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고강도·고방열 경량금속소재 부품화 실증 기반구축 사업단

전문가 기고
김남석, 최광민, 김세광 연구원

고강도·고열전도 알루미늄 가공합금 기술 동향

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차세대 전기차와 도심항공모빌리티(UAM), 방산, 이차전지 냉각 시스템 등에서 공통적으로 요구되는 소재 조건이 있다. 특히 이들 시스템은 발열 밀도가 높고, 부품 경량화가 중요한 상황에서 고효율 냉각을 위한 고기능성 소재 수요가 급증하고 있다. 바로 ‘가볍고 강하면서 열도 잘 흐를 것’이라는 요구이다. 이는 전통적인 Passive Cooling 환경에서 요구되는 소재 특성이며, 최근에는 냉각 유체(예: 물, 오일 등)를 활용하는 액상 기반 Active Cooling 방식이 확산되면서, 높은 열전도도와 함께 내식성까지 확보할 수 있는 소재에 대한 수요가 확대되고 있다.

 

알루미늄은 밀도 대비 강도(비강도)가 높고, 열전도도 역시 금속 중 최상위권에 속하지만, 여기에 내식성까지 동시에 확보해야 하는 Active Cooling 환경에서는 합금 설계의 어려움이 더욱 커진다. 일반적으로 고강도를 얻기 위해 Cu, Zn, Si, Mg 등 강화원소를 첨가하면 열전도도는 크게 떨어진다. 반대로 고전도 합금은 대부분 순Al에 가까워 기계적 성능이 부족하다. 가공합금은 용해–압연–열처리 등 일련의 공정을 통해 판재로 제조되며, 이 과정에서 결정립 제어, 고용도, 석출 강화 거동, 그리고 부식 저항성까지 고려한 설계가 요구된다.

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공기 기반 패시브 쿨링(그림 1.(a))과 액체 기반 액티브 쿨링(그림 1.(b))은 냉각 방식과 소재 요구 특성에서 뚜렷한 차이를 보인다. 패시브 방식은 알루미늄 히트싱크를 통한 자연 대류 및 전도에 의존하며, 구조가 단순하고 무소음이라는 장점이 있지만 냉각 성능에는 한계가 있다. 반면 액티브 쿨링은 냉각 매체(물 또는 오일 등)를 펌프로 순환시켜 열을 적극적으로 제거하며, 발열량이 높은 작동 환경에서도 안정적인 열관리가 가능하다. 이 경우, 냉각 유체와 직접 접촉하는 알루미늄 부품에는 우수한 내식성과 열전도성을 겸비한 합금 소재가 요구된다.

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[그림 1] 공기 기반 패시브 쿨링(a)과 액체 기반 액티브 쿨링(b)과 의 구조 비교 [1]

이러한 액티브 쿨링 구조는 기존에는 고성능 CPU, 서버 등 전자부품에서 주로 사용되었지만, 최근에는 전기자동차의 배터리 모듈, 인버터와 DC-DC 컨버터 등 고출력 전력변환 장치, 방산 장비, 항공 전자기기 등에서도 요구 성능이 고도화됨에 따라 적용 범위가 빠르게 확대되고 있다. 이에 따라 냉각 유체와 접촉하는 구조물에 적용될 내식성과 고열전도성을 동시에 갖춘 알루미늄 소재의 중요성이 더욱 부각되고 있다.

문제는 이러한 냉각 조건에서 요구되는 소재 특성이 조성 설계에 어떤 영향을 미치는가이다. 아래 그림은 다양한 알루미늄 합금의 인장강도와 전기전도도를 비교한 결과로, 고강도와 고전도 특성을 동시에 갖는 조합이 매우 제한적임을 보여준다.

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최근 세계적으로는 Al–Li, Al–Zn–Mg–Cu, Al–Mg–Si, Al–Mg–Sc 계열 합금들이 구조용 가공합금으로 활발히 연구되고 있다. 항공기 분야에서는 Al–Li 합금이 동체 외피와 보강재에 채택되며, 기존 2xxx·7xxx계 대비 약 8% 경량화 효과를 보인다[3].

자동차 분야에서는 고강도 7xxx계 가공합금이 도어빔, B필러 등에 적용되고 있으며, UACJ의 FUSTHERMO 시리즈와 같은 고전도 6xxx계 합금은 배터리 냉각 트레이 등 방열 구조부에 채택되고 있다[4,5]. 또 다른 흐름으로는 Al–Mg–Zn(-Cu) 계열 ‘크로스오버 합금’이 있다.

