뿌리기술뿌리산업

지속 가능한 지구 환경 만들기를 위한 친환경 정책의 일환으로, 배기가스 배출을 줄이고자 내연기관 차에서 전기차로의 전환이 세계적으로 확대되고 있다. 특히 유럽연합은 2035년부터 배기가스를 배출 하는 내연기관 탑재 신차 판매를 금지하는 법안을 공식적으로 채택하였고, 미국은 2023년까지 신차의 67%를 전기차로 대체하겠다는 방침을 세웠다. 국내에서는 2021년에 “제4차 친환경자동차 기본계획”을 수립하여 2030년까지 신차 판매의 83%를 친환경차(전기차, 수소차, 하이브리드 포함)로 대체하고 전체 전체 차량 중 친환경차 비율을 30%까지 끌어올려 온실가스 배출을 24% 감축하겠다는 목표를 설정하였 다. 이러한 친환경차 보급 정책과 함께 배터리, 인버터, 모터로 이어지는 전기차 구동시스템 부품에 대 한 연구개발도 활발히 이루어지고 있다.
인버터는 배터리에 저장된 직류전류(Direct Current, DC)를 교류전류(Alternating Current, AC)로 전환하여 모터에 전달하는 역할을 하며, 모터에서는 구동을 위한 토크를 생성한다 (그림 1. (a)). 반도체 제조기술 발전에 따라 종래의 Si 기반 전력반도체에서 SiC와 같은 wide nandgap 전력반도체로의 전 환이 이루어지고 있다. SiC 전력반도체는 Si 전력반도체 대비 높은 항복전압을 가져 고전류 밀도 대응 이 가능하고, 높은 열전도도와 동작 온도(junction temperature)를 가져 고온 환경에서도 작동이 가능 하다는 장점이 있다. 또한 SiC는 높은 스위칭 주파수를 가져 고속 모터 활용이 가능하고, 변환 시 스위칭 손실을 줄일 수 있어 에너지 변환효율 및 성능 확대에 유리하다.
2018년 Tesla는 인버터에 사용되는 전력반도체를 전량 SiC 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스 터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)를 탑재한 Model 3를 출시하였 다. 아직 SiC Wafer 제조 비용이 많이 들고 반도체 수율이 낮아 대중화되어 있지 않지만, 지속적인 연구 개발을 통해 전기차 인버터용 전력반도체 시장에서 SiC이 점유하는 비율이 지속적으로 상승할 것으로 예상하고 있다. SiC 소자 도입으로 인해 기존 전력모듈 패키징 소재 역시 고온 및 고전류 밀도를 견딜 수 있는 소재 도입이 필요하다 (그림 1. (b), (c)).이 글에서는 차세대 전력반도체 패키지 소재/공정 중 하나 인 Ag 소결접합 기술을 중점적으로 소개하고자 한다.

