기획

■아연동친환경 Smart 표면처리 강판아연동친환경 Smart 표면처리 강판은 냉연 강판 표면에 기존 보다 얇은 고기능성 박막을 진공 중에서 전자기 유도가열에 의한 부양 및 고속 증발기술로 코팅해 자동차, 영상가전, 건축의 내구성을 획기적으로 향상시킨 차세대 철강소재다.이 소재는 오염물질 배출이 없고 기능성을 강화한 독자적 핵심기술을 이미 확보해 강력한 진입장벽 형성이 가능하다. 최근에는 세계1위의 철강사인 유럽 Arcelor-Mittal사가 유사 기술 개발에 나서 경쟁이 치열해 지고 있다.2018년 친환경 Smart 표면처리 강판 세계 시장규모는 224조원으로 7조2,000억원의 매출과 3,600명의 신규고용 창출이 기대된다.■수송기기용 초경량 Mg 소재수송기기용 초경량 Mg 소재는 가장 가벼운 금속소재로서 고강도·고성형성 기술을 적용해 수송기기의 고성능화 및 경량화를 통해 탄소배출의 획기적 저감과 에너지 효율을 제고하는 녹색소재다.이 소재는 그린수송기기 핵심소재로 연평균 12% 이상 고속성장이 예상되며 우리나라는 신합금 및 가공용 중간재 제조 관련 세계 최고 수준 기술력을 확보하고 있어 세계시장 선점이 가능하다.핵심기술로는 고강도 형재 고속 압출기술, 고성형성 판재 고효율화 기술, 고내식 합금 설계기술 등이 있다.수송기기용 초경량 Mg 소재의 2010년 세계 시장규모는 2조7,000억원이며 4,000억원의 매출과 2,600명의 고용창출이 기대된다. 기술개발 시 경량소재 분야 선점을 통한 그린수송기기 성장동력 확보 및 온실가스 저감의 효과도 예상된다.■Ni 저감형 Eco-stainless 강재Ni 저감형 Eco-stainless 강재는 고가인 Ni의 함량을 최소화하고 자원 재생율을 극대화한 친환경 소재로서 초고강도, 고인성 및 내식성, 내마모성 등 다양한 특성을 가진 새로운 스테인리스 철강소재다.우리나라는 고질소 내식강 분야에서 세계 최고 수준의 핵심기술을 이미 확보해 세계적 고유 브랜드화가 가능하며 기존 스테인리스강을 대체해 신시장을 창출 할 것으로 기대된다.우리나라는 2018년 고질소내식강 목표수준을 강도 800Mpa, 연성 20%로 잡았다.이 소재의 2018년 세계 시장규모는 3조6,000억원으로 매출 6,500억원, 1만9,500명의 고용창출이 예상됐다.■원자력 발전용 핵심소재원자력 발전용 핵심소재는 안전성, 경제성, 지속성을 향상시킬 원전 핵심부품인 핵연료 피복관, 증기발생기, 1차 및 2차 계통에 적용할 소재를 말한다.이 소재를 개발 시 독자적인 원전 설계 및 제조 기술의 확보가 가능해지며 이로 인해 부품, 조립 등 원전 산업을 입체화해 세계 원전 시장을 주도할 것으로 기대된다.핵심기술로는 Ni계 고성능 전열관 소재기술, Zr계 고성능 고유 핵연료 제조기술, SIC 세라믹 복합소재기술 등이 있다.2018년 원자력 발전용 핵심소재 세계시장 규모는 9조7,000억원으로 우리나라는 2조9,000억원의 원전소재 수입대체효과와 1만7,400명의 고용창출이 예상된다. 또한 기술개발 시 세계 최고 수준의 원전소재 경쟁력 확보 및 세계 4번째 소재 생산국으로서의 위상 강화 효과도 기대된다. ■에너지 절감·변환용 다기능성 나노복합소재에너지 절감·변환용 다기능성 나노복합소재는 금속, 고분자, 세라믹 기지내에 탄소나노튜브, 그래핀 등 나노 구조체를 분산시켜 기능을 혁신적으로 개선하고 신기능을 창출하는 다기능성 나노복합소재다.우리나라는 선진국과 동등 수준의 나노복합소재 관련 원천 기술을 이미 확보했다. 또한 세계적으로도 관련 제품 제조가 초기단계여서 향후 10년 이내 시장 성장성이 매우 높은 첨단 신소재다.핵심기술로는 복합·융합소재 기능 부여 설계기술, 나노복합소재 대용량 제조기술 등이 있다.이 소재의 2018년 세계시장 규모는 40조원으로, 4조원의 매출과 2,500명의 고용창출이 기대된다. ■다기능성 고분자 멤브레인 소재다기능성 고분자 멤브레인 소재는 친환경 수처리 및 고성능 연료전지에 사용될 수 있는 다기능 분리특성 고분자 소재다.