은광용 (주)기술과가치 전문위원

1. 서론
초고압극한기술은 4만 내지 5만 기압의 액체 및 고체에 적용하여 초경질재료의 제조와 응용에 적용되는 기술을 의미한다. 이외에 전기의 몇 만 볼트 이상 초고전압을 지칭하는 부분과 식품의 몇 천 기압의 고압처리기술에도 초고압을 지칭하기도 하나 여기에서 취급하는 초고압과는 완전히 구별되는 것이다. 4,5만 기압의 초고압기술은 지구의 약 200km 지하의 압력으로 이러한 압력을 공업생산적인 규모로 만들어 활용하는 가장 중요한 분야가 다이아몬드와 입방정 질화보론(cBN: cubic Boron Nitride)을 합성하고 이를 다시 초고압에서 소결하여 여러 가지 초경질재료의 공구류를 제조하는 기술 분야이다.
이러한 기술의 발전은 다이아몬드와 cBN 공구들의 공업적 생산기술을 발전시켜 소위 초경질재료의 활용산업을 이끌고 있으며 이 기술이 이제는 천연다이아몬드 단결정 중 그 색상이 우수하지 못한 것들을 초고압 고온처리를 통하여 미려한 색상으로 만드는 데까지도 발전하였다.
우리나라는 지난 1980년대 후반에 이 초고압기술개발을 시작하여 매우 빠른 속도로 세계적인 수준의 관련제품 개발 사업화에 성공한 분야이며 이는 여러 제조업과 건설 산업에서 비약적인 발전을 거듭한 한국의 기술발전 의욕의 결과라고 말 할 수 있다.
최근 10여 년 동안에 중국은 획기적인 초고압기술 발전을 일으켜 초고압으로 경제성과 품질이 우수하게 다이아몬드 관련제품을 생산하는 실적이 과거의 최강 남아공과 미국의 두 업체들을 제치고 세게 최대 공급국으로 나섰다는 것이 초고압 극한기술 산업의 두드러진 변화이다. 과거에는 초고압 벨트프레스(belt press)로만 우수한 다이아몬드 제품을 생산할 수 있었는데 최근에는 중국이 자국의 독특한 초고압 육면체 프레스(cubic press)의 생산기술 발전을 기하여 이제는 초고압 벨트프레스의 생산성을 능가하는 수준에 이르렀다고 볼 수 있게 되었다. 여기에서는 이러한 최근 기술발전과 산업화 발전의 개요를 설명하고자 한다. 
2. 초고압 극한기술의 개발과 그 생산기술의 발전
초고압 극한기술의 발전은 벨트프레스, 사면체 프레스, 육면체 프레스, 분해 구형장치 등 여러 가지 초고압 발생장치에서 이루어졌는데 그 중에서도 다이아몬드 등 초경질재료의 생산에서 그 기술이 크게 발전한 초고압 기술은 초고압 벨트프레스와 육면체 프레스의 생산기술이다.

