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중소기업형 통합기술 용접산업 기술로드맵

글.정리 / 메탈넷코리아(월간 용접저널) 취재부 김가애 기자
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1. 정의
용접·접합은 물체나 재료의 접합 부분을 용융 또는 반용융 상태로 하여 직접 접합 또는 접착하고자 하는 두 물체 사이에 용가재(용접봉)를 첨가하여 간접적으로 접합시키는 기술이다.

2. 범위
용접·접합은 용접, 브레이징, 솔더링, 확산접합, 접착본딩, 기계적 체결을 통칭하나 산업적 적용성을 고려하여 용융용접, 고상용접, 브레이징 및 솔더링 분야로 제한한다.
용접·접합산업은 국가 기간산업인 조선, 자동차, 중공업, 건설, 전기/전자, 반도체 등의 산업에 필요한 기기 및 재료를 공급하기 때문에 이들 기간산업의 국가경쟁력을 좌우하는 생산기반산업이며, 국가기간산업의 핵심기반 기술이다.
용접은 용접공정에 적용되는 에너지원, 접합기구, 접합형태에 따라 분류되며, 산업적으로는 용접열원에 따라 아크용접, 저항용접, 고에너지빔 용접, 솔더링/브레이징 및 마이크로 용접으로 구분된다.
브레이징(brazing)과 솔더링(soldering)은 모재를 거의 용융시키지 않고 용가재(filler metal)를 용융시켜 접합하는 방법으로 용가재의 용융온도가 450℃ 이상인 경우를 브레이징, 그 이하의 경우를 솔더링으로 구분하며 산업현장에서는 브레이징, 솔더링, 확산접합을 통칭하여 ‘접합’이라는 용어를 사용하여 ‘용접’과 구별하는 경향이 있다.
용접·접합산업은 크게 용접·접합용 기기와 재료를 생산하는 용접 기자재산업과 이를 이용하여 제품을 생산하는 용접 시공 산업으로 분류된다.

3. 주요 제품(또는 공정·서비스)
용접·접합 시공 산업은 조선, 자동차, 건설, 전자 등과 같은 용접·접합 공정이 제품의 품질, 생산성, 제조원가에 큰 영향을 미치는 산업이다.
용접시스템은 용접기, 와이어피더, 용접토치, 케리지, 용접건 등의 부품이 있으며, 자동 용접의 경우, 자동화 장치 및 용접모니터링 장치가 있다.
선박, 자동차 등의 부품 및 완제품 신뢰성을 결정하는 핵심기술이며 용접전원 제어기술이 요구되는 아크 용접기, 레이저용접기, 하이브리드 용접기를 포함하여 고상접합인 마찰교반용접기(FSW)/브레이징 용접기 등도 포함한다.



4. 수요분석
자동차, 조선, 플랜트 등 중공업 분야에서는 고강도 경량화를 위한 소재 개발이 요구됨에 따라, 고강도 경량 소재의 용접 등의 이용기술에 대한 검증 및 공정개발관련 기술수요가 증가하고 있다.
전자, 통신 산업의 발전에 따라 패키징(packaging)기술도 고집적화, 미세피치화 및 고성능/고효율화 되고 있으며, 3차원 적층 패키징 기술 등, 마이크로 접합기술 및 접합용 소재(플럭스, 솔더)의 수요가 증가하고 있다.
아크 용접기 분야에서 피복아크용접기와 TIG 용접기, 플라즈마 절단기 등 정전류방식의 기기는 전량 인버터 방식으로 전환되어 가고 있으며, 스패터가 적은 350A급 이하의 인버터형 전류 파형제어 용접기 관련시장이 확대되고 있다.
용접공정의 생산성 향상 및 작업환경 개선을 위하여, 용접자동화시스템 기술개발 및 연구가 세계적으로 주목받고 있고, 지속적으로 성장가능한 시장이다.




