고강도·고방열 경량금속소재 부품화 실증 기반구축 사업단
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'한국재료연구원 어광준 책임연구원'
한국재료연구원 어광준 책임연구원
알루미늄 주조합금은 Al-Si계 합금이 대표적인 합금으로 다양한 금속 원소를 첨가하여 경량성, 우수한 내식성, 높은 열전도율 등의 특성을 얻을 수 있어서 자동차, 항공우주, 건설, 전자 기기와 같은 다양한 산업에서 사용된다. 일반적으로 첨가되는 원소로는 실리콘(Si), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 망간(Mn) 등이 있으며 대표적 으로 Si는 높은 주조성, Cu는 고강도와 내열성, Mg는 고강도 특성을 제공할 수 있다. 또한 알루미늄 주조합금은 공정 비용이 상대적으로 낮고 재활용성이 높아 지속 가능한 제조가 가능한 장점도 있다.
최근 성장세가 다소 감소하였지만, 전기자동차(EV) 시장의 확대는 알루미늄 합금의 새로운 요구를 촉진하고 있다. 특히 전기자동차는 내연기관차에 비하여 배터리, 전장부품, 안전부품이 증가하기 때문에 주행거리 확보를 위한 경량화가 필요하며 이와 함께 전장 모듈 제품 성능과 수명 확보를 위한 고방열 특성의 알루미늄 소재 기술이 요구된다.
알루미늄 재활용의 경우 제련을 통한 신합금 제조에 비하여 생산에너지를 95% 절감할 수 있으며 CO2 배출량도 90% 이상 감소시킬 수 있다. 하지만 재활용 과정에서 알루미늄 합금은 0.4-0.8wt% 정도의 철(Fe)이 주요 불순물로 축적되어 소재의 연성을 저하시키기 때문에 부품 제조 시 스크랩 사용을 제한하는 원인으로 작용한다. 이를 극복하기 위하여 Fe를 조직제어 방식으로 제어하여 Fe의 특성 민감도를 저하시키는 연구가 보고되고 있다. 주로 Mn, Cr 등의 원소를 추가로 첨가하여 Fe 관련 생성상의 크기와 형상 등을 제어하는 연구가 수행되었으나[1,2] 최근 한국재료연구원에서는 용탕상태에서 초음파 용탕처리, thermal-rate 등의 액상 제어 공정을 도입하여 Fe의 특성 민감도를 저하시킬 수 있음을 확인하였으며 기계적특성에 불리한 상(β-Al5FeSi)을 유리한 상(α-AlFeSi)으로 변환시켜 강도, 연신율, 열전도도를 동시에 증가시킬 수 있는 알루미늄 주조합금을 개발하였다[3,4]. 주조용 알루미늄 액상금속의 구조(예, bonding, clustering)를 붕괴할 수 있는 외부에너지를 액상금속에 인가하여 금속간화합물과 같은 생성상을 제어하였다. 응고 중에 생성되는 정출상, 금속간화합물의 종류, 크기, 분포 등의 변화를 유도함으로써 강도, 전도도, 연성 등 상반특성을 동시에 향상시킬 수 있는 고강도, 고연신 및 고열전도도인 알루미늄 주조합금과 제조방법을 제시하였다.
상제어 기반 강도-전도도 동시향상기술 [3,4 관련 기술]
Mn, Zr, Ti 첨가 Al-Cu계 내열연화 합금의 연화 거동 및 석출 지연 기구 [9 관련 기술]
개발된 합금은 중력주조 합금과 고압다이캐스팅 합금으로 중력주조 알루미늄 합금의 경우 주조성을 증가시키지만 전도도를 감소시키는 Si 합금 원소를 니켈(Ni)로 대체하여 Al-1.0Si-0.6Fe-0.5Ni-xMg 조성의 합금을 개발하였으며 이를 통하여 전도도 감소를 최소화하면서도 주조성을 향상시킬 수 있었다. 이 합금의 경우 열전도도 190-210 W/mK, 항복강도 220-230 MPa(T5)를 나타내었으며 A356 합금과 유사한 유동도(ADC12 합금 대비 70-80%)를 갖는 것으로 평가되었다. 이를 Tesla에서 제시한 고전도도 합금과 비교하면 전도도는 유사한 수준이며 강도가 증가한 합금이다[5]. 한국재료연구원에서 개발한 고강도 고열전도 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 경우 Al-10Si 합금계에서 Mg 등 미량 첨가성분을 설계하고 액상공정과 열처리를 통하여 금속간화합물 및 석출상을 제어하였다. 또한 재활용성 확보를 위하여 Fe 함량을 0.2-0.4% 수준으로 유지하였으며 이를 통하여 강도와 전도도를 동시에 향상할 수 있었다. 이 합금의 경우 열전도도 170-180 W/mK, 항복강도 160-170 MPa(T5)를 나타내었으며 열처리 후 연신율도 10% 이상 증가하였다. 이러한 합금은 강도와 방열 이슈가 동시에 발생하는 전기자동차의 배터리케이스, 전장부품용 하우징 소재 등으로 활용이 가능하다.