2-1. 초고압 벨트프레스(belt press) 기술의 발전
초고압기술의 개발 시작은 1953년 드비어스(De Beers)사와 1954년 GE(General Electric)사의 초고압 다이아몬드 합성기술개발이며 이들 양사는 경쟁적으로 벨트프레스(belt press)를 개선 증대하여 다이아몬드 및 cBN 그래뉼(granule)의 합성과 초고압 소결기술을 발전시켜 지난세기 동안에 세계적으로 이들 제품 생산의 80%를 차지해왔다. 이 벨트 프레스의 개념은 그림 1과 같이 초고압 셀을 초경합금금형으로 구성하고 그 셀 금형을 여러 단의 강제 벨트로 가압하여 초경합금 셀에 약 2만5천 기압을 미리 반대로 작용하게 하여 2만5천 기압밖에 못 견디는 초경합금 셀이 5만 기압에도 견딜 수 있게 만든 복합 금형장치이다. 이 초고압 벨트프레스에서 6~8면체의 쏘 용 다이아몬드 그래뉼부터 각종 불규칙 형상의 그래뉼까지 20~300메쉬의 다이아몬드와 cBN 그래뉼과 미크론 크기의 분말을 생산하여 다양한 공구소재로 공급하고 있다. 초고압 기술에 의한 다이아몬드와 cBN의 합성과 소결기술의 기본은 초고압을 발생하는 벨트 장치의 체적 증대와 초고압을 받는 초경합금 금형의 장 수명 활용기술이다. 이들의 벨트프레스에 의한 세계 시장 주도에 1980년대 후반 일진다이아몬드 사가 KIST에서 이 초고압기술을 개발하여 진입함으로서 이들과 함께 자유세계에서는 이들 삼사가 초고압 다이아몬드 생산을 지배해왔다.
다이아몬드의 합성에서 처음에는 흑연과 철 닉켈 코발트 등의 촉매금속을 층상으로 배열하여 다이아몬드를 일정하게 핵 생성시킨 후 이를 균일하게 성장시키는 기술이었다. 그러나 차후 흑연분말과 촉매금속 분말을 사용하여 다이아몬드 그래뉼을 생산하는 빈터(Winter)방법으로 1990년대 후반에 기술의 개선 발전이 있었다. 이러한 기술의 발전에서 이들 삼사는 거의 대등한 기술발전을 이루어 초고압 다이아몬드 시장을 자유세계에서 주도해왔다. 벨트 프레스의 용량은 4,5천 톤이 주류이며 초고압 반응실의 크기는 50mmØ 이상으로 사이클 당 양질 다이아몬드 생산이 수백 캐럿(carat:200mg)에 이른다. 다이아몬드와 cBN의 그래뉼과 초고압 소결체는 석재공구나 각종 기계 공구를 제조하는 다이아몬드 공구제조업체에 판매되며 국내는 물론 해외 수출품으로 큰 역할을 하고 있다. 
지난세기 말에 천연다이아몬드결정의 주력 판매사인 드비어스 사로부터 이 다이아몬드 초고압 합성회사는 분리되어 E6(Element six)사로 독립되었고 유럽의 몇 개의 다이아몬드회사를 M&A하여 세계최대의 회사가 되었다. GE사의 다이아몬드 초고압 합성파트도 샌드빅(Sandvik)사로 판매되어 DI(Diamond Innovation)사로 독립되었다. E6사는 아일랜드섀넌에 있던 초고압 다이아몬드 생산시설을 남아공화국에 이전하였고 DI사도 아일랜드 더블린의 생산시설을 폐쇄한 것으로 보인다. 이에 따라 이 초고압 벨트프레스에 의한 E6, DI, 일진다이아몬드의 cBN 그래뉼과 소결체의 생산비율은 각각 중국을 제외한 세계생산의 약 40%, 30%, 15%를 차지하고 있다.     
세계의 초고압 다이아몬드 와 cBN의 생산 공급에서 이 초고압 벨트 프레스 제품의 시장점유율이 금세기에 들어서 차츰 줄어들기 시작하여 생산량에 있어서는 최근에 육면체 프레스 제품과 동등한 수준으로 되었다. 값이 가장 비싼 쏘 용 다이아몬드의 가격이 캐럿 당 4불 수준에서 그 1/10로 떨어진 것은 초경합금 금형의 수명증대와 그 결정 품질 수준의 발전에도 불구하고 경쟁제품인 육면체 프레스에 의한 다이아몬드의 저가 도전에 기인 한 것이다. 이러한 경쟁에는 생산기지의 저임금, 고생산성의 뒷받침이 있으며 E6사가 주 생산기지를 남아연방으로 모은 것도 이러한 요인이 작용한 것으로 보인다.

2-2. 초고압 육면체 프레스(cubic press) 기술의 발전
초고압 육면체 프레스는 중국과 일본 등에서 60 년대부터 일이천 톤 내외의 소규모 장치로 초고압 다이아몬드를 합성해왔으나 최근 자유세계 삼사의 기술적 생산규모의 발전에 자극 받아 최근 삼천 톤급 이상으로 초경합금 금형과 프레스 생산능력을 증대하여 생산량을 크게 확대했을 뿐만 아니라 그 품질에서도 선진 삼사의 수준에 거의 육박하는 발전을 이룩하였다. 이러한 획기적 발전은 중국의 공업발전으로 수많은 도시와 이 도시들 사이에 많은 도로 등 건설 산업이 크게 일어나 다이아몬드 등 초경질재료의 수요가 중국 자체에 크게 일어난 데 기인한 것이다. 중국에는 전국 각 성 별로 초고압 다이아몬드 등 초경질재료에 대하여 자체적으로 제작한 육면체 프레스로 다양한 연구개발을 기해왔으며 수많은 업체별로 이를 생산하여  내부 수요의 내부에 의한 충족이라는 중국 특유의 자족산업구조 하에 비교적 품질이 떨어지는 제품이라도 보완 사용하는 체제를 유지해 온 것도 현저한 발전의 기반이었다.
그런데 지난 세기말부터 금세기에 들어서 중국 육방 체 기술의 획기적 발전이 일어나 중국 허난성 쩽쪼우(鄭州)시에 있는 종난(Zhongnan中南)사와 황허(Huanghe黃河)사의 두 회사가 최근 10년 동안에 E6사 규모로 생산 규모를 증대하고 그 품질 수준을 크게 증진했다는 것은 초경질재료 산업에서 그 전례가 없는 대단한 성과이다. 육면체 프레스 초고압기술 진보의 내용은 유한요소 해석에 의한 설계기술의 발전, 구조 지지기술의 변경 발전(Flange지지→Underside이중지지방식), 고강도 합금강 채택, 주조기술과 정밀가공기술의 진보 등에 따른 육면체 프레스의 용량증대에 따른 것이다. 이러한 발전에는 텅스텐 자원의 세계 60% 보유국인 중국이 초경합금 초고압 육면체 금형의 대형화 연구개발을 집중하고 우수한 인재들이 모여 이 기술의 향상을 이룬 두 회사에 규모 증대의 투자를 과감하게 기한 데 따른 것으로 보인다.

