“SMR 3D프린팅 제작센터 구축, 中企 산업 진입 촉진 플랫폼 역할 할 것”

금속 와이어 적층 장비·소재 인프라 구축, 중대형 부품 제작역량 확보

국산 장비·소재 자립화 및 인증체계 선진화·실증 인프라 구축 必

▲ 한국재료연구원 원자력안전연구단 송상우 단장(3D프린팅공정연구센터장 겸임)

■‘SMR 3D프린팅 제작지원센터 구축사업’을 한국재료연구원이 주관을 맡아 3D프린팅 장비 구축과 기술개발이 추진될 예정이다. 관련 사업 내용에 대한 소개를 부탁드린다

한국재료연구원 원자력안전연구단이 수행하고 있는 ‘SMR 3D프린팅 제작지원센터 구축사업’은 ’25년부터 ’29년까지 5년간 추진되는 국책연구과제로서, 소형모듈원자로(SMR)에 필요한 중대형 금속 부품의 3D프린팅 제작 역량을 확보하고 전문 인력을 양성하기 위한 기반을 마련하는 사업이다.

특히 와이어 기반 적층제조 장비를 중심으로 해, 사용되는 와이어 소재까지 제조할 수 있는 설비를 구축할 예정이다.

센터는 경주 SMR 국가산단 인근에 건립될 예정이며 △중대형 와이어 기반 금속 3DP 장비 6종 △3D프린팅 전용 금속 와이어·분말 제조장비 4종을 포함한 핵심 인프라를 구축하고, 소형·정밀 부품을 위한 금속 분말 3D프린팅은 창원 본원의 인프라를 활용할 계획이다.

여기에 KEPIC 인증지원 시스템, R&D 및 인력양성 플랫폼이 결합돼 설계부터 △소재 △시제품 제작 △평가 △인증까지 전주기 기술지원 체계를 완성할 계획이다.

총 사업비는 약 323억원 규모이며, 장비 구축에 그치지 않고 △산업체의 시제품 제작 △기술자문 △인증 △교육훈련을 포함한 실질적 지원 체계를 마련하고 있다.

궁극적으로는 SMR 산업을 넘어 조선·항공우주·방산·플랜트 산업 등으로 3D프린팅 기술의 산업 확산을 촉진하는 국가 제조혁신 허브로 발전시키는 것이 목표이다.

■SMR 등 발전 산업 분야에서 3D프린팅 기술 활용을 확대해야 하는 필요성은

SMR은 기존 대형 원전보다 모듈화된 구조로 설계되며, 고온·고방사 환경에서 장시간 운전되는 특성을 가진다. 이러한 특성상 부품의 △건전성 △경량화 △복합화 △내환경성 강화가 핵심 과제이며, 이 요구를 만족시키기 위해 3D프린팅 기술 적용이 필수적인 부품 및 기기가 발생할 수 있다.

다만 ‘모든 부품을 3D프린팅으로 바꿔야 한다’는 접근에는 신중해야 한다고 생각된다. 전통적인 주조·단조·용접으로 충분히 품질과 경제성이 확보되는 부품이라면, 굳이 3D프린팅으로 전환할 필요는 없기 때문이다.

3D프린팅은 △복잡한 형상 △단종 부품 △신소재 적용이 필요한 영역에서 가치가 극대화되는 기술이다. 즉, 기존 공정과 3D프린팅은 대체 관계가 아니라 상호보완 관계로 접근해야 한다.

SMR의 경우 △압력용기 노즐 및 구조물 직접 적층 △복잡 형상 부품 △열교환기 냉각채널 등, 기존 방식으로 제작이 어려운 고난도 부품에서 3D프린팅의 필요성이 특히 두드러진다.

현재 연구원에서는 SMR 부품의 3D프린팅 기술 연구를 활발히 수행하고 있으며, 최근 한국핵융합에너지연구원을 주관으로 ‘글로벌 TOP 전략연구단’에 선정돼 ‘혁신형 핵융합로 디버터용 혁신 소재 및 제조기술 개발 연구’를 수행하고 있다.

▲ 재료연구원이 3D프린팅 기술로 개발 중인 핵융합로 디버터 냉각튜브

이 과정에서 고열부하에 노출되는 대면부의 냉각 효율 향상을 위해서 기존공정으로 구현이 어려웠던 복잡 형상의 냉각채널을 3D프린팅으로 직접 제작하고 있다.

또한 디버터의 핵심 구성 요소인 카세트바디 역시 기존에는 여러 공정을 거쳐 제작해야 했던 복잡한 부품이나, 이를 부품 통합이 가능한 적층제조 방식으로 전환함으로써 제작기간 단축과 구조 최적화를 동시에 달성하는 연구를 수행하고 있다.

이러한 예시에서 볼 수 있듯이, 적층제조는 △공정 단순화 △부품 통합화 △경량화 △제작기간 단축 등, 기존 공정이 제공하지 못한 장점을 실현할 수 있다고 생각한다.

■SMR 3D프린팅 제작 사업을 통해 기대되는 파급효과는 무엇인가

이번 사업의 핵심 목표는 단순한 부품 제조가 아니라 금속 와이어 적층제조 기반을 국내에 확립하는 것이다. 즉, 3D프린팅용 와이어를 설계·제조·적층까지 일관되게 수행할 수 있는 기술 체계를 구축해, 산업 전반에서 활용할 수 있는 기반 인프라를 만드는 것이 가장 중요한 성과이다.

이러한 적층제조 기반이 갖춰지면 중소·중견기업들도 대형·고가의 장비나 복잡한 공정 없이 센터의 인프라를 활용해 △시제품을 제작하고 △공정 데이터를 축적하며 △기술 자문을 통해 자체 역량을 확장할 수 있는 구조가 만들어진다.

즉, 해당 사업은 특정 기관의 기술 축적에 머무르지 않고 산업 전반의 기술 저변을 넓히는 ‘공유형 플랫폼’ 성격을 갖는다. 특히 금속 와이어 적층제조 기술은 원자력뿐 아니라 △조선 △항공우주 △방위산업 △에너지 플랜트 등 다양한 분야로 확장될 수 있으며, 이미 연구단은 핵융합 분야에 적용하기 위한 연구를 수행 중에 있다.

이러한 기반을 통해 기업은 새로운 합금 와이어를 개발하거나, 복잡한 형상의 부품 제작 공정을 신속하게 검증하고 최적화할 수 있다. 연구단은 이를 위해 본 사업을 바탕으로 공정 데이터를 표준화하고 인증 절차를 지원하는 체계를 운영할 계획이다.

따라서 이번 사업의 파급효과는 단순한 기술 자립을 넘어, 국내 제조 생태계 전반이 대기업 중심에서 기술협력형 구조로 전환되는 것이라 할 수 있다.

SMR 3D프린팅 제작지원센터는 그 중심에서 중소·중견기업이 실제로 적층제조 기술을 도입하고 시장에 진입할 수 있도록 돕는 ‘산업 진입 촉진 플랫폼’ 역할을 하게 될 것이다.

▲ 원자로 노즐을 3D 설계하고 금속 3D프린팅으로 ‘Safe end’ 부품을 적층했다.

■SMR에 필요한 중대형 부품을 3D프린팅으로 제작하고 상용화하기 위해선 설계-소재-공정-평가-인증에 이르는 전주기가 완성돼야 한다. 이를 위한 재료연구원의 노력은

한국재료연구원은 설계부터 인증까지를 하나로 연결하는 ‘원스톱(One-Stop) 통합 기술지원체계’를 구축하려고 한다.

먼저 ‘설계 단계’에서는 단종 부품의 역설계 및 해석 기반 형상 최적화를 수행하고, ‘소재 단계’에서는 맞춤형 금속 와이어와 분말을 직접 제조해 물성·구형도·입도 등을 분석한다.

