■ 기술의 개요

◇ 기술의 정의 및 분류

금속복합재(Metal Matrix Composite, 이하 MMC)는 기지재로 금속이 사용된 복합재를 의미하며, 제2상의 강화재를 인위적으로 분산시킴으로써 개개의 구성 재료의 특성을 능가하는 우수한 물성을 얻을 수 있는 재료다. 금속복합재 공정기술은 분말, 박막, 벌크의 다양한 형태를 갖는 금속복합재를 제조하는데 요구되는 공정기술을 총칭한다.

▲ 금속복합재의 개념과 구성.

금속복합재는 금속재료와 강화재의 특성을 용도에 맞게 설계하는 것이 가능해 고강도·고인성 구조용 및 다양한 특성 구현이 가능한 기능성 신소재 개발에 활용할 수 있다.

금속복합재 기술은 복합재료의 구성상의 종류와 분포 등을 결정하는 설계기술과 강화재의 분산, 혼합공정 개발에 요구되는 공정기술 그리고 제조된 복합재료의 특성을 평가하는 특성평가 기술로 구분할 수 있다. 이들 기술은 각각 독립적으로 구성돼 있는 것이 아니라 설계·제조·특성평가 기술이 모두 유기적으로 연결돼 있으므로 기존 단일소재의 한계를 극복하기 위해서는 요소기술 사이의 연계성 확보가 중요하다.

▲ 금속복합재 (공정)기술 분류.

▲ 금속복합재 작동원리 및 적용분야.

■ 기술의 환경변화 및 중요성

◇ 에너지 저감 정책에 따른 고성능 경량 구조용 부품소재 개발 요구 증대

EU의 CO₂ 규제 등 세계적인 에너지 저감 정책에 따라 육상수송기기·항공/우주기기 등에 경량화한 구조용 부품 신소재 개발 요구가 증대되고 있다. 미래 경량 소재별 중량 감소 예상율 측면에서 Al MMC는 50% 이상 중량이 감소될 것으로 보인다.

현재 자동차용으로는 실린더블록, 브레이크 로터 등 일부 부품에 금속복합재가 사용되고 있으며 점차 응용범위가 확대되고 있는 추세다. Honda 자동차는 Al 실린더 블록재료에 흑연과 알루미나를 첨가해 20% 수준의 경량화를 달성했다. 실용화된 복합재 부품도 저비용화, 고생산성 요구에 따라 꾸준히 성능 개선이 이루어지고 있다.

◇ 선진국의 고부가가치 소재기술 선점에 대한 국가 경쟁력 제고 시급

금속복합재는 항공/우주, 국방 분야 등에 사용되는 고부가가치 소재로 선진국으로부터 기술전수가 어렵고 향후 기술독점까지 예상된다. 독일·일본·미국 등 선진국에서는 나노기술을 이용한 방열, 차폐, 촉매, 전자방출, 열전, 에너지 저장 등 기능성 신소재에 금속 나노복합재를 활용하는 연구가 이미 시작돼 기술적 경쟁우위를 확보하고 있다. 고부가가치의 전자기·자동차 부품소재시장에서 선진국 대비 60~70% 수준에 머물고 있는 고부가가치 소재기술에 대한 국내 경쟁력확보를 위해 연구초기단계인 금속복합재에 관한 원천기술의 개발이 시급하다.

◇ 연구개발 초기단계 기술로서 국제 경쟁 우위 선점 가능

금속복합재 공정기술은 철강, 알루미늄 등의 단일 금속 및 고분자 복합재와 비교할 때 실용화기술이 확립되지 않은 연구개발 초기단계 기술이므로 국내 연구소와 기업이 진입 가능한 연구 영역이 넓다. 국내에서는 1990년대부터 재료연구소와 한국과학기술원 등에서 Al계, Cu계의 금속복합재의 제조·평가·해석 연구를 수행해 왔으며 관련 장비가 일부 구축돼 있어 기초연구를 위한 인프라가 기 구축된 것으로 볼 수 있다.

또한 최근 주목받고 있는 나노소재(탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 나노입자 등)를 이용한 금속 나노복합재 공정기술은 기초 연구 단계로 향후 경쟁 우위 소재개발이 가능한 유망한 분야다.

