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SolidWorks & AutoCAD & 기계설계

재료연구소 28권2호 고성능 금속복합재료 기술 및 현황

by e1mo518518 2017. 9. 19.
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고성능 금속복합재료 기술 및 현황

 

조승찬, 조일국, 이상복, 이상관 재료연구소

 

금속복합재료(Metal Matrix Composites, MMC)는 금속계 합금을 기지로 하고 다양한 강화재를 분산시킨 소재로서 열전도도전기전도도 및 가공성이 우수한 금속의 장점과 탄성계수강도 및 내충격성이 우수한 특성뿐만 아니라 열팽창계수가 낮은 세라믹의 장점을 극대화 시킬 수 있는 소재로 요구특성을 구현하기 위하여 요구 기능별 강화재의 선택기지금속의 선택 및 체적율을 제어하여 물성을 자유롭게 조절할 수 있다. 최근에는 금속복합소재의 제조비용 절감과 친환경 제조공정 개발에 관심이 모아지고 있으며다중의 특성을 극대화할 수 있는 소재 개발도 진행되고 있다. 또한 탄소나노튜브 (Carbon nanotubeCNT), 그래핀 (graphene) 등의 나노소재 들이 개발됨에 따라 금속복합소재 연구자들도 이를 강화재로 활용하여 보다 우수한 소재를 개발하기 위한 많은 노력을 하고 있다. 본고에서는 금속복합재료 기술의 기본 개념 및 개발현황과 전망에 대해서 언급하고자 한다.

 

 

서 론

 

금속복합재료는 금속 기지에 인위적으로 제2상의 강화재를 넣어개개의 구성 재료보다 우수한 특성을 얻을 수 있는 재료로 정의할 수 있다(그림1). 이러한 금속복합재료는 지난 수세기에 걸쳐 단순학문적인 관심을 넘어서 기술 및 상업적 관심을 받아 왔으며[12]복합재료기술이 미래의 군수기기전자전기 기기육상 수송기기항공/우주기기정밀기기기반 산업레저용 제품 등의 구조/기계적 및 기능적인 요구조건을 충족시킬 수 있는 핵심기술로 인식되고 있다.

금속복합재료는 금속재료와 강화재의 특성을 용도에 맞게 설계하는 것이 가능하여 고강도고인성고경도 등의 구조용 특성 및 내산화고전도저열팽창중성자 흡수 등 다양한 특성 구현이 가능한 기능성 신소재 개발에 활용이가능하다. 또한 금속복합재료 기술은 복합재료의 구성상의 종류와 분포 등을 결정하는 설계기술과 강화재의 분산혼합계면제어가 요구되는 공정기술 그리고 제조된 복합재료의 특성을 평가하는 특성평가 기술로 구분할 수 있고각각 독립적으로 구성되어 있는 것이 아니라 설계-제조-특성기술이 모두 유기적으로 연결되어 있으며 기존 단일소재의 한계를 극복하기 위해서는 이러한 요소기술 사이의 연계성 확보가 중요하다. 특히기지금속과 강화재의 계면상 제어를 통하여 구조특성 향상 및 기지금속과 강화재가 가지고 있지 않은 신기능 부여가 가능하다.

90년대 후반부터 CNT와 같이 나노미터 크기를 가지는 제2상의 강화재를 혼합한 금속기지 나노복합소재(Metal Matrix Nano-Composite, 이하 금속 나노복합재 또는 Nano-MMC)에 대한 연구가 시작되어최근에는 Graphene, Boron nitride nanotube (BNNT) 등이 강화된 금속기지 나노복합소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 나노미터는 1미터의 십억분의1의 크기로서원자의 크기가 0.1나노미터 단위의 크기임을 고려하면 원자 수준의 특성 발현이 가능한 것이 나노소재로서 21세기 모든 과학 및 산업 분야에 있어 엄청난 파장을 몰고 을 것으로 기대하고 있다. 특히 나노크기의 소재는 획기적인 강도와 인성을 동시에 나타내어 구조 산업에 획기적인 발전을 기대할 수 있으며전자분야에서도 양자역학 현상을 이용하여 기존의 슈퍼 컴퓨터보다 수백만 또는 수십억 배 빠른 양자 컴퓨터의 출현을 기대하게 되었으며빛의 파장보다 작아 투명하면서도 자체가가지는 고유 물성을 유지하는 코팅소재가 보편적으로 이용될 것으로 예측하고 있다. 연구초기에는 나노크기강화재의 큰 표면적으로 인한 응집문제취약한 금속기지와의 계면결합력복잡한 제조공정고비용의 원소재가격 등으로 획기적인 물성을 가지는 Nano-MMC의 개발에 어려움을 겪었으나최근에는 공정 및 계면 제어를 통하여 우수한 물성을 가지는 금속 나노복합소재에 대한 연구 결과가 다수 보고되고 있다.

