■ 기술의 개요

◇ 기술의 정의

금속기지 나노복합소재(Metal Matrix Nano-Composite, 이하 금속 나노복합재)란 금속 기지에 인위적으로 나노미터 크기를 가지는 제2상의 강화재를 혼합해 분말·박막·벌크의 다양한 형태를 갖는 복합소재다.

금속 나노복합재는 금속재료와 강화재의 특성을 용도에 맞게 설계하는 것이 가능해 고강도·고인성의 구조용 및 다양한 특성 구현이 가능한 기능성 신소재 개발에 활용이 가능하다. 금속 나노복합재의 강화재로는 세라믹 나노입자(산화물·탄화물·질화물), 탄소나노입자(탄소나노튜브·탄소나노섬유·그래핀 등)가 사용되고 있다. 또한 금속기지 재료로는 알루미늄(Al)·타이타늄(Ti)·마그네슘(Mg) 등의 경금속이나 구리(Cu), 비정질 금속 등이 사용되고 있다.

▲ 금속기지 나노복합소재의 개념과 구성.

◇ 기술의 분류

금속 나노복합재 기술은 주로 제조공정별로 구분하는 것이 일반적으로 본 고에서 분말야금공정, 주조공정, 열분사공정, 전기화학공정 및 기타공정으로 분류하고, 각각의 기술동향에 대해 서술했다. 세부 기술은 다음의 표와 같이 표현이 가능하며, CNT-금속복합재 기술을 그림과 같이 대표적으로 표현했다.

▲ 금속기지 나노복합소재 기술의 분류 .

▲ CNT-금속 복합소재 제조기술 분류.

■ 기술의 환경변화

◇ 단일 소재기반 부품·소재의 성능한계 극복 요구 증가

현재 대부분의 산업용 부품은 금속·세라믹·고분자의 단일 소재를 기반으로 하고 있어 성능 개선이 한계에 도달했다. 금속 나노복합재는 금속소재의 장점과 나노크기의 제2상으로 사용되는 세라믹·탄소소재의 특성을 동시에 구현함으로써 비약적인 성능 향상이 가능해 전 세계적으로 연구개발이 활발하다.

◇ 고성능·경량 구조용 부품소재 수요 증대

세계 각국의 CO₂ 규제 및 세계적인 에너지 저감 정책에 따라 항공기·자동차 등 수송기기 업체는 경량·고성능 부품 신소재 개발을 가속화하고 있다. 특히 우리나라의 온실가스 배출 증가율이 OECD 국가 중 가장 높은 수준으로 경량·고성능 금속 나노복합재 개발이 절실한 상황이다. 나노탄소-금속 복합재를 자동차 부품으로 사용할 경우, 전체 중량의 약 30%를 경량화 할 수 있어 10년간 주행 시 약 5톤의 이상화탄소 배출량이 저감될 것으로 예측된다.

◇ 선진국의 금속 나노복합재 기술 독점 우려

독일·일본·미국 등 선진국은 방열·차폐·촉매·전자방출·열전·에너지 저장 등 기능성 신소재에 금속 나노복합재를 활용하는 연구에 많은 투자를 해 기술적 경쟁우위를 확보하고 있다. 특히 선진국은 기술보호를 강화하고 있어 기술독점이 우려되는 상황이다.

■ 기술의 중요성

◇ 금속기지 나노복합소재 기술은 부품소재 산업의 기반성이 큰 차세대 기술

금속 나노복합재 기술은 금속소재의 장점을 극대화함으로써 부품소재의 특성향상과 신기능 부여가 가능한 국가부품산업분야에서 가장 근본이 되는 기반기술이다. 고성능·다기능 부품/소재 개발요구 증대에 따라 금속 나노복합재 및 공정 기술은 소재-부품-양산품에 이르는 전방위 산업에 큰 파급효과를 일으킬 수 있다.

◇ 연구개발 초기단계 기술로서 국제 경쟁 우위 선점 가능

금속 나노복합재 공정기술은 철강·알루미늄 등의 단일 금속·고분자 나노복합재와 비교할 때 세계적으로 실용화기술이 확립되지 않은 연구개발 초기단계 기술이므로 국내 연구소와 기업이 진입할 수 있는 잠재적인 영역이 크게 남아있다.