상반되는 특성인 강도와 열전도도를 동시에 향상시키는 기술은 알루미늄 합금 개발의 오랜 화두였으며, 최근 상충되는 특성의 효과적 균형을 갖춘 합금 개발 결과가 보고되고 있다. Z. Lu 등은 머신러닝 기반의 합금 설계를 통하여 고강도와 고열전도성을 모두 만족시키는 새로운 알루미늄 합금 설계 가능성을 제시하였으며 최적 설계된 Al-2.64Si-0.43Mg-0.10Zn-0.03Cu 합금을 검증한 결과 열전도도 190 W/mK, 인장강도 220 MPa급의 합금을 개발할 수 있었다[6]. 일반적으로 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 중력주조용 합금에 비하여 Si 함량이 높아 열전도도가 낮은 특징을 갖고 있다. 최근 고압 다이캐스팅용 알루미늄 합금에서 Si 함량을 6% 수준으로 낮추고 구리(Cu) 등을 첨가하여 강도를 향상시키거나 Ni, Zn 등의 원소를 사용하여 강도를 증가시키면서도 열전도도를 120-160 W/mK까지 얻을 수 있는 합금 개발이 이루어지고 있다[7].
한편 고온의 열환경 노출에 따른 특성 확보 및 기계적특성 저하 방지를 위한 연구도 진행 중인데 중국 톈진대학에서는 산화물 분산 강화 알루미늄 합금을 개발하여 사용 온도 범위를 기존의 350°C에서 500°C로 확장하였으며 500°C에서 200 MPa 이상의 인장강도를 나타내었는데 이는 고밀도의 초미세 산화물 나노입자를 균일하게 분산시켜 특성 확보가 가능하였다[8]. 전기자동차의 배터리팩은 운용 시 내부 온도가 최대 150℃까지 상승하며 장기간 고온 환경에 노출되게 되기 때문에 열 환경에서 지속적으로 특성을 유지할 수 있는 열연화 억제형 알루미늄 합금 개발이 필요하다. 시효경화형 알루미늄 합금은 고온에 노출되었을 때 석출물이 조대화되면서 기계적특성이 빠르게 악화한다. 미국 Oak Ridge National Laboratory에서는 내연기관의 실린더 부품용 Al-Cu계 알루미늄 합금(206 합금)의 열연화 특성을 억제하기 위해 Mn, Zr, Ti 등의 원소를 첨가하여 석출상과 기지 계면에 편석시킴으로써 석출물을 안정화하였다[9].
또한, 미국 Northwestern University와 General Motors에서는 실린더 헤드용 Al-Si-Cu-Mg계 합금(AS7GU 합금)에 낮은 확산계수를 갖는 원소(V, Zr)를 미량 첨가하여 주된 강화상인 Q-AlCuMgSi 상의 조대화를 제어함으로써 300℃에서의 인장강도를 V/Zr 미첨가 합금 대비 20% 정도 향상하는 결과를 보고하였다[10]. 한국재료연구원에서는 열안정성 향상을 위해 석출물의 구조를 개선하는 방안이 아닌, 첨가한 미량원소가 석출물을 구성하는 원소의 확산을 억제시키는 기술을 개발하였는데 Cu와 높은 친화력을 가지고 있는 Sc를 Al-Mg-Si-Cu계 합금에 첨가하여 Cu 확산을 방해함으로써 석출물의 시효 거동을 지연시킬 수 있었다[11].
V, Zr 첨가 Al-Cu계 내열연화 합금의 원소 분포 및 온도별 인장강도 [10 관련 그림]
Sc가 시효지연을 통해 열안정성을 향상하는 메커니즘을 나타내는 모식도 [11 관련 그림]
고강도 고열전도도 알루미늄 합금 개발은 전기자동차 시대에 필수불가결한 개발 요구라고 할 수 있다. 국내 기술을 통하여 고강도 고열전도 알루미늄 합금이 확보된다면 소재 기술 선점과 함께 국내 전기차 제조 및 부품 제조업체의 대내외 경쟁력 향상에 일조할 것이다. 그러나 아직 알루미늄 산업 전반에서 고강도 고열전도 알루미늄 합금의 개발 필요성을 제고시켜야 하고, 현재까지 개발된 합금의 실제 산업현장 적용 시 발생할 수 있는 문제점 등은 반드시 풀어야 할 숙제이다. 이는 산·학·연 단위의 지속적이면서도 적극적인 연구개발을 통하여 개발 기술의 사업화를 실현한다면 해결될 수 있을 것으로 기대한다.
참고문헌
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[2] Y. Yang, S.Y. Zhong, Z. Chen, M. Wang, N. Ma, H. Wang, Effect of Cr content and heat-treatment on the high temperature strength of eutectic Al–Si alloys, J. Alloys Compds., 647 (2015) 63. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.05.167
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[4] 조영희 외, 고열전도도 고강도 알루미늄 합금 및 이를 포함하는 알루미늄 주조재, 대한민국 특허 등록 10-1874005
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[10] K. Kim, A. Bobel, S.-I. Baik, M. Walker, P.W. Voorhees, G.B. Olson, Enhanced Coarsening Resistance of Q-phase in Aluminum alloys by the addition of Slow Diffusing Solutes, Mater. Sci. Eng. A, 735 (2018) 318. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.08.059
[11] J.S. Lee, Y.Y. Kim, K. Euh, W.J. Lee, H.W. Son, Synergistic effects of Ag and Sc addition on superior thermal stability in Al-Mg-Si-Cu alloy, J. Alloys Compd., 1010 (2025) 177199. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.177199
고강도·고방열 알루미늄 주조합금 개발 동향
고강도 고방열 알루미늄 주조합금은 자동차, 전자기기 등 다양한 산업 분야에서 경량화와 높은 성능을 요구하는 부품 제작에 필수적인 소재다.
특히, 전기자동차의 배터리팩이나 고성능 반도체 패키징 등 열 관리가 중요한 분야에서 그 수요가 급증하고 있다.
이에 따라 '한국자료연구원의 어광중 책임연구원' 에게 고강도 고방열 알루미늄 주조합금 개발 동향에 대한 전문가 의견을 듣고자 한다.