국내 연마재 산업 및 기술동향
글 _ 이종근1, 김성원2
1㈜대한세라믹스, 2한국세라믹기술원
CERAMIST
전통세라믹고도화
특 집
2013년 오바마 집권 3기 첫 국정 연설에서 3D 프린팅 기술을 차세대 제조업 혁명의 대표주자로 거론하며, 미국 전역에 3D 프린터 연구개발센터 15곳을 추가로 만들겠다 고 선언한 이후 3D 프린팅 (Additive manufacturing) 기술에 대한 관심이 국내에서도 높아지고 있다. Additive manufacturing 과 비교하여 산업전반에 있어 기존의 제 조 (Subtractive manufacturing)는 큰 소재를 자르고 깎고 붙이고 다듬어 원하는 형태의 제품으로 만드는 공정 으로 연마재는 각 단계에서 필수적으로 사용되는 소재이 다. 본고에서는 연마지석과 연마포지로 대표되는 연마재 산업의 현황과 연마재에 사용되는 지립의 최신 제조기술 에 대해 다루고자 한다.
1. 국내 연마재 산업 현황
1.1 연마재 제조기업 현황
연마재는 크게 연마지석과 연마포지로 구분할 수 있는 데 국내 연마재 생산업체는 연마석 분야의 제일연마공업 (주)와 연마지 분야의 디어포스(주), 태양연마(주)의 선도 업체 외에 중소업체들로 구성되어 있으며 Table 1에 대 표 3사의 현황을 보였다. 이중 제일연마공업(주)은 크게
기초소재산업 등에 주로 쓰이는 레지노이드 연마석, 자동 차, 선박, 항공기산업, 정밀 가공분야 등에 주로 쓰이는 비트리파이드 연마석, 고정밀 연삭이 필요한 작업처 등에 주로 쓰이는 초지립 (다이아몬드, cBN) 연마석 등을 생산
Fig. 1. 대표적 연마석, 연마지의 적용 사진 Table 1. 국내 연마재 대표 생산 업체 현황 (2014년 기준)
업 체 매출액(억원) 고용인원(명) 비고
제일연마공업 882 90 연마석
디어포스(주) 1,010 283 연마지
태양연마(주) 1,015 175 연마지
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하고 있다. 또한 연마포지를 주로 생산하는 디어포스(주) 와 태양연마(주)는 공히 생산량 대부분을 수출할 정도의 품질경쟁력을 갖춘 기업이다.
연마재의 수요산업 및 전방산업은 철강, 자동차, 조 선, 건설, 항공, 기계, 전자, 의료산업 뿐만 아니라, 첨 단산업에 이르기까지 산업전반으로 전방산업이 국가기 간 산업의 주를 이루는 특성 때문에 그 수요처가 급격히 증가하거나 줄어드는 변동성이 약하고, 신제품의 출현 으로 기존 제품을 대량으로 대체할 수 있는 시장이 아니 므로 안정성이 매우 뛰어난 산업이라 할 수 있다. 또한 초지립을 사용하는 연마석의 생산량은 전체 매출에서 크지 않지만 이화다이아몬드공업(주)와 신한다이아몬드 공업(주) 등의 다이아몬드공구 제조사와 일부 사업군이 중첩된다.
1.2 연마재 산업의 시장 동향
세계 연마석 시장의 경우 2014년에 약 $42억 달러이 며, 2017년까지 평균성장율 6%를 기대(Abrasives, 2013 – 2019, Transparency Market Research, 2014)하고 있으며 세계 연마지 시장의 경우 2014년에 $60억 달러이 며, 2015년부터 2020년까지 평균성장율 4.3%를 기대 (Abrasive & Sandpaper Manufacturing in the US:
Market Research Report”, IBIS World, 2015)하고 있 는 상황이다.
국내 연마지석 산업은 2014년 기준 총생산액은 1,641 억원, 수출액은 23백만불, 수입액은 104백만불이며,
2012년부터 2014년까지 생산액은 18.5% 증가, 수입액은 근소하게 유지, 수출액은 17.0% 증가하고 있고 연마포지 산업은 2014년 기준 총생산액은 2,845억원, 수출액은 215백만불, 수입액은 7.8백만불이며, 2012년부터 2014 년까지 생산액은 16.5% 감소, 수입액은 근소하게 유지, 수출액은 10.0% 증가하는 상황이다. Fig. 2에 국내 연마 지석과 연마포지의 시장동향을 보였다.
2. 연마재 시장 전망 및 과제
2.1 국내 연마재 시장 전망
앞에서 언급한 바와 같이 연마지석 시장은 철강산업의 조강생산량, 자동차, 건설, 기계산업 등과 세계 및 국내 경기의 성장과 궤를 같이하지만 다양한 수요산업군으로 특정 수요산업분야의 부침이 바로 연마지석 시장에 영향 을 미치지 않으며 연마포지 시장은 국내수요보다는 수출 에 대응하는 제품군과 성능을 보유한 것으로 판단된다.
