Demand for Manufacturing Infrastructure of High Value-Added Wrought Aluminum Alloys

고부가가치 알루미늄 전신재의 생태계 구축 필요성

1. 서론

금속은 인류가 사용해온 가장 오래된 소재 중 하나이다. 인류 역사의 흐름으로 볼 때, 불을 다루기 시작하면서 금속의 역사는 시작되었다고 볼 수 있다. 불을 사용하기 전인 석기시대에는 자연에서 제공하는 형태에서 벗어날 수 없었다. 불을 자유자재로 사용할 수 있는 시점이 되어서는 비교적 다루기 쉬운 청동을 사용하여 원하는 형태의 도구들을 제조할 수 있었다. 더 나아가 더 높은 온도의 불을 다룰 수 있게된 인류는 청동보다 더 단단한 금속인 철을 자유자재로 다룰 수 있게 되었다. 철을 다룰 수 있게 된 인류는 약 1500ºC에 달하는 높은 열과 온도를 견디고, 1GPa의 힘을 견디는 부품을 만들 수 있게 되면서 약 3천여 년의 시간 동안 철을 기반으로 삶의 수준을 높여왔다. 이렇게 인류 역사에 기반이 된 철을 전 세계에서 다량으로 사용할 수 있었던 이유는 원석인 철광석의 풍부한 매장량과 함께 비교적 쉬운 환원 공정을 통한 소재의 공급량이 수요를 뒤받쳐 줄 수 있기 때문이었다. 공기 중에 산소와 결합해서 산화철로 존재하는 철은 탄소를 함유한 석탄과 함께 1200℃의 열로 환원시켜 얻을 수 있다. 지구상에 존재하는 매장량으로는 두 번째인 금속이다.

지구상에 철보다 더 많이 매장되어 있는 금속은 알루미늄이다. 하지만, 인류 역사에서의 알루미늄은 철과의 시작점이 매우 달랐다. 알루미늄 역시 산소와 결합한 상태인 알루미나로 존재하는데 이를 순금속으로 환원하기 위해서는 무려 2000ºC에 달하는 온도가 필요했다, 지구상에 가장 흔한 금속이었지만, 공급부터 용이하지 않았다. 알루미늄은 1886년에 개발된 제련법인 (Smelting) 홀-에루 공정 (Hall-Héroult process)을 통해 공급되기 이전에는 금보다 더 비싼 귀금속으로 사용되었다 [1]. 이후 빙정석을 첨가하는 방법으로 매우 안정된 화학결합을 갖는 알루미나의 환원 온도를 1000℃까지 낮출 수 있었다. 아이러니하게도 순금속으로의 환원을 어렵게 한 알루미나의 안정적인 화학결합은 철이 가지고 있는 고질적인 단점인 부식을 알루미늄에서는 자연적으로 극복할 수 있는 해결책이었다.

게다가 금속 가공을 위한 첫 단계인 합금화와 주조공정의 온도는 철의 절반 수준인 600ºC 정도이기에 철 보다 다루기 쉬운 금속으로 자리매김할 수 있었다. 따라서, 철보다 역사는 짧지만, 100여년 동안 많은 산업군에서 주조, 단조, 압출 및 압연 공정 등을 통해 빠르게 적용되어 왔다. 또한, 알루미늄 합금은 비중이 철의 1/3 수준인 대표적인 경량금속이다. 최근 수송기기의 에너지 사용효율을 기준으로 하는 탄소배출을 저감하기 위하여 근본적인 해결책 중 하나인 경량화에 대한 투자가 증가하고 있다. 이에 따라 수송기기 경량화를 직접적으로 해결할 수 있는 알루미늄 소재의 적용을 위한 각 산업계에서의 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 하지만, 수요 증가에 따른 원자재 가격의 상승은 최종 제품의 가격상승으로 이어지기에 원소재의 생산기업과 소비기업 모두에게 적지 않은 부담이 되고 있다. 본 기고에서는 국내외 알루미늄 산업의 구조와 최근 동향을 알아보고, 우리나라 알루미늄 소재와 부품산업의 고부가가치화를 위해 필요한 요소에 대하여 검토해 보았다.

