최근 산업이 점차로 고도화, 세분화됨에 따라 다양한 분야에서 요구되는 보다 엄격한 규제조건을 충족시킬 수 있는 신소재에 대한 필요성이 증대되고 있다. 특히 자원의 고갈로 인한 에너지절약의 당위성과 날이 갈수록 관심이 높아 가는 환경문제에 관한 규제 등은 재료개발을 위한 필요성을 가속화시키면서 한편으로는 신소재 개발에 어려움을 주는 요인들로 작
문서보안 : www.kosen21.org 요 약 문
Ⅰ. 제 목 자동차 경량화를 위한 비평형 합금소재 기술
Ⅱ. 사업의 목적 및 필요성
최근 산업이 점차로 고도화, 세분화됨에 따라 다양한 분야에서 요구되는 보다 엄격한 규제조건을 충족시킬 수 있는 신소재에 대한 필요성이 증대되고 있다. 특히 자원의 고갈로 인한 에너지절약의 당위성과 날이 갈수록 관심이 높아 가는 환경문제에 관한 규제 등은 재료개발을 위한 필요성을 가속화시키면서 한편으로는 신소재 개발에 어려움을 주는 요인들로 작용하고 있다. 이러한 추세는 자동차산업도 예외가 아니어서 최근 들어 자동차산업에 대한 관심 및 그에 상응하는 자동차소재 개발에 대한 연구가 전세계적으로 활발히 진행되고 있다. 그러나 자동차가 사치품으로 인식되던 시재가 끝나고 생활필수품으로 자리를 잡기 시작하면서 수요량이 급격히 증가함에 따라, 과거에는 단순히 성능이 좋으면서도 값이 저렴한 제품만을 선호하였으나 이제는 에너지소비 및 한경보호 차원까지 고려한 제품을 생산해야 하는 상황에 이르렀다. 이러한 상황을 진작부터 인식한 미국에서는 기업평균연비(CAFE) 법안을 통해 연비효율 향상을 의무화하려고 시도하고 있을 뿐 아니라 자동차 배기가스의 대폭적인 감소를 요구하는 새로운 대기정화법을 추진 중에 있다. 또한, 유럽공동체(EC)와 일본에서도 미국 수준 이상의 배기가스 수준을 설정하였다. 위와 같은 상황을 볼 때 기존 자동차에 비해 연비효율이 좋고 배기가스의 배출이 적은 자동차를 생산하기 위한 연구개발은 더욱 가속화될 전망이다. 자동차 연비효율을 향상시키는 방법으로는 엔진과 트랜스미션의 효율향상, 공기저항을 줄일 수 있는 차체디자인의 설계, 차체의 소형화 및 부품의 경량화 등이 있다. 엔진 및 트랜스미션의 율향상과 공기저항의 감소는 설계 측면에서 고려해야 하는 것으로 현재 기술개발이 한계에 도달하여 급격한 개선이 어려운 실정이며, 차체의 소형화는 연비향상에 확실한 방법이지만 보다 안전하고 대형차를 원하는 소비자들의 욕구를 만족시키지 못하고 있다. 결국 연비효율향상을 위한 방안으로서 자동차부품의 경량화가 가장 유력하고 현상황에서 가능성 있는 방안으로 제시되고 있다. 부품의 경량화는 차체중량의 감소뿐 아니라 그를 지지하는 구조물의 무게감소가 가능하기 때문에 그 효과가 파급되는 더욱 큰 장점이 있다. 따라서 본 사업에서는 자동차 경량화를 위한 비평형 합금 중 마그네슘 합금과 비결정질 합금의 국내외 개발 추세 및 기반 기술을 파악하여 앞으로의 비평형 합금 기술 개발 방향을 제시하고자 한다. 본 사업의 구체적인 목표를 정리하면 다음과 같다.
1) 자동차 산업에서의 친환경 경량소재 연구 동향 파악 2) 경량소재로서의 Mg 합금의 개발 방안 제시 3) 자동차 부품으로의 비결정질 합금의 적용 가능성 검토 4) 자동차 부품으로의 고성능 비결정질 합금의 적용 분야 제시
Ⅲ. 사업의 내용 및 범위
1) 자동차 경량화에 따른 연비향상 사례 2) 경량 Mg 합금의 개발 추세 3) 경량 Mg 합금의 제조 공정 4) 경량 Mg 합금의 자동차 부품 적용 사례 5) 비결정질 합금이 사용되고 있는 분야 6) 개발된 비결정질 합금계에 따른 특성 7) 비결정질 합금의 제조 방법 8) 비결정질 합금 개발 추세 및 추진체계 9) 해외의 자동차 경량화를 위한 연구 추진 체계
Ⅳ. 정보조사 결과
본 사업를 통하여 얻은 주요 기술 정보를 요약하면 다음과 같다.
