Update2024.06.09 (일)
항공기 엔진·가스터빈 핵심부품 원천기술
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
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
◇ 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.
