독일의 교육과학부는 자국의 중소기업들이 점차 경쟁력을 잃어가고 있는 현상을 극복하고, 미국의 첨단제조업 부흥에 대응함과 동시에 부상하는 중국의 제조기술력을 따돌릴 수 있는 획기적인 산업생산시스템을 강구하고자 노력했다. 이 결과 ‘산업4.0(Inderstrie 4.0)’이란 새로운 개념을 만들어 냈고, 독일은 이를 국가산업전략으로 채택했다.

‘산업 4.0’ 개념은 산업설비의 디지털 공장과 현장의 자동화 공장이 모든 조업데이터를 공유하고 최적 조업조건을 사이버 상에서 예측해 내는 사이버-물리 연동 시스템을 유연한 생산 시스템의 해법으로 삼는다.

이 새로운 개념의 스마트 공장 시스템은 많은 전문가들의 주목을 받았고 2016년 다보스 포럼에서는 제4차 산업혁명의 모델로 다뤄졌다. 세계경제포럼 의장인 클라우스 슈밥(Klaus Schwab)은 독일식 ‘산업 4.0’ 모델에 인공지능과 유전공학이 결합되면 산업의 기틀이 전혀 다른 형태로 바뀌어 제4차 산업혁명이 촉발된다고 주장했다.

이와는 별도로 미국의 제너럴 일렉트릭(GE)은 그들이 생산하는 산업설비 속에 센서들을 장착하여 설비의 가동 상태를 실시간으로 모니터링하고 설비를 관리해주는 산업인터넷 기술을 개발하여 고객에게 설비관리 서비스를 제공하기 시작했다. 이는 제조업이 설비를 만들어 내는데 그치지 않고 고객의 설비 가동상태를 해석해 주는 서비스를 겸하게 되었다는 점에서 제조업의 대변신이라고 할 수 있다.

GE가 보여준 산업인터넷 기술과 독일이 추구하는 사이버-물리 시스템을 채택한 스마트 공장 개념이 미래를 기약하는 제조업의 혁신적 사례로 평가되면서 각국 정부는 이를 미래산업기술전략의 모델로 삼고 있다.

제품의 수요변동에 따라서 설비가 자동으로 설정되는 기술은 이미 첨단제조공장에선 흔한 일이지만 대부분 같은 제품을 대량으로 생산하는데 초점이 맞춰져 있다. 하지만 상품의 주문단위가 소량으로 바뀌면 생산 설비의 설정 조건이나 부품의 교체가 빈번하게 발생하고 심지어 원료 조건도 다양해 진다. 이로 인해 생산원가가 상승하고 생산성이 하락하는 문제를 수반한다.

또 단위 공정만 소량 주문생산 체제로 바뀐다고 문제가 해결되지 않는다. 주문에서부터 원료 수급, 각 단계 별 생산설비 조정, 공장내 물류, 공급망에 이르기까지 모든 단계가 소량 다품종 생산에 맞게 유연생산체제로 바뀌어야 한다. 원료나 부자재 공급부터, 생산 일정, 생산 공장, 설비 정비, 물류에 이르기까지 서로 데이터를 공유하면서 실시간으로 최적 생산조건을 찾아내고 결함 발생을 최소화해야 한다.

고객 별로 다양한 옵션을 부가한 맞춤형 제품을 소량이라도 공급해 주는 방향으로 시장이 바뀌면서 모든 산업계가 유연한 생산시스템을 갖춘 스마트 공장을 채택해야만 하는 혁신과제를 안게 된 것이다.

기간산업으로 분류되는 철강업은 전통적 제조방식을 따를 것이라고 생각하기 쉽다. 하지만 철강제조공정은 고열 작업이 많고 고속·고압 생산 조건에서 연속으로 제품을 생산하는 설비들로 가득 차 있어 일찍부터 자동 조업 방식을 적용해 왔고, 근접 작업에 위험이 따를 수 있는 작업자들은 중앙운전제어실에서 설비가동상황을 감시하는 일을 맡아왔다.

조업방식의 자동화에 머물지 않고 포스코에서는 전체 제철 공정을 21세기형 스마트 공장으로 바꾸는 작업을 이미 시작해, 설비, 품질, 에너지, 안전관리 등 모든 분야를 스마트 공장으로 바꾸는 프로젝트를 2017년까지 완성할 계획이라고 한다.