◇ 저비용 대량 제조공정 기술 개발에 대한 요구

금속복합재의 산업계 응용에 있어 가장 큰 걸림돌은 긴 공정 사이클과 높은 제조비용으로 인한 가격 경쟁력의 결여다. 독일·일본·미국 등 선진국에서는 신개념의 저비용 제조공정 개발을 진행하고 있다. 재료연구소에서는 정수압 원리를 이용해 저압에서 금속복합재 성형이 가능한 액상가압공정을 개발했으며, 공정시간 단축을 위한 시스템 설계 및 기초 공정연구를 진행 중이다.

■ 기술분야별 동향

금속복합재의 공정기술은 크게 기지재료를 액상상태에서 제조하는 액상 제조공정과 고상상태에서 제조하는 고상 제조공정 그리고 기지재료 내부에 자발적으로 강화재를 형성시키는 In-situ 제조공정으로 분류할 수 있다.

◇ 액상 제조공정

액상 제조공정은 Al 및 Mg 합금 등 낮은 융점의 기지금속 용탕을 예비성형체(Preform)에 가압 혹은 무가압으로 함침시켜 복합재를 제조하는 방법이다. 액상 제조공정은 낮은 비용으로 실형상(Near Net Shape) 부품을 대량생산 할 수 있는 장점이 있으나, 강화재와 기지금속 사이의 젖음성 및 반응성이 문제시되며 강화재의 분포가 불균일한 단점이 있다. 따라서 액상의 기지와 강화재 사이의 반응 제어, 강화재 균일 분산 및 분포 기술의 개발이 요구된다.

▲ 액상 제조공정의 종류 및 흐름도.

▲ Compocasting공정 개념도.

○ 컴포캐스팅(Compocasting) 기술

반용융 상태의 기지금속을 교반하면서 강화재를 주입해 복합재를 제조하는 방법으로 주조 전 반용융 상태의 합금을 고속으로 교반함으로서 3차원적으로 균질한 복합재의 제조가 가능하다.

공정 자체는 단순하나 제조된 금속복합재의 내부에 주조결함이 많이 존재하며 높은 부피분율의 금속복합재의 제조가 어렵다.

금형 주입 후에 가압을 하거나 2차 가공 등을 통해 재현성 있는 소재 제조기술 개발에 대한 요구가 늘어나고 있다.

○ 용탕 단조 공정(Squeeze Cast ing Process) 기술

금형 속에 예비 성형체를 설치한 후 기지 금속의 용탕을 주입하고 프레스를 이용해 가압을 해 예비 성형체를 함침시키는 방법이다.

이 방법은 용탕을 응고 시까지 가압하므로 기공 등의 주조 결함이 없으며, 순간적인 함침이 일어나므로 강화재와 기지 금속과의 반응이 억제되는 장점이 있다. 이 밖에도 Near Net Shape(실형상제조) 성형이 가능하며, 생산성이 높다. 그러나 이 공정은 고상과 액상이 공존하는 구간에서 가압 함침하기 때문에 높은 가압력이 필요하며, 강화재의 분포가 불균일해지는 단점이 있다.

재료연구소에서는 정수압 원리를 이용한 신 개념의 액상가압공정을 개발했다.

액상가압공정은 용탕 단조공정 대비 가압력을 40% 이상 낮출 수 있어 저압성형이 가능하다. 최근 이 공정을 적용해 금속 나노복합재 제조공정 개발을 추진 중이다.

▲ Squeeze Casting 공정 개념도.

○ 가압함침 공정(Pressure Infiltra tion Processes) 기술

가압함침공정은 예비성형체에 가스압이나 진공압 등을 이용해 용융 기지 금속을 함침시키는 방법이다. 이 공정은 비교적 간단하고, 제조 원가가 저렴해 대량 생산에 적합하다. 이 밖에도 사용 부분에만 부분적으로 강화가 가능하다는 장점도 있다. 그러나 강화재의 부피분율이 증가하면 유동 저항이 증가해 용융 금속의 함침이 어려워지고, 이로 인해 강화재가 파손되는 단점이 있다.

