Update2024.05.23 (목)
분말 특수 성형, 초고강도 제품 생산에 적합
■ 기술의 정의 및 분류
분말 특수 성형 기술은 금속 분말, 세라믹 분말, 복합 분말 등의 성형체를 적당한 온도로 가열·가압해 분말 소결체를 제조하는 열간 가압 성형 기술이다. 분말 특수 성형기술은 무가압 소결법과 달리 압력을 가하면서 상황에 따라 성형체 내에 전류를 통전하는 등의 특수한 처리를 하게 된다.
분말 특수 성형 기술은 크게 열간 가압 성형과 펄스 통전 소결(PCS, Pulsed Current Sintering)로 구분할 수 있다.
◇ 열간 가압 성형
열간 가압 성형방법에는 열간 프레스, 열간 등압 성형, Sinter-HIP 또는 GPS 등 세가지 성형방법이 있다.
○ 열간 프레스(Hot Press)
금형 내에 분말을 장입하고 가열하면서 유압기로 약 20 MPa의 압력을 가하는 성형방법
○ 열간 등압 성형(HIP, Hot Isostatic Pressing)
성형체나 무가압 소결된 소결체를 불활성 분위기 중 가열하고 가스 압력을 약 100 MPa까지 증대시켜서 소결하는 성형방법
○ Sinter-HIP 또는 GPS(Gas Pressure Sintering)
분말 성형체를 노 내에 장입한 후 무가압 소결하고 약 20 MPa의 불활성 가스로 가압해 소결하는 성형방법
◇ 펄스 통전 소결
흑연다이에 분말을 장입한 후 상하 펀치에 펄스 전류(Pulsed Current)를 통전시키고 약 10 MPa의 압력을 가하면서 소결하는 기술로 신소재 연구에 많이 활용한다.
분말 특수 성형기술에 대한 세분류 및 주요 내용을 요약하면 아래의 표와 같다.
■ 작동원리 및 적용부품
분말 특수 성형 기술의 작동 원리는 사용되는 소결 장치에 따라 다소 차이가 있다.
◇ 열간 프레스(Hot Press)
열간 프레스(Hot Press)의 경우, 주로 탄소 금형 내에 볼밀링해 혼합된 분말이나 원소 분말을 장입한 후 전기로 챔버 내에 넣어 유압기로 약 20 MPa의 압력을 가해 분말 사이의 기공을 없애고 분말 간 결합을 통해 치밀한 소결체를 제조한다. 주로 노즐과 같은 내마모용 세라믹 부품, 다이아몬드 공구 소결 등에 적용되며, 비스무트-텔루륨(Bi-Te)계 열전 소재의 제조, 스퍼터링 타켓용 원판 제조 등에 사용되고 있다.
◇ Sinter-HIP 또는 GPS
Sinter-HIP 또는 GPS의 경우 볼밀링해 혼합된 분말이나 원소 분말을 금형 내에 장입하고, 유압프레스로 가압해 얻은 성형체나 냉간 정수압 성형(CIP, Cold Isostatic Processing)에서 얻은 성형체를 챔버 내에 장입한다. 그리고 진공 상태에서 가열·소결해 확산에 따른 분말 결합을 촉진하고 분말사이 기공을 없애 1차 치밀화를 한다. 이후 아르곤과 같은 불활성 가스로 약 20MPa의 압력을 가해 잔존하는 기공을 완전히 없애 치밀화 소결체를 제조한다. 이 기술은 절삭공구, 엔드밀, 다이 등 내마모용 부품에 주로 사용되는 초경합금이나 서멧트(Cermet)의 생산, 소결이 잘 안 되는 실리콘계 질화물 세라믹 부품의 제조에 많이 사용된다.
