차세대 제조업을 이끄는 용접·접합 기술의 최신 동향 분석

1. 요약

• 현재 '2025년 05월 20일' 기준으로, 차세대 제조업을 이끄는 용접 및 접합 기술에 대한 연구는 그 중요성이 더욱 부각되고 있습니다. 이 리포트는 2024년 7월부터 2025년 4월에 발표된 4편의 연구 논문을 바탕으로, 다양한 제조 기술의 최신 동향을 종합적으로 분석하였습니다. 특히, 소형원자로(SMR) 제작을 위한 전자빔용접의 적용성, 다양한 제조 부품의 결합 공정 현황, 레이저 빔 모듈레이션 기술 동향, 그리고 알루미늄 기반 배터리 케이스 접합 품질 비교에 대해 논의하였습니다.

• 첫째, 전자빔용접의 적용 가능성에 대한 연구에서는, SMR의 높은 안전성과 품질 요건을 충족하기 위해 이 기술이 필수적임을 강조합니다. 기존 아크 용접 방식의 한계를 극복하고자 하는 시도로서, 전자빔용접이 갖는 고에너지 밀도와 진공 환경에서의 청정성을 통해 높은 강도와 인성을 확보할 수 있음을 밝혀냈습니다.

• 둘째, 제조 부품 결합을 위한 다양한 접합 및 조립 공정의 현황을 살펴본 결과, 각기 다른 기술의 장단점이 명확히 드러났습니다. 용접, 브레이징, 납땜 등의 여러 방법론은 각각의 소재와 응용 분야에 따라 적절하게 활용되어야 하며, 특히 레이저 용접은 정밀한 조합이 필요한 곳에 이상적인 선택으로 평가받고 있습니다.

• 셋째, 레이저 빔 모듈레이션 기술은 고반사 재료의 낮은 흡수율 문제를 해결하고 기공 생성을 줄이는 데 기여하며, 이러한 기술적 진보는 제조 공정의 전반적인 품질 향상에 있어서 중요한 역할을 하고 있습니다. 결국 이러한 조사 결과는 과거의 기술적 한계를 극복하고, 앞으로의 제조업 발전 방향에 대해 중요한 통찰력을 제공합니다.

2. 소형원자로 제작을 위한 전자빔용접 적용성 고찰

• 2-1. SMR 제조 개요

• 소형모듈원자로(SMR)는 전력생산 효율성을 최대화하기 위해 소규모 설계로 개발된 원자로이다. SMR의 특성은 일반적으로 상대적으로 작은 무게와 크기를 가짐으로써 다양한 장소에 설치가 가능하다는 점에 있다. 제조의 복잡함과 장비의 고도화로 인해 기존의 아크 용접 방식이 주로 사용되었다. 그러나 SMR 제작 시에는 높은 품질과 안전성을 요구하기 때문에, 전자빔용접이 대안으로 고려되고 있다. 전자빔용접은 고에너지 빔을 이용해 높은 온도에서 정밀하게 용접할 수 있는 기술로, 특히 두꺼운 금속판을 연결하는 데 적합하다. 압력용기의 두께가 150~250 mm에 이를 경우, 기존의 용접 기술로는 품질 보장이 어려운 만큼, 전자빔용접의 적용이 필요하다.

• 2-2. 전자빔용접 원리 및 장점

• 전자빔용접은 전자총에서 방출된 전자가 금속 표면에 충돌하여 열을 발생시키는 원리를 기반으로 하고 있다. 이 과정에서 발생된 열로 인해 금속이 융해되어 두 개의 소재가 결합된다. 전자빔용접의 가장 큰 장점은 고에너지 밀도(10³ ~ 10⁶ W/mm²)를 이용하여 매우 깊은 용입 깊이를 확보할 수 있다는 점이다. 이 때문에 전자빔용접은 단시간 내에 두꺼운 금속판을 용접할 수 있는 효율성을 제공한다. 또한, 전자빔용접은 진공환경에서 진행되므로 산화나 오염이 없으며, 용접부의 청정성을 유지할 수 있는 장점을 갖는다. 이러한 특성은 원자력 산업에서 요구하는 높은 신뢰성과 안전성에 기여할 수 있다.

