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기업지원성과 사례
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 컴퓨터 시뮬레이션 공정모델로 에너지공정 최적화 실현 |
占쏙옙占쏙옙占� PCAS 방식과 이중 구조 몰드를 활용한 고품질 초경합금 소재 제조기술 개발 |
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 방열 효과 30% 향상시킨 LED 초고방열 접착기술 개발 |
기술지원기업 : 엘텍신소재
연구책임자 : 서남지역본부 EV부품소재그룹 박현국 선임연구원
경도가 높고 내마모성이 뛰어나 절삭공구에 사용되는 초경합금 소재는 분말야금방식으로 제조하는 것이 일반적이다. 하지만 국내에는 초경합금을 제조할 수 있는 기술이 부족해 선진기술을 개선해 사용하거나 수입에 의존하고 있다. 최근 고품질 초경합금 소재 제조기술 개발에 성공, 특허등록까지 마쳤다는 희소식이 있어 화제다.
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분말야금 분야 신기술 개발
분말야금은 분말소재를 몰드(형틀)에 넣고 원하는 모양을 만든 후 열을 가하는 과정(소결)을 거쳐 단단하고 치밀한 제품을 만드는 방법이다. 금속을 녹여 주조와 단조 과정을 거치는 것보다 균일한 물성을 가진 제품을 만들 수 있고, 소형부품을 대량으로 생산하는 것이 가능하다. 분말야금 제조 전문기업 엘텍신소재의 주력 제품은 초경합금, 그라파이트, CFRP(carbon fiber reinforced plastics-탄소섬유강화플라스틱)이다. 김동기 대표는 한국탄소융합기술원에서 근무하다 2014년 창업했다. 김 대표는 서남지역본부 EV부품소재그룹 박현국 선임연구원과 오랜 파트너이다. 두 사람은 공통 관심 분야인 초경합금 소재 신기술 개발을 함께하자는 데 의기투합하면서 더욱 가까워졌다.
▲ 엘텍신소재 김동기 대표, 서남지역본부 EV부품소재그룹 박현국 선임연구원 ⓒ한국생산기술연구원
PCAS(펄스전류활성 소결 방식) + 이중 몰드 = 비용과 시간↓ 품질↑
고품질 초경합금 소재를 만들 때는 균일한 물성이 가장 중요하다. 기존에는 텅스텐카바이드와 같은 소재를 성형할 때 외부 간접가열 방식을 사용했다. 이 경우 고밀도 및 물성이 균일한 제품 확보가 어렵고, 복잡한 후처리 공정이 필요해 추가 비용이 든다.
두 사람은 PCAS(펄스전류활성 소결 방식)와 이중 구조 몰드를 활용함으로써 이러한 단점을 보완했다. 내외부 온도 편차를 감소시켜 물성이 균일하도록 만든 것이다. 박 연구원은 이번에 개발된 기술은 몰드가 핵심이라고 설명했다.
“기존의 외부 간접가열 방식은 몰드 바깥에서부터 열이 들어갑니다. 이번에 적용한 PCAS 같은 경우는 직류 펄스전류를 성형 펀치에 인가하는 직접가열 방식입니다. 기존 방식은 바깥쪽의 온도가 더 높지만 신기술을 적용할 경우 중심부의 온도가 더 높게 올라갑니다. 내외부 온도 차이를 줄이면 물성도 균일하게 만들 수 있다는 가장 기본적인 원리에 착안하여 기술 개발을 시작했습니다. 기존 원통형 몰드에서 분말이 충전된 위치에 외각 몰드를 삽입해 열을 가운데에서 바깥쪽으로 퍼지게 하는 것으로 문제를 해결할 수 있었습니다.”
기존의 단일 형상 몰드로 초경합금 소재(텅스텐카바이드 기준)를 성형할 경우 내외부 온도 차이가 200℃ 이상 나지만, 이중 구조 몰드를 이용하면 내외부 온도 편차가 23℃에 그친다. 이렇게 만들어진 초경합금 소재는 전체적으로 균일한 물성을 가지고, 로크웰 경도* HRA 95 이상의 측정값을 얻을 수 있다.
품질만 높인 것이 아니다. 단일 공정으로 짧은 시간에 초경합금 소재를 제품화할 수 있어 제조 시간과 비용도 절약했다. 이번에 개발된 기술을 활용하면 추가적인 후처리 공정 없이도 완제품에 가까운 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 이렇게 공정을 줄임으로써 품질은 높이고, 제조 시간과 비용은 줄일 수 있었다.
*로크웰 경도 : 공작 재료의 경도를 표시하는 방법 중 하나
▲ 이중 구조 몰드를 활용해 만든 초경합금 소재 제품 ⓒ한국생산기술연구원
도자기를 깨는 도공의 마음으로 완성한 기술
박 선임연구원은 초경합금 소재 제작 과정을 도자기를 굽는 것에 비유했다.
“같은 가마에서 같은 장작으로 도자기를 구워도 습도나 온도에 따라 품질 차이가 납니다. 초경합금 소재 제작도 아주 작은 요인으로 품질에서 큰 차이가 나는 예민한 작업이기 때문에 시뮬레이션만으로는 결과를 예측하기 힘듭니다. 도공이 하나의 작품을 완성하기 위해 수십 개의 도자기를 깨듯 기준에 못 미치는 수많은 몰드와 시제품을 부수고 버렸습니다.”
몰드의 두께를 1㎜씩 줄여가며 실험을 반복했다. 시뮬레이션에서 이상이 없었음에도 시제품이 깨지거나 예상한 물성이 안 나오는 상황이 발생했기 때문이다. 시뮬레이션과 실제 결과가 거의 일치하는 기계 분야와 달리, 소재 분야는 만족스러운 결과가 나올 때까지 계속해서 시제품을 만들어봐야 한다. 이렇게 수많은 시행착오 끝에 마침내 최적화된 조건을 산출하여 기술 개발 성과를 낼 수 있었다.
고품질 초경합금 소재 제작기술 독립의 신호탄
김동기 대표는 2022년 상용화를 목표로 필드 테스트 단계에 돌입했다. 이미 함께할 가공업체들을 선정했고 곧 실제 작업에 들어갈 계획이다.
“최근 초경합금 소재로 만든 절삭공구 제품의 수요가 늘어나고 있습니다. 관련 산업이 발전하려면 반드시 국내 기술이 필요합니다. 수입에 의존하다가는 수요가 급증하거나 가격이 변동될 때 큰 타격을 입고 기술 식민지가 될 수도 있습니다.”
김동기 대표는 일차적으로 CFRP 같은 특수 재료를 가공할 수 있는 초경합금 소재 절삭공구 제품을 상용화하는 것을 목표로 하고 있다. 차후 자동차나 전자, 항공, 방위산업 분야에 사용되는 티타늄합금이나 니켈합금 같은 소재를 가공할 수 있는 맞춤형 절삭공구를 제품화하겠다는 포부도 밝혔다.