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[국내 뿌리산업 고찰 Ⅱ ②] 뿌리기술의 현주소는 어디인가

주조, 금형, 소성가공, 용접, 열처리, 표면처리 총 6개의 뿌리기술은 현재 어디로 어떻게 가고 있을까? 각 뿌리산업의 기술 동향을 알아본다.

뿌리산업은 나무의 뿌리처럼 겉으로 드러나지 않으나 최종 제품에 내재되어 제조업 경쟁력의 근간을 형성한다. 최근에는 자동차, 기계, 조선 등 전통
주력산업 뿐만 아니라 로봇, 바이오, 드론, 친환경차, OLED, 반도체 등 신산업에도 필수로 사용되며 새로운 뿌리기술 개발의 필요성 또한 끊임없이 커지고 있다. 현재 우리 뿌리기술이 서 있는 위치와 나아갈 방향은 어디일까? ‘2018 뿌리산업 백서’에서 찾은 뿌리기술 동향의 공통 키워드는 ‘경량화’, ‘친환경’이다.

원재료의 재활용이 필요한 주조

원재료와 조업 조건은 주물의 품질에 크게 영향을 미친다. 천연주물사를 쓰는 주조 작업은 분진이 많이 발생해 재사용률이 현저하게 떨어진다. 중국, 미국의 주물 업체는 인조주물사를 사용해 환경 규제에 대응하고 원가 절감을 실현하고 있다. 국내에서 사용되고 있는 인조주물사는 100% 전량 수입에 의존하고 있어 주물사와 이에 적합한 바인더의 국산화가 필요하다.
최근 연비 규제로 인한 자동차 경량화 소재의 수요증가와 더불어 개발도상국의 도시화 및 산업 발전에 따라 알루미늄 등 경량 주물에 대한 수요가 증가하는 추세다. 국내 자동차 차체, 섀시 부품의 경량화를 위해 대학 및 연구소를 중심으로 다이캐스팅법을 적용한 연구가 진행되고 있으나, 파일럿 규모로도 완벽하게 개발되지 못하고 있다.
주조는 전형적인 에너지 다소비 산업이다. 원가 절감, 환경 문제 등을 해결하기 위한 금속 소재의 재활용에 관심을 두고 지속적인 연구 개발을 진행 중이다. 앞으로도 에너지 재사용 기술 개발 및 고효율화를 추구하는 방향으로 전개될 전망이다. 세계적으로 신소재, 첨단 기술 산업이 발전됨에 따라 희소 금속을 비롯한 주요 금속들에 대한 수요도 증가하는 추세다.
지난 6월 산업통상자원부가 지정한 새롭게 추가된 핵심 뿌리기술에 ▲경량 이종 소재 일체형 브레이크 디스크 하이브리드 주조 기술, ▲열변형 제어 스틸/알루미늄 캘리퍼 하이브리드 주조 기술 등이 포함된 것도 이를 반영한 결과로 분석된다.국내 대부분 주조 공장은 현재까지도 단순 주물 제품 생산 방식에서 탈피하지 못하고 있다. 제품 설계변경을 비롯한 각종 방안 설계와 후처리 공정을 주조 업체에서 일괄적으로 작업할 수 있는 여지를 마련하여 4차산업혁명 시대에 대비할 수 있는 경쟁력을 키우는 방향으로 나아가야 한다.jujo

복합 금형! 지능형 금형!

금형 산업은 자동차, 가전제품, 스마트폰에서생활용품에 이르기까지 공산품의 대량 생산을 위한 대체 불가 생산 수단으로 국가 산업경제를 주도한다. 주요 수요 산업의 변화를지원하기 위한 초소형·초정밀화, 대형화, 개발을 지속하는 한편, 부품 경량화와 내구성강화를 위한 신소재 적용 기술, 생산성 향상을 위한 융복합 성형 기술, 공정 효율화 기술등을 개발하고 있다.
세계 금형 산업 선진국들은 3가지 이상의 서로 다른 소재를 동시에 성형할 수 있는 복합금형 및 성형 기술, 다양한 센서와 액추에이터가 융합된 지능형 금형 기술 등을 개발하는 데 힘쓰고 있다. 복잡한 공정을 일체화하고, 다기능·고감성 제품을 제조할 수 있는 고부가가치 금형을 만들기 위한 노력이 계속되고 있다.또한, 첨단 복합 소재 및 금속, 세라믹 신소재를 활용하여 수송기기용 초경량 고강도 부품을 위한 다중 금형 성형 기술 개발 및 금형 기술 고도화를 진행하고, 미세 구조 금형 성형을 기반으로 바이오, 에너지 등의 신개념 융합 분야의 금형 기술 확보에 주력 중이다.
이를 반영하 듯 핵심 뿌리기술에는▲RCC(Recyclable Carbon Composite) 적용 하이브리드 부품 제조를 위한 복합 금형기술, ▲자율주행용 카메라 모듈 내장 루프인너부품 및 A DAS 전 장 일 체화 대 면적Base 부품 사출 금형 및 성형 기술, ▲자동차경량화를 위한 FRP/알루미늄 성형 및 접합기술 등이 추가됐다.
우리 금형 산업은 일본, 독일 등 기술 선진국과의 첨단 금형 기술력 격차를 좁히지 못하는 상황에서 일반 금형 분야에서는 중국의 시장 잠식이 가속화되고 있다. 초정밀 금형 및 성형기술, 복합 공정 일체화 성형 기술, 센서 및 액추에이터가 융합된 지능형 금형 기술 등을 통해 금형 기술의 고부가가치화와 고도화를 통해 글로벌 경쟁력을 확보해야 한다.
또한, 멀티 캐비티 사출 금형, 이종 소재 사출·프레스금형, 다중 성형용 금형 기술 등 복합 금형을 개발하고 있다. 생산 공정 효율화를 위한 스마트공장도입 등 추진 금형의 경우 주문형 생산 방식 특성에 따라 수요기업과의 기술 협력을 통한 기술 개발이 전개되어야 한다.

