열처리로 국내 현황조사 및 온실가스 에너지감축방안 연구

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열처리로 국내 현황조사 및 온실가스 에너지감축방안 연구

정부는 국가 온실가스 감축목표 달성과 녹색성장 동력을 창출하기 위해 온실가스를 다량 방출하고 에 너지를 많이 소비하는 에너지다소비 사업장 및 대형건물을 관리업체로 지정하여 감축목표(배출허용량) 을 부여하고, 그 범위 내로 온실가스 배출량과 에너지소비량을 관리할 수 있도록 온실가스·에너지목표 관리제를 시행하고 있다. 온실가스·에너지목표관리제는 기존의 환경, 에너지규제들과는 다르게 사업장 경영전반에 영향을 미칠 수 있는 규제로써 관리업체 대상 사업장에게는 온실가스·에너지계측 및 위기 관리시스템, 경영기획시스템과 통합, 연동하여 전체적인 관리시스템, 배출량 예측시스템 운영 등 전사 적인 대응이 요구되고 있는 상황이다.

국내 대표적인 뿌리사업인 열처리산업은 대표적인 임가공 사업의 하나로 산업의 경쟁력 증대를 위해 반 드시 필요한 분야이지만, 기존의 열처리로는 에너지소비가 많아 에너지절약형 열처리로의 전환이 시급 한 시점이며, 이러한 에너지절약형 열처리로 보급과 열처리분야 온실가스·에너지감축을 위해서는 정량 적 데이터 확보, 열처리분야의 보급 및 확산 수요조사, 감축잠재량 도출을 통해 기술표준화와 국내 에 너지절감 기술개발이 선행되어야 한다.

더욱이 21세기 첨단 산업분야에서는 이러한 시스템적 대응과 더불어 현 소재가 가진 성능의 한계를 초 월하는 소재 및 관련 응용기술의 복합적인 발전이 요구되고 있다. 특히 자동차, 기계부품의 품질 및 내 구성 강화의 목소리가 높아지면서 코팅기술, 표면경화기술 등 표면 열처리의 중요성이 높아지고 있으며, 여기에 사용되는 열처리로는 제품에 요구되는 품질 조건과 공정의 특성에 따라 효율적으로 적용할 때 품질개선, 생산성 향상, 에너지절감의 효과를 동시에 추구할 수 있어 에너지절감과 기술개발의 두 마리 토끼를 잡을 수 있을 것으로 기대되고 있다.

이 연구는 온실가스·에너지목표관리제 대상 업체 중 조선, 철강, 자동차, 요업, 비철금속, 전기전자, 기 계 업종의 211개 관리업체 중 사업장내에 열처리 공정을 보유하고 있는 사업장을 대상으로 수행되었으 며, 열처리산업은 자동차, 가전, 건설기기, 공구 등 한국을 대표하는 공업제품의 부품제조를 비롯하여 금속제품, 정밀기계, 전기기계 등 대부분의 산업영역에 포함되는 제품의 상당수가 거쳐야하는 생산기반 산업으로 모든 산업에 파급효과가 클 것으로 기대된다. 더욱이 이들 사업장뿐 아니라 에너지·목표관리 대상업체의 협력업체 또한 다수가 열처리공정을 운영할 것으로 추정되고 있는 만큼 에너지다소비 열처 리분야의 온실가스·에너지감축 잠재량을 파악하고 절감하는데 큰 효과가 있을 것으로 예상되며, 아래 에 「열처리로 국내 현황조사 및 온실가스·에너지감축방안 연구」의 간략한 내용을 소개한다.

글 / (사) ESCO 협회

ESCO Issue

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 선행연구가 부족했던 에너지다소비 열처리 분야의 온실가스·에너지감축 잠재량 파악

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열처리설비 공급업체와 수요업체에 대한 국내외 현황조사를 통해 적용 가능한 온실가스·에너지 감 축기술을 파악하고 격차 분석

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기술시장 형성이 미흡하고 신뢰성이 부족한 상황을 극복하고자 에너지절약형 열처리 설비(기술)와 기 존 열처리 설비(기술) 대비 온실가스·에너지 감축효과 산정 및 타당성 분석

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국내 열처리 임가공업체의 90% 이상이 설비 운영비용이 비싼 가스보다 상대적으로 저렴한 전기저항 로를 다량 보유 및 운영하고 있었으며 연구 대상의 범위를 전기저항로에 초점을 맞추어 진행

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관리업체와 협력업체(임가공업체)가 협력하여 국가 온실가스 감축목표 달성에 기여할 수 있도록 에 너지절약형 열처리설비 및 공정 종류 중 보급 가능성이 높은 분야를 발굴하고 이를 보급·확산하기 위한 지원정책 제시

