풍산 박철민 기술연구원장(한국동기술연구조합 이사)

구리는 B.C. 1000년 경 청동기 시대부터 각종 무기와 생활 용기, 장신구 등의 형태로 인류에게 광범위하게 사용되었으며 현재도 인류 동반자로 함께 발전하고 있는 금속이다.

현대에 이르러 구리는 다양한 특성으로 전기·전자, 자동차, 통신, 의료 분야뿐 아니라 항균 및 항바이러스성을 이용한 위생 분야에도 활용되고 있다. 구리는 다른 금속과 융합해 새로운 특성을 구현할 수 있는 합금 용이성과 우수한 전기 및 열전도성, 내식성, 가공성 및 성형성을 갖고 있으며 장기적으로는 성능과 내구성을 고려한 다른 금속 대비 경제적인 비용 또한 우수하기에 최근 산업군에서 요구하고 있는 저탄소 및 ESG 경영에 부합되는 금속이다.

특히 빠르게 발전하는 정보통신 및 인공지능(AI), 전기차 분야의 전기 신호와 정보와 동시에 신속히 열을 전달할 때 발생하는 부품 과열을 차단하는 효율성으로 산업 발전에 핵심 기여를 하고 있다.

이와 같이 동 및 동합금은 다양한 성분의 금속과 융합하여 여러 산업군들이 필요로 하는 특성을 갖도록 제조되어 금속계의 팔방미인이라 할 수 있다. 그럼 동 및 동합금이 산업 분야별로 어떻게 기여하고 있는지와, 그 발전가능성에 대해서 살펴보도록 하자.

동합금은 가공 및 열 처리를 통해 강도를 향상 시킴과 동시에 굽힘 가공성 및 내열성 등의 다양한 특성 구현이 가능해, 기존의 순동보다 우수한 특성을 부여할 수 있으며, 이를 위한 합금 설계, 주조, 가공, 열처리, 표면처리, 도금 등 복합적인 금속 재료 제조 공정 기술력이 필요하다.

동합금은 산업 적용 분야에 따라 높은 강성을 요구하는 고강도 동합금, 강도와 전기전도도 밸런스가 우수한 중강도·중전기전도도 동합금, 많은 전기 신호와 열 전달을 요구하는 고전기전도도 동합금으로 크게 3개 분류로 구분된다.  

최근 산업군에서 요구하는 고특성 부품들은 일반적으로 사용되어 온 동합금인 순동, 황동, 인청동 보다 특성이 우수하고 고신뢰성을 요구하고 있으며 이러한 동합금은 HPA(High Performance Copper Alloys)로 구분되어 기존의 동합금을 빠르게 대체해 나가고 있다.

전기·전자 및 통신 분야에서 동합금은 원래 구리가 가지고 있는 우수한 전기전도성 및 열 전도성으로 인해 오랫동안 송전 및 발전, 전기 커넥터 및 회로 기판에 이르기까지 광범위한 응용분야에 적용되었다.

최근에는 자동차, 스마트폰에 적용되는 전기·전자 부품, 커넥터 등에서 진동, 열충격, 온도, 습도 등의 가혹한 환경 변화에서도 전기 및 신호 전달을 안정적으로 유지할 수 있는 고신뢰성의 기능을 HPA 동합금이 담당하고 있다.

내연기관 자동차의 경우 엔진룸 주위 전기·전자 부품은 엔진에서 발생하는 약 125℃ 열에 지속적으로 노출되므로, 이러한 환경에서도 신호 전달 및 전기 접점을 유지할 수 있도록 강성 이외에도 장기간 열에 견딜 수 있는 내응력이완특성(Stress Relaxtion Resistance)을 가진 동합금이 요구된다. 특히 우수한 강도와 높은 열에 견딜 수 있는 내열성, 그리고 전기전도도도 특성들의 밸런스가 유지되어야 하므로, 중강도·중전기전도도형 HPA 동합금이 많이 사용되고 있다.

전기차 분야에서는 주행거리 향상을 위해 대용량 배터리 사용으로 차량내 고전압·대전류화가 이루어지고 있으며, 배터리 내 버스바, 고전압 커넥터와 같이 다량의 전류가 흐르는 곳은 전기 신호를 잘 전달하며 동시에 고전압으로 인해 발생되는 방출되는 열을 견디면서 부품을 지지해 주는 고전기전도형 HPA 동합금을 필요로 한다.

또한 최근 고성능 스마트폰에는 다양한 기능을 수행하기 위해 대화면 고주사율 디스플레이 모듈, 5G 통신 모듈, 손 떨림 방지 기능인 OIS(Optical Image Stabilization)를 가진 고성능 카메라 모듈, 야간 촬영에 도움을 주는 레이더 센서 등 여러 전자기기들이 초소형 구조로 부품화 되어 있다.

심지어 접히는 구조인 폴더블로 형태가 변화하고 있으며, 이와 같은 제품의 부품들은 내구성 유지와 전자파 간섭, 발열 문제를 해소하기 위해 디스플레이 보강판 및 각종 초소형 커넥터에 비자성 및 열전도성이 우수한 고강도군의 HPA 동합금이 적용되고 있고, 앞으로도 스테인리스스틸 수준의 강도를 가진 초고강도 동합금으로 발전할 것으로 예상된다.

의료 및 위생 분야에서는 동합금의 활약으로는 항생제가 듣지 않는 슈퍼 박테리아를 포함하여 다양한 병원균과 최근 코로나19 등의 위험한 바이러스에도 우수한 항균·항바이러스 특성을 보이며 미국 EPA(Environmental Protection Agency)에 공식적으로 등록된 바 있다.

선진국에서는 이미 병원내 중환자실, 지하철, 버스 공항 등의 공공 부문 손잡이 등에 다양하게 적용하는 시도를 하고 있어 교차 감염 예방에 크게 기여할 것으로 예상된다. 국내 공공분야에도 이를 적용하기 위한 노력들이 진행되고 있으며 신속히 적용되기를 기대하고 있다.

이와 같이 동 및 동합금이 가지고 있는 특성은 다양한 산업 분야에 적용되고 있으며 산업 발전으로 부품 요구 특성이 고도화 될수록 새로운 특성을 가진 동합금이 개발되어 그 적용 범위가 확대·발전될 것을 예상한다. 새로운 동합금은 다양한 제품들에 사용되어 부품 성능과 신뢰성을 향상시켜 핵심적인 역할을 해낼 것이다.

산업 소재의 중요성을 나타낼 때 철은 산업의 쌀로 불리우며, 구리 금속은 경제 수준을 진단하는 의사 또는 박사와 같이 실물 경제의 선행 지표로 닥터 코퍼(Dr. Copper)로 표현된다.
그러나 최근 세계 경제가 침체 국면임에 불구하고 구리 가격이 상승하고 있다. 이는 각국 정부가 친환경 에너지 정책에 의해 태양, 풍력 에너지 등 신재생 에너지 전환에 향후 관련 시설에서 구리의 수요가 더욱 증가할 것으로 전망되기 때문이다.

이제는 구리 가격 변동을 파악하기 위해서 동합금이 산업 구조 변화 및 발전과 더불어 어떻게 적용될 것인지 면밀한 조사와 검토가 필요하다. 특히 더 많은 재주를 가진 동합금이 개발되어 다양하게 이용될 수 있도록 하기 위해 산·학·연이 함께 지속적으로 다양한 연구를 수행하는 노력을 해야 한다.