포스코가 추구하는 미래형 제철공정인 스마트팩토리(Smart Factory)는 공장 설비에 설치된 사물인터넷(IoT; Internet of Things) 센서를 통해 데이터를 실시간 수집하고, 이를 기반으로 목적에 맞게 스스로 가동하는 공장을 말한다. 수집된 데이터는 설비 상태를 실시간 진단·예측하는데 활용하여, 안정적인 조업환경을 유지하고 설비 수명도 연장할 수 있다.

포스코 스마트팩토리가 실현되면, 설비관리 부문에서는 설비의 가동상태를 실시간으로 점검할 수 있도록 스마트 센서를 통해 통합센터에서 센서정보 및 점검, 수리, 고장 등 설비 이력정보를 분석할 수 있고, 고장시점을 예측하여 사전에 조치를 취함으로써 설비수명을 연장시키는 효과가 있다. 작업자들은 웨어러블 장비를 착용하여 도면정보를 전달 받아 설비의 분해 조립 절차를 수행하므로 완벽한 정비가 가능하다.

생산관리 부문에서는 전문가 경험에 의존한 생산방식에서 벗어나 품질, 에너지, 환경 등 현장 상황을 종합 분석하는 무인 지능시스템으로 생산량을 자동으로 결정하고 설비-소재-품질 데이터를 통합분석하여 최적의 운전 패턴을 도출하므로 소단위 작업에서도 생산효율성을 높이고 품질을 향상시킬 수 있다.

품질관리 부문에서는 모든 생산공정을 영상 모니터링하여 실시간 품질관리가 가능하다. 중단이 불가능한 연속 공정이므로 품질에 영향을 주는 설비 소음 발생, 진동, 온도 등의 요소들을 실시간으로 수집/분석함으로써 불량 발생 가능성을 미리 예측하고 후 공정의 작업조건에 반영함으로써 품질 불량을 방지한다.

물류관리 부문에서는 선박으로 수입되는 원료 및 부원료를 하역하는 작업부터 생산공장 내부에서 소재와 제품을 운반하고 보관하는 전 과정을 무인 자동화해 물류관리의 효율성을 높이고 원가절감 등 생산성 향상을 도모할 수 있다.뿐만 아니라 공장에서 출고되는 제품들이 유통기지 및 고객사 창고에 도달할 때까지 입·출고 관리 및 모든 정보를 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 제품 자동인식 시스템을 구축했다.

환경/에너지 부문에서는 공장에서 발생하는 분진, 황/질소화합물 등 유해물질을 하이-플라스마 공법으로 완전 제거해 친환경 공장을 구현하고 있다.. 또한 공장 /공정별로 에너지 소비량을 조업패턴에 따라 실시간으로 분석해서 최적의 에너지 사용 패턴을 적용하고자 한다.

안전관리 부문에서는 위험지역에 접근하는 작업자를 자동으로 인식하고 미리 경고하여 사고를 예방하고, 설비에 부착된 센서나 CCTV영상을 통해 화재, 폭발, 가스 등 위험 상황을 실시간으로 파악하여 긴급대응하는 시스템을 구축했다.

설비엔지니어링 부문에서는 단위공장 별 디지털 가상공장을 만들어서 설비 신/증설 및 생산조건 변경사항에 대해서 실제 공장처럼 설비개조 및 조업변경을 미리 시뮬레이션 해 볼 수 있다. 신규 설비의 성능, 장애 요인, 유지보수상 문제점들을 사전에 발견하여 수정함으로써 최적설계를 구현하고 비용 및 시간을 절감한다. 또한 가상공장에서 다양한 시험조업을 시도할 수 있어 실제 공장에 적용 가능한 최적생산조건도 발굴해 낼 수 있다.

포스코가 추구하는 스마트팩토리는 사물인터넷, 빅데이터, 컴퓨터 시뮬레이션, 첨단로봇, 증강현실, 사이버 보안, 생산과 경영관리 시스템 통합 그리고 인공지능기술이 가미된 최첨단 21세기형 공장 모델이다. 전 세계 철강업계는 물론이고 타 산업의 스마트공장화에도 모범이 될 수 있는 사례이다. 첨단 스마트 공장으로 변신한 포스코는 새로운 가치를 제공하는 신철강제품도 손쉽게 생산할 수 있는 기반을 갖추게 되어 21세기에도 미래문명을 개척해 나가는 산업선도자 역할을 다 할 것으로 기대된다.