4차 산업혁명으로 대변되는 산업 패러다임 변화에 따라 도장 처리 등 전통 표면처리 제조 산업 역시 급격한 변화와 혁신이 요구되고 있다. 산업 현장에서는 숙련된 인력의 노화로 인한 생산성 저하, 젊은 인력 기피 업종에 따른 높은 외국인 노동자 의존도, 노동 인구 감소 등의 인력 문제가 가장 큰 문제로 대두되고 있다. 이를 해결하기 위해 최근 많은 기업이 로봇 도입을 추진 중이다. 로봇을 도입은 인력 부족 문제를 해결하고 숙련된 노동자 의존도를 낮춰 생산성과 효율성을 모두 높일 수 있을 것으로 여겨지고 있다.
도장 공정은 제품 표면에 도료를 도포하여 표면 코팅층을 형성하는 기술로, 주로 제품의 내마모·내스크래치·내부식 등의 기능을 부여하거나, 다채로운 색상 구현으로 미관을 향상시키는 목적으로 자동차, 가전제품, 건축자재 등 다양한 산업 분야에 활용된다. 일반적으로 도장 공정은 도장 전처리, 도장 공정, 후처리 작업으로 나눠지는데, 도장 전처리 공정에서는 제품 표면과 도장 면과의 밀착력을 높이기 위해 제품 표면에 오염물을 제거하기 위한 공정으로 제전, 제진 공정으로 이루어져 있다. 도장 공정에서는 도료를 제품에 스프레이 방식으로 도장을 진행하고, 도장된 부분을 적절한 온도와 습도 조건에서 건조시키고, 경화 과정을 거쳐 견고한 도장층을 형성하게 된다. 후처리 공정에서는 완성된 도장층을 보호하기 위해 클리어링 공정 등을 진행한 후, 검사 공정을 거치게 된다[1].
현재 도장 공정에서는 도장 전·후 공정을 제외하고 대부분 자동화가 진행되어 있는 상황이다. 단순한 노즐 분사 시스템 자동화 단계에서부터 다관절 도장 로봇 시스템까지 도장 처리 제품에 맞게 설치가 진행되어 있다. 아무래도 도장 공정 도료 물질 분사 특성상 인체 유해한 유·무기 물질을 포함하고 있어 작업자를 구하기 어렵고, 품질을 결정하는 가장 중요한 공정이므로 제품 신뢰도 확보하기 위해 자동화 시스템이 구축되어 있다. 반면 도장 전처리는 공정 단계가 많고, 다품종 소량생산 대응에 표준화가 어려워 현재 수작업으로 진행 중인 곳이 많다. 보고된 연구 결과에 따르면, 도장 처리한 도막의 수명에 영향을 주는 가장 큰 인자는 도장 처리의 종류나 횟수가 아닌, 도장 전처리 공정에 따른 도장 전 표면 상태로 확인되었다. 영향도를 수치화했을 때, 전처리가 약 50%, 도막 두께가 20%, 도료의 종류와 기타 도장 조건이 나머지를 이루었다[2]. 도장 전 표면은 산화층, 수분, 먼지 등이 부착되어 있어 도장 전에 완전히 제거되지 않으면 도막과 제품 간의 밀착력이 저하되어, 도막 결함 및 조기 발청의 원인이 된다. 도막의 내구성을 결정하는 매우 중요한 공정임에도, 앞서 언급한 것처럼 현재 대부분의 공장에서 수작업으로 진행되고 있어 많은 인력이 투입되어 전체 공정에서의 효율을 떨어트리고, 동시에 균질한 표면 상태를 확보하지 못해 생산성이 떨어지는 상황이다. 따라서 로봇 도입을 통해 인력 감소 및 신뢰성 있는 품질 확보가 필요한 상황이다. 본 논문에서는 도장 전처리 공정에 수작업을 대체하여 로봇을 도입하기 위한 공정표준화 사례를 소개하고자 한다.

