Update2024.05.12 (일)
압전소재, 기술개발 경쟁 뜨겁다
■국가별 동향(일본)
◇주요 정책 및 연구개발 프로그램
전세계 압전소재 및 소자 시장의 50% 이상을 점유하고 있는 일본기업을 지원하기 위한 일본 정부의 투자는 주로 기초기술을 주관하는 문부과학성(MEXT)과 산업기술을 주관하는 경제산업성(METI)을 통해 이루어진다.
문부과학성에서 주관하는 대표적인 연구개발 프로그램으로는 2007년도부터 수행되고 있는 WPI(World Premier International Research Center Initiative)를 들 수 있다. WPI에 속해있는 5개의 연구센터 가운데, 도호쿠대학에 설치돼 있는 AIMR(Advanced Institute for Materials Research)의 'The Device/System Construction Group'를 중심으로 압전소재 연구가 진행되고 있다. 이와 같은 연구개발 프로그램을 통해 2009년 압전박막을 이용한 형광스캐너(Fluorescence Scanners)를 개발했다.
또한 NIMS의 Sensor Materials Center에서는 무연 압전소재인 BZT-BCT을 개발했고, 이들의 발표에 따르면 압전상수(d33)가 620pC/N에 이르고 있어, 세계 최고수준의 무연 압전소재일 뿐만 아니라 유연 압전소재의 압전상수를 넘어서고 있다.
■국가별 동향(미국)
◇주요 정책 및 연구개발 프로그램
미국에서 압전소재 관련 연구개발 프로그램의 대부분은 국방성(DOD)이 진행하고 있고 그 다음으로 국립보건원(NIH)·국립항공우주국(NASA)·에너지부(DOE) 등에서 많이 진행하고 있다.
국방성의 연구개발 프로그램은 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)에 의해 수행되며, 구조재료 및 지능형 재료 부분에는 2010년 약 1억3,000만달러의 연구예산이 편성돼 있다. 중점추진 연구는 로봇, 우주·항공, 심해탐사용 압전세라믹에 대한 연구다. 로봇을 위한 거리측정용 초음파센서는 주로 폴라로이드에서 양산되고 있고, 촉각센서는 일리노이대에서 연구되고 있다. 잠수함이나 심해탐사를 위한 정밀 소나(Sonar), 전장에서 전원을 얻기 위한 압전발전기 등이 개발되고 있고 일부는 민수용으로 양산되고 있다. 또한 진공상태인 우주에서 사용하기 위한 각종 압전엑츄에이터(예, 초음파 드릴·초음파 모터 등)들이 AVX·Morgan Matroc 등에서 개발되고 있다.
국립보건원 산하 NIDCR이 주관하는 연구 프로그램인 Nanoscience and Nanotechnology in Biology and Medicine에서는 의료용 초음파센서나 보청기 등을 연구하고 있는데 압전소재의 응용을 주요 목적으로 하고 있다.
한편, 펜실베니아 주립대학(Penn. State Univ.)와 TRS Technologies, Inc.에서는 압전소재의 입도를 증가시키고 일방향으로 배향을 시켜 리튬이나 스트론튬 나이오베이트계 압전소재의 특성을 향상시켜 가스터빈의 연료분사기, 로켓의 추진제어용 엑츄에이터 등으로 활용하고자 하고 있다.
日, 시장 절반 점유…美·EU·中·韓 맹추격
압전소재시장, 2019년 약 8억8,000만불 전망
■국가별 동향(유럽)
◇주요 정책 및 연구개발 프로그램
유럽에서 지능형 소재에 대한 연구는 독일과 영국이 주도하고 있다. 2008년 독일의 세라믹학회(DKG)와 재료학회(DGM)는 지능형 세라믹소재에 대한 기술로드맵(2010-2025년까지)을 작성한 바 있다.
이 로드맵에서는 무연 압전소재는 미래유망 소재로 인식되고 있지만 소재의 한계 때문에 향후 10년 이내에는 도입이 어려울 것으로 전망되고 있다.
향후 압전소재 및 소자가 가장 큰 영향을 줄 분야는 자동차 분야로서 2015년 압전소재·강유전소재·MEMS 소재 등에 의한 자동차용 전자부품 시장은 약 200억 유로로 전망하고 있다.
한편, 영국은 2004년 부터 시행되고 있는 PowderMatrix 프로그램을 통해 압전소재·금속분말소재 등에 대한 연구를 진행하고 있다.
■국가별 동향(중국)
◇주요 정책 및 연구개발 프로그램
과거 조잡한 수준의 압전관련 제품을 양산하는 기지 역할을 수행하던 중국은 최근 일본·미국 등과 대등하거나 선도적인 입장에 설 수 있는 과학정책을 추진하고 있다. 이 같은 정책에 따른 연구프로그램 가운데 하나가 국가기초 연구프로그램(National Basic Research Program of China, ‘973프로그램’으로 불림)이다. ‘973 프로그램’에는 농업·에너지·통신 등과 함께 소재부분이 포함돼 있는데 압전소재는 중점육성 연구분야의 하나이다.