‘제작 단계’에서는 중대형 금속 3D프린팅 장비를 활용한 시제품 제작을 지원하며, ‘평가 단계’에서는 △미세조직 분석 △내부 결함 측정(CT) △기계적 물성시험을 수행하고, ‘인증 단계’에서는 KEPIC QAP 품질보증체계를 기반으로 실증과 인증지원을 병행할 계획이다.

하지만 우리나라에는 아직 대형 금속 적층제조 장비를 자체 설계·제작하는 기업이 거의 없다는 구조적 문제를 가지고 있다. 현재 와이어 3DP의 핵심 부품인 △레이저헤드 △용접기 △로봇 등 거의 모두가 해외 수입에 의존하고 있으며 △소프트웨어 △제어 △모니터링 △피드백 기술 등, 핵심 기술의 국내 수준도 높지 않은 실정이다.

이 때문에 장비 운용·유지보수 비용이 높고, 연구개발 속도가 제한되는 실정이다. 또한 3D프린팅 원자력 부품의 표준화된 인증체계와 공정 신뢰성 데이터도 아직 미비하다.

이를 보완하기 위해 연구원은 삼성중공업, 두산에너빌리티, 한전기술 등 95개 기관과 함께 산학연 협의체를 구성해 △공정 표준화 △데이터 축적 △인력양성 프로그램을 추진 중이다. 이러한 협력 네트워크는 국내 3D프린팅 산업의 신뢰성과 국제 경쟁력 확보에 핵심적 역할을 할 것으로 기대된다.

▲ 적층제조된 Safe end 부품을 원자로 노즐에 최종 용접 및 접합했다.

■SMR 상용화를 위해 글로벌 각국이 각축을 벌이고 있는 가운데, 우리나라가 해당 시장을 선점하기 위해 필요한 3D프린팅 기술과 정책 지원은

현재 미국, 캐나다, 프랑스 등은 이미 SMR과 3D프린팅 융합 기술의 실증 단계에 진입했다. 따라서 우리나라가 시장을 선점하기 위해서는 단순한 기술 개발을 넘어, 정책적 연계와 산업 생태계 육성이 병행돼야 한다.

가장 시급한 과제는 ‘국산 장비 및 소재 자립화’이다. 국내 적층제조 장비 제작 역량이 제한적인 만큼, 국가 차원의 대형 장비 공동개발 프로그램과 핵심부품 국산화 R&D가 추진돼야 한다. 이를 통해 장비 수입 의존도를 줄이고, 연구개발과 산업 현장 간의 기술 호환성을 확보할 수 있다.

다음으로 ‘원자력 전용 인증체계의 선진화와 실증 인프라 구축’이 필요하다. 현재 KEPIC 및 ASME와 연계된 적층제조 인증체계가 완전하지 않기 때문에, 표준화된 평가 기준과 실증 데이터를 확보해야 산업체의 상용화 부담을 줄일 수 있다.

마지막으로 연구개발·실증·사업화가 연계되는 ‘통합 지원 체계’와 설계·소재·공정 분야를 포괄하는 ‘전문 인력 양성 프로그램’이 필수적이다.

3D프린팅은 단순한 제조기술이 아니라 △공정데이터 △해석기술△ 재료공학이 융합된 복합 분야이다. 정부의 규제 완화와 산업 표준화, 그리고 교육 인프라 확충이 병행된다면 우리나라는 SMR 3D프린팅 기술을 기반으로 차세대 원자력 제조의 글로벌 허브 국가로 자리매김할 수 있을 것이다.

▲ 금속 3D 프린팅을 이용한 SMR용 튜브 표면 코팅 기술

▲ 재료연 송상우 단장, 창원대, 한국기계연구원 등이 공동 연구를 통해 개발한 ‘금속 3D프린팅 펜 공정 기술’은 3차원 공간에서 서포트 없이 용접토치가 움직이는 방향으로 금속을 연속 적층할 수 있다. 금속의 용융부피와 응고시간을 제어하는 원천기술을 확보했으며, 연구에 관한 논문은 세계적인 학술지인 Advanced Science 2023년 2월호 표지논문으로 선정·게재됐다.