◇ 열간 등압 성형(HIP)
열간 등압 성형(HIP)의 경우 주로 두 가지 분야에서 사용된다. 열간 등압 성형은 일반 상압 소결체 내부의 기공 제거 용도로 사용된다. 즉, 소결체나 주조재 내부에 잔존하는 기공을 제거해 치밀한 부품 소재를 얻는 것이다. 소결체나 주조재를 열간 등압 성형기 내부에 적재한 후 아르곤과 같은 불활성 분위기에서 가열하고 가스 압력을 약 100MPa까지 증대시켜 소결체의 사방으로 같은 압력을 가해 기공을 소멸시킨다. 이 기술은 주로 진공 소결된 초경 합금 부품이나 서멧트, 세라믹 절삭공구, 다이스 등의 내부에 잔존하는 기공을 제거해 기계적 특성을 향상시키기 위해 많이 사용된다. 또한 열간 등압 성형은 항공우주 분야에서 티타늄 주조재 내부의 기공을 제거하는 데에도 사용된다.
열간 등압 성형은 성형체를 캐닝-열간 등압 성형이나 캡슐-열간 등압 성형해 치밀한 소결체를 얻는 용도로 사용된다. 분말을 금속 캔이나 유리질 캡슐에 장입해 밀봉한 후 열간 등압 성형 장비 내에 넣는다. 이후 아르곤과 같은 불활성 분위기 중 가열하고 가스 압력을 약 100MPa까지 증대시킨다. 성형체는 열적 에너지와 정수압에 의해 수축되면서 기공이 소멸되고 그 결과 치밀한 소결 제품을 제조할 수 있다. 사용 예로는 엔드밀이나 금형재료로 많이 시용되는 분말 고속도 공구강의 제조를 들 수 있다. 외국에서는 특수한 용도로 사용되는 분말 스테인리스강, 분말 니켈기 내열합금의 제조 등에도 사용된다.
◇ 펄스 통전 소결(Pulsed Current Sintering, PCS, SPS, PAS)
펄스 통전 소결(Pulsed Current Sintering, PCS, SPS, PAS)은 흑연 다이에 분말을 장입한 후 상하 펀치에 펄스전류(Pulsed Current)를 통전시킨다. 주울(Joul)열에 의한 가열 및 분말 사이의 스파크 발생에 의해 분말 표면이 청정화 되며, 가압하면 분말 사이의 기공이 없어지고 단시간에 분말을 결합해 치밀화 소결체를 얻게 된다. 펄스 통전 소결은 초경합금 중 코발트(Co)성분이 거의 없이 텅스텐 카바이드만으로 구성된 소재의 제작, 초미립 초경 제조, Bi-Te계 열전소재의 생산에 적용되고 있다. 펄스 통전 소결과 관련해 다이아몬드 공구 소결, 금속 분말 소결, 각종 세라믹 소결, 이종접합, 나노 및 초미립 재료 소결, 스퍼터링 타켓 제조에 관한 연구가 진행되고 있다.
분말 특수 성형, 내마모성·내치핑·제품 수명 ↑
국내 장치 개발 기술 열약…대부분 수입 의존
■ 기술의 환경변화 및 중요성
◇ 금형 및 공구 수명 향상의 필요성 증대
특수 성형공정으로 제조된 분말 소재를 사용하면 내마모성 및 내치핑(Chipping)성이 증가해 공구나 금형 수명이 크게 향상되며 국내에서 생산된 소재 부품의 대외 신뢰도를 향상시켜 국가 산업 경쟁력을 높일 수 있다.
◇ 특수 성형 소결 제조의 확대 전망
최근 이동 통신기기, 조명기기, 평판 디스플레이의 첨단화에 따른 박막 소재의 적용이 증가하고 있다. 박막 소재에 사용되는 스퍼터링 타켓은 분말 소재를 특수 성형 소결해 제작된다.
향후 적용이 확대될 것으로 전망되는 열전 소재를 제조하는 과정에도 분말을 이용한 특수 성형 소결 공정이 필수적이다. 특수 성형 소결 공정은 방열 소재에서 소결 특성을 향상시켜 열전도율을 높이는 데 사용되며, 자동차의 경량화를 위해 분말 Al(알루미늄)계 부품의 소결성을 향상시키고 Ti(타이타늄)계 생체 부품의 제조 등 새로운 분말 신소재의 개발 및 산업화에도 이용된다.
