. 수송기기 경량화 대응 고강도·저원가 알루미늄 판재 연속제조 기술개발 동향*

3. 국내 마그네슘 소재 공급망 안정화에 기여하는 제련 및 소재·부품 기술개발 현황*

4. 항공용 타이타늄 합금 체결부품 상용화 기술개발 현황*

5. 결론 및 시사점

출처 및 참고자료

0. 요약

미래 수송기기(친환경차, 항공우주), 에너지·환경 등 국내 주력산업에 활용되는 경량금속 소재를 둘러싸고 ① 미·중 패권 경쟁 등 정치·사회적 환경 변화에 따른 글로벌 공급망 위기, ② 기후위기 대응 국제 환경규제 강화, ③ 소재부품 생산 및 시스템 활용에 있어서 에너지 자원의 가격 상승 등 위기감이 증폭되고 있다.
본고에서는 이러한 위기감을 기술개발을 통해 해소하려는 노력의 일환으로, 알루미늄, 마그네슘, 타이타늄 등 대표적인 경량금속 소재 및 이를 활용하여 제조되는 부품에 대한 국내 기술개발 지원 현황을 소개한다.

- 산업통상자원부 혁신성장동력프로젝트(경량 소재)의 지원을 통해 “차체 경량화를 위한 자동차 내·외판재용 고강도·고성형성 알루미늄 합금 판재·부품 개발” 및 “항공·국방용 타이타늄 합금 체결 부품, 타이타늄 합금 원소재-중간재-단조 부품 개발”을 수행한 바 있으며, 그 결과로 전방 산업군에 대한 트랙레코드 확보가 시작되었다.

- 산업통상자원부 소재부품기술개발사업의 지원을 통해 국내 제철 공정에서의 발생 산업폐기물들을 원료로 친환경 제련기술 기반 마그네슘 금속을 확보해 공급망 안정화에 기여하는 연구가 시작되었으며, 이에 대한 저비용·고성능 중간재·부품화 기술개발을 병행 추진 중이다.

전기수소차 전환, K-방산 활성화, 민항기 국제 공동개발 추진 등 경량금속 관련 미래 기회 요인의 증가가 예상되며, 공급-수요 서플라이 체인과 연계해 ‘소재 제조–부품화–시스템 탑재 트랙레코드 확보–사용 후 재활용’에 이르는 전 공정 솔루션을 확보함으로써, 소재를 제조하는 중소·중견 후방 기업군의 사업 초기 위험 해소 및 시장 진입장벽 완화를 통해 국내 산업의 역량을 강화할 수 있을 것으로 생각된다.

1. 경량금속 소재를 둘러싼 환경 변화

알루미늄, 마그네슘, 타이타늄으로 대표되는 경량금속 소재의 글로벌시장 규모는 2023년에 2,016억 달러였으며, 2031년까지 연평균성장률 8.12%에 이를 것으로 예상된다.* 주로 미래모빌리티 분야의 경량화 및 구조적 무결성 향상, 우주항공 분야의 경량화 및 연료 효율성 향상 등에서 혁신적이고 중추적인 역할을 담당해 왔다. 경량금속의 후방산업은 기본적으로 원료 매장 국가 중심으로 발달해 왔다. 국내의 경우 원료 매장량 부족, 채굴 및 제련 경제성의 부족, 비친환경적 생산 요소 등으로 인해 주로 해외에서 원료나 잉곳을 들여와 중간재 제조 및 2차 가공을 통해 부품화하는 서플라이 체인 중심으로 성장해 왔다.

* “글로벌 경량금속 시장-업계 동향 및 2031년 예측”, Data Bridge Market Research, 2024.03.

그러나 2020년대 들어 미·중 패권 경쟁, 러시아-우크라이나 전쟁, EU의 탄소국경조정제도(Carbon Border Adjustment Mechanism, CBAM) 등 자국 제조업 우선주의, 주력산업에 활용 가능한 원료 소재의 자원 무기화, 기후변화에 대응하는 탄소배출량 억제 제품 생산의 강요 등 국내 경량금속 소재 및 이를 활용한 제품화 산업에도 큰 위험 요소로 다가오고 있다.
예를 들어 EU는 기후변화 대응의 일환으로 세계 최초로 CBAM 도입을 추진하였고, 대상 품목 6개 중 하나로 알루미늄을 선정한 바 있다. 그리고 2023년 10월에 전환 기간을 개시하고, 2026년 1월부터 본격 시행을 예고하기도 했다. 이 경우 국내 알루미늄 투입재(잉곳) 생산 공정의 탄소배출량이 높아 최종 제품의 국제 경쟁력에 영향을 미칠 것으로 예상되며, 국내 산업계에서는 조속한 탄소배출량 저감 기술개발을 통해 위기를 기회로 전환하는 노력이 필요하다.

마그네슘의 경우 대중국 의존도가 매우 높은 핵심 광물 중 하나다. 지난 2021년 9월 전력 부족을 이유로 중국이 마그네슘 채굴·제련의 가동 중단을 명령한 뒤 한 달 만에 중국발 공급 리스크 발생으로 인해 국제적으로 마그네슘 금속 가격의 큰 변동폭을 경험한 바 있다. 또한 러시아-우크라이나 전쟁으로 인해 전 세계 공급망의 불확실성이 고조되고 있는데, 타이타늄도 예외가 아니다. 항공 여객 수요 회복, 무기 수요 확대 등 소재부품 요구 수량은 증가하는 반면, 국내의 취약한 공급망 이슈로 K-방산 제품의 생산과 수출에도 장기적으로 영향을 미칠 것으로 우려된다.

2. 수송기기 경량화 대응 고강도·저원가 알루미늄 판재 연속제조 기술개발 동향*

* 본 연구는 산업통상자원부의 지원을 받아 혁신성장동력프로젝트(경량소재) “수송기기 경량화 대응 고강도, 고성형성 5,000계 및 6,000계 저원가 알루미늄 판재 합금 설계 및 연속제조 기술개발(10081329)” 과제로 수행되었음.