* 포스코리포트는 해당 분야 전문가 필진이 직접 작성한 것으로, 포스코의 입장이나 전략을 담고 있지 않습니다.

 

 

다국적 특수강업체인 풰스트알피네(Voestalpine Group)는 최근에 금속 3D 프린팅 연구개발센터를 설립했다. 이곳에선 자동차, 항공기, 의료기기, 공구로 제조할 수 있는 복잡한 금속부품들을 3D 프린팅으로 제조하는 기술을 개발한다.

부품을 3D 프린팅 하려면 고품질의 금속 분말이 필요하다. 원료 금속들을 진공용해하여 합금을 만든 다음에 고압의 불활성가스와 함께 노즐을 통해 분사 시키는 아토마이징법으로 금속합금분말을 제조한다. 분말의 모양은 아주 둥글고 크기도 균일해야 하므로 합금의 종류에 따라서 노즐을 통과하는 분사량, 온도, 압력, 가스의 양, 속도 등을 미세하게 조절하는 것이 기술의 핵심이다. 아토마이징된 분말은 여러 단계의 체로 걸러서 20~100μm의 크기 별로 분류한다.

또 제조할 부품을 먼저 3D 프린팅 공법에 맞게 설계하는 것도 중요하다. 부품의 단면을 한 층씩 쌓아 올리는 방식이므로 밑바닥부터 위쪽으로 최종 부품의 형상이 될 때까지 레이저나 전자 빔 선으로 스캐닝하여 만들어 갈 면을 정해 줘야 한다. 디자인된 선과 면을 따라서 미세한 직경의 레이저 빛이 통과할 때마다 국소적으로 금속 분말이 녹았다가 이전에 적층한 면 위에 다른 층이 만들어 내는데, 이때 부품의 기계적 성질이 방향성을 가질 수 있기 때문에 각 단면 안에서도 선을 그리는 순서나 방향도 매우 중요하다.

3D 프린팅 과정에서 금속분말 입자가 덜 녹거나 응고가 지연되면 미세한 기공이 발생한다. 하중을 지탱하는 부품은 피로 강도나 파단 인성이 매우 중요하므로 내부에 미세한 기공이나 기포는 커다란 결함이 된다. 인쇄된 부품의 밀도를 100%가 되도록 하려면 합금에 따라서 빔의 이동속도를 조절해 주며 기포가 발생하지 않도록 해야 한다.

특히 합금 성분의 금속을 사용하는 경우에는 더 주의가 필요하다. 순 금속과 달리 금속 합금은 성분 원소들 간 용융 온도의 차이가 크면 고체와 액체가 공존하는 온도 구간이 커지게 되는데, 이런 경우 기포가 생기기 쉽다. 따라서 합금 특성도 중요하지만 용융점이 뚜렷한 합금 조성이 필요하고, 녹는 온도 구간을 최대한 좁게 유지할 수 있어야 한다.

즉, 부품을 3D 프린팅 하기에 적합한 합금 개발과 최종 부품의 단면을 정하고 빔을 통과시키는 패스를 설계하는 기술이 3D 프린팅 공법을 활용한 부품 설계 및 제조기술의 핵심이다. 추가로, 3D 프린팅 할 부품의 단면 두께는 금속 분말의 직경과 밀접한 관계가 있기 때문에, 입자가 굵으면 두껍게 설계하고 입자가 가늘면 얇게 설계하도록 한다.

 

l 3D 프린팅 공법의 미래와 과제

3D 프린팅 공법은 통상적인 정밀주조법이나 가공법으로는 제조가 불가능한 아주 복잡한 구조 부품을 완벽하게 제조할 수 있다는 점에서 같은 용도의 부품이라도 부품의 구조를 전혀 다르게 설계할 수 있다. 따라서 무게를 줄이거나 냉각 성능을 높이거나 기능성을 향상시킬 수 있다.

특히 기존의 가공법으로는 적용할 수 없는 특수 성분의 합금으로 최종 형상의 부품을 직접 제조할 수 있다. 지금까지는 3D 프린팅에 적용한 금속이 한정된 몇 가지로 국한되어 있지만 철강 소재는 가격이 저렴하고 강도 특성도 우수하므로 부품의 용도에 맞는 특수강 성분을 3D 프린팅 소재로 개발하면 3D 프린팅을 광범위하게 활용할 수 있다.

