‘첨단산업용 특수봉강’은 기계·에너지 산업에서 사용되는 기어박스(Gear Box)용 고강도/내마모 특수강, 반도체산업에서 사용되는 공정가스 이송용 고청정 소재 및 부품 등을 말합니다.

고강도/내마모 특수강은 다양한 산업에 적용되는 중/대형 기어 및 샤프트 부품에 적용되는 소재로, 기어가 서로 맞물리면서 발생하는 외부응력을 견디기 위해 고강도/내마모 특성이 요구되는 소재입니다. 때문에 가혹한 환경에서의 장수명, 신뢰성을 확보하기 위한 제조기술과 실제 환경(해양플랜트, 풍력발전 등)에서의 신뢰성 검증을 위한 평가기술이 확보되어야 합니다.

현재 고부가 기어박스 시장은 유럽과 일본 등이 선점 및 주도하고 있으며, 국내기업의 경우 자동차용 변속기, 일반산업용 등 단순 부품의 제조기술만을 확보하고 있으며, 특수산업 및 특수치형기어 등 고부가가치 산업에 적용되는 제품은 수입에 의존하고 있는 실정입니다.

반도체 공정에 적용되는 가스 이송용 특수강 소재는 SEMI(국제반도체장비재료협회) 규격에 부합하는 UHP(Ultra High purity)급 소재(STS316L)의 적용을 원칙으로 하고 있지만, 해당 소재의 경우 일본에서 시장의 94%를 점유하고 있는 상황으로, 전략적 수출규제가 이루어질 경우 국내 반도체 산업 벨류체인이 붕괴될 수도 있는 상황입니다.

첨단산업용 특수봉강 기술개발을 위해 현재 17개의 기관이 참여, 컨소시엄을 구성하여 연구를 진행하고 있습니다. 먼저 1단계에서는 해외 소재 대체를 위한 자립화 기술개발을 추진할 계획이며, 2단계에서는 수요업종 맞춤형 소재·부품 기술개발 및 자립화를 위한 공급망 구축을 추진할 예정입니다.

첨단산업용 특수봉강 기술개발은 기술자립화를 통한 해외의존도 완화 및 국내 소재·부품·장비 공급망 구축, 강건한 수요-공급기업 협력체계를 기반으로 국가산업경쟁력 향상과 핵심전략품목에 대한 국내 공급 안정화를 목표로 추진하고 있으며, 참여기업들의 소재-부품 기술력 향상과 더불어 국내 수요-공급기업간 긴밀한 연계를 통해 밸류체인을 확보할 수 있을 것으로 예상하고 있습니다.

후판 소재기술은 1960년대 이후 단일재(저탄소강)에 국한되어, 첨단소재인 특수강 및 고부가가치 이종(異種) 금속 후판재 분야로 기술력이 확대되었습니다. ‘클래드(Clad)’란 성질이 서로 다른 이종 소재를 대면적 접합하여 구성 모재 각각의 장점을 극대화하는 기술을 말하며, ‘클래드 후판’은 서로 다른 이종 소재를 접합하여 생산한 후판을 뜻합니다.

클래드 후판은 주로 에너지산업 등 가혹한 환경에서 사용되는 강관, 압력용기 등의 제품을 제작하는 용도로 사용되며, 부식환경의 정도에 따라 내식합금(CRA, Corrosion-Resistant Alloys)과 탄소강 소재를 금속학적으로 접합함으로써 내식성과 고강도를 동시에 만족하면서 제조비용도 절감할 수 있는 장점이 있습니다.

현재 클래드 후판은 유럽, 미국, 일본, 중국 등 일부 국가에서 독점적으로 공급하고 있으며, 특히 압력용기 및 강관에 적용되는 고부가가치 클래드 후판 제품은 유럽과 일본에서 고가로 수입되고 있어 조속한 소재 자립화가 필요한 상황입니다. 이중에서도 고기능성 고부가가치 소재인 니켈계 클래드 후판 제조기술에 대해서는 참고문헌이 거의 없고, 국외 기술의 경우 대부분 비공개인 상황으로 국내 산업의 경쟁력 확보를 위해 조속한 소재 자립화가 필요한 상황입니다.

