■ 기술의 개요

◇ 기술의 정의

공구용 소재는 경도와 인성의 동시 확보가 필요하다. 이를 달성하기 위해서는 탄화물 입자를 나노급으로 미세화하고, 균질 혼합으로 공구의 중요한 물성인 경도와 항절력를 동시에 확보해야 한다.

초경합금(hard metal, cemented carbide)은 금속의 탄화물 분말을 소성해서 만든 경도가 매우 높은 합금이다. 대표적인 소재는 탄화텅스텐(WC)을 주체로 한 결합금속인 코발트(Co)와 소결합금이다. 코발트는 중량비율이 6% 정도이며, 탄화텅스텐 입자들 사이의 코발트에 탄소(C)와 텅스텐의 녹은 것이 개재해 있다. 초경합금은 금속제품을 자르거나 깎는 커터(절단기)·다이스 등에 사용되고, 그 밖에 광산이나 토목용에서 바위에 구멍을 뚫는 착암용 공구의 선단 등에도 사용된다.

초경합금의 특성은 일반적으로 경질입자인 WC의 혼합비 및 WC의 입자크기에 크게 의존한다. 일반적으로 WC의 혼합비가 높고 WC 입자의 크기가 작아질수록 공구 소재의 경도가 증가한다.

▲ 초경 공구의 예.

▲ 나노급 초경 공구 소재기술의 분류.

■ 환경변화 및 기술의 중요성

◇ 산업 고도화에 따른 고기능 초경소재 수요 증대

나노 초경합금은 고경도·고강도·고내마모성을 겸비하고 있으며 저속 절삭에서는 대단히 우수한 성능을 발휘하므로 예리한 모서리 형상을 가지고 있거나 인성과 내마모성이 동시에 요구되는 공구에 사용된다. 주로 PCB드릴, 엔드밀, 슬리팅 나이프, 반도체 금형으로 사용되고 있다.

나노기술의 발달에 따라 나노급 WC 입자 제조가 가능하게 돼, 향후 나노급 초경합금의 사용이 확대될 것으로 예상된다. WC 입자크기가 초미립화되면 초경합금의 기계적 특성이 비약적 향상될 것이다. 따라서 미래의 공구/금형 시장은 나노급 초경합금(WC 입자크기 100nm 이하)으로 옮겨갈 것으로 예상된다.

◇ 나노 초경소재 기술의 보급 및 기술경쟁 구도 심화

고성능 나노 공구 시장의 경우 지속적인 상승세를 보이고 있으나, 이미 공급 과잉 상황으로 접어들면서 고부가가치 제품 개발 경쟁이 치열하다. 최근에 초미립 공구 재료가 개발돼 상용화됨에 따라 세계적으로 수요가 급증하고 있다. 세계 유수의 초경합금 제조 회사는 제품의 차별화 기술 개발과 가격 경쟁력 확보를 위해 고성능 초경소재를 주력 품목으로 정하고, 품질과 가격경쟁에서 우위를 점하기 위해 기술 개발에 매진하고 있다.

◇ 초경소재 고품위 재활용 기술의 수요 증가

초경합금용 금속의 매장량이 제한적이고 생산이 일부 지역에 편중돼 있다. 특히 텅스텐(W)의 경우 전 세계 매장량의 65%이상, 생산량의 85%이상을 중국이 차지하고 있다. 중국의 자원·공급의 독점으로 인해 최근 가격 상승은 물론이고 원료 공급까지 제한 받고 있는 실정이다. 지금까지 중국에서 수입되고 있는 텅스텐 원료인 APT(Ammonium Para Tungstate) 분말은 중국 정부의 수입 통제 정책으로 인해 가격이 400% 이상 상승했다. 향후에도 수입에 많은 어려움이 예상되므로, 자원의 안정적 확보와 활용 면에서 초경 스크랩의 재자원화에 대한 국내 자체 기술 확보가 시급히 요구된다.