◇ 특수 부품 및 대형 고신뢰성 소결 제품 필요성 증대
특수 분말 성형법으로 제조된 제품은 주조로 제조된 부품보다 기계적 특성이 우수해 신뢰성이 높다. 또한 고합금화가 가능하고 복합소재 제조, 이종 접합 등이 가능하다. 이에 선진국에서는 우주 항공 산업 및 원자력 발전용 부품, 자원 에너지 산업에서 가스나 오일 등 자원 채취에 사용되는 중대형 부품에 소결 제품을 적용하고 있다. 관련 수요도 향후 증대될 것으로 예상된다.
■ 기술 분야별 동향
분말 특수 성형 기술에 대한 기술 분야별 동향은 아래과 같이 정리할 수 있다.
◇ 장치 제작 기술
연구개발용 열간 가압 소결장치는 국내 기술로 제작이 가능하다. 열간 프레스(Hot Press)는 국내에서 생산용 장비의 제작이 가능하며 다이아몬드 공구 소결에 많이 이용한다. 열간 등압 성형기의 경우 국내에서는 생산용 중대형 장치의 제작 경험이 적어 안정성이 겸비된 제작 기술 개발 및 제조 경험 축적이 필요하다. Sinter-HIP 생산 장비는 수입 제품을 사용하며 초경 소결에 많이 이용되고 있다.
펄스 통전 소결 장치는 연구 용도로는 국내 제작이 가능하며, 중대형 장치의 경우 고주파 전문 업체와 노 제작 전문 업체가 협조하는 경우 제작을 시도할 수 있다. 우리 나라는 선진국에 비해 중대형 생산 장비 제작 경험이 부족하며 배치 타입보다 생산성이 높은 자동화 라인 설계 및 제작 기술이 부족하다.
◇ 분말 제조 기술
열간 등압 성형으로 부품을 제작하는 경우 캔 속에 분말을 충진한 후 밀봉하고 고온 고압에서 소결 열처리를 하게 된다. 캔 내 분말의 충진율을 높이기 위해 구형의 합금화된 분말을 주로 사용한다. 분말 중 산소 함량을 최소화해야 치밀하고 개재물이 적은 청정한 소결체를 얻을 수 있다. 주로 합금을 용해한 후 노즐을 통해 고압의 불활성 가스로 분사하는 가스 분사법이 주로 사용되고 있다.
재질은 분말 고속도 공구강, 듀플렉스(Duplex) 스테인리스강, 니켈계 초내열합금, 티타늄계 합금 등이 있다. 분말 고속도 공구강 분말을 제조하는 공정은 국내에서 개발됐으나 대부분 수입에 의존하고 있다. 열간 등압성형용 니켈계 초내열합금, 티타늄계 합금 분말은 국내 생산 기반이 없다. 선진국에서는 여러 분야에 열간 등압 성형에 의한 듀플렉스(Duplex) 스테인리스강, 니켈계 초내열합금, 티타늄계 합금 부품을 적용하고 있으나 국내에서는 해당 분야의 연구개발이 미진한 상태다. 분말 제조 부문에서는 합금 성분 조절, 용해 기술, 스크랩 재사용기술, 진공 가스 분사 기술, 노즐 설계 및 재질 선정 기술 등이 중요하다.
◇ 소결 전처리 및 소결 공정 기술
열간 등압 성형의 소결 전처리에는 분말을 장입할 캔 설계 및 재질 선정, 분말 성형·충진하는 방법, 진공 탈가스 처리한 캔을 밀봉·용접하는 기술이 핵심이다. 충진 효율이 낮거나 불균일 충진 시 소결체의 형상 제어가 어렵다. 탈가스 처리가 불충분하거나 밀봉·용접 불량이 생길 경우 가압 소결 후 치밀한 소결체를 얻을 수 없다. 각종 문헌을 통해 해당 기술들이 소개돼 있으며 국내 업체는 소결 전처리 및 소결 공정 기술을 보유하고 있다.
펄스 통전 소결의 전처리 및 소결 공정에서는 몰드 설계 및 가공, 몰드 재질 제조, 소결 사이클 조절 등이 중요하다. 국내 연구소나 대학에서는 관련 경험이 비교적 풍부한 편이다. 흑연 몰드 소재는 주로 수입해 사용하고 있으며 몰드 설계 및 가공은 국내에서 가능하다. 여러 신소재에 대해 많은 문헌 자료가 있으며, 국내 연구진의 경험도 풍부한 편이다.
