다양한 분야에서 신성장 엔진으로 성장 기대

KISTI 산업정보분석실 전문위원 유영복(Tel:02-3299-6050 e-mail:yybok@kisti.re.kr)

환경·에너지 문제 해결의 열쇠가 될 탄소 기반 복합소재
복합소재는 금속, 세라믹, 고분자 소재, 탄소 소재 등 서로 다른 종류의 소재들이 각각의 기능에 따라 결합된 형태의 소재이다. 최근에는 그래핀, CNT 등의 나노 탄소소재 기술의 발전으로 기존의 복합소재 시장에서 단순히 두 가지 이상의 소재가 섞인 복합소재가 아닌 기존에 없었던 아예 새로운 신소재로 ‘복합’의 개념이 재정의되고 있다.

이 중에서도 탄소 기반 복합소재는 탄소 고유의 특성인 금속대비 경량화 특성 외에 전기전도성, 열전도성, 고강도, 난연성, 물질차단성(barrier 특성), 내화학성, 투명성, 친환경성 등의 다양한 탄소 특성을 가짐으로써 이를 고분자, 금속 등의 다른 기능성 소재와 융합하여 한 가지 소재로 여러 가지 기능을 구현할 수 있는 핵심 소재이다.

탄소 기반 복합소재는 다양한 탄소 특성을 가짐으로써 이를 고분자, 금속 등의 다른 기능성 소재와 융합하여 여러 가지 기능을 구현할 수 있는 핵심 소재이다.

다기능 복합소재는 부품의 수와 재료 사용량을 줄여 최종 제품의 성능 및 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다는 장점으로 인하여, 최근에는 쇼와덴코, 미쓰비시 화학, 다우, 바이엘, 하니웰 등 글로벌 소재기업들과 LG, 삼성, 한화 등의 국내 대기업들이 탄소를 기반으로 한 다기능 복합소재 개발에 박차를 가하고 있다.

복합소재는 복합 혹은 융합의 특성에 따라 나노필러 복합소재, 하이브리드형 복합소재, 알로이형 복합소재 등 크게 세 가지로 구분된다. 탄소 기반 복합소재는 최근 대부분 산업에서 가장 이슈가 되고 있는 환경·에너지 문제 해결에 상당한 기여를 할 것으로 보인다.

경량화·절전을 통한 에너지 효율화, 철강 제조 시 생성되는 탄소 폐기물(키쉬 그라파이트 등) 재활용, 희소 자원 절감 등을 통한 환경 보호, 수질개선과 물 부족 해소를 위한 수처리 고도화 등의 분야에서 복합소재 수요가 확대되고 저변도 넓어질 전망이다. 일부 소재기업들은 새롭게 부각되고 있는 환경·에너지 문제 등 새로운 고객 니즈에 효과적으로 대응하기 위하여 새로운 비즈니스 모델의 혁신을 추진하고 있다. 즉 최근 소재 산업 트렌드는 수요 산업의 융·복합화에 그치지 않고 소재 관계사 또는 외부 소재 기업과의 협력 융복합화를 더욱 중시하고 있는 추세이다.

 
탄소 기반 다기능 복합소재 세계 시장, 향후 10년 약 두 배 성장 전망 
 지금까지 주요 소재인 금속, 화학, 세라믹 영역에서도 점진적 개선이 지속되어 왔으나, 최근 다양한 니즈에 대응하기에는 한계점으로 보인다. 금속제품은 충격에 강한 반면 무겁고 화학적 내성이 약하며, 반면 화학제품은 가볍지만 금속만큼 강하지 않고, 대부분 절연성을 가지는 한편, 세라믹제품은 내열성∙내화성 및 강도가 우수하나 성형이 어려운 특성을 지니고 있다.

그러나 산업 고도화에 따른 수요자들의 다양한 니즈를 해결하기 위해서는 현재의 소재들은 분명 기술적 한계를 보이므로, 이러한 한계상황 극복을 위하여 다양한 소재 간의 융복합화가 필요하며, 특지 여러 우수한 물성을 가진 탄소 기반 소재가 주목받고 있는데, 이는 새로운 물성을 가진 소재에 대한 필요성이 증대되고, 나노기술(NT)이 발전됨에 따라 분자 수준의 제어가 가능해지면서 다양한 탄소 기반 소재가 등장하였으며 현재 여러 시장에 적용되고 있고 그 적용 범위가 점진적으로 확대되고 있는 추세이다.