이 소재는 향후 사회적 문제로 대두되는 물산업용 소재로 유망하며 그린에너지 생산, 환경부하 저감 등에 다양하게 활용가능하다.핵심기술로는 내파울링성 분리막 제조기술, 선택성·저압고투과성 향상 기술, 내구성 향상 기술 등이 있다.다기능성 고분자 멤브레인 소재의 2018년 세계시장 규모는 20조원으로 6조원의 매출과 2,100명의 신규 고용창출이 기대된다.■고차단 가변특성 폴리올레핀계 소재고차단 가변특성 폴리올레핀계 소재는 극성올레핀과 비극성올레핀을 공중합해 세계 최초로 상업화 할수 있는 물질로 기존의 물성과 더불어 투명성, 가스 차단성, 접착성, 내열성 등 특화된 기능성을 갖는 신개념의 폴리올레핀 소재다.원천 기술력 확보 시 시장 지배력의 지속 확보가 가능하며 자동차 내외장재, 전기전자용, 의료용, 제품포장용, 건축용 등에 사용 가능하다.핵심기술로는 비극성·극성 촉매중합, 구조설계 기술, 초고유동성 폴리올레핀 제조 기술 등이 있다.이 소재의 2018년 세계시장 규모는 29조원으로 5조8,000억원의 매출, 1,000명의 신규 고용창출이 기대된다.■Flexible 디스플레이용 플라스틱 기판 소재Flexible 디스플레이용 플라스틱 기판 소재는 평판 디스플레이의 유리기판을 대체해 휘거나 구부릴 수 있는 디스플레이를 구현할 수 있는 핵심소재로서 저가·대면적 공정에 필수적인 소재다.이 소재는 고분자 소재, 필름, 투명전극 등 통합개발이 요구되며 롤투롤 연속공정을 통해 저가·대면적화가 가능해 제조원가를 획기적으로 낮출 수 있다.핵심 기술로는 필름 제막 기술, 광학코팅 및 COP계 수지·필름 기술, 투명전극 성막 기술 등이 있다.2018년 Flexible 디스플레이용 플라스틱 기판 소재 세게 시장 규모는 8조원으로 2조7,000억원의 매출과 1,100명의 신규 고용 창출이 기대된다. 특히 이 기술 개발 시 디스플레이 최강국의 지위를 유지할 것으로 예상된다.■인쇄전자용 잉크 소재인쇄전자용 잉크 소재는 기존 리소그래피 공정을 인쇄공정으로 대체해 획기적으로 원가절감이 가능한 물질로 다양한 전자·광학 기능을 갖는 소재를 잉크화해 디스플레이 및 전자소자에 적용가능하다.이 소재는 저가격, 친환경, 유연, 대면적, 대량생산 및 저온 등 획기적인 공정상의 장점을 제공할 수 있는 소재이며 RFID, 디스플레이, 조명, 태양전지, 이차전지 등 신산업 창출을 가능케 한다.핵심기술로는 유기반도체 설계·합성 기술, 나노입자화 및 분산기술, 잉크의 인쇄적합화 기술 등이 있다.2018년 인쇄전자용 잉크소재의 세계시장 규모는 11조원으로 3조3,000억원의 매출과 2,700명의 신규 고용창출이 기대된다■고에너지 이차전지용 전극(양극, 음극)소재고에너지 이차전지용 전극(양극, 음극)소재는 전자제품, EV, 로봇 등에 적용되는 이차전지용 필수 소재다. 이는 고용량, 고안전성, 저가격 등 이차전지 성능과 코스트를 좌우하는 전극소재로서 국내 전지 제조업체의 시장점유율이 높아 개발 시 지속적인 시장지배가 가능할 것으로 전망된다.핵심기술로는 LMO 및 LMP 제조기술, SC 및 천연흑연 제조 기술, Si합금 제조 기술 등이있다.이 양극, 음극 소재는 2018년 세계시장 7조원, 2조8,000억원의 매출, 2,000명의 신규 고용창출효과가 기대된다. 또한 이차전지의 최대 용량 구현으로 원천기술 개발 및 시장을 주도할 수 있는 분야다.■고성능 LED용 패키징소재고성능 LED용 패키징소재는 차세대 광원으로 부상하고 있는 LED 소자 제조에 사용되는 봉지제, 렌즈, 접착 소재와 LED 고속냉각을 위한 양자선 나노튜브 소재 등을 말한다.이 소재는 친환경, 고효율화 요구로 인해 폭발적 성장세가 유지될 것으로 예상되며 해외 수입의존도가 높아 대체 시 국가경쟁력 향상에 기여도가 높을 것으로 보인다.핵심기술로는 고굴절율 실리콘 소재 중합 및 물성 제어기술, 1-D 양자선 나노튜브 합성 및 성형기술 등이 있다.LED용 패키징 소재 세계시장은 2018년 2조6,000억원, 7800억원 매출과 2,500명의 신규 고용 창출이 기대되며 원천소재 확보 및 신뢰성 향상을 통래 LED 시장을 주도할 것으로 예상된다.