지금까지 서술한 플라즈마 이론 및 기술을 바탕으로 현재 산업용으로 적용 또는 이용되는 사례를 나열하고 각각의 분야별 이용방법과 이용 수준을 살펴보고 끝을 맺을까 한다.
1. 熔射로의 이용
플라즈마 용사법은 이 특수한 고온 체를 가열 원으로 하여, 고열량 동시에 고속의 플라즈마 제트를 이용 한 것이다. 플라즈마 용사 토치는, 전력공급계,원추상 음극(텅스텐), 수냉될 환상양극(동)nozzle, 가스공급계,전극부 절연체, 냉각수 공급계 및 분말 공급계로 구성되어 있다. 출력 수준은 안전성, 조작성, 가반성 및 수냉 한계 등의 제한부터 현재는 80kw가 주류이다. 플라즈마 작동 가스로서 Ar, He,H2, N2등 단원자 및 이원자 가스가 있지만, 보통 Ar-H2, Ar-He, N2-H2등의 혼합가스 혹은 Ar 등 단일가스가 이용된다. 이 동작가스를 플라즈마 토치의 음극과 양극 사이에 발생하는 arc속에 넣고 플라즈마 제트로 하여, 이것에 분말상태 또는 선 상태 용사재료를 공급하여 용융 시키고, 고속도로 기재 표면에 불어 피막을 형성시키는 것이다. 플라즈마 온도는 사용하는 가스에 따라 다르다. 플라즈마 용사의 경우에 필요한 엔탈피는 25000 ~ 38000J/Liter라고 하고, 이에 상당하는 N2 가스의 온도는 약 5800K, Ar가스에서는 약 14000K이다. 이 이유는, N2가스는 해리-전리 과정을 취하기 때문에 높은 에너지를 흡수하는데 비해, Ar가스는 직접 전리하기 때문이다. 그러나, 5800K 제트온도라면 대부분의 용사재료를 용융할수 있기 때문에, N2가스도 Ar가스도 가열가스로서 유효 한 것이다. 실제로, 플라즈마 가스를 선정할 경우는 가열능만이 아니고, 용융재료의 플라즈마 제트중에 체류하는 시간에 관계하는 플라즈마 가스의 속도도 고려되어야만 한다. 플라즈마의 속도는, 가스가 용사토치의 nozzle 중에서 고온으로 가열될 때의 급격한 체적 팽창에 의해 얻을 수 있다. 예를들면, Ar 가스는 300K 부터 10000K로 가열되면, 약 33배의 체적팽창이 일어 난다고 생각되고 있다. N2가스의 온도는 Ar의 1/2이고, N2가스분자의 부분적 해리에 의해, 그 차이는 아무리 줄여도, 입력과 유량이 동일 조건 하에서는, N2 가스의 유속은 Ar 가스의 약 1/2로 간주된다. 반면, Ar가스의 제트 고온역은 N2 가스보다 좁아지고, 용사효율은 저하된다. 플라즈마 제트 퍼짐의 대소는 nozzle형상은 물론, 수냉 nozzle 내벽에 의해 냉각되는 열적 핀치에 의한다. 양호한 피막을 얻기 위한 제 1조건은,용사 입자가 잘 용융하고, 고속화 되는것이다. 플라즈마 제트속을 용사 입자가 고속화 하면, 체류시간이 짧아지고 용융이 불충분해지는 일이 많다. 최적의 조건은 용사재료의 조성, 입도를 고려하여 정해진다. 플라즈마 용사에 이용되는 가스는, 보통 Ar에 25%까지의 H 혹은 He가 가해진 것이다. H2, He 가스는 경 원소이고, 열 전도율이 높으며, 열 전달 계수를 크게 하기 때문에, 에너지 밀도가 높으며, 분말 입자로 이행하는 열을 가열하기 때문에 용융에 효과가 있다. 또, 이들 가스는 플라즈마 제트의 속도도 높게 하는 효과도 있다. 반면, H2, He가스는 플라즈마 제트 중에서 높은 엔탈피를 흡수하기 때문에, 보다 큰 출력이 필요해진다. 또 플라즈마 가스에 N2 혹은 H2를 사용할 경우, 플라즈마 중에서 활성화하고 있기 때문에, 용사 입자 또는 기재 표면과의 반응을 만들고, 질화를 일으키거나, 혹은 안정된 용사 재료를 환원하거나, 수소를 만드는 문제가 있기 때문에 주의가 필요하다. 일례로서, 티탄 부품에 용사할 경우는 기재의 소손을 방지하기 위해, H2 가스의 사용이 금지 되고 있는 사례가 있다. 또 실제 문제로서, 플라즈마 제트의 온도는, 중심 축 상에서 10000K를 넘는 고온이지만, 반경 방향에서는 급격한 온도 경사가 존재한다. 그리고 불활성 가스를 제트에 이용해도, 그 분위기는 약 80%의 공기가 혼입된 상태가 된다. 따라서 용사입자를 모두 용융하고 동시에 무 산화 피막으로 하는 것은 곤란하고, 용사 재료 이입도, 유량 및 공급 방법은 극히 중요한 인자가 된다.
1.1. 용사법의 종류와 특징 용사법은 용사재료를 용융하는 열원,용사재료 및 시공목적에 따라 분류된다. 용사 재료를 대상으로 할 경우는 금속 용사, 아연용사, 알루미늄 용사, 서메트 용사 등이라 불리고, 시공목적을 대상으로 한 경우는 방식 용사, 내 마모용사,내열용사, 용사 성형 등 이라고 불린다. 일반적으로는 학술적, 실용적으로도 이해하기 쉬운 열원을 대상으로 한 분류 방식이 채용된다.