 

 

2. 기술 현황

 

미국일본표차를 중심으로 새로운 금속복합재료 제조기술과 상용화 기술 개발에 관한 연구가 활발히 진행 중이다.특히 알루미늄기지 복합재료의 기술 개발이 활발히 진행되어 일부 제품을 양산하여 자동차에 적용하고 있는 단계 이 다[3-6]. Duralcan사에 서 stir casting 법으로 저가의 SiC 강화 Al복합재료를 대량생산하여 불연속 강화재 금속기지 복합재료의 상업화에 새로운 지평을 열었다. SiCp/Al 은 강도와 내마모성이 우수하여 자동차의 브레이크 부품과 피스톤실린더드라이브 샤프트 등에의 적용이 시도되고 있다.일본의 도요타는 엔진피스톤을 월 30만개 이상 생산하여 적용하고 있으며혼다자동차는 다이캐스팅으로 엔진 모노블럭을 개발하여 실용화 단계에 있다. 국내에서는

한국기계연구원을 포함한 일부 연구소와 대학에서 실험실적 연구를 통해 복합재 설계 및 제조에 대한 기본적인 기술을 일부 구축하고 있으나상업화 단계에는 이르지 못하고 있는 실정 이다.

미국유럽연합 (EU)일본에서는소규모의연구와상용화를위한제품위주의연구개발단계에 있으며금속복합재료의 기술개발 및 상용화를 통한시장개척을 위해 정부주도하에서 대형프로그램을 기획하여 추진중이다. 미국의 경우정부주도하에 수행하고 있는대표적인 연구개발 프로그램으로는 Defense Production Act Title IE 프로그램DoD Manufacturing Technology 프로그램SmallBusiness Innovative Research 프로그램University ResearchInitiative (URI) 등이 있다. 특히 AlMMC 컨소시엄은 DRA(Discontinuously Reinforced Aluminum)의 제조공정과 설계 기술 등을 개발하여 민항기나 군용기에 응용범위를 확대하기 위하여 199712월에 A1MMC컨소시엄(기업:10연구소: 3)을 설립하여 DPA(Defense Prcduction Act) Title HI 프로그램하에서 실제 적용 가능한 고품질의 DRA의 개발 및 연간 150,000lbs생산능력을 갖추고 있다.

유럽 연합(EU)의 경우유럽 내의 산업체 기술을 세계적인 수준으로 유지하기 위하여 EU 국가가 산업체와 협력하여 생산관련연구를 확립시키는BRTTE/EURAM,EUREKA프로그램 등이 있다. BRTTE/EURAM프로그램에서 는 산학연 R&D를 통하여 비교 우위 기술을 가지는 상품의 생산과 공정 개선을 통한 경쟁력이 있는 제품의 생산에 이바지하는데 있으며또한 새로운 재료의 개발과 공정기술의 발전 및 응용EU이외의선진국에서 개발된 재료 및 공정기술의 광범위한 응용을 촉진하는것에 목적을 두고 3단계(3/단계)에 걸쳐 수행되었다. 연구분야는 크게 재료별 연구분야와 공정별연구분야로 구성되어각 연구분야 내에 세부기술 분야로 구성되어 있다.

일본의 경우차세대 항공기용 신소재 실용화를 위한 기술 과제 등과 함께 정부연구소기업대학들이 컨소시엄을 형성하여 단기간 내에 잠재적인시장의 실현과 수용능력을 증가시키기 위해 노력중이다. 특히 선도적인응용분야로서 주로 항공우주 및 군수산업을 그 대상으로 하고 있다. 기반기술로서 경량으로 강도강성내열성 등이 우수한 복합재료를 개발하는 것을 목표로 설계-소재-성형-품질평가에대해 총체적인 연구를 계획하여 수행중이다.

