Update2024.05.19 (일)
분말산업, 원천기술 확보로 新시장 선점해야
■ 기술의 정의 및 분류
자동차 분말소재 기술은 금속 혹은 비금속 분말을 이용해 성형체를 제조하고 다시 이를 가열, 소결, 가공 및 후처리해 자동차에 적용 가능한 부품을 제조하는 기술이다.
분말소재 기술에 의해 제작되는 자동차 부품은 원료분말을 높은 정밀도를 가지는 금형을 이용해서 정밀·고속 프레스로 성형한 후 온도제어가 철저하게 이뤄지는 정밀 가열로를 이용해 소결한다.
따라서 자동차 분말소재 기술은 높은 치수 정밀도를 가지며 반복·연속성이 요구되는 대량생산에 적합하다. 또한 최종적으로 요구되는 자동차부품의 형상에 가깝게 성형돼 기계가공 및 소재손실을 최소화하거나 삭제시킬 수 있다. 이와 함께 상온·대기압 상태에서 각각의 분말을 단순 혼합에 의해 성분을 조절함으로써 복합소재, 미량원소 첨가소재, 용융시 편석이 심한 소재들도 자유롭게 제조할 수 있다. 그리고 접합·표면처리·열처리 등 다양한 공정을 추가해 고기능 복합형상의 자동차 부품을 제작할 수 있다는 점이 장점이다.
■ 환경변화
◇ 친환경 분말 소재 및 부품의 수요 증가
지금까지 자동차 관련 분말소재 및 부품은 엔진 및 트랜스미션 위주로 적용돼 왔다. 그러나 자동차는 기존의 화석연료를 사용하는 내연기관 위주에서 하이브리드 및 전기자동차 등 친환경 자동차로 그 흐름이 변하고 있다.
이에 따라 분말부품도 기존의 구조용 부품위주에서 미래형 자동차 시스템에 적합한 구조와 기능이 복합화 된 분말부품으로 변화가 요구되고 있다. 이를 위해 기존의 철계 분말소재 위주에서 알루미늄 등 경량 분말소재의 적용이 급격히 증가될 전망이다. 주요 적용 부품은 연비향상 관련 부품, 신 자성특성을 가진 분말소재 및 부품, 환경오염 최소화를 위한 필터 부품 등이다.
◇ 새로운 분말소재 및 부품 요구 증가
지금까지 자동차 분말부품의 사용은 기존 자동차 부품제조의 핵심공정인 주조·가공·정밀단조 등으로 제조된 부품을 저비용의 분말공정을 적용해 단순 대체하는 수준이 대부분이었다.
그러나 자동차 시장에서 획기적인 신제품 출시와 함께 단순 대체수준을 뛰어넘어서 분말공정을 적용하지 않으면 제조할 수 없는 고유의 특성을 가진 분말부품을 제조하는 수준까지 시장의 요구가 확대되고 있다.
또한 분말소재 및 부품의 기계적 특성의 한계로 인해 적용이 불가능했던 동력전달 부품까지 그 적용범위를 확대하고자 하는 요구도 꾸준히 증가되고 있다.
이러한 자동차 시장의 요구에 대응하기 위해 분말소재 및 부품의 기술발전 방향은 고기능화·고강도화·복잡형상화 등 3개의 축을 기본으로 전개되고 있다.
◇ 정밀부품의 저가격·대량생산 필요
자동차 분말부품은 정형가공(Near Net Shaping)기술을 이용해 기존 주조·단조 등의 공정을 대체해 상대적으로 저렴한 가격으로 대량생산하는 것이 가장 큰 장점이다. 특히 자동차 부품의 경우 국내 자동차 산업의 발전에 힘입어 부품의 수요가 급격히 증가해 차종에 따라 연간 몇 백만개 이상의 단일부품을 생산할 수 있는 대량생산 시스템 구축이 필수적이다.
자동차 부품제조에서 분말공정은 대량생산에 적합한 공정이지만 고정밀도를 요구하는 부품 제조의 경우에는 후가공·열처리 등 후공정의 문제점으로 대량생산에 한계성을 가진다. 한편 자동차 관련기술에서 자동차의 고급화·고기능·고효율에 의해 정밀 복잡형상의 부품 적용이 점차 확대되고 있으며, 자동차 분말부품에 대한 고정밀도화 요구도 크게 증가하고 있다.