1.2. 용사재료 플라즈마 용사재료의 형상은 주로 분말재료로, 유동성이 좋고, 입경인 50~5um의 범위의 것이 보통이다. 종류는 금속계로서 Al, Cu, Ni, Mo, W, Ta, Ni-Al, Ni-Cr, 하스테로이, 자용합금 등의 금 혹, 합금 및 여러가지 복합 금속 등이 있다. 최근, 내 산화성 합금으로 뛰어난 McrAlX 합금이 있다. 이 합금은 M이 기본합금 원소이고, Ni, Co, Ta, Ti, Ni-Co, Ni-Fe 등이다. 시판되고 있는 것은 Ni, Co, Ni-Co 기가 주이다. Cr, Al은 보호성 산화 피막을 형성하는 원소이다. X는 보호성 산화 피막의 보강 유지 기능을 가짐과 동시에 피막의 밀착성 개선에 기여하는 원소로 Y, HF, Sc, Ce, La등 산소 활성화 원소이다. 특수한 재료로서 60(Al-12 Si)-40 폴리에스텔 복합 분말이 있는데, 항공기 엔진의 상항을위해 345°C 이하의 간격 조정 피막으로 이용되고 있다. 세라믹계는 Al2O3, Al2O3-TiO2, TiO2, ZrO2, ZrO2-Y2O3, ZrO2-CaO, Cr2O3, Al2O3-SiO2등의 산화물부터 WC-Co, CrC-Ni-Cr 등의 탄화물이 주이다. SiN, TiN, SiC등은 분해하기 때문에 단독 조성의 것을 용사하는 것은 곤란하다. 이외에 세라믹스와 금속을 복합 시킨 65(ZrO2MgO)-35(Ni-Al)등 서 메트도 있다. 이 재료는 금속기재와 피막간 열 충격을 완화하기 위해 이용되는 일이 많다. 대기중에서 용사된 피막의 조직 및 결정형은 용사전의 것과 다르다.
1.3. 용사 시공법의 공정 대기중의 플라즈마 용사시공 공정은 1)탈지 2)조면화 처리(보통은 플라스트) 3)예열 4)용사 5)후 처리 이다. 단, 부분적으로 용사피막이 필요 할 때는, 탈지 후 용사가 없는 부분을 보호하는 마스킹 공정이 추가된다.
1.4. 감압 플라즈마 용사 용사 분위기를 감압(1~50Torr)로 한 밀폐 챔버중에 플라즈마 용사 토치를 세트하고, 챔버내의 가스를 진공장치로 배기하면서 용사 하는 것 이다. 이 방법은 근래 주목 받아, 많은 보고가 있는데 이미 실용화 단계에 들어가 있다. 이 방법의 특징은 플라즈마 제트 상태가 대기중과 전혀 다르다는 것이다. 대기중의 플라즈마 제트길이는 겨우 수 cm인데 비해, 감압중(50 Torr)에서는 약 20cm이상으로 신장된다. 감압 중 플라즈마 제트의 유속은 높고, 고온 영역이 길어지기 때문에 용사 입자의 용융이 좋고 동시에 기재로의 충돌속도가 높아진다. 감압에 의한 플라즈마 용사 특징은 다음과 같다. 1) 기공이 거의 없고, 고밀도 피막을 형성할 수 있다. 2) 용사 재료의 용사 전 후 조성 변화가 적다. 3) 활성금속, 탄화물 등 무산화 피막을 형성 할 수 있다. 4) 기재와 밀착 강도가 높다. 5) 얇은 막부터 굉장히 두꺼운 막까지의 피막을 형성할 수 있다. 6) 소재를 고온에 예열 할 수 있기 때문에 전처리는 탈지와 화학적 etching에서 피막 형성이 가능하고, 브라스트를 반드시 필요로 하지 않는다. 7) 챔버 내 온도가 상승하기 때문에 챔버의 냉각,용사 토치의 냉각을 고려해야만 한다. 8) 시공 중, 기재의 온도가 상승하기 때문에, 기재의 냉각이 필요하다. 실용화 되어 있는 부품은, 소재가 내열강인 고온 가스터빈의 연소기 부품 및 Blade가 주이다. 목적은 고온 부식과 열차담(Thermal Barrier Coating,이하 TBC라고 한다)으로 터빈의 열효율 향상에 기여하고 있다. TBC는 UNDER COAT(McrAlX계)를 감압 용사법으로 시행하고, 상층에 세라믹(ZrOyO계)를 대기 용사 법으로 시행하여 시공되고 있다. TBC에 관한 연구보고는 많다. 이 밖에 레이저 용사를 진공 혹은 불활성 분위기에서 시행했던 보고도 있다.
1.5. 불활성 플라즈마 용사 용사 분위기를 불활성가스로 한 챔버안에 플라즈마 토치 혹은 arc식 용사 gun을 세트하여 용사하는것이다. 이 방법의 특징은 굉장히 기공이 적은 피막을 얻을 수 있고, 기재 온도도 보통 용사와 같이 200°C 이하로 제어 할 수 있는 것에 있지만 경제성에 문제가 있다. 불활성 분위기 중에서 활성금속을 용사하면 반응성 피막이 형성된다. 예를들면, 금속 티탄을 질소 분위기에서 용사하고, 질화 티탄의 피막을 형성 할 수 있다. 분위기 용사에서 가장 간단한 방법은 플라즈마 토치의 끝에 실드 노즐을 설치하여 용사하는것으로 피막 기공은 상당히 감소하고 밀착성도 개선된다.