◇ 소재 및 부품 제조 기술
국내 기업에서는 금형소재인 초경합금, Cermet, 세라믹 부품을 제조할 때 소결 후 치밀화를 위한 후처리 용도로 열간 등압 성형을 많이 사용하고 있다. 캔닝 후 열간 가압 소결하는 분말 고속도강의 제조 기술은 국내에서 개발돼 있으나 엔드밀 제조업체에서는 대부분 수입 소재를 사용하고 있다.
펄스 통전 소결은 소재 및 부품 제조의 연구가 많이 진행된 분야로 초경합금 소결, 열전소재 소결, 스퍼터링 타켓, 다이아몬드 공구 소결, 금속 분말 소결, 세라믹 소결, 이종접합, 나노 및 초미립 소재 소결 등에 이용된다. 일본에서는 펄스 통전 소결을 상업화해 초경합금 제조, 열전소재 소결 등에 이용하고 있다. 국내의 경우 산업체에서 펄스 통전 소결을 제품화해 생산한 사례는 없으나 향후 점진적인 제품 개발 및 생산이 이루어 질 것으로 예상된다.
■ 기술개발의 주요이슈
◇ 장치 제작 기술
열간 등압 성형 장비는 고압의 가스를 사용하므로 챔버의 파괴에 의한 사고를 방지하기 위해 장기 안정성 및 신뢰성의 확보가 필수적이다. 열간 등압성형장비의 크기가 클수록 열간 등압 성형으로 대형 부품을 제작할 수 있고 작은 부품을 제작하는 경우에도 생산성이 높아져 부품의 제조 원가가 낮아진다. 또한, 생산성 향상을 위해 고온에서 열간 등압 성형 후 냉각 시간을 단축하는 기술이 개발되고 있다. 현재 대형 열간 등압 성형 장비의 개발은 매우 중요한 이슈이다.
한편, 통전 용량이 크고 가압력이 높은 생산용 펄스 통전 소결노의 국내 개발은 미진한 편으로 관련 장비 제작기술 개발이 필요하다. 아울러 대용량 펄스 통전을 위한 전류 공급 장치 및 대형 프레스 노 제작기술 개발이 필요하다. 생산성 향상을 위해 배치타입이 아닌 연속식으로 성형체를 공급하는 자동화 라인의 설계 및 제작기술을 확보해야 자동차용 피스톤 Al-Si계 실린더 등의 대량 소결 부품 제조가 가능하다.
◇ 분말 제조 기술
열간 등압 성형에 의한 소재 부품의 제조 원가를 줄이기 위해 가스 분사 공정에서 배치(Batch)당 분말을 10톤 수준으로 제조하는 기술 개발이 필요하다. 선진국에서는 배치당 분말 제조량 20톤을 목표로 하고 있으며 이를 대비한 장기적인 목표 수립이 필요하다.
◇ 소결전처리 및 소결 공정 기술
열간 등압 성형체의 소결 사이클은 소재에 따라 조업 범위가 정해져 있으며 소재나 성형체 크기에 따라 세부적인 적정 조건 선정 연구가 필요하다. 특히, 열간 등압 성형 후 냉각 시 15시간 이상이 소요되므로 산업 현장에서 생산성 향상을 위해 시간 이내로 냉각하는 기술 개발이 필요하다. 대형 열간 등압 성형 장치(직경 1.8m, 높이 3.3m)를 사용하면 중형 장비(직경 0.8m, 높이 2.5m)를 사용하는 경우보다 제품 제조 원가를 기존의 1/3 수준으로 줄일 수 있다고 보고됐다.
열간 등압 성형 장비 운영의 위험 인자로는 베셀·압축기·압력 라인이나 피팅 부위의 파괴, 작업자 실수 등이 존재한다. 장비 제작 시에는 설계 기준에 맞는 재료 선정 및 검사, 산소 센서 설치, 불활성 가스 유출 대비책 등이 필요하다.