국내에서는 한국기계연구원을 포함한 연구소 및 대학을 중심으로 1990년대 들어 과학기술처의 선도기술개발사업 또는 산업자원부의 공업기반기술개발사업을 통하여 금속기지 복합재료에 대한 개발연구가 꾸준히 진행되어 왔다. 그러나 지금까지의 각 요소기술에 대해 개별적으로 연구가 진행되어이들을 체계적으로 연결하는 종합적인 연구가 부족하였으며복합재료관련 연구기반이 취약한 관계로 기초적인 기술 및 데이터베이스의 축적이 선진국에 비해 매우 부족한 실정이다. 따라서국가주도하에서 첨단소재 및 제조공정기술의 개발부터 실용화를 위한 총체적인 연구개발프로그램이 시급히 요구된다.

 

 

3. 금속복합재료 응용분야

 

금속복합재료는 철강알루미늄, 고분자복합재료와 비교해서 아직까지 세계적으로 실용화되지 않은 첨단소재이지만주력 산업의 고부가가치화와 산업 전반에 걸친 큰 파급효과로 인하여 향후지식 집약적인 신산업의 창출의 원동력이 될 것으로 전망된다.미국유럽연합(EU)일본 등의 선진국들은 장기적인 계획 하에 금속복합재료 기술 개발 및 부품소재 실용화 기술 확보를 통한 시장 개척을 시도하고 있다.

금속복합재료의 현재 및 미래의 적용 산업분야는 방위산업해상수송산업(자동차기차선박), 전기전자산업열관리 소재우주/항공 산업로봇/정밀기기 산업레크레이션 산업, 인프라 구축산업 등 다양하다.1은 금속복합재료의 산업분야에서의 대표적인 응용제품과이러한 제품에서 요구되는 소재의 특성에 있어서 금속복합재료가 가지는 장점을 보여주고 있으며각 구성소재별 적용 분야를 표 2에 나타내었다.

 

3.1 극한환경 분야

고융점 기지 (FeNi) 금속복합소재는 극한환경(초고온산화/부식마모방사선 등)에서 사용되는 기존의 고융점 금속(FeNi)에 비해 30% 이상 획기적으로 가벼우면서최고성능 돌파 및 신기능 구현이 가능한 새로운 개념의 극한물성을 구비한 구조/기능 융합소재로 관심의 대상이 되고 있다(그림2). Fe계 기지금속에 40% 이상의 고체적율 세라믹 강화재를 첨가하고 조직을 제어함으로써 기존소재보다 30% 이상 가벼우면서도 우수한 내산화, 내마모내부식성 및 고온강도향상이 가능하다. 적용가능분야는 유도무기/인공위성/우주선 추진체부품(노즐구조체라이너내열 Pin/Fastener,동력전달샤프트)등이 있다. 최근일본미국독일을 비롯한 선진국에서는 열중성자흡수용 재료로써내부식성이 우수한 알루미늄 합금 및 스테인리스강에 중성자 흡수능이 우수한보론(B)이나 보론화합물을 복합화하여 고효율의 흡수 성능을 갖는 신소재를 개발중이나 낮은 보론함유로 중성자 흡수능이 낮고붕화물((CrFe)2B) 생성에의한 입계부식문제로 적용에 한계가 있으나 고체적율의 B4C 강화금속 복합재료를 개발할 경우 중성자 흡수능을 높일 수 있다. 공구강용 소재의경우1956년 미국FORD 자동차연구소에서 TiC-Mo-Ni조성의 초경질재료를개발하여강의경절삭과정에사용하는데성공하고1970년대 TiC-Mo-Ni계를 기초로 한소재에 WCTaC,NbC, ZiC등의 제2 흑은 제3의 탄화물첨가와 질화물인 TiN첨가에 의한 내충격성화학적 안정성내결손 상향상등의 공구특성 향상 서맷이 개발되었다. 미국 SinteirastCorp.에서 분말야금공정을 통해 TiC와 열처리가 가능한 Fe기지 복합재료를 개발하여 Ferro-TiC란 상품명으로 처음 상업화를 시작 하였으며독일의 DEW (DeutscheEdelstahl werke) 에서는 Ferro-Titanit이라는 상품을 판매하고 있다. 국내의 경우 대화알로이테크에서분말야금 공정을 이용하여 압연롤용TiC(2545%)-FeAlloy를 판매하고 있다.

