기술은 개발로만 끝나지 않는다…‘산 넘어 산’ 포스코 극저온용 초망간강[유레카 모멘트]

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포스코인터내셔널 광양 LNG 터미널 5호기 탱크. 극저온용 고망간강을 사상 최초로 적용해 포스코이엔씨가 지었다. 포스코 제공

펄펄 끓는 쇳물을 담는 통의 용량은 250t. 여기에 담긴 쇳물을 주조해 철강 제품을 만든다. 합금철은 이 쇳물에 합금원소를 넣어 만드는데 통상 광석을 집어넣는다. 극저온용 고망간(Mn)강은 망간광을 넣게 된다. 영하 196도에도 깨지거나 마모되지 않는 고망간강의 망간 함유량은 24%. 고망간강용으로 250t을 만들려면 쇳물 180t에 망간을 70t 가까이 부어야 한다.

망간을 차가운 광석 형태로 쇳물에 부으면 온도가 떨어진다. 온도가 떨어지면 순도 높은 고망간강을 제조하기 어렵다. 열을 가해 온도를 다시 올려 줘야 한다. 여기서 문제가 발생한다. 철강 제품을 만들 때 쇳물 한 통만 쓰지 않는다. 한 통을 다 비우면 다음 통이 바로 쇳물을 부어 줘야 한다. 그래야 수율(收率) 높은 제품이 나온다.

하지만 차가운 망간광 탓에 떨어진 쇳물 온도를 높이려고 열을 가하면 시간이 든다. 처음 통에 이어 다음 통이 끊이지 않고 쇳물을 붓는 타이밍을 맞추기 어렵다. 시간 공백이 생기게 된다. 따라서 고망간강은 한 번에 쇳물 한 통분밖에 못 만든다는 결론이 나온다. 생산성이 떨어진다. 더욱이 쇳물을 주조해 만든 제품의 처음과 끝부분은 수율이 낮아 잘라 낸다. 한 통분밖에 만들지 못하는데 그나마 제조된 고망간강 상당 부분을 떼어내면 남는 것이 별로 없다. 경제성도 떨어진다. 신제품을 개발했지만, 생산이 어렵다. 방법을 찾아야 했다.

● ‘24%망간’

이순기 포스코 기술연구원 강재연구소 수석연구원(53)이 포스코 측 e메일을 받은 건 2007년이었다. 미국 남부의 한 공대에서 금속재료 관련 연구로 박사학위 과정을 마무리할 무렵이었다. “고망간강이라는 걸 만들어 보지 않겠습니까?”

이순기 포스코 기술연구원 강재연구소 수석연구원. 세계 최초 극저온용 초망간강 개발을 주도했다. 포스코 제공

당시 국제사회는 기후변화 대응에 박차를 가하고 있었다. 선진국 온실가스 감축 의무화를 부과한 교토의정서(1997년)에 이어 온실가스 감축 목표를 제시하도록 하는 ‘발리 로드맵’이 2007년 채택됐다. 국제 환경 규제는 강화되고 있었다.

레드오션인 기존 시장을 대체할 ‘블루오션 테크놀로지(BOT)’를 찾던 포스코 기술연구원은 연구 과제의 하나로 고망간강을 택했다. 온실가스를 대량 배출하는 석탄 수요는 줄고 액화천연가스(LNG) 수요는 늘 것으로 전망한 결과였다.

영하 163도에서 액체 상태를 유지하는 LNG를 운반 또는 저장하는 탱크는 304스테인리스강이나 9%니켈강 또는 알루미늄으로 제작했다. 주로 쓰이던 니켈이 일부 지역에서만 채굴돼 비쌌지만, 망간은 세계적으로 매장량이 풍부했고 상대적으로 저렴했다. 극저온에 끄떡없는 고망간강을 개발한다면 LNG 탱크 제조원가를 10% 이상 절감할 수 있었다. 블루오션이 열릴 터였다.

기술연구원에 들어와 1990년대 국내 자동차업체들의 고망간강 연구 결과를 토대로 1년간 기초 연구를 한 이 수석연구원은 ‘되겠다’고 생각했다. 망간을 얼마나 첨가하면 될는지 합금 비율 실험에 착수했다. 십몇 %부터 시작해 무수한 망간 성분 조합 데이터를 컴퓨터로 시뮬레이션해 최적 가능성 있는 몇 가지 성분 조합을 도출했다.

그 조합들을 연구실에서 직접 실험했다. 쇳물 50kg에 각각의 비율로 망간을 넣어 시편(試片)을 제작했다. 극저온용 소재 필수 특성인 ‘충격 인성(靭性)’, 즉 극저온에서 얼마나 잘 깨지지 않는지, 용접은 잘 되는지 등 각종 특성을 테스트했다. 그 결과 최적의 망간 비율은 24%였다.