2. 건식 표면 처리
건식 표면처리 기술은 진공 하에서 증착 또는 플라즈마 처리를 통해 소재의 내식성, 내 마모성, 윤활성 및 장식성을 부여하는 공정으로 제품의 성능향상과 더불어 부가가치를 제고 시킬 수 있는 공정으로 최근 활발히 개발.응용되고 있다. 특히 최근 습식 표면처리 공정에서 문제 시 되고 있는 폐수 공해 문제 등을 진공 공정으로 해결할 수 있을 뿐만 아니라 새로운 기능성 피막을 창출 하므로써 새로운 첨단 기술 분야로 각광 받고 있다. 물론 플라즈마 처리도 이에 적극 활용되고 있으며 이는 현재 공구, 금형, 자동차 부품, 전기.전자 부품 및 기타 산업 분야의 내 마모성 및 내식성 향상을 위한 표면처리 기술에 널리 활용되고 있으며, 각 종 고 부가가치의 장식용 코팅에도 상당히 적용되고 있다. 특히 이 산업은 제품 생산을 위한 최종 마감 공정으로 초기 장치 투자비가 크고 전문적인 Know-How성격의 공정 기술이 필요 시 되어 고 기능의 표면처리를 위해서는 전문인력 및 계속적인 연구개발이 요구되는 산업이다. 그러나, 건식 표면 처리기술은 습식 표면 처리 및 열처리 기술을 통해서는 얻을 수 없는 새로운 기능의 경질피막, 내식피막,윤활피막코팅 및 플라즈마 표면 가공을 수행하므로써 제품의 성능향상과 더불어 생산성 향상을 통한 제품 가격 경쟁력 향상에 매우 효과적인 공정으로 각광 받고 있다. 특히 본 기술을 통해 3D업종으로 문제시 되고 있는 습식 표면처리 및 열처리 산업의 상당 부분을 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 있을 뿐 아니라 환경 문제를 해결할 수 있는 대체 기술로서 해외 선진국에서 상당히 부각되고 있다. 건식 표면 처리 기술을 분류하면 유형에 따라 다양하게 분류될 수 있으나, 기능별로 분류하는 경우, 내 마모성.내식.내열.윤활.광학.장식용 등으로 세분되며, 방법별로 분류하는 경우, 증착,이온 플레이팅, CVD,플라즈마 표면처리, 이온주입, 용사코팅 등으로 나눌 수 있다.
2.1. 국내동향 국내 표면처리 산업은 1970년초 진공 증착법을 이용한 AL도금 및 TiN등 장식용 도금을 주축으로 시작되어 소규모 진공장치 제작 회사들이 설립되어 증착 장비의 국산화가 시작되었으며, 1980년대 안경 렌즈용 코팅, 반사경 코팅 등을 위한 장치 제작 및 공정개발이 활발히 진행되게 되었다. 이와 동시에 1980년대 중반부터 국내 산업 발전과 더불어 가공 산업의 급격한 발전으로 고기능 코팅공구 및 금형의 수요가 급증함에 따라 해외로부터 고 기능 내 마모 코팅을 위한 이온 플레이팅 장비가 수입 되었으나, 국내에서는 전문 기술자 및 연구 인력의 부족으로 기술 개발에 많은 애로가 부각되어 건식표면처리는 주로 장식 및 단순 기능성 코팅에 국한 되었다. 그러나 1989년부터 정부로부터 공업기반 기술 개발 연구비 지원으로 B화학금속, C플라즈마, 기계 연구소 등에서 각종 이온 플레이팅 장비 개발과 공정 개발 연구가 최근까지 활발히 진행되어 아크코팅, 스퍼터링 및 HCD 코팅장비 및 고기능 내마모 코팅기술이 개발되어 상당부분 국산화가 이루어 지고 있는 단계에 있다. 이와 동시에 몇몇 중소 기업들이 독일, 일본, 중국등에서 최근 각종 코팅 장비를 수입하여 현재 약 20여개 업체에서 건식코팅 사업을 수행하고 있으나 약 80% 정도가 장식용 코팅에 치중되어 있는 실정이다. 이러한 배경은 수요가 많은 공구 코팅의 경우 대기업의 자동화 가공 라인에 요구되는 코팅 공구는 기능상의 문제로 아직 수입 공구에 치중되어 있으며 수요적인 측면에서 장식용이 주류를 이루고 있을 뿐만 아니라 현재 국내의 고기능 건식 표면 기술의 개발 미흡으로 기능성 코팅 수요를 만족시키지 못하고 있는 결과로 사료된다. 따라서, 주요 건식 표면 처리분야의 주요 선진국인 독일, 일본, 미국에 비해 장치 제작 및 공정기술 개발이 중소기업에 치중되어 있어 투자 및 전문인력 부족으로 취약한 실정에 있으므로 이에 대한 정부 및 대기업의 적극적인 지원이 절실히 요구되고 있다. 특히 건식표면처리 기술은 최근 GR에 따른 공해문제 해결에 있어 주요 공해 산업중의 하나인 습식 표면처리 기술을 대체할 수 있는 가장 우수한 기술일 뿐만 아니라 첨단 산업 발전에 따른 고기능 제품 개발에 필수적인 표면처리 기술로 해외 선진국에서 활발히 연구 개발되고 있는 현황을 고려할 때 국제 경쟁력 제고를 위한 집중적인 지원 및 연구 개발이 요구된다.
2.2. 관련 산업 수급 동향 건식 표면 처리 산업은 국내의 경우 공구,금형 등 제품제조 및 가공용 부품의 내 마모코팅, 각종 부품의 내 마모성,내 식성, 윤활성 등의 향상을 위한 취종 표면처리 및 장식용 표면처리 등이 주류를 이루고 있으며, 장치 제작 및 공정 처리가 거의 25~30개의 영세 중소 기업에 치중되어 있어 생산 규모가 적은 실정이다. 현재 국내에서 생산하고 있는 장치 및 공정처리 업계의 생산액 규모는 공식적인 통계 자료는 없으나 1990년 이후 장치의 경우 매년 약 30~40억원으로 추정되고 코팅 공정의 경우 년간 약 80~100억원 규모로 추정되며 이 중 약 70%가 장식용에 치중되어 있다. 그러나 산업 고도화 및 국제 경쟁력 향상을 위한 고 기능 표면처리기술의 수요가 상당히 증가함에 따라 건식 표면 처리 산업이 급속히 진전 될 것으로 예상된다.