이와 같이 고정밀도화에 대한 산업계의 요구를 충족시키기 위해서는 기존의 분말공정에 열처리, 단조 혹은 정밀가공 공정을 결합한 복합 분말공정의 개발이 필요하다. 또한 이러한 복합 분말공정은 분말공정의 장점을 최대한 활용할 수 있는 대량생산과 함께 분말부품의 정밀도가 가공에 의해 얻을 수 있는 수준까지 도달할 수 있어야 한다.
고기능화·고강도화·정밀형상화, 3개축으로 발전
분말부품, 정형가공기술로 저가격·대량생산 장점
■ 기술의 중요성
◇ 부품소재 산업의 핵심기술로 성장
분말소재 기술을 사용하면 핵심소재 부품의 치수정밀도를 높일 수 있고 대량생산에 적합하다. 또한 기계가공 및 소재손실 최소화(Net Shape)가 가능하고 복합·복잡 형상의 부품제작이 가능하다. 그리고 화학성분 조절을 통해 제품 성능을 극대화할 수 있는 큰 장점이 있어 정밀 부품·소재 제조 산업에 가장 효과적이고 핵심적 기술로서 그 중요도가 증가하고 있다.
이와 함께 자동차 및 일반 기계부품 제조에 분말소재공정을 적용함으로써 기존의 가공공정에 의해 제조하는 것보다 40% 이상의 저비용 생산이 가능하다. 그리고 자동차·전자 등의 기능성 소재 및 부품 제조 분야에서도 분말소재의 입자크기 및 조성 제어로 새로운 기능 부여가 가능하므로 에너지 효율, 환경 제어 및 센서 등의 첨단 부품 소재 개발이 가능하다. 특히 최근 국내 자동차 산업의 발전과 함께 국내 분말 부품 시장은 매년 15∼20% 신장되고 있으며 대표적인 중소기업형 산업 중의 하나이다.
◇ 미래산업의 기반기술로 발전
분말소재의 최대 적용 시장은 자동차 부품 시장이지만 산업의 다양화와 함께 분말소재의 적용 범위가 점차 확대되고 있다. 전기전자 소재산업에서는 각종 센서·전기 접점소재·발열소재·자성소재·휴대폰용 부품소재 등에 응용되고 있으며, 일반 산업기계분야에서는 각종 베어링·유공압 부품 등에 응용되고 있다.
공구·금형 소재도 드릴·압연롤·각종 금형 등의 시장에서 응용되고 있으며 항공·우주산업분야에 있어서는 엔진 부품·기체구조용 소형부품으로 응용되고 있다. 또한 생체의료용 산업분야에서는 각종 고정구·인공뼈 등에, 스포츠·레져용 산업분야서는 시계 케이스·스케이팅 날·골프용품 등 선업 전반에 걸쳐 분말소재를 이용한 전략 부품을 찾을 수 있다.
특히 전자산업의 폭발적인 성장과 함께 분말소재도 기존 소재가 가질 수 없는 물리·화학적 신기능 창출이 가능하기 때문에 디스플레이소재·자성코아 소재·RFID소재·전자파 차폐소재 등으로 다양하게 응용되고 있다.
◇ 기술적·경제적 국제 경쟁력 확보 필요
분말소재의 중요성은 점차 증대되고 있으며 이에 따라 국내시장도 연간 10~15% 신장되고 있다. 현대·기아 등 국내 자동차 업계의 수출 호전에 따라 자동차 부품용 분말소재의 수요가 점증하고 있으며 중국의 경제 활성화로 중국시장에 대한 수요도 증가하고 있다. 하지만 최근 산업계의 요구가 증대되고 있는 고성능 분말 및 소결부품의 기술수준은 선진국의 60% 수준으로 낮은 편이다.
이는 국내 분말관련 업체의 90% 이상이 중소기업으로 구성돼 있으며 자체 기술개발 인력 및 자금조달의 한계로 최신기술의 신속한 정보입수 및 신기술 개발 투자에 한계를 가지고 있기 때문이다. 분말소재 기술은 국가산업의 중추 기반기술로서 그 중요성이 강화되고 있으므로 국가적인 차원의 노력을 통해 기술적·경제적 국제경쟁력을 확보하는 것이 필요하다.