24%망간 실험 결과가 괜찮았기에 최적인 것은 맞았지만 이것이 최선일지, 최고일지는 고민이었다. 세계에 없던 고망간강을 개발하는 중이었으니 참고할 만한 대상도 없었다. “실험 결과를 믿고 가자”는 내부 피어 리뷰(peer review, 동료 평가), “이 정도면 해 볼 만하다”는 생산 현장 검토를 믿고 24%망간을 밀고 나갔다.

● 유레카! 보온로

기술을 연구하고 개발할 때 대학연구소와 기업연구소의 가장 큰 차이는 그 기술을 적용할 현장이 있느냐다. 24%망간 실험에서 최적의 결과를 낸 것과 제품 생산 현장에서, 그것을 가공하는 고객사에서 올바른 결과가 나오느냐는 또 다른 이야기다. 기술 개발과 제품 개발의 차이다. 기술 개발 단계에서 생산 경쟁력은 있는지, 원가 경쟁력은 있는지, 고객사가 쓸 때 제품 경쟁력은 있는지 등 제품 개발 요소들까지 고려해야 한다.

2년 정도 축적한 실험 결과 가운데 설득력 있는 데이터를 들고 고객사를 찾아다니기 시작한 것이 2009년이었다. 여러 고객사 중에 대우해양조선(현 한화오션)과 같이 공식적으로 고망간강 제품 개발 연구를 시작한 것이 2010년이었다. 그 와중에 고망간강을 효율적으로 대량생산 하는 방법에서 난관에 부닥친 것이었다.

소재는 개발했지만 생산 기술 개발이 늦어지니 사내에서는 “이러다 성공하는 방법을 까먹는 것 아니냐”는 ‘핀잔’도 들려왔다. 이 수석연구원 기분이 좋을 리 없었다. 속으로는 ‘되는 걸 알고 시작하고, 길이 정해져 있는 추종 연구와 세계 최초 기술을 개발하는 선도 연구는 다르다’는 마음이었지만 내색하지는 않았다.

차가운 망간이 쇳물 온도를 낮춰 생산에 차질을 주는 문제의 해법은 느닷없이 찾아왔다. “왜 차가운 걸 넣어? 뜨거운 걸 넣으면 되잖아.” 함께 논의하던 기술연구소 제강(製鋼) 연구 그룹 연구원의 말이었다. 망간광을 녹여 뜨거운 액체로 만들어 쇳물에 붓자는 아이디어였다.

전로(轉爐)에서 받은 쇳물 180톤을 담은 통이 주조 단계에 오면 그 근처에 용융(鎔融) 망간을 담은 용기를 설치해 서로 합쳐서 주조하는 시스템이었다. 그 용기가 보온로(保溫爐)였다. 쇳물 몇 통치 분량을 넉넉하게 보관하면서 동시에 온도 저하를 막기 위해 계속 따뜻하게 유지하는 장비였다. 세계 최초 기술이자 세계에서 포스코밖에 없는 설비다. 이 수석연구원은 “고망간강 생산 판도를 완전히 바꿔 놓았다”고 했다.

용융 망간을 쇳물에 부으면서 대기 중 질소와 접촉해 성분이 바뀌는 것을 제어하는 기술과 노하우도 익혔다. 용융 망간을 붓는 시점 등 외국 철강 회사가 쉽게 알 수 없는 기술이다. 중국 철강업체가 빠르게 치고 올라오지만 당분간 고망간강 기술을 따라오는 데 시간이 걸릴 것이라고 장담하는 이유이기도 하다.

생산 현장에서도 “(고망간강) 생산이 되네” “할 수 있겠네”하고 판단했다. 2013년이었다. 고객사를 찾아다니며 고망간강으로 실제 LNG 탱크를 만들 수 있는지 실증하는 단계에 들어갔다.

극저온용 고망간강 후판을 진공 흡착식 크레인이 옮기고 있다. 극저온용 고망간강은 자성을 띠지 않아 기존 전자석 크레인으로 옮길 수 없다. 포스코 제공

● 고객사 실증

고망간강이 고객사가 원하는 모양으로 만들어지는지, 용접은 잘 되는지 등을 평가해서 제3자 검증을 받으며 데이터를 쌓아나가는 과정이었다. 고객사마다 제조하는 형태가 다르고, 형태가 같더라도 설계 방안이 다른 탱크에 맞춰 고망간강 가공 조건을 제시하는 ‘고객사 솔루션 개발’은 또 다른 난관이었다.