■ 기술동향

최근 나노 WC 분말을 사용한 초경합금에 관한 연구가 급격히 증가하고 있다. 나노분말의 생산은 spray conversion process를 통해 대부분 이루어지며, 소결법의 개발과 이에 따른 조성의 안정화, 나노 미세구조의 안정화를 위한 입자성장 억제기구에 대해 많은 연구가 보고되고 있다.

초경소재의 입자 크기가 작으면 경도와 동시에 파괴인성을 향상시킬 수 있다. 하지만 초미립 분말을 성형·소결해 완전 치밀화와 동시에 입자의 크기가 수백 나노미터 이하로 유지된 초미립 벌크 소재를 제조하는 것은 초경벌크 제조기술 중에서 가장 어려운 기술이다.

최근 초미립 벌크 제조를 위해 다양한 제조법이 선진국을 중심으로 연구실 규모의 기초 연구가 진행되고 있다. 대부분 저온에서 가압을 통해 수백 나노미터 미만의 입도를 유지하면서 완전 치밀화된 벌크 재료의 제조를 시도하고 있다.

초경합금은 고온에 노출되거나 강한 충격을 받거나 자성을 띠지 말아야 하는 등 다양한 요구사항이 있다. 이를 충족하기 위해서는 조성 제어가 필요하다. 원재료인 WC 분말이 나노미터 수준까지 작아짐에 따라 WC 나노분말의 특성을 활용하기 위한 성분조정에 대한 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구의 예는 입자성장을 극도로 제한할 수 있는 첨가물 선택에 대한 연구다.

초경 원소재의 자원 확보 어려움에 따른 초경소재의 재자원화 기술은 이미 오래 전부터 널리 알려져 있다. 선진국은 건식 혹은 습식 공정들을 이용해 초경 스크랩을 재자원화 하는 핵심 기술을 확보하고 있다.

■ 기술분야별 동향

◇ 나노급 초경분말 합성 및 고밀도 소재화 공정 기술

○ 나노급 초경분말 합성 기술

WC/Co계 초경합금 제조 방법으론 일반적으로 텅스텐(W) 분말과 고상의 탄소 분말을 혼합해 고온에서 침탄하는 고상 반응에 의해 WC를 합성하는 1세대 기술이 현재 사용되고 있다. 이 합성 방법은 기계적 분쇄 공정에 의해 분말을 미립화시키므로 WC 입자 크기가 0.5㎛이하의 분말을 제조하기가 힘들다.

1990년도 이후 금속 수용성 염을 이용해 W과 Co를 함유한 수용액을 분무 건조해 초미립 WC/Co분말을 얻는 2세대 합성기술은 현재 상용화 단계에 있다. 액상을 이용한 2세대 합성 공정에서도 수용액의 건조 과정 및 환원·침탄 열처리 중에 WC입자의 성장 및 응집으로 0.1㎛이하의 극미세 분말을 제조하는데 한계가 있다.

최근, 기상 응축법을 이용해 10nm급의 WC/Co분말을 제조하는 공정은 초경분말 제조 공정에 있어서 하나의 새로운 세대를 형성할 수 있는 새로운 기술로서 현재 개념적으로만 알려져 있다. 따라서 이 제조방법의 연구개발을 집중적으로 추진하면 기상 응축법을 이용한 초경합금 제조 기술의 선점이 가능하다.

▲ 초경분말 합성 공정.

미립 초경분말 제조의 선두 주자로는 미국의 Nanodyne사다. 1990년에 W과 Co의 염을 사용한 액상으로부터 분무 건조공정에 의해 제조한 시초 분말을 유동상로에서 가스 반응에 의해 환원·침탄 하는 Spray Conversion법으로 카바이드 입자크기가 100nm급의 초미립 초경분말인 Nanocarb의 제조에 성공한 이후, 양산화를 꾸준히 추진한 결과 1999년부터 연간 500톤을 생산하고 있다.

