계장기술(PROCON)

기획특집 국내 밸브산업의 재도약이 필요하다

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 65회 작성일 19-11-18 19:40

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1. 서 론

“세계 1위 조선(설계, 건조) 국가인데도 불구하고, 선박에 들어가는 핵심 부품인 밸브들은 국산화가 어느 정도 되어 있는가? 세계 10위내에 다수의 철강 회사를 가지고 있는 나라에서 핵심 요소인 밸브 시스템 관련해서는 과연 어느 정도의 국산화가 이루어져 있을까? 세계 10위 내에 다수의 건설 중장비 기업을 갖고 있는 나라인데도 불구하고, 건설 중장비 핵심 부품인 밸브에 있어서 어느 정도 국산품이 적용되고 있는가?”라는 질문을 먼저 던지면서 본고를 시작하고자 한다.
결론은 아직도 세계 굴지의 밸브 회사들에 밀리고 있는 것이 현실이며, 소위 네임 밸류라는 지명도 문제 때문에 선진 기술에 밀리어 밸브산업의 지속적인 하향화가 이루어지고 있다고 볼 수 있다. 때문에 이 상태를 방치하면 세계적인 산업 이동 흐름에 휩쓸려 국내 밸브 회사들이 외국 기업에 팔리거나 혹은 합병되는 형태로 전락되고, 국내 밸브산업은 문을 닫는 형태가 되어 60여 년간 중소기업인들이 땀흘려 이루어냈던 기적들은 머지않는 미래에 사라질지도 모른다는 생각이다.
지난 10여년간은 미국, 독일, 일본의 밸브산업 벽을 무너뜨리는데 온힘을 쏟아부었으며, 최근 5년부터는 중국의 도전까지 방어해야 하는 지경에 이르러 밸브산업 관련자들의 책임감과 이로 인한 부하는 건강을 해치는 문제까지 대두되고, 결국에는 사회적인 문제로까지 번지고 있다고 할 수 있다. 게다가  2019년도에 불거진 일본의 백색국가 지정의 여파로 밸브 부품에 대해서도 조심스런 걱정이 논의되고 있는데, 참으로 안타까운 실정이며, 밸브 연구자로서 이런 뉴스를 들을 때마다 답답한 심정을 감출 수가 없다.
본고에서는 30년간 밸브만을 연구해온 입장에서, 아주 단순한 원리를 이용해서 밸브의 분류 작업을 진행하고, 국내 밸브산업의 국제 경쟁력을 예측하며, 국제 경쟁력 향상을 위한 필요/충분조건들은 무엇인지에 대해서 논의코자 한다. 개인적인 생각이지만, 본고의 내용을 통하여 기존 선배님들의 의견과 밸브산업에 종사하시는 중소 기업인들, 그리고 한창 학교에서 기계공학을 전공하고 있는 학생들의 의견을 공유하고 싶다.

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2. 밸브의 일반 

그림 1은 저자가 강의 혹은 논문 발표용으로 많이 사용하는 내용으로, 이 세상에 존재하는 유공압밸브, 공정용 밸브, 특수 밸브 모두 이 방법을 이용하여 쉽게 분류 할 수 있다. 정리하면, 밸브로 제어하는 대상은 대상 작동기의 속도, 방향 및 힘이기 때문에 유량제어, 방향제어 및 압력제어 밸브로 나눌 수 있는 것이며, 유량, 방향 및 압력을 제어하는 밸브 요소는 포펫 및 스풀임을 의미한다. 또한 포펫 및 스풀을 구동시키는 요소로서는 수동, 솔레노이드, 전기모터, 지능형 소자이며, 이 때문에 수동 밸브, 온오프 솔레노이드 밸브, 비례솔레노이드 밸브, 전기구동 밸브, 지능형 밸브라 불리기도 한다.

3. 재도약, 무엇이 문제인가?