한번은 실증용 탱크에 LNG를 1000번 넣었다가 빼는 테스트를 거쳤다. 기술적으로는 10번이든 1000번이든 큰 차이가 없다. 하지만 새로운 소재에 쉽게 믿음을 주는 고객사는 드물었다. ‘배는 30년가량 운항하는 동안 LNG를 얼마나 많이 주입하고 뺄 텐데 10번밖에 안 한다니….’

30년간 몇 번이나 LNG를 넣었다 뺐다 할까를 계산해 보니 1000번이었다. 탱크 외벽에 센서를 달아 그때마다 고망간강의 온도 변화, 열 수축 및 팽창 변화 등을 측정했다. 1000번을 끝낸 뒤에 탱크를 깨서 만들기 전후의 고망간강 차이를 살폈다. 허용되는 범위의 결함을 탱크 용접부에 심어 놓고 더 큰 결함이 생겼는지 추적 관찰도 했다. 모두 멀쩡했다.

다른 고객사가 실시한 수압 테스트로 곤욕을 치르기도 했다. 탱크에 새는 곳이 있는지 확인하기 위해서 물을 넣고 15바(깊이 150m에서 물이 누르는 압력) 압력을 걸었을 때 탱크 압력이 떨어지지 않으면 건전하다고 본다. 그런데 스테인리스강을 주 소재로 쓰던 이 고객사에서 한여름에 수압 테스트를 한 뒤 물을 빼고 젖은 상태로 실증용 탱크를 야적장에 뒀다. 스테인리스는 물에 녹슬지 않지만, 탄소강 소재인 고망간강은 말리지 않으면 녹슨다. 당연히 탱크에도 녹이 슬었다. ‘고망간강은 녹이 슬어 못 쓴다’는 소문이 돌았다. 소재 특성을 오인한 이 사례를 해명하느라 진땀을 뺐다.

가스안전공사, 한국선급 같은 기관을 이 모든 과정에 참여시키고 ‘고망간강에 이상 없다’는 3자 검증 데이터 리포트에 서명을 받았다. 이제는 육상 저장용 LNG 탱크나 LNG 추진 운반선 연료 탱크 제작에 고망간강이 사용되는 일만 남았다. 고객사들이 탱크 소재로 니켈이나 스테인리스, 혹은 알루미늄 대신 안전하면서 제조원가도 절감하는 고망간강을 쓰기로 결정하면 더할 나위가 없었다. 2017년경이었다.

현재 건설 중인 광양 제2 LNG 터미널 7호기 탱크 내부. 벽면과 지붕 모두 극저온용 고망간강을 적용했다. 포스코 제공

● 터닝포인트

상항은 녹록지 않았다. 고객사들은 실증을 통해 고망간강이 좋다는 사실은 알았지만, 선뜻 가공 소재로 사용하겠다는 뜻을 드러내지 않았다. ‘다른 업체에서 먼저 써 본 다음에…’가 대부분 고객사의 속내였다.

꽉 막힌 듯한 난국을 타개한 것은 장인화 당시 포스코 부사장(현 회장)의 판단이었다. 포스코인터내셔널이 운용하는 포스코 광양 LNG 터미널 탱크 5호기를 고망간강으로 지어서 실증해 보자는 것이었다. 직경 100m, 높이 60m, 부피 20만㎥의 탱크는 제작비만 수천억 원이었다. 그전까지 “기존 (탱크) 소재로 짓는다”고 했던 탱크였다. 철강생산본부 본부장이던 장 부사장의 판단을 당시 권오준 회장은 지지해 줬다. 연구원 출신인 권 회장도 고망간강에 대한 애정이 누구 못지않았다.

비록 포스코 그룹 계열사인 포스코건설(현 포스코이엔씨)이 탱크를 짓고 포스코인터내셔널이 운영하게 되는 것이었지만 부담감은 컸다. 세계 최초로 개발한 극저온용 고망간강을 세계 최초로 실제 사용하는 사례였다. 혹시 잘못되면 기존 1~4호기 LNG 탱크에까지 지장을 주는 불상사로 이어질 수도 있었다.

장 부사장은 당시 “그래도 고망간강이 포스코로서는 세계 최초 기술 아니냐”고 말했다고 한다. 이 수석연구원은 “고망간강이라는 소재 특성에 대해서는 연구원과 실무자 판단을 신뢰하고 내린 경영적 판단이었다고 본다”며 “이 판단이 고망간강 개발 전체 과정의 터닝포인트였다고 생각한다”고 말했다.