국내 재료연구소(KIMS)와 KAIST 등은 Al계·Cu계의 금속 복합재 및 나노복합재의 제조·평가·해석 연구를 1990년대부터 수행해왔으며, 기초 연구역량을 축적하고 있다. 최근 주목받고 있는 나노소재(탄소나노튜브·탄소나노섬유·나노입자 등)를 이용한 금속 나노복합재 공정기술은 기초연구 단계이므로, 집중적인 연구개발이 이루어진다면 향후 경쟁우위 확보가 가능한 분야다.

▲ 금속기지 나노복합소재 기술의 기반성과 파급효과.

◇ 산업화 미성숙단계 기술로서 잠재시장 선점 가능

금속 나노복합재 관련 산업이 미성숙단계이다. 산업화 기술이 조속히 확보된다면 국가기반 산업의 경쟁력 강화가 가능하다. 특히, 국내에서 강점을 가지고 있는 전자 및 통신기기 업체를 통한 초기부품시장 형성이 용이하며, 신규 창출되는 잠재시장에 국내업체의 진입이 용이할 것으로 기대된다.

■ 기술분야별 동향

금속 나노복합재 기술의 기본 원리는 CNT-금속나노복합재(이하 CNT-MMC) 기술과 동일하므로 본 고에서는 서술상의 편의를 위해 CNT-금속나노복합재 제조기술에 대해 서술한다.

◇ 분말야금공정

분말야금공정을 이용한 CNT-MMC 제조는 균일 분산을 주목적으로 진행됐다. CNT와 금속분말을 볼밀링(ball-milling), 기계적 합금화(mechanical alloying) 등의 방법으로 혼합한 후, 열간 압출/압연, spark plasma sintering(SPS) 공정으로 복합재를 제조한다. CNT와 금속분말이 1차 혼합돼 CNT의 기본적인 분산이 가능한 장점이 있다 그러나, 대부분의 CNT가 분말의 표면에 응집돼 분말의 소결성이 감소돼 목표하는 기계적 특성을 달성하기 어려운 문제가 있다. 대부분의 연구는 알루미늄(Al)과 구리(Cu) 기지 복합재에 관한 연구이며, 일부 마그네슘(Mg)·타이타늄(Ti)·비정질 기지에 대한 연구가 진행됐다.

K. Ito et al., J. Mater. Res. 등은 CNT와 알루미늄 분말을 볼밀링으로 혼합한 후 열간 압연/압출을 통해 CNT가 일부분 배열된 조직을 얻었지만, CNT 응집체에 의해 형성된 기공으로 인해 향상된 물성을 얻지는 못했다. M. Gupta et al., Nanotechnology 등은 마그네슘 기지 복합재를 분말야금공정으로 제조했으나, CNT 응집체 사이로 마그네슘이 침투하지 못해 기대수준의 물성 향상 효과를 보지 못했다.

M. Gupta et al., Nanotechnology 등은 CNT와 알루미늄 사이의 계면 결합력 향상을 위해 CNT 표면에 K₂ZrF₆를 코팅한 후, 볼밀링 및 소결해 강성과 강도가 증가된 결과를 얻었다. 또한 A.B. Li et al., Mater. Sci. Eng. A 등은 CNT 표면을 산처리 함으로써 분산성을 향상했으며, 이를 통해 강성과 강도 향상 효과를 얻었다.

◇ 주조공정

주조공정은 가장 일반적인 금속 복합재 제조공정이다. 하지만 고온에서의 CNT 투입 및 분산의 어려움, CNT와 용융 금속간의 화학적 반응으로 인해 CNT-MMC의 연구는 상대적으로 낮은 융점을 가지는 알루미늄·마그네슘·비정질합금 기지에 대해 제한적으로 진행됐다. 용융된 금속 내에 CNT의 분산성 및 내열성을 향상하기 위해 CNT 표면을 금속 또는 세라믹으로 코팅한 복합분말을 활용하거나 분말야금공정을 이용해 CNT가 포함된 알루미늄 빌렛을 제조한 후, 이를 투입·교반해 복합소재를 제조하려는 연구가 주를 이룬다.

W.H. Wang et al., Appl. Phys. Lett 등은 Zr계 비정질 합금기지에 부피분율 10% CNT가 첨가된 복합재를 제조했다. 기지재료의 Zr과 카본과 반응해 ZrC가 CNT 계면에서 형성됐으며, 이로 인해 기지의 비정질 형성능이 감소했다. 그러나 결정화도 증가에도 불구하고 기계적 물성이 향상됐으며, 특히 우수한 음파 흡수능을 보였다.