■그린폴리머소재그린폴리머소재는 생산과정에서 CO2배출이 적은 생분해성 소재로 비식량자원을 원료로 사용해 기존의 석유기반 폴리머소재를 대체하는 물질을 말한다. 저탄소 녹색성장의 기반소재로서 세계적으로 개발초기 단계여서 시장확대 및 점유가 가능하며 그린카, 전기전자, 건축용 소재 등에 적용 가능해 후보에 올랐다.주요기술로는 셀룰로오즈·리그닌 복합재 제조기술, 바이오기반 단량체 생산 기술 등이있다.그린 폴리머 소재의 2018년 세계시장규모는 69조원으로 13조8,000억원의 매출, 1,500명의 신규 고용창출이 기대된다. 또한 생분해성 및 바이오기반 고분자 소재 시장도 창출 가능할 것으로 기대되는 분야다.■바이오 메디컬 소재바이오 메디컬 소재는 단백질, 아미노산 등 생체친화 화학소재와 생분해성 금속, 고청정 금속소재를 융합한 소재다. 이 소재는 인구 고령화에 따른 헬스케어 수요 급증으로 큰 성장이 예상되며 기존의 생체소재로 대응할 수 없는 신규수요를 창출함으로써 세계 미래 의료시장의 선점이 가능할 것으로 전망된다.핵심기술로는 단백질 생산 수율 및 순도 향상 기술, 고품위 금속 생산 기술, 비천연 아미노산 생산 기술 등이 있다.바이오 메디컬 소재의 2018년 세계시장 규모는 11조원으로 2조2,000억원의 매출과 7,000명의 신규 고용창출이 기대된다.■초고순도 SiC소재초고순도 SiC소재는 신재생에너지 및 EV에 사용되는 고효율 전력변환 에너지 반도체와 LED·반도체 공정에 적용 가능한 초고순도 SiC 미래소재다.이 소재는 전세계적으로 초기단계이며 기존 소재 대비 뛰어난 전기에너지 효율, 대전력, 고집적화가 가능해 반도체, 자동차, LED산업이 세계 최고수준으로 성장하기 위해선 반드시 필요한 소재다.핵심기술로는 초고순도 SiC 전구체 및 원료합성 기술, 고품위 SiC 단결정 성장기술, 반도체·LED 핵심공정용 초고순도 SiC소재 등이 있다. 초고순도 SiC소재의 2018년 세계시장규모는 3조7,000억원으로 1조3,000억원의 매출과 5,000명의 신규 고용창출이 기대되며 이 소재를 기반으로 한 신재생에너지, EV, 차세대 반도체·LED분야의 경쟁력 강화도 예상된다.■LED용 사파이어 단결정LED용 사파이어 단결정은 고효율, 고휘도 GaN LED에 사용되는 사파이어 단결정 기판 소재다. 세계시장 선도를 위해서는 대구경 및 잉곳 사용효율이 높은 사파이어 단결정 육성기술이 필수적으로 개발돼야한다.핵심기술로는 무결점 단결정 성장기술, 대구경 성장기술, 잉곳 사용효율 50% 이상의 결정 성장 기술 등이 있다.이 소재의 2018년 세계시장규모는 2조4,000억원으로 7,200억원의 매출과 3,000명의 신규고용창출이 기대되며 기술 개발 시 LED산업의 기술 및 시장을 선도할 것으로 전망된다.■질화물계 반도체 단결정 소재질화물계 반도체 단결정 소재는 Si 계 반도체의 재료 특성한계를 뛰어넘는 차세대 반도체 재료로 고온·고출력·고속반도체 및 LED, LD, 하이브리드카 등에 활용되는 물질이다.세계적으로 고품질 대구경(4인치 이상) 단결정 양산 업체는 전무한 상태로 기술개발 시 소재 사업뿐 아니라 소자·모듈·기기 사업경쟁력이 제고 될 것으로 기대된다.핵심기술로는 고품질 질화물 단결정 용액 성장기술, 질화물 단결정 조성 제어기술, 질화물 단결정 전도성 조절기술 등이 있다.이 소재의 2018년 세계 시장규모는 1조9,000억원으로 5,700억원의 매출과 910명의 신규 고용창출이 기대된다. 또한 질화물 반도체소재 분야의 세계시장 선점 및 소자기술 경쟁력제고의 효과가 예상된다. ■대용량 전력저장 소재대용량 전력저장 소재는 신재생에너지를 국가 전력전송망 및 스마트그리드에 연결하기 위해 필수적인 MW급 이상의 고효율·고신뢰성 대용량 전력 저장용 세라믹소재로서 NaS 전지 등에 활용된다.