마그네슘 합금 향후 10년간 수요 2배 증가, 자동차 경량화 수단

※ 아래 글은 정보통신기술진흥센터(IITP)가 발간하는 주간기술동향 1839호(2018. 3. 28. 발행)에 기고한 원고입니다.

▶ IITP에서 PDF 포맷으로 퍼블리싱한 파일을 첨부합니다. 가독성이 좋으니 참고하시기 바랍니다.

마그네슘 합금 향후 10년간 수요 2배 증가, 자동차 경량화 수단.pdf

ž ‘마그네슘(Mg) 합금’은 현재 가장 뜨거운 이슈가 되는 금속 재료인데, 미국과 유럽의 자동차 제조업체를 중심으로 향후 10년간 수요가 2배 가량 증가할 전망

Ø 호주의 컨설팅 업체 CM 그룹의 예측에 따르면, 2016년에 약 85만 t이었던 전세계 마그네슘 합금의 수요는 계속 증가하여 향후 10 년 동안 연평균 6%씩 성장하며 2026년에는 157만 t으로 두 배 가까이 늘어날 전망

<자료> CM Group [그림 1] 전세계 마그네슘 합금 수요 전망

Ø 마그네슘 합금의 급속한 수요 증가를 일으키는 것은 자동차 경량화 요구인데, 자동차 부품에 사용되는 다이캐스팅용 마그네슘 합금의 수요를 보면 2016년 약 23만 6,000t에서 연간 10.3%씩 증가하여 2026년에 약 57만 t으로 2배 이상 늘어날 전망

Ø 다이캐스팅(Die Casting)은 정밀한 금형(金型)을 사용하여 자동 또는 수동 방식으로 주탕(酒湯)하고 쇳물에 압력을 가하여 주조하는 방법으로 정도(精度)가 높아 거의 기계적 다듬질이 필요 없는 장점이 있고 대량 생산에 적합해 가전과 자동차 부품 생산에 많이 이용됨

Ø 이 같은 장점 때문에 미국과 유럽의 자동차 메이커들은 도입에 적극적인데, 마그네슘 합금 수요의 글로벌 비중을 보면 10년 전부터 유럽과 미국이 압도적으로 높아 각각 45% 정도를 차지했고, 그 다음 일본이 5% 정도를 차지하고 있음

Ø 가령, 아우디(Audi)는 단일 재료로 차체를 경량화하겠다는 생각을 버리고 철강(고장력 강판), 알루미늄(Al) 합금, 탄소 섬유 강화 수지(CFRP), 마그네슘 합금 등 4 종류의 경량 소재를 적재·적소·적량으로 사용하는 ‘다소재 차제(multi material body)’ 설계에 주력하고 있음

Ø 실제 고급 세단 'A8'에서는 차체의 비틀림 강성을 높이는 스트럿 브레이스에 마그네슘 합금을 채택했는데, 기존 알루미늄 합금 대비 28%의 경량화를 실현하였음

Ø 스트럿 브레이스는 주행 중에 자동차의 직진성을 확보하고, 회전할 때 좌우의 흔들림을 최소화해 주행 안정성을 높여 주는 보조장치로 정식 명칭은 스트럿 타워 브레이스 바(strut tower brace bar)임

ž 경량화를 추구하는 데 있어 마그네슘 합금은 매우 매력적인 재료인데, 구조재로 사용할 수 있는 강도·강성이 있는 금속 중 가장 가볍기 때문

Ø 마그네슘 합금의 비중은 1.7로 알루미늄의 약 2/3, 강철의 약 1/4 밖에 되지 않으며, 게다가, 질량당 강도(비강도)와 강성(비강성)이 높기 때문에 두께가 얇아도 강도를 유지하며 굽힘 강성이 뛰어난 부품을 만들 수 있음

Ø 이런 특성을 최대한 살리고자 먼저 나선 곳이 유럽과 미국의 자동차 메이커였던 것인데, 그 외에 항공기 기체나 고속철도 차량의 경량화 목적으로도 많이 사용하고 있음

Ø 디지털 기기도 마그네슘 합금의 채택에 의한 경량화로 휴대성을 높이려는 시도가 활발한데, 노트북 케이스에서는 이미 마그네슘 합금을 많이 사용되고 있음

Ø 건축 자재 중에는 적천정(吊天井) 주위에 설치해 지진 등이 발생할 경우 붕괴 사고를 방지할 수 있는 불연성을 갖춘 마그네슘 합금 재료가 상품화 되어 있음

Ø 금속 관악기 등도 마그네슘 합금을 이용해 경량화 효과를 볼 수 분야로 꼽히고 있음

Ø 가볍다는 점 외에도 마그네슘 합금의 장점은 절삭 저항이 작고 내공동성이 뛰어나 함몰이 되기 어렵다는 장점도 있음

Ø 또한 재활용이 가능하며, 분해 흡수되어 최종적으로 생체 조직과 일체화하는 특성, 즉 생체 흡수성이 있기 때문에 의료 분야에서 활용도 적극 검토되고 있음

ž 활용도만 보면 마그네슘 합금은 완전 무결의 재료로 보이지만 꼭 그렇지 만은 않으며 매력이 큰 만큼 단점도 많은 재료인데 가연성과 부식성이 높은 문제가 있음

Ø CM그룹의 전망에서 보듯, 향후 10년간 마그네슘 합금의 수요 증가폭은 클 것으로 예상되나 당장의 연간 수요량은 100만 t에 못 미치는데, 이는 철강 및 알루미늄 합금에 비해 압도적으로 이용량이 작은 것으로 그 만큼 마그네슘 합금의 단점이 많음을 시사