2.3. 국내의 기술 개발 현황 국내의 건식 표면처리 기술의 수준 및 연구 개발은 독일,일본, 미국등에 비해 매우 취약한 실정에 있으며, 연구개발은 1987년부터 생산기반 기술로 지정되어 통산산업부의 공업 기반기술개발, 중소기업 기술개발 지원, 과기처의 특정 연구 개발사업등에 의한 정부 지원으로 기술 개발이 이루어져왔다. 그러나 개발기간, 재원 및 전문연구 인력의 부족으로 선진국 수준의 기술에는 도달하지 못했으며, 경쟁력 향상을 위한 기반 구축에는 많은 진전이 된 상태로서 계속적인 발전이 예상된다.
2.4. 국외 건식 표면처리 산업의 동향 건식 표면 처리 산업에 있어 장치 제작 및 공정 기술은 기술 분야에 따라 다소 차이는 있으나 독일이 가장 오랜 역사와 기술 개발 선진국으로 알려져 있으며, 일본,미국 및 유럽 선진국 등이 거의 동등한 기술 보유국으로 되어 있다. 이들 선진국의 건식 표면 처리 기술 개발은 1950년부터 활발히 시작되어 현재에 이르고 있으며, 최근에는 독일 및 일본이 거의 모든 분야에서 경쟁 우위를 다투고 있는 실정이다. 기술별로 보면 독일의 경우 스퍼터링법, 일본의 경우 HCD법, 스위스의 경우 전자빔 공정등이 비교 우위에 있고 미국은 러시아로부터 아크 방법 특허를 수입하여 상당한 연구 개발을 수행하고 있다. 선진국의 경우 건식 표면 처리 산업은 관련 첨단 산업인 진공 산업 및 플라즈마 기술 기반이 확고히 구축되어 있어 각 국가별로 거의 100% 자국의 기술로 국산화 되어 있는 동시에 대 규모 연구 개발 투자 및 관련 전문 인력 양성으로 기술 개발 속도가 급격히 진전되고 있다. 따라서 각 국가별로 새로운 기능의 표면처리 기술이 개발되어 기계공업,자동차 공업, 전기·전자공업, 우주 항공에 이르는 각종 분야의 기능성 표면 처리에 광 범위하게 적용하고 있으며 산업 규모도 대규모 산업 형태로 전환되어있다. 특히 선진국의 경우 산업 고도화에 따른 고 부가가치의 고 기능 제품 개발에 거의 모든 산업 분야에서 활발한 연구 개발이 진행됨에 따라 건식 표면 처리에 대한 각 산업계의 관심이 상당히 증대되어 기술 개발 속도가 가속화 되고 있다. 이러한 수요와 더불어 최근에는 GR대비를 위한 정책 연구 개발의 일원으로 습식 도금의 공해 문제를 건식 표면 처리 공정으로 대체하기 위해 대형 In-Line도금 장치 개발 및 새로운 고 기능의 코팅 공정 연구가 이루어져 내식 및 장식용 도금 공정을 건식 도금 공정으로 대체하고 있다. 또한 전자 산업의 급속한 발달로 LCD, 센서 등 전자부품의 건식 코팅공정, Plasma 및 Ion Beam등을 이용한 신 기능성 표면처리 기술이 개발되어 금속, 세라믹, 합성수지, 유리 등에의 고 기능 표면 처리 기술 개발이 매우 활성화 되어 있다.
2.5. Plasma Spray Coating 역극성 아크(Non-Transferred Arc)에 의해 불활성 가스로부터 생성되는 플라즈마 흐름에 피막 재료를 투입하고, 순간적으로 용융시켜 완전 용융된 분말 용사재를 고속으로 분말 밀착시켜 피막을 형성 시키는 코팅 방법으로 용사재 로서는 금속, 비 금속, 세라믹(주로 금속 화합물 탄화물)Cermet로 광범위하고 탁월한 내 마모성, 내열성, 내식성, 전기전도 차폐성, 전파 복사성, 육성 및 초경 등의 우수한 피막을 얻을 수 있으며, 용사 시 가공물의 표면온도가 150°C 이내로 제어되기 때문에 모든 모재에도 코팅이 가능하다. * 적용분야 : 반도체 생산 설비 중 절연, 방식 제품, Tray, Pump Sleeve, Mechanical Seal, 적외선 Heater, Piston Plunger, Robot등
2.6. Plazjet Spray Coating 종래의 플라즈마 용사법의 출력을 3배 이상 증가시킨 고 전압, 저 전류 부하의 Extended Arc방식에 의해 경이적인 초고출력(250kw)의 에네르기를 이용하여 극초음속(속도:3000m/sec)에서 최고 경도의 피막(산화크롬:DPH 300 1900)을 형성시키는 코팅 방법을 말한다. 이 방법은 광범위한 용융코팅 에네르기를 Computer Controller에 의한 최적의 plasma jet를 채택함으로써 경도,밀도,표면조도,산화도,변질도 등 모두에 있어서 타 사용법으로는 그 추종이 불가능한 획기적인 최고의 품질을 얻을 수 있으며, Robot등의 정확한 시방 작업에 의해서 난이한 형상의 소재 부품까지도 최고의 품질을 기대할 수 있다. Rocket 연소실로부터 고압(연소압력:13Bar)상태로 토출되는 극 초음속의 JET흐름(속도:2100m/sec이상)의 가열, 가속 에네르기를 이용하여 최대의 충돌 운동 에네르기에 의해 용사재를 연화(SOFTEN)및 가속 시킴으로써 극히 치밀한 고밀도의 피막을 형성 시키는 새로운 용사 방법이다. 용사재로서는 저융점의 금속, 비 금속, 초 경합금,금속 탄화물(WC),금속붕소화합물이 주로 사용되고, 용사재의 비행속도(속도900m/sec이상)가 극히 빠르기 때문에 공기 중에서의 체재 시간이 짧아서 조직의 물성변화(산화, 변질)가 거의 없으며, 조직이 강하고 치밀한 고밀도의 초 경피막(WC:DPH300 1400)을 얻을 수 있다.
