소재

항공기 엔진·가스터빈 핵심부품 원천기술 ■기술의 정의 및 분류 단결정이란 모상(Matrix)의 결정방위가 모든 곳에서 동일한 소재를 말한다. 이것은 입계(Grain Boundary)가 없는 소재와 동일한 의미다. 입계의 특성 및 입도는 소재의 제반특성에 큰 영향을 미치기 때문에 단결정에서는 일반 다결정에서 기대할 수 없는 독특한 물리적, 기계적 특성을 얻을 수 있다. 아래 그림에서는 MAR-M200 합금을 다결정, 일방향 단결정 형태로 제작한 후 동일한 조건에서 실험한 크리프 곡선을 나타냈다. 단결정의 경우 일반 다결정에 비해 약 3배의 크리프 수명을 보여주고 있다. ||단결정소재의 제조라는 넓은 주제로 본다면 초크랄스키법(Czochralski Process)에 의한 실리콘 단결정 성장, 비정상입자성장(Abnormal Grain Growth)을 활용한 세라믹 단결정 제조 등 많은 분야를 포함시킬 수 있다. 그러나 금속 주조에 의한 단결정제조에 관심을 국한시킨다면 가장 산업적으로 중요한 분야가 바로 항공기 엔진이나 발전용 가스터빈에 적용되는 단결정 터빈 블레이드다. 단결정 터빈블레이드는 주로 일방향 응고를 활용한 진공정밀주조법에 의해 제작된다. 진공정밀주조법으로는 브릿지만법(Bridgman Technique)과 액상금속냉각법(LMC, Liquid Metal Cooling)을 들 수 있다. 브릿지만법은 고온 체임버에서 용탕을 주입한 후 배플(Baffle, 열차단 막)로 분리된 저온체임버로 인출하는 일반적인 방법이다. 액상금속냉각법은 저온 액체금속에 몰드를 담그고 온도구배효과를 극대화시키는 방법이다. 단결정 블레이드와 관련된 또 하나의 중요한 기술은 단결정용 합금개발이다. 가스터빈의 고온부품 분야는 공정과 합금이 뗄 수 없는 밀접한 관계를 갖고 있기 때문에 각 공정에 최적화된 합금이 개발돼 왔고, 단결정 블레이드에는 그 부품에 맞는 합금조성이 개발됐기 때문이다. ||■ 작동원리 및 적용부품 실제 초내열합금의 일방향 응고 및 단결정기술은 주로 터빈 블레이드 제작에 적용된다. 실제 공정에서는 일반적으로 칠 플레이트(Chill Plate) 위에 정밀주조주형을 아래 방향으로 내려 일방향 응고시키는 브리지만 방식을 기본적으로 사용한다. 이 장치에서 고상·액상 계면 부위에서 액상의 온도구배를 높이기 위해 2 Zone 발열체를 사용해 아래지역의 온도를 높일 수도 있다. 아래 그림은 일반적인 브리지만 방식과 LMC 방식의 개념도를 비교해서 나타내고 있다. ||그림 (a)에서 볼 수 있듯이 일방향 응고 몰드에 용탕을 부어 단순한 브릿지만법으로 주조를 하면 그림 (b)와 같은 일방향 응고 블레이드가 제작된다. 이때 그림 (c)와 같이 응고가 시작되는 부위에 Grain Selector를 만들어주면 하나의 Selector를 타고 성장하면서 하나의 입자만 살아남아서 단결정 블레이드를 얻게 된다. 단결정용 Selector 로는 V콘형, Kink형, Seed형 등 여러 가지가 있지만 가장 일반적인 형상은 그림 (c) 와 같은 ‘Pig Tail' 형이다. ||그림의 (a)는 단결정 블레이드의 전형적인 미세구조를 보여주고 있다. 그림 (b)는 이러한 단결정법으로 만들어진 단결정 블레이드를 나타내며, 그림 (c)는 터빈 블레이드를 적용한 항공기 엔진의 그림이다. 단결정 초내열합금의 미세구조는 입방형의 γ' 석출물이 3차원적으로 배열된 심플한 구조를 갖고 있다. 한편 터빈블레이드는 그림 (b)에서 보는 바와 같이 블레이드 내부에 복잡한 냉각 홀을 만들어 공냉 효과를 극대화시키고 있다. 이러한 냉각 홀은 정밀주조 초기에 세라믹코어를 포함시킨 왁스패턴을 이용, 주조가 종료된 후 이 코어를 화학적 방법에 의해 녹여내어 만들어진다. ||■기술의 환경변화 및 중요성 ◇ 발전용 가스터빈의 대형화 및 고효율화 추세 1940년대 항공기 가스터빈엔진을 활용해 최초로 발전용 가스터빈이 개발된 이후 발전효율을 향상시키기 위해 가스터빈은 점차 대형화·고효율화되고 있는 추세다. 2000년대에 개발된 GE의 H시스템의 경우 출력은 300MW에 이르고 있다. 따라서 핵심부품인 터빈블레이드(터빈버킷)의 온도수용성 향상과 함께 대형화가 요구되고 있다. 단결정 블레이드를 300mm 이상 크게 성장시키기 위해서는 고액계면에서의 온도구배 조절이 필수적이며 이를 위해 LMC 법에 관심이 집중되고 있다. ◇ 단결정용 초내열합금의 온도수용성 향상 요구 터빈블레이드의 온도수용성을 향상시키기 위해서는 단결정주조와 같은 공정 개발, 열차폐 코팅 개발, 내부 공냉유로 개발과 함께 합금자체의 온도수용성 향상이 요구된다. 초기에는 단순히 탄소(C), 붕소(B) 등 입계강화원소를 배제시킨 1세대 단결정 합금이 사용됐으나, 점차 Re(레늄), 루테늄(Ru)과 같은 고가의 원소를 함유한 차세대 단결정합금이 개발되고 있다. 현재 합금개발의 방향은 이들 원소를 공격적으로 첨가, 온도수용성을 극대화시키는 방안과 경제성을 위해 고가원소를 최소화시키면서 동등한 특성을 추구하는 방안이 주류를 이루고 있다. ■기술분야별 동향 ◇ Liquid Metal Cooling(LMC) 얇은 판상이며 형상이 복잡한 터빈 블레이드 제작 시 일방향 응고공정에서 온도구배는 가장 중요한 공정조건이다. 높은 온도구배는 강한 일방향 열전달로 인해 단결정 성장이 용이하게 해 다른 결정의 핵생성이나 결정 또는 수지상 성장에서 방향성결함을 억제하게 된다. 특히 높은 온도구배는 빠른 속도에서도 일방향 및 단결정 성장을 가능하게 해 미세한 수지상 조직을 가지게 한다. 따라서 균질화 열처리시 빠른 시간 내 균질화시킬 수 있어 단결정 성장 시 가능한 높은 온도구배가 필수적으로 요구된다. ||높은 온도구배는 로의 고온 영역(Hot Zone)으로부터 열을 아래방향으로 짧은 거리 내에서 빨리 전달하는 것이 요구되는데 이를 위해서 일반 브리지만 방식의 복사냉각보다는 액상금속을 이용한 직접냉각이 더욱 효율적이다. LMC 방식은 열전달 매체로 알루미늄(Al), 주석(Sn) 등을 주로 사용한다. 이 방식은 미국 및 러시아에서 처음으로 개발되었으며 높은 온도구배의 장점을 활용해 기술개발 및 단결정 터빈 블레이드 제작에 응용되고 있다. 미국에서는 초기 LMC 기술개발을 처음으로 시작했으나, 비교적 작은 단결정 블레이드가 개발돼 그 필요성이 크지 않아 최근까지 LMC에 대한 기술개발을 등한히 했다. 그러나 최근 대형 블레이드의 단결정이 요구되자 다시 LMC를 이용한 기술개발을 시도하고 있다. ◇ 단결정 주조부품용 초내열합금 다결정 초내열합금과 구분되는 단결정 초내열합금의 조성 상 특징은 먼저 입계강화원소인 탄소(C), 붕소(B), 지르코늄(Zr) 등의 첨가를 억제했다는 점이다. 