▲ 가압함침 공정 개념도.

○ 무가압함침 공정(Pressureless Infiltration Processes) 기술

가압력을 이용해 용융기지 금속을 예비 성형체내에 강제적으로 함침시키는 대신 자발적으로 함침 시키는 방법이다. 이 공정은 Lanxide Co.에서 개발한 것으로 PRIMEXTM(Pressureless Metal Infiltration) 공정이라고도 한다. 이 공정에서 용융 Al의 자발적인 함침에 영향을 미치는 중요 인자는 Mg, Si, Zn, Fe, Cu 등의 합금원소이며, 이들 원소 중 Mg이 가장 큰 영향을 미친다고 알려져 있다. Mg량이 많을수록 자발적인 함침이 촉진되며, 용융 Al이 세라믹상 사이로 침투하기 위해 최소한 1wt% 이상의 Mg이 필요하다고 보고돼 있다.

이 공정은 원소를 첨가해 용융 기지금속의 계면장력(Interface Tension)을 낮춰 강화재와의 젖음성을 향상시켰다. 또한 계면반응과 강화재들이 서로 뭉치는 현상을 제어할 수가 있으며, 강화재의 부피분율을 조절할 수 있는 장점이 있다. 또한 2차 가공이 거의 없는 Net 또는 Near Net Shape의 복합재의 제조도 가능하다.

▲ Near Net Shape(실형상제조) 공정 개념도.

◇ 고상 제조공정(Solid Phase Fabrication Process)

기지금속을 용융하지 않고 고상 상태에서 제조하는 방법이다. 대표적인 제조 방법으로 분말야금공정과 확산접합(Diffusion Bonding) 공정, 분무 성형(Spray Forming) 공정 등이 있다. 이 공정으로 제조한 금속복합재는 액상 제조공정으로 제조한 금속복합재보다 기계적 특성이 우수하나 제조 가격이 비싼 단점이 있다.

○ 분말 야금 공정(Powder Metall urgy Process) 기술

분말 야금 공정은 입자나 휘스커 등의 강화재를 금속분말과 균일하게 혼합해 냉간 또는 열간압축 시킨 후 일정 시간동안 소결(Sintering)해 성형하는 방법이다. 이 공정으로 입자 및 단섬유강화 금속복합재의 제조가 가능하다. 아래 그림은 분말 야금 공정의 개요 및 흐름도를 나타낸 것이다.

▲ 분말 야금 공정의 개요 및 흐름도.

분말 야금 공정은 제조 후 수소 등의 잔류가스에 의해 생성되는 결함, 가압 시 강화재의 손상과 불충분한 가압력 하에서 생기는 기공, 금속분말에서 생성되는 금속간 화합물 등의 제어가 중요한 이슈다. 제조경비가 다른 공법에 비해 고가인 것이 단점이나 금속기지와 강화재를 균질하게 혼합할 수 있으므로 우수한 기계적 성질을 기대할 수 있다.

이상의 분말 야금 공정에 의해 제조된 금속복합재를 필요에 따라 압연이나 압출 등의 2차 가공을 해 기공을 감소시키고 균질한 조직을 갖게 함으로써 강도, 연신율 등을 증가시킬 수 있다.

최근 나노소재를 이용한 금속복합재에 관한 연구가 분말 야금 공정기술을 중심으로 활발히 진행 중이며, 더불어 저압/저온 분말 야금 공정기술 개발이 요구되고 있다.

○ 확산 접합 공정(Diffusion Bond ing Process) 기술

이 공정은 다양한 기지금속을 사용할 수 있으며, 연속 섬유를 사용해 배열 방향을 자유롭게 조절할 수 있고, 섬유의 부피 분율 또한 조절할 수 있는 장점이 있다. 그러나 이 공정은 제조 시간이 길며, 크기에 제약을 받고, 제조비가 비싼 단점이 있다.