• 2-3. SMR용 부품 적용성 평가

• 소형원자로의 압력용기 제작에 있어 전자빔용접의 적용성은 다양한 기술적 요인에 영향을 받는다. 예를 들어, 소형원자로의 압력용기는 대략 150~250 mm 두께의 저합금강으로 제작되며, 전자빔용접 기술을 활용하여 강도와 인성을 확보할 수 있다. 실제로 전자빔용접이 적용된 결과, 아크 용접 대비 용접부의 강도와 인성이 크게 향상됨을 확인할 수 있었다. 그러나 이와 함께 전자빔용접 시 필요한 복잡한 장비와 특수한 공정 기술도 병행하여 발전시켜야 하며, 대량생산을 위한 효율적인 공정 개발이 필요함을 지적할 수 있다. 또한, 용접 품질을 확보하기 위해서는 클리닝 및 갭 관리와 같은 세심한 공정 관리가 필수적이다.

• 2-4. 연구 한계 및 향후 과제

• 소형원자로 제작을 위한 전자빔용접 기술은 여전히 발전 중에 있으며, 몇 가지 한계가 존재한다. 첫째, 현재 상용화된 전자빔 용접기는 대량 생산에 적합한 고출력 장비가 부족하다. 150kW 이상의 전자빔용접 장비가 요구되나, 이러한 장비는 상용화되지 않아 연구개발이 필요하다. 둘째, 프로젝트 진행의 효율성을 높이기 위해서는 아킹(as-arcing) 현상이나 전자빔의 안정성 등에 대한 추가적인 연구가 요구된다. 마지막으로, SMR의 기계적 신뢰성을 높이기 위해서는 다양한 환경에서 실시된 추가적인 실험과 분석이 필요하다. 이러한 연구 결과는 향후 SMR 제작 시 전자빔용접 기술의 신뢰성을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.

3. 제조 부품 결합을 위한 주요 접합·조립 공정 현황

• 3-1. 용접·브레이징·납땜·접착·패스팅 프로세스 구분

• 현대 제조업에서는 다양한 접합 및 조립 기술이 사용되는데, 이들은 크게 용접, 브레이징, 납땜, 접착 및 패스팅 프로세스로 구분된다. 용접은 두 개 이상의 금속 부품을 녹여서 결합하는 방법으로, 아크 용접, 레이저 용접, 전자빔 용접 등이 있다. 브레이징과 납땜은 공작물이 녹지 않고 낮은 온도에서 융점이 낮은 금속을 이용해 결합하는 방법이다. 두 기술 모두 모재에 비해 낮은 융점의 금속이 사용되며, 이론적으로는 후자가 더 낮은 온도의 불활성 기체를 이용해 진행된다. 접착은 화학 물질을 사용해 두 표면을 결합하는 방법으로, 서브스트레이트의 물리적 및 화학적 특성에 따라 다양한 소재에 적용될 수 있다. 마지막으로 패스팅 기술은 주로 정확한 위치에 부품을 지정해 고정시키는 데 사용된다.

• 3-2. 아크·레이저·전자빔 용접 비교

• 아크 용접은 전극과 모재 간에 아크를 생성하여 금속을 녹여 결합하는 고전적인 방법으로, 간단하고 경제적이며 대량 생산에 적합하다. 반면 레이저 용접은 높은 집중도의 레이저 빔을 사용하여 매우 정밀한 접합이 가능하고, 열 영향을 최소화할 수 있어서 민감한 부품의 결합에도 적합하다. 전자빔 용접은 전자빔을 이용하여 진공 상태에서 수행되며, 높은 에너지 밀도로 깊은 침투가 가능하므로 두꺼운 소재의 결합에 최적화되어 있다. 이들 각각의 접합 방식은 특정 응용 분야에 따라 장단점이 있으며, 품질과 생산성의 요구 사항에 따라 적절한 프로세스를 선택하는 것이 중요하다.

• 3-3. 브레이징 및 납땜 기법

• 브레이징과 납땜은 주로 비철금속과 열에 민감한 부품을 접합하는 데 유용하다. 브레이징은 높은 온도로 가열한 후, 모세관 현상을 이용해 공정 사이에 융점이 낮은 금속을 주입하여 결합하는 방법이다. 납땜은 더 낮은 온도에서 진행되며, 주로 전자 회로 기판과 같은 정밀한 작업에 사용된다. 최근에는 환경 규제를 고려하여 무연 납땜 기술이 각광받고 있으며, 고온에서의 내구성을 위해 다양한 합금이 개발되고 있다. 이 두 과정은 전문적인 기술적 접근이 필요하므로, 각 기술에 대한 이해와 경험이 요구된다.

