對日 소부장 전쟁 2년…값싸고 질높은 재료 개발 열풍

한국재료연구원, 17일 원천기술 연구 성과 공개

[아시아경제 김봉수 기자] 2019년 일본의 반도체 관련 대(對)한국 수출 규제 사태 이후 소재, 부품, 장비 등 '소부장' 산업의 기술 개발이 한창인 가운데, 한국재료연구원(재료연)이 17일 전기차 배터리, 발전, 표면처리 관련 원천 기술 성과를 공개했다.

전기차 배터리 열관리용 방열 세라믹 신소재 모사도.

재료연은 우선 전기차 배터리 열관리용 방열 세라믹 신소재를 개발했다. 재료연은 고열전도성 저가 산화물 소재 개발에 대한 수요를 충당할 수 있도록 상용 산화물 소재인 알루미나(Al2O3, 열전도도: 20-30W/mK)와 유사한 가격이면서 열전도도는 우수한 산화마그네슘(MgO, 열전도도: 40-60W/mK) 소재 연구에 주력했다. 기존의 산화마그네슘은 알루미나보다 열전도도는 높지만, 소결온도가 매우 높아 제조 단가가 높고 공기 중의 수분과 반응하는 흡습성 문제 등으로 사용에 제한이 있었다.

재료연은 극히 미량의 첨가제를 사용해 알루미나보다 낮은 온도에서 소결되고 흡습성 문제도 해결된 KIMS MgO 신소재를 개발했다. 개발된 KIMS MgO 신소재는 상용 알루미나와 가격은 유사하면서도 열전도도는 약 2배 정도 높아, 상용 알루미나 소재를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

발전용 대형 타이타늄 합금 블레이드.

대형(1m급) 타이타늄(Ti) 합금 블레이드 제조 기술도 국산화했다. 발전터빈의 대용량 고효율화를 위해서는 증기 및 연소온도와 압력을 증가시킬 필요가 있다. 이를 위해서는 발전터빈 블레이드의 대형화가 우선적으로 요구된다. 현재 기업에서 요구하는 스팀터빈 최후단 블레이드(LSB, Last Stage Blade)의 길이는 약 40인치 이상이다. 국내외 발전터빈 업체는 대형 블레이드의 무게 절감 및 효율 향상을 위해 기존의 Fe-Cr합금에서 고강도 타이타늄(Ti) 합금으로의 대체를 추진하고 있다. 이처럼 블레이드의 대형화를 위해 고비강도 타이타늄(Ti) 합금의 사용이 급증하고 있지만, 국내 발전업체의 기술 및 관련 인프라는 부족해 발전터빈용 타이타늄(Ti) 블레이드를 전량 수입에 의존하고 있는 상황이다.

재료연은 국내 기업과의 협업을 통해 상용합금 대비 인장강도가 13% 높고 충격특성이 우수한 국산 대형(1m급) 타이타늄(Ti) 합금 블레이드 제조 생산에 성공했다. 개발된 타이타늄(Ti) 신합금은 상용 타이타늄(Ti) 블레이드 대비 합금량을 2.75wt% 줄이고, 기존 상용합금에서 사용하는 고가의 바나듐(V) 대신 저가의 합금원소(Fe, Al, Si)만을 첨가해 가격경쟁력이 우수하다.

재료연은 대형(1m급) 타이타늄(Ti) 블레이드 제조기술을 기업체에 기술이전하고, 잉곳→빌렛→형단조→후열처리→가공에 이르기까지 발전용 타이타늄(Ti) 블레이드 국산화를 위한 제조 밸류체인(Value-Chain)을 완성했다. 전량 수입 중인 타이타늄(Ti) 블레이드를 국산화해 국내 기업의 발전터빈 산업경쟁력을 강화했다. 앞으로 선박·산업용 극저온 탱크, 항공·우주 부품 등 대형 타이타늄(Ti) 부품 제조산업 전반에 걸쳐 큰 파급효과를 기대할 수 있는 상황이다.

선형이온빔 표면처리 장비

장비 분야에선 선형이온빔 표면처리 장비·기술이 국산화됐다. 기존 표면처리 방식은 주로 유기용매를 활용하기 때문에 정화시설의 설치가 필수이고 유출 시 환경오염에 대한 우려 또한 존재해왔다. 이에 비해 선형이온빔 장비는 아르곤과 산소 등 유해하지 않은 가스를 활용하고 넓은 폭의 표면처리가 가능하다.선형이온빔 장비는 아르곤, 산소 등의 가스를 높은 전압을 이용해 이온화시킨 후 이를 방출하는 기술이다. 1960년대 항공 우주용 추력기의 이온 엔진에서 시작된 기술을 표면처리에 적용했고 이후 다양한 형태로 발전을 거듭했다. 한국재료연구원은 이를 금속 강판의 광폭 표면처리에 적합하게 맞춰 1,500㎜ 폭의 선형이온빔 장비를 개발 및 2012년 국가연구개발 우수성과에 선정됐다. 보다 섬세한 표면처리를 요구하는 기술개발 트렌드에 맞게 심화 개발시켜, 수십 마이크로미터 두께 필터 섬유의 비손상 표면처리가 가능한 선형이온빔 장비 기술을 개발할 수 있었다.

이 기술은 현재 민간에 이전돼 현재 다양한 산업에 적용 중이다. 세라믹·금속·고분자 등 이종소재 간 밀착력을 향상시키는 기술은 방열판, FCCL(Flexible Copper Clad Laminate, 연성동박적층판) 등에 주로 사용되고 있다. 방역용 항균·항바이러스 필터 소재, 자동차 부품용 고경도 박막, 디스플레이용 저반사 필름 등 다양한 산업 분야에 폭넓게 활용되고 있다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr