[ 특집 : 차세대복합재료기술 ] 고성능금속복합재료기술및현황 조승찬, 조일국, 이상복, 이상관 재료연구소 금속복합재료 (Metal Matrix Composites, MMC) 는금속계합금을기지로하고다양한강화재를분산시킨소재로서열전도도, 전기전도도및가공성이우수한금속의장점과탄성계수, 강도및내충격성이우수한특성뿐만아니라열팽창계수가낮은세라믹의장점을극대화시킬수있는소재로요구특성을구현하기위하여요구기능별강화재의선택, 기지금속의선택및체적율을제어하여물성을자유롭게조절할수있다. 최근에는금속복합소재의제조비용절감과친환경제조공정개발에관심이모아지고있으며, 다중의특성을극대화할수있는소재개발도진행되고있다. 또한탄소나노튜브 (Carbon nanotube, CNT), 그래핀 (graphene) 등의나노소재들이개발됨에따라금속복합소재연구자들도이를강화재로활용하여보다우수한소재를개발하기위한많은노력을하고있다. 본고에서는금속복합재료기술의기본개념및개발현황과전망에대해서언급하고자한다. 1. 서론 금속복합재료는금속기지에인위적으로제2상의강화재를넣어, 개개의구성재료보다우수한특성을얻을수있는재료로정의할수있다 ( 그림1). 이러한금속복합재료는지난수세기에걸쳐단순학문적인관심을넘어서기술및상업적관심을받아왔으며 [1, 2], 복합재료기술이미래의군수기기, 전자전기기기, 육상수송기기, 항공 / 우주기기, 정밀기기, 기반산업, 레저용제품등의구조 / 기계적및기능적인요구조건을충족시킬수있는핵심기술로인식되고있다. 금속복합재료는금속재료와강화재의특성을용도에맞게설계하는것이가능하여고강도, 고인성, 고경도등의구조용특성및내산화, 고전도, 저열팽창, 중성자흡수등다양한특성구현이가능한기능성신소재개발에활용이가능하다. 또한금속복합재료기술은복합재료의구성상의종류와분포등을결정하는설계기술과강화재의분산, 혼합, 계면제어가요구되는공정기술그리고제조된복합재료의특성을평가하는특성평가기술로구분할수있고, 각각독립적으로구성되어있는것이아니라설계-제조-특성기술이모두유기적으로연결되어있으며기존단일소재의한계를극복하기위해서는이러한요소기술사이의연계성확보가중요하다. 특히, 기지금속과강화재의계면상제어를통하여구조특성향상및기지금속과강화재가가지고있지않은신기능부여가가능하다. 90년대후반부터 CNT와같이나노미터크기를가지는제2상의강화재를혼합한금속기지나노복합소재 (Metal Matrix Nano-Composite, 이하금속나노복합재또는 Nano-MMC) 에대한연구가시작되어, 최근에는 Graphene, Boron nitride nanotube (BNNT) 등이강화된금속기지나노복합소재에대한연구가활발히진행되고있다. 나노미터는 1 미터의십억분의 1의크기로서, 원자의크기가 0.1 나노미터단위의크기임을고려하면원자수준의특성발현이가능한것이나노소재로서 21세기모든과학및산업분야에있어엄청난파장을 26 기계와재료
고성능금속복합재료기술및현황 그림 1. 금속복합재의개념과구성 몰고올것으로기대하고있다. 특히나노크기의소재는획기적인강도와인성을동시에나타내어구조산업에획기적인발전을기대할수있으며, 전자분야에서도양자역학현상을이용하여기존의슈퍼컴퓨터보다수백만또는수십억배빠른양자컴퓨터의출현을기대하게되었으며, 빛의파장보다작아투명하면서도자체가가지는고유물성을유지하는코팅소재가보편적으로이용될것으로예측하고있다. 연구초기에는나노크기강화재의큰표면적으로인한응집문제, 취약한금속기지와의계면결합력, 복잡한제조공정, 고비용의원소재가격등으로획기적인물성을가지는 Nano-MMC의개발에어려움을겪었으나, 최근에는공정및계면제어를통하여우수한물성을가지는금속나노복합소재에대한연구결과가다수보고되고있다. 2. 기술현황 미국, 일본, EU를중심으로새로운금속복합재료제조기술과상용화기술개발에관한연구가활발히진행중이다. 특히알루미늄기지복합재료의기술개발이활발히진행되어일부제품을양산하여자동차에적용하고있는단계이다 [3-6]. Duralcan 사에서 stir casting 법으로저가의 SiC 강화 Al 복합재료를대량생산하여불연속강화재금속기지복합재료의상업화에새로운지평을열었다. SiCp/Al은강도와내마모성이우수하여자동차의브레이크부품과피스톤, 실린더, 드라이브샤프트등에의적용이시도되고있다. 일본의도요타는엔진피스톤을월 30만개이상생산하여적용하고있으며, 혼다자동차는다이캐스팅으로엔진모노블럭을개발하여실용화단계에있다. 국내에서는한국기계연구원을포함한일부연구소와대학에서실험실적연구를통해복합재설계및제조에대한기본적인기술을일부구축하고있으나, 상업화단계에는이르지못하고있는실정이다. 