■ 자동차 분말소재·부품의 개요
자동차 부품 중에 특히 엔진이나 변속기 부품 등은 수많은 종류의 크고 작은 복잡한 기어로 구성돼 있다. 이러한 부품에 대한 종래 제조방법은 철이나 알루미늄 합금을 주조·가공해 생산하는 것이지만 대량생산과 효율면에서 여러 가지 문제점을 가진다.
이에 대한 해결방안은 분말소재기술을 사용하는 것으로 분말을 최종형상의 부품으로 압축성형한 후 가열에 의한 소결과정을 통해 종래의 기계가공 부품에 대응할 수 있는 성질을 갖도록 하는 것이다.
자동차에 적용되고 있는 분말부품에는 주로 철강분말소재가 가장 많이 사용되며 스테인리스 분말, 알루미늄 분말, 세라믹 분말이 부분적으로 사용되고 있다. 자동차에 적용되는 분말부품의 용도 및 형상의 예는 다음의 그림과 같다.
◇ 철계 자동차 부품
철분말소재를 원료분말로 사용해 제조되는 자동차 부품에는 엔진 부품·트랜스미션 부품·바디/샤시 부품·베어링 부품 등이 있다. 특히 기어류와 같이 가공하기 어려운 복잡한 형상을 가지는 부품의 대부분은 철합금 분말소재를 이용해 제조된다. 또한 고온 내마모 특성이 요구되는 부품은 분말공정의 장점을 이용해 내마모 특성을 강화시킨 분말소재를 이용해 제조된다.
지금까지 철강 소재의 열간단조 및 가공에 의해 제조되는 커넥팅 로드 부품은 분말단조공정을 적용해 보다 저렴하게 대량생산이 가능하게 됐으며 그 적용범위도 점차 확대되고 있다.
캠샤프트(Camshaft)는 자동차 엔진의 핵심부품이며 종래 주물이나 단조공정에 의해 제조되는 방식에서 중공형의 파이프와 분말소결공정을 복합 적용해 제조된다. 중공소결 캠샤프트 제조를 통해 30∼50% 경량화된 부품이 자동차에 적용하고 있다.
이외 스테인리스 분말은 자동차 ABS링 센스부품, 고온 내식용 배기부품 등에 응용되고 있다. 또한 자동차의 편의성 향상을 위해 다양한 종류의 모터가 사용되면서 모터 부품으로 적용되는 철계 오일리스 베어링의 사용량도 크게 증가하고 있다.
◇ 알루미늄계 자동차 부품
자동차 경량화 추세에 따라 철강소재 대신 알루미늄 등의 경량금속으로 대체하려는 경향이 크다. 분말소재 및 부품에 있어서도 기존의 철계 분말부품에 비해 가볍고 알루미늄 주조부품에 비해 우수한 물성을 갖는 알루미늄 분말부품의 적용이 증가하는 추세이다. 그러나 철계 부품에 비해 상대적으로 알루미늄 분말의 비싼 가격이 자동차 부품 시장 진입의 장벽으로 작용하고 있지만 최근의 환경과 에너지 문제가 대두되면서 알루미늄 분말부품의 사용도 확대될 것으로 기대된다.
알루미늄 분말부품이 처음으로 자동차에 적용된 시점은 미국 Metal Powder Product(MPP)사가 제조한 캠샤프트 베이링 캡(Camshaft Bearing Cap)이 GM사에 탑재된 1993년이다. 이후 디젤엔진 피스톤, 실린더 라이너, 구동축, 브레이크 부품 등에 꾸준히 확대 적용되고 있다.
◇ 세라믹 자동차 부품
알루미나·질화규소·탄화규소·산화지르코늄 같은 구조 세라믹의 일반적 장점은 철보다 경량이며 화학 및 열적 안정성이 높고 내마모성이 뛰어나다는 점이다. 하지만 취성파괴로 인해 기계적 성질에 있어서 신뢰도가 떨어지는 단점 때문에 자동차 소재로서는 극히 제한적으로 사용된다. 자동차 엔진의 매연여과장치는 디젤엔진에서 배출되는 미연소 탄소가 주성분인 미세입자를 여과하는 장치로 고온 열적 안정성이 우수한 세라믹 소재가 적용되고 있다.
