박 훈 재 공학박사 한국생산기술연구원 생산공정기술본부 마이크로성형팀장 1. 초고압 기술의 개요 초고압력 이용 가공기술은 원하는 부품이나 제품을 제작하기 위해 원소재에 압력매체 또는 직접 접촉에 의해 초고압력을 가해 형상과 기능을 부여하는 가공기술을 일컫는다. 고압력을 이용한 가공기술은 생산성에 근거한 장비 규모와 구현 가능성 측면을 고려하여 100~10,000MPa의 압력이 소재성형, 정밀절단, 세정, 식품가공 및 토목기술분야 등의 각 산업분야에서 매우 유용하게 쓰이고 있으며, 특수한 물질합성분야에서는 그 이상의 압력이 이용되기도 한다. 이러한 초고압을 자유롭게 활용하고 가공 및 성형을 위한 응용기술로 발전시키기 위해서는 반드시 장치기술 즉 초고압력을 일정한 공간 내에서 발생시키고 유지하는 기술이 선결되어야 가능하다. 이 장치기술은 초고압 용기 및 가압 프레임의 설계·제작기술 그리고 여기에 압력전달매체를 이용할 경우 초고압 밀폐기술과 함께 초고압력 이용 가공기술의 핵심을 이루며, 반복적인 응력 변화에 대해 신뢰할 수 있는 피로수명을 보장할 수 있어야 한다. 이를 근간으로 하여 초고압력을 이용하는 각 공정의 특성에 따라 세부단위기술과 공정운용기술이 뒷받침되어 초고압력을 이용한 가공기술은 완성된다. 1은 사용압력에 따른 대표적인 초고압력 이용 가공기술의 실례를 보여주며 사용압력이 높아짐에 따라 장치의 고도화 및 집적화가 요구된다. 그림 2에서는 초고압력 이용 가공기술 가운데 가장 고도화 된 기술의 하나인 초미세분말(Nano powder)의 체적화에 필요한 요소기술을 요약하였다. 이 기술분야는 현재 세계적으로 기계·소재분야에서 초미의 관심을 받고 있는 기술개발분야로 향후 차세대 구조체에 일대 변혁을 가져다 줄 수 있는 첨단가공기술이다. 2. 초고압기술의 산업관련성 초고압력 이용 가공기술은 일반산업분야로부터 첨단 내지는 극한기술산업에 이르기까지 생산기반적인 첨단 자본재기술로 관련산업과의 연관성을 그림 3에 나타내며, 그 사용압력에 따라 표 1과 같이 분류할 수 있다. 이상에서 살펴본 바와 같이 초고압력 장치기술은 매우 중요한 산업기반기술이고 원천기술이며, 게다가 이들 장치로 가공할 수 있는 제품 또한 매우 다양하다. 대형 프레스로 제조하는 박판성형제품을 위시하여, 등방가압에 의한 초경 공구류를 비롯한 각종 소결제품, 정수압 압출을 이용한 복합재 및 다심선재 그리고 각종 중간재 등 그 활용범위는 매우 광범위하며 생산제품들은 대부분 기술집약도가 큰 향후 산업전분야에서 주목받는 고부가가치 제품들이다. 3. 국내외 기술동향 및 수준 대용량의 초고압 장치 제작에 핵심이 되는 강선적층기술은 스웨덴의 ASEA사에서 1970년대 초반 경에 산업용으로 이용할 수 있는 수준까지 끌어올렸다. 일본에서도 1970년대 후반부터 동경공대에서 강선적층법에 관한 연구가 시작되었으며, 이 기술은 Kobe Steel, Ltd.로 이전되어 1980년대 중반부터 생산하기 시작한 대형 HIP프레스(처리실 직경 ψ300mm 이상)의 제작에 적용되었다. 초고압 발생용 30,000tonf 프레스 프레임도 Kobe Steel, Ltd의 주도하에 강선적층방식으로 제작된 바 있다. 초고압력 이용 가공기술과 관련한 국외의 주요 기술개발동향을 표 2에 나타낸다. 국내의 초고압력 연구는 압력기술을 응용하는 자본재 산업의 중요성을 인식하고 도입장비를 이용한 제품개발 방식이 아닌 실제 생산공정용 장비기술개발 측면에서 초고압력에 접근하는 기술개발이 출연 연구소와 장치관련기업 중심으로 1980년대 중반부터 본격적으로 시작되었다. 1990년대에 들어 강선/강대적층기술이 적용되면서 초고압 관련장치 기술은 장치규모나 신뢰성측면에서 세계적 전문기업의 기술 수준에 근접하게 되었다. 