이 소재를 개발해 세계적 지배력을 확보하고 있는 국내 상온형 이차전지 Set업체와 연계 시 고유브랜드화가 가능할 것으로 예상된다.핵심기술로는 주요 소재인 관형 베타알루미나 전해질 소재, 용융 황·그라파이트 펠트 양극 소재 등이 있다.대용량 전력저장 소재의 2018년 세계시장 규모는 1조3,000억원으로 1,300억원의 매출과 2,000명 신규 고용창출이 예상된다. 기술개발 시 이차전지와 연계해 세계 최대 용량 전지기술 확보가 가능해져 신재생에너지 등 분산발전 및 원자력, 스마트그리드 확대 보급의 효과가 기대된다■녹색 지능형 무연 압전 소재녹색 지능형 무연 압전 소재는 친환경소재이고 미래형 자동차의 자동주차 시스템에 장착돼 세계 최초 원거리 초음파 센서용 세라믹 소재로서 기존 연계 압전소재보다 성능이 뛰어나다.이는 미래형 자동차의 기본사양으로 탑재될 자동 파킹시스템의 공간 이미지 센싱용 초음파 센서 소재로서 세계적으로 아직 미완성돼, 개발완료 시 세계 최초의 독점적 소재 산업을 확보하게 된다.핵심기술로는 고감도 무연 경압전체 조성 및 적층 성형기술, 대전력 무연 압전 소재용 나노 분말합성 기술 등이 있다.녹색 지능형 무연 압전소재의 2018년 세계시장규모는 3조,2000억원이며 1조,9000억원의 매출과 3,500여명의 신규 고용창출이 기대된다. 특히 기술개발 시 국제환경규제대상인 기존의 모든 압전소재를 무연소재로 대체해 친환경소재 시장을 선점할 수 있는 효과가 있다.■탄소저감형 프리미엄 케톤 섬유탄소저감형 프리미엄 케톤 섬유는 고강력, 고탄성율과 함께 우수한 계면 적합성을 가지는 소재로서 기존 타이어코드, 산업용 보강재 등으로 활용되는 아라미드 섬유를 대체 가능한 세계 최초의 산업용 섬유 소재다.이 소재의 개발 시 우리나라는 새로운 산업용 섬유 원천소재를 확보하게 되며 아라미드 섬유 대비 70% 수준의 가격경쟁력을 갖게 돼 아라미드 섬유 시장을 대체할 수 있다.우리나라는 세계 최초 고성능 폴리케톤 섬유개발과 폴리케톤 섬유·수지 응용 복합소재 개발 등을 목표로 삼았다.2018년 탄소저감형 프리미엄 케톤 섬유의 세계시장규모는 4조9,000억원, 1조4,700억원의 매출과 3,700명의 신규 고용창출이 기대됐다. 또한 기술개발 시 자동차, 전기전자, 항공기, 산업용 부품소재 수요시장이 창출되고 세계 시장을 선점할 것으로 전망됐다.■신 아마이드계 합성수지·섬유신 아마이드계 합성수지·섬유는 Cotton 시장을 대체 가능한 세계 최초의 초고흡수성·고신축성 신 아마이드계(Nylon계) 합성섬유소재로서 스포츠, 이너웨어에 활용 가능한 소재다.이 소재는 Cotton 대비 우수한 UV차단, 고감촉 등의 기능과 50% 수준의 가격경쟁력을 확보하고 있어 섬유산업의 미래성장동력형 원천 신섬유 소재로 알려졌다.우리나라는 세계 최초 신 아마이드계 섬유 상업화와 수분흡수율 7%이상, UV차단율 97.5%, 탄성회복률 40% 달성을 목표로 삼았다.2018년 신 아마이드계 합성수지·섬유 시장은 3조,2000억원으로 9,600억원의 매출과 2,900명의 신규 고용 창출이 기대된다.

복합 소재란 금속, 세라믹, 화학 소재 등 서로 다른 종류의 소재들이 필요에 따라 결합된 소재를 말하지만 최근 들어 나노기술의 발전 등으로 ‘복합’의 재정의가 일어나고 있다. 복합 소재는 특성에 따라 나노필러 복합소재, 하이브리드형 복합소재, 알로이형 복합소재 등 크게 세 가지로 구분된다. 일부 소재기업들은 환경·에너지 문제 등 새로운 니즈에 효과적으로 대응하기 위해 비즈니스 모델의 혁신을 선제적으로 추진하고 있으며 단편적인 소재 기술만으로 구현되지 않는 소재 복합화를 위해 관계사 또는 외부 기업과의 협력을 통해 방향을 찾고 있다. 또한 소재 개발의 활성화를 위해서는 개방형 혁신을 지원하기 위한 정부의 코디네이터 역할 또한 그 어느 때 보다 절실히 요구되고 있다. ||■왜 복합소재인가 =생활속의 복합소재 오늘도 우리는 끊임없이 ‘소재’를 접촉하고 있으며, 이러한 소재는 수요 산업에 따라 전자 소재, 광학 소재, 자동차 소재 등으로, 혹은 성분에 따라 금속, 세라믹, 화학 소재 등으로 구분된다. ‘복합’ 소재는 무엇일까? 