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제목 [정밀·마이크로기계 분야 기술로드맵] 고속복합·초정밀·자율지능형 스마트 가공장비가 뜬다
담당자 김유생 담당부서 전시홍보팀
연락처 02-3459-0027 등록일 2018-07-13 14:02:48.187
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자료_ 중소기업 기술 로드맵(http://smroadmap.smtech.go.kr)

 

 

정밀·마이크로기계 분야는 기존 공작기계 분야인 절삭가공 및 성형가공뿐만 아니라 기존 공작기계의 기능을 일체화하고 융합하는 정밀가공 분야가 모두 포함된다. 이 분야는 절삭가공, 초정밀가공, 하이브리드가공, 지능형가공 등으로 구분되는데 ICT기술과 접목되기 시작하면서 미래 유망기술로 관심이 집중되고 있다. 이는 4차 산업혁명이 시대적 화두로 등장함에 따라 전세계적으로 고속복합·초정밀·자율지능형 스마트 가공장비의 수요가 크게 늘어나고 있기 때문이다. 실제로 세계 정밀·마이크로기계 시장은 연평균 6.3%의 성장률을 이어가 2021년에는 1,249억달러대 시장으로 성장해 생산제조기술 분야를 견인할 것으로 예상된다. 여기서는 ‘중소기업 기술로드맵 2018-2020(정밀·마이크로기계 편)의 주요 내용을 요약해 정밀·마이크로기계 분야 시장동향 및 연구개발 트렌드에 대해 살펴본다.

 

 

 

정밀·마이크로기계란 무엇인가?

정밀·마이크로기계는 공작물의 각종 절삭 또는 비절삭 가공방법으로 다양한 형상 및 치수로 가공하는 장비를 뜻한다. 여기에는 선반, 머시닝센터, 드릴링기, 밀링기, 보링기, 연삭기, 기어가공기, 프레스 등의 전통적 의미에서의 공작기계를 비롯해 초소형 공작물 가공, 융복합기계, 시스템 통합, 집적 기술, 나노/마이크로기계시스템 및 관련 부품 등이 모두 포함된다.
결국 정밀·마이크로기계 분야는 기존 공작기계 분야인 절삭가공 및 성형가공을 모두 포함해 기존 공작기계의 기능을 일체화하고 융합하는 한편 비절삭 가공분야로까지 그 영역을 확장시킨 광의의 개념이라 할 수 있다.
정밀·마이크로기계 분야는 정밀생산기계 및 나노/마이크로기계시스템 및 관련 부품 등을 포함하는 분야로 세부적으로 ‘절삭가공 시스템’, ‘초정밀 가공시스템’, ‘하이브리드 가공시스템’, ‘지능형 가공시스템’ 등으로 분류할 수 있다.

 

[표 1] 정밀·마이크로기계 기술의 정의
구분 정의
절삭가공
시스템
가공 공정에서의 효율 및 생산성 증대를 위한 초고속 복합 가공이 가능한 시스템으로 리드타임 및 가공시간 단축, 기존 공구를 활용하면서 가공방법을 변경함으로써 절삭 능력을 향상시키는 기술이 포함
초정밀
가공시스템
대형 및 소형 초정밀 형상의 부품을 가공 및 양산하기 위하여 사용되는 초정밀 장비기술과 공정 및 측정 검사기술
하이브리드
가공시스템
기존의 절삭 및 정밀 가공시스템에 레이저, 초음파, 에너지빔 등의 융합기술을 접목하여 효율을 극대화 하는 분야. 
지능형
가공시스템
공정운영 최적화를 통하여 기존의 정밀도 및 생산 효율 한계를 극복할 수 있는 가공공정·장비 및 시스템과 데이터에 기반을 둔 실시간적 의사결정에 의해 이행되는 제조 운영 환경의 스마트 팩토리 기술


