KITECH 생산기술 전문지

본 연구에서는 리튬 금속 음극의 균일한 박막 제조를 위해 전해도금 공정을 적용하고, 전해도금 시 발생하는 리튬 덴드라이트 성장 문제를 해결하기 위한 방안을 연구하였다. 전해도금 공정을 이용한 리튬 음극 제조 시, 리튬이 불균일한 덴드라이트 형태로 성장하여 전극 구조의 밀도가 낮아지고, 이로 인해 충·방전 과정에서 국부적인 전류 집중 및 비균일한 반응이 유발될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 가압 전해도금(pressurized electroplating) 기법을 적용하여 덴드라이트 성장을 억제하고, 균일한 기둥형(columnar) 구조의 고밀도 리튬 전극을 형성하는 방법을 개발하였다. 그 결과, 기존 상용 압연 리튬포일 대비 전극 구조의 균일성이 향상되었으며, 이에 따라 충·방전 과정에서 보다 균일한 전기화학적 반응이 유도되어 안정성이 증가함을 확인하였다. 또한, 연속 제조 공정 적용을 위해 더블 벨트 프레스(double-belt press) 방식을 활용하여, 가압 상태에서 리튬을 연속적으로 전착할 수 있는 장비를 개발하였다. 이를 통해 연속 공정에서도 균일한 리튬 전착층을 형성할 수 있는 기술적 기반을 마련하였다. 본 연구는 가압 전해도금 기법이 리튬 금속 전극의 구조적 균일성과 충·방전 안정성을 확보하는 데 효과적임을 입증함과 동시에, 리튬 금속 음극의 연속 제조 가능성을 확대하는 데 기여할 것으로 기대된다.

가압 전해도금; 리튬 덴드라이트 억제; 리튬 금속 음극; 연속 제조 공정; 더블 벨트 프레스

산업기술의 발전과 변화가 하루가 다르게 고도화되고 급속히 진전됨에 따라 다양한 소재의 성능 임계화가 요구되고 있다. 이러한 요구에 효과적으로 대응하기 위해 신소재의 개발과 아울러 기존 소재 성능 향상을 위한 공정기술의 개발은 필수적이다. 지난 수십 년간 복합소재의 개발이 지속되어온 결과, 획기적인 신소재의 개발에는 어려움이 존재하나, 새로운 제조 공정의 적용을 통한 기존 소재의 성능 향상의 가능성은 비교적 높은 편이다. 두 가지 이상의 이종소재를 결합하는 하이브리드 소재는 단일 소재로는 얻기 힘든 성능을 경제적으로 달성할 수 있다. 이러한 하이브리드 소재의 대표적인 예로는 Cu-Al 합금 전도성 경량 하이브리드 선재를 들 수 있다. Cu합금과 Al합금을 각각 피복재 및 심재로 사용하여, 단일 Cu합금과 Al합금에 비해, 전기전도성, 경량화 및 가격 에서 우수한 장점을 가진다. 선재를 제조하기 위한 소성가공 공정 중의 하나인 정수압 압출은 고압의 유체로 둘러싸인 소재가 유체의 압력이 압출 임계압에 도달했을 때 금형의 형상에 따라 성형되는 방법으로, 금형 내 정수압 상태 및 압력매체를 통한 마찰저감 효과에 의해 압출재의 기계적 특성 향상 및 난성형성 재료의 성형성 해결 등의 장점을 가진다[1]. 이러한 장점들을 가지는 정수압 압출을 통해서 하이브리드 선재를 제조하기 위한 많은 연구가 이루어져 왔다[2-3] 이브리드 소재의 정수압 압출공정을 규명하기 위해, Cu-Al 클래드 봉재 성형에서 유동특성을 예측, 정수압 압출시 접합면 거동에 관한 연구와 하이브리드 소재의 정수압 압출 특성에 관한 연구를 통해 접촉 경계면의 미끄럼 현상을 확인하고, 정수압 압출공정 진행이 양호한 금형반각을 도출한 연구가 수행된 바 있다. 또한 하이브리드 소재의 압출공정에 관해 해석과 실험을 통해 하이브리드 소재의 압출시 피복재 부분에 걸리는 응력 및 피복재 두께에 따른 압출시 결함 발생 가능성 등에 대해 연구된 바 있고[2] 직접 압출공정에서의 압출온도와 압출비 및 다이반각의 공정변수를 변화시켜 압출성[3], 유동상태와 경도 변화에 미치는 영향을 고찰하는 등, 하이브리드 소재의 제조공정 및 특성에 관한 많은 연구가 진행 되고 있다. 본 연구에서는 전도성 경량 하이브리드 소재를 위한 정수압 압출 공정 연구를 수행한다. 정수압 압출 공정 중 피복재와 심재간의 유동응력차이에 의한 변형저항의 차이가 존재한다. 이는 심재와 피복재의 단면적비와 함께 유동속도 차이 및 변형량의 차이를 발생시켜, 하이브리드 소재에 다양한 형태의 결함의 원인이 될 수 있다. 이러한 변형저항차이에 의한 결함을 효과적으로 막기 위한 Cu-Al 빌렛을 설계하고 정수압 압출 실험을 통하여 설계상의 문제점을 확인, 검증 하고자 한다. 또한 압출재의 Cu 두께비율과 밀도 및 도전율을 검토하여 전도성 경량 선재용 중간재로써의 타당성을 확인하였다.