종류에는 진공 고온 프레싱(Vacuum Hot Pressing), 고온 금형 몰딩(Hot Die Molding), 초소성 성형(Superplastic Forming), 고온 정압 프레싱(Hot Isostatic Pressing), 롤 접합(Roll Bonding), 고온 인발(Hot Drawing), 확산 블레이징(Diffusion Brazing) 등의 방법이 있다.

○ 동시분무성형공정(Spray Code position Process) 기술

이 공정은 금속용탕을 분사시키면서 강화재를 동시에 공급해 기판(Substrate)에 증착(Deposition)시켜 복합소재를 제조하는 방법이다. 분무증착법(Spray Deposition)은 기지금속의 급냉응고에 의해 기지/강화재 접촉시간이 짧아 기지와 강화재의 선택폭이 넓고, 계면반응을 최소화시키므로 계면특성이 양호한 복합재를 제작할 수 있다.

◇ In-situ 제조 공정

이 공정은 제조 공정의 제어와 구성 원소들의 자발적인 반응에 의해 강화재를 생성하므로 제2상의 입자를 인위적으로 첨가하지 않아도 되는 장점이 있다. 그러나 입자의 크기나 형상 제어, 부피분율의 조절 등 공정상의 많은 어려움을 극복해야만 한다.

이 공정의 종류로는 일방향 응고 공정, DIMOX라는 Lanxide 공정, 자발 반응에 의한 XD 공정, 레이저를 이용하는 공정, In-situ 분무 성형 등이 있다.

○ DIMOXTM 공정 기술

DIMOXTM 공정이란 기상과 기지금속간의 반응을 이용한 공정으로 지향성 금속 산화공정이라고도 한다.

사용하는 기체는 주로 대기 중의 산소가 이용되지만, 생성 기지의 종류에 따라 탄화 분위기나 질화 분위기를 이용하는 경우도 있다.

또 이 방법에서는 반드시 강화입자나 섬유를 복합화할 필요는 없고, Al용탕만을 산화시키면 알루미나(α상)단체 또는 알루미늄·알루미나 복합재를 제조하는 것도 가능하다. 이 공정은 제조 단가가 낮으며, 치수 안정성이 우수하고, 복잡한 형상 및 대형 부품 의 성형이 가능한 장점이 있다.

○ XDTM 공정 기술

이 공정은 Martin Marietta Corp.사가 개발한 복합재 제조법으로 금속용탕 내에 화합물을 첨가해 자생적(in-situ) 발열반응에 의해 보강재를 생성시키는 방법이다. 가장 주목받고 있는 합금계는 Al-Ti 및 Ti합금 용탕에 보론 혹은 탄소를 투입해 TiC 혹은 TiB2 강화입자를 생성시키는 방법이다. 이 방법으로는 1㎛정도의 단결정 강화재를 포함하는 복합재의 제조가 가능하며, 기지/강화재 계면이 청결하고 계면강도가 높아서 기계적 특성이 우수한 복합재를 제조할 수 있다.

금속복합재, 항공·우주·국방 분야 등에 사용되는 고부가가치 소재

美·日·獨 선진 3국 기술 독점…이론 정립 마치고 상업화 연구

■ 기술개발의 주요이슈

금속복합재가 설계된 우수한 물성을 나타내기 위해서는 강화재/금속 계면 접합에 관한 제조기술, 강화재의 분산 및 배열에 관한 기술 등의 핵심 공정 요소기술을 개발하는 동시에 이를 응용할 수 있는 적합한 기지재 설계기술 등의 제조공정 기술이 확립돼야 한다. 보다 구체적으로 제조기술의 주요 이슈를 살펴보면 다음과 같이 정리할 수 있다.

◇ 강화재의 분산 및 배열 기술

전술한 바와 같이 강화재의 특성이 발휘되기 위해서는 금속기지 내에 강화재가 균질하게 분산돼야 한다.

특히 기존의 마이크로 크기의 강화재와 달리 최근 급부상하고 있는 탄소나노튜브, 나노섬유, 그래핀 등의 나노 크기의 강화재를 사용할 경우 이들 사이에 자연적으로 발생하는 응집문제를 최소화 하는 제조공정 기술의 개발이 필수적으로 요구된다. 또한 섬유상 강화재의 경우 배열방향에 따라 금속기지 특성의 방향성을 제어할 수 있기 때문에 강화재 배열 제조기술 또한 주요한 공정 이슈가 된다.

