- 김태영 산업연구원 디지털·AI전환생태계연구실 부연구위원

박상수 산업연구원 디지털·AI전환생태계연구실 연구위원

금형산업은 제조업 생산 전 단계의 기초 인프라를 공급하는 핵심 뿌리산업을 수행한다. 제품 맞춤형 생산이 일반화되어 있는 수주형 산업으로 다품종 소량 생산 구조가 주를 이루며, 고객사와의 긴밀한 기술 협업이 필수적인 기술집약형 산업이다.

미세 정밀 가공, 초정밀 측정, 성형 시뮬레이션 등 숙련 기술과 경험이 축적되어야 하며, 숙련 기술 인력 인력의 노하우가 경쟁력의 핵심이다. 금형은 대량생산 체제의 근간이며, 경제안보 측면에서도 중요하나, 이러한 중요성에도 불구하고 국내 금형산업은 대내외적인 환경 변화에 의해 산업 전반에 걸쳐 어려움을 겪는 상황이다.

이에 본지에서는 산업연구원에서 발행한 ‘인구구조 변화의 영향을 고려한 금형산업 발전 방안 연구’를 토대로 금형산업의 중요성을 짚어보고, 경제적인 특성 및 현황에 대해 자세히 알아보는 시간을 가졌다.

1. 금형산업 개요 및 중요성

(1) 금형산업의 역할 

① 금형산업은 다양한 제품의 대량생산을 위한 핵심 부품인 ‘금형’을 설계하고 제작하는 산업

금형이란 동일한 규격의 제품을 대량으로 생산하기 위해 금속재료를 사용해 만들어진 틀을 의미한다. 금형은 제품 형상의 본을 떠서 제공하는 부품으로 반복적인 공정을 통해 동일한 형태의 제품을 생산하는 데 기여하며, 금형을 활용한 대량생산 방식은 용융시킨 원료를 주입한 후, 냉각해 부품을 생산하는 사출성형과 금속을 금형과 프레스를 이용해 압력을 가해 절단 및 부품을 생산하는 프레스 금형 등이 존재한다. 

사출성형은 주로 플라스틱 제품 생산에 사용되며, 프레스 금형은 자동차, 가전제품, 기계부품 등 금속 재료를 절단, 성형, 드로잉하는 분야에 주로 사용된다.

② 금형은 용도, 가공 소재 및 성형 방법에 따라 다양하게 분류되지만, 프레스 금형과 플라스틱 금형이 가장 대표적

프레스 및 플라스틱 금형이 금형 공정 중 대표성을 지니는 이유는 자동차 및 전자산업 핵심 부품의 주된 생산 방식이기 때문이다. 프레스 금형은 금속 판재를 가공해 제품의 기본 골격(외부 형태)을 만드는 데 이용되며, 주로 자동차의 문, 후드 섀시 등 외부 프레임을 구성하는 금속 부품, 세탁기, 에어컨, 냉장고 등 제품의 금속 외관을 대량생산하기 위해 사용된다.

플라스틱 금형은 녹인 플라스틱을 주입해 원하는 형상의 플라스틱 제품을 대량생산하는 데 주로 이용된다. 스마트폰 케이스, TV 프레임 등 대부분 전자 제품의 내, 외장 부품 생산과 자동차의 내부 대시보드, 도어 트림 등 실내 부품 생산에 사용된다. 그 외에도 플라스틱 병, 완구류 등 플라스틱 제품 대부분을 생산하는 틀로써 활용되고 있다. 

③ 금형은 수많은 정밀 부품이 결합된 정밀 조립체

금형 제품은 몰드 베이스, 성형 부품, 구동 부품, 기능성 부품 등으로 구성되며, 몰드 베이스는 금형의 외각 부분을 구성하는 부품으로 사출성형기와 직접 결합돼 금형 전체를 지지하는 틀을 의미한다. 제품 생산시 발생하는 수백 톤의 사출 압력 및 형체력(금형을 닫을 때 발생하는 힘)을 견디고, 금형의 변형을 막는 역할을 수행한다. 고정측 및 가동측 설치판, 스페이서 블록 등으로 구성돼 있다.

