재료연 “기술적 병목 현상 극복 위해 동 및 동합금 기술 개발 요구”

한국동기술연구조합이 주관하는 제47회 동 및 동합금 기술 강연회에서 한국재료연구원 안지혁 박사는 ‘동 및 동합금 해외 연구개발 동향’에 대해 발표했다.

동 및 동합금은 순동계, 합금계, 복합소재로 나뉜다. 순동계는 고전도, 고연성, 고내식성, 가공성 우수하며 기계적 강도가 낮고 고온 재결정에 취약하다. 합금계는 고용강화, 석출경화, 결정립 미세화 등 다양한 강화기구에 의해 강도 향상이 용이하며 강도와 전도도의 균형이 우수하다. 순동 대비는 낮은 전도도와 가공성을 가진다. 복합소재는 고온 강도와 내마모성·내산화성이 우수하고 열팽창 계수 제어와 제품 맞춤형 설계가 가능하다. 다만, 제조비용이 증가하고 복접한 공정 과정을 거쳐야 하며 전도도 저하 가능성이 있다.

순동계는 전선, 버스바, 헤어핀, 반도체 패키징 기판, 각종 방열소재에 사용되며 무산소동, 인탈산동, 타프피치 등이 있으며 합금계는 커넥터, 스프링, 전력 부품, 저항 용접 전극, 열교환기에 활용되고 Cu-Ti, Cu-Cr-Zr, Cu-Ni-Si, Cu-Ag, Cu-Be 등이 있다. 복합소재는 고속 회전기 부품, 전기 접점, 우주·뱡산용 열관리 부품에 활용되며 Cu-W, Cu-Graphite, Cu-CNT, Cu-AIN, Cu-Diamond 등이 있다.

동 및 동합금은 모바일 기기의 초소형 고신뢰성 커넥터 및 고내구성 구리 배선, 전기차의 고출력 배터리용 버스바 및 방열소재와 고출력 인버터용 구리 기판, 우주 국방 분야의 4G/5G 인공위성용 방열소재 및 잠수함 프로펠러용 합금 등 다양한 산업의 기초 소재로 사용된다.

안 박사는 “동 및 동합금은 다양한 산업의 기초 소재로 사용되지만 기술적 병목 현상의 원인 중 하나로 지목받고 있다. 이에 따라 제품 성능의 한계를 극복할 수 있는 동 및 동합금 소재 기술의 개발이 요구된다”라고 말했다.

2020~2025년 동 및 동합금 논문 게재 동향을 살펴보면 2021년 이후 게재 수가 감소했지만 2025년에는 증가가 예상된다. 최근 5년간 해외 논문은 대부분 재료공학 학회지이며 상당수 논문은 중국 연구소 및 대학에서 게재했다. 동 및 동합금 관련 논문은 대부분 중국에서 게재했으며 한국은 전체 3% 수준에 불과하다. 논문 연구개발 대상 소재는 50%가 Cu-Ni-Si 및 Cu-Cr 합금계인 것으로 나타났다. 중국과 일본은 산학연 컨소시엄 중심 연구개발이 이뤄지는 반면 한국은 기업 및 출연연 중심으로 구성되어있다. 한중일 구리 관련 국내 특허는 약 67%는 일본 기업이 출원 및 등록을 한 것으로 밝혀졌다.

중국의 경우, 1952년 설립된 중국 비철금속 분야의 대표적인 R&D 및 첨단 기술 연구소인 GRINM그룹은 비철금속 중 동합금 전담 연구팀을 보유하고 있다. 고강도 및 고전도도 동합금, 순동 및 동합금 파우더, 희토류를 활용한 고성능 동합금 개발이 주로 이뤄진다.

또한 안 박사는 “한국재료연구원은 굽힘성 향상 동합금과 솔더 접합부 신뢰성 향상 압연동박 등을 개발하고 있다. 솔더 접합부 신뢰성 향상 압연동박은 반도체 패키징의 장기 신뢰성 확보를 위한 솔더 접합부 연구의 필요성과 기존 금속간화합물 성장 억제 전략에 따라 연구가 진행되고 있다”라고 전했다.