- 에너지다소비형 카본전기열처리 기술을 사용하는 사업장이 에너지절약형 열처리 설비를 도입할 경우 얻게 될 정략적 효과를 객관적인 방법으로 분석

- 기존 열처리기술을 사용하는 산업 및 기업의 분석을 통해 보다 경제적이고 효율적인 에너지절약 형 열처리 공정도입 방안을 연구하여 정부지원 정책 수립에 기여

2. 연구내용

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조사내용은 ①관리업체와 협력업체 열처리 공정 현황조사 ②열처리 전문 임가공 업체 현황조사 ③ 국내외 열처리 제작업체 현황조사 ④국내외 열처리공정에 적용 가능한 에너지 절약 기술 조사

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조사사업과 병행하여 수행하는 연구내용은 ⑤에너지절약형 열처리 공정(기술) 측정·분석 ⑥기존 열 처리시설과 개선 적용할 열처리시설(공정)의 정량적 효과 분석을 기반으로 한 투자 타당성 분석 ⑦ 국내 에너지절약형 열처리 보급 가능성 분석 ⑧국내 열처리 분야 온실가스·에너지 감축을 위한 정 부 지원방안 도출

구분

구분 조사 내용

연구 내용

①관리업체와 협력업체 조사

⑤열처리 설비 측정·분석 열처리 공정현황

에너지사용량 적용 기술 수요 기술

에너지 절약형 열처리 기술(설비)

측정

②열처리 전문 임가공 업체 조사

⑥투자타당성 분석 업종 특성 적용 설비 에너지 효율 개선

투자 장애요인

기존 열처리 시설과 개선 열처리 시설의 정량적

효과분석

③국내외 열처리 제작 업체 조사

⑦국내 에너지 절약형 열처리 보급 가능성 분석

적용 기술 개발 기술 해외 사례 에너지 절약형 로

개발 장애요인

국내 열처리 산업분석과 보급가능성이 높은

분야 선별 감축잠재량 분석

④국내외 에너지절약 기술 조사

⑧정부지원 방안 도출 열처리 공정의 에너지 절약 핵심

기술 분석 설비-운영측면 해외 사례 조사

국내외 정부지원 내용 조사 정부지원방안 도출



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Ⅱ. 연구수행 결과

1. 목표관리제 관리업체 및 협력업체 열처리공정 운영현황 조사 결과

 관리업체 열처리 공정 운영 특성

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2011년 이전 전체 관리업체 중 열처리 공정을 필요로 하는 업종은 31%, 2012년 신규 관리업체 중에 는 62%로 열처리 공정 비중이 증가

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이들 관리업체 중에 평균 45%가 열처리 공정을 직접 사업장내에 운영, 전량을 등록된 협력업체에 위 탁하여 실시하는 관리업체는 평균 1%, 나머지 55%의 관리업체는 협력업체로 관리되지 않는 하위 벤 더(공급망)의 열처리 임가공 업체를 통해 열처리 공정을 대체함

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열처리 공정을 직접 운영하고 있는 관리업체는 평균 15.3대의 열처리로를 보유, 총대수로는 1,443대 로 추정, 이중 전기로가 817대(57%), 가스연료를 사용하는 열처리로가 591대(41%), 기타 연료를 사용 하는 열처리로가 35대(2%)로 분포

 관리업체 열처리 공정 온실가스 배출량 분석

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열처리로 공정개선에 따른 온실가스 감축효과를 볼 수 있는 관리업체는 208개, 배출하는 온실가스 총량은 147백만tCO₂eq로 추정

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열처리 공정을 자가 운영하고 있는 관리업체 온실가스 배출량 중 전기로(817대)가 배출하는 온실가스 배출량의 비중은 Scope2 전력 사용에 따른 온실가스 배출량 중 35%인 1백만tCO₂eq으로 추정됨¹⁾

 열처리 임가공업체 온실가스 배출량을 반영한 관리업체 배출량 재분석

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임가공업체 715개²⁾ 업체 중 142개 업체 설문조사를 실시하고 18개 업체를 방문 조사하여 임가공업 체의 온실가스 배출량 현황을 분석함

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임가공업체의 전기로 평균 보유대수는 6.4대, 전체 715개 열처리 임가공 업체가 보유한 전기로는 약 4,600대로 추정

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열처리 임가공 업체 전력 소비량 중 열처리로가 차지하는 비중은 90%이상이며, 전기로에서 배출되 는 연간 온실가스 배출량은 1,607천tCO₂eq로 추정

