대량생산 가능한 마그네슘 판재 성형 원천기술 개발

홍익대 김우진 교수팀
‘강소성가공을 통한 초미세립나노 소재 제조법’

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[아시아경제 채명석 기자] 마그네슘 판재의 기계적 성질과 내부식성을 동시에 획기적으로 향상시켜 대량 생산이 가능한 압연법이 국내 대학 연구진에 의해 개발돼 산업계의 주목을 받고 있다.

마그네슘은 원자번호 12번으로 비중이 1.76에 불과해 알루미늄 대비 3분의 2, 철강 대비 5분의 1에 불과한 금속으로 구조용 재료로는 가장 가벼운 금속이다. IT기기의 경량화 물결을 타고 높은 수요가 기대되는 금속이기도 하다.

하지만 마그네슘 합금은 알루미늄 합금과 비교할 때 강도와 연성이 낮으며 내식성이 낮다는 문제점을 가지고 있다. 연성이 부족한 단점은 성형온도를 높여서 어느 정도 극복할 수 있으나, 복잡한 형상과 날카로운 코너를 갖는 제품은 프레스 서형이 어려워 상용화에 어려운 점이 많았다. 일본에서는 마그네슘 판재로 노트북 케이스 등을 상용화했으나 성형상의 문제와 생산성 문제로 대량 생산에 한계가 있어 왔다.

홍익대학교 신소재 공학과 김우진 교수는 이러한 마그네슘 판재 성형의 애로를 해결한 원천기술을 개발했다. 핵심은 ‘HRDSR(High-Ratio Differential Speed Rolling)’으로 이 기술은 금속판재에 압연기의 상하 롤의 속도를 달리해 강한 전단변형을 가하는 것으로 초미세립·나노 판재를 연속적으로 제조하는 방법이다.

이 기술은 지난 1990년 러시아에서 개발된 강소성가공을 통한 초미세립나노 소재 개발 기술을 응용한 것인데, 러시아의 기술은 판재의 폭에 제한이 있고, 생산공정이 비연속적이며 본격적인 상용화가 이뤄지지 못했다. 반면 김 교수에 의해 제안된 HRDSR 기술은 초미세립나노 판재를 연속적이면서도 대량으로 경제성 있게 생산할 수 있어 상용화 가능성이 높다.

아울러 김 교수는 HRDSR 기술을 이용해 세계 최초로 상온 기계적 성질 및 고온 성형성이 매우 우수하면서도 내식성이 향상된 마그네슘 판재를 경제성 있게 제조할 수 있는 방법을 찾아냈다.

즉, HRDSR 기술은 기존 마그네슘 성형온도인 270도보다 70도 정도 낮췄고 상용 프레스 장치에서 구현할 수 있는 최대속도에서 성형이 가능해 동일 온도 조건에서 기존 상용판재에 비해 성형속도를 최대 20배 더 높일 수 있다.

김 교수는 “이 기술은 고온 성형성이 매우 우수해 복잡한 형태의 제품을 쉽게 제조할 수 있어 제품의 디자인 자유도를 크게 높일 수 있다”며 “성형 후 제품의 항복강도는 최대 350 MPa(메가파스칼)로 알루미늄 합금과 유사한 고강도를 갖춰 제품의 생산성 뿐만 아니라 고강도를 실현할 수 있다”고 설명했다.

그동안 마그네슘 합금의 강도를 높이려는 많은 시도가 있어 왔으나, 주로 이트늄 등 고가의 희토류 원소를 사용해야만 가능했다. 하지만 김 교수가 개발한 소재는 희토류 원소가 첨가되지 않은 저렴한 상용조성의 마그네슘 합금이라는 점에서 더욱 의미가 크다.

강민철 한국마그네슘기술연구조합 박사는 “상온에서는 성형이 불가능한 마그네슘 판재는 온간에서의 성형이 불가피 한데 성형온도를 크게 낮출 수 있고 성형성이 우수해 상용 제품화가 가능하다”며 “제품 1개당 성형속도를 높일 경우 휴대전화 전자부품 생산에 필요한 획기적인 원천기술”이라고 강조했다.

김 교수는 또한 HRDSR 중 일어난 결정립 초미세립화와 석출물 제어 효과로 마그네슘의 내식성이 크게 향상된다는 것을 발견했으며, 마그네슘 합금 조성에 따라 다르나 AZ61합금의 경우 염수분무 실험을 통해 내부식성이 최대 5배 정도로 향상된다는 것을 발견했다.

현재 이 기술은 국내외에 특허 출원 또는 등록이 진행되고 있으며 재료계 학술지로 권위있는 스크립타 마터리알이라(Scripta Materialia)에 논문이 게재 됐다. 또한 전남신소재센터 및 포스코와 함께 고기능 마그네슘 합금 판재 제조를 위한 HRDSR 생산 장비 개발 연구를 수행 중이다. 동시에 전자제품 케이스를 생산하는 인탑스와 휴대전화 및 태블릿PC 내외장 케이스 상용화를 검토하고 있다.

마그네슘합금은 국내외적으로 경량소재로 선풍적인 관심을 끌고 있으며 시트 프레임, 변속기 하우징, 스티어링 휠 코어 등 자동차 부품 인라인스케이트 프레임, 산악용 자전거 프레임 및 부품 등 레저용품 등 경량화가 요구되는 부품으로 사용이 확대되고 있다.

조합측은 “김 교수가 개발한 소재 및 공법은 휴대전화의 전자제품 케이스, 노트북 케이스 등 전자부품류의 고부가가치 부품에 활용 가능하다”며 “또한 나노구조를 갖으면서 내부식성이 우수한 마그네슘 판재는 생체재료로의 활용할 수 있어 이 분야로의 연구도 진행 중이다”고 전했다.

채명석 기자 oricms@