◇ 강화재/금속 계면접합 제조기술

금속복합재의 탁월한 특성은 우수한 물성의 강화재와 금속기지가 상호보완적인 관계에서 각각의 물성을 발현시킴으로서 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 견뎌내기 위해서는 건전한 강화재/금속 계면접합을 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 금속복합재의 특성을 탁월하게 향상시키는 후처리 공정 기술의 개발도 필수적이다.

■ 국가별 동향

현재 전 세계적으로 금속복합재 연구개발의 필요성과 중요성에 대해서는 공감을 하고 있으나 응용분야가 협소해 연구 추진에 어려움을 겪고 있는 상황이다. 그럼에도 불구하고 미국과 일본을 비롯한 선진국들은 이미 1970년대부터 준비해온 연구/생산 인프라를 이용해 자동차와 우주/항공분야에서 집중적으로 연구개발을 진행해 오고 있다.

■ 국가별 동향-미국

◇ 연구개발 현황

1997년부터 ALMMC 콘소시움을 출범해 공동연구를 통해 불연속강화 Al MMC를 자동차, 우주항공, 전자패키징, 레저 산업용 부품으로 응용하기 위한 연구를 진행하고 있다. 국가 주도로 Michigan 주립대에 복합재센터를 설립해 기초연구를 지원하고 있으며, NASA를 중심으로 금속복합재의 우주항공용 응용에 관한 연구를 지속적으로 수행 중이다. 정부주도 프로그램은 아래와 같다.

- Defense Production Act Title III 프로그램
- DoD Manufacturing Technology 프로그램
- Small Business Innovative Research 프로그램
- University Research Initiative(URI)

현재까지의 미국이 주도한 금속복합재의 대표 연구개발 및 적용 사례를 정리하면 아래와 같다.

- DWA사는 Al-MMC 1,000 lbs 산업용 Billet을 생산 : Boeing의 777항공기 엔진의 Fan Exit Guide Vanes 과 F-16전투기의 Ventral Fins에 공급
- Metal Matrix Cast Composites Inc.는 Al MMC정밀주조기술 개발 : 경주용 자동차용 Turbo Charger용 Com pressor Rotor상품화, Heat Sink용 PWB개발
- Motorola의 이리듐 위성과 GM의 EV-1의 전자패키징 부품
- 미 공군연구소는 관통자용 Penetra tor중합금 개발 추진(KAIST와 공동)

▲ 미국의 선도연구기관.

■ 국가별 동향-일본

◇ 연구개발 현황

정부·연구소·기업·대학들이 컨소시엄을 형성해 단기간 내에 잠재적인 시장의 실현과 수용능력을 증가시키기 위해 노력 중이다. 강도, 강성, 내열성 등이 우수한 경량 금속복합재를 개발하는 것을 목표로 설계-소재-성형-품질평가에 대해 총체적인 기반기술과 응용기술 개발을 병행해 연구수행 중이다.
선도적인 응용분야로서 주로 항공우주 및 군수산업 등 고부가가치의 소재를 대상으로 하고 있다.

대표적으로 차세대 항공기용 신소재 실용화를 위한 기술과제가 진행 중이다. 통산성 주도로 RIMCOF라는 차세대 금속·복합재 연구개발협회를 조직해 산학연 연구를 수행 중이다.

- Toyota 자동차 : 디젤 엔진의 피스톤에 MMC 적용
- 마쯔다에서 월 3만개의 SiC 휘스커가 강화된 Al 금속복합재료 제조 (2000년 기준
- 닛산과 도요다에서 Alumina/Al 피스턴이을월 20만개씩 양산 중
- 개발된 자동차 피스턴 부품용 복합재는 인장강도는 100MPa 이상, 내마모도는 2배 이상, 열팽창계수는 1/2로 줄어드는 우수한 특성을 보임

금속복합재로 강화된 피스턴 부품의 제조공정으로는 Squeeze Casting 공정법이 주로 사용되고 있다. Squeeze Casting법은 응고 수축이 최소로 감소돼 Near Net Shape의 복합재 부품을 대량생산할 수 있는 가능성이 높아 관심이 집중되는 제조방법이다.

