▲ 자동차 고온소재 - 국내 선도 연구기관.

◇ 기술경쟁력 분석

자동차 부품업체의 기술수준은 선진국 대비 70~90% 수준으로 조사된다. 기술수준은 자체 연구개발 능력과 대규모 시장을 보유하고 있는 업체들 (예를 들면, POSCO, 현대제철 등)을 제외하면 선진국과의 기술격차는 훨씬 더 커질 수도 있을 것이다. 소규모 부품업체의 연구개발 투자 역시 미미한 수준으로 국내 완성차 업체나 다국적 부품 모듈 업체의 기술력에 크게 의존하고 있고 단순한 생산·공급 업체의 수준에서 벗어나지 못하고 있다.

국내에서 생산되는 자동차의 수가 매년 350만대(2009년) 이상에 달함에도 이들 국산차에 채용되는 내열부품을 생산하는 업체는 중견기업 정도의 수준에 있다. 따라서 이들 한정적인 업체들이 내열성이 향상된 신재료와 경제성이 높은 부품의 제조공정을 연구하는 데는 아직도 한계가 있어서, 주로 완성차 기업의 연구소와 국책과제로 공동 연구하고 있다.

▲ 자동차 고온소재 - 기술격차 및 기술수준.

■ 국내외 주요기업의 생산 활동

전 세계 자동차 메이커들에서 양산되는 자동차 엔진에 탑재되는 내열 배기계 부품 (배기매니폴드, 터빈하우징 등)의 약 70%는 주철재 부품이 차지할 만큼 아직까지도 주철이 차지하는 비중이 매우 높은 편이다. 이는 주철이 가지고 있는 가격 경쟁력이 상대 금속재료와 공정 면에서 가장 우수하기 때문이라고 할 수 있다.

완성차를 생산하는 나라마다 내열 배기계 부품을 생산하는 업체가 양산을 담당하고 있으나, 전 세계적으로 가장 많은 주물 배기 매니폴드와 터빈 하우징을 제작 판매하고 있는 회사로는 캐나다의 Wescast를 들 수 있다. 국내 업체로는 현대자동차 그룹의 계열사인 메티아가 가장 많은 생산량과 판매량을 점하고 있고, 관련 생산기술도 국제적인 경쟁력을 가지고 있다. 따라서 메티아에서 생산되는 이들 내열 자동차 부품이 전 세계로 수출이 되고 있다.

반면에 내열부품의 사용 온도가 상승함에 따라 앞에서 설명한 스테인리스강을 이용한 부품의 제조가 활성화 되고 있다. 스테인리스강은 높은 고온 안정성에도 불구하고 원가 측면에서 주철에 비해 불리해 다양한 자동차 종에 적용되는 비율이 떨어진다. 하지만 최근 들어 자동차의 대형화에 따른 엔진의 고출력화·저연비·친환경성이 보다 중요하게 부각되고 있기 때문에 스테인리스 재질의 배기계 내열부품에의 적용이 더욱 높아질 것으로 예상된다.

주조 방법으로 이들 제품을 생산하는 경우에는 제품의 박육화에 의한 무게 감소를 도모해야 경제성이 증가된다. 박육 제품을 제조하기 위해 국내 자동차 부품업체는 저압주조, 반중력 진공주조 등과 같은 공법을 이용해 양산을 하고 있다. 이러한 생산기술 면에서 국내의 자동차 부품업체의 기술 수준은 세계적으로 경쟁력을 가지고 있다.

자동차의 고급화와 고성능화가 확대되면서 보다 고가의 소재가 내열부품으로 채용되고 있다. 대표적인 내열부품으로는 고온 타이타늄 합금을 이용한 배기밸브의 제조와 TiAl 금속간화합물을 이용한 터보차저 등과 같은 부품의 채용을 들 수 있다. 이들 신소재를 사용하기 위해서는 내열코팅 등과 같은 표면처리가 필수적이다.

