친환경·고효율 산업 전환, 초고온 금속 소재 선제 개발 필요

발전·항공 가스터빈 등 고온·고압 환경용 소재 변화 요구

해외 Ni기 단결정 합금 등 상용, 韓 보완·응용 기술 연구

■초고온 금속 소재기술 국내외 선도기관

국내 초고온 금속 소재 개발 중 Ni기 단결정 초내열합금에 대해서는 한국재료연구원이 선도하고 있다. 다결정, 일방향 응고, 단결정 초내열합금 주조 공정, 합금 설계, 열처리, 코팅 분야 등 가스터빈 고온 부품을 개발하기 위한 공정과 전문 인력이 배치되어 있다. 2008년 이후 개발된 KMX-series 등은 실제 1단 블레이드가 작동하는 온도 구간에서 상용 합금 대비 기계적 특성, 상 안정성이 우수한 것으로 보고되어, 현재 응용 기술 개발과 실용화 연구를 준비 중이다. 석출 강화형 Co기 초내열합금과 내화 고엔트로피 합금은 일부 대학에서 연구가 진행되고 있으나 이 분야 기술 선도국 대비 합금 설계, 특성 평가, 응용 기술 및 실용화 연구가 부족한 측면이 있어 좀 더 많은 연구기관 및 산업계의 역량 집중이 필요한 상황이다. 금속-실리사이드 합금은 정부 지원 하에 방산용으로 개발하였고, 이 과정에서 출연연, 대학 등에 기초 기술 축적이 이루어졌다. 합금 설계 및 제조 공정 개발, 코팅 소재 개발 중 다수의 논문과 특허를 보유하고 있으며, 응용 기술 및 실용화 연구 진행을 위해 후속 연구가 필요한 상태이다.

▲ <표1>초고온 금속 소재기술-국내 선도연구기관

▲ <표2>초고온 금속 소재기술-해외 선도연구기관

■초고온 금속 소재기술 산업 및 시장 동향

◇ 국내 동향

(1) 시장규모 및 전망

2013년부터 정부 주도의 대형 가스터빈 국산화 프로젝트를 통해 두산중공업에서 H급 한국형 가스터빈 모델이 개발되어 상용화를 앞두고 있고 국방과학연구소와 한화에어로스페이스를 중심으로 항공기 엔진이 개발되고 있어, Ni기 단결정 초내열합금의 국내 수요와 시장규모는 급격히 증가할 것으로 예상된다. 국내 기업에서 일부 단련용 초내열합금을 제조하고 있으나 산업 전반에 사용되지는 못하고 있으며, 단결정 초내열합금을 비롯한 주조용 초내열합금의 모합금은 아직까지 전량 수입에 의존하고 있다. BCC 리서치(BCC Research)에서 발간한 통계자료를 이용하여 Ni기 초내열합금의 국내 시장 수입 규모를 추정해보면, 2016년 817억 원에서 2021년 1,094억 원으로 증가할 것으로 전망되며 이중 항공과 발전 분야가 60%에 달할 것으로 보인다. 발전 분야의 소재 포트폴리오가 일반 니켈-철기에서 초내열합금으로 전환되는 추세로 보아 국내 초내열합금 시장은 전반적으로 확대될 것으로 전망된다. 모합금을 제조, 가공한 Ni기 단결정 터빈 블레이드의 국내 시장은 2013년 500억 원 정도이며, 연평균 성장률 11%로 빠르게 증가하여 2023년 1,400억 원 규모로 성장할 것으로 추정된다. 국내 기업의 주조용 합금 소재 및 부품 제작 기술이 부족하고 품질에 대한 신뢰성이 충분히 확보되어 있지 않지만, 현재 정부에서 주도적으로 가스터빈 및 고온 부품 제조기술 개발을 진행하고 있어 기술 축적 후 공급망이 갖춰진다면 현재 수입되는 고온 소재 시장을 점차 대체할 수 있을 것이다.

