출연硏, 금형장비 핵심기술로 공작산업 해외진출 뒷받침
- 두산인프라코어, 고정밀 와이어컷 방전가공기 시장 본격 공략
- KERI와 협력 개발한 AC 펄스 전원장치 적용 신기종 3개 모델 양산 판매 돌입…수입대체 효과 ‘톡톡’
와이어컷 방전가공기(NW 370)의 외관. NW570 모델의 경우, 제품 가격이 대당 1억2000만원에 육박한다.
한국전기연구원 산업전기연구본부 전기추진연구센터 김종수 박사
와이어컷 방전가공기는 ‘기계를 만드는 기계’인 공작기계의 하나로 거의 모든 금형 산업에 기본이 되는 고가의 핵심 장비 중 하나이다. 일반적인 공작기계들은 공구가 회전 또는 공작물이 회전하거나 때론 둘 다 회전하면서 부품들을 절삭 및 연마하는데 반해, 방전가공기는 전기의 방전현상을 이용해 금속을 가공한다. 구리 등으로 된 0.02~0.33mm의 금속선(와이어)에 전기를 방전시켜 공작물을 절삭·가공하기 때문에 높은 정밀도가 요구되며 방전을 일으키는 전원장치와 이를 제어하는 컴퓨터 수치제어(CNC) 장치 등이 방전가공기의 핵심 기술이다.
국내에서는 그동안 고정밀 제어를 위한 전원장치의 개발이 뒷받침되지 못했으며, 최근 국내 금형 시장의 발달과 고정밀 금형에 대한 시장 요구로 고정밀 와이어컷 방전기의 수요가 급증하고 있어 일본 등 외산장비의 수입이 증가하고 있는 형편이었다. 90년대 중반부터 국내 몇 개의 중소업체에서 일본 장비를 모방하여 방전가공기를 생산하고 있고 있지만 DC 펄스 전원장치 기술을 기반으로 하고 있어 반도체 금형 등과 같이 고정밀, 고정도의 금형을 가공할 수 없는 한계성을 갖고 있었다.
※ 직류(DC) 펄스 전원장치와 교류(AC) 펄스 전원장치
일반적으로 와이어컷 방전가공기 등 정밀 금형 가공기는 방전에 의해 발생하는 열 문제로 인해 물속에서 원재료를 가공을 하게 되는데, 종래의 방전제어 방식인 DC 펄스 전원 방식으로 가공할 경우, 가공 중 물분자(H2O)를 산소와 수소로 분해하게 된다. 이때 발생한 산소가 가공품의 표면을 부식시켜 표면의 거칠기(조도)를 악화시키기 때문에 AC 펄스 전원장치의 개발이 필요하며, 방전 후 잉여 에너지를 태워 없애는 DC 펄스 전원 방식에 비해 에너지를 회수해 재활용하는 AC 펄스 전원장치가 소비 전력 저감 측면에서도 한층 우수하다.
이러한 한계를 극복하기 위해 한국전기연구원(이하 ‘KERI') 김종수 박사팀은 두산인프라코어의 주도하에 지난 2001년부터 국책과제로 두산인프라코어와 공동으로 수출 경쟁력 있는 고정밀 와이어컷 방전가공기 AC 펄스 전원 장치 개발에 나섰다.
KERI와 두산인프라코어는 2003년도에 국내 최초로 무전해(AC펄스) 전원방식의 전원장치 개발에 성공하였으며 이후 두산 인프라코어는 3년간의 연구개발 끝에 고품위 표면조도 가공이 가능한 AC 펄스 전원장치 상품화 개발을 완료하였다. 아울러 두산 인프라코어는 전원장치를 제어하는 컴퓨터 수치제어(CNC)장치를 포함한 정밀급 장비 NW370과 NW570 기계를 개발하여 2009년 출시 첫해 50여대의 판매 기록을 올렸으며 올해 2010 서울국제금형전시회(SIMTOS)에 출품하여 고객들로부터 큰 관심과 호평을 받은 중대형 정밀급 장비 NW800 기계의 대량 생산을 위한 양산 체제에 돌입하였다.
이번에 두산인프라코어가 출시하는 NW800 와이어 방전가공기는 0.1㎛ 단위의 정밀 제어를 실현했으며 가공속도(분당 200mm²)와 표면 거칠기를 나타내는 가공 표면 조도(Ra : 0.3μm 이하) 등에 있어 일본 등 외산업체와 동등 이상 수준을 달성한 반면, 에너지 효율에 있어서는 기존 DC 모델에 비해 약 65%의 전력 소비 절감 효과를 나타내는 등 국내외 시장에서 높은 평가를 받을 수 있을 것으로 기대된다. (*μm(마이크로미터)는 1/1,000,000미터)
현재 국내 전체 금형시장 규모는 연간 약 18%의 꾸준한 성장세를 나타내고 있으며 금형시장의 성장추세와 더불어 금형 기계인 방전가공기의 성장도 예상돼 국내 기계산업의 경쟁력 확보에 파급 효과가 클 것으로 기대된다. 현재 방전가공기는 소딕, 미쓰비시, 아지샤밀, 파낙, 마키노, 세이브 등 6개 업체가 세계시장의 65% 이상을 점유하고 있으며, 업계에서는 오는 2010년 전세계 방전가공기 시장 규모가 5조원 가량이 될 것으로 전망하고 있다.
