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중소기업형 통합 기술로드맵(열처리산업 로드맵)

본 자료는 중소기업청 기술정책과에서 발표한 ‘중소기업형 통합 기술로드맵’의 일부로, 본지와는 편집방향이 다를 수 있습니다.
1. 정의와 범위
열처리란 가열, 냉각 사이클에 의한 조직 제어를 통해 강도, 내마모성, 내피로성, 정밀도 등의 물성을 결정하는 기술로, 일반적으로 표면경화 열처리(Surface Hardening)와 전체 열처리(Bulk Heat Treatment)를 포함하고 최근 주목되는 표면열처리는 침탄, 질화 등의 표면 경화 기술, 코팅 기술 및 두 기술의 복합화 기술이다.
열처리란 가열, 냉각 사이클에 의한 조직 제어를 통해 물성을 결정하는 기술로 기계, 자동차 부품의 강도, 내마모성, 내피로성뿐만 아니라 성능 및 정밀도를 결정하며 가공 공정의 최종 공정에서 제품의 품질 수준을 최종 결정하는 고부가가치 기반기술이다. (그림 1 참조)
자동차 및 관련 부품 산업의 국제 경쟁력을 결정하는 기반 기술로서, 최근 환경 규제, borderless 무한 경쟁에서 경쟁력 확보위해 절대 기술 혁신이 요구되는 분야로, 환경부합, 자동화, 저 cost화, 자동차 고품질화 및 경량화 등이 복합적인 요구조건을 충족하는 기술로 발전이 요구된다.
자동차, 기계 부품의 사용조건이 가혹해지면서 품질 및 내구성이 요구되면서 표면열처리의 중요성이 주목되어 내구성 및 내피로성 성질을 높일 수 있는 표면경화기술, 코팅기술 및 두 기술의 복합화가 급속히 발전 중이다.



2. 주요 제품(또는 공정·서비스)
일본의 반도체, 플라스틱 사출, 자동차 금형 등의 대형 처리시장이 제품의 경쟁력 및 기술수준이 확보되어 가는 한국의 열처리·표면처리 시장으로 OEM을 늘려가고 있다는 희망적인 시점에 놓여 있다.(그림 2 참조)
열처리는 생산기반산업으로 공정 프로세스 중 가장 마지막 단계와 핵심 부분에 해당하기 때문에 모든 산업, 금속산업에 대한 파급 효과가 막대하다.
또한 기계 가공 후 완제품 이전의 마지막 공정으로서 후처리 공정의 핵심이며,금속재료의 건전성이나 각종 물성 및 수명은 전적으로 열처리 기술에 좌우되며, 부품ㆍ소재의 품질을 최종적으로 결정하는 핵심 생산기반기술이다.
자동차, 조선, 철강 등 수출주도형 산업에 필요한 부품ㆍ소재의 제조 공정 중 최종 품질을 결정한다. 자동차 구동부품의 소음감소, 고성능, 고신뢰성 제품 생산을 위한 열처리, 표면처리 기술 적용된다.(표 1 참조)



3. 수요분석
열처리 산업의 특성상 수요자의 요구에 의해 신기술이 창출되며 새로운 기술이 개발되어도 실용화까지는 장시간이 요구된다. 또한 수요가 있다고 기술, 장비를 개인사업자가 투자하기에는 어려움이 따른다.
일본의 경우, 수요자인 자동차 회사가 열처리 분야의 기술 발전에 직접적으로 관여, 자동차 품질 향상에 적용시켜 세계 최고 품질의 자동차로 인식되고 있는 렉서스 자동차 탄생으로 이어졌다. 선진 기술의 단순모방이 곤란한 고부가가치 기술로서, 공정조건의 역추적이 매우 힘들고 장시간 경험과 교육에 의해 구체화됨. 따라서 기술인력 및 공정 기술이 품질에 영향을 미치므로 고급기술 인력의 확보가 중요하고, 동시에 공정 기술 확보시 부가가치 창출이 가능한 분야다.
다양한 열처리 소재, 공정기술, 기반기술의 부분적 연구 및 개발이 이루어지고 있으나, 열처리 기술의 낙후 및 설비 및 전문인력의 부재로 인하여 상용화 하기에는 많은 어려움이 따른다.