미국, 유럽연합 (EU), 일본에서는소규모의연구와상용화를위한제품위주의연구개발단계에있으며, 금속복합재료의기술개발및상용화를통한시장개척을위해정부주도하에서대형프로그램을기획하여추진중이다. 미국의경우, 정부주도하에수행하고있는대표적인연구개발프로그램으로는 Defense Production Act Title III 프로그램, DoD Manufacturing Technology 프로그램, Small Business Innovative Research 프로그램, University Research Initiative (URI) 등이있다. 특히 Al MMC 컨소시엄은 DRA(Discontinuously Reinforced Aluminum) 의제조공정과설계기술등을개발하여민항기나군용기에응용범위를확대하기위하여 1997년 12월에 Al MMC 컨소시엄 ( 기업 : 10개, 연구소 : 3개 ) 을설립하여 DPA(Defense Production Act) Title III 프로그램하에서실제적용가능한고품질의 DRA의개발및연간 150,000 lbs 생산능력을갖추고있다. 유럽연합 (EU) 의경우, 유럽내의산업체기술을세계적인수준으로유지하기위하여 EU 국가가산업체와협력하여생산관련연구를확립시키는 BRITE/EURAM, EUREKA 프로그램등이있다. BRITE/EURAM 프로그램에서 27 기계와재료 / 28 권제 2 호
[ 특집 : 차세대복합재료기술 ] 는산학연 R&D를통하여비교우위기술을가지는상품의생산과공정개선을통한경쟁력이있는제품의생산에이바지하는데있으며, 또한새로운재료의개발과공정기술의발전및응용, EU이외의선진국에서개발된재료및공정기술의광범위한응용을촉진하는것에목적을두고 3단계 (3년/ 단계 ) 에걸쳐수행되었다. 연구분야는크게재료별연구분야와공정별연구분야로구성되어, 각연구분야내에세부기술분야로구성되어있다. 일본의경우, 차세대항공기용신소재실용화를위한기술과제등과함께정부, 연구소, 기업, 대학들이컨소시엄을형성하여단기간내에잠재적인시장의실현과수용능력을증가시키기위해노력중이다. 특히선도적인응용분야로서주로항공우주및군수산업을그대상으로하고있다. 기반기술로서경량으로강도, 강성, 내열성등이우수한복합재료를개발하는것을목표로설계-소재-성형-품질평가에대해총체적인연구를계획하여수행중이다. 국내에서는한국기계연구원을포함한연구소및대학을중심으로 1990년대들어과학기술처의선도기술개발사업또는산업자원부의공업기반기술개발사업을통하여금속기지복합재료에대한개발연구가꾸준히진행되어왔다. 그러나지금까지의각요소기술에대해개별적으로연구가진행되어, 이들을체계적으로연결하는종합적인연구가부족하였으며, 복합재료관련연구기반이취약한관계로기초적인기술및데이터베이스의축적이선진국에비해매우부족한실정이다. 따라서, 국가주도하에서첨단소재및제조공정기술의개발부터실용화를위한총체적인연구개발프로그램이시급히요구된다. 3. 금속복합재료응용분야 금속복합재료는철강, 알루미늄, 고분자복합재료와비교해서아직까지세계적으로실용화되지않은첨단소재이지만, 주력산업의고부가가치화와산업전반에걸친큰파급효과로인하여향후지식집약적인신산업의창출의원동력이될것으로전망된다. 미국, 유럽연합 (EU), 일본등의선진국들은장기적인계획하에금속복합재료기술개발및부품소재실용화기술확보를통한시장개척을시도하고있다. 금속복합재료의현재및미래의적용산업분야는방위산업, 육 해상수송산업 ( 자동차, 기차, 선박 ), 전기전자산업, 열관리소재, 우주 / 항공산업, 로봇 / 정밀기기산업, 레크레이션산업, 인프라구축산업등다양하다. 표 1은금속복합재료의산업분야에서의대표적인응용제품과이러한제품에서요구되는소재의특성에있어서금속복합재료가가지는장점을보여주고있으며, 각구성소재별적용분야를표 2에나타내었다. 28 기계와재료
고성능금속복합재료기술및현황 표 1. 