2005년도에는 국내 선박 수주량, 건조량이 세계 1위에 오르는 등 조선업계가 활황을 누렸으나 2008년을 정점으로 수주량이 급격히 감소하고 있어 조선업계에서는 용접관련 기술투자가 어렵다.
조선산업의 후발주자인 중국은 정부의 강력한 지원을 배경으로 고속 성장을 견인하고 있고, 대형설비 확장 및 저임금 노동력을 바탕으로 조선 등의 중공업 시장을 급속히 잠식하고 있는 실정이다.
아크 용접기 분야에서 외국산 저가 제품의 국내 침투와 난립된 제조회사로 인해 상당 기간 진통이 예상되며, 이에 따라 제품의 품질이나 신뢰성이 오히려 저하될 가능성이 매우 크다.
용량이 큰 교류 알루미늄 인버터 용접기는 기술적인 측면의 발전은 기대되나 시장 규모가 작다.

5. 환경분석
열악한 용접환경(용접흄(fume), 스패터(spatter), 소음, 아크 빛)으로 인하여 작업자들이 수동 용접을 점점 기피하기 때문에, 용접자동화에 대한 요구가 점진적으로 증가, 이를 위해 각종 센서류가 지속적으로 발달하고 있다.
CO2 배출량 억제 정책 등의 환경규제에 따라 용접공정에서 발생되는 흄 발생이 적은 용접공정 및 용접봉 개발이 필요하다.
2006년 7월 유럽의 유해물질 사용제한 지침(RoHS)이 본격 적용됨에 따라 전자제품 생산 라인과 반도체 패키지 공정 등에서 납을 사용하지 않는 무연솔더 등의 친환경 제품 적용이 본격적으로 추진된다.
용접분야는 흄 등의 발생에 따라 전통적인 3D산업으로 분류되어 정부차원의 체계적인 지원을 받지 못했다.
국내 용접산업은 기술력의 문제뿐만 아니라 전문인력이 부족함. 이는 대부분의 용접설비 회사가 중소기업수준에 머물러 있고, 고급인력 엔지니어들이 용접관련 업종에 대한 기피현상 때문으로 판단된다.

6. 기술분석
차량의 경량화와 안전도 향상을 위하여, 고장력강판과 DP(Dual Phase)강, TRIP(Transformation Induced Plasticity)강 등이 개발되어 적용하고 있다.
고장력강들은 C, Si, Mn 등의 함유량이 일반강에 비해 높아, 용접성이 저하되므로 용접품질관리기술이 매우 중요하다.
정전류방식의 아크 용접기가 전량 인버터 방식으로 전환되어 가고 있으며, 원가절감, 소형경량화, 용접전원제어, 기초설계기술을 확보하여 지금까지 모방 생산수준에서 탈피하여 응용력 있는 기초기술기반 구축이 요구되고 있다.
용접기를 더욱 소형화하기 위해 국내에서도 스위칭 주파수를 100KHz에서 200KHz 이상까지 상승시킬 수 있는 인버터 용접기에 대한 연구가 필요하다.
용접전원의 제어기술은 파형설계, 제어용 SW, 품질관리기술, 신호처리기술, 소재, 부품, 용접 DB 등 다양한 기술들을 기반으로 한다.
용접자동화 및 검사에 필수적으로 필요한 비전센서(vision sensor), 접촉식 센서(tactile sensor) 등도 단기간에 기능이 향상되고 기술발전이 빨리 이루어지는 분야이므로 이에 관한 기술개발이 요구된다.
최근 솔더볼의 재료는 무연화 됨에 따라, 기존의 Sn/Pb 합금에서 대부분 Sn/Ag/Cu 조성으로 전환되었으며, 기존 합금의 용융온도가 183℃인 것에 비하여 무연합금의 용융온도는 약 217℃로 상승, 이에 따른 리플로우 온도프로파일의 변경은 물론 부품의 내열성 문제, PCB 및 플럭스의 변경 등 관련 재료, 공정조건 및 평가기준 등에 대한 연구가 요구된다.
무연 솔더볼은 변색 산화의 문제, 젖음성이 떨어지는 문제, 약한 내충격성, Ag의 함유로 재료비가 높은 문제 등이 개선되어야 한다.
용접전원장치의 고주파에 따른 고주파 인버터 전원의 독자적인 설계기술이 미약하고, 파형 제어 알고리즘 개념의 이해부족 및 고속의 단락검출 및 판별에 의한 알고리즘의 개발이 미진하여 저급, 저생산성의 용접전원장치를 생산하고 있는 실정이다.
미국, 독일 및 일본 등의 선진국에서는 핵심기술의 기술이전을 꺼리기 때문에, 선행 원천기술 미확보로 용접기술 낙후로 기술축적이 어렵다.