* 적용분야: 반도체 생산 설비 중 절연, 방식 제품, Tray, Pump Sleeve,Mechanical Seal, 적외선 Heater, Piston Plunger, Robot등
2.7. HVOF Spray Coating Rocket 연소실로부터 고압(연소압력: 13 Bar)상태로 토출되는 극 초음속의 JET흐름(속도:2100m/sec이상)의 가열, 가속 에네르기를 이용하여 최대의 충돌 운동 에네르기에 의해 용사재를 연화(SOFTEN)및 가속시킴으로써 극히 치밀한 고밀도의 피막을 형성시키는 새로운 용사 방법이다. 용사재로서는 저 융점의 금속,비금속,초경합금,금속탄화물(WC),금속 붕소 화합물이 주로 사용되고,용사재의 비행속도(속도:900m/sec이상)가 극히 빠르기 때문에 공기 중에서의 체재 시간이 짧아서 조직의 물성변화(산화,변질)가 거의 없으며,조직이 강하고 치밀한 고 밀도의 초경피막(WC:DPH300 1400)을 얻을 수 있다.
* 적용분야: 철강공업의 특수 Roll,Mould,Liner,압연 Roll, 플라스틱 공업의 사출/압출 Screw, Mechanical Seal,Plunger,발전기 Turbine Blade 등
2.8. Wire Metallizing 전기 ARC를 열원으로 하여 용사하는 방법으로 피막이 치밀하고 경도가 높아지는 효과를 얻을 수 있다.
* 적용분야: 내 마모성,내 부식성을 위한 스텐레스강 코팅(비용이 극히 저렴), 전기전도, 전자파 차폐 코팅, 자동차 부품 등
3. 직류 열 플라즈마 발생기
3.1. 기존기술의 현황 100kw 미만의 직류 열 플라즈마 발생기는 현재 기계 가공 분야의 용접, 절단등에 널리 사용되고 있으며, 고 부가가치의 소재 공정 분야에서는 크게 플라즈마 용사, 신소재 합성,화학 증착의 영역에서 다양하게 이루어 지고 있다. 이미 산업 현장에서 실용적으로 널리 사용되는 용접 및 절단용 이송식 플라즈마 토치의 경우, 아크 방전이 플라즈마 토치의 전극과 가공 하고자 하는 모재 사이에 형성되는 이송식으로 운전된다. 다른 소재 공정용 플라즈마 토치에 비해 그 구조가 비교적 간단한 특징을 가지고 있으나, 극소 부위의 한정된 가공과 가공면의 고 품질화를 위한 고온 고속의 플라즈마 제트의 특성 향상을 위한 토치의 구조 개선 연구가 지속적으로 수행되고 있으며, 토치 및 가공 시스템 전반에 걸친 특허 출원이 활발히 이루어지고 있다. 특히 전극의 구조와 냉각 방식에 따르는 토치의 성능 향상과 아울러 가공의 신뢰도 향상에 초점을 맞추고 있다. 용접, 절단과 같은 기계가공의 단순 공정에 비해 그 공정상의 부가가치가 높은 플라즈마 용사,신소재 합성,화학 증착 공정 등의 경우, 아크 방전이 플라즈마 토치 전극 내부에서 이루어지는 비 이송식으로 운전되며 전반적으로 아래의 그림과 같다. (그림 1) 플라즈마 공정에 사용되어 온 비 이송식 토치의 기본 모델이라 할 수 있는 플라즈마 용사용 토치는 1950년대부터 산업 현장에서 사용되기 시작한 이후로 꾸준히 토치의 성능 향상을 추구하여 왔으며, 고온 고속의 열 플라즈마 제트를 발생시키기 위해 다음의 그림과 거의 유사하게 원뿔 형태의 막대 음극과 노즐 모양의 양극을 기본적인 형태로 유지해 왔다. (그림 2) 그러나 아크 방전을 이용함에 따른 전극의 손상은 피할 수 없는 기술적 제약으로 공정 상에 많은 문제를 야기 시켜 왔고, 이에 따라 전극의 수명 연장을 위한 노력들이 지속적으로 경주되어 왔다. 특히 양극 노즐의 냉각에 역점을 둔 다양한 전극 수명 향상 연구는 전반적으로 플라즈마 공정 자체의 안전성, 신뢰성, 경제성 향상 측면에서 그 중요성이 매우 높게 인식되어 왔으며, 현재까지 상당수의 연구 논문과 특허 출원이 이루어진 상태이다. 양극 노즐의 냉각을 극대화하려는 대표적인 시도는 냉각 채널의 구성에 있어 냉각 효율을 최대화 하기 위한 냉각수 유로의 높이를 낮추고 냉각수의 유속을 증가시켜 양극 노즐로부터 효율적으로 열을 제거하는 방안이 있다. 최근에는 플라즈마 용사용 토치의 성능 향상 연구에 있어서 용사 공정의 신뢰도를 더 한층 향상시키기 위한 방안으로 아크 방전의 미시적인 요동(Fluctation)을 제어하려는 시도가 주목을 받고 있다. 대부분의 소재 공정용으로 사용되는 비이송식 직류 열플라즈마 토치의 경우는 아크 방전을 통해 양극 노즐 외부로 분출되는 고온 고속의 플라즈마 제트 불꽃을 이용하게 되는데, 토치 내부의 이러한 미시적인 아크 방전의 변화 때문에 플라즈마 제트 불꽃이 시간과 공간적으로 변동하게 되므로 공정의 신뢰도와 균일성을 저하 시키는 요인으로 작용하고 있기 때문이다. 현재까지 알려진 바에 의하면 비이송식 직류 열 플라즈마 토치 내부의 아크 방전은 시간에 따라 지속적으로 아크의 길이와 아크점이 변화하여 요동이 발생되는것으로 알려져 있다. 아크 요동전압은 시간적으로 서서히 증가하다가 급격히 감소하는 형태로 일정한 주파수와 진폭을 가지게 된다. 이러한 아크 전압의 변동은 급격한 플라즈마 토치의 출력 변동을 야기시켜, 토치 외부로 분출되는 플라즈마 제트불꽃을 단속적으로 플라즈마 덩어리 형태로 만들어 시간과 공간적으로 매우 균일하지 못하게 만드는 요인으로 작용하게 된다. 