금속복합재료의응용분야와응용분야에있어장점 [7] Potential & Existing Applications Benefits Weight reduction Wear Resistance Stiffness Tailorable Thermal Conductivity Increased Performance at Elevated Temperatures Tailorable CTE Corrosion Resistance Resistance at Radiation High Strength Aircraft Skins Bearings Bicycle Frames Boat Masts & Spars Brake Rotors Electronics Packaging Electronics/Avionics Racks Engine Cylinder Liners Fastening Equipment in Chemical Environment-Bolts and Screws Ground Vehicles Landing Gear Struts Medical Implants Optical/Guidance Systems structures Pistons Satellite Antenna Masts Sea Vehicles Space Structures Transmission Components Tubing in Nuclear Plants Turbine Engine Components Worm Gears 29 기계와재료 / 28 권제 2 호
[ 특집 : 차세대복합재료기술 ] 표 2. 복합재료구성소재에따른응용분야 Fiber Matrix Applications Graphite Aluminum Magnesium Lead Copper Boron Aluminum Magnesium Titanium Alumina Aluminum Lead Magnesium Silicon carbide Aluminium, titanium Superalloy (Cobalt-base) Molybdenum, tungsten Superalloy Satellite, missile, and helicopter structures Space and satellite structures Storage-battery plates Electrical contacts and bearings Compressor blades and structural supports Antenna structures Jet-engine fan blades Superconductor restraints in fission power reactors Storage-battery plates Helicopter transmission structures High-temperature structures High-temperature engine components High-temperature engine components 3.1 극한환경분야고융점기지 (Fe 계, Ni 계 ) 금속복합소재는극한환경 ( 초고온, 산화 / 부식, 마모, 방사선등 ) 에서사용되는기존의 고융점금속 (Fe, Ni) 에비해 30% 이상획기적으로가벼우면서, 최고성능돌파및신기능구현이가능한새로운개념 의극한물성을구비한구조 / 기능융합소재로관심의대상이되고있다 ( 그림 2). Fe 계기지금속에 40% 이상의고체 적율세라믹강화재를첨가하고조직을제어함으로써기존소재보다 30% 이상가벼우면서도우수한내산화, 내마 모, 내부식성및고온강도향상이가능하다. 적용가능분야는유도무기 / 인공위성 / 우주선추진체부품 ( 노즐구조 체, 라이너, 내열 Pin/Fastener, 동력전달샤프트 ) 등이있다. 최근일본, 미국, 독일을비롯한선진국에서는열중성자 흡수용재료로써내부식성이우수한알루미늄합금및스테인리스강에중성자흡수능이우수한보론 (B) 이나보론 화합물을복합화하여고효율의흡수성능을갖는신소재를개발중이나낮은보론함유로중성자흡수능이낮고, 붕 화물 ((Cr, Fe)2B) 생성에의한입계부식문제로적용에한계가있으나고체적율의 B4C 강화금속복합재료를개발 할경우중성자흡수능을높일수있다. 공구강용소재의경우, 1956 년미국 FORD 자동차연구소에서 TiC-Mo-Ni 조 성의초경질재료를개발하여강의경절삭과정에사용하는데성공하고, 1970 년대 TiC-Mo-Ni 계를기초로한소재 에 WC, TaC, NbC, ZrC 등의제 2 혹은제 3 의탄화물첨가와질화물인 TiN 첨가에의한내충격성, 화학적안정성, 내 결손상향상등의공구특성향상서멧이개발되었다. 미국 Sintercast Corp. 에서분말야금공정을통해 TiC 와열처리가 가능한 Fe 기지복합재료를개발하여 Ferro-TiC 란상품명으로처음상업화를시작하였으며, 독일의 DEW (Deutsche Edelstahl werke) 에서는 Ferro-Titanit 이라는상품을판매하고있다. 국내의경우대화알로이테크에서분말야금공정 을이용하여압연롤용 TiC(25~45%)-Fe Alloy 를판매하고있다. 30 기계와재료