경량화 위해 최선 다하는 소성가공

소성가공 기술 개발 현황을 보면 경량화와 IT제품의 감성품질 향상을 통한 제품 고부가가치화를 위해 난성형 경량 금속 소재 성형기술을 활용하는 성형 기술 고도화 개발이 가속화되고 있다. 경량화 극대화를 위하여 난성형성으로 항공기에만 제한적으로 적용하고 있는 고강도 알루미늄 소재를 자동차차체에 적용하려는 연구도 진행 중이다. 알루미늄, 마그네슘 등 경량 금속의 낮은 성형성 개선을 위한 소재와 성형 기술의 융합 연구를 통해 기존 섀시, 패널, 엔진 부품 외에 변속기 내장부품 등으로 경량하려는 노력 또한 계속되고 있다.
해외 소성 가공 선도기업들은 기존의 주조나 기계 가공 공정으로 생산하던 복잡 형상의 부품을 융복합 소성 가공 공정 및 장비 기술 개발을 통해 부품의 형태 제약을 극복하고 다양한 산업 제품을 생산 하고자 노력 중이다.
소재 가열을 위한 가열로, 카트리지 히터 등의 기존 가열 시스템의 문제점인 공정 단절, 열 손실이 발생해 효율이 저하되고 공정 비용이 상승하는 문제를 개선하기 위한 급속·고효율 가열 시스템의 개발 필요성이 커지고 있다. 최근에는 판재의 급속·균일·부분 가열을 위한 마이크로웨이브 가열 시스템 개발에 대한 연구가 시작되었다. 유연 성형 공정에서 다양한 공정 변수를 실시간으로 측정하는 데이터 마이닝(data mining)과 이를 빅데이터화 하여 최종적으로 AI를 기반으로 공정을 지능화하려는 일련의 연구에 대한 요구도 크다. 핵심 뿌리기술에는 ▲강도 YS 500MPa 초고강도 AL 합금의 열간 압출성형 기술, ▲고력 알루미늄을 이용한 고강도 항공용 부품 다단 성형 기술, ▲고감성 인스트루먼트 패널 제작용 금속 필름 개발 및 패드 타입 패널 성형기술 등이 추가됐다.

신기술과 융합하는 용접

용접은 4차 산업혁명 관련 신기술과 융합해 기술개발이 이뤄지고 있다. 작업자 경험 노하우 기반이었던 용접 기술은 인공지능을 활용한 용접 작업의해석, 제어는 물론 작업 상태를 예측까지 해주는 기술로 활발하게 개발이 진행 중이다. 이에 더해 고생산성 Multi-pole 서브머지드 아크 용접 시스템의개발 및 수만 대에 달하는 현장 용접기의 용접 작업을 모니터링하고 품질을 예측하여 이를 통계적으로 관리하기 위한 기술, 빅데이터를 활용한 품질 예측과 중앙 용접 품질 관리 기술 개발도 요구받고 있다. ▲웨어러블 모듈용 유연기판 저열 변형 접합기술, ▲AI 기반 스마트용접 장비/부품 관리시스템, ▲IoT 기반 용접 통합 관리 시스템등이 새로운 핵심 뿌리기술에 이름을 올린 것도 이와 같은 맥락이다.
마이크로 LED 칩은 미세먼지보다 작은 5μm 수준으로 한 번에 하나씩 접합할 수 없기 때문에 여러 개의 칩을 한 번에 접합하는 기술을 개발하는 것이 시급하다. 따라서 미세 피치 접합 기술은 마이크로 LED 상용화를 좌우하는 주요 핵심 기술로 고려된다. 초미세 접속 피치 인터커넥션을 위한 실장 접합 기술도 핵심 뿌리기술로 선정됐다.
금속 3D프린팅이 높은 투자 대비 낮은 생산성과 품질 문제로 실용화가 쉽지 않은 가운데, 아크열원과 와이어를 사용해 시스템의 고속 대면적화와 고품질화를 구현하기 위한 용접 기반 금속 3D 적층 및 후처리 가공 복합가공 시스템 개발 필요성이 대두되고 있다.