성형 부품은 실제 제품 생산 소재(플라스틱 또는 금속)가 닿아 제품의 형상을 결정하는 핵심 부위로, 생산제품의 내, 외측 형상을 그대로 깎아놓은 부품을 말한다. 제품의 치수 정밀도, 디자인 디테일 등을 결정하기 때문에 가장 정밀한 가공이 요구되는 부품으로, 제품의 내부 공간을 형성하는 부품인 코어와 외형을 만드는 캐비티 등으로 구성돼 있다. 

구동 부품은 금형의 개폐 및 제품 취출을 위한 모든 부품을 의미하며, 금형의 개폐과정 중 어긋나지 않도록 위아래 위치를 잡아주는 가이드핀 및 부시, 제품 취출을 위한 이젝터 핀 등으로 구성된다. 금형의 개폐 및 제품 취출 과정에서 마찰이 지속적으로 발생하기 때문에 마모로 인한 손상이 발생하기 쉬운 부품이다.

기타 기능성 부품은 온도 제어, 위치 제어 보조 등과 관련된 기능을 수행한다.

④ 금형 제작 공정은 크게 네 가지로 구분 가능

(1단계) 제품 분석 및 설계(Design & Engineering)

- 제품 모델링: 발주처의 제품 도면을 바탕으로 금형 제작을 위한 3D 데이터 생성

- 금형 설계: 수축률, 구배(기울기), 게이트(재료 주입구) 위치, 냉각 라인 등을 고려하여 몰드 베이스 및 각 부품의 도면을 작성

- CAM 프로그래밍: 공작기계를 활용하기 위한 언어로 데이터를 변환

(2단계) 기계 가공(Machining)

- CNC 밀링: 공작기계를 이용한 금속 가공을 통해 대략적인 형상을 제작

- 열처리: 금속 강도를 높혀 내구성을 확보하기 위한 담금질을 수행

- 연삭: 표면을 매끄럽게 연마하여 치수 정밀도를 마이크로미터(㎛) 단위로 조정

- 방전 가공: 절삭 공구로 가공이 어려운 형상이나 매우 단단한 부위를 전기를 이용하여 정밀하게 녹여서 가공

(3단계) 사상 및 조립(Polishing & Assembly)

- 사상: 거친 표면을 매끄럼게 다듬는 과정

- 조립: 가공된 수많은 부품을 몰드 베이스에 결합하는 과정, 조립 과정 중 부품 간 간섭 및 유격을 조정하는 과정을 병행

(4단계) 시사출 및 수정(Try-out & Modification)

- 시사출: 완성된 금형을 사출기에 장착하여 실제로 제품을 생산하는 과정

- 수정: 시제품의 치수, 외관, 변형 등을 측정하여 문제가 발생하면 금형을 분해하여 필요한 부분을 깎거나 용접을 통해 덧살을 부착하는 등 제품을 수정하는 과정

- 시사출 및 수정 작업이 완료되고 최종 품질 승인이 나오면, 발주처에 금형을 인도

(2) 금형산업의 중요성

① 금형산업은 제조업의 생산 효율성 및 경제안보 측면에서 중요성을 보유

금형은 제조업의 대량생산의 기반을 제공해 제조업의 생산 효율성 확보에 기여하고 있다. 금형은 제품을 생산하는 ‘틀’의 역할을 수행하는 자본재로서, 동일한 규격의 제품을 빠르게 효율적으로 대량생산할 수 있는 환경을 제공하고 있다.

금형 제작은 경제학적으로 고정비용에 해당하기 때문에 제품을 생산할수록 금형의 평균 비용이 급격히 감소하며, 금형을 이용해 제품을 생산함으로써 제품 1단위 생산에 대한 비용(한계비용) 및 생산 시간이 크게 감소해 수작업 및 절삭 가공을 통한 제품 생산 대비 생산 단가가 크게 낮은 이점을 보유하고 있다.