절삭가공 시스템 분야는 가공공정의 효율 및 생산성 증대를 위해 리드타임 및 가공시간 단축, 기존 공구를 사용하면서 가공방법을 변경함으로써 절삭능력을 대폭 향상시키는 초고속 복합 가공이 가능한 가공시스템을 의미한다. 원척킹 가공 및 일체형 가공, 공정집약적 가공을 특징으로 하는 머시닝센터와 터닝센터가 결합한 복합가공기가 여기에 포함된다. 초고속화(100,000rpm급), 복잡 공정에서 단순 공정이 가능한 복합화, 고효율 및 고정밀화된 난삭재 가공 기술과 초대형 선박, 풍력 산업 등 대형/다품종 제품에 대응하고 생산성 향상이 가능한 대형/복합 절삭가공시스템 및 고효율 성형시스템도 여기에 포함된다. 초정밀 가공시스템 분야에는 대면적 미세형상의 초정밀 제품 또는 소형/고정밀 형상의 부품을 가공 및 양산하기 위해 사용되는 초정밀 장비기술과 공정 및 측정·검사기술을 지칭한다. 여기에는 초정밀 금형가공장비, 초정밀 밀링가공 장비, 미세가공장비, 초정밀 비구면 가공기, 초정밀 롤 가공시스템, 초정밀 그루빙 가공기, 초정밀 검사장비 등 초정밀 공정/검사 장비 등이 해당된다. 하이브리드 가공 시스템 분야는 기존 가공시스템에 레이저, 초음파, 에너지빔 등을 융합하여 가공효율을 극대화하고 다품종 소량생산에 따른 수요자 맞춤형 생산 및 최적화하는 가공시스템이다. 여기에는 레이저 보조 가공시스템, 초음파 하이브리드 가공 시스템, 고에너지빔 융합 가공시스템 등이 포함된다.
지능형 가공시스템의 경우 단순 공작기계의 운용 및 제어를 넘어 새로운 요소기술 및 제어기술을 접목하여 가공 공정을 통합 운용 관리함으로써 공정운영 최적화를 통해 기존의 정밀도 및 생산효율의 한계를 극복할 수 있는 분야다.

 

[표 2] 정밀·마이크로기계 기술의 범위
구분 정의
절삭가공
시스템
초고속화(100,000rpm급), 복잡 공정에서 단순 공정이 가능한 복합화, 고효율 및 고정밀화된 난삭재 가공 기술과 초대형 선박, 풍력 산업 등 대형 다품종 제품에 대응하고 생산성 향상이 가능한 대형/복합 절삭가공시스템 및 고효율 성형시스템 포함
초정밀
가공시스템
초정밀 금형가공장비, 초정밀 밀링가공 장비, 미세가공장비, 초정밀 비구면 가공기, 초정밀 롤 가공시스템, 초정밀 그루빙 가공기, 초정밀 검사장비 등 초정밀 공정/검사 장비 등을 포함
하이브리드
가공시스템
레이저 보조 가공시스템, 초음파 하이브리드 가공 시스템 및 고에너지빔 융합 가공시스템 등 포함
지능형
가공시스템
시뮬레이션 기반 디지털 제어 플랫폼 기술과, 다품종 소량생산 대응을 위한 재구성 가능한 유연생산시스템의 형태로 장비, 유연 자동화 주변장치, 운용제어시스템 및 솔루션 등 FMC/FMS 시스템을 포함

 

가공공정·장비 및 시스템과, 데이터에 기반을 둔 실시간적 의사결정에 의해 이행되는 제조 운영 환경의 스마트 팩토리 기술이 대표적이 사례다. 시뮬레이션 기반 디지털 제어 플랫폼 기술, 다품종 소량생산 대응을 위한 재구성 가능한 유연생산시스템 및 유연 자동화 주변장치, 운용제어시스템 및 솔루션 등 FMC/FMS 시스템도 여기에 포함된다.

 

1) SIMTOS 2018 ‘DMG Mori’ 홍보 부스

2) SIMTOS 2018 ‘야마자키마작’ 홍보 부스

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

핵심 플레이어 및 글로벌 기업 동향

 