우리가 흔하게 접하는 철, 플라스틱, 유리 등의 소재들이 다양한 니즈에 맞게 결합된 것이다. 복합 소재의 역사는 초가집의 보온성, 강도 등을 위해 황토와 볏짚을 섞어 만든 황토벽돌이 그 시초로 이외에도 자동차타이어, 주택용 물탱크, 소형 선박 등 복합소재가 사용되는 제품을 쉽게 찾아볼 수 있다. 이처럼 오래 전부터 존재해 온 복합소재에 최근 다시 주목하는 이유는 복합소재가 기후변화로 대표되는 환경·에너지 이슈의 해결책을 모색하고 소재의 성능 한계를 극복할 수 있는 현실적 대안이 될 수 있기 때문이다. =환경·에너지 문제의 해결책 모색 지난해 말 코펜하겐 회의에서 주요 국가들은 보다 강력한 온실가스 감축 의지를 표명했다. 앞으로 온실가스 목표 감축량 못지않게 온실가스를 ‘어떻게’ 줄일 것이냐 하는 현실적 문제에 관심이 집중될 것이다. 에너지 효율면에서 복합소재는 기존 소재 대비 높은 효율성(경량화, 절전, 단열 등)을 얻을 수 있고, 이는 그만큼 온실가스 감축으로 이어진다. 미국 보잉(Boeing)의 차세대 항공기 B787(드림라이너)는 몸체에 탄소섬유와 플라스틱 소재가 결합된 복합소재가 적용된다. 몸체 소재 비중의 50%를 복합소재로 제작, 금속보다 강하면서 무게를 20% 줄일 수 있다. 또한 탄소섬유 복합소재는 항공기, 자동차 등의 운송수단뿐만 아니라 풍력 발전기의 터빈날개 등에도 적용된다. 이에 따라 세계 탄소섬유 수요는 2007년 3만톤 규모에서 2018년 10만톤으로 연평균 13% 증가할 것으로 예상된다. 도레이(Toray), 미쓰비시 레이온(MitsubishiRayon) 등 메이저 업체들은 수요가 늘어남에 따라 증설을 서두르고 있다. =소재의 성능 한계 극복 복합소재는 금속, 세라믹, 화학소재 등 개별 소재의 성능 한계를 극복할 수 있는 대안으로 각광받고 있다. 내충격, 내열성이 뛰어난 경량소재에 대한 자동차산업의 요구에 차체 소재에서 금속 비중이 감소하고 복합소재와 엔지니어링 플라스틱 비중이 증가했다. 소재 수요기업인 도요타는 2007년부터 자동차 경량화를 위해 MI(Mass Innovation) 프로젝트를 추진, 2008년 시카고 모터쇼에 탄소섬유 복합소재로 차체와 휠을 만들어 무게를 1/3로 줄인 컨셉트카 ‘1/X’를 선보였다. 철강업계도 1994년 17개국 35개의 업체들이 ULSAB(Ultra Light Steel AutoBody) 컨소시엄을 형성하고 2,000만달러의 연구비를 투입, 철강 소재 경량화 프로젝트를 수행했다. 이를 통해 마그네슘, 알루미늄 등 비철소재를 자동차에 도입하면서 자동차 소재의 금속 비중을 다소 회복할 수 있었다. 포스코 역시 최근 알루미늄, 티타늄, 마그네슘, 페로망간, 탄소섬유 등 아이템을 개발, 복합소재 기업으로 변모한다는 전략을 내놓은 바 있다. =나노기술의 발전 전통적으로 복합소재는 금속, 세라믹, 화학 소재 등 개별 소재 간 결합 영역을 말한며 서로 다른 종류의 소재들이 모재(Matrix)와 강화재(Filler)로 역할을 나눠 구성된다. 시멘트가 모재이고 자갈이 강화재 역할을 하는 콘크리트의 경우처럼 기존 복합소재들은 소재의 성능 개선을 위해 다른 소재를 ‘첨가’하는 것에 그쳤다. 그러나 나노기술의 진보로 나노 수준에서 소재·공정·분석 등이 가능해지면서 단순한 복합에서 전혀 새로운 소재로 환골탈태하는 ‘복합’으로 재정의가 일어나고 있다. ||■복합소재의 발전 방향과 유망 소재 =복합소재의 개념 및 발전방향 나노기술의 발전과 함께 복합소재는 더욱 다양한 방향으로 발전할 전망이다. 첫 번째는 기존 복합소재의 특성을 강화한 나노필러 복합소재다. 필러인 강화재(첨가재)를 나노 크기로 가공, 이종(異種) 소재와 결합함으로써 기존 대비 성능 향상은 물론 소재 응용분야도 대폭 확대될 전망이다. 나노클레이 또는 탄소나노튜브 등 나노분말을 넣은 복합소재가 이에 해당된다. 