4. 환경분석
자동차 분야에서는 21세기에 발맞추어 고도의 쾌적한 자동차 사회를 위해서는, 차체에 대한 Environment, Efficiency, Energy로 표현되는 3E를 만족시켜야 한다.
엔진의 성능 향상과 더불어 자동차 경량화 기술 개발이 중요시 되고 있으며, 자동차 소형 경량화와 엔진의 급속한 고출력화에 대한 요구가 극심하여 재료를 한 단계 높이는 고강도화가 불가피하게 됐다. 그리고 고온에서 높은 물성을 이끌어 낼 수 있는 침탄질화, 고농도 침탄, 쇼트 피닝과 같은 기술에 대한 관심이 집중되고 있다.
진공침탄 기술개발을 통해 극한 환경에 노출되어 있는 건설기계 및 각종 기계 부품들의 품질 향상 및 경쟁력 확보가 가능하며, 침탄 장비 국산화 및 양산화로 이어지는 경우 국내 열처리 업체의 경쟁력 확보에 큰 역할을 할 것으로 보인다.
열ㆍ표면처리 산업은 조립산업을 기반으로 성장하여 기술의 해외 의존도가 매우 높고, 산발적이고 지엽적인 기술개발로 다른 산업기반기술 분야에 비해 기술기반이 낙후되어 있다.
진공 열처리, 진공침탄 등과 같은 열ㆍ표면처리 기술은 도입 및 성장 단계에 머물러 있음. 또한, 코팅 및 복합 열처리 기술은 시장이 형성되는 단계이며, 관련 장비의 경우, 외형 제작만 가능하여 자체 공정기술이 매우 낮다.

5. 기술분석
신소재, 신제조 기술 및 IT화 등의 첨단 기술과의 접목시, 고기능화 고품질화를 통한 전방수요산업의 경쟁기반 강화 및 고부가가치화가 가능하다.
관련 수요 기업의 고도성장에도 불구하고 기술개발이 거의 이루어지지 않는 이유는 3D 환경에서 연구인력 확보가 어려워 기술개발의 여력이 부족하기 때문이며, 기술개발 결과가 장치 산업화에 이르지 못해 효율적인 기술파급이 곤란함에 따라, 고가장비는 거의 수입에 의존하므로 수출 경쟁력이 낮다.
진공 열처리 기술의 대부분은 일본의 80년대 후반 기술을 복사하여 사용하고 있으며, 국내의 차제기술은 거의 없는 형편이다.(그림 3 참조)



6. 산업의 특성
21세기 첨단 산업에서는 현 소재가 가진 성능의 한계를 초월하는 소재 및 관련 응용 기술이 요구되는 상황이다.
국내 제조업의 국제 경쟁력을 음지에서 지탱하는 산업이 제조업의 경쟁력의 원천이라고도 말하는 생산기반기술이며, 그 중에서도 열처리 기술은 자동차, 가전, 건설기기, 베어링, 공구 등 한국을 대표하는 공업제품의 부품 제조를 비롯하여 금속제품, 수송기, 기계공구, 정밀기계 전기기계 등 대부분의 산업영역에 포함되는 제품의 상당수가 열처리 공정을 거쳐 최종 제품화되고 있으므로, 열처리 기술 산업은 제조업의 기간산업이라고 말할 수 있다.(표 2 참조)
성능의 한계가 급격히 증가하고 있는 부품, 소재 산업 및 향후 산업구조 고도화를 선도해 나갈 산업(자동차, 항공기, 기계, 전자, 정보통신 등)에 긴밀히 연결된 후방 산업으로서 산업 연계상 중요한 위치를 점하고 있다.
완성 제품의 품질뿐만 아니라, 제품 생산의 기반이 되는 기계나 설비의 질에도 직결되어 있는 향후 국내의 기술 경쟁력, 품질경쟁력 등 비가격 경쟁요소의 향상에 핵심적 분야라 할 수 있다.(표 3 참조)



7. 산업구조
열처리 산업은 수요를 정확히 예측하기 어렵고 수요 산업의 정책적 선택에 의해 여러 가지 제약을 받는 요인이 많아, 독자적인 산업성장이 어렵다. 일본의 경우, 석유위기로 인한 기계공업의 성장 둔화에 따라 고도성장이 주춤하였다가, 2003년 이후 불황 탈출의 계기를 제공한 자동차 산업의 최대호황에 의해 2008년까지 지속적인 성장을 이어왔다.
산업의 대부분 임가공 방식의 하청업 형태를 이루고 있으며, 다품종 소량생산 품목에 대해서는 전문 열처리 업체에 외주처리를 행하는 반면, 대량 소품종, 정밀 부품에 대해서는 대기업이 자체 처리하는 경향이 있다.
열처리 전문 업체와 수요 선간에 직접적인 거래가 형성되고 있어 과다 경쟁에 의한 덤핑 사례가 심하고 영세기업이 난립하는 형태를 보이는 것이 열처리 업종의 현실이다.