2-3. 세계적 초고압 경질재료 생산 공급 체제의 변화
중국에서 최근 10년 동안에 다이아몬드와 cBN의 생산량이 5배 이상으로 증대하여 다이아몬드는 50억 캐럿, cBN은 3억 캐럿의 생산에 이르렀고 캐럿 당 생산단가는 다이아몬드 1에서 0.4rmb로 cBN은 3에서 1rmb로 현저히 하락하여 국제시장에서의 경쟁력을 크게 강화하였다. 이러한 생산량의 증대와 가격하락의 원인은 매 5년마다 합성 셀의 체적, 사이클 당 다이아몬드 수율, 그래뉼 압축강도 등에서 50% 이상씩의 진보를 하여 생산성이 증대되고 초경합금 앤빌의 일만 캐럿 당 소모량 등 금형수명이 월등히 개선됨으로서 다이아몬드 캐럿 당 제조비용이 현저히 감소되었기 때문이다. 이러한 중국 다이아몬드의 기술진보와 가격저하의 영향으로 수출경쟁에서 다른 자유세계의 강자들조차 견뎌내기 어려운 환경이 되어 최근 10년 동안에 중국 제품 수입량이 미국에서는 약 20%→60%로 일본에서는 약 24%→42%로 현저히 증대하는 결과를 초래하였다. 따라서 중국이 다이아몬드 등 초경질재료의 최대 소비국인 동시에 최대 수출국으로 부상하였으며 연간 50억 캐럿의 다이아몬드 최대생산국이 되었다. 이로 인해 E6, DI, 일진 삼사의 매출은 한때 거의 절반으로 줄었고 현재는 과거 최대 생산의 2/3 수준에 있으며 중국이 세계 공급의 중량 대비 80%를 차지한다고 주장하고 있다. 현재 결정성이 우수한 다이아몬드와 cBN 제품으로 세계적으로 우수한 초경질공구를 생산하는 선진업체들에서는 전기 삼사의 제품을 주로 사용하고 있으며 향후 벨트프레스와 입방체 프레스의 고급제품 생산경쟁이 중국제품의 우수제품 확대여부를 결정하게 될 것으로 보인다. 

3. 초고압 합성된 초경질재료 공구산업의 발전
초고압으로 합성된 다이아몬드와 cBN은 금속, 레진, 비트리파이 결합으로 석재 또는 산업용 공구로, 초고압 소결된 다이아몬드와 cBN은 초경합금공구 에지에 접합되어 PCD 또는 PCBN공구로, 그리고 초고압 하에서 단결정 성장된 다이아몬드는 초정밀가공용 단결정 공구로 각각 다음 설명과 같이 사용된다.