 임가공 열처리 공정을 반영한 관리업체 온실가스 배출량 종합 분석

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따라서 열처리 임가공 업체의 전기로에서 배출되는 연간 온실가스 배출량은 1,607천tCO₂eq의 대부 분은 직간접적으로 관리업체와 연관이 있다고 볼 수 있음

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따라서, 본 조사를 통해 열처리로를 자가 운영하는 관리업체에서 발생된 온실가스 배출량과 열처리 전문 임가공업체 열처리로 운영에 의해 발생되는 온실가스 배출량을 합산하여 목표관리제 감축 대 상 열처리 산업의 온실가스 배출량 2,687천tCO₂eq으로 최종 산정함

1) 열처리로 세부정보를 비공개로한 포스코와 현대제철은 제외하고 추정

2) 중소기업연구원, 뿌리산업 발전을 위한 법제정 방안 연구, 2011, 종사자수가 10인 이상인 사업체만 포함

ESCO Issue

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일반 열처리용 전기로와 에너지저감형 진공열처리로의 소비전력량 시험분석 결과, 에너지저감형 진공 로의 소비전력이 약 50%의 에너지 저감효과를 나타냄

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신규 설비로 에너지저감형 진공열처리로를 도입시 투자회수기간은 대당 약 2년으로 예상됨

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관리업체에서 소입, 소둔, 소준, 소려의 일반 열처리와 침탄, 질화, 브레이징 공정에 진공열처리로를 도입한다면, 총 1,080천tCO₂eq의 온실가스 배출량 중 약 75%인 800천tCO₂eq에 대하여 약 400천 tCO₂eq의 온실가스 저감효과를 기대

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열처리 임가공업체에서 소입, 소둔, 소준, 소려의 일반 열처리와 침탄, 질화, 브레이징 공정에 진공열 처리로를 도입한다면, 총 1,607tCO₂eq 의 온실가스 배출량 중 약 86%인 1,300tCO₂eq에 대하여 약 650tCO₂eq의 온실가스 저감효과를 기대

2. 에너지·온실가스 저감기술 타당성 검토

(1) 기술 평가 및 핵심 기술 선정

 본 연구에서는 에너지 저감을 위한 핵심기술을 첫째, 설비(열처리로) 에너지 저감기술과 둘째, 설비 운영 최적 화를 통한 에너지 저감기술로 구분하여 정리함

 열처리 설비는 기존 1세대의 전기로에서 2세대인 진공로로 변화되는 시점이나 국내 열처리 시장의 열악한 환경 으로 인해 진공로 전환이 더딘 실정

(2) 투자 타당성 분석

 기술 평가항목별 평가내용 및 평가기준

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기술성, 경쟁성, 시장성, 전략성 부문별 평가 실시

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에너지절약형 열처리 공정의 핵심기술로 선정된 기술을 바탕으로 현재 개발되어 적용되거나 해외에 적용된 기술 사례를 분석

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기술 도입으로 인한 에너지 저감, 효율 및 생산성 향상 효과 예측

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열처리설비 대체 전후의 에너지 절감효과, 온실가스 감축효과, 운전효율성, 도입 용이성, 생산성 향 상 등에 대한 정량적 효과를 객관적인 데이터를 토대로 분석 및 검증

 대체 가능 공정/설비

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열처리 특성에 따라 일반 열처리(소입/소둔/소준/소려) 및 질화, 침탄, 브레이징 공정은 진공열처리로 설비를 대체할 수 있음

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대체 가능 설비 적용에 따른 대체 효과를 Case 별로 분석

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 Case 1 : 일반 전기로에서 진공열처리로의 대체 효과

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생산 효율 증대 효과

- 열처리 공정을 통한 최대 생산량에 열처리 임가공 단가를 적용하여 산출한 결과 약 20%의 생산 효율 증대 효과가 나타남

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투자회수 기간(ROI)

- 에너지 저감효과만 고려하면 전기요금을 연간 약 2천만 원 절감이 가능 - 설비 투자 차액 4천만 원은 약 2년 이내에 회수가 가능함

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에너지 소비량 분석

- 열처리 공정에서 소비되는 전력량을 기준으로 에너지 저감효과만 반영하면, 진공열처리로 대당 연간 약 51toe의 에너지를 절감할 수 있으며, 대당 약 104tCO₂eq 의 온실가스를 저감할 수 있을 것으로 추정됨

 Case 2 : 가스 질화로에서 진공 질화로의 대체 효과

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- 열처리 시간 20% 단축이 가능

- 가스 질화에서는 가스의 흐름에 의해서 질화가 불균일이 되기 쉬운 경향이 있으나, 진공 질화를 통해 신속하고 완벽한 분위기전환으로 불활성가스를 감축할 수 있음