후판 클래드 기술은 크게 폭발 압점, Overlay 용접, 압연 등의 방법으로 제조되고 있습니다. 이 중 압연 방식으로 생산한 클래드 후판은 계면 품질이 균질한 장점이 있으며, 정유, 석유화학 등 다양한 플랜트산업에서 사용되는 고사양 강관의 소재로 널리 사용되고 있습니다.

클래드 후판의 대표적인 제조공정

본 기술개발에서는 해외의존도가 높은 에너지 플랜트용 광폭 압연 클래드 판재에 대한 국내 공급망 구축 및 수요산업연계 사업화를 목표로 추진하고 있습니다. 신속한 사업화를 위해 각 개발 제품의 수요기업을 포함하고 산학연 전문가들로 컨소시엄을 구성하였습니다. 기초소재(CRA계 슬래브)-가공소재(CRA계 광폭 압연클래드 판재)를 개발하고, 부품의 경우 소재-부품 간 수요연계를 위한 부품개발(강관 및 압력용기 제조)을 추진, 세부과제별로 독립적인 기술개발이 이루어짐과 동시에 효율적이고 능률적인 연구가 이루어질 예정입니다.

최종적으로 일반강에 스테인리스강/니켈합금 등을 압연 클래드 접합한 두께 10~40mm, 폭 3,500mm 이상의 광폭 판재를 제조하고, 성형·용접 공정을 연계하여 강광/압력용기를 제작하여 그동안 수입에 의존하던 원재료부터 최종 부품까지 국산화하여 국내 생산 기반을 확보할 계획입니다. 또한 본 기술개발을 통해 소재의 제조원가를 절감하고 납기를 단축하는 등 국내 제조업 경쟁력 향상에 기여할 수 있을 것으로 예상됩니다.

최근 자동차 제조사에서는 자동차의 기능 및 연비 향상을 위해 차체용 철강 재료의 고강도 및 경량화를 추진하고 있습니다. 최근에는 590MPa 이상의 AHSS(Advanced High Strength Steel, 초고강도강)의 차량 적용 비중이 50% 이상을 차지하고 있으며, 차체 보강부에 주로 사용되는 인장강도 980MPa 이상의 부품 수가 급격히 증가하고 있는 추세입니다.

특히 핫스탬핑(Hot Stamping) 공법으로 제작된 인장강도 1,470MPa 급의 차체 보강부품의 적용이 확대되고 있으며, 초고장력 강재를 성형하는 ‘고성능 금형공구용 소재’의 수요도 증가하고 있습니다. 기존 STD61 및 STD11 같은 공구강 소재를 적용할 경우 금형이 파손되는 등의 문제로 인해 고성능 금형공구용 소재의 수입 또한 지속적으로 증가하고 있는 추세입니다.

금형공구용 소재’는 외력을 가하여 제품을 설계형상으로 성형하는데 사용되는 ‘금형 및 공구’를 제작하는데 사용되는 소재이며, 피가공재의 종류에 따라 금속 가공용 ‘공구강’과 플라스틱 가공용 ‘금형강’으로 구분할 수 있습니다.
금형 및 공구는 자동차, 가전, IT, 정밀기기 등 전후방 산업에 직접적인 영향을 미치는 중요한 뿌리 생산기반 산업으로써 고부가가치화를 위하여 장수명, 초소형/초대형 및 초정밀용 금형 소재의 개발이 절실한 실정입니다.

이번 기술개발에서는 ①장수명 공구강 및 고성능 플라스틱 금형강 제조기술 개발 ②금형강용 금속 분말 국산화 제조 및 이종금속 적층 기술 개발을 통해 ‘고성능 금형공구강’ 및 ‘금형용 금속 분말’의 자립화 기술 개발과 상용화 기술을 확보할 계획입니다.