또한 단결정합금의 기계적 특성을 최적화하기 위해 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo)과 같은 내화 합금원소를 다량으로 첨가했다. 하지만 단결정 합금개발에 있어서 가장 중요한 첨가원소는 무엇보다도 Re(레늄)이다. 합금의 온도수용성을 획기적으로 향상시키기 위해서 초고가인 Re을 첨가했는데, 이는 합금의 원소재 가격, 밀도, 상 안정성 등의 희생 하에서 이뤄진 것이므로 그 의미가 더욱 크다고 볼 수 있다. 일반적으로 단결정합금은 Re이 첨가되지 않은 제1세대 단결정합금, Re이 약 3 wt% 첨가된 제 2세대 단결정 합금, Re이 약 6 wt% 첨가된 제 3세대 단결정 합금 등으로 분류된다. 가장 최근의 합금개발에서는 백금족 원소(Platinum Group Metals)인 루테늄(Ruthenium)과 이리듐(Iridium)을 첨가하고 있는데 이러한 경우를 제 4세대 단결정 합금이라고 한다. 아래 표에서 볼 수 있듯이 제 1세대 Ni기 초내열합금의 주요 합금 원소는 크롬(Cr), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 탄탈(Ta) 등이다. 이들 원소 중에서 Cr, Co, Mo 등은 FCC(Face Cntered Cbic) γ 기지에 분배돼 주로 고용강화의 역할을 한다. 특히 Cr은 Cr2O3 산화막의 형성을 촉진시켜 고온내식성에 결정적인 역할을 한다. 이 합금들은 Ni3Al 구조(L12)의 γ' 을 약 60 % 이상 포함하는데, 표준열처리를 거친 단결정 합금의 미세구조는 일반적으로 입방형의 γ' 이 γ 모상에 3차원적으로 배열된 모습이다. ||대표적인 단결정 합금으로는 Cannon -Muskegon에서 개발된 CMSX-2, CMSX-3 그리고 저밀도 합금인 CMSX -6가 있다. 주요 엔진회사에서 개발된 합금으로는 GE의 Rene N4, Pratt & Whitney의 PWA1480, 롤스로이스의 SRR99, RR2000 등이 있다. 한편 프랑스의 ONERA, SNECMA 등이 공동 개발한 AM1은 라팔 전투기의 M88 엔진의 블레이드 및 베인 소재로 적용됐다. 일련의 단결정 초내열합금 합금개발 연구에 의해 레늄(Re)을 첨가하면 단결정 합금의 크리프강도가 상당히 증가함이 발견됐다. 그 원인은 Re 이 γ'의 조대화 속도를 현저하게 감소시키며, γ-γ'의 격자불일치(Misfit)를 크게 음의 값으로 만드는 데 기인하는 것으로 알려졌다. 실제 단결정 합금에 Re을 3wt% 첨가했을 경우 약 30oC의 온도 수용성 향상을 달성했다. 최초로 Re이 첨가된 이 합금들은 제 2세대 단결정 합금군으로 분류되며 대표적인 예는 PWA1484, Rene N5, SC180, CMSX-4, SMP14 등을 들 수 있다. ||레늄(Re)을 포함하는 단결정 합금의 잠재적 문제점은 프레클(Freckle) 현상이다. Freckle은 단결정 부품의 표면에 미세한 입자들이 그룹을 지어 형성되는 것으로 단결정 부품에서 허용될 수 없는 심각한 주조 결함으로 알려져 있다. Freckle의 형성원인은 주조 시 수지상간 영역에서 액상의 밀도가 낮아지면 액상의 유동이 발생할 수 있는데, 이로 인해 수지상가지가 파손돼 새로운 입자들을 핵생성 시키는 것이라고 알려져 있다. Freckle 결함의 형성가능성은 액상의 밀도를 높여주는 Ta(탄탈) 원소의 함량 증가에 의해 억제할 수 있으며, 따라서 주요한 제 2세대 단결정 합금들은 모두 Ta의 함량이 6% 이상으로 높게 설계돼 있다. 최근에는 레늄(Re)의 함량을 6wt%까지 증가시킴으로 단결정 합금의 온도수용성을 더욱 향상시키는 합금설계가 이뤄졌는데 이들 합금을 제 3세대 단결정 합금으로 분류한다. 전술한 바와 같이 Re은 매우 고가의 원소이기 때문에 3wt%의 Re 가격은 전체 합금의 원소재 가격의 절반 이상을 차지하고, 6wt%의 Re 가격은 전체 합금의 원소재 가격의 2/3 이상을 차지한다. 그럼에도 불구하고 원소재 가격에 매우 민감한 엔진제조사들이 제 2세대 및 제 3세대 단결정 합금을 개발한다는 사실은 합금의 온도수용성 향상이 얼마나 중요한지를 역설적으로 보여주는 것이라고 할 수 있다. 대표적인 제 3세대 단결정 합금들은 Cannon-Muskegon에서 개발된 CMSX-10, GE 의 Rene N6, 일본 NIMS 에서 개발된 TMS75 및 TMS80 합금들이 있다. TCP(Topologically Close-Packed)상 형성의 경향은 제 3세대 합금에서 더욱 문제가 될 수 있기 때문에 Cr의 함량은 약 2~4.2wt%로 제한시켰다. 한편 Co 함량은 제 3세대 단결정 합금에서 논쟁의 대상이 되고 있다. C-M에서는 Co가 TCP 상의 형성경향을 증가시킨다고 보고 Co의 함량을 3wt% 대로 억제시킨 반면, GE에서는 상안정성 향상을 이유로 Rene N6에서 12.5wt%의 높은 Co 함량을 추천했다. CMSX-10의 경우 1,100℃ 내외에서 장시간 노출시켰을 경우 Re의 함량이 높은 TCP 상이 형성됨이 밝혀졌다. ||Re을 포함하는 단결정 초내열합금에 루테늄(Ruthenium)과 이리듐(Iridium)을 첨가했을 경우 TCP상의 형성경향이 감소한다는 사실이 여러 연구에 의해 발견됐다. Ru이나 Ir 등과 같이 백금족금속(PGM, Platinum Group Metals)이 포함된 경우 제 4세대 단결정 합금으로 분류된다. PGM의 첨가에 의해 TCP 형성경향이 감소하는 원인은 Re의 γ/γ' 분배를 변화시켜, γ 기지 내에서 Re이 풍부한 TCP 상의 형성을 억제한다는 것으로 알려졌다. 제 4세대 단결정합금의 고온 크리프 특성은 매우 우수함이 밝혀졌으나 PGM이 다른 특성에 미치는 영향에 대해서는 아직까지 연구가 계속되고 있다. 일본 NIMS의 Harada 그룹에서는 제4세대 단결정 합금인 TMS-138의 Ru함량을 6wt%로 높여 온도수용성을 향상시킨 TMS-162 합금을 개발했는데 이 합금을 제 5세대 단결정 합금으로 분류하고 있다. ||단결정 터빈 블레이드…항공기 엔진·발전 가스터빈 적용 대형화 및 고효율화 추세·온도수용성 향상 요구 ■ 기술개발의 주요 이슈 ◇ 단결정 주조부품의 결함 초내열합금을 단결정 응고 시에는 일반적으로 주응력 방향에 평행하게 방위로 성장하는 1차 수지상(Primary Dendrite)과 주응력 방향에 수직한 방향으로 2차 수지상(Secondary Dendrite)이 나타난다. 방위는 크리프 수명과 연성의 조합 및 피로 특성이 우수한데, 면심입방 구조(FCC, Face-Centered Cubic Lattice)의 Ni기 초내열합금에서 가장 우선적으로 응고되는 방위가 이므로 단결정 응고 시에 상대적으로 제조가 용이하다. 