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ISSN : 1225-7591(Print)
ISSN : 2287-8173(Online)
Journal of Korean Powder Metallurgy Institute Vol.27 No.2 pp.164-173
DOI : https://doi.org/10.4150/KPMI.2020.27.2.164

Recent Trends and Application Status of the Metal Matrix Composites (MMCs)

Hyo-Seop Kim*
Research Institute of Advance Manufacturing & Materials Technology, Korea Institute of Industrial Technology(KITECH), Republic of Korea
-

김효섭: 선임연구원


*Corresponding Author: Hyo-Seop Kim, TEL: +82-32-850-0388, FAX: +82-32-850-0410, E-mail: hyoseop1231@kitech.re.kr
April 13, 2020 April 21, 2020 April 22, 2020

Abstract


Metal matrix composites (MMCs), which are a combination of two or more constituents with different physical or chemical properties, are today receiving great attention in various areas, as they have high specific strength, corrosion resistance, fatigue strength, and good tribological properties. This paper presents a research review on the combination of matrix and reinforced materials, fabrication processes, and application status of metal matrix composites. In this paper, we aim to discuss and review the importance of metal composite materials as advanced materials that can be used in various applications such as transportation, defense, sports, and extreme environments. In addition, the applicability and technology development trends in new process technology fields such as additive manufacturing of metal composites will be described.



최신 금속복합재료의 연구 개발 동향 및 응용 현황

김 효 섭*
한국생산기술연구원 뿌리기술연구소

초록


    1. 서 론

    최근 산업이 점차 고도화됨에 따라 기존의 전통적인 재 료로는 달성하기 어려운 고기능, 고성능 특성이 요구되고 있으며, 이에 따라 기존 재료보다 우수한 기계적 특성 및 기능성 등을 갖는 신소재 개발에 많은 연구가 집중되고 있다[1]. 또한, 국제 환경 규제 및 연비 규제 강화 추세와 에너지 자원의 지속적인 가격 상승으로 자동차, 항공 등 운송 분야의 경량·고강도 소재 및 부품 개발을 위한 새로 운 기술개발이 절실히 요구되고 있다[2].

    재료의 특성을 향상시키기 위한 여러 방법 중에서 오래 전부터 많은 관심의 대상이 되고 있는 것이 복합재료 (Composite material)이다. 복합재료는 물리적·화학적으로 뚜렷하게 구분되는 두 종류 이상의 소재를 조합하여 각각 의 소재가 원래의 상을 유지하면서 서로의 특성을 상호 보완하여 원래의 소재보다 우수한 성능을 갖도록 한 재료 를 말한다[3]. 복합재료는 다른 재료들과 다르게 제조한 후에도 원래 소재(기지재료 및 강화상)가 물리적·화학적으 로 결합되지 않고 구별이 가능하여야 한다[4].

    복합소재는 기지를 구성하는 기지재(matrix)가 분산되어 있는 강화재(Reinforcement)를 둘러싼 형태로 구성되어있 다. 강화재의 종류로는 섬유, 금속, 세라믹, 고분자 재료 등이 주로 사용되며, 기지재와 강화재의 조합에 따라 다양 한 기능(경량화, 고강도화, 고경도화, 고전도도 등)을 가진 복합재료를 제조할 수 있다[5]. 따라서 전통 금속소재라 할지라도 복합소재 개발을 통해 기존 소재가 가진 성능 및 물성한계를 극복하고 다양한 목적 및 환경에서 사용가 능한 고기능 및 고성능 소재의 개발이 가능할 것으로 기 대되고 있다.

    현재까지는 복합재료에 첨가되는 강화재의 높은 가격과 복잡한 제조공정으로 제조비용이 높은 단점이 있어, 응용 분야가 특수목적용(우주항공용, 국방용 등)으로 극히 제한 적이었으나, 최근에는 저비용 원료소재 및 단순 제조방법 의 개발로 가격의 하락과 함께 점차 응용분야가 확대되어 미래의 군수기기, 전자전기 기기, 육상 수송기기, 항공/우 주기기, 정밀기기, 기반 산업, 레저용 제품 등에 다양하게 사용될 것으로 예상되고 있다. 그림 2는 복합소재의 다양 한 응용 가능 분야를 보여주고 있다.

    이에, 본고에서는 금속복합재료의 최신 연구개발 동향 을 알아봄으로써 우주항공 등 극한환경과 다양한 고특성 이 요구되는 분야에 적용 가능한 미래 신소재로서 복합재 료의 중요성을 다시 한번 일깨우고, 이를 이용한 응용방안 및 향후 발전 방향에 대하여 논의하고자 한다.