표 3은 기술분야에 따른 주요 개발내용을 요약하였다. 향후 여기에 초미세분말 성형용 시스템개발, 고온 초고압 기체운용기술 등 초고압력 이용기술을 세계적인 수준으로 끌어올리기 위한 융합기술개발이 요구된다. 4. 고압기술 관련장비의 신뢰성 산업용으로 이용되는 초고압 성형장치들은 부가가치와 생산성을 고려하여 일반적으로 중·대형 장비들이 대부분을 차지하게 되는데, 이러한 구조물의 대형화는 원 소재의 제조에서부터 장치제작까지 여러 가지 제약을 받는다. 이를 극복하기 위해 강선 또는 강대 적층(Wire or Strip Winding)기법이 이용되며 이 방식은 축대칭 형상의 금형 하우징이나 고압용기 등의 제작에 통상적으로 이용되던 다충링 끼워맞춤 구조의 개념에서 한층 진전된 방식이다. 각 다중링은 다시 두께방향으로 유한개의 층으로 세분화하고 또 다시 길이방향으로 세분화하여 다중링들끼리의 간섭량을 연속 적층강선의 가변 인장력으로 대치시킴으로써 압력용기나 구조물의 제작에서 공학적인 최적화에 가장 근접시킨 설계원리이다. 이 설계원리에서는 적층구조물 외형곡률, 적층강선의 형상과 치수, 적층강선의 인장강도 및 적층되는 용기 또는 프레임의 압축강도 등이 제작하고자 하는 구조물의 소형화정도(Compactness)와 안전도(Safety)를 결정하는 중요한 설계변수가 되며, 최대 이득(Gain)을 얻기 위한 적정 변수의 선정이 최적화의 관건이 된다. 또한 설계값에 따라 강선 또는 강대를 적층할 시 정교한 장력제어, 연결부 및 인접부의 처리와 같은 제작기술은 장치의 안전도와 내구성을 결정하는 중요한 요소가 된다. 가압 용량 10,000Ton급 CIP장치의 설계와 제작에 이 강선적층방식을 적용한다면 기존의 일체형 방식과 비교하여 장치의 중량은 약 1/3~1/5로 감소되며, 허용내압을 증가시키는 동시에 피로수명 또한 연장시킬 수 있다. 이와 같이 적층기술은 전통적인 구조물 제작기법과는 비교할 수 없는 공학적으로 매우 우수한 설계·제작기법이다. 강선적층기술은 압력매체를 사용할 경우 설계, 가공 및 소재선정에 있어서 독특한 Know-How가 요구되는 밀폐기술과 함께 초고압 가공장치를 최적화할 수 있는 초고압 가공 기술 중에서도 핵심기술이라 할 수 있다. 그림 4와 그림 5는 강선적층기술을 이용한 제작현장을 보여준다. 5. 기술 수요 및 전망 지금까지 쌓아온 초고압력 가공장치 제작기술을 더욱 발전시키고 이를 토대로 위에 각 공정기술로 요구되는 가열기술, 측정 및 제어기술, 안전장치기술 및 제품 처리기술 등의 주변기술들을 단계적으로 구축한다면 초고압력 가공기술은 수년 내에 선진국 수준으로 진입할 것으로 전망된다. 현재 거의 전적으로 외국제품에 의존 또는 선호하고 있는 매우 고가인 초고압력 이용 장치(초대형 유압프레스, 정수압 압출기, HIP, CIP장치, 초고압력 HOT 프레스 등)의 점진적인 수입대체가 가능할 것으로 판단된다. 더 나아가 현재 세계적으로 기술적으로 성장기에 접어든 일부 초고압력 공정분야에 대해서는 높은 응용성을 갖춘 장비로 확대 발전시켜 후발 국가로서 갖고 있었던 잠재적인 역량을 발휘할 수도 있을 것으로 기대되며, 이를 발판으로 한 단계 높은 새로운 개념의 가공기술개발을 위한 독보적인 기술경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 초고압력을 이용하는 주요 가공기술의 산업연관성 및 기술수요를 요약하면 다음과 같다. 6. 맺음말 향후 우리나라의 경제는 지식기반경제에 적합한 기술혁신형 산업구조로의 전환이 예측되며, 초고압력 이용 가공기술은 소재·부품산업분야를 중심으로 산업전분야에서 이러한 취지에 부합되는 기술분야이다. 