자동차를 포함한 기타 산업군에서 화석 연료를 사용하면서 배출하는 이산화탄소는 대기 기온을 상승시키는 주요 원인으로 알려져 있다. 이러한 기후변화에 대처하고자 유엔환경계획(UNEP)과 세계기상기구(WMO)에 의해 1988년에 정부 간 협의체(IPCC)가 설립되었다. IPCC는 이산화탄소 배출량을 줄이기 위한 방법을 강구하여 실행해 옮기고 있으며, 그 활동 중 하나가 자동차 연비 규제다.

각국의 주요 자동차 기업들은 차량의 연비를 향상시키기 위해 엔진 연소 및 변속기 변환 효율의 향상 기술, 차체의 공기 역학적 마찰 감소, 각종 편의 시설의 에너지 효율화 기술을 개발하고 있다. 또 화석연료를 에너지원으로 사용하기에 필연적으로 이산화탄소를 배출하는 엔진을 대신하여 전기를 에너지원으로 하는 친환경 차량 개발에도 박차를 가하고 있다. 한편 자동차 동력원의 성능 향상 외에도 차량의 무게를 줄임으로써 연비도 향상시킬 수 있다. 차체는 피치 못할 사고에 대비해 각종 형태의 충돌에 대한 승객 안전을 위해 규제화하고 있다. 따라서 차체에 높은 비율로 적용되는 소재는 충돌 안정성을 확보할 수 있으면서도 대량 생산을 위한 가격까지 확보할 수 있는 철강이어야 한다. 예상할 수 없는 충돌 사고에 대한 안전과 대량 생산을 위한 가격, 그리고 연비 개선을 위한 경량화는 차체의 주력 소재인 철강에 대해 향상된 기계적 물성을 요구하게 되었다. 이에 일반 강판보다 기계적 물성이 향상된 초고장력 강판의 적용 비율을 증가시킴으로써 더 적은 중량으로 차체 안정성을 확보시키면서 연비도 향상시켰다.

하지만 철강의 기계적 물성 향상을 통한 차체 중량 감소에도 한계가 있다. 철강의 강도를 GPa(기가 파스칼) 급까지 향상시키자 부품의 성형 난이도가 증가했고, 강도가 증가한 만큼 감소된 강판 두께로 인해 차량 주행 시 발생하는 NVH(Noise, Vibration, Harshness)에 대한 차감 효과를 감소시키게 된다. 이러한 이슈에 대해 철강을 보완할 수 있는 대표적인 금속이 알루미늄이다. 알루미늄의 기계적 물성은 철강보다 낮으나 기존 철강의 두께보다 두껍게 적용함으로써 보완할 수 있다. 또 철강의 밀도 7.9g/㎤보다 3배가량 낮은 2.7g/㎤로 철강 부품을 알루미늄으로 대체할 경우 약 40~50% 정도의 경량화 효과를 얻을 수 있다.
자동차 차체에 적용하기 위해서 가장 먼저 필요한 조건은 성형 부품의 크기다. 자동차 차체 중 가장 큰 부품은 Side Outer로 약 2,000mm 높이와 5,000mm 길이의 판재가 필요하다. 즉 자동차용 차체 부품으로 성형하기 위한 판재는 2,000mm의 폭을 가진 코일 형태여야 한다. 또한 충돌 성능을 만족시키기 위한 높은 기계적 물성도 요구된다. 이를 만족시킬 수 있는 알루미늄 합금계는 마그네슘(Mg) 원소를 고용원자로 강화한 5천계와 마그네슘(Mg)과 실리콘(Si) 원소의 석출상으로 강화한 6천계이다. 첨가하는 합금의 양과 공정에 따라 조금씩 상이하지만, 일반적인 5, 6천계 알루미늄 합금 판재는 300MPa의 인장강도와 30% 정도의 연신율을 가지고 있다. 인장강도는 소재를 양방향으로 늘릴 경우 파단까지 단위면적당 버티는 힘이고, 연신율은 파단까지 늘어나는 비율이다. 이 두 가지의 물성은 제품을 성형하는 데 있어 중요한 물성이면서 동시에 충돌 시 승객을 보호할 수 있는 소재 특성이므로, 이를 향상시키는 연구개발이 전 세계에서 경쟁적· 지속적으로 추진되고 있다. AA(Aluminum Association)에서는 조성 DB를 등록해 관리하고 있으며, 현재 전 세계에서 사용하는 대부분 합금은 AA에 등록되어 인증을 받고 사용하고 있다(알루미늄의 일반적인 표기 앞에 적는 AA에는 인증의 의미가 포함됨). 현재까지 약 550여 개의 조성이 등록되어 있으나, 산업계에서 실질적으로 사용하는 합금종은 대부분 1990년대 이전에 등록된 합금을 사용하고 있다.

그림 4. 알루미늄 계열별 주요 합금 및 기계적 물성(上)과 연차별 합금 등록 그래프(下)

합금 조성 외 알루미늄의 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 메커니즘에는 알루미늄 격자에 물리적 힘을 가하여 결정립들을 더 작게 만드는 결정립 미세화 또는 내부 응력을 만들어 강화시키는 가공경화가 있다. 가공강화는 판재 제조 공정 중에 제조 조건 최적화를 통해 기계적 물성을 향상시키고 있다. 일반적인 판재 제조 공정은 ① 알루미늄을 용해하여 강화를 위한 원소를 첨가하여 혼합하는 용해 공정, ② 제품의 형태로 가공하기 위한 두께 500mm의 슬라브나 10mm의 Strip 형태로 응고시키는 주조 공정, ③ 두께 500mm 슬라브의 경우에는 첨가 원소들의 확산/균질화를 위해 균질화 열처리 공정, ④ 자동차 부품 형태로 가공하기 위해 두께 1~3mm의 시트로 만드는 압연 공정 중 냉간압연 두께 전까지 소성강화로 인한 효과를 회복 열처리를 통해 완화시키면서 압연하는 열간압연 공정, ⑤ 결정립 미세화 및 소성강화 효과를 부여하며 두께를 감소시키는 냉간압연 공정, ⑥ 냉간압연 공정을 진행하는 동안 소성가공 효과로 강화되어 성형성이 감소된 판재의 성형성 최종 회복을 위한 회복열처리 공정 순으로 구성되어 있다.