■국가별 동향(한국)
◇주요 정책 및 연구개발 프로그램
최근 몇 개의 대기업이 압전소재 등과 같은 지능형소재 연구를 시작했지만 현재까지는 중소기업을 중심으로 하는 다품종 소량의 압전소자 등이 생산되고 있는데 품질이 낮은 중저가 제품이 주류를 이루고 있다.
현재 지식경제부를 중심으로 연구계에서 개발된 압전소재를 상용화하기 위한 연구개발 프로그램이 진행중이다. 대표적으로 차세대 소재성형기술개발사업과 소재원천 기술개발사업 등을 통해 압전소재에 대한 연구가 진행되고 있다.
■국내외 주요기업의 생산활동
LCD·휴대폰·디스플레이 등과 같은 정보통신기기의 부품에서 압전세라믹 소자와 같은 전자세라믹스가 차지하는 비중은 매우 높다. 2005년 한국발명진흥회의 조사에 따르면 정보통신기기 부품의 70%, 디스플레이 부품의 55% 정도가 전자세라믹스로 구성되고 휴대폰의 핵심부품 15개 가운데 11개가 전자세라믹스 부품으로 알려져 있다
LCD·휴대폰 등의 정보통신기기가 우리나라의 주력 수출품임에도 불구하고 이들을 위한 고품위 전자세라믹스 부품은 대부분 일본에서 수입되고 있는 실정이다. 현재 일본의 무라타·교세라 등과 같은 기업이 우리나라 전체 전자세라믹시장의 60%이상을 점유하고 있는 것으로 조사되고 있다.
한국세라믹기술원(KICET)의 분석에 의하면 2009년 우리나라에는 약 600개의 세라믹부품 생산기업(전자세라믹, 구조세라믹 등 포함)이 있지만, LG전자나 삼성전기 등 몇 개의 대기업을 제외하고는 중소기업이 대부분이다.
1970년대부터 시작된 우리나라의 전자세라믹 연구는 주로 소재부분에 대해 집중된 반면 일본·미국·독일 등은 소재 외에도 전기전자 및 기계분야가 전자세라믹과 결합돼 통합적인 연구가 진행됐다. 이와 같은 연구방향의 차이로 인해 고품위 압전필터·공진기·압전변압기·압전센서 등에 대한 연구는 선진국에서 선점하게 됐다.
최근 우리나라도 전자세라믹이 소자분야와 통합연구가 시작되면서 작은 부분이지만 국내에서 생산된 전자세라믹 부품이 국내 정보통신·자동차 등의 제품에 적용되고 있다.
삼성경제연구원의 자료에 의하면 현재 FPD, LCD, DRAM 등의 정보통신분야 제품을 우리나라는 전세계 시장을 주도하고 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 일본의 제품은 초기 시장을 주도한 후 현재는 세계시장 점유율이 급락하고 있다. 하지만 막강한 부품·소재 기술력을 바탕으로 수요가 급증하고 있는 정보통신분야 소재·부품시장을 좌우하고 있다.
정보통신제품과 밀접한 관계를 가지고 있는 압전세라믹 분야에서도 이와 같은 동일한 현상이 발생하고 있다. 무라타를 선두로 해 교세라·TOKIN·NEC·NTK 등이 각종 정보통신제품에서 요구되는 고품위 압전세라믹 부품을 생산하고 있고, 현재 전세계 시장의 50∼60% 정도를 점유하고 있다.
정보통신용 압전소자인 공진기·필터·자이로센서 등도 Morgan Matroc을 비롯한 미국기업에서 생산되고 있으며 전세계 시장의 약 32% 정도를 점유하고 있어 일본기업의 점유율과 합하면 전세계 정보통신제품에 소요되는 압전소자의 80% 이상이 미국과 일본에서 제조되고 있다.
■시장규모 및 전망
휴대폰·디스플레이·RFID 등에서 압전필터·공진기·압전변압기 등과 같은 전자세라믹스 부품이 차지하는 비중이 50% 이상이고, 정보통신시장이 급격하게 팽창하고 있기 때문에 압전소자와 같은 전자세라믹스 소자의 시장도 매우 빠르게 성장할 것으로 전망되고 있다.
또한 석유자원의 고갈에 따라 에너지 수확(Energy Harvest) 시장도 크게 성장할 것으로 예상된다. 영국 IDTechEx의 예측에 따르면 2019년 에너지 수확 시장은 약 40억달러로 추정되며, 이 가운데 22% 정도가 압전소재를 이용할 것으로 예측되고 있다.
■연구개발 과제
◇압전발전시스템 개발
석유자원의 고갈을 대비하기 위한 다양한 형태의 에너지 재생 또는 에너지 수확기술이 연구개발되고 있다. 압전소재를 이용한 발전기술은 다른 발전기술(예, 태양광·풍력·열전 등)에 비해 널리 인식되지 못하고 있으며 상용화에 대해 회의적인 시각이 있다.