 

 

3.2 방산분야

 

금속복합재료는 군수용 지상차량(ground vehicle)에의 적용에 주로 관심의 대상이 되고 있다. 강도강성이 우수한 금속복합재료의 사용으로 무게가 절감되면기동성조종성이 매우 향상된다. 또한,다적층 금속복합재료 외장판포신스프로켓(sprocket)롤러탱크의 바퀴(tankthread)탱크의바퀴 핀 등의 사용으로 군수차량의 내구성이 향상될 수 있다.금속복합재료는 헬리콥터와 선박에도 다양한 적용이 검토되고 있다. 최근에는 비정질금속을 활용한 복합재료의 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 이를 통해 방탄재 및 관통자 개발이 활발히 진행 중이다[8]. 미국의 육군연구소는 Affordable ManTech for Structure and Armor 프로그램 을 통하여 미 래 지 상 전투차량을 위 한 고성 능 장갑계획 수립과 더불어 향상된 성능경량화 및 생존 가능한 플랫폼을 제공하기 위한 연구를 수행 중에 있으며차세대 방탄소재 SC이종(異種) 금속 라미네이트금속복합소재 개발이 대표적인 사례이다.미국의 CPS사는 군수용으로 방탄용 금속복합소재를 개발함과 동시에 민수용으로는 Optoelectronics 및 전력 반도체용 전자패키징 소재를 개발한 사례가있다. 최근국내에서도 세라믹 방탄소재 및 rolled homogeneous armour(RHA) steel을 대체하기 위하여SiC 세라믹 타일을 SiC/Al 금속복합소재로 둘러싼 복합구조의 방탄 금속복합소재에 대한 연구가 시도되고 있다[9]. 이러한 구조의 경우 기존 RHA 대비 경량이면서 다중피탄 및 우수한 방탄 효율을 가질수 있다.인증된 군수분야 적용 사례는 항공용 전자장비총신(GunBand),군수차량의 외장판적전상륙용 교량(assult bridge), 철갑탄(ArmorPenetratore)Tank TmckShoes Pins 등 다양하다.

 

3.3 수송기기분 야

수송기기 분야에서의 적용은 크게 항공기와 자동차로 나눌 수 있다. 항공기 분야의 경우항공기 기체특히 초음속극초음속기와 같은 고온용 항공기 기체에 대한 잠재적 적용 가능성이 크다. 많은 가스 터빈 제조희사들은 연속금속복합재료(continuousMMC)를 항공기 엔진용 압축기터보팬 블레이드에 적용하기 위해 연구를 계속하고 있다[10]. 자동차분야의 경우기존 화석에너지 고갈로 에너지 절감요구 및 연비규제 강화에 대한 대비책 마련과소비자들의 보다 안락한 내부와 안전네비게이션즐거움 등을 위한 전자시스템 요구에 따른 자동차 무게증가에 대응하기 위하여 기존 소재의 성능 한계를 극복한 경량 고강성/고강도 금속복합소재의 개발에 대한 요구가 증가하고 있다. 그림 4에 나타낸 것처럼 기존 철강소재를 알루미늄 소재로 대체할 경우 탄성계수 감소에 따른 보강설계가 필요하게 되어 설계작업이 증가하게 되고 경량화 효율이 감소하게 되므로 고강도/고탄성 알루미늄 금속복합재를 개발 할 경우 설계변경을 최소화하고 경량화를 극대화하며 소음진동성능을 향상시킬 수있다.주로불연속금속복합재료(discontinuous MMC)가적용되며 wrist pins,rocket arms,turbochar^er impellers, timing sprockets, intake valves, oilpump등을 포함한 많은 엔진부품들이 현재 개발되고있고프레임범퍼그리고 state, duteh pressure plate, gears등과 같은suspension 부품들도 개발되고있다[11].