설계된 합금의 조성을 맞추고 코일 형태로 만들기 전에 사각재 형태로 주조를 진행하기 위해 가장 먼저 진행하는 공정이 용해이다. 기계적 물성을 향상시키기 위한 첫 단계로 공정상 설계한 대로 조성 관리를 위해 첨가 원소 비율 관리, 첨가 원소가 용해되는 동안 화학적 반응을 억제하기 위한 장입 시간이나 온도 관리, 기타 불순물 관리 등이 필요하다. 용해를 통해 합금화 이후 산업적 생산성을 확보하기 위해 최대한 길게 주조하게 되는데, 이를 연속주조라 한다. 앞서 기술했듯이 자동차용 부품을 성형하기 위해서 2,000mm의 폭이 필요하다는 것을 감안하면 남은 조건은 두께다. 자동차 부품에 적용되는 판재의 두께는 보통 1~3mm 정도이기 때문에 용융 금속을 주조할 때부터 제품에 가까운 두께 주조가 산업적으로 용이하다. 하지만 대부분 알루미늄 판재 제조사는 주조재의 두께가 약 500mmT 정도 되는 몰드를 이용하여 주조하는 방식인 DC (Direct Chill) Casting 방식의 주조 설비로 생산하고 있다. DC Casting 설비는 용융 알루미늄을 사각 형태로 응고시키기 위한 폭과 길이 방향의 고정형 몰드와 연속주조를 위해 하부 몰드가 하강하는 구조로 되어 있다. 약 700℃의 온도를 가진 용융 금속을 냉각하기 위해 몰드에서 물을 직접 분사한다. 소형 부품을 적용하기 위한 협폭 & 얇은 두께의 슬라브를 주조 시에는 큰 이슈가 없지만, 자동차 부품 성형을 위한 2,000mm의 폭과 500mm의 두께를 가진 슬라브를 냉각함에 물리적으로 해결이 어려운 기술적 이슈가 발생한다. 몰드에서 직접 분사하는 물에 의한 슬라브 표면 냉각속도와 내부 냉각속도와의 편차로 인해 금속의 응고 형태에도 편차가 증가한다. 슬라브 표면의 냉각속도는 약 103℃/sec이나 내부의 경우에는 약 10℃/sec까지 감소한다고 알려져 있다. 즉 DC 주조에서는 알루미늄의 기계적 물성을 향상시키기 위한 미세조직 미세화 효과를 구현하기 어렵다.

DC Casting 외에 금속을 주조하는 다른 방식으로 SC(Strip Casting) 방식이 있다. SC 기술은 1800년대 최종 부품 성형에 적용하기 위해 주조재부터 두께를 10mm 수준으로 주조하려는 목표로 개발된 주조 기술이다. 연속적으로 주조하는 방식이며, 주조재의 폭은 동일하나 두께가 500mm에서 10mm로 감소함에 따라 고정된 몰드로 냉각/응고시켜 주조재를 밀어내기가 어렵기 때문에 몰드를 회전하는 형태로 발전하게 되었다. 회전체의 형태와 구성에 따라 많은 종류의 SC 기술이 연구/개발되고 있으나, 실질적으로 산업계에 적용되는 기술은 동일한 크기의 롤 한 쌍으로 주조하는 Twin Roll Casting과 한 쌍의 벨트 형태로 주조하는 Twin Belt Casting이다. 주조 시 열을 전달해야 하는 용융 금속의 두께가 감소함에 따라 응고 속도가 증가하게 되었으며, 이로 인해 주조 속도가 향상되어 생산 속도도 대폭 향상되었다. 또한 응고 속도의 증가로 인해 결정립을 훨씬 더 미세하게 제어할 수 있게 되었다. SC 주조 시 급속응고와 두께 감소의 효과는 DC 주조에서 필수적으로 진행해야 하는 균질화 열처리와 열연 공정까지 생략할 수 있게 되어 공정비 절감에 기여하는 것이다.
앞서 기술했듯이 주조재의 두께를 10mm까지 감소시킴에 따라 가장 크게 변한 결과는 용융 금속이 외부 냉각시스템에 의해 냉각/응고되는 속도가 비약적으로 상승하게 되면서 주조재의 결정립 크기가 획기적으로 감소한 것이다. 또한 슬라브의 경우에는 열전달 방향이 내부에서 몰드 쪽으로 향하는 수지상 성장(dendrite growth)이 두드러지며, 500mm부터 시작되는 압연에 의한 결정립의 방향성이 일관화됨에 따라 기계적 물성도 이방성이 두드러지게 된다. 이에 반해 응고되는 시간이 매우 짧은 Strip재는 응고 열전달이 확산적이라 응고 방향성이 랜덤하게 배열되며, 10mm부터 시작되는 압연의 압하율이 낮은 편이라 기계적 물성에서 등방성이 나타나는 장점도 있다.

그림 7. 좌로부터 DC Casting의 슬라브와 미세조직, 그리고 컵 드로잉 사진

그림 8. 좌로부터 SC 주조의 스트립재와 미세조직, 그리고 컵 드로잉 사진

프레스 성형은 금속 판재를 자동차 부품으로 성형하는 데 있어서 가장 일반적인 공정이다. 최종 부품의 형상을 상/하부 금형으로 만든 뒤 금속 판재를 상/하부 금형 사이에 넣고 눌러서 성형하는 방식이다. 단순한 공정이지만, 성형 대상 소재가 프레스 성형에 적합한 물성을 가지고 있어야만 결함이 없는 제품으로 만들 수 있다. 항복강도가 낮을수록 프레스 가공 시 작은 힘으로 성형할 수 있으며, 인장강도와 연신율이 높을수록 소재가 성형될 때 파단 위험성이 감소된다. 또한 소재의 기계적 물성 등방성은 2D의 판재를 3D 부품으로 성형할 때 성형 신뢰성을 향상시켜 준다. 즉 자동차용 부품 성형을 위한 주요 필요 물성은 항복강도가 낮을수록, 인장강도가 높을수록, 연신율이 클수록, 등방성(r-value)이 높을수록 좋다. Side Outer 부품으로 성형했을 경우 DC로 주조된 판재보다 SC로 주조된 판재가 프레스 성형성이 우수함을 확인할 수 있다.