● 산 넘어 산, 규격 등록

고망간강 기술과 제품을 개발하고 검증했으니 모든 과정이 끝났다고 생각했지만 오산이었다. 규격 등록이라는 복병이 등장했다. 고객사만 오케이 하면 고망간강 사용은 문제없다고 생각했지만, 아니었다. LNG 운반선 탱크에 쓰려면 규격 등록이 필수였다. 미국재료시험학회(ASTM)나 국제해사기구(IMO) 등이 해양을 넘나드는 배에 쓰일 수 있는 국제적인 소재와 성분이라는 것을 인증해 줘야 했다.

이 수석연구원은 2013년 해외 조선사에서 “ASTM 규격 등록을 해야 한다”는 말을 듣기 전까지 이 같은 사실을 전혀 몰랐다. IMO 규격 등록이 필요하다는 것도 2015년에야 알게 됐다. 한국에서 경험자가 거의 없었기에 밑바닥부터 하나씩 배워 나갔다. 규격 등록은 기술적인 것뿐만 아니라 정치적인 것이라는 사실을 알았다. 의도적인 방해가 적지 않았다.

ASTM IMO 같은 국제 표준화 기구에서 표결에 참여할 수 있는 위원에 한국인은 거의 없었다. 반면 일본 철강업계는 철강 학계와 협회, 정부가 삼위일체가 돼서 1970, 80년대부터 위원 자리를 서너 명씩 꿰차고 있었다.

각 기구에서 발언에 영향력이 있는 ‘빅마우스’들을 사전에 설득하고 조율해 동의를 구했다. 일본 위원들의 반대도 이런 식으로 헤쳐 나갔다. IMO 규격 등록의 경우에는 업무 창구였던 해양수산부를 통해 극심히 반대하던 노르웨이 위원을 설득하기도 했다.

이 같은 노력 끝에 IMO는 2023년 9월 총회에서 고망간강 규격 등록을 결정했다. 등록 업무에 착수한 지 8년 만이었다. 당시 해수부는 공보를 발간해 “1962년 IMO 가입 이래 대한민국 정부가 주도적으로 아젠다를 끌고 나가 성공시킨 건 고망간강이 처음”이라고 밝혔다.

IMO로서도 신소재 규격을 등록한 것은 처음이었다. 당시 IMO 의장은 “이번 한국 사례는 규격 등록의 모범 사례”라며 “2024년 총회 때 발표해 달라”고 말했다. 해수부와 포스코는 규격 등록을 위해 IMO 내부에 실무자 회의반을 중간중간 만들어 소통하고, 작업반을 둬서 규격안을 만들었으며 실증선(船)을 2년간 띄운 운항 기록도 제출했다. 이후 다른 소재 규격을 등록한 모 국가도 이 과정을 그대로 거쳤다.

이 수석연구원은 지난해 9월 IMO 총회 발표를 마무리하며 “대한민국은 앞으로도 IMO에서 선도적인 역할을 다할 것이다. 회원국 지지에 감사드린다”고 말했다. 발표문 제목은 ‘제품 개발부터 시장에 이르기까지 하나의 여정’이었다.

● 또 다른 여정

극저온용 고망간강은 LNG용 이외 용도로도 충분히 쓰일 수 있다. 현재는 비자성(非磁性)이라는 고망간강 특성을 활용하는 방안을 적극적으로 구상하고 있다. 잠수함 몸체가 대표적이다. 잠행을 거듭하면서 잠수함은 지구라는 거대한 자석 때문에 자화(磁化)가 된다. 은밀성이 생명인데 공중에서 탐지될 확률이 높아진다. 자성에 반응하는 기뢰를 피해야 하는 군함이나 기뢰 부설함, 기뢰 제거함 등도 마찬가지다.

이 수석연구원은 현재 액화수소용 고망간강을 개발하고 있다. 액화수소는 영하 253도에서 액체 상태를 유지하기 때문에 망간 성분 비율도 달라져야 한다. LNG용을 개발한 마당에 액화수소용 고망간강을 만들지 못할 이유는 없다고 본다. 아무래도 비슷한 길을 가야 할 것 같다.

다만 실험은 쉽지 않다. 영하 163도인 LNG를 견디기 위해 고망간강 실험은 그보다 더 낮은 영하 196도에서 액체 상태를 유지하는 액체질소로 실험했다. 액화수소의 영하 253도보다 더 낮은 영하 268도를 유지하는 것이 액화헬륨이다. 액화헬륨을 견뎌 내는 실험을 해야 하는데 매우 비싼 데다 실험 조건을 만족시키는 시스템을 갖추기도 어렵다.

이 때문에 주요 국제 표준화 기구에서는 영하 196도에서 실험하되 충족시켜야 할 조건을 강화하는 분위기가 있다고 한다. 그런 흐름을 모니터링하는 것도 주요 기구 표결권이 있는 위원인 이 수석연구원의 몫이다. 그에게, 포스코에 또 다른 여정이 기다리고 있다.

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