2. 본론

알루미늄은 지각에 존재하는 금속 물질 중 가장 큰 비중을 차지한다. 산업용 원소재인 순알루미늄 (1차 지금, Primary aluminum)은 지각에 존재하는 알루미늄의 원광석인 보크사이트(Bauxite, Al₂O₃·2H₂O)를 전기분해 (Electrolytic reduction, Hall-Héroult process)하여 얻는다 [1]. 순알루미늄을 얻기 위해서는 열에너지 보다는 전기에너지가 필요하며, 막대한 전기를 공급하기 위해서 주로 수력 발전을 활용한다. 따라서, 순알루미늄은 원석과 전기 에너지 공급이 용이한 지역을 중심으로 생산/공급이 되고 있다. Table 1에는 순알루미늄을 생산하는 대륙과 국가를 정리하였다 [2]. 전 세계 순알루미늄의 생산량은 2007-2008 세계 금융위기와 2019 코로나 바이러스로 인해 한때 침체가 있었지만 지속적인 증가 추세를 보인다. 알루미늄의 생산 동향에서 주목할 점은 2000년대 초반부터 중국내 순 알루미늄의 생산량이 급격히 증가한 것이다. Fig. 2는 2020년 기준 세계 지역별 순 알루미늄 생산비율을 보여준다 [2]. 2020년 전 세계 순 알루미늄 생산량 6천 5백만톤 중 57%인 3천 7백만톤은 중국에서 생산되었다. 최근 알루미늄 시장에서 중국은 전기자동차의 생산량 증가를 통해 알루미늄의 수요국으로도 중요한 역할을 한다 [3]. 아울러, 최근 알루미늄의 급격한 수요 증가에 따라 주요 생산국 및 기업은 기술 개발과 신규 설비 투자를 늘리는 추세이다. 글로벌 알루미늄 생산기업인 Rio Tinto (캐나다), Rusal (러시아), Hydro (노르웨이), Alcoa (미국), EGA (아랍에미리트) 등은 친환경, 저탄소 배출, 저에너지 소비, 고생산성 등을 핵심 가지로 다양한 기술 개발과 설비 투자를 진행하고 있다 [4-8]. 한편, 우리나라와 같이 순알루미늄이 생산되지 않는 국가에서는 수입과 재활용을 통해 필요한 알루미늄을 공급해야 한다. 다양한 산업에서 배출되는 알루미늄 스크랩을 재용해 (Remelting)하여 만든 알루미늄 소재를 2차 알루미늄(2차 지금, secondary aluminum)으로 분류한다. 알루미늄은 재활용성이 매우 우수하며 재용해 공정의 에너지 소비가 순알루미늄을 생산하는 전기분해 공정 (smelting)의 약 5~10% 수준에 불과하다 [9]. 이러한 2차 알루미늄을 포함한 전 세계 알루미늄 산업의 규모는 2020년 기준으로 약 9천 5백만톤 (Primary 약 6천 5백만톤, Secondary 약 3천만톤)으로 추산된다. 최근 알루미늄에 대한 소비 증가 추세를 고려하면 연평균 성장률 (CAGR)은 약 3.1~4.2%로, 2050년 경에는 약 2억 4천만톤 규모의 시장으로 성장하여 현재 대비 2.5배이상 증가할 것으로 예상된다 [10].

Fig. 1. Global primary aluminum production trend (regional).

Table 1. International regions of primary aluminum production

Fig. 2. Global primary aluminum production in 2020 (regional).

전 세계 알루미늄의 산업별 수요는 Fig. 3(a)와 같이 2018년에는 총 9천 2백만톤 중에서, 수송기기 (Transp ort) 약 29%, 건축/건설 (Building and Construction) 약 26%, 포장 (Packaging) 약 12%, 전기 (Electrical) 약 11%, 기계(Machinery & Equipment) 9%, 소비재 (Consumer durables) 7%, 기타 6%로 집계된다. 현재 알루미늄 산업의 성장 추세로 예상한다면 향후 2050년경에는 Fig. 3(b)와 같이 총 2억 4천만톤으로 증가하며 이중 수송기기 약 30%, 건축/건설 약 19%, 포장 약 12%, 전기 약 10%, 기계 9%, 소비재 14%, 기타 6%로 구성되어 전 산업군에서 균형 있는 수요의 증가가 예상된다 [11]. 가장 큰 비중을 차지하는 수송기기 분야에서는 전기자동차 시장이 알루미늄 수요를 견인할 것으로 예측되는데, 알루미늄 판재를 이용한 차체 경량화 뿐만 아니라 2차 전지의 필수 소재인 박 (foil)에 대한 수요도 빠르게 증가하는 추세이다. 오랜 기간 알루미늄이 적용되어온 기존의 건축, 포장, 소비재 시장에서도 지속적인 수요 증가를 통해 주요한 수요시장으로 유지될 것으로 예상된다.

Fig. 3. Global aluminum demand (industrial); (a) Fracton in 2018, (b) Fraction in 2050 (expected) and (c) Growth in amount (expected).