또한 금형을 통해 동일한 품질의 제품을 대량생산하기 때문에 자동차와 같이 수만 개의 부품이 조립되는 제품에서 어떤 부품이든 사용 가능한 호환성을 확보하는 것이 가능하다. 이는 조립 라인의 자동화 및 불량률 통제의 기반으로 작용하고 있다.

원활한 대량생산 체계 구축을 위해서는 금형 생산 과정에서 고도의 정밀도 및 숙련도가 필요하다. 금형 표면의 상태가 최종 제품에 큰 영향을 미치기 때문에 고도의 정밀도와 숙련도가 갖춰지지 않으면 제품 생산의 불량률 증가를 야기해 대량생산을 통하 효율성 확보에 악영향을 초래하게 된다.

② 제품의 안정적인 생산을 위한 필수적 재화로 경제안보적 측면에서 보호가 필요한 산업

금형은 앞으로 출시될 신제품의 디자인과 구조를 담고 있는 핵심 정보 자산으로, 금형 설계도에는 최종 제품의 설계 도면, 치수, 소재 배합 등 제조 노하우가 포함된다. 따라서 금형의 설계 도면이나 실물이 경쟁사로 유출될 경우, 신제품 전체가 노출되는 것과 같은 효과가 있다.

금형은 제조업 자립을 위한 필수 품목으로 금형 공급망이 특정 국가에 종속된 상황 속 해당 국가와의 관계가 불안정해지는 경우, 금형 수급이 불가능해지면 신제품 개발 및 출시 등이 어려워진다. 제조업이 안정적인 생산 활동 및 신제품 개발을 영위하는 등 제조업 자립을 위한 필수 품목으로서 역할을 하고 있다. 

(3) 경제적 특징

① 전방산업 경기 변동에 영향을 크게 받는 산업

금형산업 수요는 전방산업의 제품 생산 계획에 의해 결정된다. 파생수요의 성격을 가지고 있는 금형 특성상 전방 산업의 경기가 침체되면 수요기업들의 금형 발주가 감소한다. 금형 제작 기간은 종류, 시사출 기간 등에 따라 상이하나 짧게는 2~3주, 길게는 1~1년 6개월 정도의 시일이 소요된다. 전방산업의 경기가 침체되어 설비투자가 감소하면 금형에 대한 수요가 줄어들면서 금형 발주 역시 하락하게 된다.

② 다품종 소량생산 체계로 규모의 경제가 적용되지 않는 산업

금형은 대량생산 체계의 기반을 제공하나, 금형산업은 대량생산에 따른 규모의 경제가 작동하지 않는 산업이다. 하나의 금형으로 수많은 제품을 생산하는 특성에 기인한 것으로 금형은 한 번 만든 제품을 똑같이 만드는 경우가 거의 없는 제품으로 반복 생산에 따른 비용 절감 효과를 기대하기 어렵다.

또한, 수요기업의 제품이 변화함에 따라 설계~가공에 이르는 과정의 조건이 매번 달라지기 때문에 공정을 자동화하기 어려운 측면이 존재한다. 따라서 숙련 근로자에 대한 의존도가 높으며, 숙련공 실력에 의해 제품의 질적인 측면 및 생산성이 결정되는 구조이다.

③ 고정비가 높고 자금회수 리스크가 높은 산업

금형기업을 설립하기 위해서는 정밀 가공 장비 및 소프트웨어 구입 비용 등 높은 고정비가 발생한다. 즉, 매출이 발생하지 않더라도 금형기업이 구비해야 하는 자본에 대한 지출로 막대한 금액의 선투입이 필요함을 의미한다. 또한, 금형 생산시 소요되는 원자재비, 인건비, 외주가공비도 금형기업이 금형을 생산하는 과정에서 선지출하고, 금형을 납품한 이후 대금을 받는 구조가 형성되어 있다. 이로 인해 장부상 흑자가 발생하더라도 실제 현금이 융통되지 않아 부도가 날 수 있는 리스크가 존재한다. 