(1) 기술적 배경

그림 2는 밸브 개발을 하는 과정에서 반드시 단계를 밟아야 하며, 동시에 해결을 완수해야 하는 항목들을 보이고 있다. 밸브를 개발하기 전에 가장 먼저 고려해야 되는 인자는 왜 내가(1번), 무엇 때문에(2번) 이 과정을 시작했는지를 정확히 해야 한다. 1, 2번 과정이 정확해야만 용도에 맞는 정확한 밸브를 설계할 수 있다. 밸브 설계 과정(3번)에 있어서도 고려해야 되는 부분은 새로운 메카니즘 혹은 진보성이 가미된 모델 설계가 필요하다. 이를 위해서는 그림 4에서도 상세 설명이 있겠지만, 신뢰성이 가미된 설계 과정이 필요하며, 이 과정이 있어야만 설계자 고유의 기술이 가미된 밸브 개발이 이루어질 수 있다. 저자의 생각으로는 국내 기업에서 등한시하는 부분이 4, 5, 6과 8번일 것으로 본다. 왜냐하면 3번 과정에서 이미 개발의 정량적인 목표가 정해지기 때문이고, 이 정량적인 목표를 달성하는 방안으로 4, 5, 6번 과정이 이루어지기 때문이다. 만약 3번에서 정량적인 목표로 정격 유량 및 압력, 스텝 응답 및 주파수 응답 특성이 정해졌다고 가정하면, 4번의 해석 과정에서 해석 및 도면 설계 변경이 이루어지고, 정량적인 목표를 확인하기 위하 여 어떠한 실험장치가 필요한지에 대해서도 논의가 이루어져야 한다. 6번의 성능 평가 과정에서는 각종 계측기의 동적인 사양이 매우 중요하고, 객관적이고 재현적인 데이터 취득 및 분석이 밸브 개발의 성공 여부를 결정할 수 있다. 8번도 중요하게 여기는 이유 중의 하나가 신규 혹은 진보 기술을 평가하는 척도로 사용되기 때문이다.

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“중소기업일수록 바쁘다 혹은 현장 활동(가공, 조립, 판 매) 및 영업 활동이 우선이다”라는 이유로 논문 및 특허를 등한시 하는 경향이 있는데, 국제 경쟁에서 이기려면 향후 8번 항은 반드시 극복해야 된다고 생각한다. 이에 대해서도 결론부에서 논의되겠지만, 국가적인 차원에서 공동 기술 사용 창구 및 특허 출원 지원 창구를 설치하여 운영할 필요가 있다. 그림 3은 그림 2의 1, 2, 3번 과정에서 이루어지는 설계 예를 솔레노이드 밸브를 대상으로 표현한 것으로, 이 경우에는 성능, 가격, 응용성, 유지/보수성을 설계 목표로 한 것이다. 이 4개의 설계 인자를 면밀히 분석하면 기존 특허의 특성 및 신규 개발 밸브의 특성을 비교할 수 있으며, 쉽게 신규 특허 취득이 가능하다. 전술한 바와 같이, 국내 중소기업에서는 그림 3의 과정을 고려하지 않는 경우가 많아 경쟁력이 떨어지는 밸브 개발이 이루어지는 실정이고, 기술 우위를 점하고 있지 못하는 이유 이기도 하다 그림 4는 최근에 밸브 개발 시에 채용하고 있는 신뢰성 설계 흐름도를 보이는 것이다. 이것은 그림 3에서 상세하 게 보이는 설계 인자들에 대해서 사용적인 측면에서 어 떠한 일들이 벌어지는가를 고민하는 것으로, 상세 부품 들의 고장 모드 분석, 고장 모드에 따른 영향 및 치명도를 분석하여 부품의 설계 과정에 있어서 놓치지 말아야 하는 부분들을 찾아내는 방법들이다.

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그림 4에는 현재까지도 풀지 못하는 과제가 있다. 그것은 개발되는 밸브 의 예측 수명 예측이며, 어떻게 시험을 해야 정량적으로 맞출 수 있는지? 수명을 단시간에 예측하는 기술로서 가속시험 조건을 어떻게 해야 되는지다. 만약에 우리가 개발하는 밸브에 대해서 이론적으로 수명을 예측할 수 있고, 실험적으로 판정할 수 있으면 국제적으로 인정받는 계기가 될 것이고, 개발된 밸브의 국제 경쟁력을 갖출 수 있다고 감히 말할 수 있다. 그림 5는 그림 2의 1, 2, 3번 과정을 통해서 설계된 밸브이며, 1, 2, 3번 과정에서 도출된 정량적인 항목을 어떻게 해결하는지에 대한 예를 나타낸 것이다.