■ 분말소재 부품의 성장성
분말소재 부품의 국내 최대 시장은 자동차 부품으로서 주로 엔진·트렌스미션·구동 장치에 적용되는 기어류이며 이외 전기전자산업, 일반 산업기계분야, 공구/금형 소재 등에서 다양하고 광범위하게 응용된다.
국내 분말 소결 부품 분야의 매출액 중 90% 이상이 자동차산업과 관련돼 있기 때문에 자동차 산업의 발전과 분말소재·부품 시장이 발전과 매우 밀접한 연관을 가진다. 특히 최근 현대·기아 등 국내 자동차 회사의 세계시장 점유율 확대에 힘입어 분말소재 부품 관련 산업은 연간 20∼30%의 고도 성장하고 있다.
자동차 1대당 사용하는 분말소재 부품의 사용량은 국내가 8∼9kg 수준이지만 미국은 15∼18kg수준에 이르고 있기 때문에 향후 기술개발의 진행정도에 따라 분말소재 부품의 시장 성장성은 매우 높다. 자동차 분말소재의 사용 확대를 위한 주요 기술적 니즈(Needs)는 현재 사용되고 있는 철계 분말 부품의 밀도 수준인 상대밀도를 현재 85~87% 수준에서 92% 이상으로 향상시켜 고강도화하고, 디젤 엔진 등 고부하 하중 및 고온에서 작동할 수 있는 부품을 제조하는 기술을 확보하는 것이다.
특히 고강도 요구와 동시에 3차원 구조를 지닌 대칭형 복잡형상 부품을 분말공정으로 제조하면 기존의 주단조 공정 대비 후가공비의 현격한 절감 효과로 경제적 효과가 매우 크다. 최근 분말 기술로 개발 적용되고 있는 변속기 부품 하나만 보더라도 연간 수백억의 지출을 절감할 수 있다.
■ 분말소재의 역할과 위상
전 세계 자동차 산업의 재편과 글로벌화로 인해 자동차 핵심부품인 분말부품의 중요성이 점점 증가하고 있다. 국내 자동차 업계는 분말공정을 적용한 부품 제조 확대를 위해 분말소재·부품의 기술 경쟁력 확보뿐 아니라 가격 경쟁력 향상을 위해 노력하고 있다.
아울러 자동차 연비 및 환경오염 최소화를 위해 기존의 철계 위주의 분말 부품을 알루미늄·티타늄과 같은 경량 분말소재를 적용해 부품을 제조하려는 노력도 병행하고 있다. 한편 아시아 자동차 생산량의 급격한 증가와 함께 한국·일본·중국은 아시아 분말 산업의 중심국으로 발돋움하고 있다. 따라서 한국은 생산 원가면에서 일본의 분말소재 및 부품보다 경쟁력이 높아 기술적인 경쟁력이 확보된다면 아시아 분말산업의 중심국으로 발돋움할 수 있다.
■ 분말소재분야별 기술개발동향
◇ 철계 분말소재·부품
철계 분말소재를 이용한 소결부품의 개발동향은 고강도·고기능·복잡형상으로 표현되는 3개의 축을 기본 개념으로 개발되고 있다. 특히 자동차 부품에 대해서는 기존 분말기술로 적용할 수 없었던 동력전달 부품까지 그 적용 범위를 확대하기 위해 다양한 고강도 분말소재 및 부품제조 공정을 개발하고 있다.
전통적인 소결 고강도 제품은 고가의 합금원소를 첨가하거나 생산성이 낮은 밀폐형 고온 소결로를 사용하고, 고가·고순도 철 분말들을 사용함으로써 제조 원가는 필연적으로 상승된다. 예를 들면 고밀도화를 위해 적용되는 2P2S(2번 성형, 2번 소결) 공정은 재 가압의 추가공정 비용이 필요하다.
동 용침(Infiltration) 공정은 철계 부품에 비해 상대적으로 낮은 용융점(1084°C)을 가지는 동소재로 부품 내부의 기공을 채워서 밀도를 향상시키기 때문에 동 소재 제작비용과 동 용침 공정의 추가 비용이 필요하다.