7. 산업의 특성
(1) 용접산업은 우리나라 주력 산업인 자동차, 건설, IT산업, 조선 등에 파급효과가 가장 큰 기반산업이다.
한국의 산업별 용접수요는 조선·해양 31%, 자동차 21%, 반도체·전자 부품 16%, 건설 24%, 기타 8%의 비중을 보이고 있다.
(2) 주력산업 제품 품질에 핵심적 역할
용접기기, 용접공정 및 용접용 소재분야가 긴밀히 연결된 산업기술분야로 자동차, 전자, 조선 등의 주력산업분야에서 제품신뢰성을 결정하는 핵심기술이다.
(3) 중소기업 주도형
부품/기기의 용접기술이 개발되는 중소기업 주도형 산업적 특성을 갖고있다.
대기업에서 많은 양의 부품/기기조립공정을 중소기업으로 하청을 주는 방식의 산업구조 때문으로 판단된다.
(4) 융복합기술 분야
전기, 전자, 기계 등 다양한 전문기술과 지식의 융합이 요구되며, 용접소재산업은 자동차 경량화, 전자부품의 고기능화 및 조선 중공업 고효율화에 따라 관련 소재 및 부품발전에 직접적으로 영향을 받는 산업이다.

8. 산업구조
(1) 용접산업이 국가 기간산업인 조선, 자동차, 반도체, 전자 등 국내 주요 제조업에서 차지하는 비중은 40% 이상이다. 국내 제조업의 5%를 차지하고 있는 조선산업에 있어서 선박건조비용의 35%가 용접관련비용으로 선박의 부가가치에 큰 영향을 미친다.
10% 이상을 차지하고 있는 휴대폰 등 첨단 IT 제품에 있어서 브레이징/솔더링 접합관련 비용은 제조단가의 50% 이상을 차지한다.
(2) 용접산업은 주력기간산업의 배후로써 성장과 수출을 주도하는 가치창출형 산업이며, 최근 5년간 평균 15.3%로 성장중인 산업으로 기간내 GDP성장률 12.5%에 비해 높은 성장률을 보인다.
(3) 용접기술의 전방 산업으로는 자동차, 조선/중공업, 전자, 기계 등 국가주력산업이 해당되며, 후방 산업으로는 철강 산업, 비철금속, 자동화 산업 등이 해당, 조강량의 2% 이상의 용접재료가 이용되고 있다.
용접재료 부분의 경우, 현대종합금속, 고려용접봉, 세아에삽 등의 대기업 중심으로 이루고 있으며 용접기 제조업체에 비해 연구인력 및 장비 등의 연구인프라는 잘 갖추어진 형태다.
국내에서 생산되고 있는 총 230여종의 용접재료는 일본의 690여종에 비해 많은 차이가 있고, 국내에서 개발하지 못한 품종은 초내열강, 저온용강 솔더링 재료, 브레이징 필러 등의 고부가가치 제품이다.
용접기 산업의 92% 이상이 20인 미만의 소기업으로 중소기업 중심산업에 해당하며 영세성을 면치 못하고 있어 독자 기술력확보가 매우 시급한 상황이다.

9. 시장현황 및 전망
세계시장은 2007년 240조원에서 연평균 4.8%의 성장률, 국내시장은 조선산업의 불황으로 연평균 3.6%의 성장률을 보이고 있다.
용접분야별 세계 시장구성을 보면, 아크용접이 약 32%, 저항용접이 13%, 가스 및 커팅이 9%, 레이저 등 특수용접이 12%, 초음파용접이 약 5%, 기타 용접주변장치 등이 29%를 차지하고 있다.
국내의 경우, 아크용접기가 약 26%, 자동차산업 발전에 힘입어 저항용접가기 35%, 레이저 등 특수용접이 8%, 기타 브레이징/솔더링이 약 31% 차지하고 있다.