고성능금속복합재료기술및현황 그림 2. 극한환경대응저비중구조 / 기능융합금속복합소재 3.2 방산분야금속복합재료는군수용지상차량 (ground vehicle) 에의적용에주로관심의대상이되고있다. 강도, 강성이우수 한금속복합재료의사용으로무게가절감되면기동성, 조종성이매우향상된다. 또한, 다적층금속복합재료외장판, 포신, 스프로켓 (sprocket), 롤러, 탱크의바퀴 (tank thread), 탱크의바퀴핀등의사용으로군수차량의내구성이향상 될수있다. 금속복합재료는헬리콥터와선박에도다양한적용이검토되고있다. 최근에는비정질금속을활용한복 합재료의연구가활발하게진행되고있으며, 이를통해방탄재및관통자개발이활발히진행중이다 [8]. 미국의육 군연구소는 Affordable ManTech for Structure and Armor 프로그램을통하여미래지상전투차량을위한고성능장 갑계획수립과더불어향상된성능, 경량화및생존가능한플랫폼을제공하기위한연구를수행중에있으며, 차세 대방탄소재 SiC, 이종 ( 異種 ) 금속라미네이트, 금속복합소재개발이대표적인사례이다. 미국의 CPS 사는군수용으 로방탄용금속복합소재를개발함과동시에민수용으로는 Optoelectronics 및전력반도체용전자패키징소재를개 발한사례가있다. 최근, 국내에서도세라믹방탄소재및 rolled homogeneous armour (RHA) steel 을대체하기위하여 SiC 세라믹타일을 SiC/Al 금속복합소재로둘러싼복합구조의방탄금속복합소재에대한연구가시도되고있다 [9]. 이러한구조의경우기존 RHA 대비경량이면서다중피탄및우수한방탄효율을가질수있다. 인증된군수분야적 용사례는항공용전자장비, 총신 (Gun Barrel), 군수차량의외장판, 적전상륙용교량 (assult bridge), 철갑탄 (Armor Penetrators), Tank Track Shoes 및 Pins 등다양하다. 그림 3. 세라믹타일삽입 SiC/Al 방탄소재 (CPS) 3.3 수송기기분야수송기기분야에서의적용은크게항공기와자동차로나눌수있다. 항공기분야의경우, 항공기기체, 특히초음 속, 극초음속기와같은고온용항공기기체에대한잠재적적용가능성이크다. 많은가스터빈제조회사들은연속 31 기계와재료 / 28 권제 2 호
[ 특집 : 차세대복합재료기술 ] 금속복합재료 (continuous MMC) 를항공기엔진용압축기, 터보팬블레이드에적용하기위해연구를계속하고있다 [10]. 자동차분야의경우, 기존화석에너지고갈로에너지절감요구및연비규제강화에대한대비책마련과소비자들의보다안락한내부와안전, 네비게이션, 즐거움등을위한전자시스템요구에따른자동차무게증가에대응하기위하여기존소재의성능한계를극복한경량고강성 / 고강도금속복합소재의개발에대한요구가증가하고있다. 그림 4에나타낸것처럼기존철강소재를알루미늄소재로대체할경우탄성계수감소에따른보강설계가필요하게되어설계작업이증가하게되고경량화효율이감소하게되므로고강도 / 고탄성알루미늄금속복합재를개발할경우설계변경을최소화하고경량화를극대화하며소음진동성능을향상시킬수있다. 주로불연속금속복합재료 (discontinuous MMC) 가적용되며 wrist pins, rocket arms, turbocharger impellers, timing sprockets, intake valves, oil pump등을포함한많은엔진부품들이현재개발되고있고, 프레임, 범퍼, 그리고 struts, clutch pressure plate, gears등과같은 suspension 부품들도개발되고있다 [11]. 그림 4. 알루미늄금속복합소재적용개념및장점 미국의 DWA, MC21 사등에서는금속복합소재의실용화를위한 대량생산기술을보유하고있으며, 최근에는강화재의크기를나노 크기까지복합화하는기술을개발하고있다. 일본의혼다, 토요타등 의자동차회사에서는엔진블록등의부품에금속복합소재를사용 하여구동부품의경량화및성능향상을시도하고있다. 특히 MC21 사에서는자동차경량화에가장효과적인현가하중량 (unsprung weight) 을줄이기위해 Steel brake 로터를 SiC 입자강화알루미늄복 합재로대체하여, 약 50% 의경량화를달성하였다. 그림 5. SiC 입자강화알루미늄 Brake Rotors (MC-21) 3.4 열관리분야열관리분야에서의적용은컴퓨터프로세서의기판, 반도체부품, 패키징, 자동차및항공용재료등다양하다 [12]. 높은열전도도 (λ) 및비열전도도 (λ/ρ) 특성과함께열팽창계수의특성이함께요구된다. 특히전자패키징재료 의경우에는세라믹기판재료와의열팽창계수차이에의한열응력을최소화하기위해 4 ~ 7*10-6 /K 의열팽창계수 의값이요구된다. 그림 6 은주요열관리재료의특성을보여준다. Kovar 의경우, 열팽창계수는적합하지만비열전 도도가매우낮은특성을보여준다. 특성과함께비용을고려할경우에는알루미늄및구리복합재료의특성이매우 32 기계와재료