자동차의 경량화를 위한 알루미늄 판재의 필요성과 효과는 이미 잘 알려져 있다. 하지만 과거 자동차산업 에서의 알루미늄 적용 비율은 그다지 높지 않다. 특히 주력 양산 차종과 소형 차량에서 알루미늄 판재에 대한 평균 적용 비율은 현저히 낮은 수준이다. 알루미늄 적용 비율이 낮은 가장 큰 이유는 가격 때문이다. 철강과 알루미늄 소재의 등급 및 생산국가/제조사별로 가격 차이가 발생하긴 하지만, 기본적으로 철강 판재의 가격은 톤당 100만 원 수준이나 알루미늄 판재는 톤당 450만 원 수준이다. 경량화만을 위해 알루미늄 판재를 부품화하고 적용하기 위해서 가격 상승을 감수하기에는 충분하지 않다고 볼 수 있다. 이를 정량화한 수치가 중량저감가치*다. 내연기관 차량의 중량저감가치는 2달러/kg로 매우 낮다. 하지만 최근 탄소저감정책으로 인해 주목받기 시작한 친환경 차량의 경우에는 4~7달러/kg까지 증가한다. 즉 친환경 차량의 증가가 알루미늄 판재 적용량 증가와 직접적 영향이 있는 것으로 판단되며, 이에 대한 준비가 필수적으로 수반되어야 한다.

* 중량저감가치: 자동차의 중량을 저감하기 위해 지불할 수 있는 가격으로 자동차가 고성능이거나 고가일수록 높음.

3. 국내 마그네슘 소재 공급망 안정화에 기여하는 제련 및 소재·부품 기술개발 현황*

* 본 연구는 산업통상자원부의 지원을 받아 소재부품기술개발사업 “고내식·고성형 마그네슘 판재 및 저비용 제조기술개발 (20010359)” 과제 및 “FeNi 슬래그를 활용한 전해조 0.5ton급 마그네슘 제련기술개발(20024357)” 과제로 수행되었음.

점차 강화되는 환경 규제와 미래모빌리티의 경량화 요구에 따라 지속적으로 증가하는 마그네슘 소재시장은 2021년 9월 중국의 호주산 석탄 수입 금지와 더불어 탄소배출 규제강화 조치에 따라 중국의 마그네슘 제련공장이 일시적으로 가동을 중지했다. 이에 따라 전 세계 마그네슘 금속의 90%를 공급하던 중국발 공급망 위기가 발생하였으며, 원소재 가격이 4배 이상 치솟는 전무후무한 사태에 직면한 바 있다. 가장 큰 타격은 마그네슘 부품의 최종 수요처인 자동차산업이었으며, 유럽과 북미에서는 이와 같은 마그네슘 수급 위기에 보다 적극적으로 대응하기 위한 정책과 산업구조 변화를 빠르고 강력하게 추진하고 있다.

지난 10년간 지속적으로 연간 약 2만 톤 이상의 마그네슘을 중국에서만 수입해 왔던 우리나라로는 마그네슘 공급 위기가 엄청난 어려움이었다. 이는 비단 마그네슘을 원소재로 하는 부품 업체뿐 아니라 마그네슘을 합금원소로 사용하는 알루미늄 합금 업계에서도 견디기 어려운 충격이었다.
미래모빌리티 시장을 중심으로 한 경량 마그네슘의 사용 전망에 대한 CM Group의 조사*에 따르면, 10여 년 전인 2012년 58만 톤이던 마그네슘 원소재 시장이 2022년 약 100만 톤으로 성장하였으며, 향후 2032년에는 약 170만 톤까지 크게 성장할 것으로 예측했다. 그럼에도 중국의 마그네슘 원소재 공급에 대한 독점적 지배구조는 현재의 약 89%에서 2032년에는 76%로 일부 감소하기는 하지만, 크게 개선되지 않을 것으로 전망된다. * Trading Economics(2024)
2018년 OECD는 전 세계 자원의 사용량이 2060년이 되면 2011년 대비 약 2배로 증가할 것으로 예측했다. 이에 대응하기 위해 Critical Materials(CRMs)라는 개념을 도입하면서 30종의 소재를 Critical Materials로 지정한 후 해당 소재에 대해 매년 공급망 및 산업적 중요도를 평가하고 있다. 2023년 발표된 Critical Materials에 대한 보고서*에 따르면, 마그네슘은 Supply Risk 측면에서 중희토류와 나이오븀 원소를 제외하면 최고의 risk가 있고 고위험군에 속하는 소재임이 분명하다. * 「Study on the Critical Raw Materials for the EU 2023」(European Commission, 2023)