방전 플라즈마 소결 전처리 및 소결 공정 기술에서 경사 기능 소재의 제조를 위한 몰드 설계, 몰드 및 성형체 크기에 따른 소결 사이클 조절, 소결 분위기 제어 등이 주요 이슈이다. 또한 성형체의 치밀화 조건 및 소결체의 위치별 조직 균질화를 위한 제조 조건 확립이 중요하다.
◇ 소재 및 부품 제조 기술
분말 열간 프레스(Hot Press) 기술은 다이아몬드 공구, 스퍼터링 타켓, 세라믹 기판, 세라믹 노즐, 기타 세라믹 부품 등에 적용되고 있다. Sinter-HIP은 초경 봉재나 금형 재료 소결에 많이 이용된다. GPS(Gas Pressure Sintering)는 질화 규소, 실리콘 카바이드와 비산화물계 세라믹 부품(디젤엔진 필터, 절삭공구)등을 소결하는데 상용화돼 사용되고 있다. 관련 생산 기술은 이미 보편화돼 기술 개발의 이슈는 적은 편이다. 기업은 장비 설치 후 원하는 분말 부품의 제조 공정 확립이 주요 관심사이다.
열간 등압 성형 장치를 이용한 소재 및 부품 제조 기술은 상당히 오랜 역사를 지녔지만 최근 장치 대형화 및 소결체의 대형화, 소결체 품질 강화, 고기능화에 힘입어 산업계에서 관심이 고조되고 있다.
일반 소결 후 치밀화를 위한 후처리용 초경합금, 서멧(Cermet), 세라믹의 제조는 보편적 기술로 국내에서 광범위하게 사용되고 있다. 분말 고속도 공구강이 산업적으로 가장 많이 사용되고 있으며 제조 원가를 절감을 위해 가스 분사에 의한 원료 제조 및 HIP 배치(Batch)당 생산량을 증대시키는 것이 주요 이슈이다. 선진국에서는 항공 우주 산업에 쓰이는 티타늄 및 알루미늄 부품의 신뢰성 향상을 위한 주조 후 기공 제거에 적용되고 있으며 국내에서도 이와 같은 특수한 적용 분야 확대가 필요하다.
또한, HIP 공정을 사용해 특성이 상이한 이종 소재를 확산 접합해 양쪽 소재의 특성을 동시에 활용하는 분야가 이슈화되고 있다. 예를 들면, 열적 특성이 우수한 동합금과 내식 및 내열성이 우수한 스테인리스를 확산 접합한 핵융합 실험기 내부의 차단 베셀 등이다.
한편, 선진국에서는 열간 등압 성형에 의한 대형 제품의 개발 연구 및 제품화가 주요 이슈이다. 특히, 오일이나 가스 채취에 관련된 에너지 산업에서 관련 설비의 신뢰성 향상을 위해 Manifold(유전에서 오일이나 가스 채집시 시용), Swivel (오일, 가스 통과관), Wye-piece (심해 관찰용) 등의 대형 부품 제조에 합금 분말의 열간 등압 성형법을 적용했다. 향후 다양한 산업 분야의 대형 제품의 개발에 열간 등압 성형이 적용될 것으로 보인다.
또한 전자 산업의 발달에 따라 다양한 물질을 코팅해야 하므로 스퍼터링 타켓 제조 시 열간 등압 성형공법을 적용하기 위한 연구가 수행되고 있다.
■ 국가별 연구동향-일본
현재 일본에는 수백 대의 분말 성형 장비가 대학, 연구소, 기업체에 보급돼 있으며 신소재 개발이 활발하다. 일본은 2007년부터 ITER(International Ther monuclear Experimental Reactor, 국제핵융합실험로) 프로젝트에서 HIP(열간 등압 성형)에 의한 ITER 부품 개발을 진행하고 있다. 주요 적용 부품은 ITER 일차벽용 CuCrZr 합금 또는 베리륨 차단재 (Be Armor)와 스테인리스를 HIP으로 접합한 진공 베셀의 차단판 등이다.
■ 국가별 연구동향-미국
UC Davis의 Munir 교수 연구팀이 펄스 통전 소결과 관련해 금속 간 화합물을 비롯한 신소재 연구를 활발히 진행하고 있다.