세계경제의 저성장, 저물가 기조는 당분간 지속될 것으 로 예상되는데 미국은 꾸준한 회복세를 보일 것이지만 중 국경제의 성장 저하가 예상되며 저유가로 원자재 생산국 가들도 어려운 경제상황이 이어질 전망이다. 선진국의 수 입수요 위축, 글로벌 분업구조 약화로 세계경제 성장에 비해 교역이 더 부진한 모습을 보이면서 우리나라와 같은 수출중심 국가도 어려움이 지속될 전망이다.
세계금융위기 이후 침체되었던 제조업분야가 최근에 미국, 유럽지역의 제조업분야 부흥과 대비되는 중국과
Fig. 2. 국내 연마석 시장동향(HS6804(수입액, 수출액), 생산액(대표 국내업체 공시내용 참조) 및 연마지 시장 동향(HS6805(수입액, 수출액), 생산액(대표 국내업체 공시내용 참조)
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국내 연마재 산업 및 기술동향
아시아 지역의 산업 성장률 감소로 국내 관련 산업 분야 인 연마재 산업의 성장 예측은 다소 논란의 여지가 있 다. 또한 조선산업의 침체와 같이 국내 수요 산업의 부 침이 아직은 연마재 시장에 본격적으로 영향을 미치기 전인 것으로 파악된다.
2.2 국내 연마재 시장 환경과 과제
최근 중국 제조업 성장에 따라 연마재 분야에 있어서도 저가의 중국산 연마재가 저가시장으로 확장하고 있으며 전세계적으로도 신규 연마재수요의 절반 이상이 중국으 로부터 생겨나고 있는 상황이며 주로 단가가 낮은 중국산 연마재의 국내유통 비율도 증가하고 있다. 또한 원료의 수급에 있어서는 국내 연마재 생산업체에서 사용하는 원 료인 지립(알루미나, 탄화규소), 초지립(다이아몬드, cBN) 및 결합재 대부분을 수입산으로 사용하고 있어 원 료 수입 단가에 따른 수익성 변화에 민감한 편이다.
연마재를 둘러싼 이와 같은 국내외 환경에서도 국내 고품위 연마재 시장은 일본 혹은 유럽산의 외산 연마재 수요를 중심으로 꾸준히 성장하고 있어 국내 연마재 생 산업체의 시장확대를 위해서 기존과 다른 새로운 수요 산업으로의 진출에 대한 업체내부의 요구 증가하고 있 는 상황이다.
이러한 시장상황에 대응하여 국내 연마재 생산업체 의 경쟁력 강화를 위해서 다음과 같은 방안이 논의되 고 있다.
- 기존의 수입원료의 국산화 노력
• 알루미나, 합성 다이아몬드 및 비트리, 레진 본드 등의 국내생산업체 발굴 및 협업을 통한 원료품질 향상으로 국산원료 사용 확대
- 초지립 연마재 시장분야 확대
• 단가와 부가가치 높은 초지립(다이아몬드, cBN) 을 사용하는 연마재의 기존 시장 및 다이아몬드공 구와의 틈새시장 공략 노력
- 고품위 연마재 기술확보로 신시장 창출
•기존 외산 연마재가 차지하던 시장의 공략
•연마석 관련 회사의 기술개발 의지 및 노력 필요
3. 연마 지립의 기술동향
연마재는 금속이나 목재 등을 절단하거나 연마하기위 한 공구로서 연삭 또는 연마 가공법을 주로 사용하며 피 연삭재의 종류와 연삭, 연마 목적에 적합한 연마지립을 선택하여 사용한다. 전통적으로 사용되어지는 재래식 연마재는 탄화규소(C), 천연보크싸이트를 용융하여 제 조한 알루미나(A), 백색용융알루미나(WA), 용융알루 미나지르코니아(AZ) 등 다양한 지립이 사용되어지고 있다.
특히 알루미나는 화학적 안정성과 우수한 기계적 특성 을 갖고 있어 공업적으로 매우 광범위하게 사용되어지고 있는 산화물이며 경도가 높고 마모에 대한 저항성이 우수 한 장점 때문에 연마 재료로서 널리 이용되고 있다. 그러 나 용융법으로 제조된 알루미나는 냉각 과정에서 결정립 이 수백에서 수천 마이크로의 크기로 과대 성장 되면서 결정입자 내부에 많은 양의 고립 기공과 결정립 사이에 열린 기공이 존재하므로 인하여 기계적 특성이 크게 떨어 지는 문제가 있으며 연마 또는 연삭중에 거대 결정들이 쉽게 탈락되어 연삭능력이 급격하게 떨어지는 단점을 갖 고 있다.
최근에는 다양한 경박 단소의 제품군을 정밀하게 가공 해야하는 정밀 가공 시장이 확대되고, 작업의 효율성과 연마재의 고수명이 요구됨에 따라 이를 충족시키기 위한 다양한 연마 지립의 개발이 진행되고 있으며 알루미나 졸 겔법을 이용하여 99% 이상의 상대밀도를 갖는 알루미나 소결체가 개발되어 재래식 연마지립이 갖는 문제들을 해 결 할 수 있는 재료로서 크게 주목을 받으며 이를 사용한 연마재의 시장이 급속하게 확대되고 있다.
