▲ ▲복합소재의 개념과 발전방향. ▲복합소재의 개념과 발전방향

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.

▲ ▲탄소섬유 복합소재 사용을 통한 이산화탄소 감축사례. ▲탄소섬유 복합소재 사용을 통한 이산화탄소 감축사례

■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.

▲ ▲녹색혁명을 주도하는 차세대 복합소재. ▲녹색혁명을 주도하는 차세대 복합소재

■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 프레임워크
이산화탄소 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.