SIMTOS 2018 ‘트럼프’ 홍보 부스

정밀·마이크로기계 분야는 독일 및 일본기업이 강세를 보이고 있다. 먼저 이 분야의 대표적인 기업으로는 DMG Mori-Seiki를 꼽을 수 있다. 이 회사는 독일계인 DMG와 일본계인 모리세이키(Mori-Seiki)가 합병한 회사로 그 이후 세계 최고수준의 생산제조기술 전문기업으로 부상했다. 이 회사는 규모의 경제를 바탕으로 해외 생산기지화, 시스템 패키화 등을 통해 글로벌 시장 지배력을 확대해 나가고 있다. 수직/수평 하드터닝, 5축 밀링을 한 번의 세팅으로 작업이 가능한 고정도 복합 머시닝센터 등 고신뢰 복합기 기술을 선도하고 있으며, 모듈러 가공시스템 및 초음파/밀링 복합가공기(Ultrasonic 시리즈) 분야에서도 상품화를 진행 중이다. 이송계의 질량중심과 이송중심을 일치시키는 DOG(Driven at the Center of Gravity) 시스템 구조 설계를 전 기종에 도입한데 이어 멀티터릿, BMT 등을 도입한 다기능형 복합기 분야에서도 경쟁력을 강화하고 있다. 야마자키마작(Yamazaki Mazak)은 융복합 장비 개발과 초음파/레이저 등 비절삭 공정을 절연삭 공정에 가미하여 가공 품질과 생산성 향상을 도모해 나가고 있다. 다축화, 멀티헤드화 등의 다기능화(Multi-Function)가 가능한 복합 터닝센서, Mill-Turn Center 등과 같은 밀링과 절삭 계통이 일체화된 복합가공기 등을 중심으로 다양한 시스템을 공급하고 있다.
최근에는 630다면 동시 5축 가공이 가능한 고속 수직형 머시닝센터 등을 개발했다. MAG는 세계 최초로 액화질소를 사용한 극저온 가공시스템(through-spindle 타입)을 출시하며 극저온 가공기술을 선도하고 있다. 난삭재 가공에 적합한 수평형 머시닝센터 SPECHT 시리즈 등 다양한 자사의 머시닝센터 제품군에 극저온 가공시스템 기술 및 최소윤활가공(MQL; Minimun Quantity Lubrication) 기술을 접목시켜 두각을 나타내고 있다.

 

<표 3> 정밀·마이크로기계 분야 글로벌 기업 동향
구분 정밀·마이크로기계
주요 내용 고속복합 가공기계 초정밀 가공기계 자율지능형 가공기계
주요
제품/기술
초고속 가공시스템, 고능률 복합 가공시스템, 다축/다기능 터닝시스템, 대형/다기능 가공시스템, 난삭재 가공공정 및 시스템 초정밀 형상 부품 가공공정 및 시스템, 초미세 레이저가공시스템, 미세 패턴 롤성형 시스템, 대면적 미세형상 성형시스템, 초미세 입자빔 가공시스템, 고정밀 연삭시스템 기술, 플라즈마 응용 가공시스템 다품종 생산 통합운영 솔루션, 재구성/유연 생산시스템, 모듈화/시스템 통합화 및 자율제어, 지능형 기계/생산 서비스 솔루션, 스마트 공정 제어/운용 시스템, 디지털 가공공정 제어플랫폼 및 시스템, CNC 및 구동요소
해외기업 DMG Mori-Seiki, Yamazaki Mazak, 대련공작기계, 심양공작기계 DMG Mori-Seiki, Yamazaki Mazak, MAG, Trumpf DMG Mori-Seiki, Precitech, Moore, Nanotechnology, Kugler, FANUC


독일기업인 트럼프(Trumpf)는 판금 레이저가공기 분야를 선도하는 회사다. 독일뿐만 아니라 EU·대만·미국 등을 생산기지화로 구축하여 글로벌 시장경쟁력을 확보하고 있다.
한편 국내 정밀가공시스템 분야에서는 두산공작기계, 현대위아, 화천기공 등 대기업을 중심으로 터닝센터, 공정집약형 복합가공기, 신소재 가공용 장비 등을 개발하며 해외유수의 글로벌 기업들과 치열한 경쟁을 펼치고 있다.

 

 

지속적인 성장 기대되는 정밀·마이크로기계 분야

세계 정밀·마이크로기계 시장은 2016년 약 919억달러 규모에서 연평균 6.3%의 성장률을 이어가 2021년에는 1,249억달러대 시장으로 성장할 것으로 보인다.
세부적으로 고속·복합 가공시스템 시장의 경우 2015년 약 685억달러에서 2020년에는 약 960억달러로 연평균 약 7%의 성장률을 나타낼 것으로 보인다. 초정밀 및 하이브리드 가공 시스템 시장은 2015년 약 256억달러에서 2020년에는 약 495억달러로 늘어나 연평균 약 13%의 성장률을 유지할 것으로 예상된다. 자율지능형 가공시스템 시장은 2015년 약 82억달러에서 2020년에는 약 119억달러로 연평균 약 8%의 성장률을 유지할 것으로 예상된다.