또한 OMG사에서는 RCR법(Rapid Carbothermal Reduction)으로 200nm급의 초경분말을 개발했다. Sandvick사의 Sandvick PN90과 DOW Chemical사, 중국의 Xiamen사에서 개발한 미립 초경분말의 경우 입자 크기가 200nm정도로서 초경분말의 양산화가 준비 중이다. 이처럼 여러 업체에서 미립 초경분말의 양산화를 추진 중에 있으며, 현재 기술적인 주류는 약 200nm급의 초경분말 및 합금을 제조하는 단계에 있다.

○ 나노급 초경분말의 고밀도 소재화 기술

초경소재의 입자 크기가 작으면 경도와 동시에 파괴인성을 높일 수 있다. 따라서 초미립 분말을 성형·소결해 완전 치밀화와 동시에 입자의 크기가 수백 나노미터 이하로 유지된 초미립 벌크 소재를 제조하는 기술은 초경벌크 제조기술의 핵심 기술이다. 또한, 안정적인 공구 수명을 확보하기 위해서는 초경합금 내 잔류 기공 제어 및 미세 조직 제어가 필수적으로 요구된다.

최근 나노 벌크 제조를 위해 다양한 제조법이 선진국을 중심으로 연구실 규모의 기초연구가 진행되고 있다. 대부분 저온에서 가압을 통해 수백 나노미터 미만의 입도를 유지하면서 완전 치밀화된 벌크 재료의 제조방법을 연구하고 있다.

또한, 소결 시 입자 제어가 어려운 나노 초경합금의 WC입자의 성장을 제어하기 위해 입자 성장 억제제를 화학적 방법에 의해 첨가하는 새로운 공정이 시도되고 있다. 지금까지는 초경합금의 소결 시 입자 성장을 억제하기 위해 VC(바나듐 카바이드)․TaC(tantalum carbide)․Cr₃C₂(탄화크롬) 등 타탄화물을 분말 상태로 혼합했다. 그러나 100nm급의 초미립 초경분말의 경우 WC․Co의 계면이 넓으므로 입자 성장 억제제를 조직 내에 균일하게 분산시키는 것은 한계가 있다. 따라서 용액 상태에서부터 입자성장 억제제인 Ta․V․Cr₃C₂를 분자상태로 혼합한 후, 분무 건조·염제거·환원/침탄 과정을 거쳐 WC/Co-(TaC, VC, Cr₃C₂)의 복합 분말을 제조한다.

◇ 초경소재의 재활용 및 고성능 나노화 기술

초경 스크랩의 재자원화에 관련된 기술은 이미 오래 전부터 널리 알려진 기술이다. 선진국은 용융 혹은 용액을 이용해 초경 스크랩으로부터 탄화물 혹은 유가 금속 성분을 회수하는 초경 스크랩의 재자원화에 관련된 핵심 기술들은 확보하고 있으며 재자원화 사업이 활발히 이루어지고 있다. 재자원화 방법으로는 용융법·아연처리법·염화처리법 등이 사용되고 있으며 아연 처리법이 가장 많이 보급돼 있다.

최근에는 초경 스크랩으로부터 W을 정제·추출해 초경합금 분말제조용 원료로 사용하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 초경 스크랩을 용매 추출해 초경합금 분말의 원료인 APT를 제조하는 기술이 개발됐으나, 이 공정 역시 산을 사용함으로써 환경 부담 문제가 있다.

저품위의 초경 스크랩으로부터 용융 혹은 산성 용액을 통한 분리·정제·추출과정을 거치지 않고 고품위의 나노 초경합금으로 직접 재생하는 초경 스크랩의 산화·환원·침탄법의 요소기술에 관련된 특허기술은 전 세계적으로 아직 보고되고 있지 않은 상황이다.

▲ 초경분말 공정의 특징.

기술 선점한 글로벌기업, 인수·합병 통해 기술장벽 더 쌓아

필수소재 W 생산 中 독점, 자원 무기화 속에 빠르게 성장

■ 기술개발 주요이슈

◇ 나노 분말의 표면 안정화 기술

나노 WC/Co는 분말 제조 후 회수 시 산소와 강한 결합력에 의해 탈탄 또는 산화가 발생할 수 있는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 분말 제조 후 분말 표면층의 처리(산소 또는 탄소코팅)가 필요하다. 이러한 나노 분말 합성은 분말의 입도/상/순도 조절 기술 및 분말 표면 안정화 기술을 우선적으로 해결해야 한다.