 

 

3.4열관리분야

 

열관리 분야에서의 적용은 컴퓨터 프로세서의 기판반도체 부품,패키징자동차 및 항공용재료 등 다양하다[12].높은 열전도도00 및 비 열전도도GVp)특성과 함께 열팽창계수의 특성이 함께 요구된다. 특히 전자패키징 재료의 경우에는 세라믹 기판재료와의 열팽창계수 차이에 의한 열응력을 최소화하기 위해47*1(T6/K의 열팽창계수의 값이요구된다. 그림 6은 주요열관리 재료의 특성을 보여준다. Kovar의 경우열팽창계수는 적합하지만 비열전도도가 매우 낮은 특성을 보여 준다. 특성 과 함께 비용을 고려 할 경우에는 알루미늄 및 구리 복합재료의 특성이 매우 우수하여 열관리 소재로 적용 가능성이 매우 큰소재로 현재 이에 대해 활발한 연구가 진행되고 있다. 알루미늄의 경우비 열전도특성은 우수하지만 열팽창계수가 너무 크며SiC 강화 복합재료를 제조할경우에는 우수한 열전도특성과 함께 적합한 열팽창계수를 보여준다[13].

 

또한구리 복합재료의 경우Cu/WCu/C, Cu/Diamond에 대한 연구가 진행 되어왔으며우수한 열전도도 및 열팽창계수특성을 가지는 Cu/Diamond에 대한 연구가 최근 다수 보고되고 있다. 특히 CrZr,Ti 등의 탄화물형성 원소를 첨가하여 CuDiamond 계면 에탄화물을 형성시킴으로써 계면열저항을 낮추고 열전도도를 향상시킨 연구가 보고되고 있다[1447]. 탄화물형성 원소에함량 및 Diamond의 체적율에 따른 특성 분석도 진행되고 있으나, 열팽창계수 및 열전도도목표를 달성하기 위해서는 Diamond의 체적율이 약 40%를 넘어가는 고체적율의 복합소재가 요구되어 실제 산업에 적용되기 위해서는 가격적인 측면에서 검토가 필요하다.

 

4. 금속복합재료 주요 제조공정

 

금속복합재료의 제조기술은 기지재료를 고상상태에서 제조하는 고상제조공정과 액상상태에서 제조하는 액상제조공정, In-situ 제조 공정으로 크게 분류할 수 있으며그 외 특별한 방법에 의해 제조하는 방법들이 있다. 금속복합재료 제조에는 squeeze casting, stir casting, Lanxide prooess, 분말야금법liquid infiltration process, spray deposition 등이 많이 이용되며, 90년대 이후에는 investment casting, rheocasting, thixocasting, plasma process 등이 새롭게 금속복합재료제조에 적용되고 있으며핵심 요소기술로는 복합재료 및 구조설계/해석강화재 균일분산/배열강화재프리폼제조복합재성형계면 해석/제어특성 설계/제어특성 평가기술 등을 들 수 있으며이에 대한 연구가 활발히 진행중이다[2-5]

. 그러나 강화재와 기지사이의 양립성저가의 복합재료공정기술 개발공학적인설계기술계면특성 제어 등은 향후 해결되어야 할 과제로 남아있다.

 

4.1 액상 제조 공정(Liqui d State Fabrication Processes)

 

액상제조공정은Al Mg 합금 등 저융점의 기지금속 용탕을 장섬유다발 혹은 multifilament 직물형 예비성형체에 가압(squeezecasting)흑은 무가압(Lanxide)으로 함침시켜 복합재료를 제조하는 방법이다. 액상제조공정은 값싸게near-net-shape부품을 대량생산 할 수 있는 장점은있으나강화재와기지금속사이의젖음성 및 반응성이 문제시 되고 기공(porosity) 등 주조결함이 발생하고 강화재의 분포가 불균일한단점이 있다. 그림 8은 문헌을 통하여 조사한 액상제조공정의 종류를 나타낸 것이다.

 

4.1.1 Compocasting

반용융상태의 기지금속을 교반하면서 강화재를 주입하여 복합재료를 제조하는 방법이다. 이 방법은 원래 주조전반용융상태의 합금을 고속으로 교반하여 주상(primary phase)non-dendritic이 되며 3차원적으로 균질한 재질을 얻게 하려는 Rheocasting 방법을 응용한 것이다. 공정 자체는 단순하나 제조된 금속복합재료의 내부에 결함이 많이 존재하여 재현성이 있는 기계적 성질을 얻을 수 없는 단점과 공정원리상 부피분율이 높은 금속복합재료의제조는매우어렵다. 재현성의 향상을 위하여 금형 주입 후에 가압을 하거나 2차가공하는 방법을 병행하여 사용하고 있다.