■ 국가별 연구동향-유럽
유럽에서는 기업체 주도의 개발이 많으며 순수 연구기관에서는 장비를 이용한 신소재 제조 실험을 주로 하고 있다. 분말 특수 성형 공정기술에 대한 주요 해외 선도 연구기관은 아래의 표와 같다.
■ 국가별 연구동향-한국
◇ 연구개발 현황
국내 분말 특수 성형 공정기술 연구개발 현황은 다음과 같다.
○ 장치 제작 기술 분야
펄스 통전 소결 장치는 엘텍코리아에서 국산화했으며 전원공급 장치 기술이 우수해 국내 대학, 기업체 등에 판매 실적이 있다. 열간 등압 성형기는 일신오토크레이브에서 개발해 생산하고 있다.
○ 분말 제조기술 분야
재료연구소(KIMS)와 창성은 가스분사법에 의한 분말고속도강 분말을 공동 개발했다. 현재 창성은 가스분사법에 의한 다양한 합금 분말 제조 기술을 보유하고 있다.
○ 소결전처리 및 소결공정기술
재료연구소는 분말 고속도 공구강에 대한 열간 등압 성형에 관련된 전처리 및 소결 공정 기술을 개발했다. 대화알로이테크는 열간 등압 성형장치를 이용해 다양한 롤 및 내마모 소재를 제조하고 있으며, 코힙스테크는 열간 등압 성형 서비스를 하고 있다. 초경업체나 세라믹 업체에서는 자체 보유 HIP으로 초경이나 세라믹 부품을 생산하고 있다.
○ 소재 및 부품 제조 기술
생산기술연구원은 펄스 통전 소결을 이용해 다이아몬드 공구, 스퍼터링 타켓, 마그네슘 합금 제조 등 신소재 제조 연구를 수행하고 있다. 재료연구소는 구조용 세라믹스 소재 개발 연구를 추진하고 있으며 공구업체에서는 펄스 통전 소결을 다이아몬드 공구 제조에 용용하고 있다.
◇ 기술경쟁력 분석
한국의 분말 특수 성형 기술 수준은 선진국과 비교해 기술별로 50%~90% 수준으로 평가된다. 각 기술별로 비교해 보면 가장 큰 격차를 보이는 것이 장치 제작기술 부문이다. 특히, 열간 등압 성형 장치의 경우 중대형 장치의 개발 및 생산 경험이 전무해 전량 수입에 의존하고 있는 실정이다. 방전 플라즈마 소결장치의 국산화는 이루어졌으나 대용량의 노 제작 경험이 없으며 연속적인 자동화 라인 기술이 개발돼 있지 않다. 장비 개발은 장비 수요와 자금력, 경험 등이 필요한 분야로 이에 대한 장기적 지원이 필요하다.
가스분사법에 의한 합금 분말 제조기술의 경우 기초 기술은 확보하고 있으나 대량 생산 기술 및 원가 절감 방법 등이 필요하다. 소결 전처리 및 소결기술은 국내 연구소 및 업체에 생산 경험이 축적돼 있어 상당한 수준인 것으로 판단된다. 국내 대학 및 연구소는 다양한 신소재에 대한 연구 경험은 있으나 실제 부품 제조 기술 및 생산 연구 경험이 부족한 편이다.
■ 국내외 주요 기업의 생산활동
◇ 일본
현재 일본은 노즐, 금형소재, 열전소재, 스퍼터링 타켓, 다이아몬드 공구의 생산에 분말 특수 성형기술을 적용하고 있다. 1988년 Japax Institute는 PAS (Plasma Activated Sintering)를 세계 최초로 개발했다. 1990년 Sumitomo Coal Mining은 SPS(Spark Plasma Sintering)장치를 개발해 초미립 초경합금, Binderless 초경을 비롯한 제품을 생산하고 있다. Sumitomo는 최대 펄스전류 3만A, 최대압력 1,000톤인 펄스 통전 소결 양산 장비를 생산하고 있다. 또한 Dr. Sinter Series 장치를 구성해 신소재 연구개발용부터 생산용 및 자동화 장비가 구축된 전용기 등을 구성해 부품·소재 산업의 생산 공정에 적용하는데 성공했다. 최근 Ishikawajima 및 PLASMON 은 소결 부품 소재의 대형화 요구에 부응해 부품 소재의 소결 공정 시 부품의 내외부 온도 편차 해결 및 소결 시간 단축을 위해 펄스 통전 소결 장치와 펄스 통전 소결 장치 외부에 보조 가열장치를 장착한 Hybrid Hot Press를 개발해 시제품 제작에 성공했다.