정수압 압출, 클래드, 경량 하이브리드 선재

뿌리산업은 제조업의 근간을 이루는 핵심 기반산업으로 주조, 금형, 소성가공, 용접, 표면처리, 열처리 등 6대 기반산업을 중심으로 발전해 왔다. 그러나 최근 4차 산업혁명과 디지털 전환, 친환경 정책 등으로 인해 산업환경이 급격히 변화하면서 뿌리산업도 새로운 도전에 직면하고 있다. 이러한 변화에 대응하기 위해 정부는 2020년 7월 “뿌리4.0 경쟁력 강화 마스터플랜”을 발표하고, 뿌리산업의 범위를 기존 6개 업종에서 14개 업종으로 확대하는 등 산업 구조 개편을 추진 한 바 있다. 이는 4차 산업혁명 시대의 대응력을 높이고 산업 전반의 경쟁력을 강화하기 위한 조치로, 소재 다원화 및 지능화 공정기술 등을 확보하여 뿌리산업을 미래형 구조로 전환하는 것을 기본방향으로 하고 있다. 그러나 이러한 정책적 노력에도 불구하고, 뿌리산업은 여전히 많은 도전에 직면해 있다. 낮은 영업이익으로 기술혁신을 위한 R&D 투자가 저조하여 국내외 산업환경 변화에 대한 자체 대응력에 한계가 존재하고 설비투자 부족으로 생산설비 노후화, 디지털 전환이 부진하여 생산성이 정체되고, 원자재 가격 상승, 안전·환경 규제 비용 상승 등의 문제도 산업 경쟁력을 약화시키는 요인으로 작용하고 있다. 이러한 상황에서 뿌리산업의 산업전환 수요를 정확히 파악하고, 이에 기반한 효과적인 정책을 수립하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 뿌리산업의 산업전환 수요조사 결과를 분석하고, 이를 통해 뿌리산업의 경쟁력 강화와 지속가능한 발전을 위한 정책 방향을 모색하고자 한다.

뿌리산업; 산업전환; 수요조사; 직무교육; 교육훈련

알루미늄(Aluminium) 및 그 합금은 가볍고 강도가 높으며 동시에 내식성이 우수하여 철강 다음으로 널리 사용되고 있는 금속 소재이다. 자동차의 연비 향상 및 공해 저감을 위해 자동차 경량화 재료로 알루미늄 합금 소재의 활용이 본격적으로 이루어지고 있다 [1]. 알루미늄 합금을 부품으로 제조하기 위하여 용접 공정이 적용되고 있으며 특히 최근 알루미늄 아크 용접 부품화를 위한 많은 연구가 수행되었다. 알루미늄 합금의 아크 용접 특성 및 용접 결함 등에 관한 연구가 수행되었고[2-9], Cold Metal Transfer (CMT) 등과 같은 새로운 Gas metal arc welding (GMAW, 불활성 가스 활용 시 MIG 용접) 공정을 알루미늄 합금을 적용하여 용접 공정 개선 연구가 이루어지고 있다[10-14]. 그리고 알루미늄 합금의 성분과 강화 합금 성분을 통하여 용접부 기계적 특성 향상시켰다[15-16]. 최근에는 전기차의 수요가 크게 증가하고 있으며 특히 핵심 부품인 배터리를 보호하는 케이스에 알루미늄 합금 소재가 적용되고 있다. 알루미늄 합금 소재로 이루어진 배터리 팩 케이스의 외관 셀 프레임의 경우 다양한 아크 용접 기술 중 많은 부분이 MIG 용접 로봇 시스템에 의해 제작된다. 기존 강재 기반의 자동차 아크 용접부품을 제작하는 현장에서 알루미늄 합금의 아크 용접 부품으로 변경됨에 따라 용접에 많은 어려움을 겪고 있다. 이러한 이유는 알루미늄 합금 소재(모재, 와이어)의 관리 상태, 와이어 송급 상태 등 강재 기반의 아크 용접 품보다 작업자가 신경을 써야 하는 관리 항목들이 많아졌기 때문이다. 아크 용접 중 알루미늄 합금의 MIG 용접을 처음 접하는 작업자와 연구자를 위해 주의해야 하는 사항을 소개하였다.