기존 5xxx계처럼 가공성이 좋으면서도, 7xxx계처럼 시효강화를 활용해 강도도 높이려는 시도다[6]. 이러한 경향은 “전통 조성 계열의 경계를 넘는” 가공합금 설계의 흐름을 보여준다.

[그림 2] 다양한 알루미늄 합금의 인장강도와 전기전도도 비교 [2]

이러한 기술 흐름 속에서 Mg 함량을 6% 이상 첨가한 고강도 알루미늄 가공합금도 실제 부품화를 위한 노력이 지속되고 있으며, 적용 가능한 부품의 수가 점차 확대되고 있다. Al–Mg 계 합금은 고용강화 효과가 뛰어나 가공성이 좋고 내식성이 우수하지만, Mg가 5% 이상 첨가되면 산화 및 열균열 등의 문제가 발생해 상용화에 어려움이 있었다. 최근에는 미량의 Zr, Sc, Cu, Sn 등의 첨가와 급속응고 기술을 통해 고Mg 합금의 가공성 및 열안정성을 향상시키는 연구가 활발히 진행되고 있다[7,8].

국내에서도 이러한 기술 흐름의 일환으로 ECO-Almag 합금이 개발되었으며, 이는 Mg 함량을 6~9wt.%까지 높인 ECO-Almag6~9 합금에 대해 압출 공정 기반의 부품화 특성이 확인된 사례로, 기존 5xxx계(예: 5083-O)의 기계적 특성과 비교해도 우수한 인장특성과 연신율을 확보하고 있음이 확인되었다[9]. 이는 고Mg 함량 Al–Mg 합금의 열간 압출 공정을 통해 인장강도와 연신율이 향상된다는 연구 결과와 일치한다[9].

아래는 ECO-Almag6~9 합금의 성형 가공 후 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 결과로, 압출 후에도 균일한 결정립 분포를 보이며 고성형성이 유지됨을 시사한다.

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[그림 3] ECO-Almag6~9 합금의 성형 가공에 따른 결정립 미세조직 [10]

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[그림 4] 7085 알루미늄 합금의 고온 열처리 조건에 따른 경도 및 전기전도도 변화 [12]

ECO-Almag은 현재 상용화되어 있으며, 특히 전기차 배터리 냉각 트레이, 고전압 제어장치 커버와 같은 액상 순환 환경에서 부식 저항성을 요구하는 구조물에 알맞은 내식성과 가공성을 동시에 확보한 것으로 평가된다. 공급 범위도 점차 확대되고 있으며, 유럽을 포함한 글로벌 고객사 대상으로 적용 확대가 추진되고 있다.
 

가공합금 기술은 합금 조성만으로 완결되지 않는다. 최근에는 머신러닝 기반 합금 설계, 급속응고 공정(RSP), 고속 블로우 포밍(HSBF), 이종접합 기술 등 가공 공정의 진보가 소재 성능을 좌우하는 결정적 요소로 부상하고 있다[11]. 그중 열처리 조건의 제어를 통해 경도와 전도도 특성을 동시에 조절하는 시도는 실제 상용 합금에서 특히 중요한 방향이다. 7085 알루미늄 합금의 다양한 열처리 조건에 따른 경도(HV)와 전기전도도(% IACS)의 변화는 열처리 변수에 따라 명확한 상관성을 보이며, 공정 조건 최적화를 통해 물성의 균형을 맞출 수 있음이 확인된다[12].

가공합금 알루미늄 소재의 공급망 역시 특정 기업과 국가에 집중되어 있어, 글로벌 공급망 리스크에 대한 대응이 요구된다. 고강도 Al–Zn–Mg계 가공합금은 Novelis, UACJ 등 일부 대형 압연 기업만이 생산 가능한 기술을 보유하고 있으며, Al–Li 합금도 미국, 프랑스의 기업에 기술이 집중되어 있다. 국내의 경우 아직 대형 가공합금 생산 인프라가 부족해 대부분 수입에 의존하고 있다. 따라서 연구기관과 수요기업이 협력해 기술 국산화와 소재 자립화를 동시에 추진하는 구조가 필요하다. 국내에서 개발된 ECO-Almag 소재도 이러한 자립화 시도의 일부로, 고Mg 가공합금의 실증 사례로서 하나의 방향을 제시하고 있다[13,14,15].​