연마재 지립으로 사용되는 입자는 높은 경도와 파괴인 성 등과 같은 기계적 특성이 요구되는데 이것은 소결 또 는 용융후 냉각 과정중에 생성되는 알루미나 결정들의 미 세구조와 직접적인 관계가 있으며 졸겔 방법으로 제조된 알루미나 소결체의 가장 큰 장점은 약 1300℃ 정도의 저
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온에서 급속 소결 방법으로 제조하기 때문에 결정의 과대 성장을 억제하므로써 치밀한 미세구조를 얻을 수 있다는 것이다.
알루미나 Sol-Gel 방법을 이용한 알루미나 연마지립 의 제조 방법은 출발 물질인 Gama Alumina(Aluminium monohydroxide, AlOOH)에 해교제를 첨가햐여 가수 분해 시킨다음 안정한 콜로이드 상태의 졸을 만들고 이 로부터 생성된 겔을 건조하여 부착수를 제거하는 건조 공정과 결정수들을 제거하기 위한 하소 공정을 거친 다 음 최종적으로 1300~1400℃ 부근에서 소결한다. 소결 이 완료된 소결체를 연마지립으로 사용하기에 적합한 입자 크기로 분급하는 공정을 거치면 최종적으로 연마 지립이 완성된다.
현재까지 개발된 Sol-Gel 방법을 이용한 알루미나 연마지립의 제조 방법은 크게 두가지로 구분되는데 첫 번째는 Table 2와 Fig. 3의 Type A와 같이 알루미나 졸에 Alpha Alumina를 Seed로 첨가하여 1~3micron 의 작고 균일한 알파 알루미나 결정들을 치밀하게 생성 시키므로써 경도가 20kgf/mm2 이상인 강하고 Tough 한 연마재를 만드는 방법과 두 번째는 Type B, type C 와 같이 지르코니아, 마그네슘 또는 희토류 금속염 등 을 첨가하여 알파일루미나 결정들 사이에 magnesium
alumina spinel 과 rare earth hexagonal aluminate 결정들을 성장되게하여 구조적으로 매우 강하고 인성 이 뛰어난 고기능성 연마재를 제조 하는 방법이 있으며 후자의 방법으로 제조된 지립의 사용이 점점 증가되고 있다.
Type B는 알루미나 졸에 지르콘염을 첨가하여 알루미 나 Matrix 위에 지르코니아 결정을 분산시킴으로서 미세 구조를 강화시켜 Type A에 비해 보다 강한 내구성을 나 타내며, Type C는 알루미나 졸에 마그네슘과 희토류 금 속염을 첨가하여 제조된 소결체로서 Fig. 3에서 처럼 2~5마이크론 크기인 Alpha Alumina 결정들이 Cell 형 태로 성장되어 있고 그 cell들 안에 magnesium alumina spinel 결정들과 rare earth hexagonal aluminate 결 정들이 분포되어 있다. 막대형 결정들의 두께는 대략 0.2 마이크론이고 직경은 대략 1.0마이크론 정도이다. 이와 같은 막대형 결정들이 강화작용을 하여 그 경도가 무려 20kgf/mm2 이상이고, 파괴인성은 약 4.5MPa·m½에 달한다.
이러한 결정구조를 가진 Sol-Gel 입자는 matrix로 자 리잡은 알파 알루미나 결정과 그 알루미나 결정안에 막대 모양의 2차 결정들로 강화되어 있어 연삭 및 연마 작업을 할때 큰 힘에 견디면서 효율적으로 연삭 및 연마작업을
Table 2. Chemical composition of Sol-Gel Ceramics Abrasive Composition
Type Al2O3 Fe2O3 SiO2 MgO ZrO2 La2O3 Y2O3
Type A 99.8< 0.01 0.01< - - - -
Type B 96.2 0.01 0.01< 1.2 2.5 - -
Type C 96.6 0.01 0.01< - - 2.3 1.0
Fig. 3. Scanning electron micrographs of polished and thermally etched surface of grains
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국내 연마재 산업 및 기술동향
할 수 있다. 또한 이러한 결정들은 피연삭물을 연삭할때 파쇄되면서 매우 날카로운 면들을 지속적 남기면서 재래 식 연마지립에 비해 연삭효율과 수명을 크게 증가시킨다.
이러한 향상된 성능으로 인해 보다 넓은 범위의 산업 분 야와 고기능성 연마재 지립으로서 활용 범위가 크게 확 대되고 있다.
이종근
전남대학교 무기재료공학과 석사
목포대학교 신소재공학과 박사
㈜대한세라믹스 기술연구소 소장
현재 ㈜대한세라믹스 공장장
김성원
서울대학교 무기재료공학과 학사 ('97)
서울대학교 무기재료공학과 석사 ('99)
서울대학교 재료공학부 박사 ('06)
한국세라믹기술원 선임연구원 (`08~현재)