 

<표 4> 세계 정밀·마이크로기계 시장규모 및 전망
(단위 : 백만달러)
구분 2016 2017 2018 2019 2020 2021 연평균
성장률
정밀가공 시스템 91,933 97,752 103,940 110,520 117,480 124,881 6.30%
마이크로/나노생산 시스템 78,000 91,200 94,300 101,200 109,100 119,901 9.90%
합계 169,933 188,952 198,240 211,720 226,580 244,782 7.60%
자료 : 2017년 시스템산업 산업기술 R&BD 전략. 2016

 

<표 5> 정밀·마이크로기계 주요 품목별 시장규모 및 전망
(단위 : 백만달러)
구분
(주요품목)
2015 2016 2017 2018 2019 2020 연평균
성장률
고속·복합가공 시스템 68,485 73,272 78,394 83,874 89,737 96,009 6.99%
초정밀 및 하이브리드 25,592 29,092 33,232 38,734 43,769 49,459 13.00%
자율지능형 가공시스템 8,227 8,861 9,543 10,278 11,069 11,922 7.70%
합계 102,304 111,225 121,169 132,886 144,576 157,391 9.35%
자료 : 2015년 중소기업 기술로드맵.
주 : 전년대비 평균 증가율 적용에 따른 예상치

 

<표 6> 중국 공작기계시스템 시장규모 및 전망
(단위 : 백만달러)
구분
(주요품목)
2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 연평균
성장률
생산 44,333 51,869 60,687 71,004 97,197 110,785 126,273 13.98%
수입 16,755 18,556 20,551 22,760 27,916 30,395 33,094 8.88%
수출 3,095 3,289 3,496 3,715 4,197 4,416 4,646 5.21%
소비 3,095 3,289 3,496 3,715 4,197 4,416 4,646 5.21%
자료 : 한국공작기계산업협회 통계자료(2014)를 참고로 전망치 추정
주 : 전년대비 평균 증가율 적용에 따른 예상치


공작기계 분야 신흥시장으로 꼽히는 중국시장은 2014년 약 443억달러에서 연평균 14%씩 급성장하여 2020년에 약 1,263억달러 규모로 성장할 것으로 예상된다. 중국 공작기계 산업의 세계시장 점유율은 약 30%로 일본과 독일을 앞서며 세계 공작기계 산업을 주도하고 있다. 이러한 가운데 중국 공작기계 업체인 심양공작기계는 세계 공작기계 생산 1위를 유지하며 독주체제를 구축하고 있으며 대련공작기계도 세계 TOP 5로 진입했다.

 

<표 7> 국내 공작기계시스템 시장규모 및 전망
(단위 : 백만달러)
구분
(주요품목)
2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 연평균
성장률
고속·복합가공시스템 56,937 64,722 73,570 83,627 95,059 108,054 122,825 13.67%
초정밀 및 하이브리드 56,249 56,519 56,823 60,050 62,680 65,425 68,291 4.38%
자율지능형 가공시스템 24,250 26,676 28,890 31,288 33,885 36,697 39,743 8.30%
합계 137,436 147,917 159,283 174,965 191,624 210,176 230,059 9.46%
자료 : 2012년 세계공작기계 통계(한국공작기계산업협회),
“신성장동력장비산업 동향보고서 2012”,
“Metal Working Insiders Reports 2012”(Gardner Publications, Inc.),
“Keit 주력산업 산업융합원천 R&D 전략 2012”를 참고로 전망치 추정

 

 

한편 초정밀 및 하이브리드 가공 시스템 분야의 국내시장은 2015년 5조원에서 연평균 4.38%의 성장률을 기록하여 2021년에는 약 6.8조원 규모에 이를 것으로 전망된다. 자율지능형 가공시스템의 시장규모는 2015년 2.4조원에서 연평균 8.3%의 증가세를 기록하면서2021년에는 약 3.9조원 규모로 성장할 것으로 예측된다.

 

 

 

국내 정밀·마이크로기계 분야 연구개발 현황 및 과제

정밀가공기계시스템 분야는 대기업 중심의 장비/시스템 업체가 높은 점유율을 보이고 있다. 해당 기업들은 글로벌 트렌드에 대응이 가능한 고기능 장비 개발 및 패키지 시스템 개발에 적극 나서고 있으나 아직까지는 선진국 수준에 못 미치고 있어 이를 위한 원천기술 확보가 시급한 상황이다. 이 분야의 발전을 위해서는 국내 ICT 인프라를 스마트가공시스템에 활용하는 융합이 필요하며, 국내 제조기술 관련 소프트웨어 역량 향상도 요구된다.
국내 정밀가공기계시스템 분야는 두산공작기계, 현대위아, 화천기계 등 대기업 3사에 집중되어 있다. 이들 3개 기업은 전체 시장의 대부분을 점유하며 국내 공작기계 산업을 주도해 나가고 있다. 국내 공작기계 시장은 수많은 중소기업이 생산주체로 활동하고 있지만 생산액 규모로 보면 대기업 중심의 과점 체계가 형성되어 있다. 중소기업은 확실한 기술력 우위에 있지 않을 경우 수요처 변동에 따라 실적이 급격히 흔들리는 구조를 가지고 있다.