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​이와 같이 고강도·고열전도 알루미늄 가공합금은 다양한 기술 수요에 따라 설계 방향이 변화하고 있으며, 단순한 열전도도나 기계적 강도를 넘어서 Active Cooling 환경에서의 내식성, 성형성, 공정 호환성까지 고려한 복합 소재로 진화하고 있다. 특히 ECO-Almag과 같은 고Mg계 가공합금은 국내 기술 자립화의 실질적 사례로, 향후 전기차, 방산, UAM 등 고신뢰성 요구 환경에서 활용성이 더욱 확대될 것으로 기대된다

참고문헌

  1. Intel. Liquid Cooling vs. Air Cooling: Which is Right for You? [Internet]. Intel Corporation, 2023 [cited 2025 May 23]. Available from: https://www.intel.com/content/www/us/en/gaming/resources/cpu-cooler-liquid-cooling-vs-air-cooling.html

  2. Li, X.; Deng, Y.; Zhang, W.; Liu, S.; Li, Y. Comprehensive Study on Electrical Conductivity and Mechanical Properties of Aluminum Alloys. Materials 2020, 13 (17), 3728. DOI: 10.3390/ma13173728

  3. Zhou, B.; Liu, B.; Zhang, S. The Advancement of 7XXX Series Aluminum Alloys for Aircraft Structures: A Review. Metals 2021, 11 (5), 718. DOI: 10.3390/met11050718

  4. Singh, J.; Srivastawa, K.; Jana, S.; Dixit, C.; Ravichandran, S. Advancements in Lightweight Materials for Aerospace Structures: A Comprehensive Review. Acceleron Aerosp. J. 2024, 2 (3), 173–183. DOI: 10.61359/11.2106-2409

  5. UACJ Corporation. FUSTHERMO Series: High Thermal Conductivity Aluminum Sheets [Internet]. UACJ Corporation, 2023 [cited 2025 May 23]. Available from: https://www.uacj.co.jp/english/products/sheeting/aas-fusthermo.htm

  6. Lee, C.; Wang, Y. Al-Mg-Zn(-Cu) Cross-Over Alloys: The New Frontier in High-Strength and Radiation-Resistant Lightweight Materials. J. Alloys Compd. 2021, 867, 159342. DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.159342

  7. Sato, K.; Murata, Y. A Model to Unravel the Beneficial Contributions of Trace Cu in Wrought Al–Mg Alloys. Acta Mater. 2022, 235, 118011. DOI: 10.1016/j.actamat.2022.118011

  8. Huang, Y.; Lin, J. Recent Development of Superplasticity in Aluminum Alloys: A Review. Mater. Sci. Forum 2022, 1061, 135–146. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.1061.135

  9. Yoon, Y. O.; Kim, B. H.; Kim, S. K. Microstructural Evolution and Mechanical Properties of High-Mg Al-Mg Alloys Processed by Hot Extrusion. Mater. Sci. Forum 2022, 1055, 87–94. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.1055.87

  10. Kim, B. H.; Yoon, Y. O.; Kim, S. K. Fabrication and Evaluation of High Mg-Content ECO-Almag6~9 Extruded Products by Using Oxidation-Resistant Mg Mother Alloy. J. Korean Foundry Soc. 2021, 41 (3), 252–259. DOI: 10.7777/jkfs.2021.41.3.252

  11. Zhang, Y.; Hu, B. Wrought and Cast Aluminum Flows in China in the Context of Electric Vehicle Diffusion and Automotive Lightweighting. Resour. Conserv. Recycl. 2021, 173, 105697. DOI: 10.1016/j.resconrec.2021.105697

  12. Zhang, Y.; Li, J.; Wang, L.; Zhao, Y.; Liu, W. Study on the Relationship between High Temperature Mechanical Properties and Precipitates Evolution of 7085 Al Alloy. Metals 2021, 11 (9), 1483. DOI: 10.3390/met11091483

  13. SteelDaily. 철강과 알루미늄의 도전적인 공존 [Internet]. SteelDaily, 2023, Oct 18. Available from: https://www.steeldaily.co.kr/news/articleView.html?idxno=190634

  14. Wang, L.; Xu, F. Aluminum Alloy Hot Stamping and Forming Technology: A Review. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2022, 120 (3–4), 1507–1524. DOI: 10.1007/s00170-022-09042-1

  15. Kumar, R.; Singh, A. A Review on Lightweight Materials for Defence Applications. Def. Technol. 2023, 19 (2), 91–108. DOI: 10.1016/j.dt.2022.07.003

  16. SNM. 초경량 합금소재 ’에코알막’ 생산 임박 [Internet]. SNM News, 2023, Oct 26. Available from: http://www.snmnews.com/news/articleView.html?idxno=489325

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