두 번째는 이종 소재들이 특정 구조를 이루고 있는 하이브리드형 복합소재다. 소재의 형태를 제어해 임의의 구조를 만들거나 한 소재 표면에 다른 소재로 박막을 형성하는 방법 드응로 제조되며 현재 전자종이(e-paper)용 전자잉크소재, 기능성 표면 처리 소재 등이 이에 속한다. 세 번재로 원자·분자 단위 영역에서 프레임구조를 형성하고 있는 알로이형 복합 소재를 들 수 있다. 기존 마이크로 영역에서의 복합화와 달리 나노기술의 발전에 따라 원자·분자 제어 기술을 바탕으로 한 복합소재 개발이 가능해질 전망이다. 나노기술의 특성상 원자·분자 단위에서의 소재 제어가 이루어지면 전혀 새로운 물성의 구현도 가능하다. 결국 알로이형 복합소재의 개발은 기존 복합소재와는 완전히 차별화된 ‘신소재’의 개발을 의미하는 것이다. =환경·에너지 분야의 유망 복합소재 1. 절전·경량화 등 에너지 효율화 복합소재 ◎ 나노클레이(Nanoclay)-고분자 복합소재 금속재 이상으로 강하면서도 가벼운 나노클레이는 점토 광물로 구성된 대표적 무기 충전재다. 유기물과 다르게 무기물질은 나노 수준에서 안정되기 어렵지만 나노클레이는 안정한 층상 실리케이트 나노 구조에 가공이 쉬워 1980년대 후반부터 주목을 받아왔다. 최초 상용품은 소재 수요기업인 일본 도요타자동차의 중앙연구소에서 경량화를 목적으로 개발됐다. 도요타는 우베(Ube Industries)와 공동으로 폴리머 소재에 나노클레이 입자들을 결합해 기계적 강도와 내열성 등이 우수한 복합소재를 개발했다. 나노클레이 복합소재는 적용성이 우수해 다우(Dow), 바이엘(Bayer), 하니웰(Honeywell) 등 많은 화학 소재 기업들이 자동차 소재, 포장재, 전기부품 등의 용도로 제품을 활발하게 개발하고 있다. 바이엘(Bayer)의 경우 합성수지와 나노클레이 입자를 복합해 합성수지의 성능을 크게 향상시키고 있다. 나노클레이를 폴리카보네이트와 복합해 난연성을 향상시키거나, 나일론 필름과 복합해 필름의 가스 투과성을 낮춤으로써 음식물 저장기간을 늘인 것이 그 예다.◎ 전자종이(e-paper)용 복합소재 정보화에 따라 종이 사용이 줄 것이란 예측에도 불구하고 종이 사용에 대한 관성으로 정보량만큼 인쇄량도 많아졌지만 소재의 복합화를 통해 종이 절약의 재도전이 시작되고 있다. 그 중 하나가 전자책(e-book)으로 핵심소재가 바로 전자잉크(E-ink) 복합소재다. 전자잉크(E-ink) 소재는 현재 대만의 소형 TFT-LCD 업체인 프라임 뷰 인터내셔널(PVI)에서 독점 공급하고 있다. PVI는 지난 2009년 2억1,500만달러에 미국 E-ink를 인수했는데 이 기업의 소재 기술은 미국 MIT대학의 미디어랩(Media Lab) 연구진이 개발한 것으로 1997년 제이콥슨(Joe Jacobson) 등의 일부 연구진이 E-ink 를 창업, 상용화한 것이다. 전자잉크는 고분자공학, 화학, 전자공학, 물리학 등의 지식과 나노기술을 기반으로 한 새로운 소재로서 고분자 캡슐 안에 세라믹 나노 입자들과 액체가 들어있는 형태다. 전자종이는 각 화소마다 있는 전자잉크 입자에 전기신호를 보내 화상을 표시하는 방식으로, 정지영상에서 전력소모가 없어 기존 LCD의 전력사용량 대비 1/100 수준의 획기적인 전력소비 절감이 가능하다. 2. 에너지 저장·발전용 복합소재 ◎ 리튬이온전지용 복합소재 리튬이온전지는 응용분야 확대로 높은 시장 성장이 예상되지만 본격적 시장 확대를 위해서는 원가 절감이 필수적이며 그 핵심은 원가의 약 절반을 차지하는 양극재다. 현재 사용되는 코발트계 소재는 원료가격과 자원적 제약 때문에 폭발적 수요 확대가 예상되는 중대형용으로는 부적합하다는 평가가 지배적이다. 이에 따른 대체소재 연구가 활발한 가운데 올리빈 구조의 인산철계열 소재가 가장 주목을 받고 있다. 인산철 계열 복합소재는 저비용, 고출력, 높은 안정성이 요구되는 전기자동차나 하이브리드 자동차용 전지에 적용이 용이한 것으로 평가되며, 최근 취약한 전기전도성을 보완하기 위한 시도가 진행중이다. 