특히 플라즈마 제트 불꽃을 열원으로 이용하는 소재 공정의 경우에 이러한 분사 불꽃의 시간과 공간적인 변동은 공정의 신뢰도에 치명적인 영향을 주며, 공정의 결과 얻어진 코팅 혹은 합성된 분말의 물성도 재현성을 보장 받기 어렵게 된다. 현재 상당수의 열 플라즈마 관련 공정들이 경험에 바탕을 두고 있고, 공정의 자동화가 미흡한 것도 이러한 이유에서 기인 된다고 볼 수 있다. 이러한 아크의 미시적인 요동을 제어하기 위해서 궁극적으로 아크 길이와 양극의 아크점을 고정 시키려는 시도들이 다수 제안 되었으나, 아크 길이의 고정과는 달리 아크 방전에 의해 집속된 열속에 전극표면이 지속적으로 노출되기 때문에, 상대적으로 아크 Shunting이 일어나는 경우에 비해 전극의 침식이 증가하게 된다. 이에 따른 전극의 수명 단축뿐만 아니라 침식되어 나온 전극 물질에 의한 공정제품의 오염도 증가되기 때문에 많은 기술적으로 해결해야 할 문제가 발생하게 된다.
3.2. 열 플라즈마(Thermal Plasma)란? 직류 아크나 고주파 유도결합 방전을 이용하는 플라즈마 토치에서 발생시킨 전자, 이온, 원자와 분자로 구성된 이온화 기체로, 수천에서 수만 °C에 이르는 초고온과 높은 열용량을 가진 고속 제트 불꽃 형태를 띠고 있어서 고체,액체,기체와는 전혀 다른 극한적인 물리화학적 특성을 갖는 제4의 물질의 상태이다. 이러한 초고온, 대열용량, 고속, 다량의 활성입자를 갖는 열플라즈마의 특성을 이용하여 한계에 다다른 재래식 기술에서 얻을 수 없는 다양하고 효율적이며 환경면에서 깨끗한 초고온 열원이나 물리화학 반응로로 여러 산업분야의 첨단 기술 개발에 사용되고 있다. 열플라즈마 기술은 현재 소재 생산 및 공정 분야와 폐기물 처리 환경분야의 두 갈래로 크게 나뉘어 활용되고 있다. 소재 분야에서는 열플라즈마를 이용한 보호 피막 및 고 기능성 표면개질, 신물질 창출, 신소재 생산, 구조물 공작 가공등에 주로 사용되어 플라즈마 용사코팅, 플라즈마 합성, 열플라즈마 화학증착, 제철제련, 재료정량 정성분석, 절단용접 및 표면 강화가 이에 속한다. 환경 분야에서는 플라즈마 토치로 만든 고온고열의 소각용융로를 이용해서 생활 및 유해 산업 폐기물을 열분해 해 문제를 해결하려는 기술 개발이 주류이며 석탄가스화도 환경 개선의 일환으로 진행되고 있다. 이와 같은 신소재 및 환경산업에서 각 분야별로 사용되는 공정시스템, 물리화학 반응로, 소각 용융로가 모두 원천적으로 초 고온 플라즈마 토치를 기반으로 구성되어 있고 각기 적용 분야에 적합한 열원 또는 반응로 로서 최적의 열플라즈마 발생장치를 필요로 하기 때문에 사용 전원의 종류, 출력규모, 전극구조, 아크기체 종류, 사용환경, 열플라즈마 특성요건 등에 따라 효율이 높고 오랜 수명을 가지며 안정적 운전이 가능한 다양한 종류와 규모의 플라즈마 토치에 대한 설계제작 기술 개발이 첨단극한 기술로서 열 플라즈마 기술의 핵심이며 원천 요소 기술로 대두되고 있다. 직류 아크 토치는 보통 50-10,000A 아크전류와 대기압 또는 저압(0.1 기압 내외)의 운전조건에서 1,000-15,000°C와 500-2,000m/s의 제트 불꽃을 발생 시킨다. 전극 모양과 배치에 따라 이송식 또는 비이송식인 막대형 음극 구조의 수 KW~1MW급과 공동형 전극 구조의 수십 KW~50MW급의 토치로 크게 분류할 수 있으며, 소재 공정용은 보통 100KW급 이내, 제철제련 및 소각 용융 용도로는 300KW~수십MW급의 출력이 요구된다. 사용 플라즈마 기체로는 알곤, 헬륨과 같은 불활성 기체나 질소, 수소가 소재 공정에서 보편적으로 많이 쓰이나, 폐기물 처리 및 석탄 가스화 에는 공기, 수증기, 산소, 탄화수소 같은 기체가 주로 사용되고 이에 따른 전극 재료와 구조가 적절히 조합되어야 한다. 또한 원하는 열플라즈마 특성과 형상의 제어된 불꽃으로 안정화 시키는 방법에 따라 전극 모양 배치와 함께 다양한 설계의 토치가 존재하며, 특히 아크 방전에서 일어나는 전극의 침식으로 인한 손상을 최소화 하여 전극 수명을 연장 시키기 위해서 아크점 회전으로 침식의 분산을 꾀하는 자기장 인가 방식 도입, 전극 재료의 선택과 냉각방식 극대화를 반영하는 설계제작 기법 개발 등이 현재의 중요한 기술 개발 목표로 인식 되고 있다. 고주파 토치는 100KHZ~수십 MHZ 범위의 고주파 전원에 임피던스 정합회로를 통해 유도코일을 연결하여 수정관이나 세라믹관 안에 자기유도 방식으로 열 플라즈마를 발생시키는 장치이다. 직류 아크 토치에 비해 상대적으로 낮은 운전전력(150KW 이내)때문에 불꽃은 다소 낮은 온도와 속도를 갖지만 고온 영역의 체적이 40~50배로 커져 온도와 속도의 물매가 완만하여, 반응물이 비교적 오랫동안 고온 플라즈마 환경에 머물러 더욱 효율적인 물리화학 반응을 할 수 있어서, 특히 반응로 로서 널리 활용되고 있으나 직류 토치에 비해 전력 효율이 낮은 단점이 있어 이를 개선 시키는 고주파 토치 설계 제작이 중요 관심사이다. 직류 토치와 고주파 토치를 결합하여 불꽃의 유속이 비교적 빠르고, 온도 물매가 완만하면서 큰 체적을 갖는 열 플라즈마를 생성하여 각 토치의 사용에서 오는 단점을 보완하는 직류 고주파 혼성 토치의 개발이 새롭게 등장하고 있다.