초내열합금의 방향성 응고 및 단결정 응고과정에서 가장 큰 영향을 미치는 인자는 고액계면에서의 온도구배와 응고속도이다. 온도구배는 장비의 특성과 주조온도, 주형형상 등에 의존하며, 응고속도는 인위적으로 인출속도를 조절해 변화가능하다. 이들 공정 조건을 부적절하게 조절했을 경우 발생할 수 있는 주조결함은 다음과 같다. ◌ 프레클(Freckle) 및 등축정 ||단결정 부품 제조 시 등축정 생성을 방지하기 위해서는 고상과 액상의 계면에서 고상으로의 열전달이 충분히 이루어져 응고잠열이 축적되지 않아야 한다. 일방향응고시 응고속도는 식 (1)로 나타낼 수 있다. 여기서 R은 응고속도, Kt는 고상에서의 열전달계수, Gs는 온도구배, △H는 응고잠열을 나타낸다. 응고속도가 식(1)보다 크게 되면 우리가 원하는 주상정이나 단결정이 아니라 등축정이 형성될 수 있다. 방향성 응고중 고상의 바로 위 부분은 즉 고상과 가장 가까운 고상/액상 공존 영역(Mushy Zone)의 하부에는 응고중 고상으로부터 방출된 Al, Ti와 같은 용질 원소들이 집적될 수 있다. Al과 Ti은 초내열합금의 첨가원소 중 비중이 낮기 때문에 이 부분에 비중차이가 발생한다. 이 비중차이로 인해 고액 공존영역에서는 가벼운 액상이 상부로 역류가 발생하고 이 역류는 이미 응고된 수지상의 가지들을 파손시킨다. 이때 떨어져 나온 수지상 가지들은 응고핵으로 작용해 임의의 방향을 가지는 등축정 결정립들이 생성되는데 이를 ‘Freckles 결함’이라 한다. 이들 등축정들의 존재는 단결정 제품의 사용 중 파단의 원인이 되므로 응고 조건을 조절해 생성을 방지해야만 한다. ◌ 슬리버(Sliver) 결함 터빈 버켓의 표면에 나타나는 길고 좁은 결정립들로서 원래의 결정과 10도 이내의 부정합을 가지며 주로 제품의 표면에 형성된다. 이 결함의 생성 기구는 정확히 알려져 있지 않으나 공정 조건인 온도구배, 응고속도에 크게 영향을 받으며 합금의 조성과 청정도에 의해서도 어느 정도 영향을 받는 것으로 알려져 있다. ◌ Spurious Grains/Stray Grains 결정의 방위가 원래의 결정에서 크게 벗어난 상대적으로 큰 결정립으로 주로 과냉된 액체에서 발생된다. 이들은 석출물, 비금속개재물, 주형이나 세라믹 코어의 Pin에서 주로 핵생성된다. 이들 결함은 블레이드의 리딩에지(Leading Edge), 플랫폼 및 섕크에서 주로 발견되며, 발생 원인으로는 액상 등온선의 곡률과 주형이나 세라믹 코어와 용탕간의 높은 접촉각에서 기인되는 것으로 알려져 있다. ◌ Zebra Grains 2차 수지상정 가지들이 길게 수평으로 배열되거나 작은 결정립들이 연속적으로 이들 사이에서 핵생성 돼 나타나는 것을 Zebra Grain이라 한다. 이는 온도구배가 낮은 플랫폼부분에서 주로 발생되며 하현형(Concave) 곡률의 계면의 형성에 따라 액체에서 과냉에 의해 발생된다. ◌ LAB(Low Angle Boundary) 기지로부터 약 8o도 이내의 각도를 가지며, 고상의 계면에서 주로 핵생성돼 성장된 결정립을 LAB이라 한다. LAB은 블레이드 중간부위와 플랫폼 등에 걸쳐 나타날 수 있으며, 수지상의 끝 부분이 떨어짐에 의해 핵생성된다. 이는 특히 온도구배가 낮고 응고속도가 낮을 때 쉽게 형성된다. ◌ 재결정 결정립(Recrystallized Grains) 열처리 과정 특히 용체화 처리 과정에 나타나는 재결정립을 의미하며 이는 주조후 후처리 과정이나 운반 등의 과정에서 부주의에 의해 국부적으로 소성변형이 발생돼 열처리 과정 중에 새로운 재결정립이 형성된 것이다. 또한 주조과정 중 주물의 응고에 의한 수축과 주형 및 세라믹 코어의 열팽창 계수와의 차이가 커서 주물에 잔류응력이 가해져 국부적인 소성 변형이 일어나 열처리 중에 재결정이 발생할 수 있다. ||■ 국가별 동향 ◇ 미국 미국의 단결정 블레이드 및 초내열합금 관련기술은 군사용 엔진 부품에 적용하기 위해 개발되기 시작해 일반 산업용으로 파생되고 있다. 현재에도 군사용 엔진 부품이 수요에서 많은 비중을 차지한다. 따라서 초내열합금 및 고온 부품 관련 기술을 지금까지 실질적으로 주도하고 있는 나라는 미국이다. 초내열합금 관련 기술이 현재의 가스터빈의 성능과 효율을 갖도록 만든 실질적인 기술개발은 대부분 미국에서 진행됐다. 미국의 단결정 및 초내열합금 기술은 군사적으로 뿐만 아니라 상업적 측면에서도 기술의 유출을 엄격히 통제하고 있다. 현재에도 미국은 군사측면에서 고성능 제트엔진의 개발을 위한 초내열합금의 개발과 HSCT(High Speed Civil Transport)에 사용할 합금을 개발하는 EPM(Enabling Propulsion Materials) 프로그램 등을 NASA를 중심으로 수행하고 있다. 제조기술 측면에서도 다결정 등축조직, 방향성 응고, 단결정 주조 기술 등을 최초로 개발했으며 가장 앞선 기술을 보유하고 있다. 또한 군사적 목적에 적용되는 기술이므로 철저히 보호하고 있다. 특히, 항공 및 발전용 엔진의 대표적인 제조회사들인 GE(General Electric), P&W(Pratt and Whitney), Siemens-Westinghouse 등이 많은 기술을 보유하고 세계적으로 산업을 주도하고 있다. ||◇ 일본 일본은 많은 분야에서 한국과 유사한 환경을 가지고 있으나 초내열합금이나 가스터빈 분야의 기술력은 한국보다 훨씬 앞서 있다. 일본은 Moonlight Plan이 시작될 때부터 가스터빈 개발과 함께 독자합금 개발을 시작했다. 현재 일본은 차세대 단결정 초내열합금 개발에서 온도수용성이 가장 높은 합금을 개발했으며, 가장 기술력이 앞선 나라이다. 영국의 Rolls-Royce는 민항기용 대형엔진의 블레이드 소재개발을 NIMS와 공동으로 수행하기 위해 공동연구센터를 NIMS에 설립해 실용화를 추진했다. 공동연구센터에서는 현재보다 온도수용성이 약 100oC 정도 높은 1150oC까지 사용 가능한 합금 개발을 추진하고 있다. 산업용 가스터빈 분야도 MHI (Mitsubishi Heavy Industries)가 Siemens-Westinghouse의 모델을 기초로 개량해 새로운 모델을 개발하고, 독자합금을 개발해 자체엔진에 적용하고 있다. ||엔진·부품 수입 의존성↑…산업부 지원 下 국산화 항공기 시장 年 10%↑…2017년 발전 가스터빈 시장 1천억 ◇ EU 영국과 프랑스는 독자적인 엔진 개발과 함께 각각 고유의 초내열합금을 개발해 엔진에 장착하고 있다. 영국의 Rolls-Royce는 민항기 엔진, 군용기엔진, 발전용 가스터빈 등을 공급하고 있으며, RR-series 합금들을 독자적으로, 또는 해외의 기관들과 공동으로 개발하고 있다. Rolls-Royce는 일본의 NIMS에서 개발한 4세대 및 5세대 합금을 민항기용 대형 엔진의 터빈블레이드에 적용하기 위한 검토를 하고 있으며, NIMS와 공동연구센터를 설립해 1150℃까지 온도수용성을 갖는 합금의 개발을 추진하고 있다. 