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일반적으로 그림 2, 그림 3 및 그림 4의 과정을 거쳐서 개발되는 밸브의 성능 시험 항목이 정해지는데, 성능시험 항목 결정은 그림 5에 보이는 단순한 힘의 균형식으로부터 도출이 가능하다. Fm은 솔레노이드에서 얻어지는 흡인력으로, 저소비전력을 위하여 자성재료의 특성이 매우 중요하고, 고흡인력 구조 및 온도 보상을 통한 장수명 보장, 저마찰 구동을 통한 응답성 향상 인자들로 이루어진다. 따라서, 응답성, 저소비전력, 저가격, 밸브 크기를 결정하는데 있어서 정밀한 분석이 필요한 부분이다. Fv+Fp는 밸브(스풀 혹은 포펫) 및 플런저의 운동에 따른 동적인 힘을 나타내는 것으로, 질량 인자, 밸브 마찰 인자, 기름의 온도 특성 및 스프링 특성이 매우 중요하다 할 수 있다. Ff는 밸브의 유체력을 표현하는 것으로 제어에 심각한 영향을 미치기 때문에 개발되는 밸브의 유체력 저감화 기술 및 유체력 예측 기술이 매우 중요하다. 이와 같이 밸브를 개발하는 과정에서는 이론적으로 할 일이 많으며, 이 많은 것들을 중소기업에서 일사불란하게 처리하는 것은 사실 힘든 일이다. 그러나 원칙을 지키고 밸브를 개발하는 것이 바람직하다. 또한, 국내의 연구자들 의 ISO 위원 등록 현황이 매우 저조한데, 국내 기술력을 국제적으로 인정받고, 개발 밸브의 국제 경쟁력을 높이기 위해서는 적극적인 ISO 위원 활동도 필요하다.

(2) 특허적, 국가적 배경

전술한 바와 같이, 하나의 밸브를 개발하는데 있어서 멀고도 험난한 과정이 필요한데도 불구하고, 개발 과정은 매우 신속하게 이루어진다. 개발 기간이 짧다는 것이 문제가 아니라 개발 투자 시간이 적다는 것이 문제이다. 예를 들어 개발 기간이 6개월이라 하면, 6개월 만에 완성해야 할 시간 및 인력을 먼저 결정하고 시작하는 것이 아니라, 보다 적은 인력 투입(여기에서는 그림 2에서 제안하는 인력보다 적음) 및 투입된 인력마저도 다른 일을 병행 하고 있기 때문에 면밀하고 충분한 연구가 이루어지지 않는다는 것을 예측할 수 있다. 때문에 당연한 결과로, 특허출원 횟수도 적고, 특허 등록 가능성도 매우 희박하며, 개발은 했으나 외국 선진 기술에 과연 어느 정도 탈피를 했을까 하는 의문이 들게 된다. 다른 하나의 문제는 국가 차원의 기술 개발 지원 정책으로(상세하게는 국가 지원 과제별 심사 방식에 문제) 그림 2의 4, 5, 6번을 고려하면, 최소 3년(연구비의 문제가 아니라 시간 문제)의 기간이 필요하고, 완벽하게 연구팀이 구성된 경우는 2년 정도로 예상되나, 기업에서는 1년 만에도 개발이 가능하고, 2년 만에도 개발이 가능하다 하여 연구비를 지급받게 되는데, 과연 어디에 내놓아도 손색이 없으며, 회사의 자존심을 세워줄 기술인가에 대해서는 서로 돌아볼 필요가 있다고 생각한다.

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4. 해결 방안은 없는가?