알루미늄 합금, 자동차 부품, 아크 용접, 용접장치, 용접 방법, 용접 결함

본 연구는 펠티에(Peltier) 소자를 활용한 건식 온도제어 시스템을 개발하고, 기존 실리콘 오일 기반 온도 교정 방식의 대체 가능성을 탐색하는 데 목적이 있다. 기존의 액체 항온조 방식은 온도 제어 시간이 길고, 작업자의 안전 문제 및 근골격계 질환을 유발하는 등의 단점이 존재한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 펠티에 소자를 적용한 건식 온도 교정 장치를 설계 및 제작하였다. 펠티에 소자는 전류 조절을 통해 정밀한 냉각 및 가열이 가능하며, 소형화, 친환경성, 무소음 등의 장점을 갖는다. 연구에서는 영하 40도에서 영상 100도까지의 정밀한 온도 제어를 실현하기 위해 PWM(Pulse Width Modulation) 및 PID(Proportional–Integral–Derivative) 제어 방식을 적용하였다. 또한, 냉각 성능을 극대화하기 위해 공냉과 수냉을 결합한 방열 시스템을 설계하여, 펠티에 소자의 발열부 온도를 효과적으로 제어하였다. 실험 결과, 본 시스템은 기존 실리콘 오일 방식보다 온도 응답 속도가 현저히 빠르며, 2분 이내에 영하 40도까지 냉각하고 1분 안에 영상 100도까지 가열할 수 있음을 확인하였다. 또한, 다채널 온도 교정 기능을 추가하여 여러 개의 센서를 동시에 교정할 수 있도록 설계하였으며, 자동화된 저항 측정 기능을 통해 데이터의 신뢰성을 향상시켰다. 본 연구에서 개발한 시스템은 센서 교정뿐만 아니라 반도체 테스트, 의료 및 생명과학, 전자기기 성능 평가 등 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있다. 향후 연구에서는 초저온 및 고온 확장 모델 개발과 다중 센서 모듈 적용을 통해 더욱 정밀하고 지능적인 온도 제어 시스템으로 발전시킬 예정이다.

펠티에 소자, 온도 교정, PID 제어, 방열 시스템, 건식 온도제어

높은 경도, 내마모성의 특성을 갖는 고속도 공구강은 주로 절삭공구나 금형등과 같은 가혹한 마모환경에 사용되기 때문에 상온 마르텐사이트를 확보하기 위한 합금설계 및 공정조건 최적화가 필수적이다. 이때, 냉각속도가 충분히 빠르지 않거나 경화능이 부족한 경우, 내마모성 저하 및 치수 변화를 유발할 수 있는 잔류오스테나이트 강이 발생할 수 있다. 때문에 고속도 공구강의 제품 개발 과정에서는 잔류오스테나이트 분율을 정밀하게 측정하는 것이 필수적이며, 이 중 대표적인 분석기법인 고출력 X선 회절분석기는 복잡한 전처리 없이, 시편 전체의 결정구조 및 상 분석을 할 수 있어, 산업에서 널리 활용된다. 본 연구에서는 고출력 X선 회절분석기를 활용하여 고속도 공구강의 냉각조건 및 위치별 XRD를 측정하고 잔류오스테나이트 분율을 계산하는 원리에 대해 상세히 기술하였다.