3-1. 다이아몬드와 cBN 석재 및 산업용 공구산업의 발전
국내 다이아몬드공구산업은 초고압기술이 수립되기 전부터 발전을 시작하여 초고압기술 발전으로 더욱 탄력을 받아 메탈본드 레진본드 비트리파이드 본드 등 다양한 결합의 다이아몬드는 물론 cBN공구를 생산하는 기업으로 2개 대기업 8개 중견기업 100여개 중소기업들이 중국 업체들의 염가 도전에  각 공구별 몇 년차의 기술우위로 잘 버티어 오고 있다.  사회간접시설의 확충, 초고층 건물의 신건축, 건설 산업의 다양화로 수요 증가에 발맞추어 석재공구가 크게 발전하였으며 메탈 본드 쏘의 제조에는 고강도 6~8면체 다이아몬드입자를 균일배치 소결하는 기술을 정립하여 시장을 확대함에 따라 석재공구 생산이 전체 다이아몬드공구 시장의 70%에 이르는 구조를 보인다. 기계, 전자·전기, 자동차, 항공기, 반도체 등 정밀가공 분야에서 사용되는 산업용공구의 생산이 나머지 30%로 선진국의 경우 40~50%에 비해 낮은 편이지만, 최근 세계 4, 5위에 오르는 이화, 신한 다이아몬드의  선도업체를 중심으로 산업용 공구에서도 생산 확대가 이뤄지고 있다. 이러한·석재용 공구의 공급 과잉과 중국산 다이아몬드공구의 저가 공세에 국산 다이아몬드공구의 가격경쟁력 약화로 국내 선두업체는 부가가치가 높은 산업용 다이아몬드공구 수출에 더욱 힘을 쏟고 있다.
세계시장에서 1위의 프랑스계 생고뱅(Saint-Gobain)사는 미국의 노튼과 유럽의 빈터, 유니콘, Vanmoppe 등 여러 회사를 M&A하여 세계시장의 30%를 차지하며 여러 유명 브랜드로 선진시장을 주도하고 있다. 2위의 일본 아사히 다이아몬드 사는 일본의 전기전자, 자동차산업 등에 바탕한 정밀산업공구의 우위를 유지하고 있다. 그다음으로 오스트리아의 티롤리트, 일본의 ALMT, 한국의 이화, 신한다이아몬드 등이 3~7위 사이에서 차츰 안정화 되어 가는 품질과 기술로 염가의 제품을 수출하는 중국의 여러 업체들과 함께 치열한 경쟁을 벌이고 있다. 세계적인 경쟁력을 가지는 로터리 드레서의 독일 닥터 카이저 사, 비트리 휠의 일본 노리타께 사, 자동차 엔진용 캠 샤프트의 Toyota-Vanmoppe 등이 특정분야에서 두각을 나타내는 것처럼 전문성 높은 제품의 전문회사가 차후 경쟁에서 유리해 보이는 분위기가 이 공구산업에서 형성되어가고 있다.

3-2. 초고압 소결 다이아몬드와 cBN 공구산업의 발전
초고압 소경체 공구인 PCD/PCBN 절삭공구도 최근 매년 급속하게 신장하고 있는 부문으로 소재는 E6, DI, 일진 등이 생산하고 여러 다이아몬드공구 업체와 초경합금공구 제조업체들이 인서트 팁으로 제작 판매하는데 그 연간 세계 수요가 약 6억불을 넘어서고 있다. 세계적 초경공구 제조업체인 샌드빅(Sandvik), 이스카는 물론이고 한국의 대구텍, 한국야금도 자동차를 비롯한 여러 정밀부품산업에 이들 인서트, 컷터, 드릴 등 공구를 생산 공급에 참여하여 이들 공구의 시장경쟁은 국내외 어디에서나 다이아몬드 공구업체와 초경공구업체가 함께 경합하는 매우 치열한 상태에 있다. 난삭재 증가에 따라 초경공구 대체재로서 그 사용량이 급증하고 있으며 초고압 전문업체로서 메가 다이아몬드 등 소형 전문 업체들도 일찍부터 PCD/PCBN 의 특수 컷터 드릴 등 공구제품을 초고압으로 생산 공급하여 왔다. 여러 가지 세라믹스, 알루미나, 금속 등 고난도 난삭재의 가공용 PCD/PCBN 드릴, 반도체 칩 가공 및 VTR 테이프 가공용 마이크로 블레이드 등이 현재 상품화되어 있으며 여러 가지 전문 특수공구들이 계속 개발 활용될 전망이다. 일진 다이아몬드에서도 최근 이들 PCD/PCBN 초고압 소재공급이 꾸준히 증가하여 연간 200억 원에 가까운 매출을 기하였으며 향후 이 부문에 발전이 더욱 기대되고 있다.
 