알루미늄 소재를 최종 제품의 형상별로 구분하면 Fig. 4와 같이 크게 주조재 (Casting alloy)와 전신재 (Wrought alloy)로 구분할 수 있다. 주조재는 금형/사형 중력주조 (PM/Sand gravity casting), 저압주조 (Low pressure casting), 다이캐스팅 (Die-casting) 공정 등을 통해 3차원 형상의 제품으로 제조된다. 전신재는 압출 (Extrusion) 또는 압연 (Rolling) 공정을 통해 봉 (Bar), 관 (Tube), 프로파일 (Profile), 판 (Plate/Sheet) 등의 중간재 (Semi-finished material) 형상으로 제조되며 이후 성형 (Molding/Forming), 용접 (Welding/Joining), 열처리 (Heat treatment), 표면처리 (Surface treatment) 등의 전통적인 뿌리공정을 통해 최종 제품으로 만들어진다. 소재부품 산업의 생태계 측면에서, 주조재는 소재를 공급받는 기업에서 최종 제품의 형상으로 만들어지는 것이 일반적이지만, 전신재는 원소재를 중간재로 제조하는 기업과 중간재를 다시 최종 제품으로 생산하는 기업으로 제조 과정이 구분된다. 즉, 압출 공정의 경우 빌렛 (Billet), 봉 (Bar), 관 (Tube)이, 압연 공정의 경우 슬라브 (Slab), 후판 (Plate), 판재(Sheet), 코일 (Coil), 박 (Foil) 등이 중간재로서 시장에 유통될 수 있다. 산업별 생산 인프라를 비교해 보면, 알루미늄 주조재는 제품의 크기와 품질에 따라 대기업에서부터 영세기업까지 생산이 가능한 장점이 있다. 압출재의 경우, 빌렛 주조를 제외하고 압출 공정만을 수행하는 경우 영세기업에서도 생산 가능한 산업군에 포함된다. 하지만 빌렛 주조와 압출공정을 함께 수행하는 경우에는 중소기업 이상에서 수행 가능한 산업으로 인식된다. 압연 공정의 경우에도 소폭의 냉간 압연만을 수행하는 경우에는 영세기업 규모의 인프라로 사업화가 가능하다. 하지만 슬라브 주조와 열간압연 공정을 포함한 완전한 압연공정을 수행하기 위해서는 주조공정이나 압출공정에 비해 고가의 설비와 넓은 부지가 필요하여 중견기업 이상, 대기업에 적합한 산업으로 고려된다. 알루미늄의 형상별 수요는 Fig. 5에서와 같이 2019년 기준 압연재 (FRP, Flat rolled product incl. foilstock)가 약 2천 8백만톤, 압출재 (Extrusion)가 약 2천 9백만톤, 주조재 (Castings)가 약 1천 9백만톤, 전선 (Wire rods)이 약 7백만톤, 기타 약 6백만톤으로 구성된다 [12]. 특히 전기자동차용 압연재는 2025년 경에는 3천 7백만톤으로 증가 (CAGR 5%)하여, 약 8백만톤의 추가 수요가 있을 것으로 예상된다 [13].

Fig. 4. Classification of aluminum product and value chains.

Fig. 5. Global aluminum demand in 2019 (product type).

2015년과 2020년 기준 북미 자동차 분야에서 알루미늄의 형상별 수요를 Fig. 6(a), (b)에 각각 도시하였다 [14]. 2015년 기준 북미 지역 자동차 1대당 평균 알루미늄 부품의 총 중량은 약 180kg이며 이중에서 주조 (HPDC, PM, Sand)재가 약 70%로 총 126kg을 차지했다. 2020년 기준으로는 자동차 1대당 알루미늄 부품의 총 중량이 약 211kg으로 증가하였으며 이중에서 주조 (HPDC, PM, Sand)재가 약 59%로 124kg을 차지하여 여전히 압출재나 압연재에 비해 높은 비중을 차지한다. 특이한 점은, 주조재의 총 중량은 큰 변화가 없었지만 압연재와 압출재의 중량이 증가함에 따라 상대적으로 주조재의 분율이 감소한 것이다. 즉, 전기차 시장의 성장으로 주조재 대비, 압연재와 압출재의 수요가 증가한 것을 의미한다. 특히 압연 판재의 적용량이 가장 크게 증가한 것은, 기존 엔진 기반 자동차의 경량화를 위한 차체 부품에의 알루미늄 판재 적용과 전기자동차용 배터리 제조를 위한 알루미늄 판재의 수요가 모두 증가하였기 때문이다. Fig. 7에는 엔진 기반 자동차와 전기자동차에서의 알루미늄의 형상별 적용 분율을 비교하였다 [15]. 엔진 기반 자동차에서는 전체 알루미늄 부품중 주조재의 비중이 75%, 압연재 15%, 압출재 10%로 주조재의 비중이 가장 높지만, 전기자동자의 경우 압연재가 36%로 압출재 20%로 전신재의 비중이 총 56%로 절반 이상을 차지한다. 이처럼 전기자동차에서 알루미늄 전신재의 적용이 증가하는 주요 원인은 기존의 알루미늄 주조재가 전신재로 대체되었기 때문이라기 보다는 배터리 팩/케이스와 같은 신규 부품을 통한 알루미늄 판재와 압출재 적용이 증가하였기 때문이다. Fig. 8에는 자동차 부품별로 2019년에서 2025년까지 예상되는 알루미늄 적용 중량 변화를 도시하였다 [16]. 자동차 1대당 알루미늄 부품의 중량은 2019년 평균 약 179kg에서 2025년 199kg으로 약 20kg의 증가가 예상되며 부품별로는 전기차 배터리 부품 (Battery box, Electric motor housing)과 차체 부품 (Body closures)이 약 19.6kg으로 대부분을 차지할 것으로 예상된다.