이와 같이 고가이면서 고성능을 가지는 내열 제품의 생산에서 세계 최고기술보유국은 관련 소재와 부품의 연구개발이 활발하게 진행되고 있는 독일과 일본을 들 수 있다. 선진국에서 연구개발이 진행되고 있는 이들 제품은 아직까지는 한정된 고급차에 사용되고 있는 관계로 우리나라의 자동차 완성업체가 추구하고 있는 규모의 경제적인 면에서 주철이나 스테인리스 강 제품의 생산량에는 비교하기 어려울 정도로 낮은 실정이다. 이들 제품의 가격은 아직도 양산제품 보다 약 5배 이상 비싼 것으로 알려져 있다. 이들 신소재를 이용해 자동차 부품을 생산하는 국내 기업체는 한 곳도 없을 정도로 아직은 연구개발이 더 요구되는 분야이다.

▲ 배기 매니폴드용 주물소재 - 국내외 주요 기업의 생산 활동.

■ 시장규모 및 전망

배기 매니폴드를 비롯한 고온용 자동차 부품의 시장은 완성차 시장이 커지면 커질수록, 환경규제가 강화되면 될수록 급격히 증가될 것이다. 고출력엔진의 최소 요구 배기가스 온도는 약 950 °C정도이며 시장 규모로는 2015년 기준 50억달러 이상의 거대한 시장이 될 것이다. 이때 필요한 요구 조건에 따라 필요한 요소 기술이 함께 발전하고 자동차 특성상 원가 상승은 최소화 되는 것이 중요하다.

자동차 고온소재의 시장규모는 다음 표와 같다. 반면에 우리나라의 자동차 세계시장 규모는 전체 시장의 약 5% 정도를 점유하고 있다.

향후 세계 자동차 시장의 성장과 더불어 자동차 고온부품의 시장도 성장하게 될 것이다.

▲ 자동차 고온소재-국내외 시장 규모 (억달러).

STS 배기계 내열부품, 적용 높아질 것

선진국 모방 탈피 위한 신소재 개발 절실

■ 연구개발 과제

고온에서 사용되는 자동차 부품에 사용하기 위한 고온 금속재료의 연구개발은 주로 고온강도, 고온 저주기 및 고주기 피로, 내산화성, 내식성 등이 향상될 수 있는 소재의 개발에 중점을 두고 있다.

그러나 이들 고온소재는 다양의 고가 합금원소 첨가에 의해 가격이 상승됨으로 원가절감이 절대 절명인 양산차의 적용에 한계를 가지게 된다. 따라서 단기적으로는 가격이 기존의 부품소재보다 낮으면서 물성을 향상시킬 수 있는 재료와 공정의 연구개발이 주를 이루고, 중기적으로는 고온에서 사용할 수 있는 신재료와 공정기술이 주를 이루게 된다. 장기적으로는 우선 경제성은 낮더라도 보다 높은 온도에서 사용할 수 있는 신소재에 대한 연구개발이 주로 이루어진다.

단기적인 기술개발은 주로 부품을 제조해 완성차 회사에 공급하는 부품회사와 자동차 연구소가 주가 돼 연구개발이 이루어진다. 그러나 중장기적인 연구는 주로 국가적인 지원에 의해 대학이나 연구소에서 물성이 향상된 재료의 기초연구가 진행돼 차후에 경제성이 고려되는 양상으로 연구개발이 진행된다.

◇ 단기적 기술개발 목표

- 배기 매니폴드용 고내열 주철재(Si-Mo ductile, Ni-resist) 및 스테인리스 주강재 개발을 위한 합금설계 기술
- 미세조직 제어기술
- 고내열 재질에 대한 기초물성 (고

온 인장강도, 열피로 강도) 평가 기술
- 박육화를 위한 주조 공정 해석을
위한 기술 기반 확보
- 설계 및 기초특성 계통화 평가기술
- 내열 코팅 기술