 

<표 8> 정밀가공시스템의 기술개발 동향
구분 현재 기술 개발 방향
절삭가공 시스템 · 절삭유를 이용한 공정기술
· 상용 절삭공구 기반 공정기술
· 기존 장비의 고강성화
· 고생산성 장비 기술
· 단일장비 개발
· 신공정기술(극저온, MQL) 적용
· 전용공구 기반 공정기술
· 신공정 기술 탑재 전용장비
· 품질기반 고생산성 장비 기술
· 공정기반 패키지형 장비 개발
초정밀 및 하이브리드 가공시스템 · 단순 미세패턴 제품
· 수십 마이크로급 미세패턴
· 단일 물리기반 복합공정
· 비절삭 특수가공의 일부 응용
· 미세 복합형상/다기능 제품
· 수백 나노급 미세패턴
· 다중물리의 복합화/하이브리드화
· 주절삭공정 외 하이브리드-융합화
3차원 적층제조 시스템 · 형상과 프로토타입 디자인 위한 제작
· 폴리머 소재 중심
· 단일 프린팅 공정
· 강도와 정밀도 만족시키는 기능성 부품 제작
· 티타늄 등 메탈기반 난삭재 중심
· 기존 절삭공정과 적층공정간 융합화
고속 복합 및 대형가공 시스템 · 단순 공구 주속도 향상
· 기종/옵션 다양화 및 유연화
· 다단계 절연삭 공정
· 고하중 부품 대응 전용장비
· 범용 대형 기계 중심
· 고정밀화, 생산성 향상 중심
· 토털 생산성 향상을 위한 고능룔화
· 단납기 맞춤형 모듈화 시스템 공급
· All-In-One 절연삭 공정
· 경량, 고경도 신소재·복합소재 중심
· 자동화 유연 다축 생산시스템
· 다품종과 생산성을 고려한 시스템화
스마트 가공시스템 · 소품종 대량 생산
· 변종/변량 유연가공시스템
· 전용기계, 작업자 중심
· 다품종 맞춤형/소량 생산
· 재구성 가능한 스마트 제조셀
· ICT, 로봇 융합 중심
자료 : 2017년 시스템산업 산업기술 R&BD 전략. 2016

 

 

마이크로기계시스템 분야는 중소기업이 대부분을 차지하는 국내 환경에서 국내 대기업의 배타적 공급 요구로 인하여 각 기업들의 시장 성장성과 독자적 기술개발이 제한되고 있다. 이와 함께 최근 급속도로 확대 중인 중국 시장에서 국내 중소기업의 경쟁력이 저하되는 문제점도 속속 등장하고 있다.

 

<표 9> 국내 기반산업 국내외 경쟁력
분류 주요 현황 기술수준
제어네트워크 PLC
컨트롤러
일본, 독일이 원천기술을 확보하고 있으며, 국내 PLC기업이 중국시장 진출을 위해 해외업체들과 경쟁하고 있지만 기술경쟁력 낮음 80%
CNC
컨트롤러
국산 CNC의 기본적인 기능은 선진제품과 비슷한 수준이지만 특수·복합 기능과 신뢰성 부족 60%
산업용 센서 국내 기업은 센서칩을 수입해 모듈화 하는 일반 센서 제품 위주 40%
솔루션
SW
생산관리
(MES)
지역적 이점을 기반으로 국내 경쟁력을 유지하고 있으며, 관련 반도체는 해외 수출 중 70%
자원관리
(ERP)
중소기업은 국산, 대기업은 주로 외산 사용 60%
개발
(PLM)
전문 인력 부족 및 높은 기술 장벽으로 국내 기술 취약 20%
관계관리
(SCM)
국내 기업의 제품이 경쟁력 보유 90%
생산 산업용 로봇 핵심컨트롤러는 외산에 의존하며, 기술력이 필요한 직각죄표 로봇 등은 일본업체가 주도 40%
자료 : 산업통상자원부 보도자료(2025년까지 스마트공장 3만개 구축으로 4차 산업혁명 선도, 2017.4.19)

 

 

한편 새로운 블루오션인 스마트공장과 관련해서는 솔루션, 센서, 컨트롤러 등 핵심부품 및 기반산업의 기술경쟁력 취약을 극복해야 한다.
국내 기업 대부분은 스마트공장 기반산업 일부를 단품으로 공급하는 소규모 기업 위주로 종속효과에 대응할 수 있는 토털 패키지 제공능력이 부족해 국내 기업들의 연결경쟁력 제고가 필요하다 할 것이다.