10. 업체동향
일본은 국내 용접기 시장의 약 20배 이상의 생산실적을 보이는데, 이는 마쯔시다, 야스카와, 다이헨, 파나소닉 등은 80년대부터 용접전원 제어기술, 독자적 고주파전원 설계 및 파형제어 기술 등에 꾸준히 투자하여 독자적 모델개발과 전문화된 원천기술을 보유하였기 때문이라고 할 수 있다.



11. 기술동향 분석
용접분야의 대상특허 9,533건 전체에 대한 각 국가의 연도별 출원동향을 살펴보면, 한국을 제외하고는 전체적으로 감소세에 있으며, 일본이 전체의 48%로 가장 활발함. 미국의 경우, 2000년대 초반에는 증가하다가 이후 감소세를 보이며, 한국은 활동이 점점 활발해지고 있다.
해외 삼극특허의 경우, 미국 ILLINOIS TOOL WORK(US), 일본 PANASONIC(JP), 유럽 HITACHI(JP)가 가장 많이 출원한 것으로 나타났다. 국내의 경우, 한국 78%, 외국 22%로 한국이 다수이며, 외국의 경우는 일본, 미국이 대다수다.
대기업은 현대자동차, 중소기업은 웰텍이 활발하며, 대기업에 비해 중소기업이나 연구기관에서의 출원이 적은 것으로 나타났다.
국내 및 해외 대표기술의 대부분 아크, 레이저, 마찰, 저항용접, 용접봉 제조, 보조장치 제조로 나타났다.
- 미국 및 유럽: 아크, 마찰, 레이저용접
- 일본: 아크, 레이저, 마찰, 저항용접, 용접봉 제조



12. 기술개발역량 분석
용접분야의 각 국가의 특허활동지수(Activity Index)는 다음과 같다.
특허의 인용관계(평균 CPP) 및 패밀리 특허정보(평균 PFS)를 이용하여 출원인 국적별 기술성/시장성을 살펴보면, 일본, 오스트리아 및 영국은 우수한 시장성과 높은 특허기술을 보유하며, 미국은 기술성은 높으나 시장확보력은 다소 낮게 나타남. 이탈리아, 캐나다, 프랑스 및 스위스는 높은 시장성에 비해, 특허 수준은 낮았으며, 한국, 대만 및 독일은 시장성과 기술성이 모두 낮게 분석된다.
법적, 상업적, 기술적 관점을 합한 특허수준평가지수를 보면, 대기업은 HITACHI(JP), KOBE STEEL(JP), 현대중공업이며, 중소기업은 세종공업, 윈젠이 평균(4.89) 이상의 특허수준을 나타내 법적권리, 시장성, 기술력 등을 확보한 것으로 나타났다.

13. 시사점 및 제언
용접기의 경우, 중저가 제품은 국내에서 생산되고 있으나 고성능의 고부가가치 제품은 대부분 수입에 의존하고 있는 상황이다.
국내 용접기 제조업체의 95% 이상이 영세한 중소기업이고 기술력 약화가 지속적으로 발생하고 있다.
용접기기 분야의 파형제어 기술개발, 고주파 전원설계, 독자적인 용접공정의 모델 개발 및 용접기 규격화 등으로 중소기업의 기술력 확보 필요하므로, 정책적 차원에서의 체계적인 용접기 및 주변 부품 관련 기술개발에 지속적인 지원이 요구된다.
특히, 레이저 발진기와 같은 고부가가치 용접전원은 전량 수입되고 있어 이에 대한 정부적 차원의 기술개발지원이 필요하다.
용접용 토치 및 와이어 송급장치는 90% 이상이 중소기업에서 제조되고 있으며 기술개발 지원이 이루어지면 제품의 신뢰도/생산성을 급속히 향상가능하다.
자동 및 반자동용 용접에 주로 사용되는 케리지는 조선용으로 주로 개발되어져 왔으나 현재, 다양한 산업분야의 용접에 적용되고 있기 때문에, 기술개발 파급효과가 우수하고 중소기업이 주도적으로 기술개발 할 수 있는 분야다.
패키징용 솔더볼 및 플럭스 제조기술은 기술집약적이고 고부가가치 산업으로 판단되며 개발성공 및 국산화에 따른 파급효과가 매우 큰 분야다.



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