마그네슘의 최대 사용처인 유럽과 북미에서도 마그네슘 원소재의 안정적인 확보를 위한 노력은 필사적이다. 미국에서는 그간 마그네슘을 생산해 오던 US Magnesium이 2021년 생산을 중단했으나 Western Magnesium이 연 3만 톤의 마그네슘 생산을 목표로 설비를 시운전하고 있다. 미국의 Big 3 자동차社의 공급 기지로 협력 관계에 있는 캐나다의 Alliance Mg에서는 2023년 상호를 Tergeo로 변경하고 연 5만 톤을 목표로 공장의 재가동을 추진 중이다.
마그네슘의 공급 안정화가 가장 절실한 곳은 자동차 선진국이 즐비한 유럽으로, 2021년 마그네슘 공급 대란 이후 원소재 관련 5개의 유럽협의체가 공동으로 마그네슘 자체 확보 장기 로드맵을 작성하고 신규사업을 지원하고 있다. 유럽에서 사용되는 마그네슘 원소재의 최소 15%는 유럽 내에서 자체적으로 생산하는 것을 목표로 하고 유럽연합(EU)에서 재정을 지원하는 EIT(European Institute of Innovation & Technology) RawMaterials*이 중심이 되어 공동의 신규 제련 사업을 지원하고 있다. * "The urgent need to pioneer green magnesium production"(Innovation Newsnetwork, 2024)
연간 3만 톤 이상의 마그네슘 수요가 있는 우리나라는 내수시장을 이미 확보하고 있을 뿐 아니라 유럽 및 미국의 글로벌 자동차사들로부터 탈중국을 위한 대안으로 충분한 기회 요인이 있다. 따라서 충분한 양의 마그네슘 함유 폐기물 및 원광석 매장량을 보유한 우리나라에서 친환경 마그네슘 제련 산업의 육성은 경제적인 측면과 국가적인 거시적 관점에서 동시에 검토하고 전략적으로 추진되어야 한다.
국내의 마그네슘 원소재 자립화 노력은 10여 년 전 대표적 철강회사인 ㈜포스코에서 처음 시도된 바 있다. 2006년 마그네슘 판재 사업에 진출하면서 2007년에 판재공장을 준공한 ㈜포스코는 마그네슘 원소재 자립화와 일관생산체제 구축을 목표로 2012년 강릉 옥계면에 연 1만 톤 규모의 마그네슘 제련공장을 준공했다. 당시 2008년 베이징 올림픽 기간 중 중국 내 대기오염 통제 조치로 인해 촉발된 석탄을 비롯한 각종 광물 가격의 급등으로 2007년 말 2,500달러 이하였던 순 마그네슘의 톤당 가격이 3개월 사이에 6,000달러 이상으로 폭등하는 원소재 가격 파동을 겪은 바 있다. 하지만 중국의 가격 덤핑과 2013년에 발생한 토양 및 하천으로의 페놀 유출 사고로 인해 결국 ㈜포스코는 2014년 5월에 마그네슘 제련 사업을 중단했다.

2021년 중국으로부터 비롯된 2차 마그네슘 원소재 가격 파동 이후 산업통상자원부에서는 2023년 소재 부품기술개발사업의 일환으로 5년간 총 239억 원을 투자하는 “폐자원을 활용한 마그네슘 친환경 제련 및 소재부품 응용 기술개발” 사업을 통해 마그네슘 원소재의 자립화 노력을 다시 시작했다. 해당 사업은 국내 제철 공정에서 발생되는 산업 폐기물인 페로니켈 슬래그(200만 톤/년)와 MgO-C계 폐내화물(16만 톤/년)을 원료로 활용하는 친환경 마그네슘 제련기술 확보를 목표로 하고 있다.*

* “폐자원을 활용한 친환경 마그네슘 제련 기술”(KEIT 이슈리뷰, 2023)

본 사업은 3개의 세부과제로 구성되어 있는데, 첫 번째 세부과제는 페로니켈 슬래그에 다량 포함된 마그네시아로부터 염화마그네슘을 추출하고 이를 전기분해함으로써 순도 99.8% 이상의 마그네슘 금속 제조기술을 개발하는 것이다. 최종적으로는 0.5톤 이상 규모의 전해조로부터 마그네슘을 제조하는 파일럿 설비의 운용기술을 개발하는 것이다. 두 번째 세부과제는 MgO-C계 폐내화물을 원료로 하여 액체금속 음극을 이용한 용융염전해법 및 연속형 진공증류공정을 통해 순도 99.995% 이상의 초고순도 마그네슘 금속을 제조하는 공정을 개발하는 것이다. 세 번째 세부과제는 이렇게 제조된 마그네슘 원소재를 활용하여 기존 알루미늄 부품 대비 25% 이상 경량화한 마그네슘 소재부품 응용기술을 개발하는 것이다.

그림 16. 폐자원 활용 마그네슘 친환경 제련 및 소재부품 응용기술 개발사업의 개념도

이처럼 국내에서 대량 발생하는 마그네시아 함유 폐자원을 원료로 사용함으로써 폐자원 매립으로 인한 환경 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 연간 40만 톤 규모의 마그네슘 원소재 생산이 가능하여 2.5만 톤 수준의 국내 수요는 물론 세계 마그네슘 금속 원소재 생산의 약 40%를 차지할 수 있을 전망이다.
국내 마그네슘 소재가 적용되는 산업 분야로는 2015년 이후 전자 제품의 비중이 크게 감소한 반면, 자동차용 부품의 증가세가 전체 시장을 견인하고 있다. 이러한 추세는 환경규제에 대응하기 위한 배출가스 저감 및 연비 향상 이슈와 전기차의 중량 증가로 인한 주행거리 감소를 극복하기 위한 글로벌 완성차업체의 경량화 노력으로 인해 더욱 가속화될 전망이다. 다이캐스팅산업은 이러한 시장의 변화를 관통하는 제조 공정기술로 마그네슘 부품 산업에서 변함없이 절대적인 비중을 차지하고 있다. 최근까지 자동차에는 주로 전장부품 하우징 및 디스플레이 패널, LED 헤드라이트 하우징, 스티어링휠 등 외부에 직접적으로 노출되지 않는 일부 부품들에 대해 주조성이 우수한 AM50, AM60 및 AZ91D 합금들이 적용되어 왔다.
전기자동차를 필두로 다이캐스팅으로 제조되는 부품의 범위가 점차 확대되고 있지만, 폭발적으로 성장하는 알루미늄 부품산업에 비해 마그네슘 합금은 낮은 부식성이 문제가 되어 강력한 패러다임의 전환기임에도 불구하고 큰 동력을 얻지 못하고 있다. 이에 산업통상자원부에서 지원하는 2020~2023년 및 2023년도에 신규로 시작한 소재부품기술개발사업에서는 유수의 기관들이 참여하여 마그네슘 소재의 부식 문제를 비롯하여 다양한 난제들을 개선하고, 이를 다이캐스팅 공정에 적용하기 위한 전주기 연구가 진행되고 있다. 이 중 압출재 및 판재 기술개발 현황은 다음과 같다.
국내 마그네슘 압출 부품산업의 경우 전자기기 및 수송기기에 적용된 사례가 거의 없을 정도로 매우 열악한 편이다. 이는 소재 및 공정의 고비용을 차치하더라도 압출을 위한 중간재가 전량 수입에 의존하는 공급망 리스크도 중요한 원인으로 작용하고 있다. 하지만 최근 한국재료연구원의 연구소기업인 ㈜SENM에서 압출용 마그네슘 빌렛을 저비용으로 연속제조가 가능해지면서 마그네슘 압출 부품에 대한 국내 산업이 확장을 시도하고 있다. 2020~2023년 소재부품기술개발사업에서는 자동차용 사이드실(Side Sill)과 카울크로스멤버(Cowl Cross Member)의 두 가지 압출 부품에 대하여 마그네슘 소재를 적용하기 위해 ㈜알멕과 ㈜동국실업이 참여했다.
사이드실은 차량의 충돌 시 에너지를 흡수·분산하는 역할을 하므로 대부분 철강 소재로 이루어져 있지만, 차량 경량화를 위해 일부 전기차 및 고급차에 알루미늄 합금 소재가 적용되고 있다. 본 사업에서 ㈜알멕은 경량화의 극대화를 위해 한국재료연구원에서 개발한 고내식 마그네슘 합금*을 사이드실에 적용하기 위한 연구를 수행했다. 고내식 마그네슘 합금의 특성상 높은 압출 하중과 낮은 압출 속도를 극복하고자 온도 조절이 가능한 압출금형 설계 및 공정 최적화 기술개발을 수행했다. 그 결과로 압출 속도를 2배 이상 높여 생산성을 향상시켰고, 기존 상용 합금인 AZ61 합금보다 3배 이상 우수한 내식성을 확보한 데다 표면처리 후 최대 18주 동안의 내식성 테스트를 모두 만족시켰다. * “폐자원을 활용한 친환경 마그네슘 제련 기술”(KEIT 이슈리뷰, 2023)