    2. 복합재료의 연구개발 동향

    2.1 소재기술 개발 현황

    복합재료는 사용되는 기지재에 따라 금속 복합재료 (metal matrix composites, MMC), 세라믹 복합재료(ceramic matrix composites, CMC), 고분자 복합재료(polymer matrix composites, PMC), 고무 복합재료(rubber matrix composites, RMC) 및 시멘트 복합재료(cement matrix composites, CMC)등으로 구분된다.

    강화재의 종류에 따라서는 탄소섬유강화 복합재료 (carbon fiber reinforced composites, CFRC), 유리섬유강화 복합재료(glass fiber reinforced composites, GFRC), 세라 믹섬유강화 복합재료(ceramic fiber reinforced composites, CFRC) 및 금속섬유강화 복합재료(metal fiber reinforced composites, MFRC)등으로 구분한다.

    또한, 강화재의 형상에 따라서는 입자강화 복합재료 (particle reinforced composites), 플레이크강화 복합재료 (flake reinforced composites), 장섬유강화 복합재료 (continuous fiber reinforced composites), 단섬유 강화 복합 재료(short fiber reinforced composites), 시트강화 복합재 료(sheet reinforced composites)로 구분하기도 한다.

    그리고 모재에 강화재까지 조합하면 탄소섬유강화 고분 자 복합재료(carbon fiber reinforced polymer composites, CFRP), 탄소섬유강화 탄소 복합재료(carbon fiber reinforced carbon composites, CFRC)등과 같이 다양한 이름으로 구 분한다[7, 8].

    2에 복합재료 기지 종류에 따른 특성을 비교하고 나 타내었다. 기지의 종류에 따라 금속 복합재료(고온에서 주 로 사용하며 압축강도가 우수함), 세라믹 기지 복합재료 (강화 콘크리트 형태로 사용됨), 고분자 기지 복합재료(낮 은 가격, 우수한 물성, 다양한 분야에 적용가능), 하이브리 드 복합재료로 크게 구분이 가능하다. 금속기지 복합재료 가 다른 기지 복합재료에 비해 우수한 기계적, 물리적 특 성을 나타내므로 활용 분야가 다양하고 적용가능성이 높 아, 가장 활발한 연구개발이 진행 중에 있다.

    한편, 표 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 최근에 다양한 경 량금속 위주의 금속복합재료가 개발 되고 있으며, 기존의 전통 금속(철강, 주철 등) 대비 15~90% 정도의 중량 감소 효과(비강도 향상)를 나타내고 있어, 수송 분야(전기, 수소, 하이브리드 자동차 및 항공 분야)를 중심으로 다양한 분 야에 적용되고 있다.

    금속 복합소재에 사용되는 강화입자는 그림 3과 같이 미립자(Particle), 연속 섬유(Continuous fiber), 불연속 섬유 (Short fiber:Whisker) 라미네이트 시트 및 그 밖에 나노 입 자들(Nanoparticle, Nanotube)로 구분할 수 있다[9, 11]. 강 화입자의 형상 및 크기에 따라 적용 가능한 재료의 종류 가 달라지며, 복합재료의 특성도 크게 달라지므로, 요구되 는 특성에 맞는 적절한 강화입자를 선택하여 적용할 필요 가 있다. 표 4는 금속복합소재에 사용되는 강화재의 종류 및 주요 특성을 나타낸 것이다.

    그림 4는 금속복합소재에 적용되는 기지재와 강화재의 종류별 사용 비율을 나타내는 그래프이다. 금속복합재의 주요 기지재로는 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 철(Fe), 티 타늄(Ti) 순이었으며, 강화재로는 SiC, TiC, Al2O3, C 순으 로 많이 사용되었다. 최근 고강도 및 경량화 추세에 따라 금속복합재료의 기지재는 Mg, Al과 같이 비강도가 높은 경량금속으로, 강화재는 기계적 성능 향상을 위한 카바이 드 및 세라믹 위주로 조합되어 주로 사용되고 있음을 알 수 있다.

    5는 금속복합재에 주로 사용되는 카바이드 및 세라 믹 등 강화입자의 특성을 비교하여 나타낸 것으로, 일반적 으로 강화재는 재료의 강도나 경도 등 기계적 특성을 증 가시키기 위해 주로 사용되나, 그 밖에 열전도도, 전기전 도도 등의 물리적 특성을 향상시키기 위한 고기능화 목적 으로도 사용되고 있음을 알 수 있다.