1) 전 세계적으로 자동차의 생산량이 급증합에 따 지구환경보호를 위해 환경선진국을 중심으로 한층 강화된 배기가스 규제 기준이 적용되고 있다. 이러한 시대적 상황에 효과적으로 대처하기 위해서 주요 자동차 생산국들은 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 방안을 다각적으로 모색하고 있으며, 미국, 유럽, 일본 등 자동차 산업분야를 선도하는 나라에서는 차체 경량화를 통한 연비 향상 방안 개발에 적극적인 투자를 하고 있다. 마그네슘합금은 탁월한 경량성으로 인하여 알루미늄, 플라스틱 등과 더불어 연비향상을 위한 자동차 부품재료로서 크게 부각되고 있다. 국제 원자재 시장에서 마그네슘합금의 가격은 지난 수년 동안 소폭의 하락 추세에 접어 들었으며, 최근 들어 마그네슘합금에 대한 전세계적인 수요량의 증가에 발맞추어 중국, 이스라엘, 호주 등지에서 합금 제조를 위한 설비투자 및 생산량이 점차 증가하고 있어 향후 원소재 가격의 하략과 안정세가 예상되고 있다. 따라서 전술한 바와 같은 마그네슘합금의 장접들을 고려해 볼 때, 알루미늄과의 충분한 가격 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 판단된다. 현재 마그네슘합금은 여러 분야의 자동차부품 재료로서 사용되고 있으며, 앞으로 그 사용범위는 계속 확대될 것으로 전망된다. 특히 engine valve cover, engine head 등의 엔진 부품에 마그네슘합금을 적용하기 위해서는 내열특성, 내크리프성 및 내식성이 향상된 새로운 마그네슘합금의 개발이 절실히 요구되며, 자동차 내장 재료에 적용되는 경우에도 합금 자체의 경량성 뿐만 아니라 높은 강도와 인성이 요구되므로 향후 자동차부품에 적용될 마그네슘 합금계가 매우 다양화 되리라 예측된다. 이와같이 마그네슘합금이 향후 요구되는 기술적 수요에 맞춰 자동차 부품의 적용분야 확대를 위해서는 마그네슘합금의 압출, 압연 등에 의 가공기술 및 가공용 마그네 합금 개발이 필수적이다. 가공용 마그네슘합금 제품은 주조용 합금 제품에 비하여 고강도와 고인성의 조합을 얻을 수 있으며 기계적 특성의 다양성을 확보할 수 있다는 장점을 가지고 있어 향후 경쟁력 있는 기술력 확보를 위해 반드시 필요한 제조기술 중 하나이다. 또한 최근의 Thin wall casting 기술의 발전과 함께 마그네슘의 높은 열전도도와 열적 안정성, 우수한 전자파 차폐능으로 인하여 cellular phone, video camera, potable computer등의 전자산업에서의 적용 추세도 지속적으로 증가하고 있다. 앞서 언급한 바와 같이 마그네슘합금제 자동차 부품에 대한 연구 개발 노력은 자동차 선진국을 중심으로 전세계적인 추세가 되고 있으며, 특히 국내 자동차 생산량의 절반 이상이 해외로 수출되는 점을 고려하면, 국내에서도 향후 지속적인 관심과 연구개발 및 투자를 통해 세계 자동차 시장에서 경쟁력을 높이는 기반을 마련해야 할 것이다. 마찬가지로 마그네슘합금을 이용한 자동차부품의 생산제조 기술에 있어서도 전세계적으로 여러분야에서 지속적인 연구개발이 필요한 실정이며, 이러한 분야에 대한 기술력 확보는 자동차 경량화에 필요한 핵심과제이다. 즉 환경오염으로 인한 대체 보호가스의 개발, 재활용 기술 개발, 마그네슘합금의 강도, 인성 및 고온성질의 향상, 고내식성 합금의 개발, 성형고정을 통한 가공용 마그네슘합금제 부품제조 기술, 반고상 성형공정 등의 신제조기술의 개발 등의 분야에 있어서 아직은 해결해야 할 많은 문제점을 가지고 있다. 따라서 이러한 마그네슘부품 제조 관련 기술의 지속적인 연구개발은 최근 자동차 부품 제조 기술상의 최대 관심사가 되고 있는 경량화에 대한 가장 효과적이고 확실한 해결 방안을 제시해 줄 수 을 것이다.