프랑스도 SNECMA 등 엔진회사를 보유하고 있으며, 정부연구기관인 항공우주연구소(ONERA)를 중심으로 합금개발과 공정개발을 독자적으로 수행해 일본 다음으로 높은 온도수용성을 갖는 합금개발 능력을 보유하고 있다. ||◇ 중국 중국은 중소국경분쟁 이후 군사용 엔진에 적용할 목적으로 초내열합금과 고온부품 제조기술을 독자적으로 개발하기 시작했다. 중국과학원산하 금속연구소(IMR, Institute of Metal Research), 북경항공재료연구소(BIAM, Beijing Institute of Aeronautical Materials) 등을 중심으로 초내열합금 및 부품 제조공정에 대한 연구를 수행했다. 현재 중국은 젠(殲)-10, 젠-20 등 독자적인 군사용 항공기 엔진을 개발해 장착하고 있다. 특히, 스텔스기인 젠-20 항공기 개발에서 중국의 국사 주석으로부터 최고의 훈장을 받은 스창쉬 박사(91세, 중국과학원)가 1950년대 미국에서 귀국해 연구개발을 주도했다. 현재 IMR의 Z. Q. Hu교수(82세) 등의 노과학자들이 이 분야의 연구를 아직도 현직에서 지휘하고 있으며, 노과학자들의 지식과 경험을 국가가 직접 관리하고 해외출장을 제어할 정도로 기술과 인력 보호에 주의를 기울이고 있다. ||◇ 한국 한국은 수백 대의 민항기 및 군용기를 운용하고 있고 100여 기의 발전용 가스터빈을 가동하고 있다. 국산 고유모델이 없고 모든 엔진은 수입해 운용하고 있다. 엔진 뿐 아니라 초내열합금을 소재로 하는 소모성 고온부품도 현재 거의 전량 수입에 의존하고 있다. 일부 부품의 국산화 개발이 최근 10여년에 걸쳐 진행됐으나 아직도 국산 부품을 일부에만 적용하고 있는 실정이다. 특히, 고유모델의 엔진이 없기 때문에 소재나 부품도 엔진회사의 선택에 따를 수밖에 없는 실정이다. 현재 국내 대기업에서 5MW급 소형 가스터빈을 국산화하기 위한 연구개발이 진행 중에 있으며, 그 구성 부품을 향후 국산화할 계획이다. 지식경제부(현 산업통상자원부)의 지원 하에 100MW급 대형가스터빈의 국산화개발이 추진되고 있으며 향후 고유모델을 보유할 경우 부품의 국산화도 가능할 것으로 판단된다. 초내열합금 소재개발은 현재 재료연구소를 중심으로 진행되고 있으며, 고유 조성의 단결정합금을 개발해 국내외에 특허를 출원한 상태이다. 향후 국내 고유모델의 가스터빈 개발에 따른 국산소재의 적용을 기대하고 있는 실정이다. 한편, 국내의 대형가스터빈 개발 기획사업 진행과 함께 관련 기업들에서도 발전용 가스터빈에 사용하기 위한 초내열합금 부품을 제조할 수 있는 장비들을 경쟁적으로 도입해 운용하고 있다. 그러나 아직까지 체계적인 공정기술을 개발한 기업은 소수에 불과하다. 초내열합금에 대한 완전한 이해가 없이 기존 정밀주조공정을 진공정밀 주조공정으로 적용할 경우 많은 문제점들이 예상되는 바, 소재-공정의 입체적인 지식을 기반으로 관련 전문가들의 긴밀한 협력이 필요한 실정이다. ||||■ 국내외 주요기업의 생산활동 ◇ 국외기업 PCC(Precision Casting Corp.)는 미국의 정밀주조업체로서 가스터빈용 정밀주조품에 관한한 기술과 규모 면에서 가장 앞선 기업체이다. 다결정, 일방향응고 부품은 물론 단결정 터빈 블레이드를 생산해 항공기 및 IGT (Industrial Gas Turbine, 발전용 포함)에 장착하고 있다. 아래 그림은 PCC 정밀주조품의 2010년과 2011년의 섹터별 매출을 보인 그림이다. 2011년 시장 규모는 전년에 비해 약 14%가 증가된 62.2억달러에 달하고 있다. 이 중 항공기용 부품이 57%로 가장 많고, 발전용이 22%, 기타 산업용이 21%의 수치를 보이고 있다. 주요 고객은 역시 항공용 엔진과 산업용 가스터빈을 모두 제작하고 있는 GE가 12.5%의 매출액으로 가장 많고 United Technologies(Pratt Whitney 의 모회사), Rolls-Royce, Boeing 등이 그 뒤를 잇고 있다. ||정밀주조분야에서 PCC의 가장 큰 경쟁사는 Alcoa의 자회사인 Howmet 이다. 미국·캐나다·프랑스·영국·일본 등의 27개의 제작업체에서 고용인원이 11,000 명에 달하는 거대한 기업이다. 주요 생산 품목은 항공기엔진의 단결정, 일방향응고 터빈블레이드와 일체형 터빈파트, 엔진용 구조재 등이다. 일본에서는 Soma에 소재하는 IHI Castings에서 GE90, Rolls-Royce Trent 700, CF34, F110 엔진에 장착되는 터빈블레이드를 생산하고 있으며 일본에서 개발된 단결정 합금을 적용해 자체적인 ECO 엔진에 적용하고 있다. ◇ 국내기업 한국로스트왁스는 초내열합금 주조를 위한 15kg급 다결정 진공용해로 2기와 68kg급 다결정/일방향 및 단결정 진공용해로를 보유해 연간 약 1,000톤의 생산능력을 갖추고 있다. 항공기엔진 부품으로는 JT8D, JT9D, V2500 엔진에 장착되는 터빈블레이드 및 베인을 생산하고 있으며, 발전용으로는 E-class 및 F-class 가스터빈의 버킷을 생산하고 있다. 삼정터빈은 해군고속함정용 가스터빈엔진 TF-35(미 Textron Lycoming사)의 초내열합금 핵심부품을 진공정밀주조법을 사용해 국산화했다. 이외에도 발전용, 공기부양정용, 전차용 가스터빈 등 다양한 정밀주조품 및 MTU, MAN의 모델의 터빈노즐링, 터빈블레이드 등을 생산하고 있다. 성일 SIM은 초내열합금 진공정밀주조를 위한 100kg급 다결정/일방향/단결정 진공용해로를 보유하고 있으며, 로봇에 의해 자동화된 주형코팅 장비 및 건조 설비를 운용하고 있다. 발전용 가스터빈 연소기의 버너 부품을 생산하고 있으며, 가스터빈의 핵심 부품인 터빈 블레이드와 베인 제작, 생산을 위한 기술개발과 설비확충을 진행하고 있다. ||◇ 세계 항공기 시장 규모 전 세계 항공기 시장은 연간 약 10% 씩 증가하고 있다. 대부분의 수요는 아시아, 중동, 남미에서 발생하며, 미국, 유럽 등에서는 업그레이드 수요가 발생하고 있다. 2010년에서 2029년까지 전 세계 민항기 시장은 약 15만개의 엔진을 요구하며, 이를 금액으로 환산하면 약 8,000억 달러에 달한다. 이들 엔진은 판매 후에도 주요부품 교체 등을 통해 약 6,500억 달러의 운용비가 발생하게 된다. 미래의 엔진이 고효율과 고성능을 요구하기 때문에 단결정 터빈블레이드가 대거 적용될 것을 감안하면 이 금액 중 상당부분을 단결정주조품이 차지할 것으로 예상할 수 있다. ◇ 발전용 가스터빈 시장 동향 발전용 가스터빈의 주시장은 미국(590대), 멕시코(20), 브라질(19), 일본(16), 캐나다(5) 등이다. 