본 발명은 출원 중이며(10-2323-0140607) 듀플렉스 주강 및 이의 열처리 방법에 관한 것으로, 내식성이 우수한 동시에 원가 절감이 가능한 저Ni 듀플렉스 주강 및 이의 열처리 방법이다.
기존 산업에 적용되는 듀플렉스 스테인리스강은 판재와 강관 형태로 국한되어 그 용도가 제한적이며, 최근 발전 설비의 대형화에 따라 수요가 증가하고 있다. 특히, 임펠러 같은 복잡한 형상의 듀플렉스 스테인리스강 주물품의 제조 기술개발이 필요한 실정이다.
산업 설비에서 사용되는 듀플렉스 스테인리스강의 적용 부품은 주물품으로 임펠러, 디스차지/석션 케이싱, 디스차지 볼, 밸 바디, 밸브 본 네트, 밸브 디스크 등이 있다. 이러한 중대형 듀플렉스 스테인리스강 부품의 경우 상대적으로 큰 질량 효과(mass effect)로 인한 부위별 내부응력 및 유해 석출상(σ상, χ상, 질화물 등)을 제어하기 위해 주조품의 합금 설계, 주조 방안 설계, 용해 주조 기술 및 주조품의 유해상의 미세조직 제어기술 등의 확보와 각 공정의 최적화 기술이 필요하다.
특히, 발전 설비 및 담수 설비용 내식 소재부품(펌프 임펠러/샤프트, 밸브 바디/시스템, 해수 배관 플랜지) 등에 주로 사용되는 듀플렉스 스테인리스강의 시장 규모는 2024년까지 약 36억 달러를 넘어설 것으로 예상된다. 또한, 기존의 물 산업 펌프 및 밸브 소재는 고Ni(11% 이상) 함유 기존 ASTM A743-CF3M(19% Cr-11% Ni-2.2% Mo) 오스테나이트 스테인리스 주강이다. 고Ni의 함유로 가격 경쟁력 낮은 합금을 대체할 수 있는 Ni/Mo 저감형 고강도, 고내식성 듀플렉스 스테인리스강 주물품 원소재의 합금 설계가 필요하다. 소재의 기능성 및 내구성 향상으로 물 산업용 펌프, 밸브, 플렌지용의 핵심 주물품 뿐만 아니라 상하수도 시설 등과 관련 유사 기계 부품에 활용이 가능하여 경쟁력 강화에 기여할 수 있으며 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.
따라서, 전술한 문제를 해결하기 위한 고강도 고내식성의 저Ni 듀플렉스 주강의 합금 설계 및 미세조직 제어기술에 대한 연구가 필요하다.

최근 뿌리산업의 경우 제조업의 경쟁력 근간을 형성하는 기반산업임에도 불구하고 위험한 작업 환경과 산업경제의 어려움, 낮은 임금 체계 등으로 인하여 인력 부족 현상이 계속되고 있다. 이러한 구조적 문제를 해결하기 위해서는 인력 구조의 개편이 요구되나 열악한 환경과 처우 등의 좋지 않은 이미지로 인해 청년 인력의 취업 기피는 여전한 것으로 나타나고 있다. 또한 고령화로 인한 노동 인구의 감소와 고임금화, 근로 시간의 단축, 외국인 근로자의 한계 등 노동 시장의 위축으로 인한 인력 문제가 존재하고 있어 이러한 산업계의 문제를 해결하기 위해서 로봇을 적용한 생산 라인의 자동화가 요구되는 추세이다.
본 논문에서는 사출 공정에 있어 수작업으로 진행되고 있는 공정을 로봇 자동화 적용 개발을 통해 생산성과 불량 개선을 하고자 한다. 적용하는 볼밸브 제품은 인서트가 삽입되어 사출되는 형태로 해당 공정의 흐름은 인서트의 입고, 정렬, 삽입 후 사출성형을 진행하고 제품의 취출 후 검사하고 트레이에 적재하여 이송하는 순서로 진행되며 현재는 수작업으로 진행되고 있어 품질의 불균일성이 문제가 되며 생산성의 한계 및 안전사고의 위험이 존재하고 있다. 자동화 시스템 개발을 위해 인서트 트레이 공급, 정렬 장치와 인서트의 로딩, 언로딩을 위한 협동로봇과 검사를 위한 비전 시스템을 적용하였으며, 적용 전후의 사이클 타임 개선 효과와 생산성 향상, 그리고 불량률 감소 효과를 확인하였다.

기존 철강의 부품화 공정을 충분히 활용할 수 있는 알루미늄 판재는 철강 대비 3배나 낮은 비중으로 자동차의 연비 효율 향상을 위해 많은 부품에 적용되고 있다. 코로나 이후 친환경 차량의 급격한 증가에 대한 기대감으로 전 세계 완성차사는 알루미늄 판재 적용을 적극적으로 검토하고 있다. 이를 반영하듯 전문 리서치 기관에서는 2030년에 약 1,335억 불의 자동차용 알루미늄 시장을 예측하고 있으며, 주조재 및 압연재의 시장 증가를 예측하였다(그림 1). 이는 테슬라의 기가캐스팅 기술로 인해 차체 부품에 사 용하던 압출재 부품이 기가캐스팅 부품, 즉 주조재로 대체될 것이라는 예상이 반영된 결과이다.