또한 Kobe Steel 그룹인 Kobelco는 열간 등압 성형 장치를 생산하고 있으며MTC(Metal Technology Co., Ltd.)는 2011년 16대의 생산 장비를 이용해 분말 고속도강 롤, 터빈 블레이드 주조품의 기공 제거, 동 또는 알루미늄과 스테인리스강의 확산 접합 부품을 생산하고 있다. 2011년 현재 일본 내 설치된 HIP 수는 360대로 전 세계 HIP 기계(951대)의 약 37%를 차지할 정도로 생산 활동이 활발하며 기업들이 주도적으로 관련 제품을 연구하고 있다.
◇ 미국
미국은 1950년대에 Battelle Memorial Institute(BMI)에서 HIP 장치를 개발한 후 2011년 현재 약 321대가 설치돼 관련 제품을 생산하고 있다. Crucible Steel Corporation은 분말 고속도 공구강을 생산하고 있으며 분말 니켈계 초내열합금, 분말 티타늄 제품을 개발·생산하고 있다. Howmet Corporation은 HIP 관련 실형상제품 및 디젤 엔진 밸브 리프터(Lifters) 및 4140 계 Steel Extrusion Barrel 이종 소재의 클래딩(Clading) 제품 등을 생산하고 있다.
Pressure Technology, Inc. 및 Kittyhawk Products는 초경, 세라믹, 자성재료, 금속기 복합소재, 니켈 및 코발트계 초내열합금, 광학재료, Ti 주조재의 후처리용에 HIP을 적용하고 있다. Bodycote는 HIP 생산 장비와 다양한 HIP 제품을 생산하고 있다. 항공기엔진 및 구조용으로 니켈계 및 티타늄계 주조 부품의 기공제거, 알루미늄 자동차나 컴퓨터의 통신용 주조 부품의 기공제거, 광산용 부품의 HIP 처리 등에 이용되고 있다. American Isostatic Press(A.I.P.)도 대형(Hot Zone Size: Dia1550 X 3050 mm) HIP 설비를 생산할 수 있다.
◇ 유럽
2011년 현재 열간 등압 성형기 보유국 순위는 독일(43대), 영국(34대), 스웨덴(21대), 스위스(11대), 이태리(10대) 순이며, 스웨덴의 Avure Technology가 HIP을 생산하고 있다.
Sandviks HIP은 오스테나이트, 스테인리스강, Duplex 스테인리스강, 마르텐사이트강, 금속기지 복합재료, 니켈합금, 티타늄합금 부품을 생산하고 있으며 해양 및 전력생산 분야에서 허브(Hubs), 매니폴드(Manifolds), 펌프하우징(Pump Housings), 스팀 체스트(Steam Chests), 스트레스메터(Stressometers), 스위불(Swivels), 터빈로터 샤프트(Turbine Rotor Shafts), 밸브 몸체(Valve Bodies), 라이 피스(Wye Pieces) 등을 개발해 공급하고 있다.
독일의 FCT(Fine Ceramic Techno logy)사는 60,000A급의 펄스 통전 소결 장치를 개발해 독일의 연구소 및 업체에 납품했다.
◇ 국내
펄스 통전 소결로는 고주파 기술 전문업체인 엘텍코리아에서 국산화해 대학 및 기업체에 수 대 납품한 사례가 있으나 국내 수요가 작아 관련 장비 매출이 미미한 편이다. 코힙스 테크는 초경업체에서 제조된 소결체를 열간 등압 성형하는 전문 서비스 업체로 국내 중소 초경업체의 품질을 높이는 역할을 하고 있다. 대화알로이테크는 열간 등압 성형을 이용한 철강 산업에 쓰이는 각종 롤을 개발해 생산하고 있으며 열간 등압 성형 제품 제조에 관해 상당한 수준의 기술을 보유하고 제품 다양화를 시도하고 있다.
