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자동차용 마그네슘 기술개발 및 적용 현황

페이지 정보

글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2014-06-10 20:04:52

본문

1. 서론
마그네슘은 구조재라는 관점에서 경쟁소재이자 이미 범용화된 알루미늄과 비슷한 시기인 19세기에 발견되었지만, 아직은 우리의 일상생활에서 빈번히 눈에 띄지는 않아 왔다. 그러나 근래 가속화되고 있는 온난화와 환경오염에 따른 연비향상 및 CO2 저감 요구로 인해 새로이 재조명을 받고 있다.

글 / 강태욱 (포스코)
출처 / 오토저널 3월호

사실 마그네슘은 2차 세계대전 무렵부터 항공기와 자동차에 다수 사용되었다. 예를 들어 유명한 폭스바겐의 비틀은 대당 21kg의 마그네슘 부품을 사용하였는데, 이는 경량화라는 관점에서 마그네슘이 타 소재와 비교하여 월등히 유리하기 때문이다. 동일 부피의 소재들끼리 비교할 때, 마그네슘의 무게는 철강의 1/5, 알루미늄의 2/3 밖에 되지 않으며, 비강도의 경우 철강의 3배, 알루미늄의 1.5배 정도의 우월성을 보인다. 그러나 분자구조가 HCP이어서 냉간가공이 어려운 점, 다습하거나 산(Acid) 분위기에서 급속히 부식되는 단점이 여전히 큰 폭의 적용 확대에 대한 장애물로 작용해 왔다.

그러나 근래에 장기국책과제인 산업부의 수송기기용 WPM 마그네슘 프로젝트를 중심으로 포스코를 비롯한 국내 기업과 연구기관들의 연구원 및 기술진의 노력으로 다수의 기술적 성과가 있어 왔으며, 이를 기반으로 고급차량부터 차례로 자동차 부품에 적용되고 있는 상태이다. 이에 대해 분야별로 국내외 마그네슘의 자동차부품 적용 동향에 대해서 설명하고자 한다.

2. 국내 마그네슘 원료 제련 기술의 상용화 동향

현재 전세계 마그네슘 원료 잉곳 생산의 80%가 중국에서 이루어지고 있으며, 중국의 국내사정에 따라 가격이 결정되고 있는 실정이다. 특히 2000년대 초중반에 유럽과 국내의 유수한 자동차 회사에서는 경량화를 위해 마그네슘의 채용을 적극적으로 추진하려 하였으나, 2008년 북경올림픽을 위해 중국정부가 자국내 제련공장의 가동을 몇 개월 중단하는 바람에 잉곳의 가격이 2배 이상 상승하여 무산된 적이 있을 정도이다.

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이러한 중국 주도의 원료 공급에 따른 급격한 가격변동에 자유로워지기 위해서는 국내에도 자체 원료 제련공장의 건설이 필수적인데, 다행스럽게도 국내에는 추산 약 4.9억t 정도의 마그네슘이 돌로마이트의 형태로 매장되어 있어, 이를 원료로 활용하기 위해 포스코가 강릉 옥계에 2012년 연산 1만t 규모의 제련공장을 완공하였다. 현재 국내 마그네슘의 연간 소모량이 2012년도 기준 2만 5천t 정도인 것을 감안하여 포스
코는 3단계의 투자를 거쳐 최종 연간 10만t까지 이를 확장할 계획을 갖고 있다.

지금 옥계 제련공장은 상업생산과 자동화 및 친환경 공정 기술개발에 대한 R&D를 병행하고 있다. 이로 인해 한국은 중국의 잉곳 가격의 급격한 변동이 있더라도, 안정적인 원료 수급이 가능해져 국내 마그네슘 산업 성장의 안정적 기반을 마련하게 되었다.

3. 대형 마그네슘 판재 생산 기반의 조성

마그네슘은 특유의 HCP구조로 인해 냉간 소성변형 및 냉간 압연이 불가능한 관계로 폭이 넓은 대형 광폭판재의 저렴한 생산이 불가능했었다. 그러나 2004년에 RIST에서 개발한 Strip Casting 주조를 이용한 판재생산 방식이 확립되면서 포스코는 폭 550mm 압연판재를 생산하는 협폭공장(2007년도 완공)과 폭2,000mm 주조판재를 생산하는 광폭공장(2012년도 완공)을 전남 순천에 차례로 완공하였으며 상업생산과 연구를 동시에 진행하고 있는 상태이다.

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이러한 중간 소재인 판재를 대량 생산하는 기술 개발과 동시에 판재에 대한 열간 Press 성형 기술도 본격적인 궤도에 도달하여 국내 양산차 업체와의 공동개발을 통해 기술개발을 완료하였으며, 2014년도에 국내 최초로 양산차 차체 부품에 마그네슘 판재의 적용이 결정되었다.

추가로 차량의 지붕에 해당되는 Roof도 해외 유명 고급자동차에 적용이 추진되고 있는데, 대부분의 테스트가 성공적으로 완료되었고 2014년도에 최종 테스트 결과를 바탕으로 최종 적용여부가 결정될 예정이다.

또한 향후 대량 중저가 차량까지 적용을 확대하기 위해 생산성 향상 및 Cost 저감이 필수적이며, 이를 위해 온간 Press 성형시의 Cycle Time 단축 및 도포와 제거가 용이한 성형용 윤활유들에 대한 연구가 현재 RIST와 KIMS를 비롯한 연구기관과 기업에 의해서 진행되고 있다. 동시에 포스코는 두께 0.2t의 초극박재 생산도 지난해 성공하여 스피커 진동판을 비롯한 각종 IT기기에 적용을 추진 중에 있어, 판재를 소재로 하는
마그네슘 산업에 있어 한국이 앞서 나갈 수 있는 여건이 조성되고 있다고 하겠다.