고성능금속복합재료기술및현황 우수하여열관리소재로적용가능성이매우큰소재로현재이에대해활발한연구가진행되고있다. 알루미늄의경 우, 비열전도특성은우수하지만열팽창계수가너무크며, SiC 강화복합재료를제조할경우에는우수한열전도특 성과함께적합한열팽창계수를보여준다 [13]. 그림 6. 열관리소재의열전도도및열팽창계수비교 [13] 또한, 구리복합재료의경우 Cu/W, Cu/C, Cu/Diamond에대한연구가진행되어왔으며, 우수한열전도도및열팽창계수특성을가지는 Cu/Diamond에대한연구가최근다수보고되고있다. 특히 Cr, Zr, Ti 등의탄화물형성원소를첨가하여 Cu와 Diamond 계면에탄화물을형성시킴으로써계면열저항을낮추고열전도도를향상시킨연구가보고되고있다 [14-17]. 탄화물형성원소에함량및 Diamond의체적율에따른특성분석도진행되고있으나, 열팽창계수및열전도도목표를달성하기위해서는 Diamond의체적율이약 40% 를넘어가는고체적율의복합소재가요구되어실제산업에적용되기위해서는가격적인측면에서검토가필요하다. 그림 7. Cu/Diamond 복합재료의열전도도및 Cu-Zr/Diamond 복합재료의계면미세조직 [14] 33 기계와재료 / 28 권제 2 호
[ 특집 : 차세대복합재료기술 ] 4. 금속복합재료주요제조공정 금속복합재료의제조기술은기지재료를고상상태에서제조하는고상제조공정과액상상태에서제조하는액상제조공정, In-situ 제조공정으로크게분류할수있으며, 그외특별한방법에의해제조하는방법들이있다. 금속복합재료제조에는 squeeze casting, stir casting, Lanxide process, 분말야금법, liquid infiltration process, spray deposition 등이많이이용되며, 90년대이후에는 investment casting, rheocasting, thixocasting, plasma process 등이새롭게금속복합재료제조에적용되고있으며, 핵심요소기술로는복합재료및구조설계 / 해석, 강화재균일분산 / 배열, 강화재프리폼제조, 복합재성형, 계면해석 / 제어, 특성설계 / 제어, 특성평가기술등을들수있으며, 이에대한연구가활발히진행중이다 [2-5]. 그러나강화재와기지사이의양립성, 저가의복합재료공정기술개발, 공학적인설계기술, 계면특성제어등은향후해결되어야할과제로남아있다. 4.1 액상제조공정 (Liquid State Fabrication Processes) 액상제조공정은 Al 및 Mg 합금등저융점의기지금속용탕을장섬유다발혹은 multifilament 직물형예비성형체 에가압 (squeeze casting) 혹은무가압 (Lanxide) 으로함침시켜복합재료를제조하는방법이다. 액상제조공정은값싸 게 near-net-shape 부품을대량생산할수있는장점은있으나, 강화재와기지금속사이의젖음성및반응성이문제시 되고기공 (porosity) 등주조결함이발생하고강화재의분포가불균일한단점이있다. 그림 8 은문헌을통하여조사 한액상제조공정의종류를나타낸것이다. 그림 8. 액상제조공정의종류및흐름도 4.1.1 Compocasting 반용융상태의기지금속을교반하면서강화재를주입하여복합재료를제조하는방법이다. 이방법은원래주조전 반용융상태의합금을고속으로교반하여주상 (primary phase) 이 non-dendritic 이되며 3 차원적으로균질한재질을 34 기계와재료
고성능금속복합재료기술및현황 얻게하려는 Rheocasting 방법을응용한것이다. 공정자체는단순하나제조된금속복합재료의내부에결함이많이 존재하여재현성이있는기계적성질을얻을수없는단점과공정원리상부피분율이높은금속복합재료의제조는 매우어렵다. 재현성의향상을위하여금형주입후에가압을하거나 2 차가공하는방법을병행하여사용하고있다. 4.1.2 Squeeze Casting Process( 용탕단조공정 ) 금형속에예비성형체를설치한후기지금속의용탕을주입한후프레스를이용하여가압해예비성형체를함침시키는방법이다. 이방법은용탕을응고시까지가압하므로기공등의주조결함이없으며, 순간적인함침이일어나므로강화재와기지금속과의반응이억제되는장점외에도 near net shape 성형이가능하며, 생산성이높은장점이있다. 