국내 가스터빈은 ABB, GE, Siemens, Westinghouse 모델 총 10종, 87대 운용중이다. 발전용 가스터빈 시장 규모는 2007년 기준으로 세게 246,000 억원, 국내 7,489 억원이다. 2017년에는 각각 50%씩 증가한 369,000 억원, 11,234 억원으로 예상된다. ||한국 시장규모는 기종별 국내 가스터빈 현황 및 부품가격으로부터 추산했다. 세계시장 규모는 일본·미국·캐나다·중국·프랑스·독일·영국·이탈리아 등 주요 8개국의 한국대비 화력발전 설비규모로부터 추정했다. ||2017년 한국시장 예상 시장규모는 에너지원별 전원구성 전망에서 추산했는데, LNG 시장 규모는 2007년 17,437MW에서 2017년 26,149MW로 50% 증가할 것으로 예상된다. ■ 미래의 연구방향 및 제언 미래형 항공기 엔진의 효율 및 성능향상을 위해서는 터빈 입구온도가 더욱더 높아질 전망이다. 즉, 핵심부품인 터빈블레이드의 온도수용성 향상이 지속적으로 요구되고 있다. 이를 위해서는 단결정 주조공정은 물론 합금자체의 온도수용성 향상을 위한 연구가 진행돼야 한다. 현재 제 5세대 단결정합금까지 개발되고 있는데, 향후 고온특성 향상을 위한 연구와 함께 현저한 특성 저하 없이 초고가원소를 대체할 수 있는 합금개발 연구가 필요하다. 단결정 주조품을 포함한 항공기 엔진 및 가스터빈의 핵심부품에 관련된 원천소재 및 공정기술들은 그 특성상 선진국들이 기술이전을 극도로 회피하고 있는 분야이다. 이는 민항기엔진 및 산업용 가스터빈과 같이 고부가가치 산업을 통해 국가경제를 보호한다는 측면도 있지만 전투기엔진과 같이 국가의 군사력에 직접적인 영향을 주는 분야이기 때문에 당연한 것이라고 볼 수 있다. 따라서 국내에서 항공산업 및 가스터빈 산업의 기술자립화를 위해서는 국내 독자의 핵심부품 국산화 및 초내열합금 개발에 대한 연구가 반드시 선행돼야 한다. 현재 대형 R&D 사업들은 조기에 제품양산으로 연결될 수 있는 산업화 가능분야에만 집중되고 있는 실정이다. 하지만 초고온 내열소재 개발과 같이 민군 양측에서 국가의 경쟁력을 극대화할 수 있는 연구 분야에 대해서는 국가가 장기적인 비전과 철학을 가지고 R&D를 주도해야 한다. 일본에서 추진했던 Moonlight Project, HTM21과 같은 프로그램이 대표적인 예이다. 현재 일본이 세계에서 온도수용성이 가장 높은 단결정 합금을 개발하게 된 것도 이와 같은 정책과 지원이 뒷받침된 결과로 판단된다.

첨단 정밀·대형 부품 생산의 필수 ■ 기술의 정의 및 분류 ◇ 기술의 정의 및 분류 정밀주조법(Investment Casting)은 1회 소모성 패턴(모형)과 1회 소모성 주형을 사용해, 제조 및 가공이 어려운 정교한 형태의 금속 부품을 높은 정밀도로 제작할 수 있는 특수주조기술의 한 방법이다. 예를 들어, 3차원 곡면의 복잡한 형상 때문에 종래의 기술로는 제작이 어려운 부품인 터빈 블레이드 및 내열 특성이 요구되는 항공기 부품을 제작하는 경우 적용된다. 최근, 정부는 본 공정을 적용해 제5기 대한민국 국새를 제작한 바 있다. 정밀주조부품 소재는 강(Steel)을 위시해 초내열합금, Ti합금, Al 및 Mg합금 등 모든 금속소재가 대상이 되며, 부자재로 패턴용 고분자소재와 주형용 세라믹소재가 사용되고 있다 따라서, 소재분야에서 취급하는 모든 소재를 적절히 활용해야 최적의 정밀주조 부품제조가 가능하게 된다. 소모성 패턴은 탈 패턴 과정 또는 주입 과정에서 용융 혹은 증발시켜 제거한다. 소모성 패턴용 소재로는 △다양한 품위의 왁스·플라스틱 △급속조형(RP, Rapid Prototyping)에 사용되는 고분자 물질 △폴리스티렌과 같은 열가소성 물질 등이 사용되며, 이들 중 왁스 패턴이 주로 사용되므로 로스트왁스법(Lost Wax)이라고도 알려져 있다. 세라믹 주형 제작에는 일반적으로 소모성 패턴을 사용하게 된다. 예로, 왁스 패턴은 내화재인 세라믹 슬러리에 침지, 코팅해 표면층을 형성한다. 표면층은 건조 과정을 거친 후, 다시 세라믹 슬러리에 침지, 코팅 후 건조과정을 반복해 견고한 두께를 갖는 외층을 만든다. 그 후, 외형과 패턴을 함께 오븐 혹은 오토클레브에 넣고 왁스를 용융해 제거한다. 마지막으로 주형 내에 잔존하는 왁스의 제거 및 바인더의 경화를 통해 충분한 주형의 강도를 부여하기 위해 소성과정을 거친다. 주형은 일체형이며, 언더 컷(역 구배)이 있는 매우 복잡한 형상의 부품을 제작할 수 있다. ||용탕의 주형 내 완전 충전을 꾀하기 위해 주입 전에 주형을 예열하며, 용탕은 중력, 가압 또는 진공 조건에서 주입할 수 있다. 정밀주조 주형으로 사용하기 위해서는 다음의 항목을 충족해야 한다. ⅰ 왁스 제거 후 파괴되지 않을 정도의 충분한 생형강도 ⅱ 소성 후 주물의 무게를 견딜 수 있을 정도의 주형강도 ⅲ 용탕 주입 시 균열 방지를 위한 열 충격 저항성 및 화학적 안정성 ⅳ 표면조도 및 치수정밀도 향상을 위한 용탕과의 낮은 반응성 ⅴ 용탕의 유동성 향상을 위한 적절한 주형 통기도 및 열전도도 본 기술을 통해, 중량 2g 정도의 소형부품부터, 알루미늄의 경우 35kg, 주강의 경우 300kg의 대형부품까지 제작이 가능하며, 최소 두께는 0.5mm 정도다. 치수 오차는 ±0.5%가 일반적이나, 소형 부품은 ±0.15% 이하도 가능하다. ||◇ 세부공정 및 주요 적용부품 ⅰ 왁스 패턴 : 왁스 사출(Injection Molding) 혹은 급속 조형법(SLA, SLS와같은 급속 조형법, Rapid Prototype)으로 패턴 제작 ⅱ 왁스 트리 조립 : 왁스 패턴을 프루(중심 막대)에 부착 ⅲ 세라믹 쉘 제작 : 왁스 트리를 내화재인 세라믹 슬러리에 침지, 코 팅해 표면층을 형성함. 표면층은 건조과정을 거친 후, 다시 세라믹 슬러리에 침지, 코팅 후 건조과정을 반복해 견고한 두께를 갖는 표면층 형성 ⅳ 탈 왁스 : 오토 클레브를 사용해 왁스를 용융 추출함 ⅴ 소성 : 주형 내 잔존 왁스 제거 및 강도 부여 ⅵ 용탕 주입 및 응고 ⅶ 주형 붕괴 : 진동 혹은 블라스팅을 사용해 주형을 붕괴함 ⅷ 부품 절단 : 중심 스프루에서 부품을 절단함 ⅸ 후처리 : 표면 연마 21세기 문명은 항공 이송 및 세계 전력생산의 상당 부분을 차지하고 있는 가스터빈엔진에 의존하고 있다. 따라서 가스터빈엔진 개발과 정밀주조산업과의 관계 및 그에 따른 시너지는 매우 중요하다. 정밀주조 적용부품 중 항공부품은 중국의 ARJ21-700 상업생산 개시 및 2014년 C919 점보기 생산, Boeing Dreamliner 생산이 예정돼 있고, A380·A350·787·748 등 신 모델 도입이 이뤄지고 있어 해당 부품의 시장 규모가 증가할 전망이다. 