- 특히, 시료 전면에 걸쳐 균일하게 질화처리가 가능하므로 날카로운 모서리 부분이나 좁고 깊은 드 릴링 등에 적합

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- 에너지 저감효과만 고려하면 전기요금을 연간 약 1천 8백만 원 절감이 가능 - 설비 투자 차액 1억 8천만 원은 약 10년 이내에 회수가 가능함

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- 열처리 공정에서 소비되는 전력량을 기준으로 에너지 저감효과만 반영하면, 진공질화로 대당 연 간 약 46toe의 에너지를 절감할 수 있으며, 대당 약 95tCO₂eq 의 온실가스를 저감할 수 있을 것 으로 추정됨

 Case 3 : 가스 침탄로에서 진공 침탄로의 대체 효과

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- 소입조와 가열실이 분리되어 있으며, 가열실은 상시 고온으로 유지하여 승온시간을 단축할 수 있 음

- 열처리 공정을 통한 최대 생산량에 열처리 임가공 단가를 적용하여 산출한 결과 약 58%의 생산 효율 증대 효과가 나타남

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ESCO Issue

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실제 투자회수 기간은 더욱 단축될 것으로 판단됨

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- 열처리 공정에서 소비되는 전력량을 기준으로 에너지 저감효과만 반영하면, 진공질화로 대당 연 간 약 70toe의 에너지를 절감할 수 있으며, 대당 약 90tCO₂eq 의 온실가스를 저감할 수 있을 것 으로 추정됨

 열처리 기술 로드맵 작성

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전기 열처리로의 기술 개발 현황 및 향후 추진 방향 설정

1세대 2세대 3세대

<기존 방식> <에너지저감 기술 개발> <설비 복합화 및 자동화>

■ 기존 방식 설비의 운용

■ 고숙련 작업인력 투입한 수작업

■ 단순기법, 분위기 열처리

■ 다품종, 소량생산 방식 고수

■ 고속 열처리 가공기술 개발

■ 고효율의 단열재, 냉각장치 개발 및 적용

■ 진공열처리로 보급,확산

■ 초경량화, 초고도화, 단열성 향상 등 고부가가치화

■ 작업환경 및 안전 개선 설비

■ 온도제어기술의 고도화, 시뮬레이션 기술 개발

■ 진공, 플라즈마 열처리등 복합분위기 열처리

■ 초정밀성 및 재현성 구현한 열처리 공정 발전

■ 열처리공정 인라인화를 통한 효율 극대화

■ 자동/무인 로봇 활용한 공정설계 지원 시스템의 개발

■ 환경규제강화로 인한 유해물질 및 온실가스 무배출, 고효율, 에너지저감 형 열처리 설비

■ 특수분야 및 특수부품의 열처리공정 개발

■ 열처리 산업 대형화

Ⅲ. 정책 제언

1. 에너지 효율화 열처리 설비 표준화 지원

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국내 열처리 설비 관련 에너지 효율 표준화 추진

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실무자를 위한 에너지 저감 매뉴얼 작성 및 보급, 확산

2. 열처리 관련 설비 인증 지원 제도

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고효율 설비에 대해 에너지이용합리화자금 제도와 연계 방안 마련

3. 중소기업 금융 지원 제도

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국내 열처리 산업의 경쟁력을 강화, 기술 개발 및 역량 강화를 위해 설비 투자를 위한 자금 지원이 가장 중요

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4. 열처리 기술에 대한 테스트베드 구축 지원 제도

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필요성, 기술 수용성이 높은 기술을 발굴하여 실증분석과 함께 최적의 에너지 효율화 방안을 제시

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열처리 관련 에너지효율가이드를 개발하여 열처리 기술에 대한 보급

5. 기후변화 대응 능력 향상을 위한 탄소배출권 제도와의 연계

① UNFCCC³⁾에서 운영하는 국제적인 인증제도인 CDM ② 에너지관리공단에서 운영하고 있는 KVER

③ 지식경제부 그린크레딧 제도

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위 3가지 방식의 탄소배출권 거래제도 각각에 대해 열처리로의 감축 잠재량의 사업성에 대해서 검토 한 결과, 3개 제도 모두 수익성 측면에서는 효과가 명확한 것으로 나타났음

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특히, CDM 사업은 수익성이 높고 배출권 발급 기간이 19년이며 국내 뿐만 아니라 호주 시장으로의 진출 가능한 이점