4. 상용화 표면처리와 접합기술의 개발 현황

마그네슘은 전위차부식(갈바닉 부식)에 특히 취약하며 알카리에는 강하나 산에는 매우 취약한 특성을 가지고 있다. 따라서 이러한 단점을 보완하기 위해서는 타 소재보다 더욱더 신뢰성 있는 표면처리 방법이 필요하다.

지금까지 신뢰성이 보장되면서도 저렴한 자동차 외판재용 마그네슘 표면처리는 개발되어 있지 않은 상태였다. 그러나 WPM 마그네슘 과제 사업단은 RIST와 노루코일코팅, KC케미칼과 더불어 4년간 집중적인 연구를 통해 화성처리와 전착도장 처리 공정이 가장 적합한 상업적인 표면처리 방법이라는 결론에 도달하였으며, 도장이 된 판재 상태에서 SST(Salt Spray Test) 720Hr을 통과함에 따라 기본적인 내부식성 확보 조건을 만족하기에 이르렀다.

그러나 실제 성형이 완료된 자동차 부품재의 판재표면에는 탄화된 윤활유, 판재 표면의 거칠기 변화 등으로 인해 발생하는 국부적인 도장막 파괴에 대한 추가적인 연구가
진행되고 있으며, 이 부분이 완성될 경우 외장재에 대한 적용도 원활해 지리라 보인다. 또한 2013년에는 르노삼성과 연계한 프로젝트에 필요한 폭 1,250mm의 중형 판재 부품에 대한 탈지-화성처리-전착도장 공정기술 개발 및 시제품 생산을 완료하여, 대량 양산을 위한 기반 기술 개발을 달성하였다.

접합 기술은 2가지로 대별되는데 마그네슘과 마그네슘간의 접합인 동종접합과 마그네슘과 알루미늄 또는 철강과의 접합인 이종접합이다. 일반적으로 동종접합은 레이저 용접이나 Mig용접을 사용할 경우 별다른 문제가 없으나, 이종용접의 경우 갈바닉 부식으로 인해 급격한 부식 문제가 발생하므로 문제의 소지가 있다. 이에 대한 대책으로 접착재를 사용하거나, 볼트나 부쉬의 재질을 갈바닉 부식을 막을 수 있는 소재로 선택하는 것으로 개발되고 있다.

특히 마그네슘의 적용이 가장 유력한 도어나 트렁크, Hood의 경우는 헤밍이 가장 설득력 있는 해결책으로 제안되고 있으며, GM과 같은 대형 자동차사는 이미 Laser Roller 헤밍 장비를 개발하여 판재 부품의 시제품을 제작해, 현재 수십대 정도의 차량에 대한 주행 시험을 하고 있는 상태이다. 따라서 본격적인 상업화를 위해 이 분야에 대한 투자가 지속적으로 집중될 필요성이 있다.

5. 마그네슘 비판재분야(주조, Die Casting, 단조, 압출) 기술의 개발 현황

일반적으로 마그네슘이 가장 많이 사용되어 왔던 분야가 주조와 Die Casting 분야이며, 대다수 차량의 Steering Wheel, Key Rock Housing, Head Ramp Bracket 등이 그것이다. 이러한 제품은 별달리 강도와 내열성 등이 크게 요구되지 않는 부품으로 이미 보편화되어 있는 부품이다.

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그러나 추가적인 경량화 요구에 따라 상당한 강도와 내구성을 요구하는 단조와 압출 부품으로 Road Wheel, Control Arm, Knuckle, Bumper Beam과 같은 부품에도 마그네슘을 적용하는 연구가 진행 중에 있다. 이러한 부품들은 마그네슘을 적용할 경우, 개당 2~5kg의 경량화가 가능한 부품들로서 차량 한 대당적용 개수도 2~4개이므로 경량화 효과가 매우 큰 부품이다.

그러나 그만큼 안전과 매우 밀접한 관계가 있는 부품인지라, 신뢰성 확보를 위해 신합금 개발, 결정립이 미세한 빌렛의 개발, 주조기술, 단조기술, 최종 표면처리기술 개발과 같은 복잡한 연구과정이 모두 완성되어야 하는 어려운 점을 안고 있는 도전적인 분야이다.

그러므로 판재분야나 주조분야보다는 더 장기적이고 심도있는 연구가 필요한 상태이지만, 일부 부품에서는 시제품이 선보여 Secondary Market부터 상업화 출시가 1~2년 안에 이루어질 예정이어서 향후 기대가 되는 분야라 하겠다.

6. 결론

앞에서 언급하였듯이, 우리나라가 대량의 마그네슘 매장량을 보유하고 있다는 점은 마그네슘 산업을 활성화하는데 있어 다른 나라보다 훨씬 우월한 장점이라고 할 수 있다. 그러므로 현재 원료 생산 독점화를 통해 세계 최고의 마그네슘산업 경쟁력을 가지고 있는 중국이 아직도 원료 수출과 같은 저부가가치 분야에 머물러 있는 지금, 중국에 없는 또 하나의 우리의 강점인 세계적인 수준의 국내자동차 제조사 및 부품사와 마
그네슘 소재개발 전문기업인 포스코 및 관련 연구기관들의 유기적인 협업관계를 통해 마그네슘의 자동차부품 적용 기술 개발이 보다 가속화될 필요성이 있다. 이러한 기술개발이 적절한 시기에 이루어진다면 국내 마그네슘 소재산업과 자동차 산업이 동시에 경쟁력 확보가 가능해지며, 이는 국가 경쟁력 향상에도 이바지 하는 일이 되리라 확신한다.
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