이번 기술개발을 통해 고품질의 금형공구용 소재의 설계, 생산 및 신뢰성 검증을 통한 고부가소재의 기술 자립화 및 해외 의존도를 완화하여 소재 산업의 다중 가치사슬을 확보할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 또한 금형용 금속 분말의 국산화 기술 개발 및 안정화된 적층기술 개발을 통해 글로벌 시장의 경쟁력을 확보하고, 적층 제조 부품 시장에서 성장기에 진입할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

특히 산·학·연의 체계적인 공동 연구개발로 수요기업의 니즈를 반영하여 안정적으로 소재를 공급하는 것을 목표로 하고 있으며, 독자적인 원천/응용기술의 조기 권리화를 추진하여 ‘소재-금형-(공정)-부품’의 신 제조 패러다임 변화에 적극적으로 대응할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

1. 해양구조용 고성능 특수형강

해양구조용 H형강은 해양플랜트 등 해양구조물 제작에 사용되며, 일반형강 제품과는 달리 극저온(-40℃)에서의 우수한 충격특성을 요구합니다. 또한 통상적으로 해양 프로젝트에 사용되는 모든 강재들의 일괄 공급을 전제로 하고 있기 때문에 국내 수요기업(조선사)에서는 일반 형강에서부터 해양구조용 고성능 형강까지 모두 공급이 가능한 일본 및 유럽 제품을 선호하고 있는 경향이 있습니다.

국내에서 생산하는 고성능 H형강의 경우 저온인성 특성과 제품의 다양성에 있어 해외 제품들에 비해 다소 열위에 있는 상황이며, 이에 따라 고강도-저온인성 확보를 위한 합금설계 및 제조기술의 확보와 더불어 수요기업(조선사) 인증을 위한 연구(선급인증)도 병행되어야 합니다.

현재 국내에서는 해양구조용 저온인성 보증 H형강을 개발하고, 개발 강재의 사용화를 위한 후물화 기술과 선급인증 연구를 추진하고 있습니다.

해양구조용
저온인성 보증
H형강 개발 및 인증

• 2종의 해양구조물 H형강 (YS420, 460급) 합금설계 및 제조기술 개발
• H형강 저온인성 확보를 위한 상변태 제어기술(합금설계, 석출물 제어 등) 개발
• 개발 강재 상용화를 위한 후물화 기술 개발 및 강재 선급 인증

이를 통해 일본 등으로부터의 수입의존도가 높은 고급형강 소재의 기술 자립화를 통한 철강산업 및 관련산업(조선업)의 경쟁력 확보가 예상됩니다.

2. 건축구조용 고성능 특수형강

건축구조용 H형강은 고층 빌딩 등 건축물의 기둥 또는 보 제작에 사용됩니다. 건축구조물의 안정성을 확보하기 위해서는 최근 빈발하고 있는 지진과 대형 건축물 화재 등 반복적인 재난 상황 하에서도 건축물의 붕괴를 방지할 수 있도록 내진(저항복비), 내화(높은 고온강도) 성능을 동시에 갖추어야 합니다.
예로부터 대형 지진이 잦은 일본, 미국 등에서는 오래전부터 내진 강재를 개발하고 있습니다. 건축법 규정 제정 등을 통해 내진 건축물 설계를 위한 법제화가 잘 구축되어 있으며, 이로 인해 다양한 규격의 내진강재들이 개발되어 있습니다. 세계적으로도 9.11테러 이후 건축물의 내화 설계에 대한 요구가 강화되고 있는 추세이며, 유럽, 미국, 호주 등에서는 초고층 건축물의 내화설계에 대한 법규정 정비 등이 진행되었습니다.

일본 및 유럽의 글로벌 철강사들은 기존의 내진강재 뿐만 아니라 내화강재에 대한 상용화도 완료한 상황이며, 특히 일본은 내화강재 접합을 위한 내화 볼트 개발까지 완료한 상황입니다. 반면 국내의 경우 내화형강 및 내화 볼트 등의 개발이 완료되지 못한 상황으로, 제품 상용화를 위해 지속적인 연구개발이 필요한 상황입니다.

현재 국내에서는 건축구조용 고성능 H형강의 상용화를 위해 아래와 같은 기술개발을 추진하고 있으며, 건축구조용 고성능 형강 소재 개발 및 건축물 적용을 통해 구조물 안전 향상 및 재난 발생 시 국민 생활 안전 확보가 기대됩니다.

건축구조용
고강도 내화·내진
H형강 개발 및 표준화

• 1종의 내화·내진 H형강(YS 460급) 합금설계 및 제조기술 개발
• 반복화재·지진 상황을 모사한 내화시험 및 피로시험 방법 구축 및 특성평가
• 개발 강재 상용화를 위한 후물화 기술 개발 및 내화·내진강재 표준화