잔류오스테나이트, 고속도공구강, 고출력XRD, XRD상분석

분말을 기반으로 하는 다양한 산업(야금, 적층 제조 등)에서 분말의 특성을 정확하게 평가하는 것은 매우 중요하다. 특히, 입자의 크기(Particle size)와 형상(Shape)은 분말의 유동성(flowability), 압축성(compressibility), 분산성(dispersibility) 등에 영향을 미치는 주요 변수이며, 정확한 입도 분석은 분말 공정 및 제품 품질 관리의 핵심 요소 중 하나이다. 이를 위해 다양한 분석 방법이 활용되고 있으며, 대표적으로 체 분석(Sieve analysis), 주사전자현미경 분석(SEM, Static image analysis), 레이저 회절법(Laser Diffraction, LD), 동적 이미지 분석(Dynamic Image Analysis, DIA), 동적 광산란(Dynamic Light Scattering, DLS) 등이 있다. 각 방법은 측정 원리와 특징이 다르므로, 분말 특성에 따라 적절한 분석법을 선택하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 레이저 회절법과 동적 이미지 분석법을 중심으로 두 방법의 측정 원리와 특징을 비교하고, 입도 분석에서의 장단점과 적용 가능성을 논의하였다. 이를 통해 실험 목적에 맞는 적합한 입도 분석법을 선택하는 데 필요한 정보를 제공하고자 하였다.

입자 크기 분포, 레이저 회절법, 동적이미지 분석법, 분말 특성, 입자 형태

선박엔진용 실린더라이너 부품에 대한 글로벌 수요에 대응하기 위해 최근 고신뢰성 소재부품 생산을 위한 혁신형 원심주조 플랫폼에 대한 필요성이 부각 되고있다. 이러한 플랫폼의 주요 기능 중 하나는 원심주조 공정에서 발생하는 신호에 대한 DAQ(Data Acquisition) 시스템을 통한 공정상태 예지로 볼 수 있다. 본 논문에서는 실린더라이너 원심주조 공정조건별 DAQ 시스템을 통해 온도, 진동, 회전수 등의 공정 중 센서 데이터를 획득하였으며, 이 센서 데이터를 이용하여 원심주조 공정 상태를 감시할 수 있는 예측 모델을 개발하였다.

실린더라이너, 원심주조, DAQ, 공정상태예측, AI모델

본 연구에서는 AISI 304 스테인리스강(STS304)을 대상으로 펄스 DC 플라즈마를 이용하여 360–560 ℃의 온도 범위에서 플라즈마 질화 실험을 수행하였으며, 다양한 N₂-H₂가스 혼합비와 공정 시간에 대한 연구를 진행하였다. STS 304 강은 오스테나이트계 스틸로 내식성이 우수하여 의료, 식품, 바이오 등의 산업에 널리 이용되어지고 있다. 하지만, 낮은 경도로 인하여 사용에 제약이 있는 실정이다. 본 연구에서는 STS 304 강의 경도는 향상시키면서 내식성을 유지할 수 있도록 플라즈마 질화를 적용하였다. 플라즈마 질화 과정에서 질소 과포화 상(S-상) 및 CrN 상 형성 경향과 기계적 특성을 연구하고, 비(非)질화 시편과 비교하였다. 결국 고경도, 내식성 유지 및 강도 향상을 위해 STS 304 강에 형성되는 형성상이 기계적 물성 변화에 미치는 영향을 확인하였다. 연구 결과, 질화층 내 형성된 상(phase)에 따라 인장 강도뿐만 아니라 경도 및 압입 시험 결과에도 변화가 나타났다. 플라즈마 질화 후 변형된 AISI 304 강판의 표면을 직접 분석하고, 추가적으로 인장 시험기를 이용하여 기계적 특성을 평가하였다. 특히, S-phase 두께가 0.2 mm 시편 두께의 2.5%일 때, 인장 강도는 모재(100 MPa)와 비교하여 최대 110 MPa까지 증가하는 것을 확인하였다.