◇ 나노 분말의 성형, 소결 고밀도화 기술
나노 WC/Co 분말의 성형 밀도는 일반 마이크론 분말에 비해 낮기 때문에, 최종 소결 시 수축이 많이 되는 문제점이 있다. 따라서 성형 시 성형체 전 부분에 걸쳐 일정한 기공 분포를 갖도록 하는 것이 중요하다. 이를 위해서는 분말 제조 시 분말의 입도 분포의 조절이 요구된다. 또한 성형 밀도를 향상시키기 위해 성형압력 등을 조절해 새로운 슬러리 제조 공정을 이용하는 것이 필요하다.

◇ 나노 WC/Co 분말의 소결 입자 제어 기술

나노 분말의 치밀화는 빠르게 진행된다는 장점이 있다. 하지만 소결 시 급격한 입자조대화가 이루어지는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 30nm 크기의 극미세 WC/Co분말에 적합한 입자 성장 억제제의 개발과 함께 고상 소결 및 저온 액상 소결 등의 새로운 소결 공정의 개발이 필요하다.

◇ 나노 WC/Co분말 입자제어를 위한 나노 입자 성장 억제제 제조

나노 초경분말의 경우 넓은 표면적으로 인해 기존 입자 성장 억제제에 비해 미세한 나노 크기의 입자 성장 억제제의 개발 및 입자성장 억제제의 균일분산이 필요하다. 따라서 액상법 혹은 기상법을 이용한 100nm이하의 입자 성장 억제제의 개발이 요구된다. 또한 액상/기상법을 이용해 균일 분산되고, 나노 복합화된 분말의 제조 기술의 개발이 필요하다.

▲ 나노 초경분말의 종류.

◇ 초경 스크랩 재활용 및 나노화 기술

기존의 초경 재자원화 공정은 주로 유독한 산을 사용하거나, 고온의 아연 용융(melt) 등을 사용하는 방법들이 사용됨으로써 에너지 및 환경적 측면에서 상업적 활용에 장애가 많다.

또한, 종래의 재자원화 초경분말의 경우에는 초기 초경분말에 비해 물성이 현저히 저하돼 재자원화 공정 활성화의 장애 요인으로 작용했다. 따라서 초경 재자원화 공정이 산업적으로 활성화되기 위해서는 친환경적․경제적인 재자원화 기술의 개발과 함께 재생 분말의 물성 향상, 응용기술의 개발이 동시에 이루어져야 한다.

■ 국가별 동향- 미국

◇ 연구개발 현황

나노급 공구용 소재의 선두 주자로서, 초경 공구 관련 별도의 정부 프로그램은 없었지만 대학 및 기업의 기술력을 중심으로 100nm급 초경분말의 세계 최초로 개발했다.

▲ 고성능 나노 초경 제조 - 미국의 선도 기관.

■ 국가별 동향-유럽(독일, 스웨덴)

◇ 연구개발 현황

독일은 품질면에서 최고로 인정받고 있으며 신제품 개발면에서 두각을 나타내고 있다. 하지만 세계경기 침체가 장기화되면서 고가의 독일산 공구의 수요는 감소하고 있는 추세다. 스웨덴의 Sandvik은 세계 최초의 절삭공구업체로서 200nm급 초경소재를 상용했으며, 초경 재활용 기술을 응용한 제품화 기술을 개발하고 있다.

▲ 고성능 나노 초경 제조 - 유럽의 선도 기관.

■ 국가별 동향-일본

◇ 연구개발 현황

NEDO 사업을 주축으로 쎄멧의 고성능화 연구를 수행하고 있다. AIST는 주축 연구기관으로, 다수의 대학들이 이 사업에 연계돼 있다. 현재 일본에서 소비되는 초경합금은 강인성화와 고경도화의 두 가지의 흐름에 따라 개발되고 있다.