▲ <그림1>산업에 따른 초내열합금 국내 시장 규모(자료 : BCC Research 2017, 분야별 초내열합금 한국시장 수입규모)

▲ <표3>가스터빈 블레이드 국내 시장 규모 및 전망(단위 : 억 원) (자료 : 2018년 KEIT 이슈 리포트, 초내열합금 소재 부품 개발 동향(국내 150여 기 가스터빈 중 75기가 단결정 터빈 블레이드를 적용하고, 전체 터빈 블레이드 가격 중 절반가량을 단결정 터빈 블레이드가 차지한다고 가정하여 계산한 예측치))

Ni기 단결정 초내열합금 외의 초고온 금속 소재는 세계적으로도 아직까지 연구, 개발이 진행되는 단계이므로 응용 기술 개발과 실용화 연구는 거의 보고되고 있지 않다. 국내에서 석출 강화형 Co기 초내열합금, 금속-실리사이드 합금, 내화 고엔트로피 합금은 아직 시장이 형성되어 있지 않지만, 향후 가스터빈 발전, 극초음속 추진기관, 군항기 및 민항기용 엔진과 우주항공 분야, 조선해양 분야 등에 적용될 가능성이 있다. 따라서 중장기적으로 기존 초내열합금이 사용되는 고온 부품 등의 소재를 일부 대체할 수 있을 것으로 판단된다.

(2) 기업 현황

Ni기 단결정 초내열합금 모합금 및 부품 제작은 국내 일부 기업에서 진행하고 있으나, 경쟁력이 뛰어나지 못해서 국내 발전 소재 시장, 항공 소재 시장 등을 글로벌 기업들이 주도하고 있다. 초내열합금 모합금은 ㈜한국진공야금, ㈜세아창원특수강, ㈜케이피씨엠(KPCM), ㈜한스코 등에서 제작할 수 있으나, 단결정 모합금 제작은 아직 개발이 진행 중에 있다. ㈜한국진공야금은 진공 플라즈마 아크 용해로(plasma arc cold hearth melting)를 보유하여 고융점 원소가 첨가된 특수합금 제작이 가능하며, 단련용 초내열합금을 진공 용해 장비로 용해한 후 단조 및 압연 등의 가공공정을 거쳐 제조하고 있다. ㈜세아창원특수강은 2016년 Ni기 합금 제조를 위해 330억의 투자를 하여 2017년 3월부터 가동하고 있고, 2017년 50억 원의 초내열합금 관련 매출을 달성하였다. ㈜KPCM은 용해 장비들과 단조, 열처리, 기계가공 등의 전 공정 설비를 보유하여 중간 소재뿐 아니라 최종 부품의 생산도 가능하다. 초내열합금을 이용하여 정밀 주조 부품을 생산하는 기업은 주로 외산 모합금을 사용하여 고온 부품의 국산화 개발을 진행하였는데, 한국로스트왁스㈜, ㈜성일터빈, 천지산업㈜, ㈜삼정터빈 등에서 GT11NM, GT24, 7FA 등 글로벌 오이엠(OEM)사의 가스터빈 고온 부품을 제작하였다. 최근 한국로스트왁스㈜에서 GT24 HPT 단결정 1단 블레이드를 개발하였으며 현재 한국중부발전㈜에서 실증 중에 있어, Ni기 단결정 초내열합금 부품화 개발에 대한 기술을 축적 중이다.

석출 강화형 Co기 초내열합금, 금속-실리사이드 합금, 내화 고엔트로피 합금은 현재 기초 연구만 수행되고 있으며, 아직 산업화에 대한 연구가 전무한 실정이다. 따라서 해당 합금의 개발 및 부품화 기술 개발을 수행한 기업은 거의 없으며, 일부 기업들이 연구소와 연계하여 소재 및 부품 제조를 위한 요소기술 개발을 수행하였다. ㈜쎄타텍은 국방과학연구소와 연계하여 Mo기 내열합금 분말제조와 더불어 초고온 연속소결을 이용한 부품화 기술 개발을 수행하였고, ㈜DAT신소재는 한국생산기술연구원과 연계하여 기공 제어를 위한 열간등방압성형 기술과 더불어 분말야금을 이용한 고인성 금속 합금 개발 연구를 수행하였다.

◇ 해외 동향

(1) 시장규모 및 전망

초내열합금 세계 시장규모는 2015년 기준으로 6조 1,070억 원 정도이고 연평균 성장률 6.6%로 성장하여 2021년 8조 9,170억 원에 이를 것으로 전망된다. 이중 Ni기 초내열합금이 70%를 차지하고 있으며 Co기가 21%, Fe기가 9%의 시장 점유율로 Ni기 합금이 가장 큰 비중을 갖고 있다. 한편, 단결정 블레이드는 2013년 7,199억 원 규모에서 연평균 7% 성장하여 2021년 12,333억 원, 2023년 14,125억 원 규모로 성장할 것으로 추산된다. 향후 국제적인 에너지전환 정책과 환경 규제로 고효율 발전 및 추진기관의 적용 범위가 확대될 것으로 예상되어, 터빈 저단부에 사용되는 단결정 초내열합금의 시장 규모는 지속적으로 증가할 것으로 판단된다.