최근 적층제조 기술이 미래 첨단제조를 이끌어갈 핵심 유망기술로 주목을 받으면서 다양한 산업 분야에서 적층제조 기술 도입을 위한 적극적인 투자들이 이어지고 있다. 특히 항공우주, 국방, 에너지 등의 고부가가치 산업 분야에서는 고성능 부품을 생산할 수 있는 기술로써 금속 적층제조 기술을 주목하며 연구개발에 집중하고 있다.
현재 상용화되어 주류를 이루고 있는 금속 적층 기술은 크게 Powder Bed Fusion(PBF) 방식과 Directed Energy Deposition(DED) 방식이 존재한다. 금속 분말을 베드(Bed)에 도포하여 층층이 고출력 레이저 빔을 스캔하여 3차원 형상을 조형하는 PBF 방식과 달리, DED 방식은 고출력 레이저 빔을 작업 모재에 조사하면서 동시에 금속 분말 등을 공급하여 3차원 형상을 제조하는 공정이다. DED 공정은 PBF 대비 적층 속도(Deposition rate)가 빠르고 CNC 장비나 로봇과 결합되어 제작 가능 크기의 제약이 적으며 기존 부품 위에 일부 형상만 추가 적층이 가능하다는 점 덕분에 대형 부품 제작이나 손상 부품 보수 작업에 활용성이 높다.
DED 공정 역시 다른 적층 공정 방식과 마찬가지로 다품종 소량생산에 주로 활용되는데, 이로 인해 적층하고자 하는 형상이나 소재가 빈번하게 변경되어 작업자가 각 상황에 맞게 적절히 공정 조건을 설계하는 것이 까다로운 면이 있다. 특히, 적층 공정이 장시간 진행될 경우 적층 부품에 열이 누적되어 적정 공정 조건 범위가 공정 초반부에 설정한 최적 공정 조건 값에서 벗어나 자칫 불량으로 이어지는 상황이 발생하기도 한다.

공정 상황을 확인할 수 있는 DAQ가 준비되었다면, 이제는 데이터를 모아보자. 사물인터넷을 이용해서 데이터를 모으려면 센서가 인터넷에 연결되어야 한다. 간단하게 말하면, 센서가 와이파이(WiFi)에 연결되게 하는 것이다. 복잡하다고 한 것은 인터넷에 연결하는 기술이 꽤 여러 가지가 있기 때문이다. 또한 이들 모두가 한결같이 이해하기 어려울 수도 하다. 하지만 돌고 돌아 결국에는 와이파이를 이용하는 것으로 귀결될 가능성이 크다. 와이파이가 인터넷 연결에 가장 많이 사용되기 때문이다. 그러니 여기서 는 와이파이를 이용해서 IoT 센서 시스템을 구현하는 방법에 대해서만 간단히 소개하고자 한다.

최근 차세대 모빌리티(전기자동차, 드론 등) 산업의 급격한 성장으로 인해, 배터리의 핵심 원자재인 리튬 수요가 기하급수적으로 증가하고 있다. 리튬의 사용량은 2010년 23,500톤 사용된 것에 비해 2021년에는 283% 증가한 93,000톤이 사용되었으며 향후 더 증가할 전망이다. 이차전지 시장에서 리튬이온전지가 2020년에 납축전지의 순위를 역전하며 2019년 198GWh와 비교하여 2030년에는 3,392GWh 규모로 증가할 것으로 전망된다. 대표적인 예로 TESLA는 지속 가능한 에너지 생태계 구축을 목표로 전기자동차부터 배터리 시스템까지 영역을 확장 중이며 네바다, 뉴욕주, 상하이 등에 기가 팩토리를 건설하였고, 베를린과 텍사스에도 공장을 신설할 예정이다. 더불어 국내 기업인 LG 에너지솔루션은 세계 시장 1위를 유지하면서 전기자동차 배터리 시장을 주도하고 있다. LG 에너지솔루션은 한국, 중국, 폴란드 등에 공장을 운영 중으로 미국 거점 건설을 통해 북미 최대의 공급 업체로 부상할 것으로 전망된다. 리튬 이차전지의 수요 확대와 활용 범위의 확대가 계속됨에 따라서 시장의 규모도 지속해서 확대될 것으로 예상한다.