3.3. 기술 개발성 소재 산업 활용에서 열 플라즈마 기술 이용이 가장 활발한 분야는 플라즈마 용사로 고융점 금속이나 세라믹 피막 제조에는 필수적인 코팅 기법으로 내 마모, 내 부식, 내열 및 열 장벽, 초경, 내산화, 절연, 마찰특성, 방열, 생체기능, 내 방사성의 특성을 나타내는 고 기능성 보호 피막의 생산뿐만 아니라 부품의 결함, 파열, 마모, 훼손 부위의 재생, 수리, 공차 조정등에 적용함으로써 경비 절감과 수명연장 효과를 동시에 얻을 수 있어서, 최근에 항공기 가스터빈의 핵심 부품을 비롯한 각종 산업의 기계 부품과 장비의 표면 기능성 강화 보호 피막으로부터 공학 구조 재 성형에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 플라즈마 합성에는 특히 세라믹 초미세 분말을 합성하여 소결 또는 박막제조의 원료 분말이나 큰 계면 활성을 이용한 촉매로서 공급되고 있으며, 열 플라즈마 화학 증착에서 주 대상은 다이아몬드 코팅으로 저렴한 가격으로 공작 기구에 초경 코팅을 하여 반 영구적인 수명을 유지할 수 있고, 실리콘을 대치한 고 부가가치의 반도체 소재 생산에 초 전도체 후막 증착과 함께 사용될 수 있어서 최근에 특히 각광을 받고 있다. 고주파 토치를 이용한 ICP 재료분석 기법은 극미량의 원소를 정성 정량적으로 검출하는 방법으로 이미 오래 전부터 재료 분석 분야에서 널리 쓰이는 열 플라즈마 기술은 용접기나 절단기를 사용하는 일반산업의 장치나 설비의 공작 가공 및 해체는 물론 최근에는 원자로 폐로에 활용하는 연구도 진행되고 있다. 환경산업 활용에 있어서 플라즈마 토치를 사용한 소각로나 용융로에서는 유기 폐기물이나 석탄의 열분해에 의한 연소가스 생산으로 자원 재활용과 저급 연료의 정화를 기 할 수 있고, 무기 폐기물의 용융 유리화를 통해 비 여과성 형태로 획기적인 부피 감량을 할 수 있어서, 환경 문제 해결 측면에서 열 플라즈마 기술이 가장 이상적이며 매력적인 폐기물 처리 방법일 수 밖에 없다. 현 재료는 화학 공장에서 배출되는 유해 액체 폐기물의 열 분해처리 등이 실용화되고 있는 추세이며, 도시 생활 쓰레기는 재래식 소각로에서 처리된 소각재를 2차로 고화 처리하여 부피 감량과 오염원의 확산 방지를 통해 쓰레기 매립의 부담을 최소화 하는 방향으로 활용되고 있으며, 최근에는 방사성 폐기물을 대상으로 소각과 유리화를 통해 감량과 장기적 방사성 안전성을 유지하는 기술 개발이 진행되고 있다. 이와 같은 열플라즈마 기술은 우리나라 산업의 근간을 이루고 있는 재료, 전기전자, 일반기계, 자동차, 항공, 조선,제철 제강, 섬유, 인쇄, 원자력, 전력, 화학, 의료, 환경 산업 분야에 있어서 극한 기술 극복, 신기술 창출, 에너지 이용 효율화, 생산성 향상, 공해 극소화, 경제성 제고에 핵심적인 역할을 할 수 있어서 21세기에 매우 중요한 첨단 기술로 부각 될 수 있다.