▲ <그림2>산업에 따른 초내열합금 세계 시장 규모

▲ <표4>가스터빈 블레이드 세계 시장 규모 및 전망(단위:억 원) (자료 : 가스터빈 세계 시장(“Global Gas and Steam Turbines Market. Forecast to 2025”(Frost&Sullivan, 2016)의 2015 가스터빈 시장 전망치를 기반으로 계산, 그 외의 시장규모는 KISTI Market Report 2012에서 연평균 성장률을 고려하여 추정, 단결정 터빈 블레이드는 전체 고온 부품 시장의 39.16%로 추산)

국내 시장과 마찬가지로 Ni기 단결정 초내열합금 외의 초고온 금속 소재는 아직 개발 단계에 머물고 있어, 시장이 형성되어 있지 않다. 석출 강화형 Co기 초내열합금, 금속-실리사이드 합금, 내화 고엔트로피 합금은 차세대 가스터빈 발전, 극초음속 추진기관 등에 사용이 검토되고 있어, 향후 초내열합금 및 부품 시장 일부를 대체할 것으로 기대된다.

(2) 기업 현황

초내열합금 선진국의 경우, 이미 생산기반이 확립되어 다양한 종류의 초내열합금들을 개발 및 생산하고 군용 및 민간산업에 적용하고 있다. 미국은 앨러게니테크놀로지스(ATI, Allegheny Technologies Incorporated), 캐넌-머스키건(Cannon-Muskegon), 헤인스인터내셔널(Haynes International), 프리시전캐스트파츠(PCC, Precision Castparts Corp.), 하우멧에어로스페이스(Howmet Aerospace) 등의 글로벌 그룹이 초내열합금 원소재, 중간재, 최종 부품까지 시장을 독점적으로 지배하고 있으며, 특히 PCC의 경우 M&A를 통해 초내열합금 산업을 확대하고 있다.

유럽의 초내열합금 원소재 및 중간재 시장은 브이디엠메탈즈(VDM Metals), 아페람 알로이스 임피(Aperam Alloys Imphy), 오베르듀발(Aubert & Duval) 등이 대규모 설비와 풍부한 기술력으로 주도하고 있다. 엔진제작 업체들은 안정적인 품질과 가격으로 항공 및 발전 산업을 선도 중에 있으며, 이러한 수요를 바탕으로 초내열합금 부품 생산업체인 단캐스터스(Doncasters)는 모합금 및 원소재 생산업체인 로스앤캐서럴(Ross & Catherall)을 합병하여 모합금과 초내열합금 부품을 생산하고 있다.

일본의 경우, 히타치금속(Hitachi Metals), 고베제강(KOBELCO), 일본제철(Nippon Steel), 다이도메탈(Daido Metal) 등이 소재분야 경쟁력을 갖추고 있으며 주로 발전 분야 수요가 많아 수요기업인 미쓰비시파워(Mitsubishi Power), 도시바(Toshiba), 아이에이치아이(IHI)가 시장을 뒷받침하고 있다. 중국은 항공산업 등을 배경으로 다수 기업에서 초내열합금을 생산하고 있으며, 단양시카이신합금재료(Danyang City Kaixin Alloy Material)는 단련용 초내열합금을 생산하고, 가오나에어로머터리얼(Gaona Aero Material)은 주조용 모합금과 고온 부품을 동시에 생산하고 있다.

석출 강화형 Co기 초내열합금, 금속-실리사이드, 내화 고엔트로피 합금은 해외에서도 아직까지 상용화되지 않아, 현재 양산하고 있는 기업은 없다. 그러나 미국과 유럽 등에서 Nb 및 Mo기 실리사이드 합금 개발 연구가 이루어지면서, 가스터빈 및 우주항공 부품 제조 업체들이 연구에 참여하여 공동 기술 개발을 수행하는 등 응용 기술 및 상용화에 대한 개발이 추진 중이다. 미국의 GE 등은 차세대 가스터빈용 소재로 적용하기 위한 기초 물성 탐색 연구를 수행하였으며, Lockheed Martin과 Boeing IDS 등은 극초음속 추진기관에 적용하기 위한 연구를 수행하였다. 영국의 Rolls-Royce와 오스트리아의 플란제(Plansee)에서는 ULTMAT과 HYSOP 프로젝트에 참여하면서 Nb 및 Mo기 실리사이드 합금 개발과 부품화 연구를 수행하였다. 또, 최근 지멘스에너지글로벌(Siemens Energy Global)에서는 Mo-Si-B 3원계 합금의 분말제조 기술과 더불어 적층성형 공정을 이용한 부품화 기술 개발을 수행하고 있다.