    금속복합재료는 기존의 전통 소재(철강, 알루미늄, 세라 믹, 고분자 등)과 비교하여 아직까지는 실용화되지 않은 첨단소재이지만, 산업 전반에 걸쳐 가지고 있는 높은 잠재 성으로 인하여 향후 다양한 분야에서 새로운 산업 창출의 원동력이 될 것으로 전망된다[14]. 각 금속복합소재의 구 성소재별 적용 가능 미래분야를 표 6에 나타내었다.

    2.2 제조기술 개발 현황

    금속복합재료의 제조기술은 기지재료를 액상상태에서 제조하는 액상 제조 공정과 고상상태에서 제조하는 고상 제조 공정, In-situ 제조 공정으로 크게 분류할 수 있으며, 금속기복합재료 제조에는 squeeze casting, stir casting, Lanxide process, 분말야금법, liquid infiltration process, spray deposition 등의 다양한 방법들이 시도되고 있다.

    (1) 액상 제조공정

    복합재료의 액상 제조공정 및 방법을 그림 5에 나타내 었다. 액상 제조공정은 알루미늄, 마그네슘 등의 저 융점 기지금속 용탕을 분말, 섬유, 예비성형체 등에 가압/무가 압 함침시키거나 물리적 교반으로 복합재료를 제조하는 방법이다. 반면, 액상제조공정은 단순 저비용으로 복합재 료 부품을 대량으로 생산 할 수 있는 장점이 있으나, 강화 재와 기지금속 사이의 결합, 반응, 주조결함 등의 문제가 자주 발생하고 강화재가 기지 내 불균일하게 분포되는 단 점이 있다.

    (2) 고상 제조 공정

    복합재료의 고상 제조공정 및 방법을 그림 6에 나타내 었다. 고상 제조방법은 기지금속을 용융하지 않고 고상 상 태에서 복합재료를 제조하는 방법으로, 이 공정으로 제조 한 금속복합재료는 액상제조 공정으로 제조한 금속복합재 료보다 기계적 특성이 우수한 장점은 있으나 상대적으로 복잡한 공정과 높은 제조비용의 단점을 갖는다.

    최근에는 적층공정 등 새로운 금속소재 제조공정 기술 이 발전함에 따라 기존 공정으로는 제조가 불가능하였던 다양한 종류의 금속복합소재의 가능성이 제시되고 있으며, 이에 대한 연구가 국내외적으로 활발히 진행되고 있다.

    (3) 적층제조 공정에 의한 금속분말 복합소재 제조기술 동향

    적층가공 기술 중 금속소재에 기반한 적층가공 기술은 자동차, 항공, 전기전자, 의료, 일반 생활용품에 이르기까지 광범위한 응용범위를 가지며, 산업적으로도 가장 큰 발전 가능성 및 예상 수요가 매우 높은 것으로 평가되고 있다.

    금속소재 적층가공 기술은 Feedstock으로 분말형태를 주로 사용하며, 그 밖에 필라멘트(wire), 시트(sheet), 용융 금속 등을 사용하기도 한다. 금속분말 기반 적층제조 공정 은 열원 및 적층방식에 따라 크게 PBF(Powder Bed Fusion), DED(Direct Energy Deposition), BJ(Binder Jetting), ME(Material Extrusion) 등으로 구분되며, 이미 다 양한 금속, 합급 및 금속 복합소재(aluminum-matrix composites, titanium-matrix composites, TiAl-matrix composites 등)를 제조하는데 활용되고 있다. 적층제조 금속분 말 복합소재에 사용되는 주요 강화재의 형태는 입자상 또 는 필라멘트 형태의 Fiber이며, 주요 소재로는 CNTs, graphite, silicon Carbide, titanium carbide, tungsten carbide 등이 있다[19].

    적층용 금속복합분말의 제조방법은 기계적합금화법 (Mechanical Alloying), 분무법(Atomization)이 활용되고 있다. 기계적합금화법은 금속복합분말을 제조하기에 가장 용이하여 현재 가장 많이 적용 중이나, 대량 생산의 어려 움, 분말의 형상 제어의 어려움, 강화재의 초기 형상 유지 및 균일 분산의 어려움, 높은 불순물 함량 등의 문제점을 가지고 있다. 한편, 분무법은 분말제조 시 금속용탕에 강 화상을 동시 주입/분산시켜 금속복합분말의 직접 제조가 가능한 방법으로, 기계적합금화 방법이 가지고 있는 기존 문제점을 극복 가능하여 잠재성이 높은 것으로 평가되고 있다. 하지만, 금속복합분말 제조를 위한 장치 및 공정 기 술의 난이도가 있어, 이를 제대로 활용하기 위해서는 강화 상 공급장치 개발, 특수 형태의 노즐 개발, 공정 조건의 최 적화 등의 기술개발이 선행되어야 할 것으로 판단된다.