Fig. 6. Global aluminum demand of automotive in North America (product type); (a) 2015 and (b) 2020.

Fig. 7. Global aluminum usage in automotive (product type); (a) ICE vehicle and (b) Electric vehicle.

Fig. 8. Expected gains and losses of aluminum in automotive from 2019 to 2025.

전기자동차에서는 엔진 보다 무거운 배터리와 화석 연료보다 짧은 주행거리로 인하여 기존 엔진 기반의 자동차에 비해 더 높은 수준의 경량화가 요구된다. 자동차를 경량화하기 위한 방법 중 알루미늄 판재의 적용은 압출재나 주조재에 비해 더욱 효과적인 것으로 평가된다 [17]. 자동차 차체용 알루미늄 판재에 대한 수요는 Fig. 9에서와 같이 2020년 기준 약 1백 4십만톤으로 집계되며 2028년에는 약 3백 2십만톤 규모로 증가할 것이 예상된다 [18]. 국가별로는 Fig. 10에서와 같이 북미 (미국/캐나다)가 약 48%, 유럽 국가에서 30%, 중국이 13%를 소비하여 전체 91%를 차지한다. 우리나라의 자동차용 알루미늄 판재 수요는 전 세계 수요의 1% 미만으로 집계된다. 2020년 기준 유럽대륙 및 북미 지역에서 자동차 제조사/모델별 차체용 알루미늄 판재 수료량을 Fig. 11에 정리하였다.

Fig. 9. Global aluminum sheet consumption for automotive body (2014-2028).

Fig. 10. Global aluminum sheet consumption for automotive body in 2020 (country).

Fig. 11. Aluminum sheet consumption in 2020; (a) European models and (b) North American models.

우리나라는 순알루미늄의 생산이 불가능하여 수입과 재활용을 통해 알루미늄을 산업계에 공급한다. 최근 3년간 (2019~2021년) 비철금속 (알루미늄, 구리, 아연, 납, 니켈, 주석 등)중에서 알루미늄이 수출과 수입 모두 1위를 차지했다 [19]. 알루미늄의 수출은 3년 연속 증가 (6.0 → 12.8 → 4.1%)하여 2021년 1,274천톤이 수출되었다. 수입은 4.0 → (-)3.1→ 9.6%로 변동하여 2021년 기준 3,125천톤이 수입되었다. 2021년 기준 알루미늄에 대한 무역수지는 3,646백만불 (약 4조 3,752억원, 환율 1200원/USD 기준) 적자이다. 알루미늄의 품목별 수출입 현황을 Table 2, 3에 정리하였다 [20]. 2021년 총 수입량 3,125천톤 중 괴 (Ingot)가 49%, 스크랩(Scrap)이 33%로 가장 높은 비중을 차지한다. 수출은 2021년 기준 판 (sheet)이 50%, 괴가 28%로 가장 큰 비중을 차지하며 기타 박 (6.8%), 봉 (3%), 스크랩 (2.6%)과 건축재(2.2%) 등으로 구성된다. 모든 알루미늄 부품의 원료가 되는 괴와 스크랩은 수출보다 수입이 높으며 이외의 품목은 수출이 수입보다 높다.