카울크로스멤버는 스티어링시스템(Steering System, 조향장치)을 지지하고 각종 전장장치 및 에어백, 공조장치 등을 고정하여 크래쉬패드모듈(Crash Pad Module)을 구성해 주는 뼈대와 같은 구조물인데, 자동차의 좌우 방향 휘어짐이나 뒤틀림 방지 및 진동 특성에 중요한 영향을 미친다. 본 사업에 참여했던 ㈜동국실업은 ㈜알멕에서 제조한 직진도가 우수한 고내식 마그네슘 중공 압출재를 이용하여 파이프 변형 최소화와 다량의 하드웨어 인서트 사출을 최적화하기 위한 카울크로스멤버 형상 설계와 사출성형 공정 최적화 연구를 수행했다. 상기 사업을 통해 개발된 카울크로스멤버는 기존 부품 대비 25% 이상의 경량화와 더불어 10% 이상의 NVH 개선 효과를 확보했다.

다이캐스팅이나 압출 공정에 비해 기술 난이도가 높은 마그네슘 판재 분야는 ㈜포스코의 주도로 연구개발 및 사업화가 진행되었다. 마그네슘은 특유의 육방정계 결정구조에 기인한 낮은 성형성으로 인해 판재 제조 과정에서 압연-열처리 공정이 복잡하기 때문에 소재 가격이 크게 상승하는 한계를 극복해야 하는 이슈가 있었다. ㈜포스코는 이러한 마그네슘 합금 판재의 많은 압연과 중간열처리로 인한 단가 상승을 해결하기 위해 2007년 순천 해룡산단에 마그네슘 판재 공장을 준공했다. 쌍롤박판주조(Twin-roll Strip Casting) 공정을 적용하여 초기 두께 3~6mm와 최대 2,000mm 광폭 판재를 저비용으로 제조할 수 있는 세계 최고 수준의 기술력과 가격 경쟁력을 확보했다. 쌍롤박판주조 공정을 적용하여 생산된 마그네슘 판재는 국내외 자동차 및 전자, 가전회사와의 협력을 통해 자동차 Roof, Luggage Retainer, 스피커 진동판, 노트북 케이스, 주방기기 등 다양한 분야에 적용되었다.
2020~2023년 소재부품기술개발사업에서 합금화를 통해 마그네슘 합금 판재의 상온 성형성과 내식성을 동시에 향상시키기 위한 연구가 진행되었다. 본 사업에서 한국재료연구원은 알루미늄 수준의 상온 성형성 (에릭슨지수: 9mm)과 내식성(부식속도: 0.3mm/yr)의 고성형·고내식 판재용 합금과 압연-열처리 기술을 개발했다. 또 ㈜파인트리포스마그네슘은 600mm의 폭을 갖는 양질의 판재를 권취까지 성공적으로 해낼 수 있는 기술을 개발했다. 이어 ㈜파인트리포스마그네슘은 주조 및 압연 공정에서 추가적인 제조 비용을 감소시켰고 보호가스로 사용된 고가의 육불화황(SF6, 지구온난화지수가 탄소의 23,900배) 가스 대체 기술을 개발함으로써 친환경적이면서도 소재 및 제품 가격을 현저히 감소시킬 수 있었다. 이렇게 개발된 저비용 고성능 마그네슘 합금 판재에 대해, 국내 산업 및 적용 분야에 대한 확장이 지속적으로 시도되고 있다.

4. 항공용 타이타늄 합금 체결부품 상용화 기술개발 현황*

* 본 연구는 산업통상자원부의 지원을 받아 혁신성장동력프로젝트(경량소재) “700℃ 이하 온간성형공법 활용 1,100 MPa급 항공용 Ti 합금 체결부품 상용화 기술개발(10081334)” 과제로 수행되었음.