 
다기능 복합소재 시장의 가장 핵심이 되는 탄소 소재를 중심으로 탄소 소재들이 핵심 소재가 될 수밖에 없는 장점 및 특성을 아래와 같이 요약할 수 있다.

ㅇ 탄소 기반 복합소재는 탄소 고유의 특성인 금속대비 경량화 특성 외에 전기전도성, 열전도성, 고강도, 난연성, 물질차단성(barrier 특성), 내화학성, 투명성, 친환경성 등이 다기능 특성을 구현할 수 있는 다양한 제품 창출이 가능함

ㅇ 복합소재용 탄소 소재 중 그래핀, CNT 나노 입자로 제조 및 분산 처리되면, 폴리머, 금속 등과 복합체화가 용이하며 나노 입자에 의한 복합체의 고강도 발현뿐만 아니라 높은 전기전도성으로 인한 정전기 방지(ESD), 전자파 차폐(EMI) 특성 구현이 가능하며 치밀한 분자 구조로 인한 수분 등의 다양한 기체 차단 베리어 특성의 제품 상용화가 가능함

ㅇ 탄소 섬유, 카본 블랙 등의 탄소 소재를 이용한 복합소재는 가볍고 강하여 내구성 높은 자동차 및 항공 등 수송기기용 고강도 자동차용 플라스틱 복합소재 제품으로의 활용이 가능하며 비교적 쉬운 공정을 이용하여 제조할 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니라 다양한 전기적/열적 다기능 특성으로 인하여 대전방지(ESD) 제품으로의 상용화도 가능함

ㅇ 그래핀 등의 탄소 소재를 이용한 코팅 제품은 수분이나 다양한 화학 용매, 화학 가스 등의 침투로 인한 부식을 방지하여 식품포장재, 건축단열재, 전자기기 포장재 등으로의 제품화에 따른 폭넓은 고기능성 포장재 시장 창출도 가능함

ㅇ 포스코 등에서 개발 중인 나노 그래핀 프라이머에 의해 부식방지막이 형성된 강판 기술은 강판의 수명 향상이 기대되어 고신뢰성 내부식 고부가가치 강판 제품 상용화가 가능함

ㅇ 그래핀, CNT 등의 고전도성, 방열 탄소 복합소재는 기존의 고가 금속 소재를 대체하거나 사용량 감소를 통한 저가 대체 소재로 사용되어 전자기 차폐, 방열 등의 다기능 자동차 전장부품 및 디스플레이용 부품으로 상용화가 가능함

이러한 여러 시장을 고려할 때, 탄소 기반 다기능 복합소재 세계 시장은 2015년 33조 원에서 2025년 약 60조 원으로 10년 동안 약 두 배 정도로 그 시장규모가 급속히 성장하리라 예측된다.

 

 
탄소 기반 다기능 부품소재 세계 시장은 2015년 약 33조 원에서 2025년 약 60조 원으로 10년 후 약 두 배 정도로 급속히 성장하리라 예측된다.

시장별 참고 자료 나타낸 바와 같이, 탄소 기반 다기능 복합소재 시장은 자동차용, 포장지용, 전자차폐 등의 전자재료용, 고내식 강판용 등 그 응용분야가 다양하지만 그중에서도 경량/BARRIER특성/ESD 특성이 요구되는 고기능 필름 시장 그리고 방청/ESD 특성이 요구되는 고내식 강판시장의 점유율이 가장 높을 것으로 예측되며, 특히 자동차용 다기능 복합소재는 현재 시장에서 가장 수요가 많아 기술개발이 이루어질 경우 매출 증대로 곧바로 이어질 수 있다고 전망된다. 시장별 참고 자료 제시된 탄소 기반 다기능 복합소재의 분야별 현재 세계 시장, 예상되는 세계 시장 규모 및 연평균성장률(CAGR)은 아래 그림과 같다.

다기능 탄소 복합소재 세계 시장규모 예측

 또한 2012년 10월에 발행된 한국섬유산업연합회 보도자료에 따르면, 한국의 탄소 소재 시장의 세계 시장 점유율은 2% 내외 수준이며, 이를 토대로 다기능 탄소 복합소재의 국내시장규모를 추정해보면 아래 그림과 같다.

다기능 탄소 복합소재 국내 시장규모 예측
탄소 기반 다기능 복합소재, 횡적 R&D를 통한 개발 전략이 바람직
 소재부품 기술 트렌드는 글로벌 기업들의 전통적인 성장방식인 종적인 R&D 성장 방식을 벗어나 유기+무기+금속 소재 간의 그룹 내 계열사 혹은 외부 동종 소재기업들 간의 상호 연계(복합화)를 바탕으로 하는 횡적인 R&D 전략으로 기업의 성장방식이 변모하고 있다.