먼저 밸브의 공용 활용 기술을 들 수 있다. 그림 6에 보이는 바와 같이, 밸브인 경우에는 크게 밸브 몸체 기술, 가공/조립 기술, 밸브 형상 기술, 윤활 설계 기술, 내구 수명 판단 기술, 액추에이터 기술, 제어기 기술, 소음 저감 기술 등이 핵심 기술이라 할 수 있는데, 밸브 몸체, 밸브 형상, 가공/조립 기술은 선진국과 비교해도 떨어지 지 않을 정도의 동등한 수준이라 할 수 있으나 액추에이터 기술(솔레노이드 기술, 포스모터 기술, 토크모터 기술), 제어기 기술(디더+PWM 기능 앰프 기술, 제어기 내장 앰프 기술), 소음 저감 기술(압력 오버라이드 저감기술, 캐비테이션 저감 기술, 유량 맥동 측정/분석, 저감화 기술), 윤활 설계 기술(오일 특성 해석 기술, 열해석 기술, 동적 베어링 특성 기술, 실링 기술), 내구수명 판단 기술(수명 보증 기술, 최적의 시험 방안)들은 여전히 풀어야 할 영역들이 많고, 누군가에 의해서 정리되어져야 할 기술들이다.
두 번째는 공용 활용 기술들의 활용성 문제이다. 국가적인 차원에서 밸브 전문 연구원을 중심으로 밸브 관련 기 업은 누구나가 평등하게 공용 기술을 나눠 사용할 수 있 는 산업체계가 조성되어야 한다.

5. 결 론

서론에서도 서술했듯이, 국내 밸브산업은 사면초가이다. 미국, 독일을 중심으로 하는 선진 기술의 엄습, 최근의 신흥 국가로 발돋움하고 있는 중국의 도전은 엄청난 벽이며, 중국 기술의 세계 진출로 인하여 아시아 및 동/남 유럽 국가로의 수출도 심각한 피해를 입고 있는 실정이 다. 거기에다가 일본과의 무역 마찰은 밸브 관련자들에게 엄청난 스트레스일 것으로 사료된다.
밸브 전문가들조차도 국내 밸브산업의 수준을 예측하는데 어려움을 겪고 있으며, 심지어는 기술 격차가 어느 정도 되는지를 정량적으로 분석해 놓은 자료를 찾아보기 힘들다. 왜냐하면 밸브 기술 분류 체계를 보면 HS code 8481에는 감압밸브, 유/공압 전송용 밸브, 체크밸브, 안 전밸브 등이 예시되어 있고, 상세한 밸브 분류는 누락되어 있는 느낌이다. 매우 중요한 사실 중의 하나가 밸브는 시스템이 아니기 때문에, 다시 말하면 시스템이라는 박스 내에 밸브가 이미 포함되어 있기 때문에 수출입 정보로 기록되기가 어렵다. 예를 들어 건설장비, 유압 프레스, 가공기, 냉/열연기, 선박 보조기기 시스템 등에는 상당량 의 밸브가 들어 있는데도 불구하고, 수출입 통계에 밸브 로 기록되지 않는다. 따라서 보다 체계적인 밸브 기술 분류 방법이 필요하고, 수/출입 통계 분석이 상세히 이루어 졌으면 하는 바람이다. 더 나아가서는 밸브산업을 발전시키는 방안으로 자체 연구개발 활성화, 국가 차원의 밸브 원천기술 연구소 혹은 기업 지원센터 운영, 전국의 소규모 밸브 관련 센터 조직 일원화 운영 필요(밸브 종합 기술 연구소-지역 센터), 밸브 전문 기술 유출 보호 및 기술 무역 마찰 조정 기관 운영, 국내에서 출원되는 특허 기술의 우수성 검증 및 적극적인 개발 지원 등이 이루어졌으면 하는 바람이다.
결론적으로, FTA 영향으로 부품의 대명사인 밸브가 도마 위에 오르는 일이 없고, 한일간 무역 마찰의 여파로 밸브산업이 휘청거리는 일이 없기 위해서는 지금부터라도 체계적인 밸브산업 구조를 만들고, 공용 활용 기술들을 서둘러 정리하여 기업에 전수되고, 모든 기업의 동시에 성장하여 대한민국 산업의 한 부분을 담당하는 시대가 빨리 오기를 기대하고, 수없이 많은 국내 밸브 기업에 계신 분들이 스트레스 받지 않고, 건강한 사회를 만들어 가는 시대가 오기를 기대하면서 본고를 마친다.
[참고문헌] 1. https://namu.wiki, 2019

2. https://news.joins.com, 2018

3. www.kosa.or.kr, 2019

4. www.steelprice.co.kr, 2019

5. http://m.cnews.co.kr/m_home

6. www.prism.go.kr, 2018

7. rnd.compa.re.kr, 2019

8. https://www.dbpia.co.kr, 2019


윤 소 남 책임연구원 / 한국기계연구원 에너지기계연구본부 ysn688@kimm.re.kr