Hot Agenda - 초경량 ‘마그네슘’, 국내 생산 시대 열다
대부분의 사람들에게 마그네슘은 일상 생활에서 쉽게 접할 수 없는 소재로 여겨진다.
하지만 의외로 아주 친숙한 것에서 마그네슘을 발견할 수 있는데, 소금 즉 천일염이다.
일반적으로 천일염에는 10% 전후의 광물질이 포함되어 있고, 마그네슘도 중요한 구성성분 중 하나이다.
마그네슘에 대한 기술 개발이 다각도로 진행되면서 앞으로는 다양한 분야에서 보다 쉽게 마그네슘을 만날 수 있게 될 것으로 보인다.
자동차, 모바일 IT기기, 항공기 소재에 이르기까지 그 쓰임새가 매우 다양하기 때문이다.
가볍고 방열성 높지만, 취약점 극복해야
마그네슘은 지각의 2%를 차지할 정도로 매우 흔한 소재이며, 발견된 시점도 알루미늄과 거의 유사한 19세기 초반경이다.
또한 마그네슘은 티타늄과 같은 결정구조인 HCP격자 구조를 가지는데, 마그네슘 대비 상대밀도로 따져서 마그네슘의 밀도를 1로 할 때, 알루미늄은 1.5, 철강은 4.4정도이다.
한 마디로 철보다 무게가 1/4도 안 되는 구조용 재료로 사용 가능한 물질 중 가장 가벼운 소재라는 것이다.
이와 관련해서 기본적으로 질량이 작기 때문에 진동감쇄 능력이 우수하여 자동차 Seat 소재로 쓰일 경우, 탑승객의 피로를 경감시켜 줄 수 있다.
또 우수한 전자파 차폐 능력과 전달된 열을 주위에 재빨리 다시 방사하는 방열성이 매우 높다.
위와 같이 여러 장점을 가지고 있는데도, 소재관련 과학자들이 마그네슘을 대중화하는데 실패한 이유는 아래와 같은 몇 가지 약점 때문이다.
첫 번째 문제는 실온에서 성형이 이루어지지 않는다는 것이다.
판재 형태로 최종 사용자에게 저렴하게 공급되며, 대부분의 성형 공정을 상온에서 쉽게 수행할 수 있는 철강, 알루미늄과 달리 특유의 HCP 구조로 인해 상온에서 큰 취성(물질이 깨지기 쉬운 정도)을 가지는 마그네슘은 상온 성형이 불가하므로, 사전 가열이나 금형에 열선을 넣는 등의 번거로운 일이 필수적이다.
또한 성형 해석에 온도 함수가 추가되면서 적절한 성형 해석 식을 수립하기도 어렵다.
이러한 문제로 인해 다양한 두께의 마그네슘 판재를 적정한 가격으로 공급하는 것이 불가능하며, die casting(원하는 형상과 완전히 일치하도록 정확하게 가공된 금형에 용융금속을 주입하여 제품을 얻는 정밀 주조법)으로 만든 소형 마그네슘 판재 외에 대형 마그네슘 판재를 만들 수가 없었다.
두 번째 취약점은 부식의 문제이다. 마그네슘은 산소를 매우 잘 끌어들이며, 특히 전위차 부식 문제에서 매우 취약하다.
초등학교 과학시간에 소금물에 마그네슘 조각과 철 조각을 넣은 다음, 이 둘을 전선으로 연결하면 꼬마전구에 불을 켤 수 있는 실험을 기억할 수 있을 것이다.
결국 전해질 용액 속에서 마그네슘에서 전자가 분리되면, 마그네슘 보다 휠씬 높은 전위를 가진 철 쪽으로 전자가 흘러간다는 것을 의미하고, 이로 인해 마그네슘은 질량이 적으나마 감소하게 된다.
이것이 전위차 부식이라는 것으로 대부분의 구조용 소재에 비해 전위수준이 낮은 마그네슘은 대부분의 다른 금속과 접촉하면 급속한 부식이 일어난다.
가장 대중적인 접합의 방법인 용접이나 리벳으로 타 금속과 마그네슘을 접합할 경우, 접합부분에서 심각한 부식이 발생한다는 것을 의미한다.
장기간 하중이나 심각한 충돌에도 견디어내야 하는 구조용 소재로 쓰기에는 마그네슘의 약점은 매우 큰 장애물이라 하겠다.
국내외 마그네슘 산업의 현황
1980년대 초까지만 하더라도, 마그네슘 산업의 선진국은 미국과 유럽 선진국, 러시아, 이스라엘이었다.
이런 상황은 80년대에 중국이 본격적으로 제련산업에서 Pidgeon공법(마그네슘 광석인 돌로 마이트와 환원제인 페로실리콘, 촉매제인 형석을 사용하여 마그네슘을 추출하는 공법)으로 원료시장을 장악하면서, 큰 변화를 겪게 된다.
2012년 현재 전 세계 연간 마그네슘 원료생산량은 80만 톤 수준이나, 이 가운데 80%가 중국에서 생산되며, 당분간 이러한 상황은 계속되리라 본다.