Gupta et al., Mater. Sci. Eng. A 등은 CNT 표면에 Ni 코팅공정과 DMD(Disintegrated Melt Deposition)공정을 이용해 CNT-Mg MMC를 제조해 물성 향상효과를 확인했다.

재료연구소는 가압함침공정을 이용해 CNT 및 탄소나노섬유(CNF) 강화 금속(알루미늄·마그네슘·구리) 복합재를 제조했으며, 우수한 강도 및 강성을 확보했다. 특히 구리기지 금속 나노복합재의 경우에는 구리 대비 3배 이상의 강도를 보였다.

주조공정을 이용한 CNT-MMC 제조에 있어 가장 중요한 사항은 기지 금속과의 젖음성 향상을 통한 CNT의 균일 분산과 계면 반응을 통한 계면결합력을 향상시키는 것이다. 그러나 아직까지 계면반응과 이의 효과에 대해 체계적으로 소개한 자료는 없다. 더욱이 주조공정을 이용해 CNT가 균일 분산된 복합재를 제조한 것에 관한 보고는 거의 없는 실정이다.

◇ 전기화학공정

전기화학공정은 CNT-MMC 제조공정 중, 분말야금공정 다음으로 많이 적용되는 기술로서 전해도금과 무전해도금 기술로 나누어진다. 전기화학공정을 이용해 주로 CNT와 금속의 복합 코팅층을 제조하는 것에 이용됐다. 이 기술은 CNT를 균일하게 분포하는 것에는 유리하지만, CNT의 함량을 제어하기 어려운 단점을 지니고 있다. 따라서 CNT가 균일하게 분포된 도금욕을 만드는 것이 가장 중요한 요소이다.

Z.H. Li et al., Tribol. Int. 등은 길이가 1μm 미만으로 짧은 CNT를 산처리한 후 니켈 도금 용액에 분산해 CNT/Ni-P 복합재를 코팅해 Ni-P 코팅보다 내마모성이 4배 이상 증가한 것을 확인했다.

T.J. Kang et al., Adv. Mater. 등은 계면활성제로 분산된 CNT를 dip-coating(딥-코팅)한 후 구리를 전해도금하는 과정을 반복해 CNT/구리 복합코팅층을 제조해, 기존 구리 보다 탄성계수가 약 1.4배, 항복강도가 약 1.5배 향상된 결과를 얻었다.

◇ 기타 제조공정

기타 제조공정은 본고에서는 분자수준 혼합공정, 적층공정, 비틀림 교반 용정 공정에 대해 다룬다.

분자수준 혼합공정은 CNT 표면을 분자수준의 혼합공정을 이용해 CNT가 균일 분산된 복합분말을 제조한 후, 벌크를 제조하는 공정으로 분말야금공정을 적용해 복합재를 제조하는 공정이다. S.H. Hong et al., Adv. Mater. 등은 CNT를 구리 금속이온과 혼합해 분자수준에서 결합된 CNT/구리 나노복합분말을 제조했다. 이를 분말야금공정으로 복합재를 제조해 구리 대비 내마모 특성이 6배 이상 향상된 결과를 얻었다.

▲ 분자수준 혼합공정의 개략도.

적층공정은 CNT 층과 극박의 금속을 교대로 적층한 후, 압연을 통해 복합재를 제조하는 공정이다. Y.-H. Li et al., Nanotechnology등은 탄소나노튜브와 구리 박막이 20층 적층해, 부피분율 약 3.1%의 CNT가 포함된 복합재를 제조했다. 그러나 적층공정은 CNT가 금속의 입계에 응집돼 우수한 물성의 복합재 제조에는 한계가 있는 것으로 보여진다.

비틀림/교반 용접공정은 강한 전단력을 이용해 금속과 CNT를 결합된 복합재를 제조하는 방법이다. Tokunaga. Li et al., Mater. Sci. Eng. A 등은 2.5GPa의 전단력을 이용해 이론 밀도의 98%의 CNT-Al 금속복합재를 제조했으며, CNT의 첨가를 통해 80% 이상의 결정립 미세화 효과를 얻었다.