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대세는 건식! 표면처리

표면처리 산업은 환경 규제 강화에 따른 중소습식 표면처리 업체의 비용 상승과 이에 따른 경영 악화 및 기술력 부족이 심화하고 있는 형국이다. 하지만 건식 코팅 등의 시장 급성장과 복합 다기능 표면기능의 적용으로 다양한 시장 창출이 가능하다. 표면처리의 기술 동향은 환경 친화적으로 흘러가고 있다. RoHS, ELV, WEEE 환경규제 물질인 6가 Cr, Pb, Cd, Hg 등 유해 원소에 대한 사용규제가 강화되고 있으므로 환경 규제 대응을 위한 연구 개발과 대체 공정 도입이 필수로 여겨진다. 자동차 부품용 표면처리 약품은 친환경 규제에 맞춰 선진 기업에서 니켈 및 코발트 등을 사용하지 않는 유해물질 저감형 표면처리 약품을 개발하여 공급을 추진하고 있다.
반도체나 전기·전자부품의 단순 기능성 표면처리 기술에서 T ribology 코팅막 대량 생 산을 위한 Hybride coating 공정 기술, 특수 목적용 플라즈마 소스 기술, 대면적 고신뢰성 진공 시스템 기술 등 반도체·IT·수송기계 등 전방 산업 연계형 임계성능 돌파를 위한 첨단 표면처리 기술 확보 필요성이 증대되고 있다. 자동차를 비롯한 수송기기와 산업기계 분야 핵심 부품의 소형·고성능화에 따라 부품의 내구성 향상 및 저마모를 위한 Tribology 코팅막 고기능화 기술개발 또한 진행 중이다.
수입 의존도가 높은 고부가가치 4차 산업용 핵심소재·부품, 태양전지·열전소자 등 에너지 발생 및 변환 소자 시장의 확대가 예상됨에 따른 고효율·저가격화를 위한 표면처리 공정 개발에 대한 관심도 커졌다. 또한, 도금 기술과 IT 기술의 융합을 통한 도금 공정 인라인 모니터링 기술이 개발됨으로써, 유해 공정의 오프라인 관리, 현장 무인화 및 불량률 감소 효과가 기대된다.
미래의 기술 집약적인 산업인 반도체 및 디스플레이, 휴대폰, 태양전지, 자동차와 광학 필름, PCB 산업이 매년 10%의 높은 성장률을 기록하고 있다. 국내 표면처리 시장은 반도체 디스플레이, 자동차, 핸드폰 분야의 지속적인 성장으로 향후 시장 규모가 증가할 것으로 예상된다. 특히 건식 분야의 경우 자동차 분야 적용 및 환경에 의한 규제에 대응하기 위한 기술이 크게 성장할 전망이다.

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에너지를 아껴라! 열처리

열처리 기술의 가장 큰 이슈는 에너지 문제다. 열처리 산업은 열 에너지가 임가공 원가의 대부분을 차지한다. 우리나라 열처리 업체들이 부담하는 전기 요금은 원가에 30~35%에 이르며 동·하절기 할증 기간에는 70%까지 상승하는 사례도 있다. 우리나라 산업용 전기요금은 정부의 탈원전을 비롯한 친환경 발전 정책으로 지속적 해서 상승할 것으로 예상돼 열처리 업체들의 원가 부담은 더 늘어날 전망이다. 세계적인 열처리 기술의 발전 방향은 기존 진공 및 플라즈마를 활용한 고효율·친환경 열처리 기술 개발인데, 양산성 부족으로 대량 생산을 추구하는 국내 현실에 맞지 않아 한국형 친환경 고효율 열처리 기술 개발이 필요하다. 또한, 경도 저하에 따른 저항성 확보 소재 및 고인성 소재에 대한 개발이 점차 강화되고 있으며, 이에 따른 원가 절감 및 부품의 신뢰성 향상을 위한 장수명 소재 및 공정 개발이 주된 흐름이다.
국내 열처리 산업의 활용 분야는 자동차 부품(54%), 금형·기계부품(27%), 중장비 부품 (12%), 전자부품·기타(7%) 순이다. 생산 활동이 자동차 부품에 지나치게 의존하고 있어 국내 자동차 산업이 위축될 경우 그 영향력이 너무 크기 때문에 참여 분야를 다양화해야 한다. 현재 열처리 제품의 소재 80% 이상 철강이고 앞으로도 철강 제품에 대한 열처리가 많은 수요가 예상된다. 다만 최근 소재의 다양화 등으로 인하여 비철금속 분야의 활용도가 높아지는 추세를 고려하여 다른 소재에 대한 열처리 영역 확대가 필요하다.

 

About 김란영 기자

따끈한 밥 위에 스팸 한 조각처럼 감칠맛 나는 기사로 여러분의 입맛을 책임지겠습니다. 맛있게 읽으세요 :)