이러한 전 세계적인 기술 개발 및 기업 성장 트렌드는 기업들 간의 협업, 인수합병, 발전 전략 등에 새로운 트렌드로 자리 잡고 있으며 향후 우리나라의 전통 산업인 IT, 자동차 등의 산업 성장 방식에 있어 새로운 전략이 요구되고 있다.

소재부품 기술 트렌드는 글로벌 기업들의 전통적인 성장방식인 종적인 R&D 성장 방식에서 벗어나 탄소를 기반으로 한 유기+무기+금속 소재 간의 그룹 내 계열사 혹은 외부 동종 소재기업들 간의 상호 연계(복합화)를 바탕으로 하는 횡적인 R&D 전략으로 기업의 성장방식이 변모하고 있는 추세이다.

이와 같은 전략을 추구하고 있는 대표적인 기업은 일본의 쇼와덴코(Showa Denko)와 미쓰비시 화학 홀딩스(Mitsubishi Chemical HD)를 그 예로 꼽을 수 있다. 일본의 전자소재 및 스페셜티 화학 분야 선두 기업 중 하나인 쇼와덴코는 2000년 이후부터 본격적인 혁신을 시도하면서 종합 화학기업보다는 개성 있는 화학 기업(Unique Chemical Company)을 지향해왔다.

이를 위해 기존 사업 영역을 기반으로 탄소를 기반으로 한 ‘유기+무기+금속의 상호 연계(복합화)’로 사업 조직 및 전략을 재정의하였다. 이는 탄소 기반 유기·무기 소재 기술의 상호 연계와 자신들의 소재 개발 경험을 바탕으로 새로운 성장 사업을 위한 R&D를 강화한다는 내용이다.

한 예로 반도체 공정의 진보로 인해 요구되는 소재의 변화 흐름에 빠르게 대응하기 위해 그룹 내에 쇼와 하이폴리머(Showa Hipolymer), 일본 폴리텍(Nippon Polytech) 등의 회사와 협력을 강화하고 있다. 각자의 기술과 노하우를 바탕으로 유무기 복합재료 등의 기능성 화학제품 분야를 목표로 공동연구 개발을 하고 있다. 또 하나의 사례로서 매출규모로 일본 최대 종합화학 기업인 미쓰비시 화학 홀딩스를 들 수 있다.

2005년 당시 미쓰비시 화학, 미쓰비시 플라스틱, 타나베 미쓰비시 제약 등을 자회사로 둔 지주회사 체제로 출범한 미쓰비시 화학 홀딩스는 협업 기능 강화와 함께 기술 개발 등의 복합화를 진행시켜 “복합화학” 기업을 목표로 하였다. 즉 사업마다 종적인 R&D에서 벗어나 횡적인 R&D를 강화해 나간다는 것이다. 또한 미쓰비시 화학 홀딩스는 소재 기술의 확보와 시장 확대를 위하여 스위스 쿼드런트(Quadrant)와 전략적 제휴를 맺고, 50:50의 조인트벤처(J/V) 회사를 설립하였다.

쿼드런트는 엔지니어링 플라스틱, 복합소재 등에서 세계 시장점유율 1위 기업이다. 미쓰비시 플라스틱은 이미 보유하고 있는 플라스틱, 금속, 탄소 섬유 기반의 기능성 소재와 쿼드런트의 핵심 소재 간의 복합화를 추진하여, 탄소 기반 고기능 복합소재 사업을 확대한다는 전략이다.(참고자료; 2010년 LGERI Report "소재혁명 불 지피는 복합소재")

 
혁신적인 탄소 기반 다기능 복합소재 개발은 소재산업 특성상 중장기적 관점에서 접근할 필요성이 있지만 그룹 내 소재 계열사 및 외부 소재 기업들 간의 횡적인 융복합 기술개발을 통할 경우 개발 시점이 앞당겨질 수 있고, 개발비용도 절감될 수 있다는 두 가지 효과가 있으므로, 기업 계열사들 간의 횡적 R&D를 통한 탄소 기반 다기능 복합소재 개발 전략이 보다 바람직하다고 판단된다. 이러한 R&D 전략을 통하여 기술 개발을 성공할 경우 기업 전체의 경쟁력이 극대화될 수 있으며, 국가적 차원에서도 핵심 부품소재산업의 성장 기반이 동시에 마련될 수 있는 기회이기도 하다.

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