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INSTITUTE FOR ADVANCED ENGINEERING

2020-07-07

타이타늄(Ti), 솔더 분말 및 고순도 타이타늄 정밀 제조장비 실증

작성자 : 고등기술연구원      조회수 : 494

일본과의 무역분쟁으로 인해 국내 소재, 부품, 장비에 대한 관심이 높아진 가운데 4차 산업혁명의 핵심소재로 꼽히는 타이타늄도 국내 대일 의존도가 심각한 소재로 국산화 요구가 거세다. 특히 타이타늄의 경우 전자, 우주, 항공, 의료, 국방 등 다양한 산업에 사용되는 필수 소재로서 수급에 어려움을 겪을 경우 지난해 산업에 미치는 영향은 클 것으로 판단된다. 이에 국내에서는 우수한 품질의 타이타늄 생산을 위해 다각도로 노력하고 있으며, 관련 장비에도 적극나서고 있다. 정부도 이러한 상황을 이해하고 있으며, 각종 지원을 통해 타이타늄 국산화를 위해 박차를 가하고 있다. 이런 가운데 최근 고등기술연구원 주관으로 타이타늄 제조장비에 대한 국산화가 진행되고 있다. 이번 연구를 통해 타이타늄 솔더 분말의 국산화 실현으로 약 100억원대의 수입대체 효과가 나타나며, 매출은 50억원 이상 증가할 것으로 예상된다. 이에 본지는 창간 11주년을 맞이해 고등기술연구원 주관으로 진행되는 ‘솔더 분말 및 고순도 타이타늄 정밀 제조장비 실증’ 사업에 대해 살펴보는 자리를 마련했다.

3,000억 타이타늄 수입 대체 개발 박차 


■ 타이타늄 시장 2025년 600조


타이타늄은 경량화 금속의 일종으로 높은 강도와 내식성이 우수해 항공, 국방, 자동차, 방열소재와 같이 안전 및 경량화가 중요한 분야에 많이 사용되고 있으며, 또한 인체에 무해해 임플란트, 인공뼈 등의 의료산업 전반에도 널리 쓰이고 있다.


이러한 산업 활성화에 따라 타이타늄 시장은 2012년 250조원에서 2025년 600조원 이상을 형성할 것으로 전망된다.


타이타늄 시장의 높은 성장률에도 불구하고 국내에서 사용되고 있는 타이타늄은 대부분 수입에 의존하고 있으며, 특히 고품질의 순수 타이타늄 판재, 선재분야 등에서는 대일 의존도가 높은 실정이다.


일본 이외에 미국 TIMET, 러시아 VSMPO-AVISMA 등에서도 연간 1만톤 이상의 타이타늄 생산이 가능하지만 품질 및 가격경쟁력 측면에서 일본 제품이 우수해 국내시장 점유율이 높은 상황이다.


국내 보유중인 타이타늄 부품 제조기술의 경우 분말사출 성형 시 탈지 및 소결 과정에서 외부 원소(C, N2, O2)와 반응함에 따른 고순도 타이타늄 부품 제조에 어려움이 있어 현재는 저급의 도금용 전극으로만 활용되고 있다.


■ 日 수출규제 타이타늄 수급 발생, 정부 지원 강화


2019년 일본의 대한민국 수출규제 강화조치로 인해 전자통신 및 항공분야의 핵심소재인 고순도 타이타늄 수급에 어려움이 발생했으며, 특히 방산, 철강 및 의료업계의 타격이 컸다.


이러한 현안을 해결하고자 우리나라에서는 소재·부품·장비 분야 연구개발에 대한 지원을 대폭 강화해 100개 이상의 ‘핵심품목’을 지정하고 해당 품목에 대해 2020∼2022년까지 약 5조원 이상의 예산을 투입하고자 계획 중이다.

3552644236_WGaIVKTk_5BEABEB8EBAFB8EAB8B0▲ 타이타늄 소재의 수급현황 및 산업생태계



고등기술연구원 주관, 엔에이티엠·엠티아이지 등 참여

난소결성 소재·희소금속 부품 제조 기술적 파급력 커



■ 솔더 분말 및 고순도 타이타늄 정밀 제조장비 실증


국가 R&D 투자사업의 일환으로 산업통상자원부에서는 글로벌 경쟁력 강화 및 산업 생태계 활성화를 위해 고등기술연구원(주관기관, 이찬기 센터장), 엔에이티엠㈜(김인호 대표), 엠케이전자㈜(이임복 차장), ㈜엠티아이지(박지환 대표) 및 월드인덕션(김희수 대표)으로 구성된 컨소시엄에 ‘솔더 분말 및 고순도 타이타늄 정밀 제조장비 실증’ 사업을 2019년 하반기부터 지원 중이다.


10마이크로미터 이하의 솔더 분말은 일본에서 전량 수입하고 있는 실정이며 하이엔드 전자제품의 성장과 함께 활용도가 높아지고 있다. 이러한 솔더 분말 생산의 국산화를 위해 200℃ 이상의 핫 가스를 활용한 가스분사식 솔더 분말 생산 장비를 개발하고 있다.


타이타늄 소재 생산 장비는 로드락 챔버(Load-lock chamber)를 활용해 타이타늄 부품 생산에 필요한 탈지-소결 공정을 하나의 장비로 처리하는 것이 핵심 기술이다. 반도체 공정에서 사용하는 로드락 챔버를 탈지-소결 공정의 버퍼영역으로 사용해 불순물 혼입 방지 및 생산 효율이 증가할 것으로 예상된다.