    8은 적층제조용 금속복합분말의 개발 예로 다양한 금속 기지에 탄소복합체, 카바이드, 세라믹 강화상이 사용 되었고, 분말제조에는 기계적 합금화법이 주로 활용되었 음을 알 수 있다.

    3. 금속복합재료의 응용 현황

    3.1 수송기기 분야

    수송기기 분야에서의 적용은 그림 7에서 보이는 바와 같이, 크게 자동차 분야와 항공기 분야로 나눌 수 있다. 자 동차 분야의 경우, 최근 환경 규제 및 에너지 고갈에 의한 연비 규제 강화에 따른 차체 경량화에 대응하기 위하여 경량·고강도 금속복합소재의 개발에 대한 요구가 크게 증 가하고 있다. 항공기 분야의 경우, 군용으로 1970년대부터 복합재료가 사용되기 시작하여 그 사용량이 지속적으로 증가하고 있으며, 근래에는 드론 등 무인기의 경우에도 복 합재료의 적용이 활발하다. 민간 항공기에서도 1970년대 부터 복합재료가 사용되었으며, 보잉사 및 에어버스 등 민 간 항공용 복합재료의 사용량은 이미 50% 이상으로 예전 과 비교하여 획기적으로 증가하였다. 전투기 및 극초음속 항공기용 극한환경조건(가속 조건, 자외선, 고진공, 온도편 차)들을 견뎌내야 하므로, 추가적인 연구 개발을 통하여 이러한 분위기에서 견딜 수 있는 극한환경용 고성능 금속 복합재료 개발이 요구되고 있다[10, 21].

    3.2 방산 분야

    방산분야에서 금속복합재료는 무기류, 수송기기, 방탄부 품 등의 적용에 주로 관심의 대상이 되고 있다. 군수 수송 기기(차량, 선박, 비행기 등)에 경량 고강도의 금속복합재 료를 적용하면 차제 무게가 감소되어 기동성, 조작성, 작 동시간이 향상되고, 부품의 내구성이 크게 증가될 수 있다. 금속복합재료는 이외에도 우수한 고온 내구성 및 기계적 특성으로 무기류의 외장재, 방탄재 등 다양한 방산 분야에 적용이 검토되고 있다. 현재 금속복합소재가 군수분야에 실제로 적용된 사례로는 미사일의 날개, 군수차량의 차체 외장판, 탱크 트랙 등 다양하다[22].

    3.3 스포츠용품 분야

    스포츠 용품의 경우 대부분 섬유복합소재나 고분자 복 합재의 제품개발이 주로 이루어지고 있으나, 경량화 및 고 성능화가 필수로 요구되는 금속기반의 자전거, 골프채 등 전문 스포츠 용품을 타겟으로 고부가가치 금속복합소재 개발을 위한 다양한 기술개발이 시도되고 있다[23]. 이미 미국, 일본 등은 스포츠 및 레저용 고성능 복합소재 제조 기술의 선진국가로 인정되고 있으며, 최근에는 중국도 복 합소재 관련하여 집중적인 연구개발 및 상업화에 박차를 가하고 있는 실정이다. 국내 스포츠·레저용 복합소재 제품 은 현재 대부분 수입제품에 의존하고 있는 실정으로, 국민 의 삶의 질이 점차 향상됨에 따라 향후 스포츠 복합재료 시장이 지속적으로 증가 할 것으로 기대되고 있다. 스포츠· 레저용 복합재료 제품은 미국, 일본 등 몇몇 선진국들이 독점적으로 시장을 선점하여 고부가가치를 창출하고, 후 발국과의 기술 격차를 더욱 넓혀가며 원천적으로 시장 진 입을 봉쇄하고 있는 실정으로, 향후 점차 성장될 시장 환 경에 진입하려면 국내에서도 지속적인 연구 개발을 통한 원천기술 확보가 반드시 필요할 것으로 사료된다.