또한, 산업용 가스터빈부품의 경우 2009년 4분기 이후 30% 정도의 생산량 감소가 있었으나 전력 수요의 지속적 증가가 필연적이므로 장기적으로 볼 때 이 부품의 시장규모는 확대될 것으로 예상된다. ||자동차 산업의 경우, 일본에서는 터보차저 휠 생산량이 증가하고 있다. 또한 첨단 연료 및 배기 시스템, 다중 터보차저, 직접 연료분사 시스템, 하이브리드 및 전기 자동차 부품에 정밀주조 부품이 적용될 가능성이 높다. 의료산업의 경우 외과수술의 감소에 따라 힙 조인트 등 정밀주조 부품 판매가 부진했으나, 수술 예약이 점차 증가하고 있고, 세계적으로 고령화 진행 속도가 빨라짐에 따라 임플란트, 진단기기 및 치료기기 등에 정밀주조 부품 적용이 확대되고 있다. ■ 기술의 환경변화 및 중요성 ◇ 친환경 정밀주조 공정의 수요 확대 최근 고품위·고기능·저비용 부품소재공정 개발이 중요하게 대두되고 있다. 제조기술 측면에서 복잡한 형상의 일체형 부품을 생산할 때 후 가공 공정을 생략하면서 정형(Net-shape)부품으로 제조할 수 있는 정밀주조기술의 중요성이 증대되고 있다. ◇ 신규분야에서 정밀주조 부품소재의 수요 확대 중국, 인도 등 새로운 거대시장의 등장과 더불어 새로운 분야로의 부품소재 수요 확대가 예상되고 있다. 다음의 사례에서 볼 때 향후 정밀주조기술의 중요성은 더욱 커질 것으로 예상된다. ⅰ 민수 및 군수용 항공기산업에 있어서 형상이 더욱 복잡해진 일체형 신 모델 정밀부품의 수요 증대 ⅱ 자동차산업에 있어서 첨단 연소 시스템, 다기능 터보차저 휠, 직접 연료분사 부품, 하이브리드 및 전기자동차 생산 증가에 따른 정밀부품의 잠재적 수요 증대 ⅲ 의료산업에 있어서 노령인구 증가에 따른 임플란트, 진단 장비 및 외과 의료기기 수요 증대 ⅳ 스포츠·레저산업에 있어서 삶의 가치 증대를 위한 고부가가치의 정밀부품 수요 증가 ■ 기술동향 정밀주조법은 다음과 같이 여러 가지 장점을 갖고 있다. ⅰ 설계 유연성이 좋음 ⅱ 철계 및 비철계 합금에 걸쳐 폭 넓은 적용 가능성 ⅲ 제조비용 저감 ⅳ 조립공정 축소 ⅴ 정밀한 재현성 ⅵ 높은 치수 정밀도 ⅶ 급속조형(RP) 기술적용을 통한 공 정 단순화 정밀주조법은 위에 기술된 장점들 융합해 복수의 부품을 일체형 부품으로 제조하는 것이 가능하다. 그리고 고비용의 기계가공 공정을 축소 혹은 생략할 수 있도록 기술개발이 진행되고 있다. 주요 연구개발 분야를 크게 나누면 다음과 같다. ◇ 정밀주조 설비 대형화 및 안정화기술 선진국에서는 소형의 정밀주조 부품뿐만 아니라, 100kg 이상의 대형 부품 주조 기술이 안정화 단계에 접어든 상태다. 소형의 정밀주조 부품과는 달리 대형 주조 부품을 생산하기 위해서는 설비의 대형화뿐만 아니라 주물의 대형화에 따른 주조 방안 및 응고 조직제어 기술 개발이 필수적이며, 이에 대한 신뢰성이 확보돼야 한다. ◇ 특수 용도에 부합하는 합금 및 주형 개발 내열·내식·방열 특성과 같은 요구특성을 충족하는 소재가 개발되더라도 그 소재를 특정 형상으로 제조하는 것은 다른 관점으로 생각해야 한다. 특히, 박육 및 역구배를 갖는 복잡한 형상의 정밀주조품은 유동성을 반드시 고려해야하기 때문에 이를 만족하는 합금 개발이 필요하다. 또한, 세라믹 쉘 주형을 사용하는 정밀주조 주형은 공정 조건에 따라 차이가 있지만 주형과 용탕 간의 반응으로 인해 부품 표면에 발생하는 반응층을 제어할 수 있는 합금 및 주형 개발이 요구된다. ◇ 급속조형 공정 개발 정밀주조 부품의 경우 적정한 단가 및 요구 품질을 유지하면서 리드 타임(Lead Time)을 단축할 수 있는 Rapid Pattern Making(급속 패턴 제작) 상용화 기술이 필요하다. 현재까지 제안된 급속 패턴 제작기술은 다음과 같다. ⅰ FDM(Fused Deposition Modelling) ⅱ SLS(Selective Laser Sintering) ⅲ 3DP(3D Printing) ⅳ SLA(Stereolithography) ⅴ MM2(Ink Jet Plotting) ⅵ LOM(Laminated Object Manufacturing) ⅶ Multi-jet Modelling 최근 금속쉘 및 중자 제작기술로는 규산지르코늄(ZrSiO4)과 같은 세라믹 분말을 사용해 주형을 직접 제작하는 기술인 CLS(Ceramic Laser Sintering)가 제안돼 연구가 진행되고 있다. ◇ 공정 품위 향상기술 정밀주조 공정은 노동력 집약적인 특징이 있다. 따라서 주형 쉘 제작 및 후가공 단계에서 부품의 불량률 감소 및 품질 향상을 위한 자동화 공정 기술과 더불어, 부품 제조 후 특성 향상을 위한 열처리 공정 및 제품 내 결함 제거를 위한 열간 정수압처리 등의 후처리 공정 기술개발이 필요하다. ◇ 공정 비용 절감기술 내열 합금에 주로 첨가되는 희유금속은 그 희소성으로 인해 소재 가격이 고가이고, 시장 상황에 따라 가격의 변화가 심한 것이 특징이다. 따라서 부품제조 후 필연적으로 발생하는 스프루 및 런너 부위의 스크랩을 재활용할 수 있는 공정기술 개발이 필요하다. 항공용·가스터빈용·터보차저용 부품으로 주목 세계적 친환경·고효율 추세 속 신흥국 수요 ↑ ◇ 복잡한 형상의 박육부품 제조기술 정밀주조 부품은 주로 터빈블레이드 및 휠과 같은 박육 및 역구배를 가진 복잡한 형상이다. 따라서 정밀주조 공정을 활용해 요구특성에 부합하는 부품을 제조하기 위해서는 박육부의 형상을 적절하게 구현할 수 있는 소재의 주조성이 기본적으로 충족돼야 한다. 때문에 주조성을 향상시키기 위한 합금 설계와 이에 대한 부품제조 공정기술 개발이 요구된다. ◇ 부품 최적화기술 정밀주조 공정은 복잡한 형상의 부품을 제조할 수 있는 장점이 있지만, 세라믹 쉘 주형을 사용하기 때문에 금형을 사용하는 타 공정에 비해 용탕의 응고 속도가 느린 특징이 있다. 이는 정밀주조 부품의 부위별 치수가 다르기 때문에 불균일한 미세조직 형성될 수 있는 원인이다. 따라서 이를 제어하기 위한 부품 제조공정 최적화 기술이 필요하다. ■ 기술개발 주요 이슈 기술개발을 환경적 측면, 부품 효율향상 측면, 단가저감 측면 및 공정개발측면에서 검토하고, 이들 각각에 관한 구체적 이슈들을 대표적 고부가가치 적용부품인 가스터빈엔진 부품을 중심으로 설명하면 다음과 같다. ◇ 환경적 측면 쉘 주형 제조에 있어서 결합재를 HES(Hydrolised Ethyl Silicate)에서 실리카 졸로 대체할 때 나타나는 문제점들인 탈 왁스 과정 시 쉘 균열의 방지, HES 주형과 동일한 치수 일치성을 갖는 쉘 제작, 내부균열·개재물·표면조도와 같은 주조 결함을 야기하지 않는 쉘 제조에 관련된 기술개발이 필요하다. 