Table 2. Korean export of aluminum products in 2019~2021

Table 3. Korean import of aluminum products in 2019~2021

국내 알루미늄의 품목별 생산량과 내수/수출량 집계를 Table 4에 정리하였다 [20]. 알루미늄 전신재 중 국내 생산 비중이 가장 높은 품목은 압연을 통한 판(sheet)이며 나머지 관/봉, 박, 선(wire)의 순서로 높은 비중을 차지한다. 알루미늄 판재의 생산량은 2015~2021년 사이에 꾸준히 증가한 반면에 관/봉, 선, 박의 경우에는 명확한 증가 추세로 판단하기는 어렵다. 2021년 기준 판, 관/봉, 선, 박의 총 생산량은 1,420천톤이며 이중 내수가 988천톤, 수출이 460천톤으로 집계된다. 기타 전신재로는 건축용 프로파일, 빌렛의 생산이 있으며 2021년 기준 생산량은 236천톤으로 관/봉을 포함한 압출공정 관련 제품은 총 402천톤으로 추산된다 [21]. 이상을 합산하면 우리나라 알루미늄 소재의 총 생산량은 연간 약 2,256천톤으로 추산되며 이상을 Fig. 12에 정리하였다. 우리나라의 총 알루미늄 생산량 중에서 주조재의 비중은 약 27%를 차지하며 자동차 부품, 배터리 팩, 산업기계, 전기전자 등 다양한 산업의 중요 부품으로 사용된다. 알루미늄 전신재 중 프로파일/빌렛, 관/봉을 포함하는 압출재는 전체 생산량의 약 20%를 차지하는 것으로 추산된다. 알루미늄 압출재의 경우 건축용 샤시, 전선용 와이어 등으로 사용된다. 압출재의 경우 수출 보다는 내수 시장에서 주로 소비되는 것으로 집계된다. 알루미늄 압연재의 경우 박 (Foil)을 포함하여 우리나라 전체 알루미늄 생산의 53%를 차지한다. 알루미늄 압연재의 국내 수요처를 확인해보면 음료수 캔용 수요가 판재 전체 수요의 61%로 상당히 높은 비중을 차지한다. 이는 국내 알루미늄 총 수요의 30%에 해당한다. 반면 자동차용 판재의 비중은 약 6%로 유럽 및 미주 지역에서 자동차용 판재 수요가 급증하는 상황과는 대조적인 모습이다.

Table 4. Korean domestic production of aluminum wrought products in 2015~2021

Fig. 12. Korean aluminum market and value chains in 2021.

알루미늄 소재산업의 고부가가치화를 위해서는 전기자동차, 항공기, 스마트기기 등에 사용되는 고강도 고품질 소재의 생산과 수요가 증가해야 한다. 이를 위해서는 다양한 알루미늄 소재를 산업계에 공급할 수 있는 안정적인 생산 인프라가 확보되어야 한다. 알루미늄 합금은 제조 공정에 따라 열처리형(Heat-treatable)과 비열처리형 (Non heat-treatable)으로 분류할 수 있다. 열처리형 합금은 열처리 공정을 통해 강도를 증가시킬 수 있으며 첨가원소에 따라 2000계 (Al-Cu합금), 6000계 (Al-Mg-Si합금), 7000계 (Al-Zn-Mg합금) 합금으로 구분한다. 비열처리형 합금은 냉간 가공 (Cold working)을 통해 강도를 증가시키며 1000계 (Pure Al), 3000계 (Al-Mn합금), 5000계 (Al-Mg합금) 합금이 이에 포함된다. 산업적으로 많이 활용되는 대표적인 전신재 합금들을 인장강도(Ultimate tensile strength) 순으로 정리하여 Fig. 13에 도시하였다. 열처리형 합금은 열처리 조건에 따라 T4, T6, T73 등의 조질 (Temper) 기호가 추가되고 비열처리형 합금의 경우에는 냉간가공 정도에 따라 O, Hxy (x=1, 2, 3, y=2, 4, 6, 8, 9) 등의 기호가 부여된다. 동일한 화학성분을 갖는 합금의 경우에도 열처리 또는 냉간가공 조질에 따라 전혀 다른 특성을 나타내며 산업적으로도 다른 소재로 구별한다. 평균인장 강도로 구분한다면 열처리형인 7000계, 2000계 합금은 고강도로서 항공기용 소재로 활용되고, 열처리형 6000계와 비열처리형 5000계는 중강도로서 자동차용 차체의 중요 소재로 사용된다. 비열처리형 3000계와 1000계 합금은 저강도로서 쿠킹호일, 포장용기, 음료캔 등 소비재를 포함한 다양한 산업에 사용된다.

Fig. 13. Tensile strength of commercial wrought aluminum alloys.