오스테나이트 스테인리스강, 플라즈마 질화, S-phase, CrN

계측에 있어서 정확한 측정은 실험 및 품질 관리에서 중요한 요소이며, 이는 제품의 성능과 안전성 평가에 큰 영향을 미친다. 측정장비는 기기 자체적으로 가지는 오차가 있을 수 있고, 장비 노후화에 따른 오차 및 사용자의 부주의로 인한 미세한 데미지 등의 여러 이유로 오차가 발생할 수 있다. 기술지원 업무를 하면서 시험을 진행한 기업들을 보면 시험성적서 데이터의 미세한 수치 차이로 결과값의 반올림 여부에 영향을 미치고, 데이터 결과의 그 “1”과 “2”의 차이로 인해 결과적으로 납품의 지연 및 계약의 파기 등의 경우를 수없이 경험하였다. 따라서 이러한 오차를 줄이기 위한 노력으로 주기적인 교정은 필수이다. 일반적으로 교정성적서는 기준기(표준기)와 측정기(시험기)의 측정값을 비교하여 측정기의 정확도를 평가하는 문서이다. 하지만 교정을 하였다고 해서 측정기기의 오차가 줄어드는 것은 아니다. 오차는 여전히 존재하고 그러한 오차를 줄이기 위해 교정성적서의 데이터를 활용하여 측정결과를 보정하여야 한다. 산업현장에서는 주기적인 교정을 하기에는 운영 예산의 문제 및 열악한 환경 등의 문제로 어려움을 겪는 곳들이 있고, 교정을 하더라도 교정성적서를 증빙용으로 소지만 하고 보정방법 자체를 모르는 경우가 많았다. KOLAS를 운영하고 있는 시험기관이나 운영 경험이 있는 시험소는 주기적인 교정과 데이터 보정을 함으로써 측정의 소급성을 잘 유지하고 있었다. 이 시험기관들이 보정하는 방법은 시판되는 S/W를 구입하여 이용하거나 장비제조사에서 제공하는 S/W를 사용하고 있었다. 본 글에서는 앞서 말한 S/W 없이 보편적으로 사용하고 있는 엑셀을 통해 선형회귀분석(Linear Regression) 기법을 활용하여 교정성적서 상의 기준기와 측정기기의 데이터를 분석하고, 이를 바탕으로 보정식을 도출하여 측정기기의 결과값을 보정하는 방법을 쉽고 간단하게 접근할 수 있도록 제시하고자 한다.

회귀분석, 선형회귀분석, 다항회귀분석, 데이터 보정

본 연구에서는 반도체 공정용 배기배관 피팅부품의 변형 최소화를 위해 ETFE 불소수지를 활용한 패밀리 금형을 설계하고, 유한요소해석을 수행하였다. 기존 PVDF 배기배관의 부식 문제를 해결하고자 ETFE를 적용하였으며, 다양한 게이트 랜드 길이 조건에서 제품의 변형량을 비교 분석하였다. 분석 결과, 변형량이 최소가 되는 게이트 랜드 길이를 도출할 수 있었으며, 이를 통해 성형품의 중량 확보와 품질 향상에 기여할 수 있음을 확인하였다. 향후 시성형 및 기계적 특성 평가를 통해 최적의 공정 조건을 도출할 예정이다.

패밀리 금형(family mold); ETFE 불소수지(ETFE fluoropolymer); 게이트랜드(gate land); 유한요소해석(finite element analysis); 반도체 배기배관 피팅부품(semiconductor exhaust pipe fitting)

PET(polyethylene terephthalate)는 높은 기계적 강도, 가벼운 무게, 우수한 성형성과 투명성 덕분에 액체 포장 용기로 널리 사용된다. PET 용기의 경량화는 원재료 절감뿐만 아니라 제품 운송 과정에서의 에너지 소비 및 탄소 배출 저감 효과를 가져올 수 있다. 그러나 단순히 재료의 사용량을 줄이는 방식의 경량화는 용기의 구조적 강성을 저하시켜 용기의 좌굴 및 과도한 변형을 초래할 수 있어, 용기 경량화에는 구조적 안정성을 고려한 설계가 필수적으로 수반되어야 한다. 이에 본 연구에서는 CAE 해석을 활용하여 대상 제품인 500 ml 사각 PET 용기의 형상을 최적화하고 리브 보강 구조를 적용함으로써 용기의 경량화와 강성을 동시에 고려한 설계를 수행하였다. 이후 복합 리브 구조를 적용하여 용기 무게 변화에 따른 여러 경량 용기 모델의 좌굴 하중 변화를 비교하고, 대상 제품에 가장 효과적인 설계안을 제시하였다.

PET, Blow molding, Lightweight, Geometric optimization, Lib structure