 

4.1.2 Squeeze Casting Process(용탕 단조 공정)

금형속에 예비 성형체를 설치한후 기지 금속의용탕을주입한후프레스를이용하여가압해예비 성형체를 함침시키는 방법이다. 이 방법은 용탕을 응고시까지 가압하므로 기공 등의 주조결함이 없으며순간적인 함침이 일어나므로 강화재와 기지 금속과의 반응이 억제되는 장점 외에도 near net shape 성형이 가능하며생산성이 높은 장점이 있다. 그러나 이공정은 높은가압력을 사용하므로 강화재의 분포가 불균일해지는 단점이 있다.

 

4.1.3 Pressure Infiltration Process(가압함침 공정)

가압함침공정은 예비성형체에 가스압이나 진공압 등을 이용하여 용융기지 금속을 함침시키는 방법이다. 이공정은 비교적 간단하고제조원가가 저렴하며사용부분에만 강화하는 부분적인 강화가 가능한 장점 외에도 대량생산에 적합한 장점을 가지고 있다. 그러나 강화재의 부피분율이 증가하면 유동저항이증가하여 용융금속의 함침이 어려워지고이로 인해 강화재가 파손되는 단점이 있다.

 

4.1.4 Presureless Infiltration Process (무가압함침 공정)

가압력을 이용하여 용융기지 금속을예비 성형체내에 강제적으로 함침시키지 않고 자발적인 함침을 시키는 방법이다. 이 공정은 Lanxide Co.에서 개발한 것으로 PRIMEXTM (pressuidessmetal infiltration)공정이라고도 한다. 이 공정에서 용융서의 자발적인함침에 영향을 미치는 중요인자는 01등의 합금원소Mg,Si,Zn,Fe,Cu이며이들 원소 중 Mg이 가장 큰영 향을 미친다고 알려져 있다. Mg량이 많을수록 자발적인 함침이 촉진되며 용융A1이 세라믹상 사이로침투하기 위하여 최소한 lwt% 이상의 Mg이 필요하다고 보고되어있다. 이공정은 첨가원소를 첨가하여 용융기지금속의 계면장력(interfaos tension)을 낮추어 강화재와의 젖음성을 향상시켰으며계면반응의 제어 및 강화재들이 서로뭉치는 현상을 제어할 수 가있으며강화재의 부피분율을 조절할 수 있는 장점이 있다. 또한 2차가공이 거의 없는 net 또는 near-net shape의 복합재료의 제조도 가능하다.

 

4.2 고상 제조 공정 (Sid Phase Fabrication Process)

기지금속을 용융하지 않고 고상상태에서 제조하는 방법이다. 대표적인제조방법은 분말야금공정과 DiffusionBonding 공정, Spmy Forming 공정 등이 있다. 이공정으로 제조한 금속복합재료의 기계적 특성은 액상제조공정으로 제조한 금속복합재료보다 기계적 특성이 우수한장점은 있으나 제조가격이 비싼 단점이 있다.

 

4.2.1 분말 야금 공정(Powder Metallurgy Process)

분말야금 공정으로 입자 및 단섬유강화 금속복합재료의 제조가 가능하다. 즉입자나 휘스커 등의 강화재를 금속분말과 균일하게 혼합하여 냉간 또는 열간압축 시킨 후 일정시간동안 소결(sintering)하여 성형하는 방법이다. 그림9는 분말야금 공정의 개요 및 흐름도를 나타낸 것이다. 이공정은 제조 후 수소 등의 잔류가스에 의해 생성되는 결함가압시 강화재의 손상과 불충분한 가압력 하에서 생기는 기공금속분말에서 생성되는 금속간화합물 등의 제어가 중요하며제조경비가 다른 공법에 비하여 고가인 것 등이 단점이다. 그러나 금속기지와 강화재를 균질하게 혼합할 수 있으므로 우수한 기계적 성질을 기대할 수 있다. 이상의 분말야금법에 의해 제조된 금속복합재료를 필요에 따라 압연이나 압출 등의 2차 가공을 하여 기공을 감소시키고 균질한 조직을 갖게 함으로써 강도연신율 등을 증가시킬 수 있다.최근에는 가압과 동시에 펄스전류를 흘려 플라즈마 혹은 줄열을 이용하여 전통적인 소결법 대비 단시간저온에 서 소결이 가능한 방전 플라즈마소결법 (spark plasma sintering)을 이용하여 CNT, CNF, gmphene과 같은 나노카본을 강화시킨 알루미늄구리마그네슘철강 기지 금속복합재료에 대해 학술적인 차원에서 주로 연구가 진행되고 있으며처음 연구가 시작되던 90년대에 비해 우수한 물성을 가지는 나노카본 강화금속 복합재료에 대한 연구가 다수보고 되고있다[18-21]