2) 비결정질 합금은 1960년 Caltech의 Dr. Dewez교수와 연구팀에 의해 Au75Si25를 높은 냉각속도 (105~106K/Sec)로 급속냉각한 비결정질 재료를 발견한 이래 현재 골프클럽 헤드에 적용되어 상용화에 까지 이른 Zr계 벌크 비결정질 합금은 인장강도가 2 GPa, 파괴인성은 55 MPam, 밀도 6.1 g/cm3으로 대부분의 금속재료들의 물성에 비해 월등히 우수한 성질을 갖는다. 비결정질 합금의 경우 AlliedSignal사가 1970년경부터 비결정질 합금 개발에 착수하여 1973년에 비결정질합금 “Metglass“를 상품화하였다. 하지만 AlliedSignal의 비결정질 스트립은 20~50 μm의 두께로 밖에 생산될 수 없었기 때문에 비결정질 합금의 고강도를 이용한 구조재로서는 사용될 수 없었다. 이 후 1990년대 초 합금설계를 통하여 비결정질 형성능이 높은 벌크 비결정질 합금이 개발되면서 이 분야에 대한 관심이 다시 고조 되었다. 이런 벌크 비결정질 합금 개발에 관해서는 미국과 일본이 선도적인 역할을 해오고 있는데 1990년대 초반까지는 상업적 생산 가능한 두께인 10 mm이상의 벌크 비결정질 합금계 개발에 주력해 왔다. 1993년 미국 Caltech의 Johnson group에서 60 mm 두께의 Zr계 벌크 비결정질 합금이 개발된 이래 정부 (NSF, NASA, DARPA), 산업체(Liquidmetal Co., Howmet, Hitchiner Manufacturing) 및 대학 (Caltech)이 연계되어 대형 project를 계속 수행해 오고 있다. 그러나 벌크 비결정질 합금에 관한 대부분의 연구는 비결정질 형성능이 우수한 합금 개발에 초점이 맞추어졌으며 생산성향상을 위한 공정개발에 대한 연구는 거의 없다. 현재까지 상업적인 구조용 재료로서 벌크 비결정질 합금을 제조하기 위해 개발된 공정은 다이캐스팅법이 유일하며, 구조용 재료로서의 응용 범위가 넓은 재 제조 공정은 아직까지 실 화되어 있지 않다. 비결정질 합금의 연구는 주로 미국의 Caltech과 Liquidmetal Technologies사, 일본 동북대학의 Inoue 그룹에서 주로 연구되어 지고 있다. Caltech과 Liquidmetal Technologies사에 개발된 LMⅠ(Zr-Ti-Ni-Cu-Be)과 LMⅡ(Zr-Ti-Nb-Cu-Ni-Be)는 die casting을 통하여 1~2K/sec의 냉각속도로 지름 50 mm까지의 ingot으로 제조되고 있으며 1.5~2.0 GPa 정도의 yield strength를 나타내고 있다. Inoue 그룹에서도 여러 Zr계 비결정질 합금을 개발했으며 그에 대한 이론적인 연구가 많이 진행된 상태이다. 그러나 비결정질 합금은 몇몇 분야에서 사용되고 있지만 그 제조 방법과 기술의 개발이 미흡하여 실용화에는 아직 문제점이 많다. 또한 이들 합금에 대한 이론적인 연구도 많은 부분 미흡한 상태이다. 즉, 비결정질 합금의 생산에 적합한 제조 기술의 개발과 기존 방법의 최적화, 그리고 그를 통해 제조된 합금의 이론적인 연구가 많이 필요한 상태이다.
Ⅴ. 정보조사의 활용계획
본 사업을 통하여 정리된 자동차 경량화를 위한 소재 부분의 기술 정보는 국내 자동차 소재 분야의 연구에 기초 자료를 제공할 것이다. 마그네슘 합금 및 비결정질 합금의 합금개발에서부터 주조 및 성형 기술, 재활용 기술까지의 종합적인 기술 정보를 확립하여 자동차 경량화를 위한 체계적인 연구 방향 설정에 도움을 줄 것이며 어떠한 부분이 가장 경쟁력이 있고 성공 가능성이 있는 지를 판단하는데 기초 자료가 되어 자동차 경량화 기술을 선점할 수 있는 기반을 마련하게 될 것이다.
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