미래의 초고압력 이용 장치들은 더욱 다양화, 복합화, 고도화될 것으로 예측되는데, 가령 HIP 환경에서 정형단조가 가능한 장비, 후판 및 실리콘 웨이퍼 정밀 절단용 Water-Jet 시스템, 연속 정수압 압출기 및 수십만 기압까지 가압이 가능한 극초고압 소결 장치 등을 그 몇 가지 예로 들 수 있다. 고가의 초고압력 기술관련 장치와 고부가 제품시장은 앞으로 꾸준히 증가할 것으로 예상되며, 보다 높은 압력을 이용하면서도 안전성과 신뢰성이 확보된 집약된 구조의 초고압력 가공장치의 개발은 초고압력 분야에서 국제경쟁력을 확보하기 위해 필수적이면서도 가장 우선적으로 수행해야할 부품소재기술의 연구분야 가운데 하나이다. 그림 1. 초고압력 이용 가공기술의 실례 그림 2. 초미세분말의 체적화 공정 그림3. 초고압력 이용 가공기술의 산업연관성 표 1. 사용압력에 따른 대표적인 초고압력 이용 가공기술 구분 구 분 사용압력(MPa) 초임계 유체 ~100 특고압 유압프레스 100~200 (Frame, cylinder, intensifier, accumulator, pipe & fittings) Sheet metal forming ~150 (Hydro-forming, Fluid cell forming, Rubber pad forming) HIP & CIP ~300 저온·초고압 살균 400~600 Water-jet 300~700 Hydrostatic extrusion 1,000~2,000 초미세분말(Nano powder)의 bulk화 2,000~10,000 미지 신물질 합성 5,000~10,000 표 2. 국외의 초고압력 이용 가공기술 개발 동향 국가 기관/업체 기술개발내용 비고 CHIPR 용기설계, 밀폐기술 등 원천기초기술연구 및 파급, http://www.chipr.sunysb.edu/ 신물질 탐색 미국 초미세분말 체적화 연구, 상용공구 및 군사적인 목적으로의 Rutgers univ 활용을 위해 성형장치 대형화 및 공정의 최적화 연구 http://www.rutgers.edu/(2,000) 무기재질연구소 세라믹스관련 초고압 프로젝트 수행(신규 초경물질 탐색, セラミツクス 31 1996 No.12 CBN 및 다이아몬드 등 초고압 물질을 합성) pp985-988 동경공대 강선적층기술개발 무기재질연구소의 30,000tonf프레스적층, 일본 Kobe Steel, Ltd.로 기술 이전 Kobelco HIP, CIP, 정수압 압출기 개발 장치, 공정 및 제품개발 Sumitimo 정수압 압출 공정개발 자사 특수제품생산에 적용 NKK, 三菱重工業 초고압을 이용한 식품 가공 시스템 개발 Prototype개발을 완료 후 사용화 연구 The Boeing Co.(항공기 부품), SAAB(자동차 및 항공기 부품), General Dynamics(항공기 부품), 스웨덴 ABB 강선적층기술 최초로 상용화, 각종 초대형 프레스, Karl Binder GmbH(자동차 부품), /미국 CIP, HIP 및 고압용기 제작에 적용 Alfa-Laval AB(대형 열교환기 Panel), Hitach Cable(초전도선재), BMWAG(자동차 부품) 등의 업체로 장비 공급 독일 UHDE 초임계유체 이용 염색 및 추출기술 연구, 저온초고압 살균장치 및 고성능 Water-jet 시스템 개발 경제성 있는 상용장치를 개발 표 3. 