현재 자동차 산업의 선도적인 기술발전을 이끌어나가고 있는 독일을 비롯한 유럽의 기존 마그네슘 선진국을 살펴보면, 자국 내 선진자동차사는 대부분의 응용기술 개발을 2000년대 중반에 끝내 놓은 상태이다.
이들의 잠정적인 결론은 자동차 내 철강재의 일부분을 알루미늄이 대체해 나가겠지만, EU 및 각국의 정부가 제시한 CO2 배출 기준을 맞추기 위해서는 특단의 대안이 필요하며, 그 중 하나가 마그네슘이라는 것이다.
마그네슘 소재를 적극적으로 채용한 차량은 기존 대비 중량이 크게 감소하므로 연비가 향상되어 그만큼 CO2 배출량을 줄일 수 있다.
원료나 중간소재인 마그네슘 판재의 가격이 보다 낮아지고, 대형부품에도 사용할 수 있는 대형 판재의 생산이 가능한 시점을 기다리고 있는 형편이다.
국내 학계와 산업계가 마그네슘에 대해 관심을 가져야 할 가장 중요한 점은 상상외로 국내 매장량이 크다는 것이다.
조사기관에 따라 차이가 있지만 남북한 매장량을 합치면 전 세계 3 ~ 4위 수준이며, 총 55억 톤이 매장되어 있다고 알려져 있다.
부존자원이 별로 없는 우리나라에서는 유일하게 세계적인 수준의 매장량을 자랑하는 광물이라고 할 수 있겠다.
소모량으로만 보면 한국은 전 세계 5위 정도로, 주요 대상 산업군을 살펴보면, 우선 자동차 부품업계를 들 수 있겠다.
사실 대부분의 중형 이상의 차량 핸들은 마그네슘으로 제작되어 왔으며, 차종에 따라 브레이크 페달이나 기타 소규모의 부품에 사용되어 왔다.
2010년경부터는 스마트폰을 비롯한 휴대전화 산업의 발달로 인해 현재 전체 소비의 63%정도를 전자부품 산업이 점유하고 있는 것으로 알려져 있다.
한 손으로 들 수 있을 만큼 가벼운 자동차
지붕
마그네슘의 약점을 보완하기 위해서는 기존의 상용화된 합금의 성능을 뛰어 넘는 신합금의 개발이 필요하다.
국내에는 서울대, 포항공대, 연세대 그리고 연구기관인 KIMS(재료연구소)와 한국생산기술연구원 등에서 이러한 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히, 원가를 크게 올리는 희토류의 첨가 없이 신합금을 개발하려는 점이 중국과 일본의 합금 연구와는 차별된다고 하겠다.
대형 및 박물 판재기술의 개발은 RIST에서 2000년대 초반에 시작되어, 이를 이용한 상업화 연구단계를 철강기업인 포스코가 이어 받아 2007년도부터 전용 공장 건설 및 상업화 연구가 진행되고 있으며, 2012년인 작년 폭 1800mm에 달하는 대형 주조판재의 생산 및 초극박물인 두께 0.2mm 판재 생산에 성공하였다.
이러한 대형 판재를 이용하여 포스코는 자동차의 지붕(Roof)를 개발하였는데, 이는 자동차의 위쪽에 위치하는 부품일수록 자동차의 운동성능과 연비향상에 영향이 크므로 마그네슘 판재의 작용으로 가장 큰 효과를 낼 수 있다고 판단되어 추진한 것이다.
전세계적으로 소형의 판재를 용접하여 적용한 사례는 있으나, 한 장의 대형 판재를 온간 프레스 성형 공법을 통해 단번에 성형한 사례는 최초라 하겠다.
온간 프레스 성형 공법은 금형내부에 열선을 설치하여 성형대상 판재를 순간적으로 가열하여, 상온에서 취성이 강한 마그네슘의 단점을 극복하는 기술이다.
기존에 이러한 온간 프레스 성형은 금형을 제작하는데 비용이 많이 들었다. 그러나 포스코와 연계한 자동차 부품회사의 노력에 힘입어 훨씬 저렴한 방법으로 제작하는 기술이 개발되고 있다.
현재 일반 차량 지붕의 경우는 철강을 사용할 때 약 9kg의 무게이나, 마그네슘을 적용할 경우 3.6kg로 줄어들어 약 60% 무게 저감효과를 볼 수 있다.
이는 한 손으로 들 수 있을 만한 무게이며, 이런 식으로 부품을 마그네슘으로 대체하면 차제 무게를 100Kg정도 줄이고 연비도 10% 정도 높일 수 있을 것으로 보인다.
더불어 RIST와 한국생산기술연구원에서는 이러한 기업들이 보다 손쉽게 개발된 부품을 상업화하기 위한 기반 기술 지원차원에서 도장기술과 접합기술 연구를 진행 중이다.