Ø 단점 중 하나는 불에 타기 쉽다는 것으로 마그네슘 합금은 550~600 ℃ 정도로 비교적 낮은 온도에서 발화하는데, 덩어리 상태라면 쉽게 발화되지 않지만 분말이나 절분 등 작은 금속 조각이 되면 이야기가 달라져 주변에 불씨가 있다면 쉽게 발화하는 문제가 있음

Ø 부식에 견디는 성질을 의미하는 내식성이 낮은 것도 문제인데, 마그네슘 합금은 다른 금속과 결합할 경우, 서로 다른 금속이 접촉할 때 한쪽이 다른 쪽 금속의 산화를 촉진시킴으로써 일어나는 부식, 즉 갈바닉 부식(Galvanic corrosion)을 일으키기 쉬움

ž 불에 타기 쉽다는 점과 내식성이 약하다는 점은 기술적 해결책을 마련할 수 있으나, 이렇게 되면 비용이 추가로 발생해 단가가 높아지는 치명적인 문제가 발생하게 됨

Ø 가연성이 높은 문제는 생산과 가공 현장에서 공기와 직접 닿지 않는 구조의 가마와 온수기를 사용함으로써 해결할 수 있음

Ø 갈바닉 부식은 마그네슘 합금과 이종 금속 사이에 절연체를 삽입해 두 금속 사이에 물이 들어 가지 않도록 밀봉하거나 표면 처리를 하는 등의 방법으로 피할 수 있음

Ø 그러나 가연성이 높고 내식성이 약한 문제 해결에는 비용이 추가되는데, 사실 마그네슘 합금 덩어리의 가격은 1kg당 3달러 정도로 알루미늄 합금 덩어리와 크게 차이가 없으나, Mg 합금으로 만든 부품의 가격은 Al 합금으로 만든 부품보다 높아지게 됨

Ø 미국과 유럽을 제외한 지역의 자동차 업체 엔지니어들 사이에서 Mg 합금을 사용하고 싶어도 사용할 수 없다는 목소리가 커지는 가장 큰 이유가 바로 여기에 있음

ž 자동차의 경량화라는 관점에서 보면, Mg 합금의 최대 라이벌은 Al 합금인데, Al 합금이 강적이긴 하지만 Mg 합금에 전혀 승산이 없는 것은 아님

Ø 전세계적으로 환경 부하 경감의 목소리가 높아지고 있는 가운데 이산화탄소(CO₂) 배출량 규제 강화와 에너지 절약·고연비를 추구하는 흐름이 가속화 되고 있고, 다소 비용이 들더라도 경량화를 우선시하는 요구도 적잖이 있기 때문

Ø 실제로 '차체 1kg의 경량화'를 위해 6~10 달러 정도의 비용이 상승하더라도 고객들이 감당할 수 있다고 예상하는 부품 메이커들도 나오고 있음

Ø ‘Mg에는 해결과제가 많다’는 지적이 나오는 것도 그리 나쁜 소식이 아닌데, 기업들이 Mg 합금의 채택을 진지하게 검토하고 있다는 반증이기 때문

ž Mg합금에 대한 기업들의 관심 고조에 호응하듯 최근 남아 있는 또 하나의 과제, 즉 가공성과 내열성이 떨어진다는 약점을 해소할 수 있는 새로운 Mg 합금도 등장하고 있음

Ø Mg 합금의 가공성이 떨어진다는 점은 부연 설명이 필요한데, 일반적으로 합금은 사용하는 형태에 따라 금속을 녹여 주형에 넣은 후 응고시켜 제품을 만드는 주조용 합금과, 두들기거나 기계적으로 압력을 가해 일정한 모양을 만드는 전신재(展伸材)용 합금이 있음

Ø 가공성이 낮다는 것은 후자, 즉 전신재료(展伸材)용 Mg 합금일 경우를 말하는데, 대량 생산이 가능하고 프레스 가공이 가능한 Mg 합금 판재는 거의 존재하지 않음

Ø 프레스 가공이 가능한 Mg 합금이 있기는 하며, Al을 3질량%, 아연(Zn)을 1 질량% 포함한 Mg 합금 판재를 ‘AZ31’이라고 하는데, AZ31은 내식성이 너무 약해 내장재로밖에 사용할 수 없어 사용 영역이 한정되기 때문이 실제 이용이 어려움

Ø ‘AZ91’은 Al를 9질량%, Zn을 1질량% 함유한 Mg 합금으로 AZ31보다 Al의 함유량을 늘려 내식성을 높이고 있지만, 저항력이 약해져 소성 가공이 없다는 약점이 있는데, 최근에는 이 ‘AZ91’을 개량하여 문제를 해결하려는 시도가 나타나고 있음

<자료> Lunt Manufacturing [그림 2] Mg 합금으로 만든 크로스 빔

Ø 개량된 AZ91은 AZ31 판재와 마찬가지로 프레스 성형이 가능하면서도 보다 내식성이 우수한 특성을 실현하였고 노트북의 케이스로 제품화하는 데 성공한 기업도 나오고 있음

Ø 개량된 AZ91은 최종적으로 자동차 부품 사업을 겨냥할 것으로 보이는데, 가령 자동차 시트 프레임을 개량된 AZ91 Mg 합금으로 제작할 경우 강철에 비해 50% 이상, Al 합금에 비해 10~20%의 차체 경량화 효과를 기대할 수 있다고 함