국내의 초고압력 이용 가공기술 개발 동향 선진국대비 기술분야 주요기술개발내용 기술수준 (선진국:100) ·국내 최초 초고압력 연구 시작(압출용 3중벽 컨테이너, 1,500MPa, 1983년) 냉간 정수압 ·5중벽구조의 1,800MPa용 초고압 컨테이너 개발(300tonf 수직형 프레스, 1986년) 95~100 압출 기술 ·150tonf 수평형 압출기 및 냉간 정수압 압출공정개발(강선적층 초고압 컨테이너 제작, Cu/Al busbar 압출, 1991년, 저온 및 고온 초전도 다심선재 압출, 1999년) ·Wire-Winding M/C 1호기 개발(최대인장력:500kgf, stroke:500mm, 1990년) Wire-Winding ·Wire-Winding M/C 2호기 개발(최대인장력:1,000kgf, stroke:1,100mm, 1997년) 95~100 장치기술 ·Wire-Winding M/C 3호기 개발(최대인장력:1,000kgf, stroke:2,500mm, 2003년) 초대형 프레스 ·내경ψ800 유압실린더 적층(150MPa, 7,500tonf, 1997년) 95~100 제작 기술 ·초대형 Ti열판 성형용 프레스 프레임 적층공법으로 제작(23,000tonf, 1998년) 열간 정수압 ·600tonf급 수평형 열간 정수압 압출기 개발 및 시제품 압출(MMC[Al-Li, Al-Si-SiP}, 압출 기술 Ti/Cu, Ti/Au Clad선재 압출, 1996년-1999년) 85~90 ·초고압 미세 정밀 압출장치 개발(극세선 및 미세튜브 제작용, 2000년) Strip-Winding ·Strip-Winding M/C 개발(최대인장력:5,000kgf, 최대폭:500mm, 2000년) 90~95 장치기술 ·Water-Jet 용 accumulator 및 intensifier winding(상용압력:600MPa용, 2000년) CIP, HIP ·1990년대 중반에 국내기술로 모노 블럭 소형 CIP, HIP 장비 개발 장치기술 ·2000년대 초반 강선/강대적층기술 적용 중대용량 CIP, WIP 및 90~95 HIP 장비 제작(Work zone diameter 700mm 이상) 그림 4. 고압 vessel의 winding 그림 5. Yoke frame의 wire-winding 표 4. 산업연관성 및 기술수요 주요기술분야 장치/제품 비고 박판 성형용 장치 Hydro-Forming Press, Fluid Cell Forming Press, Rubber Pad Forming Press 대형열판 세계시장:2조원(2003년), 대용량 프레스 제품 Automobile panel, Heat Exchanger Plate, Aircraft Parts 등 국내시장:천억원, (주)대원열판 제공 HIP & CIP 장치 Hot Isostatic Press, Cold Isostatic Press, 초고압 살균기 HIP장치 세계시장:3천억(2001년), J. Jpn. Soc. 제품 초경 공구류, Ceramic Wear Components, Aircraft Parts, 초고압 살균식품 Powder Powder Metallurgy Vol. 50, No. 9 Water-Jet 장치 Water Jet power unit Water Jet 절단기 세계시장:4천억원, 시스템 제품 절단, 천공, 파쇄, 분쇄, 박리, 세정, 스케일 제거, 반작용 추진 시스템 국내시장:약 2백억원(2000년), Hydrostatic 장치 Hydrostatic Extruder 초극세선 세계시장:1조 2천억원, Extrusion 제품 초극세선, 미세튜브, 각종 기능성 클래드 소재, Multi filamentary 초전도 선재 국내시장:2천억원(2002년) 초고압 장치 대형 PRESS FRAME, 초고압 MOLD PCD&PCBN세계시장:4천억원(2002년), 합성 분야 제품 소결다이아몬드, CBN, 차세대 세라믹, 초미세분말 Bulk체 필자약력 연세대학교 기계공학과 학사 KAIST 기계공학과 석사 KAIST 기계공학과 박사 한국생산기술연구원 생산공정기술본부 마이크로성형팀 팀장