타이타늄 합금으로 제조된 체결부품은 원소재 가격 면에서는 철계에 비해 고가이나 긴 수명과 경량성 그리고 고기능성으로 인해 오히려 경제적 소재로 판단되면서 항공기 등에 적극 활용될 것으로 전망된다. 그러나 항공용 Ti 합금 체결부품, 특히 볼트류의 경우 나사부의 정밀도가 상당히 높아 제품의 품질을 만족시키는 것이 까다롭고, 인증 획득의 높은 장벽과 아울러 국외 제품에 비해 가격 경쟁력을 극복하지 못해 국산화가 어려운 실정이다.
Ti-6Al-4V 중간재(봉재 및 선재)의 세계 시장은 2016년 2.4조 원에서 2026년 2.8조 원으로 전망되며, 동기간 연평균성장률은 1.53%로 예상된다. 국내 시장은 2016년 1,408억 원에서 2026년 3,128억 원으로 동기간 연평균성장률은 8.31%로 예상된다. 다만 현재 국내 항공용 Ti 합금 체결부품을 제조하는 기업의 부재로 인해 의료 및 일반 산업용 Ti-6Al-4V 봉재 및 선재가 대부분을 차지하고 있으며, 항공용 Ti-6Al4V 중간재(봉재 및 선재)의 국내 시장은 전무한 상황이다.

또한 항공용 Ti-6Al-4V 체결부품의 세계 시장은 2016년 17억 불에서 2026년 32억 불로 전망되며, 동기간 연평균성장률은 6.41%로 예상된다. 국내 시장은 2016년 267억 원에서 2026년 506억 원으로 동기간 연평균성장률은 6.62%로 예상된다. 한편 중국, 러시아, 일본을 제외한 아시아 항공 체결부품시장은 2016년 기준 7,510만 달러이며, 한국 시장으로 가정하여 전체 항공용 체결부품의 금액 대비 타이타늄 비중은 31.0%이다.*

* 「Aerospace fasteners market: global forecast to 2021」, Markets and Markets. p. 56; 105. 2016.

공정기술적 관점에서 국외 항공 Ti 합금 볼트의 생산공정은 냉간에서 고강도 Ti 합금 특성상 균열 등이 발생하여 열간 헤딩 및 업셋팅 단조를 거쳐 가공 및 온간 전조(thread rolling) 후 항공용 Ti 합금 볼트류를 제조하고 있다. 이 경우 열간 성형 공정으로 인해 Ti 합금 볼트에 산화 스케일이 두껍게 형성되고, 치수 변화가 심하게 됨에 따라 볼트 단조 설계 시 소재의 투입 중량을 상승시켜 가공 여유를 상당량 가져가야 한다. 특히 이러한 산화 스케일(알파 케이스)은 향후 2차 성형 시 균열을 일으키고 가공 시 공구 마모를 상승 시키는 주요 요인으로 작용할 것으로 보인다. 또한 열간성형으로 인해 헤드부와 나사부의 기계적 성질이 상이하게 나타나 사용 중 조기 파손을 일으킬 가능성이 높다. 즉 제한된 가공기술로 수요와 경제성을 충족시킬 수 없기 때문에 온간성형공법 등과 같은 저비용 정밀 제조가 가능한 Ti 합금 체결부품 제조공법이 절실히 요구된다.

그림 21. Ti-6Al-4V 체결부품의 Thread(나사) 가공 시 균열 발생의 예시

국내 항공기용 Ti 합금 체결부품의 경우 Alcoa社(美), PCC(Precision Castpart Corp, 美), LISI Aerospace社(佛) 등에서 전량 수입되고 있으며, 선진업체에서는 이를 고급기술로 분류하여 기술 유출을 막고 있는 실정이다. 향후 세계적으로도 Ti 합금 체결부품시장은 지속적인 증가 추세에 있어 온간성형공법 등과 같은 저비용 정밀 성형기술을 통해 제품 품질을 극대화하는 동시에 획기적으로 생산단가를 줄일 수 있는 제조공정의 개발이 필수적으로 수반되어야 한다.
산업통상자원부 혁신성장동력프로젝트의 지원을 통해 수행 중인 항공용 Ti 합금 체결부품 상용화 기술개발 과제는 국내 수요기업(KAI)과 연계하고 있다. 이를 통해 항공용 Ti 합금 초정밀 체결부품(핀, 볼트 등)에 대해 기계 가공 최소화, 금형 수명 및 치수정밀도 극대화 등의 장점을 가지는 온간성형기술을 적용함으로써 제품의 품질은 현재 수입되고 있는 항공용 Ti 합금 체결부품에 비해 동등 이상이고 생산 단가와 비용을 줄이는 제조공정 상용화 기술개발을 핵심으로 하고 있다. 또한 본 기술개발에서는 체결 부품용 Ti 합금 선재(코일)의 국산화 개발, Ti 합금 볼트 제조공정의 구축, KOLAS 인증체계 구축을 통한 기계적 특성 평가(인장, 이중전단, 피로 등)를 진행하여 제품 검증을 진행하고 있다. 나아가 Ti 합금 선재 (코일)로부터 항공용 Ti 합금 체결부품을 제조·평가 및 검증 시 가격 경쟁력을 갖추는 것을 목표로 하고 있다.

현재 항공용 Ti 합금 적용 소재에는 AMS4928, AMS4967에 준하는 Ti-6Al-4V 합금 선재가 사용되며, 소재 성형 후 STA(Solution and Aging) 열처리 공정에 의해 고강도 물성을 갖게 된다. 개발 초기의 경우 항공 인증된 외산 Ti-6Al-4V 합금 소재를 활용하여 항공용 Ti 합금 체결부품의 상용화 기술을 개발하고 있다. 그리고 Ti-6Al-4V 합금의 국산 선재 개발이 시작되는 시작점에서부터 개발된 Ti 합금 중간재[선재 (코일)]와 항공용 체결부품 제조 공정을 연계하여 가격 경쟁력을 향상시키고자 힘쓰고 있다.
본 기술개발에서 적용된 제조공법은 기존 공법인 열간단조 성형공정을 거쳐 열처리, 샌딩, hard 기계가공 등이 진행될 때 발생할 수 있는 두꺼운 알파 케이스, 헤드부와 나사부의 특성 상이, 원소재 투입량 과다, 공구 및 금형 마모 과다 등의 단점을 극복하기 위해 도입된 제조기술이다. 온간단조/전조 성형공법의 경우 초기 조직제어 기술, 소재 코팅·피막 및 윤활기술, 스프링백 및 변형열을 감안한 금형 설계기술, 기타 공정 변수 최적화 등이 핵심기술이다. 국내 수요기업(KAI)의 T-50 고등훈련기와 KF-21 전투기에 Ti 합금 표준 체결부품을 상용화하여 항공 track record를 확보 후 국내 Ti 합금 항공용 체결부품 제조 기반 생태계 구축을 목표로 개발하고 있다.
본 과제를 통해 개발된 항공용 체결부품의 인증평가 및 항공인증을 위한 시험인증성적서 발급을 진행함과 동시에 항공용 체결부품의 주요한 시험평가 항목인 인장, 이중전단, 피로시험 등에 대한 KOLAS 인증체계를 추진하여 국내 체결부품에 대한 항공인증 시험체계를 구축하고자 한다. 또한 항공용 Ti 합금 체결부품의 상용화를 위한 인증의 경우 Ti 합금 중간재 및 체결부품 제조사의 AS9100 인증 획득을 완료했다. 다만 체결부품의 품질 인증을 위한 NADCAP(Aerospace Quality Systems, Heat Treating 등)을 획득하여 양산 체제를 구축하기까지는 시간이 소요될 전망이다.