완성품의 품질 향상에 필요한 열처리 기술과 더불어 공정장비가 개발된다면, 최고 수준의 품질을 얻음과 동시에 그 파급효과는 부가가치 창출로 이어질 것임. 특히, 고급소재를 대체하기 위한 국산 고유 소재를 개발하고 이를 활용함으로 원가절감 및 국제경쟁력 강화, 나아가서 산업구조의 개선이 가능하다. 21C 제조산업의 주요 목표인 자동차 경량화 및 연비 향상 기술, 기계 금형, 공구의 수명 향상, 초내구성·초강도재료개발, 6가 크롬 대체 기술, 무윤활 기술 등 친환경 기술, 전자, 전기용 고품질, 고성능 부품 등의 개발을 위한 열처리 산업의 발전 방향이 될 것이다. (그림 5 참조)



8. 시장현황 및 전망
독일, 프랑스, 북미, 일본이 열처리기술을 주도하고 있고, 최근에 중국이 급부상하고 있으며, 저부가가치 기술은 동남아 등의 개발도상국에 기술이 이전되고 있다.
국내 열처리 시장 규모는 2000년 통계청자료에 의하면 열ㆍ표면처리, 조립금속 금액을 산출한 결과 약 7조4,000억원 정도로 조사되었으나 실제 전업업체의 경우 2004년 약 1조7,000억 원(겸업포함 4조원) 정도로 집계됐다.(표 4, 5 참조)



일본의 열처리 기술은 거의 유럽, 미국으로부터 개발된 기술의 조기 도입, 기술 제휴를 통한 실용화 및 개량화가 이루어져 왔으나, 1990년대 초부터 기술축적에 따른 Toyota diffusion process 등의 독자적인 기술 개발이 가능하다. TD 열처리기술은 세계 1위. 이온질화 분야는 선진국에 비해 다소 떨어지며, 고주파, 침탄 등은 가격ㆍ품질 보증 면에서 선진국 수준이며, 진공열처리 기술은 세계 2위 수준이다.
일본 열처리 시장은 약 2.1조원(겸업포함 약 8조원, 2003년 세계 4위)이며, 전업 열처리 시장 규모는 국내와 비슷하지만, 열처리 업체수가 적어 업체들의 채산성은 높은 편임. 겸업 업체 포함한 액수는 국내의 2배 수준이다.
유럽 및 미국의 선진 기술을 높은 기술료로 수입 후 자체기술로 흡수, 실용화하고 있는 실정이며, 현재는 오히려 기술을 수출하는 단계다.
국내의 산업체는 자동차, 기계산업에서 최하의 벤더업체로서 임가공 전문업체가 대부분임. 즉, 이에 따라 주된 문제는 영세성, 독자 능력 부족, 자체 기술력 보완이 어려운 상태이며, 해외의 선진 열처리 업체의 기술력과 중국의 가격 경쟁력 가운데 처한 위기 상태이다.(표 6 참조)



9. 업체동향
일본은 한국과 유사한 구조로서 대부분 20인 이하의 소규모 업체로 구성되어 있으며, 기술인력 부족으로 신규인력 감소 및 노령화되어 가고 있다. Toyota와 같은 자동차 소재 분야의 대형 기업이 직접 투자를 선도하며, 자동차 부품의 극단적인 소형화, 경량화와 따른 고기능화 다기능화를 위한 신재료의 개발, 레이져 전자빔, 플라즈마를 이용한 열처리 기술의 이용이 증가하는 추세다. 일본의 닛산 자동차는 300~450℃의 저온 질화기술을 통해 질화나 연질화와 같은 기존의 600℃미만의 온도에서 처리할 수 있는 퀜칭에 의하지 않고 경화층을 얻을 수 있는 방법을 유럽을 중심으로 연구가 활발하다.
구동계 치차 부품에서 쇼트피닝에 의한 강화, 고강도재의 채용은 일반화되어 있고, 고체 윤활막을 이용한 면압 피로강도 향상 등 더욱 향상된 기술 개발이 더욱 활발해지고 있다.
우리나라는 업체의 난립으로 일본과 비교하여 시장 규모는 1/3종도(겸업시장포함)이나 임가공 업체수는 약 3배 정도로 낮은 경쟁력을 가진다.
대부분의 국내 열처리 업계의 주요 처리 부품은 자동차 부품이 70%에 달하며, 이후 금형, 기계부품, 전자부품 순으로 나타남. 처리 방법은 침탄 처리가 25%로 가장 높았으며, 고주파, 질화, 소재 열처리, 코팅 순으로 나타났다.
코팅, 고주파와 같은 표면 경화 기술에 대한 수요 급증하고 있으며, 이온질화, 코팅기술, 진공침탄 기술 등 고급 기술에 대한 수요증가하고 있다. 철강 및 기계 관련 분야의 급속한 발전과 더불어 장기적인 경기 침체에 빠져 있는 국내의 경우도, 반도체와 자동차 수출 경기 호조로 열처리 산업의 70% 이상이 자동차 산업과 관련된 일을 하고 있어 타업종에 비해 어려움이 적은 편이다.
PL법, 자동차 10년 보증, 6가 크롬 사용 규제, 높아지는 선진국의 비관세무역 장벽과 값싼 노동력으로 우리의 시장을 넘보고 있는 중국 등 후발 개발도상국의 도전에 이겨내는 위해서는 기존보다 향상된 열처리기술이 요구되고 있다.(표 7 참조)