그리고 고온가열상태에서 가압(단조)을 행하는 소결단조 공법도 고가의 설비와 공정비용 추가로 인해 일반 소결 제품에 비해 높은 제조원가를 요구한다. 다음의 그림은 대표적인 소결공정의 상대원가와 밀도와의 관계를 나타내었다.
기존 분말공정에 의한 고강도 소결부품 제조기술은 높은 제조원가를 요구하기 때문에 최적의 비용으로 최상의 성능을 요구하는 자동차 부품제조에서 필수 공정으로 자리잡지 못했다. 현재 선진기술국은 이러한 문제점을 해결해 분말소재 자동차 부품제조를 확대하기 위해 성능 고도화와 경제성을 동시에 확보하기 위한 여러 가지 최신 기술들을 개발하고 있다.
◇ 알루미늄계 분말소재·부품
기존의 철계 자동차 분말 부품을 알루미늄 분말부품으로 대체하기 위한 연구는 1970년대부터 미국·일본 등의 국가연구소와 자동차 부품회사를 중심으로 집중적으로 수행됐다.
알루미늄 분말소재를 이용한 자동차 부품제조기술은 크게 △합금설계를 통해 고강도를 가진 원료분말을 개발해 일반적인 주조나 단조공정에 의해 제조된 부품보다 강도, 내마모성 및 열팽창 특성 등이 매우 우수한 분말부품을 개발하는 기술 △분말복합소재를 이용해 고탄성·고내마모성·높은 고온강도를 가진 부품을 개발해 기존의 철계합금을 대체하는 기술로 발전이 돼 왔다.
알루미늄 분말부품을 제조하는 기술은 원료분말로 혼합분말과 합금분말을 사용하는 경우로 구분할 수 있다. 원료분말로 혼합분말을 사용하는 경우는 미국 및 유럽국가를 중심으로 중점적으로 개발돼왔다. 이 공정은 분말공정의 정밀 성형성과 경제성을 최대한 활용해 비교적 저가의 부품을 대량 생산하는 기술이다. 자동차로는 1990년대 초 미국의 GM사에서 알루미늄 혼합분말을 소결해 Camshaft Bearing Cap에 적용하기 시작했으며, 현재 GM·크라이슬러·BMW 등 선진 자동차 제조사는 새로운 알루미늄 분말소재를 이용한 부품화 연구에 주력하고 있다.
한편 내마모·고강도가 요구되는 자동차 부품에는 원료분말로 알루미늄 합금분말을 사용한다. 이 경우 주로 Al-Si계 합금분말을 사용하며, 혼합분말보다 Si을 대량(20% 이상) 함유한 급냉 합금분말을 이용해 열팽창 계수를 낮추고 내마모성을 향상함으로서 자동차 실린더 라이너, Compressor용 Rotor, Vane 등에 적용하고 있다.
그리고 보다 높은 고강도를 요구하거나 내마모 특성을 요구하는 부품들에 대해는 Al2O3 등의 강화상을 포함한 복합소재를 고밀도화하는 공정을 적용하고 있다.
韓, 분말부품 시장 매년 15∼20% 신장
분말소결기술 선진기술 90% 근접
◇ 세라믹 소재·부품
세라믹의 고온 안전성과 내마모성을 이용해 자동차 소재로 응용하려는 기술개발은 1980년대부터 꾸준히 진행돼 왔으며, 질화규소를 원소재로 하는 터보차저 로터 및 점화 플러그 등이 매우 제한적으로 자동차 부품에 적용되는데 성공했다.
그러나 1990년대 자동차의 환경오염 문제가 대두됨에 따라 배기가스에 포함된 각종 오염물질을 제거하거나 제어하기 위한 기술개발이 본격화 됐다. 이중 산화지르코늄 소재를 이용한 산소 센스는 엔진 연소 중 산소와 연료비율을 최적화하는 전자 제어시스템의 필수 부품으로 사용되고 있다. 현재는 산소의 감지범위를 더욱더 정밀하게 해 연료 효율을 최대화하기 위한 기술개발이 진행되고 있다.