일본 텅스텐 가공 생산의 대표 기업은 NIPPON TUNGSTEN Co.로 기술 개발을 통해서도 좋은 성과를 내고 있다. 미쓰비시(Mitsubish)·오에스지(OSG)·스미토모(Sumitomo)·교세라(Kyocera)·탕가로이(Tungaloy)·히다찌(Hitachi) 등이 유명하다.

미쓰비시 Material, 스미토모 전기, 도시바 Tungaloy, 히다치툴 등의 대형 초경공구 업체들은 자원의 안정적 확보와 원료비용의 절감을 목적으로 다 쓴 공구의 리사이클 사업을 실시하고 있다.

▲ 초경 대체 및 나노 고성능화 기술 - 일본의 선도 기관.

■ 국가별 동향-중국

◇ 연구개발 현황

중국은 대부분의 원자재를 자급하고 낮은 인건비에 기반한 생산원가 절감으로 저가 물량공세에 나서고 있다. 중국이 세계 저가 공구 시장을 주도하고 있는 상황이다.

중국의 기술 수준은 선진국과의 격차가 크지만 초경합금 제품 중 미세과립 등 고부가 나노 공구용 소재․생산이 증가하고 있다. 세계 메이저급 공구 메이커의 중국현지 생산 거점 확보가 급속도로 진행 중이다. Xiamen사의 경우 200nm급 초경분말 제품을 안정적으로 공급하고 있다. 이 회사는 국내에 공급되는 200nm, 400nm급 분말 제품의 대부분을 공급하고 있다.

▲ 초경소재 및 나노 초경소재 기업 - 중국의 선도 기관.

2014년 세계 공구시장 400억불·국내시장 20억불 규모

韓, 전문인력 양성·자원 재활용 기술 개발 적극지원 必

■ 국내 동향

◇ 연구개발 현황

산업의 고도화로 고특성을 가지는 정밀 초경 공구에 대한 수요가 증가하고 있다.

국내에서는 입자 미세화에 대한 연구가 기업체 ‘중석’ 등에서 1980년대부터 수행됐다. 현재 0.5㎛ 정도의 카바이드 입자 크기를 가지는 초경합금 제품을 생산하고 있으나 선진국의 기술수준에는 미치지 못하고 있는 실정이다. 현재도 미립 초경분말 및 제품의 상당량이 수입에 의존하고 있다.

본격적인 초경합금의 입자 미세화 연구는 1992년부터이다. 재료연구소는 초미립 초경 공구 제조에 관한 산·학·연 협동연구를 시작했다. 이후로 새로운 분말 제조 공정(Thermochemical Process)을 개발해 카바이드 입자 크기가 100nm인 초미립 초경분말 제조에 성공했으며, 나노테크(주)에 기술 이전해 200nm초경분말을 생산했다. 100nm 크기의 초경분말을 사용한 최종 소품의 입자는 200nm 크기를 나타낸다. 나노 초경 제품은 기존에 사용되는 초경합금에 비해 경도와 항절력이 각각 30% 이상 향상된 것으로 나타났다.

텅스텐 자원은 전량 수입되고 있는데 최근 몇 년간 텅스텐 가격의 급등과 더불어 재생기술에 대한 관심이 높다. 국내에는 폐 초경 등으로부터 텅스텐을 회수하는 기술을 공업적으로 확보하고 있는 기업이 없다. 현재 국내의 폐 초경은 회수돼 전량 일본․독일 등으로 반출되고 있다.

▲ 초경소재 및 나노 초경소재 기업 - 국내의 선도 기관.

▲ 초경소재 및 나노 초경소재 - 기술격차 및 기술수준.

■ 산업동향

세계 절삭공구시장은 공구 선진국기업인 다국적기업의 시장지배력 집중현상이 심화되고 있다. 이들 공구업체는 경쟁우위를 확보하기 위해서 타 기업의 매수나 제휴 등을 통해 경쟁력을 강화하고 현지 생산 또는 합작투자 등을 통해 새로운 분업화를 추구하고 있다. 또한 공급과잉인 공구시장에서 차별화 된 제품 개발을 위해 세계적으로 기술개발 경쟁이 치열하다.