3-3. 초고압 단결정 다이아몬드합성 및 응용기술의 발전
초고압으로 셀을 구성하여 그 셀 중앙에 다이아몬드 원료를 놓고 셀 아래에 시드결정을 놓아 단결정을 성장하는 기술이 70년대 GE사에서 개발되고 그 후 E6사와 일본의 수미토모덴코 사에 의해 생산 개발되어 단결정 다이아몬드공구 즉 초정밀절삭공구, 극세선 신선용 드로우잉 다이스, 각종 내마모 부품, 광학용 고 투과성 창 등에 다양하게 사용되고 있다. 대부분의 공구 및 내마모 제품이 질소의 함입으로 황색을 나타내고 있으나 이를 제거한 무색투명한 제품도 가능하며 거의 보석용 수준의 제품도 가능해 보인다. 이들 단결정공구제품은 국내에서 제조 되지 않으며 수입 사용되고 있다. 천연산 다이아몬드 결정 중에는 색상이 갈색으로 보석활용에 가치가 떨어지는 결정이 유용한 보석용보다도 더 많이 산출된다. 이러한 결정을 초고압 고온 처리하면 그 색상이 보석에 활용되는 맑은 색상으로 전환되는 기술을 개발하여 여러 초고압회사들이 사용하고 있으며 일진 다이아몬드에도 이 기술이 있다.   

4. 초고압 극한기술과 관련 산업의 발전 전망 및 결론
다이아몬드와 cBN을 초고압으로 합성하고 소결하여 여러 가지의 공구제품 소재를 제조하는 기술이 최근 10년 사이에 종래의 벨트프레스 생산기술에서 벨트 프레스와 육면체 프레스의 두 가지 기술 경쟁체제로 변화 발전하였다. 이러한 발전의 기반은 초고압 셀을 구성하는 초경합금과 이초경합금을 지지하여 초고압을 발생하게 하는 벨트 또는 육면체 금형의 수명을 크게 향상하여 종래에 뒤떨어졌던 육면체 프레스의 생산성과 그 제품의 품질 성능이 거의 벨트 프레스의 수준에 가깝게 향상됨으로서 이들 제조업체들 사이에 치열한 경쟁이 발생한데서 비롯하게 된다. 그동안 품질 성능이 뒤떨어져 있던 중국의 육면체 프레스 기술이 증진되며 다이아몬드와 cBN제품의 가격을 최근 10년 동안 일정하게 낮게 유지했으므로 벨트프레스 회사들은 품질과 성능을 종래보다 향상시키면서 가격을 낮추어 중국 제품과의 가격 격차를 줄이는데 노력하였다. 그러나 육면체 프레스기술에서 프레스 용량과 디자인을 개선하며 최근 10년 노력한 만큼 벨트프레스에서도 차후에 생산성과 용량을 올리면서 품질 성능을 더욱 향상하는 새로운 노력이 없이 추격하는 중국 업체들의 경쟁을 견뎌내기는 어려울 것이다. 최근에 E6사가 중국 소주에 공장을 세웠는데 이는 중국 시장을 격에 맞게 공략하려는 노력과 향후 경쟁대비의 기본을 마련하는 것으로 보인다. 앞으로 벨트프레스 업체에서는 빈터법을 능가 개선하는 새로운 기술개발의 과감한 투자를 기할 필요가 있다.  
다이아몬드와 cBN그래뉼을 금속, 레진, 비트리파이드 본드 등으로 결합하여 석재 또는 산업용 공구를 만드는 업체들에서도 중국의 소재 경쟁 덕으로 다이아몬드 그래뉼 등 소재를 값싸게 살 수는 있었으나 비슷하게 중국의 값싼 공구제품과도 경쟁하는 관계로 역시 심한 가격경쟁에 휩쓸리게 되었다. 다이아몬드공구업체들도 석재공구는 석재공구대로 산업용공구는 산업용공구대로 실제 전문공구의 절삭성과 생산성을 최대화하는 고도의 기술을 수립하는 생산개발과 그 합리적 운영체제를 구축하지 않으면 차후의 경쟁에서 밀려나기 쉬울 것이다. 이제 중국이 등장하여 차후의 초고압 산업기술과 그 응용기술에 큰 변혁이 기대되고 있으며 이러한 변혁이 차후산업발전에 어떻게 귀결될지 매우 궁금스럽기 그지없다. 

그림 1. 벨트 장치의 초경합금 앤빌(anvil)과 실린더(cylinder)
그림 2. 3만 톤 대형 벨트 프레스
그림 3. 쏘 용 다이아몬드와 cBN 그래뉼 제품사진
그림 4. 큐빅 프레스(cubic press) 배열 개념도
그림 5. hinged cubic press 단면

은광용
서울대학교 금속공학과 졸업
KAIST 재료공학 박사
금속연료종합연 연구원
공군비행기정비장교 교관
KIST 재료공학부 책임연구원
홍익대학교, 과학기술대학교 재료공학부 초빙교수
현재 (주)기술과가치 전문위원