또한 디젤엔진에서 배출되는 환경오염 탄소입자를 80%이상을 저감시킬 수 있는 고효율의 세라믹 필터를 개발하는 연구도 국내외에서 활발히 진행되고 있으며, 세라믹 소재의 최대 단점인 내구성 향상을 위한 기술개발도 병행 추진되고 있다.
■ 분말소재 기술개발의 핵심 이슈
◇ 고강도화
최근 자동차 성능의 대폭적인 향상과 함께 관련 부품도 고성능이 요구되고 있다. 특히 고부하 하중이나 고온에서 작동할 수 있는 분말 부품의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 요구에 대응하기 위해서는 고밀도화·고합금화를 통해 기존 분말소재의 한계성을 극복할 수 있는 새로운 기술개발이 필요하다
◇ 고기능화
자동차 분말소재 부품의 90% 이상은 구조용 소재에 한정해 적용되고 있다. 그러나 자동차 한 대당 적용되는 각종 전자장치의 급격한 증가, 하이브리드 및 전기자동차 등의 본격적인 상용화에 따른 전기 및 전자와 관련된 각종 기능성 소재 및 부품의 적용이 크게 증가하고 있다. 특히 모터 및 관련 부품의 사용이 확대되면서 자성과 연관된 분말소재의 적용이 활발해질 것으로 예상된다. 현재 연자성 분말소재를 이용한 ABS링, 연료분사 시스템의 Inject Starter, 모터코어용 분말소재 등이 부분적으로 사용되고 있고 그 사용범위가 점차 확대되고 있다. 또한 고효율의 영구자석 분말소재도 자동차 모터소재로 응용범위가 크게 늘어나고 있다.
이러한 기능성 소재의 대부분은 분말공정의 장점을 적용해 부품을 제조할 수 있다. 따라서 향후 분말공정에 적합한 원소재 개발, 저가격의 고성능 부품제조 공정 개발 등 기능성 분말부품 제조기술의 개발이 필요하다.
◇ 정밀 형상화
자동차 분말부품의 대부분은 프레스 성형에 의해 분말 성형품을 제조한 후 소결해 제조된다. 따라서 제조된 분말부품은 2차원 형상을 가지며, 3차원의 형상을 제조하기 위해서는 후가공 등 부가공정이 투입되기 때문에 부품가격 향상의 원인이 된다. 한편 자동차 부품의 모듈화 및 형상복잡화 경향에 따라 많은 부품들이 3차원의 형상이 필요하므로 이를 위한 새로운 기술 개발이 시급한 실정이다.
분말부품의 3차원 형상화를 위해서 기존 2축 프레스를 사용하는 대신에 3차원 성형이 가능한 CNC 성형기를 이용해 분말 부품 제조에 적용하는 기술이 개발되고 있다. 또한 소결-접합공정을 동시에 진행해 복잡부품을 제조하는 기술 및 최신 분말공정인 분말사출공정을 이용해 3차원 부품을 대량생산하려는 기술이 중점적으로 개발되고 있다.
◇ 경량화
최근 석유에너지의 고가와 환경오염 등의 문제로 인해 연비향상을 통한 에너지 소비의 저감, 성능 향상, 배기가스 최소화 등을 실현하기 위해 기존의 철계 자동차 부품들을 알루미늄·티타늄계 경량분말 제품으로 대체하기 위한 연구가 활발하다. 또한 경량 전자부품 및 가전제품의 제조 및 응용 연구가 집중적으로 진행되고 있으며 최근에는 분말 공정에 의한 Mg부품의 개발도 경량화와 관련해 주목을 받고 있다.
알루미늄 분말소재의 경우 자동차로는 1990년대 초 미국에서 적용되기 시작했으며 현재 미국·일본·유럽에서 제한적이나마 자동차 부품으로 적용되고 있다. 그리고 관련 연구도 세계최대 분말소결 회사인 GKN을 중심으로 활발히 진행되고 있다. 한편 티타늄계 경량 분말소재의 경우 소재 및 제조가가 너무 높아 주로 항공부품이나 화학 플랜트용 소재로 적용돼 왔으나 최근 저가의 티타늄 분말을 이용해 자동차 부품 등에 적용하고자 하는 노력이 진행되고 있다.