3.4. 산업 기반성 및 기술 핵심성 (그림 3)
3.5. 국내 기술동향 및 수준 직류 플라즈마 토치와 유사한 원리로 작동되는 아크 용접기와 절단기는 상당수 국내 산업체에서 제작 판매되고 있으나, 플라즈마 토치는 국내 기업에서 제작된 상용화된 제품이 없고, 연구기관 및 대학에서 플라즈마 용사, 합성, 폐기물처리 기술 개발 과정에서 100KW 이내의 직류 토치를 개발하여 상압 및 저압공정에서 사용하고 있다. 따라서 국내의 40여 산업체 및 10여 대학 및 연구소들은 모두 외국으로부터 주로 용사용 플라즈마 토치 또는 아크 토치를 수입하여 소재 생산 및 공정과 연구 개발 용도로 활용하고 있는 실정이다. 폐기물 처리 또는 금속 야금 용도의 500KW급 직류 토치도 모두 러시아, 미국 등으로부터 지원 또는 구입에 의존하여 공정처리 연구 개발에만 주력하고 있는 실정이다. 고주파 토치는 ICP분석용으로 수 KW급으로 설계 제작된 연구들이 보고되고 있는 정도이다. 이미 국내의 소재산업에 다방면으로 보급되어 산업기반이 확보되어 있고, 더욱 고기능화 된 신소재 생산 및 공정의 수요가 각 종 환경 폐기물처리 요구와 함께 점차로 증대되고 있는 국내 실정에 비추어 열 플라즈마 발생 장치인 각종 플라즈마 토치 설계 제작 기술의 확보로 이들의 국내 공급이 절실히 요청되는 시점에 있다. 국내에서도 플라즈마 토치 개발을 서둘러 기술의 국제 수준화에 따른 수출 시장의 개척과 수입 대체 효과를 증대 시킬 준비를 함과 아울러 다양한 소재 및 환경산업의 응용 기술 개발 기틀을 확고히 할 필요가 있다.
3.6. 기술 수요 및 전망 신소재 생산 및 공정 산업과 폐기물처리 환경산업에서 원천요소 기반 기술로 필요한 초고온 열플라즈마 토치의 사용은 고효율 전기 에너지 이용율, 공해 부산물과 독성 폐기물이 없는 건식 청정기법, 재래식 기술에서 얻을 수 없는 유일한 제품 생산(세라믹 기능성 코팅, 초미세 분말,다이아몬드 합성, 유해 폐기물 유리화 등), 운전제어 용이 및 정비유지비 절감,생산 수율 및 품질 향상으로 인한 비용효과 증대 등의 장점으로 기술 수요가 폭발적으로 확대될 것으로 세계 시장에서는 예측하고 있다. 이미 소재 산업에서는 용사, 신소재 합성, 제철제강, 기계공작 가공 분야에 확고한 자리를 확보하고 있고, 최근 폐기물 처리 산업에서 차세대 수요 기술로 각광을 받고 있는 것이 주지의 사실이다. 특히 인구증가 및 소득 수준 향상에 따른 소비 확대와 산업 발달에 따라 1996년 생활 쓰레기 발생량은 전년대비 4.5%, 산업 및 건축 폐기물은 30.3%로 증가 하였다. 이들 폐기물 중 대부분이 재생 또는 재활용이 불가능하여 매립과 소각에 의존하여 처리되고 있는 실정이다. 그러나 매립에 따른 부지 확보 문제, 입지 선정 과정에서 주민의 저항, 지방자치단체 간의 마찰, 매립장의 침출수 와 중금속 오염 등으로 소각처리율을 높여야 하나, 현재 소각장의 유동상식 및 스토카식 소각로에서는 완전 소각에 따른 감량화, 무해화, 재활용화 가 사실상 불완전하다. 20% 이상의 잔류 소각재 처리는 매립 문제를 여전히 안고 있고, 다이옥신, 퓨란 등 유독 가스 발생은 주민 반발의 사회적 문제를 촉발하고 있다. 이와 더불어 도시하수 처리장과 사업장에서 발생하는 슬러지, 병원 쓰레기, 방사성 및 유해 화학 폐기물 등의 처리는 해가 갈수록 오염 방지와 공익 차원에서 심각한 문제로 대두되고 있다. 따라서 플라즈마 열분해 용융을 통해서 2차 공해물질 배출없이 무공해 청정 연료가스를 생산하여 자가발전 및 지역난방에 이용하고, 용융 고화체는 골재와 slug로 재활용토록하여, 결과적으로 재처리와 부지 확보 비용의 절감과 사회 문제 해결뿐만 아니라 공공 이익 측면에서 크게 기여할 수 있기 때문에 열 플라즈마 기술을 기반으로 한 폐기물 처리 환경 산업의 수요는 다음 세기에 쾌적한 생활 환경 유지로 삶의 질을 높일 수 있어 확대 일로에 놓일 것으로 전망 된다. 1997년도 무역 통계 연보에 의하면 용사 토치 및 부품, 방전 방식 공작 기계,아크 용접기기 등 열 플라즈마 관련 제품의 수입액은 6,400만 달러로 수출액 700만 달러에 비하면 극심한 무역적자를 보이고 있다. 또한 최근 5년간 정부 투자 개발비 91억원으로부터 추정된 열 플라즈마 관련 기술 700 억 여원의 현재 시장 규모는 앞으로 급격하게 증가될 전망이다. 향후 급증하는 소재산업에서의 고급 극한 기술 수요와 사회적으로 환경 오염 정화요구에 부응하는 폐기물 처리 산업이 다른 어떤 산업에 비해 급성장이 예견되며, 앞으로 열플라즈마 관련 기술 개발 투자와 이에 따른 매출은 급격하게 성장할 것으로 예측된다. 따라서 이 기술 개발에 가장 기본이 되는 열 플라즈마 발생 장치의 제작 기술 확보가 급선무이다. 산발적인 소규모 지원에 의해 진행 되어 왔던 플라즈마 토치 설계 제작 기술 개발에 향후 5년간 집중 투자하면, 이미 국내에 상당한 수준으로 확보되어 있는 전원장치, 고온재료, 냉각설비, 자동제어 기술, CAD 설계기법, 플라즈마 해석 및 진단 기법, 장치 제작 산업등을 동원할 수 있어서, 현재 국제 상용 제품 시장에 나와있는 외국 플라즈마 토치들과 대등한 수준의 국제 경쟁력을 갖춘 각종 플라즈마 발생장치가 개발 될 것으로 기대된다.
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