3D 프린팅은 금속분말들이 순간적으로 용착되므로 합금원소들이 확산되지 않고 편석이 거의 없으며 결정립이 미세한 과포화 고용체 합금을 얻을 수 있다. 또 균일한 조직을 얻기도 쉽다.

GE를 비롯한 전통적인 금속부품 제조기업들이 디지털 제조업으로 전환하는 길을 3D 프린팅 공법에서 찾고 있다. 최종 부품을 정밀하게 설계하는 소프트웨어, 고속 3D 프린팅 장비, 그리고 프린팅 소재가 일체가 되는 3D 프린팅 제조 공법이 해답을 준다고 믿는다.

이와 함께 부품 제조업이 원하는 특성에 맞는 다원계 특수강 합금을 찾아내는 일은 소재 기업들의 과제이다. 3D 프린팅이 특수강 부품 생산에 매우 적합한 공법으로 인식되도록 다양한 분말 합금들이 개발되길 기대해 본다.

* 포스코리포트는 해당 분야 전문가 필진이 직접 작성한 것으로, 포스코의 입장이나 전략을 담고 있지 않습니다.

 

l 글 과학기술칼럼니스트 이준정 박사

l 글 과학기술칼럼니스트 이준정 박사

l 미래를 뒤엎을 전기자동차 열풍의 시작

금년 들어서 자동차 시장에 전기차 바람이 거세게 불고 있다. 테슬라 자동차가 전기차의 대중화를 목표로 저가형 ‘모델 3’를 개발하여 공개하자 전 세계에서 예약 물량이 폭주하여 한 달 만에 37만 대에 이르렀다. 이 물량은 최고 인기 차종인 도요타 ‘렉서스’가 2015년 한 해 동안 미국에서 팔린 물량(34만 4000대)보다 많다.

테슬라는 폭발적인 시장 확대에 맞추기 위해 2018년까지 전기차 생산능력을 50만 대로 늘리기로 했다. 2016년 현재 생산규모가 연산 6만 2천 대이므로 앞으로 2년 사이에 8배 이상 생산력을 높이는 계획이다.

이에 놀란 전통적인 세계 자동차 회사들은 앞다투어 전기차 생산 계획을 앞당기고 신형 전기차 개발에 한창이다. 시장분석가들은 스마트폰이 등장하면서 짧은 시간 안에 휴대폰 시장을 뒤엎었듯이 향후 몇 년 사이에 전기차가 자동차 시장을 완전히 뒤엎을 것이라고 전망하고 있다.

 

l 환경문제 해결을 위한 전 세계의 의지가 자동차 산업을 바꾸다

지구 온난화 주범 중의 하나인 화석연료 자동차는 언젠가는 소멸해 갈 자동차라고 인식되어 왔지만 지금 벌어지는 전기차에 대한 시장 반응은 예상보다 훨씬 빠르게 진행하고 있다.

대표적인 산유국인 노르웨이는 2015년 말 기준으로 전체 보유차량 중 전기차 비중이 이미 19%를 넘어섰다. 이는 통계적으로 대세 전환점을 넘어선 추세로 평가된다. 노르웨이는 2025년부터 화석연료 자동차를 판매 금지하는 법적 조치까지 취하고 있다. 네덜란드를 비롯한 여타 유럽 국가들도 이에 동조할 움직임이다.

이뿐만이 아니다. 세계 최대 자동차 시장인 중국은 전기차 확산을 위해 세계 최고의 전기차 보조금(대당 16,000불)을 지급해 주고 있으며 금년부터는 공공기관이 구입하는 차량의 50% 이상을 반드시 전기차로 구입하도록 강제하고 있다.

인도도 극심한 대기오염을 극복하기 위해서 전기차 중심으로 교통정책을 전환 중이다. 인도 교통부 장관은 인도의 자동차를 2030년까지 100% 전기차로 바꾸는 전략을 수립 중이라고 한다. 전기차는 이제 거역할 수 없는 미래 자동차로 입지를 굳혀가고 있다.