• 3-4. 패스팅과 프레스 핏팅 기술

• 패스팅 기술은 정확한 위치에 부품을 고정시키기 위한 방법을 말하며, 주로 기계적 고정 방식이나 부착제를 이용한다. 이는 주로 조립 과정에서 사용되며, 조립 후에는 부품의 변화가 적도록 설계되어야 한다. 프레스 핏팅은 서로 다른 금속 부품을 압력으로 결합하는 방법으로, 재료의 변형 없이 강력한 결합력을 제공한다. 이 과정에서 발생하는 마찰과 압력은 접합 부위에 강한 물리적 결합을 형성하며, 이러한 방식은 다양한 산업에서 널리 이용되고 있다.

4. 레이저 빔 모듈레이션 용접 기술 동향

• 4-1. 시간적·공간적 모듈레이션 구분

• 레이저 빔 모듈레이션 기술은 용접의 품질을 높이고 기공 및 스패터 문제를 감소시키기 위한 중요한 접근법으로, 두 가지 주요 유형인 시간적 모듈레이션과 공간적 모듈레이션으로 구분됩니다. 시간적 모듈레이션 방식은 레이저 빔의 출력을 일정 시간 간격으로 변화시켜가는 방식으로, 이는 주로 펄스 모드에서 진행됩니다. 반면, 공간적 모듈레이션은 레이저 빔이 이동하면서 적용되는 방식으로, 레이저 빔의 진동을 통해 용접 방향의 조절을 가능하게 합니다. 이러한 두 가지 방식은 각기 다른 상황에서 사용되며, 서로 보완적인 역할을 수행합니다.

• 4-2. 고반사 재료 흡수율 극복

• 레이저 용접에서의 주된 도전 과제 중 하나는 고반사 재료의 낮은 흡수율입니다. 예를 들어, 구리와 알루미늄은 레이저의 약 4%만 흡수하는 특성을 가지고 있어, 용접 시 효율적인 에너지 전달이 어렵습니다. 따라서 레이저 빔 모듈레이션 기술이 이렇게 낮은 흡수율 문제를 해결하기 위해 개발되었습니다. 이 과정에서 시간적 모듈레이션을 사용하면 레이저의 펄스가 재료의 흡수율을 조절하여 용융풀을 효과적으로 형성하고, 기공의 생성을 감소시킬 수 있습니다. 실제 연구에서는 Nd:YAG 레이저를 이용한 펄스 변조로 알루미늄 합금에서 더욱 깊은 용입을 확보할 수 있는 결과가 나타났습니다.

• 4-3. 기공·스패터 제어

• 모듈레이션 기술은 기공과 스패터의 형성을 효과적으로 제어하는 데도 기여합니다. 연구에 따르면, 펄스 변조를 통해 녹은 금속이 필연적으로 형성하게 되는 기공을 줄이면서도, 동시에 스패터의 발생을 효과적으로 완화할 수 있는 방법이 개발되었습니다. 예를 들어, Kuo의 연구에서 인코넬 및 스테인리스강의 용접성을 개선하기 위해 펄스 변조를 사용했으며, 이는 기공률을 낮추는 데 매우 효과적이라는 결과를 도출했습니다. 이러한 기공 제어 방식은 전반적인 용접 품질에 긍정적인 영향을 미치며, 제조 공정의 신뢰성을 높이는 데 중요한 역할을 합니다.

• 4-4. 키홀 안정화 효과

• 키홀 안정화는 레이저 용접에서 제공하는 또 다른 이점입니다. 레이저 용접 시 발생하는 키홀의 불안정성은 기공 형성과 밀접하게 관련이 있으며, 시간적 모듈레이션을 적절히 적용함으로써 이 문제를 해결할 수 있습니다. 연구에 따르면, 펄스 형식을 사용하면 키홀의 불안정성을 감소시키고, 기공이 형성되기 전에 키홀이 닫히는 효과로 이어져 기공 발생을 줄이는 데 기여합니다. 이 과정에서 연구자들은 최적의 주파수와 Duty cycle의 결정이 매우 중요하다고 강조하였습니다. 또한, 키홀 안정화는 용접 품질을 높이는데 기여하며, 재료의 기계적 특성을 강화하는 데도 도움을 줍니다.