알루미늄의 열처리 공정은 일반적으로 2가지 단계로 구분하는데, 고온 (약 500ºC 내외)에서 짧은 시간 동안 유지 후 급냉 (Quenching)하는 용체화 처리 (Solution heat-treatment)와 비교적 저온 (약 200ºC 내외)에서 장시간 (약 10~20시간) 유지하는 시효 처리 (Aging heat-treatment) 단계로 구분한다. 특히 용체화 처리는 고온에서 급냉 시 급격한 온도변화로 인하여 팽창된 금속이 수축하는 과정에서 제품의 형상이 변형될 수 있기 때문에 엄격한 품질 관리가 필요하다. 이러한 알루미늄의 열처리 변형 문제는 제품의 형상에도 제약을 주는데 주조재나 압출재와 같이 그 크기가 비교적 한정적인 3차원 형상이나 압출재와 같은 1차원 형상의 제품은 열처리 과정에서 발생한 변형을 후가공에서 교정하는 것이 가능하다. 반면, 판재의 경우 길이가 수 백m에 이르기 때문에 연속열처리 (Continuous heat-treatment)라는 특별한 설비가 필요하다. 연속열처리 설비는 코일(coil) 상태의 판재를 한쪽 끝에서부터 풀어주면서 설비 내부의 고온영역과 냉매가 있는 영역을 연속적으로 지나가도록 설계된 특수한 구조를 가지는 설비로서 현재 국내에는 알루미늄 판재용 연속열처리 설비가 마련되어 있지 않기 때문에 6000, 2000, 7000계와 같은 열처리형 알루미늄 합금의 압연재는 국내 생산이 불가능하다. 연속열처리 설비를 제외하더라도 국내 알루미늄 판재 생산을 위한 인프라는 그 동안 저강도의 1000계, 3000계 판재 생산을 중심으로 유지되어 왔기에, 향후 전기자동차 시장 및 고부가가치 항공기/방산용 알루미늄 판재를 제조하기 위해서는 고강도 합금에 적합한 인프라 즉, 주조설비 (Directchill caster), 열간 압연기, 냉간 압연기, 텐션 레벨러 등의 신규 설비 투자가 선행되어야 한다.

Fig. 14에는 우리나라 주요 산업에서 알루미늄 압연 판재가 사용되는 대표적인 제품을 도시하였고, 각 제품 생산에 필요한 알루미늄 판재의 국내 생산 여부를 그림 위에 O, X로 표기 하였다. 항공 산업은 전통적으로 고강도 고품질의 알루미늄 소재가 적용되는 대표적인 고부가가치 산업이다. 최근 탄소섬유 강화플라스틱 (CFRP)의 항공기 적용이 증가하는 추세이지만 여전히 대부분의 민간 항공기는 알루미늄 소재를 이용하여 동체 (Body)와 날개 (Wing)가 제조된다. 알루미늄 합금이 항공기에 지속적으로 적용되고 있는 것은 알루미늄의 낮은 비중으로 인한 경량화 효과 뿐만 아니라 오랜기간 축적되어온 알루미늄 소재 및 제조 공정에 대한 신뢰성과 재활용성, 경제성 등의 이유 때문이다. 민간 항공기에 사용되는 알루미늄 소재는 크게 압출재와 압연재로 대표할 수 있는데, 압출재는 주로 항공기 동체와 날개의 뼈대 역할을 하는 스트링거 (Stringer) 등의 부품에, 압연재는 주로 동체와 날개의 스킨 (Skin)용으로 사용된다. 항공기 스킨용으로 사용되는 알루미늄 판재는 두께가 수 십 mm인 열연 (Hotrolled) 후판재 (Plate)로서 절삭가공을 통해 최종 두께가 수 mm인 부품으로 제조된다. 자동차용 알루미늄 판재가 두께 1~2 mm 내외로서 스탬핑 (Stamp ing), 드로잉 (Drawing) 등의 성형 공정을 통해 제조되는 점과 대비된다. 항공기의 알루미늄 스킨은 고강도를 요하기 때문에 7000계 또는 2000계의 합금이 활용되고 있으며 이들 합금은 열처리 공정을 통해 강도를 증가시켜야 한다. 하지만 절삭 가공이 완료된 판재 부품을 열처리하는 경우에는 뒤틀림 등의 품질 문제를 야기할 수 있기 때문에 항공기용 알루미늄 판재는 열처리가 완료된 상태 (T4, T6, T7 등)로 공급되는 경우가 품질 측면에서는 유리하다. 이러한 항공기용 대형 후판재를 열처리하기 위해서는 연속열처리 설비가 아니더라도 대형 열처리 설비와 후보정 설비가 필요하며 아직까지 국내에서는 항공기용 열처리형 알루미늄 후판재의 생산은 불가능한 상황이다. 항공기용 소재는 인프라, 품질 문제와 더불어 인증에 대한 해결도 병행되어야 한다. 항공기용 금속 소재의 경우 산업규격이 정해져 있는 상용 재질이라 하더라도 소재 제조사가 스스로 각 항공기의 제조사로 부터 QPL (Qualified Product List) 등으로 표현되는 공급사 인증을 얻어야 한다. 국내 알루미늄 전신재 제조사 중 해외 항공사의 QPL 인증을 받은 예는 과거 삼선공업 (現 (주)세아항공방산소재))의 알루미늄 압출재가 유일하며, 알루미늄 판재의 경우에는 아직까지 국내에 항공용소재 인증을 받은 사례는 전무하다.

