새로운 제조 공법을 통해 친환경 고강도 알루미늄 자동차 부품을 더욱 낮은 비용으로 생산할 수 있게 되었다.

자동차 업계에서 특히 EV 생산을 위해 개발 중인 혁신적인 공법을 이용하면, 알루미늄 스크랩을 수거한 후 새로운 차량 부품으로 직접 전환할 수 있다. 미국 에너지부(DOE) 산하 퍼시픽 노스웨스트 국립 연구소(Pacific Northwest National Laboratory, PNNL)는 4월 18일 시장을 선도하는 모빌리티 기술 기업 Magna와의 협업을 통해 내재 에너지(embodied energy)를 50% 이상, 이산화탄소 배출은 90% 이상 감축하는 새로운 제조 공법을 공개했다. 알루미늄 광석을 채굴하여 동일한 양으로 가공할 필요성을 제거한 덕분이다. 경량 알루미늄은 EV의 항속거리 연장에도 기여할 수 있다.

수상 경력을 보유한 특허 기술인 전단 보조 가공 및 압출(Shear Assisted Processing and Extrusion, ShAPE™) 공법은 스크랩 조각과 차량 생산에 사용하고 남은 알루미늄 절단 부분을 수거하여 신규 차량 부품에 적절한 소재로 직접 변환한다. 이 공법은 EV에 사용되는 경량 알루미늄 부품 생산으로 확대되고 있다.

이러한 최신 기술은 새로운 보고서와 에 실린 연구 논문에서 상세하게 설명하며, 재활용 알루미늄을 신규 부품으로 사용하기 위해 새로 채굴한 알루미늄을 추가할 필요성을 제거한다. 알루미늄 재활용 비용이 낮아지면 제조사들이 알루미늄 부품에 사용하는 전체 비용을 절감할 수 있어 철강을 대체하기 쉬워진다.

PNNL 재료공학 전공 책임 연구원 Scott Whalen은 “이번 연구에서 ShAPE 공법으로 생산한 알루미늄 부품이 강도와 에너지 흡수 면에서 자동차 업계 기준에 부합한다는 점을 입증했다”며, “에너지 집약적인 열처리 단계 없이도 금속 불순물을 제거할 수 있다는 점이 핵심이며, 그것만으로도 시간이 상당히 절감되고 새로운 효율성이 도입된다”고 설명했다.

새로운 보고서와 연구 논문은 북미 최대의 자동차 부품 기업 Magna와 4년 간의 파트너십을 통해 축적한 지식을 보여준다. Magna는 DOE 차량기술과(Vehicle Technologies Office)의 경량 소재 컨소시엄(Lightweight Materials Consortium, LightMAT) 프로그램으로부터 협력 연구 자금을 조달 받았다.

Magna의 재료공학 책임자 Massimo DiCiano는 “Magna는 제조 공법과 사용하는 소재에 이르기까지 모든 활동에서 지속 가능성을 중심에 두며, ShAPE 공법은 Magna가 지속 가능한 기술을 발전시켜 고객에게 새로운 솔루션을 제공하고자 하는 노력을 여실히 증명한다”고 언급했다.

◆ 알루미늄의 장점

철강을 제외하면 알루미늄이 자동차 업계에서 가장 많이 사용되는 소재이다. 알루미늄은 자동차 부품으로 사용할 만한 매력적인 장점을 갖추고 있다. 가볍고 강도가 높기 때문에 효율성을 높이기 위한 경량 자동차 생산 전략에서 핵심 소재로 사용되며, EV의 항속거리를 연장하거나 배터리 용량 크기를 줄이는 용도로 확대 적용되고 있다. 자동차 업계는 현재 대부분의 알루미늄을 재활용하지만, 알루미늄을 재사용하려면 새로 채굴한 알루미늄을 반복적으로 추가하여 금속 불순물을 희석해야 한다.

금속 생산업체들은 100년 동안 이어 온 공법으로서 벽돌, 업계 용어로는 ‘빌렛’(billet)을 몇 시간 동안 550℃ 이상의 온도로 예열하는 방법에 의존한다. 이러한 예열 단계를 통해 원자재에 존재하는 규소, 마그네슘, 철 등의 불순물을 용해하여 균질화(homogenization) 공법을 통해 빌렛에 고르게 분포시킨다.

반면 ShAPE 공법은 1초보다 짧은 시간에 균질화 단계를 달성한 후 단 몇 분만에 고체 알루미늄을 완제품으로 변환하며 예열 단계는 필요하지 않다.

Whalen은 “Magna와 함께 ShAPE 공법 발전의 중요한 이정표에 도달했다”며, “강도와 연성(ductility) 품질 기준에 부합하는 사각형, 사다리꼴 및 다중셀(muti-cell) 부품을 제조하여 다목적성을 증명했다”고 밝혔다.

연구팀은 6063 또는 건축용 알루미늄으로 알려진 알루미늄 합금을 실험에 사용했다. 이러한 합금은 엔진 크래들(engine cradle), 범퍼 어셈블리, 프레임 레일, 외장 트림 등 다양한 자동차 부품에 사용된다. PNNL 연구팀은 주사 전자 현미경(scanning electron microscopy)과 전자후방산란회절(electron backscatter diffraction) 기법을 이용하여 압출된 형태를 분석했다. 이러한 기법은 완제품 내부에 존재하는 각 금속 입자의 배치 및 미세구조 이미지를 생성한다. 이 과정으로 얻은 결과에 따르면 ShAPE 제품은 균일한 강도를 보이며 부품 고장을 유발할 수 있는 제조 결함이 없는 것으로 나타난다. 특히 해당 제품에서는 소재 열화(detrioration)를 유발할 수 있어 재활용 알루미늄으로 신규 제품을 제조하는 노력에 방해가 되었던 불순물인 대규모 금속 클러스터(cluster)의 징후를 발견할 수 없었다.

연구팀은 현재 일반적으로 EV 배터리 인클로저(enclosure)에 사용되며 강도가 더욱 높은 알루미늄 합금을 살펴보고 있다.

Whalen은 “이러한 혁신은 제조 과정에 재활용 알루미늄을 도입하는 순환 경제 창출의 첫 단계에 불과”하다며, “현재 소비 후 폐기물 흐름을 포함하는 과정을 연구하고 있으며, 이를 통해 완전히 새로운 2차 알루미늄 스크랩 시장이 창출될 것”이라고 설명했다.

PNNL 연구팀은 Whalen과 더불어 Nicole Overman, Brandon Scott Taysom, Md. Reza-E-Rabby, Mark Bowden, Timothy Skszek으로 구성되었으며, Magna에서는 DiCiano를 비롯하여 Vanni Garbin, Michael Miranda, Thomas Richter, Cangji Shi, Jay Mellis가 연구에 기여했다. 동 연구는 DOE 차량 기술과의 LightMAT 프로그램의 지원을 받았다.

특허 받은 ShAPE 기술은 다른 용도로 허가를 신청할 수 있다.