    3.4 우주항공 및 극한 환경 분야

    유럽, 러시아 및 미국 등 선진국에서는 우주항공 분야에 적용 가능한 초고온에서 장시간 사용될 수 있는 복합재료 의 개발을 지속적으로 진행하여 왔다. 기존에는 우주항공 용 고온 내열이 필요한 로켓 모터나 터빈엔진 등 부위에 크롬, 니켈, 티타늄 합금 등이 사용되어 왔다. 하지만, 최 근에는 초고온용 내열 금속복합재료의 개발이 많이 이루 어져 우주왕복선이나, 위성, 우주발사체 등에 적용하기 위 한 연구가 활발히 진행되고 있다. 지난 수십년 간 우주항 공 분야의 내열복합재료 제조기술은 미국, 러시아, 유럽, 일본 등 일부 선진국이 독점하는 추세였다. 최근에는 우리 나라도 우주발사체를 자체 개발하는 등 우주항공 분야 진 입에 노력하고 있으나, 주요 핵심 내열부품 복합재료 제조 기술을 여전히 확보하지 못하고 있는 실정이다[7]. 향후 대한민국의 항공우주 분야 진출을 위해서는 초고온 및 고 압에서 견딜수 있는 내열 금속복합재료의 연구개발의 국 가적 지원이 필요할 것으로 보인다.

    4. 결 론

    산업이 점차 고도화되고 현대 과학기술이 진보함에 따 라서 금속복합재료에 관한 연구, 기술 및 제품개발은 그 용도와 범위를 더욱 넓혀가고 있다. 금속복합재료에 이용 되는 소재와 이의 제조기술의 종류가 다양해짐에 따라 기 존 소재로는 달성할 수 없었던 기계적 성능 및 물성을 달 성할 수 있게 되고, 원하는 특성 재단이 가능해지면서 다 양한 분야에 금속복합재료가 접목되고 있다.

    금속복합재료는 경량·고강성/고강도화가 가능하여 기존 의 비중이 높은 전통 금속 등의 소재를 대체할 핵심 소재 로 여겨지고 있으며, 자동차 및 항공 등 수송분야, 스포츠 용품 및 레저용품 분야, 군수 방산분야, 우주분야 등 국가 산업을 좌지우지할 핵심소재로 관련 재료 및 제조기술에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 하지만, 현재까지는 제 조기술이 부족하여 요구하는 목표 성능 달성이 어렵고, 긴 공정시간 및 높은 제조비용 등의 문제가 있어 복합재료 설계기술, 단순 저비용 공정기술 개발 등은 향후 해결되어 야 할 과제로 남아있다.

    특히, 우주항공 분야에서 초고온, 초고압 등 점차 가혹 해지는 극한 환경에서 사용할 수 있는 재료개발을 요구하 고 있고, 이를 위해선 기존 소재가 가지고 있는 한계치 이 상의 기계적 특성 및 물성치, 다양한 기능성을 달성해야만 한다. 이러한 측면에서 금속복합재료는 가장 큰 잠재성을 가지고 있는 재료임이 확실하다. 이미 미국, 일본, 유럽 등 선진국에서는 다양한 금속복합재료 및 제조기술들을 오래 전부터 개발, 상용화하여 우주항공, 국방, 산업, 스포츠레 저 등의 여러 복합재료 분야를 선점하고 있으므로, 국내에 서도 금속복합소재에 대한 적극적인 지원 및 연구개발이 필요할 것으로 판단된다.

    Figure

    KPMI-27-2-164_F1.gif
    Potential for improving the performance of metallic materials through the development of composites [6].
    KPMI-27-2-164_F2.gif
    Various applications for composites [7].
    KPMI-27-2-164_F3.gif
    Types of metal composites depending on the shape of the reinforced materials [11].
    KPMI-27-2-164_F4.gif
    Usage volume of matrix and reinforced materials type for metal composites [13].
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    Liquid phase manufacturing process of metal composites [15-17].
    KPMI-27-2-164_F6.gif
    Solid phase manufacturing process of metal composites[15, 18, 19].
    KPMI-27-2-164_F7.gif
    Applications of metal composites in transportation equipment.
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    Applications of metal composites in defense industry
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    Applications of metal composites in sports goods.
    KPMI-27-2-164_F10.gif
    Applications of metal composite materials in aerospace [13].

    Table

    Classification of composite materials by matrix type, reinforced material type and shape
    Comparison of characteristics by type of metal composites [9]
    Lightweight effect of metal composites compared to traditional metals [10]
    Types and main characteristics of reinforcements used in metal composites [12]
    Mechanical and physical properties of various reinforced materials [13]
    Application fields according to the composition of metal composites [7]
    Features and types of metal composites manufacturing technology
    Metal composite powder development example for additive manufacturing [20]

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