기존 리튬의 주요 공급원은 광산 혹은 염호로 지표면 내의 매장량은 매우 한정적이며 생산 시 막대한 양의 지하수 사용 및 화학 물질(H2SO4)의 사용으로 심각한 환경 오염의 문제가 발생하고 있다. 또한, 염호는 남미 삼각지대(볼리비아, 칠레, 아르헨티나)에 분포하며 광산은 호주, 중국, 미국에 주로 분포하는 등 특정 국가에 자원 매장량이 편중되어 있다. 한국은 전 세계 배터리 제조의 25% 이상을 점유하고 있지만, 제조에 사용되는 리튬을 전량 수입에 의존하고 있어 특정 국가 수출 제한 등의 조치나 수급이 불안정한 위험이 존재한다. 이러한 문제의 해결책으로 차세대 리튬 추출 기술의 연구를 통해 환경 오염을 줄이고 리튬 수입 의존도를 줄이는 등 여러 공급망의 다변화가 필요하다.
본 논문에서는 희소금속인 리튬 공급망의 현황을 소개하고, 최근 산업 및 연구 분야에서 개발 중인 리튬 공급망 확보를 위한 연구개발 동향을 소개하고자 한다.

4차 산업혁명을 계기로 우리 제조 산업 현장에서는 기존 전통적인 아날로그 방식에 디지털 기술과 혁신적인 비즈니스 모델을 적용하여 더욱 효율적이고 높은 경쟁력을 확보하고자 노력하고 있다. 이러한 과정에는 흔히 일컫는 디지털 전환(Digital Transformation, DX)이 필수적으로 요구되며, 빅데이터, 인공 지능(AI), 사물 인터넷(IoT), 클라우드 컴퓨팅, 블록체인 등의 디지털 기술을 적극적으로 활용함으로써 공정의 운영 방식과 생산 제품의 혁신적 개선과 비용 절감, 최적화가 가능해진다.

초창기 DX가 제조 산업에 소개되었을 당시 대중에서는 단순히 기존 작업자가 공정마다 관여하던 아날로그 방식이 자동화 및 전산화되어 노동력과 제품 생산 비용 절감의 효과가 있는 것으로 이해되었다. 그러나 DX의 핵심 기술들에 대한 관심이 증대되고 관련 연구가 활발해짐에 따라 제조 산업에서의 DX 적용 또한 더욱 고도화되고 확대되었다. 예를 들어 김창호(2022)는 디지털전환 모형에 대한 경험적 근거를 바탕으로 국내 중견 제조기업에서의 효과적인 DX 전환을 위한 실행 모형을 소개한 바 있다. 또한 김원태 등(2020)은 제조 산업 현장에서 DX 도입 간 천문학적으로 쌓이는 제품 설계, 생산, 제품 성능에 대한 정보를 효과적으로 처리하고, 이를 빠른 속도로 실제 생산 활동 개선에 활용하는데 정보 처리 기반 으로써 적용 가능한 디지털 트윈 기술을 소개하기도 하였다.

DX는 제품의 설계나 제조 공정, 제품의 검사 등에서의 활용을 넘어 제조 현장 내에서 다양하게 적용이 가능하다. 그러나 지금까지 대부분의 제조 산업에서 DX 적용은 제품의 효과적 생산, 비용 절감, 제품 품질 향상 등에 먼저 초점이 맞추어져 있었던 반면, 제조 현장 내 작업자를 위한 환경적 측면에서의 DX 적용은 드물었다. 따라서 본 연구에서는 제조 산업 현장에서의 작업자 안전 환경 확보를 위한 DX 적용 방안을 구체화하고, 향후 국내 뿌리산업 촉진 방향에 대하여 모색하고자 하였다.