Fig. 14. Representative applications of various aluminum sheet and plate supplied by Korean rolling companies.

조선/해양 및 방위 산업에서도 다양한 알루미늄 판재가 사용된다. 조선/해양용 제품은 내식성이 매우 중요하여 알루미늄 합금 중 해수 내식성이 가장 우수한 5000계 후판재 (두께 수 mm)가 주로 사용된다 [22]. 대표적으로 LNG 수송선의 저장 Tank는 비열처리형 알루미늄 합금 중 가장 높은 강도를 갖는 5083이라는 알루미늄 후판재로 제조된다. 방위 산업에서는 경량화와 방탄 특성이 우수한 재질로서 열처리형 7000계와 비열처리형 5000계 등의 알루미늄 후판재 (두께 수 십 mm)가 사용된다. 7000계 알루미늄 후판재의 경우 항공기용 부품과 동일하게 열처리 공정에 대한 인프라 확보가 선행되어야 한다. 또한 고합금량으로 인한 슬라브 연속주조의 어려움, 고강도로 인한 열간/냉간 압연의 어려움 등으로 인하여 국내 자력 생산은 불가능한 실정이다. 5000계 알루미늄 판재는 비열처리형으로 열처리 설비는 필요 없지만, 5000계 중에서도 5083과 같은 고합금량, 고강도의 판재는 우리나라 압연기업의 인프라로는 제조가 불가능하다.

자동차용 알루미늄 판재는 차체 부품이나 공조기 등에 사용된다. 알루미늄 판재가 적용되는 대표적인 부품으로는 도어(Door), 후드 (Hood), 트렁크 (Trunk), 루프 (Roof), 휀더(Fender) 등이 있다. 합금별로는 열처리형 6000계가 외판/내판 부품용으로, 비열처리형 5000계가 내판 부품용으로 사용되며 두께 1~2 mm 내외의 냉연판재가 사용된다. 외판용 부품에 6000계 판재를 사용하는 것은 미려성 (Ap p earance), 찍힘 저항성 (Dent-resistance), 소부 경화성 (bake hardening)등의 장점이 있기 때문이며, 내판용으로 5000계 판재를 사용하는 것은 성형성 (formability), 충돌 에너지 흡수능 및 경제성의 장점이 있기 때문이다. 자동차용 6000계 판재를 생산하기 위해서는 전술한 바와 같이 연속열처리 공정이 필요하며 국내에는 연속열처리 설비 인프라가 구축되어 있지 않은 이유로 해외 공급에 의존하고 있다. 동일한 이유로 전기차 배터리 팩 등에 사용되는 6000계 판재 등도 국내 생산이 어렵다. 자동차 내판재용 5000계의 경우에는 연속 열처리 설비가 필요하지는 않지만 국내의 저강도 합금용 압연 인프라로는 생산/공급이 불가능하다. 동일한 문제로 인하여 다양한 스마트 기기류에 사용되는 고강도의 5000계 판재도 국내 제조가 어려운 실정이다.

현재까지 우리나라 압연기업 (국내 해외기업 제외)의 인프라는 저강도 1000, 3000계 합금을 이용한 소비재 중심으로 발전해왔다. 일부 슬라브나 후판재를 이용한 부품 시장이 있지만, 냉연재 열처리에 필요한 연속열처리 설비의 부재와 저강도 합금용으로 설계된 현재의 인프라 사양은 자동차, 항공기용 등 고부가가치 산업용 고강도 판재를 공급하지 못하는 원인이 되었다. 전기차 시장의 성장으로 알루미늄 판재의 수요가 급증하고 있는 상황이지만 국내 알루미늄 압연기업은 고부가가치 고강도 판재 생산에 참여하지 못하고 있다. 전 세계 알루미늄 판재 시장이 호황임에도 불구하고 외국산 고부가가치 알루미늄 판재를 사용하던 국내의 많은 부품사들은 오히려 소재 수급에 더 큰 어려움을 호소하고 있다.