두산인프라코어측은 KERI와의 협력을 통한 방전가공기 기술 확보로 세계 유수의 업체들과 경쟁할 수 있는 발판을 마련한 것으로 평가하고 있다. 올해의 경우 판매 150대, 매출 100억원 이상으로 약 30%의 국내시장 점유율을 차지하겠다는 목표를 세우고 있으며 내년부터는 우선 중국시장을 시작으로 전 세계 5조원 규모가 될 방전가공기 시장에 본격적으로 진출할 예정이다. 2015년 연간 1,500대의 방전가공기 판매를 목표로, 신기술 개발 등에 더욱 박차를 가한다는 계획이다.
▲와이어컷 방전가공기(Wire-cut Electric Discharge Machining, Wire-cut EDM) : 거의 대부분의 금형 제작 시 와이어컷 방전가공기 공정을 거쳐야만 금형이 제작될 만큼 금형산업에서 없어서는 안되는 기본장비이다.
고정밀 금형 생산기술은 상품 디자인의 기초 기술이자 상품의 가치를 높이는 기술에 해당되기 때문에 제조산업의 발전을 위해 반드시 함께 성장해 나가야 할 기술이다. 현재 산업의 고도화와 소비자의 고품질 선호, 상품의 경쟁 우위 확보를 위한 기업간 경쟁 등으로 고정밀 금형 시장은 날로 확대되고 있는 추세이다.
최근 일반 금형을 주로 담당하던 국내업체들도 고정밀 금형 제품을 수주하기 위해 고정밀 가공이 가능한 선진 외국 제품을 수입하는 업체들이 크게 늘고 있는 실정이다. 국내 와이어컷 방전가공기 생산 업체들도 시장 변화에 대응하기 위하여 고정밀 기계 생산을 위해 노력하고 있지만 아직 선진 제품과는 차이가 많았다. 특히 고정밀 제어를 위한 전원장치 개발이 뒷받침되지 못하고 있는 실정이다.
세계적으로 소딕, 미쓰비시, 아지샤밀, 파낙, 마키노, 세이브 등 6개 업체가 전세계 시장의 65%를 점유하고 있고 생산업체도 20여개에 불과 한 데, 이것은 시장이 크지 않은 것도 있지만, CNC 장치 기술과 방전제어 기술이 복합된 고도의 기술을 요구하기 때문이다.
90년대 중반부터 종래의 방전제어 방식인 DC 펄스 전원 방식에서 AC 펄스 전원 방식(무전해 전원 공급 방식)으로 제어 방식이 바뀌었으며, 최근에는 인터넷을 통한 원격진단 등 CNC 기술부문에서도 사용자에게 더욱 편리한 기능을 제공하고 있다.
▲펄스(Pulse) : ‘펄스’는 아주 짧은 시간만 흐르는 전류로 낙뢰와 같은 충격전류와 비슷하다. 전기에너지를 커패시터라는 전기소자에 담아두었다가 스위치를 사용하여 일순간에 방출시키면 아주 짧은 시간에 큰 힘이 발생하여 일반적으로는 발생하지 않는 파괴적인 현상을 일으킨다. 번개는 대표적인 펄스파워 현상의 하나이다. KERI는 올초 펄스에 의해서 나노분말 제조의 재료인 금속 와이어가 폭발적으로 증발하여 기화하는 현상을 이용, 전기가 통하는 잉크를 제조하거나, 휘어지는 디스플레이(플렉서블 디스플레이) 등의 개발에 적용할 수 있는 금속 나노분말 대량생산 기술을 개발하기도 했다.
▲면조도(Roughness of Surface) : 표면의 거칠기와 매끄러움의 정도를 뜻한다. 대상물의 표면으로부터 임의로 채취한 각 부분에서의 표면 거칠기를 나타내는 파라미터로 산술 평균 거칠기를 뜻하는 단위 Ra로 표기한다.
▲전해작용 : 전기분해 작용을 말하며, 전해질의 수용액 또는 용융 상태에 전류를 통하여 화학 변화를 일으키는 것을 말한다. 전기분해에 의해 물은 산소와 수소로 분리된다.
한국전기연구원 개요
한국전기연구원(KERI)은 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관이다. 1976년 국가공인시험기관으로서 첫 출발한 이후 2017년 기관평가에서 우수 등급을 획득하는 등 최고 수준의 전기전문연구기관이자 과학기술계 대표 정부출연연구기관으로 성장했다. 현재 경남 창원에 소재한 본원 외에 2개의 분원(안산, 의왕)이 있으며, 전체 직원수는 620여명에 달한다. KERI는 실현 가능하면서도 대규모 파급효과가 기대되는 연구과제를 집중 선정하여 국가사회에 기여하는 대형 성과창출을 위해 연구개발에 매진하고 있다. 주요 업무분야는 차세대전력망 및 신재생에너지, 초고압직류송전(HVDC), 전기추진 및 산업응용 기술, 나노신소재 및 배터리, 전기기술 기반 융합형 의료기기, 중전기기 시험인증 등이 있다.
웹사이트: http://www.keri.re.kr
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