▲ 일본의 선도연구기관.

2013년 세계 시장 5억4천만불…韓 기초기술연구수준, 수입 의존

韓, 정부 주도 중장기 연구개발 투자 통한 원천·기반기술 선점 필요

■ 국가별 동향-유럽연합

◇ 연구개발 현황

유럽 내의 산업체 기술을 세계적인 수준으로 유지하기 위해 EU 국가가 산업체와 협력해 생산 관련 연구를 확립시키는 BRITE/BURAM, EUREKA 프로그램이 진행 중이다. EU 이외의 선진국에서 개발된 재료 및 공정 기술의 광범위한 응용을 촉진하는 것에 목적을 두고 3단계(3년/단계)에 걸쳐 연구를 수행하고 있다.

- 스위스 EPFL, 독일의 Fraunhofer 재단의 연구소의 장기적이고 체계적인 기초연구가 활발함
- 영국의 경우 금속복합재 시장은 철강, Ti, 고분자복합재의 변화를 토대로 10억 달러 규모의 시장 예측을 토대로 관련 제조기술의 실용화에 집중 투자하고 있음

▲ 유럽의 선도연구기관.

■ 국가별 동향-한국

◇ 연구개발 현황

국내의 금속복합재 분야의 연구는 아직 기초기술 연구단계다. 정부 및 민간 투자액은 선진국인 미국의 1/10과 일본의 1/5에 못 미치는 수준이며 미국이 실용화 단계 연구를 수행하는 데 비해 한국은 연구개발 초기단계에 머무르고 있다.

금속복합재 기술의 경우 단일 과제로 대규모 지원이 이루어지지 않았고 소규모 과제로 산발적으로 연구개발프로그램이 마련됐다. 1990년대 대학과 연구소를 중심으로 국책연구개발사업, 선도기술개발사업, 특정기초연구 등을 통해 여러 프로젝트가 수행됐다.

현재 한국과학기술원, 포항공대, 한양대 및 인하대 등의 대학과 재료연구소, 한국과학기술연구원, 생산기술연구원 등의 몇몇 연구소에 한정돼 금속복합재 연구를 수행하고 있다.

국내에서는 대부분의 연구투자가 단기적인 과제 수행에 그쳐 일부 분야에서 기반 기술은 확 보 됐으나, 높은 제조단가와 응용기술 미비로 인해 국내 구조용 부품소재 시장 진입에는 어려움이 존재한다. 고분자 또는 세라믹복합재 연구 대비 상대적으로 연구개발 규모가 작았던 금속복합재 기술 분야를 집중적이고 지속적으로 연구하는 국가주도의 연구개발 프로그램의 마련이 절실하다.

◇ 선도연구기관

국내에서 금속복합재 관련 연구는 주로 학교와 연구소에서 기초연구 중심으로 이루어지고 있다.

최근 자동차 산업의 비약적인 발전과 항공산업 분야에서 잠재적 수요가 예측되면서 국내 기업체에서도 응용연구가 시작되는 추세다.

현대·기아자동차에서 구조용 부품소재로 탄소나노튜브/Al 복합재 연구개발이 꾸준히 이루어지고 있다.

▲ 금속복합재 기술 - 국내 선도 연구기관.

◇ 기술경쟁력 분석

금속복합재의 제조공정 기술의 경쟁력은 전술한 세부공정별로 논하기는 어려우며, 금속복합재 제조공정에서 핵심 사항인 강화재 제조, 분산, 혼합/배열, 계면제어에 대한 기술 수준은 전반적으로 선진국 대비 80% 정도로 판단된다. 그러나 기초소재인 소재설계, 강화재 제조, 특성평가기술 등은 선진국에 비해 크게 뒤쳐져 있어, 이에 대한 기술 확보가 상대적으로 시급하다.

▲ 기술격차 및 기술수준.