.

 

4.2.2 Diffusion Bonding Process

DiffusionBonding Process 공정은 다양한 기지 금속을 사용할 수가 있으며연속 섬유를 사용하여 배열방향을 자유롭게 조절할 수 있으며섬유의 부피 분율도 조절할 수 있는 장점이 있다. 그러나 이 공정은 제조시간이 길며, 크기에 제약을 받으며 제조비가 비싼 단점이 있다. 종류에는 Vacuum Hot Pressing, Hot Die Molding, Superplastic Forming, Hot Isostatic Pressing, Roll Bonding, Hot Drawing, DiffusionBrazing등의 방법이 있다.

 

4.2.3 Spray Codeposition Process

Spray Codeposition Prooess 공정은 금속용탕을 분사시키면서 강화재를 동시에 공급하여 substratedeposition시켜 복합재료를 제조하는 방법이다. Spray deposition법은 기지금속의 급냉응고에 의하여 기지/강화재 접촉시간이 짧아 기지와 강화재의선택폭이 넓고계면반응을 최소화시키므로 계면특성이 양호한 복합재료를 제작할 수 있다.

 

4.3 In-situ 제조 공정 (In-Situ Fabrication Process)

In-situ제조공정은 강화재들이 제조공정의 제어와 구성 원소들의 자발적인 반응에 의해 생성되므로 제2상의 입자를 인위적으로 첨가하지 않아도 되는 장점이 있으나 입자의 크기나 형상 제어 및 부피분율 조절등의 공정상의 많은 어려움을 극복해야만 한다. 이공정의 종류는 일방향 응고공정을 이용하여 제조하는 공정복합재료DMOX라는 Lanxide 공정자발 반응에 의한공정레이져를 이용하는 공정h-situ spray forming 등이 있다.

 

4.3.1 DIMOXTM 공정

DMOXTM 공정이란 기상과 기지 금속간의 반응을 이용한 공정으로 지향성 금속 산화공정 이 라고도 하며 사용하는 기체는 주로 대기 중의 산소가 이용되지만생성 기지의 종류에 따라 탄화분위기나 질화분위기를 이용하는 경우도 있다.또 이 방법에서는 반드시 강화입자나 섬유를 복합화 할 필요는 없고Al 용탕만을 산화시키면 알루미나(α-)단체 또는 알루미늄 알루미나 복합재 료를 제조하는 것도 가능하다. 이 공정은 제조단가가 낮으며치수 안정성이 우수하며복잡한 형상 및 대형 부품의 성형이 가능한 장점이 있다.

 

4.3.2 XDTM 공정

XETM 공정 은 Martin Marietta Corp.사가 개 발한 복합재 료 제 조법 으로 금속용탕 내 에 화합물을 첨가하여 자생 적(in-situ) 발열반응에 의하여 보강재를 생성시키는 방법이다. 가장 관심의 대상이 되고 있는 복합재료계는 Al-Ti Ti합금 용탕에 보론 흑은 탄소를 투입하여 TiC 흑은TiB2 강화입자를 생성시키는 방법이다. 이 방법으로는 1/μm정도의 단결정 강화재를 포함하는 복합재료를 제조할 수 있고 기지/강화재 계면이 청결하여 계면강도가 높아서 기계적특성이 우수한 복합재료를 제조할 수 있다.