④ 중소, 영세기업 중심의 산업 생태계 구조

다품종 소량생산 체계로 인해 중소, 영세기업 중심의 산업구조가 형성되어 있다. 규모의 경제가 작동하지 않는 산업 특성상 규모가 큰 기업이 모든 공정을 내재화해 수행하는 것은 비효율적이다. 이로 인해 기업들은 설계, 가공, 사상, 열처리 등 특정 공정만 전문화해 효율성을 확보하고자 했으며, 결과적으로 수직적 분업 구조가 형성되었다. 대다수 금형기업은 영세성을 벗어나지 못하고, 연구개발 투자 및 인재 육성 등이 어려운 구조에 봉착하게 되었다.

⑤ 공정별로 고도의 전문성을 가진 여러 협력업체들이 네트워크를 형성해 유기적으로 협력하는 분업 구조를 형성

분업 구조로 인해 전문화된 기업들이 지리적으로 인접한 지역에 밀집하는 경향이 노출되었다. 지리적 인접성 확보를 통해 물류 비용 및 운송 시간을 최소화하는 것이다. 금형은 공정간 이동이 잦을 뿐만 아니라 무게가 무거운 특성으로 인해 물류 비용 및 운송 시간에 단점이 존재한다. 

또한, 실제 금형 생산간 발생하는 수정 사항 및 문제 해결 등을 위해 엔지니어간 대면 소통이 필수다. 그래서 물류 비용 절감 및 운송 시간 단축, 원활한 엔지니어간 소통을 위해 협업 관계에 있는 기업들이 물리적으로 밀집하는 경향을 노출하게 되었다.

(4) 기술적 특징

① 높은 정밀도 및 신뢰도가 요구되는 산업

대량생산되는 제품의 균일한 품질 유지를 위해 금형 자체에 높은 정밀도 및 신뢰도가 요구된다. 한 번 제작된 금형은 수십만 번 이상 사용되기 때문에 지속되는 극한 환경에서도 변형이 발생하지 않는 높은 신뢰도를 요구한다. 

금형 제품의 변형은 금형을 통해 생산되는 제품의 품질 및 규격에 변동이 발생함을 의미하며, 일반 기계 부품이 0.1~0.01mm 단위의 오차를 허용한다면 금형은 10분의 1 수준인 미크론(0.001mm) 단위의 정밀도를 요구한다. 

각 금형 부품의 정밀도가 낮으면 제품 생산간, 부품간 유격에 따른 마찰이 발생하고, 이로 인해 손상이 생기며 또한 스트레스가 누적되면 생산 과정에서의 압력에 의해 금형이 마모되거나 파손되는 상황이 발생하게 된다.

② 다양한 공학 분야가 융합, 적용된 산업

금형산업은 재료공학, 유체역학, 열역학, 운동학 등의 전문 지식이 요구되는 산업으로, 수많은 제품 생산간 발생하는 고열 및 충격을 견디기 위해 특수강 등에 대한 이해 및 열처리와 관련해 재료공학 지식이 필요하다.

유체역학 및 열역학을 통해 응용된 재료(수지)가 금형 내부를 어떻게 흐르고 식는지에 대한 계산을 수행하며, 운동학은 복잡한 형상을 지닌 제품을 취출하기 위해 금형 내부에서 부품들이 순차적으로 움직이는 매커니즘을 설계하는 데 활용된다. 

③ 아날로그적 생산 방식과 디지털 전환이 혼재된 산업

CAD, CAE, CAM 기술 도입으로 설계 및 1차 가공은 표준화, 데이터화가 진행되었다. 반면, 금형의 최종 품질을 결정짓는 사상, 조립 등 공정은 숙련공에게 크게 의존하는 상황이다. 공정의 자동화를 위해서는 해당 공정의 데이터화 및 학습 등이 필요하다. 

사상 및 조립 등 공정은 자동화를 위한 데이터 수집이 어려울 뿐만 아니라, 현재 AI 및 로봇 등 기술을 통해 자동화를 추진하는 데 소요되는 비용이 매우 크기 때문에 비용 측면에서 비효율성이 발생한다.

④ 숙련 근로자 양성에 장기간이 소요되는 산업

금형 기술의 높은 기술적 난이도 및 암묵지의 특성으로 인해 숙련 근로자를 양성하는 데 약 7년 이상의 시간이 소요된다. 