◇ 중장기적 기술개발 목표

- 내구 수명 정량화를 위한 D/B 구축
- 박육화를 위한 정밀 주조공정 해석기술 개발
- 박육 금형 기술 개발
- 제품형상 설계기술
- 열변형 전산모사 기술
- 시제품 특성 및 품질평가 기술
- 고온 내열 물성이 우수한 신소재 개발
- 신소재를 이용한 부품을 제조하기 위한 공정기술 개발

이와 같은 단기적 연구개발에 의한 신차 적용과 아울러 중장기적인 연구개발을 통해 배기계 부품의 내열 성능이 향상되고 이들 부품의 성능 향상은 배기가스의 절감을 통한 친환경 자동차의 개발로 이어지게 될 것이다.

▲ 고성능 엔진 배기 매니폴드용 배기온도 950 °C 급 초내열 내식 철강 Micro Road Map.

■ 국내 산업이 나아갈 방향

◇ 국가적인 원천·핵심 소재 기술 연구 프로그램 지원

자동차 고온재료의 연구개발은 기술개발 초기부터 실수요자 (완성차 업체, 부품 제작사, 재료개발 연구, 시험평가 등)가 참여해 수행돼야 하며, 산학연의 역할분담이 명확하게 이루어져야 한다. 자동차 고온부품은 우리나라에서 이미 세계 5위의 자동차 생산 국가를 유지하고 있기 때문에 성능이 우수한 제품을 생산해 완성차에 채용하고 있으나 연구개발을 통한 우리만의 기술력을 가지기에는 아직 부족한 상황이다.

따라서 자동차 고온부품 개발 분야는 선진국과의 기술격차가 크지 않고 생산기술면에서는 동등하거나 일부 우위를 보이고 있으므로, 보다 기초적인 연구개발을 통한 고온내열성이 우수하면서도 경제성이 높은 재료의 개발과 생산성·안정성이 우수한 제품개발 기술이 요구된다.

자동차 고온부품의 내열성과 내구성 향상에 극복해야 하는 가장 중요한 요소로는 소재개발 단계에서의 연구개발과 경제성이 우수한 생산기술이 필요하다. 이를 위해서는 완성차 업체의 연구개발 지원과 이를 활성화하기 위한 정부의 연구개발 지원이 필요하다. 또한 고온부품의 개발에서 고온소재 개발로 정부 연구 지원을 변화시켜나갈 필요가 있다.

◇ 연구 협력기반의 확충

자동차 고온 재료와 부품의 개발은 완성차 연구소를 중심으로 기술개발이 이루어지고 있어서 국내에 많은 관련분야 연구 인력을 확보하고 있음에도 불구하고 연구협력기반은 취약한 상태이다. 최종제품의 연구개발에 있어서는 품질과 성능을 책임지는 완성차사에 있다 하더라도, 고온재료 개발과 평가 분야는 이미 기반을 잘 갖추고 있는 연구소와 대학을 이용하면 보다 혁신적인 제품을 생산할 수 있을 것이다. 또한 이들 고온제품을 생산하는 중견 자동차 부품 제조업체는 여건 상 연구 인력이 부족하기 때문에 더욱이 산학연의 연계에 의한 제품개발이 이루어져야 한다.

선진국 기술의 모방에서 벗어나 원천기술을 확보하기 위해서는 자동차 고온부품과 재료의 기초연구에 대한 투자가 절실히 요구된다. 최근 들어 자동차의 양산보다는 품질과 내구성 그리고 환경 친화적인 개념의 명차 개발이 우선시 되는 세계적인 자동차 시장의 특성상 자동차 품질 선진국의 명성을 유지하고 있는 일본과 독일의 산학연 연구개발의 체계를 우리나라에도 도입해야 할 필요가 있다.

자동차뿐만 아니라 항공기의 엔진에도 요구되는 고온재료의 개발을 위해서는 관련 연구를 전문적으로 담당할 수 있는 대형 공동설비 구축과 허브기관의 설치 등을 통해 지속적인 연구개발이 산학연 공동으로 수행돼야 한다.