5. 알루미늄 기반 배터리 케이스 조립 공정별 접합 품질 비교

• 5-1. 조립 공정별 접합 품질 지표

• 알루미늄 기반 배터리 케이스 조립 과정에서 다양한 접합 방법이 사용되며, 각 방법의 접합 품질을 평가하는 데는 여러 지표가 존재한다. 일반적으로 접합 품질은 강도, 내구성, 피로 저항성 및 밀봉 성능 등으로 정의된다. 강도는 접합부가 외부 하중에 견디는 정도를 나타내며, 내구성은 시간에 따른 성능 유지 능력을, 피로 저항성은 반복적인 하중에 견디는 능력을 의미한다. 마지막으로, 밀봉 성능은 접합부가 외부 요소(예: 수분, 먼지 등)로부터 보호하는 능력을 나타낸다. 이러한 지표들은 알루미늄 소재의 물리적, 화학적 성질에 따라 달라질 수 있으며, 각각의 접합 방법에 적합한 평가 기준을 설정하는 것이 중요하다.

• 5-2. 대량생산성 평가

• 대량 생산 환경에서 알루미늄 기반 배터리 케이스의 조립 공정은 생산성이라는 측면에서 평가되어야 한다. 대량 생산의 경우, 각 접합 방식의 시간 효율, 인력 배치, 자동화 가능성 등이 중요하다. 예를 들어, 셀프 피어싱 리벳(SPR) 접합 방법은 기존 저항 점 용접과 비슷한 작업 환경을 요구하기 때문에 적은 시간 내에 대량 생산을 가능하게 한다. 반면, 레이저 용접은 비록 고품질 접합을 제공하지만 초기 설치 비용과 유지 비용이 높아 대량 생산에 적합하지 않을 수 있다. 따라서 각 공정이 가진 고유의 장단점을 분석하여 생산성이 극대화될 수 있는 조합을 찾는 것이 필수적이다.

• 5-3. 공정별 비용 및 효율성

• 접합 공정 선택 시 비용 효율성이 중요한 요소로 작용한다. 각 접합 기술은 초기 투자 비용과 운영 비용이 다르며, 경제적인 관점에서 보면 장기적인 운영 비용과 수익성을 평가해야 한다. 예를 들어 셀프 피어싱 리벳 접합의 경우 초기 비용이 비교적 낮고, 설치 및 유지 관리가 용이하나 리벳 자체의 원가가 비쌀 수 있다. 반면, 레이저 용접은 높은 초기 투자가 필요하지만 최종 접합 품질이 높아 생산량이 많을 경우 단기 비용 효과를 가져올 수 있다. 또한, 각 공정의 활용 가능성과 운영 비용을 종합적으로 고려하여 최적화를 이루는 방안이 필요하다.

• 5-4. 최적 공정 제안

• 알루미늄 기반 배터리 케이스 조립 공정에서 다양한 접합 방법을 비교한 결과, 셀프 피어싱 리벳(SPR) 접합 방식이 전반적으로 높은 강도와 생산성을 보였다. 따라서 이 공정이 최적의 선택이 될 수 있다. 그러나 조립 부품의 특성이나 생산량에 따라 레이저 용접이나 리필 마찰교반 점용접(Refill FSSW) 방식도 효과적일 수 있다. 각각의 공정은 특정 조건에서 최상의 성능을 발휘할 수 있기 때문에, 접합 부위의 요구사항과 제조 환경을 토대로 공정을 조합하는 유연한 접근 방식이 중요하다.

결론

• 4편의 연구를 종합한 결과, 전자빔용접 기술은 소형원자로(SMR) 부품 제작에서 뛰어난 정밀도와 청정성을 제공하는 중요한 솔루션임이 확인되었습니다. 그러나 현재 고비용과 설비 요구라는 과제가 남아 있으며, 이를 해결하기 위한 추가 연구가 필요합니다. 현대 제조업에서는 아크 용접, 레이저 용접, 브레이징, 납땜과 같이 다양한 접합 공정이 공존하고 있습니다. 각 공정은 소재와 제품 특성에 최적화된 선택이 요구되며, 이에 따라 품질과 생산성 모두를 강화하는 접근이 필수적입니다.