일본 산업기술총합연구소(AIST) 등에서는 양극소재의 입자 표면을 나노 탄소 소재로 코팅해 향상된 소재 개발을 촉진하고 있다. ◎ 연료전지용 복합소재 신재생에너지가 주목 받으며 연료전지에 대한 관심이 높아지고 있는데 그 중에도 다양한 장점을 지닌 고분자 전해질 연료전지가 가장 널리 개발되고 있으며 이것의 핵심 소재가 고분자 전해질 분리막이다. 최근 나노복합 전해질을 이용해 전해질막의 성능을 개선하는 시도가 이루어지고 있다. 나노복합 전해질은 주로 열안정성을높이기 위해 유연한 고분자와 열에 안정한 무기계 소재를 결합한 형태로 개발될 경우 연료전지 대중화를 한층 앞당기는 역할을 할 것으로 기대된다. 3. 자원 절감을 위한 복합소재 ◎ 탄소나노튜브(CNT) 복합소재 탄소나노튜브 복합소재는 탄소나노튜브(CNT)를 금속 또는 고분자 소재와 결합한 것으로 나노소재 중 대표격이며 전기전도도가 구리의 1,000배, 강도가 강철의 100배 수준이다. 구체적인 응용분야로 강도 특성을 이용한 구조소재, 기존 디스플레이용 투명 소재를 대체하는 투명전도성 필름, 방열소재 등을 들 수 있다. 현재 미국 하이페리온(Hyperion)은 독일 바스프(BASF), 에보닉(Evonik) 등 화학 소재 업체에 탄소나노튜브를 공급, 자동차 부품 및 일부 차체용 소재로 적용시키고 있다. 스포츠 용품에도 이를 적용한 제품을 선보이고 있다. 바이엘은 탄소나노튜브를 이용한 아이스하키 스틱과 야구배트, 스키 등을 선보였다. 독일 프라운호퍼연구소 기술개발그룹(TEG)에서 개발한 탄소나노튜브를 적용한 테니스 라켓은 시장의 호평을 받았으며 나노소재를 적용한 골프채의 경 기존 10배의 강도와 월등한 비거리를 내는 것으로 분석됐다. ◎ 패터닝(patterning)용 복합소재 전자부품에 전극 패턴 형성시, 전체 면에 전극용 및 공정 소재를 바르고 얻고자하는 패턴 이외에는 모두 버리는 방식을 사용하면서 고도의 제어가 어렵고 소재 낭비가 발생했다. 이에 대안으로 프린터로 인쇄하듯 원하는 패턴을 그리는 방식이 제시되고 있는데 여기에 나노 금속 또는 세라믹 입자들과 화학 소재를 결합, 잉크와 같은 물성을 갖는 패터닝용 복합소재가 이용된다. 아직 가격 등의 문제로 본격 상용화가 이뤄지지 않고 있으나 듀폰, 캐봇, 일본 세이코엡슨, 알박(Ulvac)을 비롯해 국내 기업들도 이러한 소재의 제품 적용을 위해 나서고 있다. 4. 수처리용 복합 소재 ◎ 멤브레인 복합소재 기후변화 문제 외에도 인류 생존을 위한 물 부족 이슈가 매우 중요해지고 있다. 물은 대체 자원이 없기 때문에 정수하거나 담수처리를 해서 사용할 수밖에 없다. 현재 가깝게는 사무실에 있는 정수기에도 멤브레인 소재의 필터가 들어있다. 하지만 이보다 고도정수처리나 담수 처리를 위해서는 고기능성 멤브레인이 필요하다. 이를 위해 다우(Dow), 도레이(Toray) 등 업체들은 멤브레인 성능 향상 연구개발에 적극적인 상황이다. 궁극적인 목적은 멤브레인에 물을 친화력 있게 만들어주는 기능을 부여하는 것이다. 대부분의 방향은 고분자 소재인 멤브레인 표면에 다른 종류의 소재층을 형성시키는 방식으로 복합화하고 있다. 이외에도 탄소나노튜브 등 다양한 나노소재 기술들을 활용해서 수처리 능력을 높이려는 시도들이 이뤄지고 있다. 5. 이산화탄소 포집 및 저장(CCS)용 복합소재 ◎ 금속-유기 프레임워크이산화탄소 회수 기술이 주목을 받고 있는 가운데 이산화탄소 포집 및 저장용 소재 중에 새롭게 주목받고 있는 것이 금속-유기 프레임워크(MOF, Metal-Organic Framework)이다. 1995년 미국 Yaghi 교수팀이 처음 개발한 이 소재는 표면 면적을 모두 더하면 기존의 다공성 소재들 보다 표면적이 4~5배, 숯보다 10배 이상 높다. 