그러나이공정은높은가압력을사용하므로강화재의분포가불균일해지는단점이있다. 4.1.3 Pressure Infiltration Process( 가압함침공정 ) 가압함침공정은예비성형체에가스압이나진공압등을이용하여용융기지금속을함침시키는방법이다. 이공정은비교적간단하고, 제조원가가저렴하며, 사용부분에만강화하는부분적인강화가가능한장점외에도대량생산에적합한장점을가지고있다. 그러나강화재의부피분율이증가하면유동저항이증가하여용융금속의함침이어려워지고, 이로인해강화재가파손되는단점이있다. 4.1.4 Presureless Infiltration Process ( 무가압함침공정 ) 가압력을이용하여용융기지금속을예비성형체내에강제적으로함침시키지않고자발적인함침을시키는방법이다. 이공정은 Lanxide Co. 에서개발한것으로 PRIMEXTM (pressureless metal infiltration) 공정이라고도한다. 이공정에서용융 Al의자발적인함침에영향을미치는중요인자는 Mg, Si, Zn, Fe, Cu 등의합금원소이며, 이들원소중 Mg이가장큰영향을미친다고알려져있다. Mg량이많을수록자발적인함침이촉진되며용융 Al이세라믹상사이로침투하기위하여최소한 1wt% 이상의 Mg이필요하다고보고되어있다. 이공정은첨가원소를첨가하여용융기지금속의계면장력 (interface tension) 을낮추어강화재와의젖음성을향상시켰으며, 계면반응의제어및강화재들이서로뭉치는현상을제어할수가있으며, 강화재의부피분율을조절할수있는장점이있다. 또한 2차가공이거의없는 net 또는 near-net shape의복합재료의제조도가능하다. 4.2 고상제조공정 (Solid Phase Fabrication Process) 기지금속을용융하지않고고상상태에서제조하는방법이다. 대표적인제조방법은분말야금공정과 Diffusion Bonding 공정, Spray Forming 공정등이있다. 이공정으로제조한금속복합재료의기계적특성은액상제조공정으 로제조한금속복합재료보다기계적특성이우수한장점은있으나제조가격이비싼단점이있다. 4.2.1 분말야금공정 (Powder Metallurgy Process) 분말야금공정으로입자및단섬유강화금속복합재료의제조가가능하다. 즉입자나휘스커등의강화재를금속분말과균일하게혼합하여냉간또는열간압축시킨후일정시간동안소결 (sintering) 하여성형하는방법이다. 그림 9는분말야금공정의개요및흐름도를나타낸것이다. 이공정은제조후수소등의잔류가스에의해생성되는결함, 가압시강화재의손상과불충분한가압력하에서생기는기공, 금속분말에서생성되는금속간화합물등의제어가중요하며, 제조경비가다른공법에비하여고가인것등이단점이다. 그러나금속기지와강화재를균질하게혼합할수있으므로우수한기계적성질을기대할수있다. 이상의분말야금법에의해제조된금속복합재료를필요에따라압연이나압출등의 2차가공을하여기공을감소시키고균질한조직을갖게함으로써강도, 연신율등을증가시 35 기계와재료 / 28 권제 2 호
[ 특집 : 차세대복합재료기술 ] 킬수있다. 최근에는가압과동시에펄스전류를흘려플라즈마혹은줄열을이용하여전통적인소결법대비단시간, 저온에서소결이가능한방전플라즈마소결법 (spark plasma sintering) 을이용하여 CNT, CNF, graphene 과같은나노카본을강화시킨알루미늄, 구리, 마그네슘, 철강기지금속복합재료에대해학술적인차원에서주로연구가진행되고있으며, 처음연구가시작되던 90년대에비해우수한물성을가지는나노카본강화금속복합재료에대한연구가다수보고되고있다 [18-21]. 그림 9. 분말야금공정의종류및흐름도 4.2.2 Diffusion Bonding Process Diffusion Bonding Process 공정은다양한기지금속을사용할수가있으며, 연속섬유를사용하여배열방향을자유롭게조절할수있으며, 섬유의부피분율도조절할수있는장점이있다. 그러나이공정은제조시간이길며, 크기에제약을받으며제조비가비싼단점이있다. 종류에는 Vacuum Hot Pressing, Hot Die Molding, Superplastic Forming, Hot Isostatic Pressing, Roll Bonding, Hot Drawing, Diffusion Brazing 등의방법이있다. 