• 특히 레이저 빔 모듈레이션 기술은 고반사 금속의 흡수율 개선과 동시에 기공의 발생을 줄이는 효과가 크다는 점에서, 레이저 용접의 활용 가능성을 넓힐 것으로 기대됩니다. 알루미늄 기반 배터리 케이스 조립 공정에 대한 비교 분석에서는, 레이저 용접 및 그와 유사한 고체 접합 방식이 품질과 생산성 모두에서 뛰어난 결과를 보였으며 이는 제조업 혁신의 긍정적인 신호로 해석할 수 있습니다.

• 앞으로의 연구 방향성은 설비 비용 절감, 공정 자동화, 그리고 복합 소재의 적용 가능성을 높여 대량생산 현장에서 효과적으로 이 기술이 확산될 수 있도록 하는 것입니다. 이러한 노력이 이루어진다면, 차세대 제조업에서의 경쟁력을 한층 강화할 수 있을 것으로 예상됩니다.

용어집

• 소형모듈원자로(SMR): 소형모듈원자로(SMR)는 전력 생산 효율성을 극대화하기 위해 작은 크기와 무게로 개발된 원자로입니다. SMR은 다양한 장소에 설치할 수 있으며, 높은 품질과 안전성을 요구하는 제조가 가능하도록 설계되었습니다.

• 전자빔용접: 전자빔용접은 전자총에서 방출된 전자가 금속 표면에 충돌해 열을 발생시키는 원리로, 고에너지 밀도를 통해 높은 온도에서 정밀하게 용접하는 기술입니다. 이는 주로 진공 환경에서 진행되어, 산화나 오염 없이 높은 품질의 용접을 제공합니다.

• 고반사 재료: 고반사 재료는 레이저 용접 시 낮은 흡수율을 가지는 특성을 가진 금속입니다. 예를 들어, 알루미늄과 구리와 같은 소재는 레이저의 흡수율이 낮아 효율적인 용접이 어렵기 때문에, 이를 극복하기 위한 기술적 접근이 필요합니다.

• 레이저 빔 모듈레이션: 레이저 빔 모듈레이션은 레이저 용접의 품질을 향상시키기 위한 기술로, 레이저 빔의 출력이나 위치를 조절하여 용접 과정에서 기공 및 스패터 생성 문제를 줄이는 데 기여합니다. 시간적 및 공간적 모듈레이션 방식으로 나뉘어 있습니다.

• 기공: 기공은 용접 과정에서 생기는 작은 구멍으로, 제작 품질에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 전자빔용접 및 레이저 용접에서 기공의 발생을 제어하는 연구가 진행되고 있습니다.

• 브레이징: 브레이징은 금속의 융점보다 낮은 온도에서 융점이 낮은 금속을 이용하여 두 개 이상의 금속 부품을 결합하는 접합 기술입니다. 일반적으로 고온에서 이루어지며, 기계 부품의 조립에 주로 사용됩니다.

• 납땜: 납땜은 주로 전자 회로 기판을 조립하기 위해 활용하는 기술로, 금속 부품을 낮은 온도에서 융점이 낮은 금속으로 연결하는 방식입니다. 최근에는 환경 규제가 강화됨에 따라 무연 납땜 기술이 주목받고 있습니다.

• 대량생산: 대량생산은 동일한 제품을 대량으로 제조하는 공정을 의미하며, 공정의 효율성, 비용 및 자동화 가능성이 중요한 요소로 작용합니다. 제조업에서는 생산성의 극대화를 위해 여러 가지 접합 공정을 적절히 조합할 필요가 있습니다.

• 키홀 안정화: 키홀 안정화는 레이저 용접 과정에서 발생하는 불안정한 키홀 현상을 줄이는 기술입니다. 이를 통해 용접품의 기공 발생을 감소시켜, 전반적인 용접 품질을 향상 시킵니다.

출처 문서

• Journal of Welding and Joininghttps://www.e-jwj.org/m/journal/view.php?number=2032197
• Joining & Assembly & Fastening Processes, Welding, Brazing, Solderinghttps://www.agstech.net/ko/joining-assembly-fastening-process
• 레이저 빔 모듈레이션 용접기술의 최신 연구동향https://www.e-jwj.org/journal/view.php?viewtype=pubreader&number=2031967
• Journal of Welding and Joininghttps://www.e-jwj.org/m/journal/view.php?number=2032297