연구 중인 도장기술로는 화성처리와 PEO(Plasma Electrolytic Oxidation) 공법이 있는데, 화성처리는 마그네슘 표면에 다양한 화학반응을 일으켜 안정된 화합물을 생성시키는 기술이고, PEO 공법은 약알칼리용액에서 마그네슘에 고전압, 고전류를 가하여 표면에 산화피막을 생성시키는 기술이다.
또한 접합기술은 접합되어야 할 서로 다른 소재간에 전위차 부식을 막기 위해 직접적인 접촉을 회피하는 특수한 재질의 패드를 개발하여 이를 극복하려 하고 있다.
판재를 제외한 분야의 마그네슘 연구활동은 다음과 같다.
먼저 압출 분야에서 마그네슘은 알루미늄과 대비하여 봉재 생산 시, 표면 크랙으로 인해 압출속도가 1/3 ~ 1/4의 수준밖에 안 되는데, 이에 대한 해결이 주된 연구 목표다.
주조나 die casting분야는 오랫동안 마그네슘이 적용되던 공법이며, 주로 이에 해당되는 부품이 타 금속과의 접합이나 부식에 노출되는 경향이 크기 때문에 접합과 도장 기술의 개발이 동시에 수반되어야 한다.
특히 차량의 로드 휠은 고가의 단조 공법 대진 저압주조 공법으로 저렴한 로드 휠 생산에 대한 연구 연구가 진행되고 있으며, 현재 널리 쓰이고 있는 알루미늄 휠의 무게가 약 8kg 후반대이지만 마그네슘을 적용할 경우 5kg대의 무게절감 효과를 볼 수 있다.
특히 휠은 직접적인 구동체이므로 적은 무게 감소에도 큰 연비상승효과를 기대할 수 있다.
문제는 피로에 대한 내구성과 적절한 내부식 기술의 개발인데, 국내 다양한 기업에서 여러 공법으로 이에 대한 연구가 진행 중이다.
국내 마그네슘 산업의 성공 기회
작년 폭스바겐은 새로운 골프 7시리즈를 소개하면서, 길이는 2인치가 늘어났는데 비해 거의 전체 중량의 10%에 달하는 100Kg이상을 경량화 했다는 것을 발표하였다.
이 발표로 인해 국내외 주요 자동차사는 큰 충격을 받았고, 경량화 경쟁은 눈에 띄게 가열될 조짐을 보이고 있다.
한국의 스마트폰 시장 주도력은 높은 기술력을 감안할 때 당분간 유지될 전망이지만, 중국의 추격 속도는 상상을 초월하고 있다.
따라서 스마트폰을 비롯한 모바일 IT시장은 경량화 관련 경쟁력의 증대를 위해 마그네슘 사용에 대한 고려가 더욱 진지해지는 분위기이다.
또 하나 마그네슘 산업의 성공 기회는 항공기 산업과 대용량의 이차전지 산업에 있다.
수십 년간 항공 관련 정부기관에서는 비록 내부 인테리어 소재일지라도 마그네슘 적용을 금지해 왔다.
그러나 몇 년간 관련 기관들의 시험 등을 통해 금년 중 규제가 풀릴 가능성이 매우 높아졌다.
이 규제가 풀리게 되면, 기존에 알루미늄으로 제작되었던 항공기 Seat가 마그네슘으로 바뀔 가능성이 높다는 것이 관련 업계의 전반적인 의견이다.
현재 이차전지용으로 사용되는 리튬은 그 가격과 원료의 제한 때문에 소형의 IT제품에나 쓰일 수 있지 대용량의 전력을 보관하는 전지로는 부적합하다.
그러나 마그네슘의 경우, 이에 비해 매우 저렴한 가격으로 생산될 수 있으므로, 향후 기술개발의 여하에 따라 대용량 전력의 보관 장치로서 주목받을 수 있다.
마그네슘 산업은 현재 다양하고 복잡한 시장 상황변동과 전 지구적인 환경 여건에 의해 매우 유동적인 상황이다.
한국은 현재 큰 매장량과 세계 최초로 Strip Casting 기술개발을 통한 저렴한 판재 생산에 성공했다는 우선권을 확보한 상태이다.
Strip Casting 기술은 기존 두께 400mm 정도의 Bar 형태의 슬라브(Slab)로 마그네슘을 주조한 후 이를 압연하여 2 ~ 3mm의 판재를 얻어내던 것을, 두께 4 ~ 6mm의 얇은 판재형태로 단번에 주조하여 중간공정을 획기적으로 줄임으로써 생산원가를 대폭적으로 낮출 수 있는 신공정 기술이다.
마그네슘 소재산업에 있어 산업통상부가 2010년부터 장기 대규모 R&D투자인 WPM 마그네슘프로젝트를 비롯하여 몇 가지의 통합적이고 일관된 연구활동을 추진하는데 큰 역할을 하고 있다고 생각된다.
소재산업의 특성상 장기적이고 지속적인 R&D 투자와 기업들의 관심이 필수적이라고 보이며, 관련 연구자들과 기업인들의 노력이 더욱더 기대된다.