10. 기술동향 분석
열처리 분야의 대상특허 5,059건 전체에 대한 각 국가의 연도별 출원동향을 살펴보면, 한국 특허를 제외하고는 전체적으로 출원이 감소하고 있으며, 일본 특허가 전체의 49%로 이 분야에서 가장 활발하며, 한국의 경우 2000년대 중반까지 감소하다가 이후 다시 활발해지기 시작했다.
해외 삼극특허의 경우, 미국 JFE STEEL(JP), 일본과 유럽은 NIPPON STEEL(JP)이 가장 많이 출원하였으며, 전반적으로 일본이 강세를 나타냈다.
국내의 경우, 한국 73%, 외국 27%로 한국이 다수이며, 외국의 경우 일본, 미국이 대다수인 것으로 나타났으며, 대기업은 포스코, 중소기업은 에스엠메탈, 한성이 가장 많고, 전체적으로 대기업에 비해 중소기업이나 연구기관에서의 출원이 적은 것으로 나타났다.
국내 대표기술의 대부분은 강판 등 제조물품의 열처리로 나타났고, 중소기업은 풀림, 담금질, 광휘소둔, 연속열처리 등에 관한 기술을 보유하고 있는 것으로 나타났다.
- 미국 및 유럽: 강판 등 제조물품의 열처리
- 일본: 강판 등 제조물품의 열처리, 고주파 담금질로 나타났음(표 8 참조)



11. 기술개발역량 분석
특허활동지수(Activity Index)를 보면, 유럽 LINDE(DE), 일본 NTN(JP), 한국의 경우 현대하이스코, 미국의 GENERAL ELECTRIC(US)이 상대적으로 활발한 특허활동이 이루어지고 있다.
특허의 인용관계(평균 CPP) 및 패밀리 특허정보(평균 PFS)를 이용하여 출원인 국적별 기술성/시장성을 살펴보면, 스웨덴, 프랑스 및 미국은 시장성과 기술성 모두 우수하였으며, 캐나다는 높은 기술성에 비해 시장확보력은 낮게 나타남. 반면, 일본과 독일은 타 국가들보다 시장성과 기술성 모두 뒤처지는 경향으로 나타났고, 한국은 시장확보력은 높게 형성되었으나, 특허 수준은 낮게 나타나 기술성향상이 시급할 것으로 예상된다.(그림 6 참조)
법적, 상업적, 기술적 관점을 합한 특허수준평가지수를 보면, 대기업의 경우 평균(4.89) 이상 나타나는 업체가 많으나, 중소기업의 경우, 평균(4.89) 이상이 거의 없어, 법적 권리, 시장성, 기술력 확보의 필요성이 높다고 분석된다.

12. 시사점 및 제언
국내 열처리 관련산업의 수준은 자동차 산업과 밀착하여 생산기반 기술 중 높은 수진인 G6 수준임. 그러나 대부분의 업체가 영세하고, 기술수준이 낮으며 소규모 설비로 인해 생산 능력 및 품질안정화, 기술 개발, 원가 절감이 곤란한 상태다.

우수한 국제 경쟁력을 갖추고 수출 산업의 총아로 남기 위해서는 기술 개발의 위험도가 비교적 큰 고급 기술개발에 도전할 필요가 있다.
대부분의 완성품 메이커에 비해 열처리 사업체는 가장 최하의 임가공업체로 분류되고 있으며, 일례로 열처리 업체는 자동차 산업에서 1차 부품업체로 존재하는 경우는 거의 없는 3차 또는 4차 부품업체로 분류됨. 이에 따라 그 기술 네트워크 구성이 매우 어려운 실정임. 이를 위해서는 열처리 근접 기술 지원 시스템 개발 및 CAE 통한 열처리 품질 예측 등의 열처리 업체에 기술 및 인력 지원 체제 도입이 절실하다. 21세기 기술 경쟁과 새로운 신기술 도입에 박차를 가해야 하며, 국가에서도 전통산업의 신기술 접목에 의한 국가 기술력 향상에 주안점을 두고 있는 상태로 기존의 기술에 신기술의 접목, 복합 열처리 기술 개발에 주력해야 한다.(표 9 참조)



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