금속 원자와 유기물 분자간의 프레임구조로 되어 있으며 수소, 이산화탄소 등을 저장할 수 있어 대기 중의 이산화탄소를 줄일 수 있다. 2008년 독일 BASF가 소재에 대한 원천특허를 이용해 상용화, 시판중이다. ◎ 생체모방형 포집 소재 이산화탄소를 포집해 생체 동화작용에 사용하는 생체 또는 자연계 내 효소는 금속이온이 포함된 형태로 동식물의 조직이나 인간의 적혈구에 있는 것으로 알려져 있다. 이산화탄소 포집을 위해 주목하고 있는 이 효소는 고분자 중공사에 결합된 형태로 존재한다. 미국 에너지부에서는 기존 CCS의 한계를 극복할 수 있는 최상위 기술로 평가하고 있다. 미국 카보자임(Carbozyme)사는 이 효소를 활용한 복합 형태의 소재를 개발 중인데 기존의 포집재 대비 100이상의 포집속도와 1/4 수준의 에너지를 사용한다고 발표했다. ||■시사점 소재산업은 진입장벽이 높은 만큼 혁신을 통한 개발이 필요하며 복합소재는 나노기술 발전을 기반으로 하나의 흐름으로 자리 잡을 수 있다. 소재기업들이 기술적 진입장벽이나 상업화의 어려움을 피하면서도, 성장의 돌파구를 찾는 대안이 될 수 있는 것이다.앞서 살펴본 바와 같이 나노필러, 하이브리드, 알로이형 복합 소재 등 새로운 개념으로 재정의된 복합소재 시장은 지속적인 성장이 기대되는 분야로 최근 소재기업들의 관심이 집중되고 있는 이유도 여기에서 찾을 수 있다. =소재 기업의 비즈니스 모델 혁신과 전략적 제휴 활성화 필요 제품 혁신과 함께 소재의 니즈도 고기능화, 맞춤화가 될 것이다. 소재기업들은 수요 산업의 변화와 시장을 읽고 기술 동향을 파악하는 동시에 소재 연구개발에 융·복합적인 접근을 강화할 필요가 있다.이미 일부 기업들은 새롭게 부각되고 니즈에 효과적으로 대응하기 위해 비즈니스 모델 혁신을 추진하고 관계사 또는 외부 기업과의 적극적인 협력을 모색하고 있기도 하다.일본의 전자소재 및 스페셜티화학 분야 선두 기업 중 하나인 쇼와덴코는(Showa Denko) 2000년부터 종합 화학기업보다는 개성있는 화학 기업을 지향해왔다. 이를 위해 기존 사업 영역을 기반으로 ‘유기+무기+금속의 상호 연계(복합화)’로 사업 조직 및 전략을 재정의했으며 최근에도 이러한 전략에서 환경·에너지, 정보전자를 목표 사업 영역으로 한 전략을 발표했다. 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. 또한 2005년 미쓰비시화학, 미쓰비시플라스틱, 타나베미쓰비시제약 등을 자회사로 둔 지주회사체제로 출범한 미쓰비시화학홀딩스(Mitsubishi Chemical HD)는 협업 기능강화와 함께 기술 개발 등의 복합화를 진행시켜 ‘복합화학’ 기업을 목표로 했다. 이와 연계해 지난해 5월, 소재 기술의 확보와 시장 확대를 위해 스위스 쿼드런트(Quadrant)와 전략적 제휴를 맺고, 50:50의 조인트벤쳐 회사를 설립했다. 쿼드런트는 엔지니어링 플라스틱, 복합소재 등에서 세계 시장점유율 1위 기업이다. 미쓰비시플라스틱은 이미 보유하고 있는 플라스틱, 금속, 섬유 기반의 기능성 소재와 쿼드런트의 핵심 소재들 간의 복합화를 추진, 고기능 복합소재 사업을 확대한다는 전략이다. 또한 미쓰비시화학은 자사의 플라스틱 소재 가공 기술과 일본 왕자제지의 목질 펄프 소재 기술을 결합해 셀룰로오스 나노섬유 복합소재를 연구개발을 하고 있다. 이 소재는 식물 기반이라 환경부하가 적고, 강도와 투명성 측면에서도 좋은 성능을 보여서 OLED용 플렉서블 기판, LED용 봉지재 등에 적용이 가능할 것으로 보고 있다. 혁신적인 복합소재 개발은 소재산업의 특성상 장기적인 관점에서의 접근이 필요하다. 또한 수요 산업의 융·복합화 니즈에 맞춰 소재도 융·복합화가 강조되고 있어 개별 기업들의 노력만으로는 소재 개발이 갈수록 어려워지는 것이 현실이다. 소재 개발의 활성화를 위해서는 개방형 혁신을 지원하기 위한 정부의 코디네이터 역할이 어느 때 보다 더 요구된다고 할 수 있다. 소재와 관련된 산·학·연의 연계를 통해 소재 복합화를 위한 인프라를 지원하거나 수요 기업과의 연계를 통해 사업화를 지원할 수도 있을 것이다. 이는 결과적으로 척박한 국내 소재 산업의 경쟁력 확보에도 기여할 수 있을 것이다.