◇ 국내외 선도기업

Ni기 단결정 초내열합금 소재는 전량 해외에서 수입하고 있으며, 일부 주조용 합금을 ㈜한국진공야금, ㈜KPCM, ㈜한스코, ㈜세아창원특수강 등이 양산 기술을 발전시키고 있다. 해외의 경우 아래의 표에 나타낸 바와 같이 많은 선도 기업들이 있으며 ATI 나 PCC는 초내열합금을 비롯한 다양한 특수합금 시장을 선도하고 있다. 특히 GE, P&W, Rolls-Royce 등 항공기 엔진 기술을 선도하는 엔진제작 회사들도 교체가 빈번한 터빈 부품들의 시장 경쟁력과 매출 확보를 위해 자체적으로 초내열합금을 개발, 생산하여 엔진 기술뿐 아니라 일부 소재기술을 선도하고 있다.

▲ <표 5> 초고온 금속소재 기술-국내 선도기업

▲ <표 6> 초고온 금속소재 기술- 해외 선도기업

■미래 연구방향 및 정책 제언

발전, 항공용 가스터빈 등 특수 목적으로 사용되는 소재는 발전효율 향상, 항공우주 분야 활용을 위해 점차 고온, 고압 환경용으로 소재 포트폴리오 변화가 요구되고 있다. 이에 따라 국내, 세계 시장에서 초고온 금속 소재에 대한 수요가 크게 증가할 것으로 예상되지만 글로벌 OEM사들이 시장을 주도하고 있고, 국내 기술력은 부족한 상황이다. 또한, 해외에서 상용되고 있는 Ni기 단결정 합금에 대해서도 국내에서는 합금 특성 데이터베이스 부족, 신뢰성, 양산성 평가가 진행 중에 있어 현재까지는 상용화가 되지 못하고 있다. 초고온 금속 소재의 실용화에는 가스터빈 등 장비의 설계 데이터에 기반한 여러 조건에서의 인장, 크리프, 피로, 내산화 특성 등의 데이터베이스 구축이 요구된다. 이는 수년 이상의 시간과 비용이 소요되고 특정 기관 단독으로 진행하기에는 요구되는 데이터가 너무 방대하여, 정부의 지속적인 지원하에 산-학-연의 연구 역량을 집중하여야 한다.

더불어, 차세대 초고온 금속 소재인 석출 강화형 Co기 초내열합금, 금속-실리사이드 합금, 내화 고엔트로피 합금은 합금 설계에 대한 기초 연구가 일부 진행되었고, 현재는 설계 합금 보완과 이의 응용 기술 개발이 필요한 시점이다. 국내에서 개발한 Co-Ti-Mo 등 석출 강화형 Co기 초내열합금, Nb 및 Mo기 실리사이드 합금, MoNbTaTiZr계 내화 고엔트로피 합금 등은 해외 선도기관에서 보고한 합금 대비 동등 이상의 특성을 나타내고 있어, 이의 응용 기술과 데이터베이스 구축 등 실용화에 필요한 요소기술을 개발해야 한다. 금속-실리사이드 합금의 방향성응고에 따른 고온과 상온 물성 균형을 확보하고, 미세조직을 제어할 수 있는 조직 제어 공정 개발이 이 분야에 필요한 후속 연구가 될 것이며, 적층 제조 공정 등 고융점 합금에 대한 고밀도 부품 제조 기술에 대한 연구도 이에 해당된다.

4차 산업혁명에 따라 고부가가치 금속 소재로 생태계 전환이 예상되고 국제적으로도 친환경 고효율 산업으로의 전환이 가속화될 전망이다. 미래 산업 환경에 선제적으로 대응하기 위해 국내에서 경쟁력이 확보되지 않은 분야 중 하나인 초고온 금속 소재 개발과 관련 산업의 육성을 위해 정부의 지속적인 제도적, 경제적 지원책이 필요한 시점이다. 국내에서 고온 부품 수요가 이미 형성되어 있고 지속적인 수요 증가가 예상되는 바, 연구, 개발을 통한 기술력 향상은 이 분야의 공급망을 안정적으로 구축하는 데 있어 촉매제가 될 것으로 판단된다.