그림 24. 항공용 Ti 합금 체결부품 상용화 기술개발의 단계별 제품 개발 개념도

본 연구에서 개발하고자 하는 항공용 Ti 합금 체결부품의 경우 국외 항공 인증된 Ti 합금 중간재(선재)를 활용하여 국내 완제기 제작사인 KAI로부터 요구받은 T-50 고등훈련기용 4종의 Ti 합금 체결부품(핀, 볼트) 종류에 나사부 지름, 체결부품 길이 등을 감안한 아이템을 개발할 수 있는 제조기술을 확립한 상태다. 또한 개발 중인 Ti 합금 중간재(선재)와 외산 항공인증 Ti 합금 중간재에 대해 체결부품 적용 시 성형성 및 여러 특성에 대한 비교분석을 통해 항공용 Ti 합금 중간재가 조기 항공인증을 획득할 수 있도록 제품 제작 및 NAS(National Aerospace Standard) 요구도에 준하는 시험평가를 완료하여 수요기업 KAI와 완성도 높은 기술개발체계를 구축할 수 있을 것으로 보인다. 또한 항공인증 Ti 합금 중간재(봉재, 선재)를 활용하여 KAI의 T-50 고등훈련기용 3종 4아이템 체결부품을 NAS 요구도에 준하여 개발함으로써 품질뿐만 아니라 가격 경쟁력까지 갖추었다. 나아가 KAI와 NDA & MOU를 체결하고 수요기업에서 요구하는 제품을 선정 /개발하여 항공용으로 활용되는 Ti 합금 체결부품의 국산화 기술을 지원하는 상황이다.

그림 25. KAI의 T-50용 Ti 합금 체결부품 개발 및 아이템 선정 예시

5. 결론 및 시사점

경량금속 소재는 미래모빌리티 및 항공우주로 대표되는 국가 주력산업의 서플라이 체인 활성화에 없어서는 안 될 핵심 소재로, 국가 혁신성장에 지속적으로 기여할 수 있는 핵심 공급망 안정화 품목이기도 하다.
그러나 2020년대 들어 미·중 패권 경쟁, 러시아-우크라이나 전쟁, EU의 탄소국경조정제도(Carbon Border Adjustment Mechanism, CBAM) 등 자국 제조업 우선주의, 주력 산업에서 활용 가능한 원료 소재의 자원 무기화, 기후변화에 대응하는 탄소배출량 억제 제품 생산의 강요 등이 국내 경량금속 소재 및 이를 활용한 제품화 산업에도 큰 위험 요소로 다가오고 있다. 이의 해결을 위해 알루미늄, 마그네슘, 타이타늄 등 경량금속 원소재에 대한 친환경 기술 기반 확보, 중간재-부품 고부가가치화, 제품 탑재 후 트랙레코드 확보 및 사용 후 발생한 스크랩을 재활용하는 기술개발을 추진 중이다.
전기수소차 전환, K-방산 활성화, 민항기 국제 공동개발 추진 등 경량금속 관련 미래 기회 요인 증가가 예상 되며, 공급-수요 서플라이 체인과 연계해 ‘소재 제조–부품화–시스템 탑재 후 트랙레코드 확보–사용 후 재활용’에 이르는 전 공정 솔루션을 확보함으로써 경량금속 소재를 제조하는 중소·중견 후방기업군의 사업 초기 위험 해소 및 시장 진입장벽 완화를 통해 국내 산업의 역량을 강화할 수 있을 것으로 생각된다.

출처 및 참고자료

1. “글로벌 경량금속 시장-업계 동향 및 2031년 예측”, Data Bridge Market Research, 2024.03.

2. Hitoshi Tokunaga et al., “Particle method simulation of direct-chill casting process including breakout”, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 129. pp. 1-12. 2023.11.

3. “Magnesium Price”, Trading Economics. 2024.04.21. tradingeconomics.com/commodity/magnesium.

4. Milan Grohol, etc., Study on the Critical Raw Materials for the EU 2023, European Commission. 2023.

5. Critical Raw Materials, “The urgent need to pioneer green magnesium production”, Innovation Newsnetwork. 2024.01.

6. 강정신 외, “폐자원을 활용한 친환경 마그네슘 제련 기술”, 「KEIT 이슈리뷰」. Vol.23-08. pp. 72-92. 2023.08.

7. 「제3차 항공산업발전 기본계획('21~'23)」, 관계부처 합동. 2021.02.

8. Titanium Metal: Global Industry, Markets and Outlook to 2016(7th Edition), Roskill Information Services Ltd. 2017.

9. “2017, 2014~2016년 평균 CAGR, %”, ‘수출입무역통계자료’, 관세청. tradedata.go.kr.

10. Aerospace fasteners market: global forecast to 2021, Markets and Markets. 2016.

11. Aerospace Fasteners, Global Market Trajectory & Analytics, 2022.07.

저자 : 이광석 금속재료 PD, 장윤영 선임 / KEIT 최정묵 상무 / 진합 김영민 실장 / 한국재료연구원 허용강 책임 / 현대제철

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