암묵지는 상황별 대처 능력 및 감각을 활용한 공정 제어 등으로 구성된다. 금형 생산 과정에서 금형의 크기, 날씨 습도, 생산 장비의 특성에 따라 각종 설정값에 대한 판단이 상이하다. 또한, 금형 가공 중 발생하는 각종 소리, 진동, 냄새 등을 통한 상황 판단이 요구되나, 이러한 상황 판단 능력은 매뉴얼 등의 형태로 전승이 불가능한 지식이다. 따라서 금형 생산 중 현재 상황에서 얻어지는 각종 정보를 분석해 올바른 판단을 내리기 위해서는 장기간의 경험이 필요하다.

다품종 소량생산 특성상 미숙련 근로자가 경험을 쌓기 쉽지 않은 구조이다. 미숙련 근로자가 빠르게 숙련 근로자가 되기 위해서는 많은 경험을 쌓는 것이 필수적이나, 고가의 특수강을 이용하는 특성상 초보자가 실수로 금형 또는 공작기계를 파손시키는 경우에 막대한 손실이 발생하게 된다. 초보자가 전문적인 업무를 맡아 숙련도를 쌓는 데 오랜 시간이 걸리는 상황은 청년층이 금형산업을 기피하는 요인으로 작용할 수도 있다.

2. 금형산업 현황

 

뿌리산업실태조사는 타 조사와 다르게 금형산업에 대한 통계가 식별 가능한 자료이다. 뿌리산업실태조사는 주조, 금형, 소성가공, 용접, 표면처리, 열처리를 구분해 조사함으로써 금형에 대한 데이터가 식별이 가능하다. 한국표준산업분류상 금형은 C29293(주형 및 금형 제조업)에 속해 있어 주형과의 분리가 불가능하기 때문에 광업, 제조업 조사를 통한 현황 분석에 한계가 존재하고 있다. 금형산업의 최근 동향을 살펴보기 위해 본 연구에서는 2021~2023년 자료를 이용했다.

(1) 금형 사업체 수 현황

2021년 8,212개였던 금형 사업체 수는 2023년 9,659개로 증가했다. 같은 기간 중견기업은 33개에서 39개로, 중소기업은 8,179개에서 9,620개로 늘었다. 금형산업에서 대기업은 없는 것으로 분석되며, 기업 규모별 사업체 비중은 중견기업 0.4%, 중소기업 99.6%로 추정되며, 중소기업 비중이 높은 이유는 규모의 경제 실현이 어려운 금형산업 특성상 각 기업이 전문 분야에 특화한 결과로 사료된다.

(2) 매출 및 수출 현황

금형산업의 매출액은 2021년 약 17조 9,000억 원에서 2023년 약 16조 8,000억 원으로 감소했다. 업체당 평균 매출액은 2021년 약 21조 8,000만 원에서 2023년 약 17억 4,000만 원으로 줄었다. 2021~2023년 기간 중 산업의 총매출액은 감소한 데 반해 사업체 수는 증가하며, 업체당 매출액이 더 빠르게 감소했다. 

2021~2023년 기간 중 수출 활동을 영위한 금형 사업체 수는 각각 855개, 1,017개, 1,290개로 나타났다. 총수출액은 2021년 약 3조 3,000억 원에서 2023년 약 2조 8,000억 원으로 줄었으며, 업체당 평균 수출액은 2021년 약 38억 5,000만 원에서 2023년 약 21억 6,000만 원으로 감소했다.

 

 

4) 금형산업 종사자 현황

2023년 기준 금형산업 총 종사자 수는 7만 2,670명으로, 정규직 종사자는 6만 4,804명이며, 자영업자는 7,521명으로 추정된다. 2021년 대비 2023년 총 종사자 수는 5,378명 감소했으며, 이 중 정규직 종사자는 6,319명 줄어든 반면, 자영업자는 1,381명 증가했다.

 

동 기간 사업체 수 증가를 고려했을 때, 이러한 상황은 기존 정규직 종사자 중 일부 인원이 기존 금형기업에서 독립해 별도의 사업체를 설립하면서 발생했을 것으로 예상된다.