■ 산업 및 시장동향

◇ 국내외 주요 기업의 생산활동

금속복합재는 철강·알루미늄·고분자 복합재와 비교할 때 아직까지 실용화되지 않은 신소재이지만, 향후 신산업의 창출 및 주력 산업의 고부가가치화가 가능해 산업 전반에 걸친 파급효과가 큰 원천소재다.

미국·EU·일본 등의 선진국들이 장기적인 계획 하에 신기술 개발 및 실용화를 통한 시장 개척을 시도하고 있다.

현재 미국·일본을 중심으로 신 제조기술이 개발되고 있으며 상용화 기술을 개발하고 있는 단계다.

일본의 혼다·닛산·도요타 등 세계적 자동차 업체는 브레이크와 피스톤실린더 소재를 SiC/Al 복합재와 Al2O3/Al 복합재로 대체하는 경량화 연구를 1980년대부터 이미 시작했다.

국내 금속복합재 관련 업체는 고분자 복합재 제조업체에 비해 미미한 수준이며, 대부분 선진국으로부터 구매해 사용하고 있는 실정이다. 현대·기아자동차와 일부 중소업체만이 연구개발을 통해 시장 참여를 시도하고 있다.

금속복합재 산업은 금속기지 원소재와 제2상으로 사용되는 강화재의 확보, 원소재를 이용해 2차 소재인 판재·빌렛·분말·박막 형태의 복합소재를 제조하는 산업과 최종 응용산업으로 분류할 수 있다. 제조공정에는 주로 분말야금공정과 가압함침법이 이용되고 있다.

밸브스프링 리테이너 등의 소형부품은 분말야금법으로 복합분말을 제조하고 열간압출·소결·단조해 제조된다.

자동차 부품에 사용되는 Al 금속복합재는 분말야금법으로 복합분말을 제조하고 열간압출·소결·단조해 제조하거나 다이캐스팅 주조법을 사용해 부품을 제조한다.

금속복합재의 자동차 시장은 일본 업체에 의해 주도되고 있다. 판재나 빌렛 등은 주로 분말야금법으로 제조되며, 분말형태 그대로 촉매, 전극 부품으로 바로 활용하기도 한다. 1996년부터 Suzuki 자동차도 알루미나 첨가 알루미늄 복합재 단조품 밸브스프링 리테이너를 채용해 리테이너 경량화에 성공했으며 현재 사용량은 연간 160만개다.

1997년 Yamaha 자동차는 SiC첨가 Al금속복합재를 압출 단조해 피스톤 내마모성을 향상시켰다. Suzuki 자동차는 직렬 4기통 엔진 크랭크 케이스 저널부에 Al 복합재를 채용했다.

▲ 금속복합소재의 가치사슬.

▲ 금속복합재 공정기술 - 국내외 주요 기업의 생산활동.

◇ 시장규모 및 전망

세계 시장규모는 2007년 1억8,500만달러이며, 연간 평균 성장률은 약 6.3%이다. 관련 기업은 100개사 이하이나 MMC는 각종 첨단 기술에 불가결한 요소이기 때문에 시장규모는 확대될 것으로 전망된다.

분야별로 신금속 시장은 전체 신소재 시장의 32%를 차지하며 자동차, 항공기, 발전기 등의 기계적 기능재 부문이 큰 비중을 차지하고 있다.

신금속 시장의 연평균 성장율이 육상수송산업과 항공/우주 산업에서 매년 10~15% 이상임을 감안할 때 신금속 소재를 일부분 대체할 경우 2013년에는 총 5억4,000만달러 규모의 세계시장이 대두될 것으로 예상된다.

최근 나노복합재가 새로운 아이템으로 떠오르고 있다. BCC 리서치가 발간한 기술시장 연구보고서인 ‘나노복합재료, 나노입자, 나노점토 및 나노튜브’에 의하면 2005년 나노복합재료 세계소비량은 2억5,200만달러, 2006년 말에는 2억8,800만달러로 매년 평균 성장률 24.4%를 보였다. 2011년에는 나노복합재의 소비량이 8억5,700만달러에 도달할 것으로 예측됐다.
미국과 일본의 경우 대표적인 기업만 10여개에 달한다.