4.2.3 Spray Codeposition Process Spray Codeposition Process 공정은금속용탕을분사시키면서강화재를동시에공급하여 substrate에 deposition시켜복합재료를제조하는방법이다. Spray deposition법은기지금속의급냉응고에의하여기지 / 강화재접촉시간이짧아기지와강화재의선택폭이넓고, 계면반응을최소화시키므로계면특성이양호한복합재료를제작할수있다. 4.3 In-situ 제조공정 (In-Situ Fabrication Process) In-situ 제조공정은강화재들이제조공정의제어와구성원소들의자발적인반응에의해생성되므로제 2 상의입 자를인위적으로첨가하지않아도되는장점이있으나입자의크기나형상제어및부피분율조절등의공정상의많 은어려움을극복해야만한다. 이공정의종류는일방향응고공정을이용하여제조하는공정복합재료, DIMOX 라 36 기계와재료
고성능금속복합재료기술및현황 는 Lanxide 공정, 자발반응에의한 XD 공정, 레이져를이용하는공정, In-situ spray forming 등이있다. 4.3.1 DIMOXTM 공정 DIMOXTM 공정이란기상과기지금속간의반응을이용한공정으로지향성금속산화공정이라고도하며사용하는기체는주로대기중의산소가이용되지만, 생성기지의종류에따라탄화분위기나질화분위기를이용하는경우도있다. 또이방법에서는반드시강화입자나섬유를복합화할필요는없고, Al용탕만을산화시키면알루미나 (α 상 ) 단체또는알루미늄 알루미나복합재료를제조하는것도가능하다. 이공정은제조단가가낮으며, 치수안정성이우수하며, 복잡한형상및대형부품의성형이가능한장점이있다. 4.3.2 XDTM 공정 XDTM 공정은 Martin Marietta Corp. 사가개발한복합재료제조법으로금속용탕내에화합물을첨가하여자생적 (in-situ) 발열반응에의하여보강재를생성시키는방법이다. 가장관심의대상이되고있는복합재료계는 Al-Ti 및 Ti합금용탕에보론혹은탄소를투입하여 TiC 혹은 TiB2 강화입자를생성시키는방법이다. 이방법으로는 1μm정도의단결정강화재를포함하는복합재료를제조할수있고기지 / 강화재계면이청결하여계면강도가높아서기계적특성이우수한복합재료를제조할수있다. 5. 시장현황및전망 그림 10은 2012년부터 2019년까지금속복합소재의세계시장규모를보여주고있다. 금속복합소재세계시장규모는 2012년에약 5,500톤, 228.7 백만달러에서 2019년에약 8,000톤, 357.3 백만달러규모로성장할것으로예상하고있다. 또한기지금속별세계시장규모를분석한결과를그림 11에나타내었다. 알루미늄및고융점금속이유사한비율로상당부분을차지하고있으며니켈및기타금속이일부를차지하고있고, 2025년까지유사한비율을유지하면서성장할것으로예상하고있다. 세계적으로금속복합재료를생산하고있는대표적인회사들로는 MC- 21, Amercom, DWA, Advanced Composites Materials Corporation, Textron, 3M, Alcoa, Lanxide, Ceramics Kingston Ceramiques, Califonia Consolidated Technologies, Rolls Royce, Fiber Materials Incorporated, Martin Marietta 등이있으며, 표 3은이들회사들의금속복합재료생산능력을나타낸것이다. 선진국에서는금속복합재료산업의활성화를위해서정부차원에서프로그램을개발하여적극지원하고있다. 미국의경우, 1990년초반부터 10년이상우주항공분야에금속복합재료의사용을확대하기위해노력중이다. 일본은자동차분야의시장개발을위해적극노력하여개발소재를커넥팅로드, 피스톤같은일부엔진부품의실용화에성공하였으나, 시장규모는상대적으로작은편이었다. 그러나최근들어환경규제가강화되면서자동차의연비감소및환경문제해결을위해경량대체재료로서금속복합재료의사용요구가점진적으로증가하는추세이다. 영국의경우, 금속복합재료시장은철강, Ti, 고분자복합재료의변화를토대로하여 $10억규모가예상되는예측을토대로관련제조기술과실용화기술에집중투자하고있다. 국내에서는금속복합재료는산업경쟁력확보를위한전략소재임에도불구하고, 소재기술및실용화를위한제품의개발기술이선진국에비해매우취약하다. 현재국내에대부분유통되고있는소재는전량수입소재이며, 양산되고있는국산소재는전무한실정이다. 또한, 국내에서자동차용피스톤, 커넥팅로드용소재는이미개발되었지만, 아직까지상용화하지는못한실정이다. 따라서, 소재및제조공정기술의개발부터실용화를위한체계적인연구개발프로그램이시급히요구된다. 37 기계와재료 / 28 권제 2 호