미립 초경분말의 제조에 대한 본격적인 연구는 1960년도부터 시작해 1967년 Dupont사에 의해 미립 WC/Co 초경분말이 제조된 이후 여러 합금이 잇달아 개발됐다. 1984년 직접 침탄법에 의해 0.36～0.57㎛정도의 입도를 가지는 미립 초경분말이 개발됐다. 현재는 약 0.2～0.6㎛입자의 초경합금이 상품화 돼있다. 스웨덴의 Sandvick사·미국의 Kennametal사·독일의 H. C. Starck사·일본의 Tungaloy사 등에서 end mill 등에 적용해 판매 중이다. 현재 이보다 더욱 미세한 100nm의 초경합금을 산업화하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다.

또한, 최근 재자원화 업체 및 초경소재 사용 업체를 중심으로 유가 금속 회수를 목적으로 연구·개발 사업을 확대하고 있는 추세다. 공구업계에서는 자원절약의 관점 및 원자재 가격의 상승을 배경으로 초경 칩의 회수·리사이클 등 재료 이용을 전제로 한 상품개발도 진행하고 있다.

미쓰비시 Material, 스미토모 전기, 도시바 Tungaloy, 히다치툴 등의 대형 초경공구 업체들은 자원의 안정확보와 원료비용의 절감을 목적으로 다 쓴 공구의 리사이클 사업을 실시하고 있다.

▲ 초경 공구의 산업동향.

■ 시장규모 및 전망

세계 공구시장은 350억달러 규모로 공구 시장은 지속적인 상승을 하고 있다

▲ 초경 공구의 국내외 시장 규모 (단위 : 억달러).

■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방향

◇ 미래의 연구방향

초경공구의 미래 연구 방향은 크게 나노 소재화, WC 저감 기술, 초경 재활용, 난삭재 가공기술로 대변되며 각각의 연구방향은 다음과 같다.

○ 나노 초경소재를 활용한 초경소재의 고성능화 연구

- 초경소재의 고성능화를 위한 200nm 이하의 초경분말 양산 공정개발
- 나노 분말을 활용한 나노 소재화 기술

○ 초경소재의 WC대체, 저감을 위한 써멧 소재의 고성능화 기술 개발

- 초경소재에 사용되는 WC의 대체를 위한 써멧 소재화 기술 개발
- 써멧의 고성능화 기술 개발

○ 나노 코팅 기술을 연계한 초경소재의 고 특성화 기술 개발

- 난삭재 가공을 위한 나노 코팅 기술 개발
- 모재 및 코팅 소재의 적합화 공정 기술

○ 초경 스크랩 재활용 기술

- 친환경/저비용 초경 스크랩 재활용 기술
- 스크랩 재활용 소재의 고성능화 기술

▲ 나노 초경소재의 미래 연구 방향.

■ 국내 산업이 나아갈 발향
초경공구산업의 고부가가치화 및 활성화를 위해서는 전문 인력 양성, 장비 공동 사용을 위한 인프라 구축, 재활용 기술에 대한 인센티브 제공이 필요하다. 국내 초경공구산업에서 전문 인력 부족현상은 심각하다. 이에 산-연, 산-학 프로그램의 활성화를 통해 초경공구 전문 인력을 양성해야 한다.

중소기업은 소결 및 코팅 장비의 고성능화 및 가격 상승으로 고가 장비를 구입해 활용하는데 제약이 크다. 이러한 제약으로 중소기업이 고부가가치 제품을 생산하기 힘들어 공구산업의 양극화를 심화시킨다. 따라서 고가의 생산 장비를 지역거점별로 확보함으로써 중소기업의 생산 활동을 지원할 필요가 있다.

또한 자원의 확보 및 원가 절감 측면에서 재활용 기술사용에 대한 정책적 인센티브가 필요하다. 이를 위해 세제 및 우선 구매 등의 지원 정책이 필요하다.