또한 실리카 결정질인 크리스토바라이트(Cristobalite)는 발암물질로 알려져 있으므로 분진제어 및 작업자 보호 장비개발도 필요하다. 쉘 주형재료에 관련된 사항으로 규산알루미늄, 산화알루미늄, 지르콘(ZrSiO4)과 같은 주형재료들이 철, 소듐 등의 불순물에 오염되면 슬러리 수명과 품질이 저하된다. 따라서 이를 억제하기 위한 기술과 환경 친화적 대체소재 개발이 요구된다. 특히, 지르콘을 사용할 경우, 방사성 물질을 허용량 이상 함유할 가능성이 있으므로 사용 후 원활한 폐기를 위한 기술개발이 필요하다. 아울러, 주조 후 주형 스크랩의 재활용에 관한 연구개발도 함께 이루어져야 한다. ◇ 효율향상 측면 가스터빈의 효율은 가스온도 상승에 비례해 향상되므로 새로운 경량 내열소재 개발과 냉각설계기술 개발이 필요하다. Ti 합금의 경우, 부품 표면에 형성되는 산화물(알파케이스)을 제어하는 기술 개발이 필수적이다. 또한, 비중이 Ti의 65% 수준이며 동시에 가공 비용이 높은 열간 가공재와 동등한 수준의 기계적 특성을 갖는 TiAl 금속간화합물 주조재개발이 필요하다. Ni계 초내열합금의 경우, 백금족 원소인 루테니움(Ru)첨가로 내열 특성과 열처리 특성을 향상시키고 TCP상들을 제어한 4세대 단결정합금에 관련한 기술개발이 이루어지고 있다. 또한, 내부 냉각과 관련해 익형 구조를 한 세라믹 중자에 관한 개발이 진행되고 있다. ◇ 단가저감 측면 가스터빈과 터보차저용 초내열합금 단가는 원소재의 가용성과 시장 조건에 따라 큰 폭으로 변화한다. 특히, 가스터빈용 Ni계 초내열합금 단결정제조에 필수적 합금원소인 레늄은 2000년에 비해 8배의 가격상승이 있었다. 따라서 원소재 가격의 75% 수준인 스크랩 사용비율을 향상시킬 수 있는 용융공정 개발과 질소 함유량을 5ppm이하로 제어할 수 있는 제조기술 개발이 필요하다. 터보차저는 정밀주조산업에 있어서 매우 큰 시장 규모를 나타내고 있는데, 합금 단가 및 관리가 가격 저감에 직접적으로 중요한 역할을 한다. 따라서 주조 후 중심 스프루 부위의 용융 재사용은 가격 감소에 효과적이다. 쉘 주형재료의 재사용 및 염가의 주형재료 기술개발과 함께 쉘 조형, 왁스 조립공정 자동화 기술개발이 필요하다. ◇ 공정개발 산업용 가스터빈 부품의 대형화 추세에 따라 정밀주조용 용융, 주조설비의 대형화 및 결함제어 안정화기술개발이 필요하다. 단결정과 방향성 정밀주조품 제조에 있어서는 큰 온도구배를 갖는 용융·주조설비 기술개발이 중요하다. 그리고 중자의 위치나 부품 내부결함 검사-40를 위한 비파괴 검사기술개발이 필요하며, 현재 X선, 초음파, 레이저 등을 활용한 첨단 영상촬영 및 해석기법에 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 외에 왁스와 중자 설계, 탕구계 설계, 용탕 충전 및 응고거동에 관한 주조공정변수의 영향을 계통적으로 체계화한 공정 시뮬레이션기술 개발이 매우 중요하며, 향후 정밀주조산업의 장래는 이 기술개발 수준에 따라 큰 영향을 받을 것으로 판단된다. ■ 국가별 동향 정밀주조기술과 관련된 통계분석은 각국의 학회 및 조합, 선도연구기관, 각 기업을 통해 이루어지고 있으며, 각국별 대표적 기관으로는, 미국의 ICI(Investment Casting Institute), 유럽의 CAFE(Casting Association of European Foundries), EICF(European Investment Casting Federation), 일본의 JFS(Japan Foundry Society), 영국의 CMF(Cast Metals Federation), 중국의 CFA(China Foundry Association) 등이 있다. ||■ 미국의 동향 ◇ 연구개발 현황 미국은 자국의 3대 항공엔진 제조회사인 General Electrics, Pratt & Whitney 및 Rolls-Royce의 주도 하에 가스터빈 및 에어포일 등과 같은 정밀주조 엔진 부품 전문 제조회사인 Precision Castparts Co., Alcoa Howmet Co. 및 Hitchiner Manufacturing Co. 등을 중심으로 생산 및 연구개발을 진행돼 왔다. 특히, 최근에는 항공우주관련 대형부품 뿐만이 아니라 임플란트 및 힙 조인트와 같은 의료용 정밀주조 부품도 생산함으로써 그 영역을 점진적으로 나가고 있다. ◇ 선도연구기관 미국의 정밀주조 부품 전문 제조 회사는 1920년대부터 설립돼 공정에 대한 기술력이 안정화에 접어든 단계로 볼 수 있다. 또한, 미국 내 대형 엔진제조회사의 수요를 만족시키기 위해, Precision Castparts Co., Alcoa Howmet Co., Hitchiner Manufacturing Co. 및 Wisconsin Precision Casting Co. 등을 중심으로 요구특성에 맞는 엔진 부품의 대량생산에 초점이 맞추어져 있다. 특히, Hitchiner Manufacturing Co.은 저압주조와 정밀주조 공정을 결합한 반중력주조 공정기술을 개발, 용융금속의 난류형성을 배제하고 안정적인 주입을 유도해 고품위의 정밀주조 부품을 생산하고 있다. 美·EU·日 시장 주도…韓 기술수준 선진국과 격차 커 신시장 선점 위한 친환경 정밀주조기술 개발 힘써야 ||■ 유럽의 동향 ◇ 연구개발 현황 유럽(EU)의 정밀주조 기술 개발은 영국, 독일 및 프랑스와 같은 서유럽국가 중심으로 이루어지고 있다. 특히, 정밀주조 공정에 필요한 세라믹 분말, 점결제 및 왁스와 같은 원자재 개발뿐만이 아니라 급속조형에 의한 마스터 패턴 모델링, 정밀주조 공정의 효율 향상을 위한 코팅 자동화기기 및 급속 건조기기 등의 장비 설계에 대한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다. ◇ 선도연구기관 ||EU에서는 Doncasters Precision Castings Co., Feinguss Blank GmbH, Zollern Foundry Technology 및 Tital GmbH 등을 중심으로 정밀주조 부품의 연구개발을 진행하고 있다. 생산 규모는 대형부터 소형 부품까지 폭넓게 형성돼 있다. 특히, 최근에는 3D 모델링을 통한 급속조형 기술 개발을 바탕으로 다품종 소량생산에 적합한 공정기술 개발이 이슈가 되고 있다. 또한, 영국의 Birmingham Univ.는 정밀주조 주형제작 시간을 절감할 수 있는 급속 주형제작 공정 기술 개발에 대한 연구를 수행하고 있으며, 독일의 Access 연구소는 독일 내 정밀주조 관련 업체와 연계해 정밀주조 공정을 기반으로 하는 원심주조 공정 기술을 개발하고 있다. ■ 일본의 동향 ◇ 연구개발 현황 일본은 1970년대 이후부터 정밀주조 기술이 점차적으로 발전돼 왔다. 