금오공대·포스코 등 협업 … 인조흑연 전극봉 시제품 시험 성공
소재·설비·원천기술 등 모두 순수 국산 개발 향후 직경 확대

전량 수입에 의존하고 있는 전극봉의 국산화 대체 길이 열리고 있다. 

금오공과대학 신소재연구소는 포스코 기술연구원과 탄소소재 전문기업인 카보랩, 금성테크와의 협업을 통해 ‘인조흑연 전극봉 시제품의 사용성 테스트’에 성공했다고 지난 3일 밝혔다.

금오공대 연구소는 카보랩 및 금성테크와 지난 2022년 1월 LINC 3.0 산학공동연구 업무협약을 맺고, 탄소·흑연 분야에 대한 기술이전과 공동연구를 통해 인조흑연 제조용 압출장비(1,000톤급)를 국내 최초로 자체 제작한 이후 인조흑연 전극봉의 사업화를 공동으로 추진해 왔다.

포스코 기술연구원은 현재 탄소중립 실현을 위한 수소환원제철(HyREX) 기술을 개발 중인데, 이 기술은 수소를 이용해 유동환원로에서 환원철을 제조한 후, 전기용융로에서 인조흑연 전극봉을 이용하여 전기아크를 발생시켜 쇳물을 제조하는 방식이다. 여기에 사용되는 전극봉의 안정적인 사용이 전기용융로 조업의 성패를 좌우하는 핵심기술로 꼽힌다. 

반면에 전기로에 사용되는 전극봉은 현재 전량 수입에 의존하고 있으며, 해외 메이저 제조사들에 의해 시장이 독과점 되어 있다. 이에 국내 공급과 관련한 이슈가 자주 발생되고 있어 안정적인 수급이 필요한 주요 소재이다. 

이에 따라 포스코 기술연구원은 전기로용 전극봉의 안정적인 국내 수급을 목표로 국내 인조흑연 전극봉과 관련한 연구기관 및 기업을 발굴하기 시작했고, 국내 대학 가운데 유일하게 인조흑연 전문연구소를 갖고 있는 금오공대와 지역 내 탄소소재 전문기업인 카보랩, 금성테크와의 협업을 통해 순수 국내기술이 적용된 인조흑연 전극봉 개발에 착수했다.

본격적인 기술개발은 지난 2022년 11월 포스코에서 지원하는 테크노파트너십 프로그램을 통해 시작되어 포스코 기술연구원은 카보랩과 금성테크에 수소환원제철용 전극봉의 성능 구현을 위한 전극봉의 핵심요구 물성 등에 대한 기술지원을 실시했다. 이후 금오공대 신소재연구소를 포함한 4개 기관은 포스코형 수소환원제철용 전극봉의 성능목표치를 설정한 후 집중적으로 개발에 돌입했다.

약 1년여 간의 개발 기간 동안 신소재연구소는 원천기술 제공을, 카보랩은 다양한 원료의 배합기술 및 탄화·함침 열처리 기술을, 금성테크는 전극봉의 형태로 성형하는 압출성형 조건을 확보하기 위한 수십 차례의 시행착오를 통해 최적의 성형조건을 확보했다. 기술 마지막 단계인 인조흑연 제조의 핵심기술인 흑연화 열처리(2,800℃)와 물성에 대한 평가는 금오공대 연구소에서 수행하여 국내 최초로 인조흑연 전극봉 시제품(Φ100x500㎜) 제조에 성공했다.

이어 포스코 기술연구원은 제조에 성공한 인조흑연전극봉을 지난해 12월 20일 DC전기로를 활용한 사용성 테스트를 진행하여, 기존 선진사 인조흑연 전극봉 제품 대비 안정적인 조업과 우수한 내산화성을 확인했다.

특히 이번 수소환원철 용해 시험에 사용된 전극봉은 원소재, 생산설비, 원천기술 및 상업화기술 등 모든 부분에서 순수 국산으로 성공했다는 점이 핵심이고, 이는 향후 인조흑연 국산화 및 국가 차원의 시장협상력을 확보하는 첫발을 내디뎠다는 점에서 의미가 크다고 평가된다.

이 과정에서 국내 유일의 침상코크스 생산기업인 포스코MC머티리얼즈는 전극봉용 코크스 원료를 공급해주었고, 포항산업과학연구원(RIST) 재료공정연구소에서는 DC전기로 시험의 전폭적인 지원을 통해 전극봉 시제품의 사용성 테스트에 큰 도움을 주었다. 

노재승 금오공대 신소재연구소장은 이번 사용성 테스트 성공을 통해 “직경 100㎜의 흑연전극봉 개발에 성공한 것 자체로도 큰 의미가 있지만, 앞으로 300㎜, 600㎜를 넘어 800㎜ 개발까지 성공해 세계시장에서 경쟁할 수 있도록 노력하겠다”고 전했다.