창성은 가스분사에 의한 합금 분말을 생산하고 있으며 대부분 주문 생산이므로 국내에서 분말의 산업적 수요가 있으면 생산이 가능한 상태이다. 열간 등압성형기는 오토클레이브 전문 업체인 일신오토크레이브에서 개발했으며 국내의 장비 수요가 적어서 관련 매출은 미미한 편이다.
이화다이아몬드 및 신한 다이아몬드에서 열간 성형기를 이용해 다이아몬드공구를 수십 년간 생산해 왔으며 다이아몬드 공구의 매출은 상당한 규모이다.
분말 특수 성형제품 시장 2013년 1조6천억
국가 차원 기술개발·기업 생산기술 개발 必
■ 시장규모 및 전망
분말 특수 성형 분야는 다양한 소재나 장비가 이용되는 분야이므로 공식적인 시장 조사 결과는 보고된 사례가 없다.
◇ 제조 장비
2011년 현재 운용중인 열간 등압성형(HIP) 장비의 전 세계 설치 대수는 951대로 국내에는 7대가 설치돼 있다. 일본이 360대, 미국이 321대로 일본과 미국이 관련 장비 제조기술 및 이를 이용한 제품 제조를 주도하고 있다.
1990년부터 1999년까지 펄스 통전 소결로는 일본에 약 140대, 한국에 약 7대, 중국에 5대, 기타 국가에 수 대 이하로 설치됐다. 1990년 이후 2011년 현재까지 펄스 통전 소결로의 국가별 보유 장비 수는 일본 약 200대, 한국 약 19대, 중국 30대, 기타 국가 수 대 이하(10대로 산정)로 일본이 기술을 주도하고 있다. 즉, 11년간 일본이 약 60대, 한국 약 12대, 중국 25대가 지속적으로 설치됐으며, 장비 수요는 증가하는 추세였다.
◇ 분말 특수 성형 관련 소재 및 부품 시장
분말 특수 성형 관련 소재 및 부품 시장 중 제일 큰 시장은 고속도강 및 초경 금형·공구 및 다이아몬드 공구 시장이다. 본 원고에서는 공식적인 시장 자료가 있는 공구·금형에 대해만 제시했다.
한국 공구 협동 조합 자료에 따르면 고속도강 및 초경 금형·공구 및 다이아몬드 공구의 국내 시장은 다음의 표와 같다. 다이아몬드 공구는 주로 열간 프레스(Hot Press)에 의해 제조되며 분말 특수 성형 공법을 적용한다. 고속도강 및 초경 금형/공구 중 분말 특수 성형이 적용되는 분말 고속도 공구강 및 초경 공구·금형은 하기 제시한 시장 중 일부일 것으로 판단된다.
■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방향
◇ 미래의 연구방향
부품 대형화 추세에 대응하기 위해 대형 제조 장비 및 운용 기술 개발이 필요하다. 또한 실형상(Near-net Shape) 제품 개발에 분말 특수 성형 기술을 응용하기 위한 연구 개발이 요구된다. 전자 부품 산업 및 정보 통신 산업의 성장, 태양에너지 활용 확대 등에 따라 새로운 코팅 소재가 필요하므로 스퍼터링 타켓 제조를 위한 소재 개발 및 열간 특수 성형 공정 개발에 대한 연구가 필요하다.
◇ 국내 산업이 나아갈 방향
분말 특수 성형 기술은 전통적으로 수십 년부터 사용된 기술로 주로 선진국에서 제조를 주도하고 있는 분야다. 미래 자동차 및 항공 우주시대에는 고신뢰성의 경량 소재 부품 적용이 필수적이므로 국가적 차원에서 기술 개발을 지원하고 관련 업체가 미래 시장을 위해 투자할 수 있도록 생산 기술개발을 지원해야 한다.
또한, 분말 특수 성형 장비의 개발, 해당 장비를 이용한 소재 및 부품 개발에 관련된 연구를 체계적으로 지원해 관련 기업을 전문화하고 세계적 기술 리더 역할을 할 수 있도록 도와야 한다. 이를 위해 정부 출연 연구소를 중심으로 대학교, 산업체간 연계협력을 더욱 강화해야 한다.