美·日·EU, 기술선점 위한 치열한 개발 졍쟁 중

韓, 뒤처지면 IT·자동차·기계 등 전방산업 붕괴 위험

■ 기술개발의 주요이슈

현재까지 나노크기의 강화재가 첨가된 복합소재는 주로 고분자 기지이며, 여러 연구 그룹에서 우수한 연구 결과를 보고했다. 이는 금속 및 세라믹 기지에서도 우수한 강화재로서 사용 가능하다는 것을 보여준다. 그러나 고분자 기지와 달리 기존의 MMC 제조공정만으로는 큰 표면적을 가지는 나노입자를 균일하게 분산하는 것은 매우 어려운 도전이다. 따라서 금속 나노복합재가 우수한 물성을 나타내기 위해서는 강화재의 기지 내 균일 분산문제의 해결이 선행돼야 한다. 이와 함께 강화재/금속간의 우수한 계면결합력, 배열에 관한 기술 등의 핵심 공정 요소기술을 개발함과 동시에 이를 응용할 수 있는 적합한 기지재 설계기술 등의 제조공정 기술이 전반적으로 확립돼야 한다. 제조기술의 주요이슈를 세부적으로 살펴보면 다음과 같이 정리할 수 있다.

◇ 강화재의 분산 및 배열 기술

나노크기 강화재의 특성이 발휘되기 위해서는 금속기지 내에 강화재가 균질하게 분산돼야 한다. 특히 기존의 마이크로 크기의 강화재와 달리 최근 급부상하고 있는 탄소나노튜브·탄소나노섬유·그래핀·세라믹 나노섬유 등의 나노크기의 강화재를 사용할 경우 이들 사이에 자연적으로 발생하는 응집문제를 최소화시키는 제조공정 기술의 개발이 필수적으로 요구된다. 또한 섬유상 강화재의 경우 배열방향에 따라 금속기지의 방향성을 제어할 수 있기 때문에 강화재 배열 제조기술도 주요한 공정 이슈가 된다.

◇ 강화재/금속 계면결합력 향상기술

금속 나노복합재의 탁월한 특성은 우수한 물성의 강화재와 금속기지가 상호보완적인 관계에서 각각의 물성을 발현함으로써 나타난다. 각 구성상의 물성을 효과적으로 구현하기 위해서는 사용된 강화재와 금속기지와의 계면 접합이 기계적으로나 화학적으로 우수해야 한다. 예를 들어 고강도 금속복합재의 경우 기지재료로 전달된 응력을 강화재가 제대로 전달받아 외부 하중을 견디어야 한다. 이를 위해 건전한 강화재/금속 계면결합을 가능하게 하는 공정기술의 개발이 필수적이다.

◇ 금속 기지재료 후처리 기술

금속기지는 고분자나 세라믹 소재와 달리 2차 변형공정을 통해 결정립 미세화나 석출상 및 제2상을 형성시킴으로써 다양하게 물성을 제어할 수 있다. 따라서 이러한 금속 고유의 성질을 이용하고 강화재와의 계면 특성을 저해하지 않는 범위 내에서 금속 나노복합재의 특성을 탁월하게 향상시키는 후처리 공정 기술의 개발도 필수적이다.

■ 해외 동향

금속복합재(MMC) 연구개발의 필요성과 중요성에 대해서는 공감을 하고 있으나, 원소재 가격의 문제와 함께 상용 제조기술이 개발되지 않은 기초연구 수준에 머물러 있는 실정이다. 2000년 이전 금속 나노복합재에 관한 연구는 세라믹 나노입자를 중심으로 강도/강성 향상, 우수한 고온 크리프 저항특성 등 구조적 물성의 향상 목적으로 일부 진행됐으나, 응용분야가 협소해 연구추진에 한계가 있었다.

그러나 탄소나노튜브의 발견과 함께 2004년 금속기지 내에 CNT의 강화효과가 최초로 확인된 이래 CNT-MMC에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. CNT 등 나노탄소을 이용한 MMC는 주로 일본과 독일에서 자동차용 경량 고강도/고강성 소재, 내마모 소재, 고강도/고전도 소재로 개발되고 있으며, 일부 내용을 제외하고는 MMC 관련 정보가 공개되지 않아 정확한 파악은 어려운 실정이다. 따라서 본 원고에서는 MMC 전반의 주요 내용을 정리했다.

◇ 해외 연구개발 현황-미국

미국은 1997년부터 ALMMC 컨소시엄을 출범해 공동연구를 통해 불연속강화 Al-MMC를 자동차·우주항공·전자패키징·레저 산업용 부품으로 응용하고자하는 연구를 추진하고 있다.