전량 수입에 의존하던 솔더 분말의 국산화가 실현됨에 따라 약 100억원의 수입대체 효과가 기대되며, 매출은 50억원 이상 증가할 것으로 예상된다. 뿐만 아니라 가스분사식 솔더 분말 제조 장비를 통해 부가가치가 높은 타 금속 분말 생산이 가능하며, 3D 프린팅 및 분말 야금 분야의 적용과 진공 챔버 및 모니터링 장치 같은 자동화 설비를 추가함에 따라 고객의 니즈 충족 및 시장 확대가 가능할 것으로 예상된다. 더 나아가 솔더페이스트 관련 업체와의 협업을 통해 반도체, 전자부품 산업으로의 시장 확대와 솔더 분말의 완제품 판매를 통해 해외 높은 진입 장벽을 극복할 것으로 기대를 모으고 있다.


타이타늄 제조장비는 고품위 의료용 부품 생산이 가능하도록 개발하고 있다. 뿐만 아니라 고순도 타이타늄 부품의 경우, 국내에 개발하는 업체가 전무하기 때문에 해외 선진 경쟁사의 제품을 대체할 수 있게 된다. 또한 국산화 및 상용화 확대 적용을 통해 기타 고정밀 타이타늄 부품에 대한 해외 의존도를 감소시킬 수 있으며, 세계 시장 진출로 인한 경제적 이득과 관련 산업의 발전을 이룰 수 있을 것으로 예상된다. 본 타이타늄 생산 장비는 탈지-소결 일괄 공정으로 처리함에 따라 생산능력이 5배가량 증가할 것으로 기대된다. 더 나아가 관련 부품 소재업체와의 협업으로 전자부품산업으로의 진입을 통해 잠재 시장을 개척할 수 있을 것으로 보인다.


고순도 타이타늄 소재의 경우 단기간에 대체하기 어려운 품목으로 원천소재는 타국가를 통해 수입하더라도 산업 활용을 위한 부품의 경우 기술개발을 통해 국내 역량을 강화해 대일 의존도를 탈피하고자 노력중이다. 본 사업을 바탕으로 고순도 타이타늄 정밀 부품 소재 생산이 가능할 경우 약 3,000억원 이상의 수입대체 효과가 기대되며, 향후 난소결성 소재 및 희소금속(Zr 합금, Ta, Ni 계열 합금 등)의 부품 제조에 기술적 파급력이 클 것으로 예상된다. 또한 기존 타이타늄 부품 제조를 위한 분말사출성형 공정의 개선으로 생산성 확대 및 가격경쟁력 확보가 가능할 것으로 기대된다.


이러한 연구결과를 바탕으로 개발된 타이타늄 정밀 부품은 국내외 자동차 및 의료용 소재로 판매될 예정이다.


3552644236_zxBE5dDM_5BEABEB8EBAFB8EAB8B0▲ 고순도 타이타늄 정밀 부품 제조 장치 공정도




엔에이티엠㈜, 고융점 금속 소재 대표기업 


풍부한 산업장비 제작기술 바탕 핵심 장비 직접 제작

유압프레스·등방압프레스·드라이백 등 직접 제작 보급




3552644236_MkSwHGWT_5BEABEB8EBAFB8EAB8B0▲ 김인호 엔에이티엠 대표이사

희소금속 분말야금 제품 개발 기업인 엔에이티엠㈜은 고융점 금속 부품소재 국산화에 앞장서온 대표적인 중소기업으로 꼽힌다.


기술 난이도가 높고 고액의 설비투자를 필요로 하는 희소금속 소재 분야에 도전해 꾸준히 성과를 내고 있다.


희소금속을 보유한 일부 국가의 횡포에 휘둘리는 국내 부품소재 산업의 현실을 누구보다 가까이에서 봐왔던 김인호 대표는 기술 난이도 및 초기 투자비용이 높지만 희소금속 사업은 충분히 도전할 만한 가치가 있는 분야라고 판단해 2014년에 엔에이티엠㈜를 설립했다.


전 세계 20%의 희소금속을 국내에서 수입하고 있으며 연평균 12조원이 규모이다.


이를 가공하기 위한 생산설비 또한 중소기업이 감당하기 어렵지만 희소금속 관련 시장은 전 세계적으로 성장 추세를 보이고 있다.


희소금속 부품소재를 개발하기 위해서는 각 소재에 최적화된 성형 장비가 필수인데 엔에이티엠㈜은 풍부한 산업장비 제작기술을 바탕으로 제조공정의 핵심 장비를 직접 제작해 최적의 공정라인을 구축했고 유압프레스, 등방압프레스(CIP), 드라이백(Dry Bag) 등의 성형 장비를 제작해 국내 산업현장에 외산 대비 저렴한 가격으로 공급하고 있다.


이러한 공정장비 개발 경험을 바탕으로 ‘솔더 분말 및 고순도 타이타늄 정밀 제조장비 실증’ 사업을 2019년 하반기부터 수행 중에 있다.


국내 타이타늄 가공기술의 경우, 분말야금 공정을 이용하고 있는데 탈지 및 소결과정에서 C, N, O와 화합물을 형성해 고순도에 적합하지 않다는 단점이 있었다.


이러한 문제점을 해결하고자 엔에이티엠㈜에서는 산업부의 지원을 받아 고순도 타이타늄 소재 생산 장비를 구축완료 후 시운전 중에 있다.


본 장비의 개발을 통해 고순도 타이타늄 부품 소재의 국산화가 가능할 것으로 기대된다.