6. 향후 연소로의 에너지 효율 평가방법론 개발에 대한 추가 연구

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가스를 에너지원으로 사용하는 열처리로의 온실가스 및 에너지 저감 잠재량이 크며, 효율적인 에너 지 저감을 위해 방법론을 정립하는 것이 필요

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관리업체가 직접 온실가스 및 에너지 저감을 위해서는 리제너레이티브 버너(축열식 버너)를 도입한 열처리 설비기술 도입 필요

7. 열처리 산업의 경쟁력 향상을 위한 중장기 계획 수립

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설비 및 기술의 연구 개발과 이러한 활동을 통한 설비 및 기술 측면의 중장기적인 계획을 수립

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기업 자체적인 연구 및 기술 개발과 선진화된 기술 정보 도입, 기업간 정보교류 등을 통한 기업 자체 적인 중장기 로드맵 구축

8. 해외 열처리 산업계와의 국제 교류 및 네트워크 구축 지원

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해외 열처리 산업계와의 국제 교류회, 국내외 전문가 네트워크 구축 등을 통한 기술 정보 교류 지 원 사업

9. 열처리 관련 기술 개발 및 에너지 효율 향상을 위한 전문 인력 양성

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열처리분야 전문 인력 양성 사업을 실시하고 양성된 전문 인력의 네트워크 구축 및 기술 정보 교류 활동

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관리업체와 영세한 2, 3차 이상 협력업체인 임가공업체간 지원 및 교류를 통해 선진화된 기술 보급

3) United Nations Framework Convention on Climate Change, 기후변화에 관한 기본협약

ESCO Issue

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할 것으로 추측되며, 정부와 기업은 이러한 제도와의 연계를 통해 온실가스 저감 뿐만 아니라 추가적인 수익을 창출하는 등의 국내외 기업 경쟁력을 확보할 수 있게 될 것이다.

하지만 국내 열처리 관련 업체들의 설문조사를 실시하여 연구한 결과, 국내 열처리 산업은 대기업 성향 을 띄는 관리업체를 제외하고는 대부분이 중소기업이거나 소규모 가족형 사업장 형태로 운영되고 있었 으며, 이들 업체들은 재무, 물적, 인적 부분에 있어 매우 취약한 것으로 나타났다. 실제로 영세한 열처 리기업의 경우 1인 기업의 형태로 운영되는 곳도 있었으며 열처리산업에 대해서는 정부 지원정책도 미 흡한 실정이기 때문에 경영에 매우 어려움을 겪고 있다는 응답이 많았다. 또한 열처리산업은 에너지다 소비 업종으로써 에너지가격상승에도 큰 영향을 받게 되며, 이 때 대부분의 영세한 열처리 임가공업 체들과 제조업체들이 큰 타격을 입게 되어 이들을 위한 정부의 지원정책 및 관리방안이 시급한 것으 로 파악되었다.

더욱이 국내 열처리 산업의 경우, 해외 열처리산업과 비교하여 설비 및 기술측면에서 많이 뒤쳐져 있기 때문에 선진화된 열처리 감축기술에 대한 지원 방안이 꼭 필요하다. 특히 중소기업이 많은 부분을 차 지하는 열처리 산업의 국내외 경쟁력 확보와 기술 개발을 위해서는 기술교류 및 네트워크 구축을 통한 정보 및 기술도입이 중요한 시점으로 정부 차원에서 일본, 독일 등 해외 열처리산업의 선진화된 기술을 도입하고 영세한 국내 열처리 산업에 정보제공 및 기술지원을 할 수 있는 해외 열처리 산업계와의 국제 교류회, 국내외 전문가 네트워크 구축 등을 통한 기술정보 교류 지원 사업, 기술인력 양성 등을 활발히 추진할 필요가 있다고 사료된다.

기업 측면에서도 정부의 적극적인 지원정책을 바탕으로 자체적인 연구 및 기술 개발, 선진화된 기술정 보 도입, 기업 간 정보 교류 등 적극적인 자세로 열처리산업 전반에 걸친 기술 로드맵을 구성하여 기술 혁신, 생산성 향상, 전문 제품 개발 및 다양한 측면에서 정부제도 및 정책과의 협업을 구성해 나가는 노 력 또한 매우 필요한 자세라 할 수 있을 것이다.

4) Clean Development Mechanism(청정개발체제), http://cdm.unfccc.int/

5) Korea Voluntary Emission Reduction(온실가스배출감축사업), http://kver.kemco.or.kr

6) 대기업이 협력업체 등 중소기업에 온실가스 감축사업을 지원해 주고 배출권을 확보하는 제도로 지식경제부 및 에너지관리공단에서 관련 사업의

추진을 검토하고 있음