국가 주도로 Michigan주립대에 복합재센터를 설립하고 기초연구를 지원하고 있으며, NASA를 중심으로 금속복합재의 우주항공용 응용에 관한 연구를 지속적으로 수행 중이다.

현재까지 MMC의 대표적인 연구개발 및 응용내용을 정리하면 다음과 같다.

○ DWA사

Al-MMC 1,000 lbs 산업용 billet을 생산해 Boeing의 777항공기 엔진의 Fan Exit Guide Vanes과 F-16전투기의 Ventral Fins에 공급함

○ Metal Matrix Cast Composites Inc.

Al MMC정밀주조기술 개발해 경주용 차량에서 사용되는 Turbo Charger용 Compressor rotor를 상품화하고, Heat sink용 PWB를 개발함

◇ 해외 연구개발 현황-일본

일본은 산학연이 컨소시엄을 형성해 단기간 내에 잠재적인 시장 실현과 수용능력을 증가시키기 위해 노력 중이다. MMC의 적용 분야로서 주로 항공우주 및 군수산업 등 고부가가치 소재를 대상으로 하고 있다. 통산성 주도로 차세대금속·복합재료개발연구협회(RIMCOF)를 조직해 산학연 연구를 수행 중이다.

강도·강성·내열성 등이 우수한 경량 금속복합재를 개발하는 것을 목표로 설계-소재-성형-품질평가에 대해 총체적인 기반기술과 응용기술 개발을 병행해 연구수행 중이다.

금속복합재로 강화된 피스톤 부품의 제조공정으로는 squeeze casting공정법이 주로 사용되고 있다. squeeze casting법은 응고 수축이 최소로 감소돼 near-net shape의 복합재 부품을 대량생산할 수 있는 가능성이 높아 관심이 집중되고 있다.

금속 나노복합재 연구와 관련해, 일본 도호쿠대학의 Kawasaki 연구팀은 CNT와 알루미늄분말을 볼밀링 공정으로 혼합하고, spark plasma sintering(SPS) 공정 및 압출 공정을 통해 알루미늄 기지 내에서 CNT의 강화효과를 확인했다. 이 과정에서 탄소나노튜브의 균일 분산을 위해 천연 고무 등의 첨가제를 사용했다. 오사타대학의 Katsuyoshi Kondo 연구팀은 CNT를 분산시킨 타이타늄 복합소재 제조에 성공했다.

◇ 해외 연구개발 현황-유럽

독일 프라운호퍼 연구소의 Carsten Glanz 연구팀은 CNT를 구리 또는 알루미늄 용탕 내에 분산시켜 잉곳을 제조하는 주조공정을 시도한 바 있으며, 일부 열적 안정성을 확보해 내마모 부품으로의 적용 가능성을 소개했다.

■ 주요국 연구개발 프로그램 및 선도연구기관

◇ 선도 기관

▲ 금속 복합소재 기술 - 해외 연구개발 프로그램 .

금속 나노복합재 해외 선도기관은 다음의 표와 같다. 미국·일본·프랑스·독일·스위스 등 전통적인 소재강국은 중장기 계획 하에 기존의 구조용 금속복합재 제조공정분야와 새로 부각되고 있는 금속 나노복합재 관련 연구를 활발히 추진하고 있다.

▲ 금속 복합소재 기술 - 해외의 선도 기관.

■ 국내 동향

◇ 연구개발 현황

국내 금속 나노복합재 분야의 연구는 기초기술 연구단계다. 1990년대 들어와 대학과 연구소를 중심으로 국책연구개발사업, 선도기술개발사업, 특정기초연구 등을 통해 산발적으로 금속 복합재에 관한 프로젝트가 수행됐으며, 금속 나노복합재의 연구는 2000년대 들어 시작됐다.

주요 연구기관으로 대학은 KAIST·포스텍·성균관대·연세대·충남대 등이 있으며, 출연연은 재료연구소·KIST, 기업은 Applied Carbon Nano사 등이 대표적이다.

기존의 고분자 또는 세라믹복합재와 비교해 금속 복합재에 대한 연구비는 적은 편으로 향후 국가주도의 연구개발 프로그램의 마련이 절실하다.

▲ 금속 복합소재 기술 - 국내 연구개발 프로그램.