 

종사자의 비중은 40~50대 종사자가 가장 높은 것으로 나타났다. 2023년 기준, 50대 종사자 수는 약 2만 3,000여 명으로 전체 근로자의 31.5%를 차지했으며, 그 다음으로는 40대 종사자 수가 약 2만 1,000여 명으로 전체의 29.6%였다. 즉, 40~50대 종사자 수가 전체의 61.1%를 나타냈다.

2021~2023년 기간 동안 연령별 변동 동향을 살펴보면, 50대 및 60대 이상 근로자 수는 증가하고 있는 반면, 30대 미만과 30대, 40대 종사자 수는 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 30대 미만 근로자 수는 2021년 7,835명에서 2023년 4,898명으로 줄어드는 등 시간이 지남에 따라 신규 청년층 유입이 더욱 감소하는 있는 상황으로 추정된다.

 

현재 내국인 종사자의 급속한 고령화가 진행 중이다. 2021~2023년 기간 중 60대 이상 근로자의 비중이 4.8%포인트 상승했다. 총 종사자 수 동향과 마찬가지로, 50대 및 60대 이상 내국인 종사자 수는 증가하고, 30대 미만 및 30대, 40대 종사자 수는 감소하는 추세이다. 현재의 상황이 장기화되는 경우, 금형산업의 국내 존속에 위기가 발생할 수 있음을 의미한다 하겠다.

 

한편, 외국인 종사자의 비중은 30대가 가장 높은 것으로 조사되었다. 2023년 기준 전체 외국인 종사자 중 30대는 3,315명(49.4%)을 기록했으며, 그 다음 30대 미만 1,784명(28.1%), 40대 1,326명(20.9%)으로 나타났다. 내국인 종사자와 달리 50대 종사자는 98명(1.5%), 60대 이상은 2명(0.0%)에 불과했다.

 

 

(5) 인력 부족 현황

기능직 부문의 인력 부족이 가장 심한 것으로 조사되었다. 2023년 기준 전체 부족 인력 2,701명 중 2,180명은 기능직이었으며, 그 다음으로는 기술직 205명, 노무직 151명 순으로, 인력 부족 인원은 대부분 내국인인 것으로 나타났다. 

 

2021~2023년 기간 중 5개 직무 중 연구직, 기능직, 기타직 부족 인원은 감소한 반면 노무직, 기술직은 증가한 것으로 조사되었다.

(6) 월 평균 급여 현황

2023년 기준 금형산업의 월 평균 급여는 약 314만 원으로, 뿌리산업 평균 306.6만 원 보다 높은 수준이었다. 

 

내국인 월 평균 급여는 315.7만 원으로, 외국인 283.3만 원 대비 약 32.4만 원 더 높았다.

 

외국인 종사자의 경우 뿌리산업 평균 276.3만 원 대비 약 7만 원 더 높은 급여를 수령했으며, 세부 직무별로는 연구직의 월 평균 급여가 369.2만 원으로 가장 높았고, 그 다음으로 기술직 343.4만 원, 기능직 316.6만 원, 기타직 295.1만 원, 노무직 285.4만 원 순이었다.

 

금형산업 임금은 타 제조업 대비 낮은 수준으로 추정된다. 타 산업과의 임금 수준 차이를 알기 위해 사업체노동력조사에서 제공하는 업종별 상용임금과의 비교를 진행했을 때, 2023년 기준 사업체노동력조사에서의 제조업 평균 임금은 약 471.4만 원으로, 금형산업의 314만 원 대비 약 157.4만 원 높은 수준이었다.

 

임금 수준이 가장 높은 ‘코크스, 연탄 및 석유정제품 제조업’(999.4만 원)과의 차이는 약 685.4만 원으로 추정되었다.

 

금형산업이 속한 ‘기타 기계 및 장비 제조업’의 월 평균 임금은 약 423.5만 원으로, 금형산업 대비 109.5만 원 높은 것으로 나타났다. 이처럼 낮은 급여 수준은 청년층의 금형 업종 기피를 심화할 것으로 예상된다.