최근에는 그린카·고속전철 등에서 수송기기의 경량화 및 고성능화에 대한 요구가 높아지고 있으며, 차세대 전자·IT 산업에서 고출력화·장수명화·고효율화·경박단소화 요구가 강해지고 있어 고성능 다기능 금속복합재가 중요 소재로 대두되고 있다. 따라서 금속복합재 관련 산업의 시장규모는 계속 확대될 것으로 보인다.

국내의 경우 원소재와 부품소재의 생산 자체가 미미해 가공품의 수출 또한 실적이 거의 없는 상태다.

연구용으로 사용되는 일부 세라믹 강화재나 탄소섬유 등은 대부분 수입에 의존하고 있어 환율상승에 따른 원자재 가격 상승과 경금속 원재료의 가격상승에 대한 대비가 필요하며, 현재까지 알려진 국내 금속복합재의 무역현황 정보는 전무한 상황이다.

■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 발향

◇ 미래의 연구방향

기존 금속소재의 물성한계를 극복하고 다기능성을 동시에 부여할 수 있는 고부가가치의 구조용 부품 신소재 개발 요구가 증대되고 있으며 친환경 경량소재로서 금속복합재를 자동차, 항공기 부품소재 분야에 적용하기 위한 기술개발 요구가 매우 크다.

금속복합재의 저비용 대량생산 기술 개발을 통해 고부가가치 소재산업 활성화가 시급하며, 현재 세계 선두권인 국내 전자산업을 뒷받침할 수 있는 전자기 부품 핵심소재 분야에 금속복합재 응용 연구개발이 필요한 상황이다.

친환경 복합화 공정기술 개발 및 기계적 특성 향상을 통한 기존 고강도 구조용 부품소재의 대체 및 경량화 연구개발의 지속적인 추진이 필요하다. 구조용 기계부품 분야뿐만 아니라 전자패키징용 정보통신 부품, 2차전지/연료전지용 에너지/환경 부품, 에미터/전자총용 디스플레이/반도체 부품 등 기능 부품소재에 응용기술 개발이 요구된다.

복합화와 나노구조화가 동시에 구현된 금속 나노복합재 개발을 통해 신기능이 발현되는 우수한 특성의 고부가가치 기능성 신소재 개발이 필요하다. 최근 나노소재 개발에 힘입어 새로운 나노 첨가입자(탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 무기나노입자)의 분산 혼합 및 배열 제어, 복합재 제조 공정기술 개발과 고성능 특성 확보로 잠재적 응용분야 개발에 대한 연구가 필요하다.

◇ 국내 산업이 나아갈 방향

향후 금속복합재 제조기술에 대한 선진국으로부터 기술 흡수 및 도입된 기술의 개량이 불가능할 것으로 판단되므로 정부 주도의 중장기 연구개발 투자를 통한 원천·기반기술을 선점하는 전략이 필요하다. 새로운 합금 개발, 고성능 복합재 설계와 공학적인 해석을 바탕으로 한 원천 공정기술의 확보를 위해 국가 주도하에 종합적인 연구가 필요하다.

또한 연구개발 사업에 부품소재기업과 수요기업의 동반 참여를 적극적으로 유도해 금속복합재의 기반 기술과 응용 기술을 유기적으로 연결시키는 연구개발 전략이 필요하다.

금속복합재 분야의 기술수요와 금속기지 및 강화재 등의 원소재 확보 현황과 향후 수준을 파악하는 연구 프로그램 개발, 국책 연구기관과 대학 연구실에 금속복합재료 전문연구랩을 설치·운영해 전문 인력을 양성하는 상시 운영 프로그램 개발, 단기적인 성과 위주의 지원 정책에서 탈피해 하나의 주제로 일관성 있고 중장기적인 연구개발 과제를 발굴해 인력·장비·산학연 네트워크 등 인프라를 확충할 수 있는 정책적 지원이 필요한 상황이다.

이상을 통해 금속복합재 관련 연구기반과 핵심 제조공정 원천기술을 확보, 데이터베이스를 구축해 선진국 수준의 금속복합재 기술 개발과 부품화의 실현을 기대한다.