◇ 선도 기관

국내에서 금속 복합재 관련 연구는 주로 학교와 연구소를 중심으로 진행됐으며 기초연구가 주로 이루어지고 있다. 최근 자동차 산업의 비약적인 발전과 항공산업 분야에서 잠재적 수요가 예측되면서 국내 기업체에서도 응용연구가 시작되는 추세다. 현대·기아 자동차는 구조용 부품소재로 탄소나노튜브/Al 복합재 연구개발을 꾸준히 추진하고 있다.

▲ 금속 나노복합소재 기술 - 국내의 선도 기관 .

◇ 기술경쟁력 분석

금속 복합재의 제조공정개발과 물성평가 부분은 선진국 수준의 70%수준으로 평가된다. 그러나 기초소재인 경합금과 강화재 제조기술 등은 선진국에 비해 크게 뒤처지고 있으며 소재설계기술, 특성해석 및 신뢰성 평가기술의 확보가 시급한 상황이다.

▲ 금속 복합소재 기술 - 기술격차 및 기술수준.

금속 복합재 기술의 SWOT분석결과 원천소재기술의 확보가 가장 중요하며 중장기 연구개발 투자를 통한 기술의존도 탈피 과제가 시급하다.

▲ 금속 복합소재 기술의 SWOT 분석.

2013년 금속 나노복합재 시장, 5억4,000만불

아직 미개척 분야 많아, 원천·기반기술을 선점 전략 절실

■ 국내외 주요 기업의 생산활동

◇ 산업규모 및 주요현황

금속 복합재(MMC)를 비롯한 금속 나노복합재는 철강·알루미늄·고분자 복합재와 비교해서 아직까지 세계적으로 실용화되지 않은 신소재다. 하지만 향후 지식 집약적인 신산업의 창출 및 주력 산업의 고부가가치화가 가능해 산업 전반에 걸친 파급효과가 큰 원천소재다. 이 때문에 미국, 유럽연합(EU), 일본 등의 선진국들이 장기적인 계획 하에 신기술 개발 및 실용화를 통한 시장 개척을 시도하고 있다.

현재 미국·독일·일본을 중심으로 신 제조기술이 개발되고 있으며, 현재 상용화 기술을 개발하고 있는 단계다. 독일의 폭스바겐·BMW, 일본의 혼다·닛산·도요타 등 세계적 자동차 업체는 브레이크와 피스톤실린더 소재를 SiC/Al 및 Al₂O₃/알루미늄 복합재로 대체하는 경량화 연구를 1980년대부터 이미 시작했다. 최근에는 나노탄소/알루미늄 나노복합재로 대체하는 연구를 진행하고 있다.

국내 MMC 관련 업체는 고분자 복합재 제조 판매 업체에 비해 미미한 수준이며, 대부분 선진국으로부터 구매해 사용하고 있는 실정이다. 현대기아 자동차와 일부 중소업체만이 연구개발을 통해 시장에 참여를 시도하고 있다.

◇ 가치사슬 분석

금속 복합재/금속 나노복합재 산업은 금속기지 원소재의 확보와 제2상으로 사용되는 강화재의 확보와 원소재를 이용해 2차 소재인 판재·빌렛·분말 및 박막 형태의 복합소재를 제조하는 산업과 최종 응용분야로 분류할 수 있다. 주요 제조공정으로는 분말야금공정, 주조공정 등이 이용되고 있다.

밸브스프링 리테이너 등의 소형부품의 경우 분말야금법으로 복합분말을 제조하고 열간압출, 소결한 후 단조함으로써 제조된다. 자동차부품으로 사용되는 Al 복합재는 크게 분말야금공정으로 복합분말을 제조하고 열간압출 소결한 후 단조해 제조하거나 다이캐스팅 주조법을 사용해 부품을 제조한다. 그 예로 Suzuki자동차는 1996년부터 알루미나 첨가 알루미늄 복합재 단조품을 밸브스프링 리테너로 채택했고, Yamaha자동차는 1997년 SiC첨가 Al금속 복합재를 압출 단조해 피스톤 내마모성 향상시켰다. 또 Suzuki자동차는 직렬 4기통 엔진 크랭크 케이스 저널부에 Al 복합재를 채택했다.

금속 복합재의 자동차 시장은 주로 일본 업체에 의해 주도되고 있다. 판재나 빌렛 등은 주로 분말야금법으로 제조되고 있으나 분말형태를 그대로 촉매·전극 부품으로 사용하기도 한다.

▲ 금속 복합소재의 가치사슬.