 

5. 시장현황 및 전망

 

그림 102012년부터 2019년까지 금속복합소재의 세계시장 규모를 보여주고 있다. 금속복합소재 세계시장 규모는 2012년에 약 5500228.7 백만달러에서 2019년에 약 8000357.3 백만달러 규모로 성장할 것으로 예상하고 있다. 또한 기지금속별 세계시장 규모를 분석한 결과를 그림 11에 나타내었다. 알루미늄 및 고융점 금속이 유사한 비율로 상당부분을 차지하고 있으며 니켈 및 기타 금속이 일부를 차지하고 있고2025년까지 유사한 비율을 유지하면서 성장할 것으로 예상하고 있다. 세계적으로 금속복합재료를 생산하고 있는 대표적인 희사들로는 MC-21Ameroom, DWA, Advanced Composites Materials Corporation, Textron, 3M, Alcoa, Lanxide, Ceramics KingstonCemmiques, Califonia Consolidated Technologies, Rolls Royoe, Fiber Materials IncDrpomted, Martin Marietta등이 있으며3은 이들 회사들의 금속복합재료생산 능력을 나타낸것이다.

선진국에서는 금속복합재료 산업의 활성화를 위해서 정부 차원에서 프로그램을 개발하여 적극 지원하고 있다. 미국의 경우1990년 초반부터 10년 이상 우주 항공 분야에 금속복합재료의 사용을 확대하기 위해 노력중이다. 일본은 자동차 분야의 시장 개발을 위해 적극 노력하여 개발 소재를 커넥팅 로드피스톤 같은 일부 엔진부품의 실용화에 성공하였으나시장규모는 상대적으로 작은 편이었다. 그러나 최근들어 환경 규제가 강화되면서 자동차의 연비감소 및 환경문제 해결을 위해 경량 대체 재료로서 금속복합재료의 사용요구가 점진적으로 증가하는 추세이다. 영국의 경우금속복합재료시장은 철강Ti고분자복합재료의 변화를 토대로 하여 $10억 규모가 예상되는 예측을 토대로 관련제조기술과실용화 기술에 집중투자하고 있다.

국내에서는 금속복합재료는 산업경쟁력 확보를 위한 전략소재임에도 불구하고, 소재기술 및 실용화를 위한 제품의 개발기술이 선진국에 비해 매우 취약하다. 현재 국내에 대부분 유통되고 있는 소재는 전량 수입소재이며양산되고 있는 국산 소재는 전무한실정이다. 또한국내에서 자동차용 피스톤커넥팅 로드용 소재는 이미 개발되었지만아직까지 상용화하지는 못한 실정이다.따라서소재 및 제조공정기술의 개발부터 실용화를 위한 체계적인 연구개발프로그램이 시급히 요구된다.

 

6.결 론

기존 소재로 달성할 수 없는 극한환경 등 다양한 환경이 요구하는 특성에 맞게 다양한 특성 재단이 가능한 경량/다기능 금속복합소재에 대한 관심이 높아지고 있다.강화재와 기지사이의 양립성저가의 복합재료 공정기술 개발공학적인 설계기술계면특성 제어 등은 향후 해결되어야 할 과제로 남아있으나제조공정 개선 및 새로운 복합소재제조공정에 대한 연구가계속 진행되고 있고 나노소재 기반복합재료설계/제조 및 정밀분석기법에 대한 연구도진행되고 있다.경량 구조/기능융합 금속복합소재 및 원천기술 개발로 기존 소재의 임계성능 돌파가 가능하여 거대전략기반사회안전 구조시설산업용 기기수송기기 등 다양한 분야에 적용이 가능하며기타 신소재 개발의 방법론으로 적극활용 가능할 것으로 예상된다.

 

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조승찬

재료 연구소 복합재료 연구본부 기능복합재료연구실 선임연구원

관심분야 금속나노복합재료, 고온구조용 금속복합재료주조분말야금,소결

 

조일국

재료연구소 복합재료연구본부 기능복합재료연구실 선임연구원

관심분야 경량 금속복합재료 기술, 방탄용 복합재료 설계 및 제조, 주조공정자전연소

 

이상복

재료 연구소 복합재료 연구본부 기능복합재료연구실 책임연구원

관심분야 자성금속섬유, 금속 및 산화물/나노카본 하이브리드구조 및 기능성 금속복합재료 기술전자기 차폐/흡수 복합재료기술

 

이상관

재료연구소 복합재료연구본부 책임연구원

관심분야: 구조 및 기능성금속복합재료 기술,전자기 차폐/흡수 복합재료 기술, 복합재료설계 및 함침공정기술

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