 

l 전기강판, 전기자동차의 에너지 손실을 줄이는 핵심 요소

 

전기차는 엔진이 없다. 전기차의 핵심요소는 모터, 배터리, 그리고 차체로 구분한다. 전기차를 움직이는 힘은 배터리에 저장된 전기에서 나온다. 전기모터의 힘으로 자동차 바퀴를 굴려 주면 자동차가 움직인다. 이때 자동차를 움직이는 모터의 출력을 높이려면 모터의 핵심소재인 무방향성 전기강판의 고유 특성을 개선해야만 한다.

모터의 출력은 회전속도와 토오크의 곱으로 표현된다. 모터의 토오크가 커지려면 전선이 감긴 모터의 코아로 사용되는 전기강판의 자속밀도(magnetic flux)가 높아야 한다. 또 모터의 출력을 높이려면 모터의 회전속도가 빨라져야 하는데 이때 전기강판에 발생하는 여기주파수(excitation frequency)가 높아지면서 에너지가 손실되는 철손(iron loss)량이 커지므로 전력효율이 낮아진다. 따라서 전기차 모터의 특성을 높이려면 고주파수 영역에서도 철손이 충분히 낮은 전기강판을 채용해야 한다.

이뿐만이 아니다. 모터가 고속으로 회전하려면 회전자로 사용하는 전기강판의 강도가 높아야 변형이 안 된다. 한 마디로 전기차의 가속 성능이 높아지려면 모터의 핵심소재인 전기강판의 품질이 훌륭해야만 한다.

 

l 전기자동차의 한계 극복하는 소재 기술

전기차가 안고 있는 약점은 한번 충전으로 주행할 수 있는 거리가 내연기관 차량에 비해 너무 짧다는 점이다. 이를 늘리려면 리튬이온배터리의 충전용량이 커야 한다. 충전량은 같은 배터리 공간에 리튬이온이 많이 저장될수록 많아진다. 이를 위해 비표면적이 넓은 활성물질을 양극재료로 개발해서 리튬저장량을 높여야 한다.

또한 리튬이온배터리의 수요가 급증하면서 리튬금속의 공급량 부족으로 리튬금속 가격이 폭등하고 있다. 리튬은 주로 남미대륙에 산재한 염호(salt lake)속에 녹아있는 리튬이온을 소금 염전에서처럼 태양열로 증발시켜 추출하는데 기존의 방법은 생산속도나 효율도 낮고 생산된 리튬금속의 순도도 40~50%로 낮은 문제가 있다.

최근 포스코가 개발한 ‘LiSX’공법은 리튬 함유량이 20ppm 이상인 저농도 염호에서도 99.9% 이상의 고순도 리튬을 농축시켜 8시간 만에 생산할 수 있다. 생산설비의 건설기간도 짧고 설비 가동 후 바로 리튬이 생산되는 공법이라 리튬의 시장 수요 변화에 탄력적으로 대응할 수 있다.

△ 초고강도강과 마그네슘 판재를 적용한 르노의 ‘이오랩(Eolab)

전기차의 주행성능을 높이기 위해선 차체의 중량을 줄여야 한다. 차체 중량을 줄이는 직접적인 방법은 차제 새시(chassis)와 바디(body)부품 소재를 경량화하는 방법이다. 새시부품으론 성형성이 매우 우수하면서도 강도가 일반강의 2~3배인 고망간 트윕(TWIP)강이 부품 중량을 낮추면서 충돌 안전성을 높이는데 적합한 소재이다. 차체 바디소재로는 알루미늄이나 탄소 복합소재가 채용되기도 하지만 알루미늄보다 훨씬 더 가벼운 포스코형 마그네슘 합금 판재도 미래형 소재로 주목받고 있다.

전기차가 미래 자동차로 확고한 지위를 확보하려면 아직도 기술적으로 보완하고 발전시켜야 할 여지가 많다. 전기차의 성능을 높이려면 기계 기술의 발전보다 모터, 배터리, 그리고 차체를 이루는 소재를 획기적으로 개선할 수 있는 소재 기술들이 더 필요하다. 소재 기업들은 21세기 교통 환경, 나아가서는 지구환경을 앞장서서 개선하는 기술 첨병 역할을 할 수밖에 없다. 종합소재 기업인 포스코의 활약을 크게 기대하는 이유다.

* 포스코리포트는 해당 분야 전문가 필진이 직접 작성한 것으로, 포스코의 입장이나 전략을 담고 있지 않습니다.