▲ 금속 복합소재 기술 - 국내외 주요 기업의 생산활동.

■ 시장규모 및 전망

◇ 시장규모 및 성장잠재력 전망

금속 복합재(MMC)의 세계 시장규모는 2007년 1억8,500만달러이며, 연간 평균 성장률은 약 6.3%이다. 분야별로 신금속 시장은 전체 신소재 시장의 32%를 차지하고 있고 자동차·항공기·발전기 등의 기계적 기능재 부문이 큰 비중을 차지하고 있다. 육상수송산업과 항공/우주 산업에서 신금속 시장의 연평균 성장세가 매년 10~15%이상이므로 2013년 세계 시장규모는 총 5억4,000만달러에 이를 것으로 예상된다.

미국과 일본의 경우 대표적인 기업만 10여개에 달한다. 최근에는 그린카·고속전철 등 수송기기의 경량화·고성능화에 대한 요구, 차세대 전자, IT 부품의 고출력화·장수명화·고효율화·경박단소화의 요구로 고성능 다기능 금속 복합재가 중요 소재로 대두되고 있다. 이에 따라 금속 복합재 관련산업의 시장규모는 계속 확대될 것으로 예측된다.

■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방향

◇ 미래의 연구방향

○ 외부의 니즈

기존 금속소재의 물성한계를 극복하고 다기능성을 동시에 부여할 수 있는 고부가가치의 구조용 부품 신소재 개발 요구가 증대되고 있다. 특히 친환경 경량소재로서 금속 나노복합재를 자동차·항공기 부품소재분야에 적용하기 위한 기술개발 요구가 매우 크다.

금속 나노복합재의 저비용 대량생산 기술 개발을 통해 고부가가치 소재산업 활성화가 시급하다. 현재 세계 선두권인 국내 전자산업을 뒷받침할 수 있는 전자기 부품 핵심소재 분야에 금속 나노복합재 응용 연구개발이 필요한 상황이다.

○ 향후의 주요 연구개발 과제

나노 첨가입자(탄소나노튜브·탄소나노섬유·무기나노입자)의 분산 혼합 및 배열 제어, 복합재 제조 공정기술 개발과 고성능 특성 확보로 잠재적 응용분야 개발에 대한 연구가 필요하다. 특히 기존의 분말야금 공정 중심의 나노카본/금속 나노 복합소재 개발을 주조 공정이 가능한 액상 공정 중심의 개발로 전환할 필요가 있다. 이 과정에서 기존의 연구개발 결과 중 하중 전이(load transfer)를 극대화하기 위한 소재기술을 기반으로 주조공정이 가능하고, 대량생산이 가능한 소재 기술의 확보가 요구된다.

친환경 복합화 공정기술 개발 및 기계적 특성 향상을 통한 기존 고강도 구조용 부품소재의 대체와 경량화 연구개발의 지속적 추진이 필요하다. 구조용 기계부품분야 뿐만 아니라 전자패키징용 정보통신 부품, 2차전지/연료전지용 에너지/환경 부품, 에미터/전자총용 디스플레이/반도체 부품 등 기능성 부품소재에 응용기술 개발이 요구된다.

◇ 국내 산업이 나아갈 방향

○ 원천기술 확보를 위한 국가주도의 종합적 연구개발 추진

향후 선진국으로부터 금속 나노복합재 기술의 도입·개량이 불가능할 것으로 판단되므로 정부주도의 중장기 연구개발 투자를 통한 원천·기반기술을 선점하는 전략이 필요하다. 새로운 합금계 개발, 고성능 복합재 설계와 공학적인 해석을 바탕으로 한 원천 공정기술의 확보를 위해 국가 주도하에 종합적인 연구가 필요하다.

또한 연구개발사업에 부품소재기업과 함께 수요기업의 참여를 적극적으로 유도해 금속 나노복합재의 기반기술과 응용기술을 유기적으로 연결시키는 연구개발 전략이 필요하다.

○ 연구개발 인프라(인력, 장비, 네트워크) 확충

금속 나노복합재 분야의 기술수요조사와 금속기지와 강화재 등의 원소재 확보전략 수립, 국책 연구기관과 대학 연구실에 금속복합소재 전문연구랩을 설치해 전문인력 양성, 성과위주의 지원정책에서 탈피해 중장기적인 연구개발 과제 추진 등 종합적인 인력·장비·산-학-연 네트워크 확충이 필요하다.