하지만 최근 이스라엘의 이노와텍(Innowattech)에서는 도로에 압전발전장치를 설치해 자동차의 움직임으로부터 전기에너지를 생산할 수 있는 기술을 발표했다. 이노와텍은 풍력이나 태양광 발전시스템에 비해 1/2 정도의 비용으로 전력의 생산이 가능하다고 주장하고 있다. 또한 시간당 600여대의 자동차가 통과하는 2차선도로에 압전발전장치(길이 1km)를 설치하는 경우, 400kWh의 전력생산이 가능해 600∼800가구에 전력공급이 가능해 국가 소비전력의 2%(전체 이스라엘 도로에 설치되는 경우)를 제공할 수 있다고 한다.
무연압전소재·압전발전시스템 개발 과제
응용분야 다양…융합 통한 신규시장 창출
◇원천 무연압전 소재 개발
중금속인 납의 유해성이 널리 알려진 이후, 많은 부분(자동차 축전지·무연납땜 등)에서 납성분이 제거되고 있지만 압전소재에서는 현재까지도 PZT가 널리 사용되고 있어 무연 압전소재의 개발이 필요하다. 일본에서 나온 주장에 의하면 도메인 엔지니어링, 상경계(MPB) 엔지니어링 및 큐리온도 엔지니어링을 통해 유연압전소재의 한계를 극복할 수 있다고 한다.
이와 같은 연구개발 방향은 보다 깊이 소재를 분석하고 나노구조적인 제어를 통해 소재의 특성을 향상시키는 것으로 원천적인 무연압전소재의 개발에 유용한 방법론으로 판단된다. 2012년 또는 그 이후에 RoHS가 발효돼 언젠가는 유연계 압전소재는 사용이 금지될 것이다. 따라서 현재의 PZT를 대체할 수 있는 고성능 무연 압전소재의 개발이 필수적이다.
◇고온 압전소재 개발
인쇄회로기판(PCB)에 전자소자를 고속으로 자동 접합하기 위한 장치에서는 정확한 납땜 위치의 제어와 함께 극소량의 무연납을 토출(Ejection)할 수 있는 엑츄에이터의 역할이 매우 중요하다. 현재 이 장치에서 사용되고 있는 압전엑츄에이터는 액상 무연납의 온도 때문에 장시간 사용이 불가능하다. 이것은 압전소재가 가지고 있는 큐리온도가 낮기 때문에 고온에서 장시간 사용하면 압전성능이 급격히 감소하기 때문이다. LiNbO3와 같이 큐리온도가 높은 압전소재가 있지만 압전상수가 낮기 때문에 엑츄에이터로 사용하는 것이 불가능하다. 따라서 고온에서도 높은 압전상수를 가지는 압전소재의 개발이 필요하다.
■압전소재 연구, 융복합 필요
◇다학제 간 압전소재 연구
압전소재만큼 다양한 적용분야를 현재 가지고 있고 새로운 적용분야가 나타나는 소재도 드물다. 하지만 특성이 우수한 소재만을 개발하는 것으로는 새로운 압전시장을 개척하거나 기존 압전소자 시장을 잠식할 수 없다. 예를 들어서 압전발전분야도 압전소재의 특성을 향상시키는 것만으로는 전체 압전발전시스템의 효율을 높일 수 없고, 전기·전자 및 기계분야와 함께 연구개발 돼야 상용화 가능성이 높아진다. 또한 기계분야(예, 자동차·로켓·잠수함), 전기전자분야(예, LCD TV·스마트폰) 등의 여러 분야와 결합된 연구를 통해 새로운 압전시장을 개척함으로써 압전소재의 가치를 높일 수 있다.
◇장기 안정적 연구분위기 조성
미래형 자동차·WSN·LCD와 같은 디스플레이 등의 핵심 센서, 엑츄에이터 및 필터 등이 압전소재로 제조되고 있다. 하지만 제품을 구성하는 다른 소자에 비해 상대적으로 필요량이 적기 때문에(예, 스마트폰에는 많은 전자소자 및 메모리가 필요하지만 압전소재로 제조되는 자이로센서는 단 1개만 있음) 압전소재·소자에 대한 연구가 다른 소재에 비해 소외되거나 단기간에 머무는 경향이 있다.
이와 같은 연구 분위기로 인해 국내 압전소재·소자 시장의 대부분을 일본과 미국이 점유할 수 있고 아직도 우리나라의 압전소재·소자 분야가 상대적으로 취약하다. 따라서 외국에 의한 시장잠식 방지 및 핵심기술의 자립을 위해서는 압전소재/소자가 첨단산업의 핵심이라는 인식 제고와 함께 장기 안정적인 연구 분위기 조성이 필요하다.