특히, 미국 및 EU에 비해 업체 규모가 상대적으로 작고, 대형 부품보다는 중·소형 부품 위주의 생산 및 연구개발이 이루어지고 있다. ◇ 선도연구기관 일본은 미국 및 유럽과는 달리 독자적인 정밀주조 업체로 존재하는 것이 아니라, 대부분 대기업 산하의 자회사로 운영이 되면서 모기업에 구축돼 있는 생산 시스템과 연계돼 생산 및 연구개발을 수행하고 있다. 또한, Daido Casting Co., Hitachi Metal Precision Co. 및 IHI Castings Co. 등의 주도 하에 Fe계 합금뿐만 아니라, Ni계 초합금, Al, Mg 및 Ti 합금을 기반으로 하는 우주항공, 가스터빈 및 자동차 부품의 정밀주조 공정 개발이 주를 이루고 있다. 특히, Daido Casting Co.는 미국의 Hitchiner Manufacturing Co.와 유사한 반중력주조 공정을 개선한 LEVICAST 공정 기술을 개발해 TiAl 합금과 같은 고융점 활성금속의 자동차용 터보차저 정밀주조 부품을 생산하고 있다. ||■ 국내 동향 ◇ 연구개발 현황 미국 및 EU의 정밀주조 공정 기술에 비해 상대적으로 낮은 기술 수준인 한국의 경우, 1980년대 초반부터 정밀주조 공정 기술에 대한 연구개발보다는 다품종 소량 생산에 초점을 맞추고 있었다. 1990년대 중반부터는 산업용 Fe계 터빈 임펠러 및 임플란트 제조 기술개발을 시작했으며 최근에는 고융점 활성 금속인 Ti 합금 및 Ni, Co계 초합금의 정밀주조 기술에 대한 연구개발이 이루어지고 있다. ◇ 선도연구기관 국내의 정밀주조 공정 기술은 대기업보다 중소기업 및 연구소를 중심으로 연구개발이 진행되고 있다. 한국로스트왁스 및 한일정밀주조는 주로 Fe계의 터빈블레이드 및 밸브, 캐스텍은 방향성 응고 기술을 활용한 Ni계 초합금의 가스터빈 정밀주조 부품을 생산하고 있다. 또한, 케이피씨 및 엔아이비는 타이타늄 합금 정밀주조 공정 기술에 대한 연구개발을 진행하고 있다. ||◇ 기술경쟁력 분석 국내의 정밀주조 공정 기술은 규모나 기술력이 선진국에 비해 아직 열악한 수준이다. 미국 및 유럽의 경우에는 General Electrics, Pratt & Whitney, Rolls-Royce 및 MTU와 같은 항공엔진 전문 대기업 존재에 따른 거대 수요가 있는 반면, 국내는 그렇지 못한 실정이기 때문에 대량생산 보다는 다품종 소량생산으로 이루어질 수밖에 없는 한계가 있다. 특히, △적정한 단가 및 요구 품질을 유지하면서, Lead Time을 단축할 수 있는 급속패턴 제작 기술 △중자 설계, 탕구계 설계, 용탕 충전 및 응고거동에 관한 주조공정변수의 영향을 계통적으로 체계화한 공정 시뮬레이션 기술 △공정의 효율성 향상을 위한 장비 설계 기술의 측면에서는 아직 해외 선진국에 비해 기술력이 부족하기 때문에 이에 대한 연구개발이 필요하다. ||■ 국내·외 주요기업의 생산 활동 정밀주조업체는 전 세계적으로 약 1,600여 개가 파악되고 있으며, 분포는 북미에 13%, 유럽 12%, 아시아 72%, 기타 3%로서 10개 업체 중 7개가 아시아에 배치돼 있다. 그 중에서 중국의 4개 업체 정도가 생산 활동에 참여하고 있다. 이에 비해, 2009년 국내 생산부품(매출액 1억2,600만달러)을 살펴보면, 밸브류 25%, 자동차부품 22%, 기계 공구류 20%, 기타 33%로 일반 산업부품 비율이 높은 편이다. 반면, 일본은 매출액 4억3,000만달러 중 가스터빈 52%, 자동차부품 22%, 기계류 11%, 항공부품 7%, 기타 8%로 고부가가치 부품 생산비율이 높다. ||||■ 시장규모 및 전망 판매액 기준으로 전 세계 시장규모를 살펴보면, 2008년도엔 105억달러(약 11조원)였으며, 이는 2007년도 대비 2% 상승한 수치이다. 구체적으로 살펴보면, 북미시장이 39%, 서유럽시장이 27%, 중국시장이 20%, 중국을 제외한 한국, 일본, 대만 등의 아시아시장이 13%, 기타 1%이다. 한편, 2008년 말의 세계 경제위기는 정밀주조업계에도 영향을 끼쳤으며, 그 결과 2009년 시장규모는 89억달러(약 9조4,000억원)로 전년대비 14% 감소했고, 특히 북미 및 유럽시장에서 15% 이상 감소했다. ||리먼 브라더스 파산보호신청에 시초한 국제금융위기, 그리스 재정위기에서부터 확대돼가는 유럽공동체 경제위기, 일본과 미국의 신용평가등급 하락 등 세계 경제 문제는 정밀주조산업에 큰 영향을 끼치고 있다. 또한, 원소재 가격 상승 문제와 부품가격인하 압력도 악영향을 끼쳐, 정밀주조산업의 시장 규모는 2006년 수준으로 떨어졌다. 그러나 항공 산업, 가스발전 산업 및 자동차산업, 일반 산업부분이 회복 조짐을 보이고 있고, 의료 산업 등에도 적용 확대가 기대되고 있어 정밀주조산업의 장래는 밝다고 할 수 있다. 다만, 시장 규모가 2008년 수준까지 도달하는 데에는 상당 기간이 소요될 것으로 예상된다. ■ 미래의 연구방향 매년 예상되는 원소재 가격 상승과 지구상에 제한된 금속 및 비금속 자원의 사용규제 강화에 대비한 원소재 재활용기술 개발과 대체소재 개발이 필요하다. 또한, 환경 보존, 건강 및 안전 규정 적용에 관한 요구가 증가할 것으로 예상되며, 현재 특별한 문제없이 사용되고 있는 소재에 대해서도 규제가 적용될 수 있으므로, 이에 관한 대비도 필요할 것으로 판단된다. 한편, 치수 제어기술 및 복잡 형상부품의 수요 증가가 예상되며, 정보화 및 지식기반사회 구축 추세에 맞추어, 정밀주조산업에 있어서도 자동화, 전문화를 통한 부품단가 저감 요구도 예상된다. 그러므로, 이에 관련된 기술 개발도 필요할 것으로 판단된다. 이와 같은 미래 기술개발을 통해, 정밀주조산업은 지속적으로 발전할 가능성이 크며, 핵심적 전략산업의 일익을 담당할 것으로 예견된다. ■ 국내 산업이 나아갈 방향 첨단산업의 핵심부품 제조에 필수적인 니켈, 텅스텐, 코발트, 티타늄, 희토류 금속 등에 관한 자원 확보 경쟁이 갈수록 치열해지고 있다. 광물 자원이 부족한 국내 실정을 감안할 때, 금속자원의 재활용 기술을 위시한 경쟁력 있는 정밀부품소재기술 개발은 매우 중요하다. 또한, 국제사회에 중국, 인도 등 새로운 거대시장의 등장과 더불어 항공기 산업 및 전력수요 확대 등에 따른 고부가가치의 정밀부품 수요 증가가 예상되므로 향후 정밀주조기술의 중요성은 더욱 커질 것으로 예상된다. 이러한 관점에서, 특히, 뿌리산업인 정밀주조 원천기술 확보를 통한 친환경 정밀주조 공정의 적용 확대 및 신규 분야에서 정밀주조 부품소재의 수요 확대에 따라 신시장을 선점하는 전략이 필요하다. 향후, 정밀주조 요소기술개발과 관련된 정부 차원의 지속적인 관심과 지원 확대를 기대해 본다.