3. 결언

알루미늄 압연 산업은 많은 자본과 대형 설비투자가 수반되어야 하는 대기업형 산업이다. 우리나라 압연 산업의 인프라 구축을 위해서는 안정적인 소비량이 확보되는 수요 산업의 지원이 필요하다. 전 세계적으로 전기자동차 및 배터리용 고강도 알루미늄 판재의 수요는 급증하고 있으며 우리나라도 머지않아 많은 수요가 있을 것으로 예상된다. 향후 국내에서 창출되는 고부가가치 부품시장이 지속적으로 성장하기 위해서는 고강도 알루미늄 판재가 안정적으로 공급되어야 하며 이를 위한 국내 제조 인프라가 조속히 마련되어야 한다. 우리나라 철강산업을 이끌어온 포스코와 같이, 우리나라 알루미늄 압연 산업을 이끌어 갈 수 있는 기업들이 나타나기를 희망한다. 단기적으로는 알루미늄 판재용 연속열처리 설비의 국내 도입을 통해 자동차용 압연재의 국내 공급이 가능해지기를 바란다. 더불어 고강도 알루미늄 판재의 제조가 가능하도록 기존 저강도 합금용 제조 인프라의 사양을 보완하는 노력도 필요하다.

수요 산업 측면에서는 소재 다양화를 통한 제품 및 공정개발에 꾸준한 노력이 필요하다. 수요 산업 입장에서 공급이 불확실한 소재의 선정은 자칫 제품 생산에 차질을 줄 수 있는 위험한 결정이 될 수도 있다. 그러나 수요 산업으로부터의 고품질 소재에 대한 강력한 요구와 필요성 주장이 있어야만 국내 알루미늄 판재의 공급 인프라가 성장할 수 있다. 고강도 알루미늄 판재에 대한 산업 생태계가 형성되어 있지 않은 우리나라에서, 많은 중소기업이 원소재에 대한 선택 권한 없이 최상위 수요기업이 결정한 사급 소재만을 경험하고 있다. 이는 다양한 소재가 활용되는 해외 부품시장에서 우리나라 중소기업의 경쟁력 성장을 저해하는 요인 중 하나이다.

알루미늄 소재를 수입에 의존할 수밖에 없는 우리나라는 알루미늄의 재활용 생태계 또한 매우 중요하다. 다양한 산업군에서 배출되는 여러가지 성분의 알루미늄 폐자재를 활용하여 고부가가치의 판재로 제조할 수 있는 생산기술의 개발은 부족한 자원을 보완할 수 있는 중요한 무기가 된다. 재활용 기술과 함께, 저원가 및 제조 리드타임 감소를 위한 롤(TRC)/밸트 (TBC)주조 방식의 신공정기술에 대한 투자도 병행되어야 한다. 현재 우리나라의 롤주조 (TRC) 인프라 또한 저강도 합금을 생산하기 위한 용도로만 활용되고 있지만 향후 자동차용 판재와 같은 고강도 고품질 알루미늄 판재의 생산이 가능하도록 공정기술 개발과 설비투자가 병행되어야 한다.

알루미늄 판재는 대표적인 고부가가치 소재이며 압연공정은 슬라브 주조, 균질화 열처리, 열간 압연, 냉간 압연, 용체화/시효 열처리, 풀림/안정화 열처리, 표면처리 등으로 구성된 뿌리산업 공정의 집합체이다. 그럼에도 알루미늄 판재는 중간 소재, 중간 공정이라는 인식으로 주조, 성형, 금형, 용접, 열처리, 표면처리 등의 부품화 공정과는 동떨어진 것으로 오인되어 뿌리산업의 법주에서 중요하게 고려되지 못하였다. 신선한 식자재가 있어야 맛있는 요리가 만들어지듯이 우수한 특성의 중간재 (semi-finished material)는 뿌리산업을 통해 최종 제품의 품질을 결정하는 핵심 요소가 된다. 즉, 최종 제품의 품질과 특성은 원소재/중간재의 잠재적 성능이 뿌리산업을 통해 발현된 결과이다. 우리나라의 고부가가치 알루미늄 판재와 압연산업의 생태계 구축을 위해서는 많은 비용과 노력이 투자되어야 하지만 향후 미래 산업에서 우리나라의 소재 자립화와 대중소 기업의 부품산업 경쟁력 확보를 위해서 관련분야 산학연 협력과 정부의 적절한 지원이 함께 이루어지기를 희망한다.

감사의 글

작성에 도움을 주신 현대제철(주) 허용강 박사님께 감사드립니다.