[ 특집 : 차세대복합재료기술 ] 그림 10. 금속복합소재세계시장규모 [22] 그림 11. 금속복합소재기지금속별세계시장규모, 2012-2022 ( 톤 ) [23] 38 기계와재료
고성능금속복합재료기술및현황 표 3. 대표적회사들의금속복합재료생산능력 Company Material Sales Vol/year (lbs or units/year) Production Capability (lbs or units/year) MC-21 Low Volume Particulate Reinforced Metals 1,000,000 lbs 25,000,000 lbs Amercon Boron Aluminum Graphite Reinforced Metals 400 lbs/space Shuttle Minimal 3600 sheets(3in 122in) 200,000 units DWA Particulate reinforced Aluminum Graphite Reinforced Metals Monofilament Comps Proprietary 150,000 lbs 1000-5000 lbs 3000-5000 lbs ACMC Whisker Reinforced Aluminum Proprietary 150,000 lbs Textron Fiber Reinforced Metals 800 lbs 100% T&E 2000 lbs 3M Fiber Reinforced Metals Minimal 100% T&E Minimal Alcoa Low Volume Particulate Reinforced Metals High Volume Particulate Reinforced Metals 15,000 lbs 1000 parts 500,000-800,000 lbs 10,000-30,000 units Lanxide Low Volume Particulate Reinforced Metals High Volume Particulate Reinforced Metals Fiber Reinforced Metals 500,000 lbs 6. 결론 기존소재로달성할수없는극한환경등다양한환경이요구하는특성에맞게다양한특성재단이가능한경량 / 다기능금속복합소재에대한관심이높아지고있다. 강화재와기지사이의양립성, 저가의복합재료공정기술개발, 공학적인설계기술, 계면특성제어등은향후해결되어야할과제로남아있으나, 제조공정개선및새로운복합소재제조공정에대한연구가계속진행되고있고나노소재기반복합재료설계 / 제조및정밀분석기법에대한연구도진행되고있다. 경량구조 / 기능융합금속복합소재및원천기술개발로기존소재의임계성능돌파가가능하여거대전략기반, 사회안전구조시설, 산업용기기, 수송기기등다양한분야에적용이가능하며, 기타신소재개발의방법론으로적극활용가능할것으로예상된다. 참고문헌 [1] D.B. Miracle, S.L. Donaldson, "Introduction to composites", ASM handbook, vol. 21, ASM Internatioal, (2001), 3-17. [2] D.B. Miracle, "Metal matrix composites - From science to technological significance", Compo. Sci. Tech., vol. 65, (2005) 2526-2540. 39 기계와재료 / 28 권제 2 호
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고성능금속복합재료기술및현황 조승찬 재료연구소복합재료연구본부기능복합재료연구실선임연구원 관심분야 : 금속나노복합재료, 고온구조용금속복합재료, 주조, 분말야금, 소결 E-mail : sccho@kims.re.kr 조일국 재료연구소복합재료연구본부기능복합재료연구실선임연구원 관심분야 : 경량금속복합재료기술, 방탄용복합재료설계및제조, 주조공정, 자전연소 E-mail : ilguk@kims.re.kr 이상복 재료연구소복합재료연구본부기능복합재료연구실책임연구원 관심분야 : 자성금속섬유, 금속및산화물 / 나노카본하이브리드, 구조및기능성금속복합재료기술, 전자기차폐 / 흡수복합재료기술 E-mail : leesb@kims.re.kr 이상관 재료연구소복합재료연구본부책임연구원 관심분야 : 구조및기능성금속복합재료기술, 전자기차폐 / 흡수복합재료기술, 복합재료설계및함침공정기술 E-mail : lsk6167@kims.re.kr 41 기계와재료 / 28 권제 2 호