극저온 복합재료 개발, 저온수축현상·열팽창율 해결 필요

금속결합 형성시, 저온 취성·수소취성 문제 해결 예상

극저온 분야 특화 연구기반 조성, 중점연구개발 허브 구축 필요

■극저온 고분자 소재와 고분자 수지

3.3 국내외 선도기관

극저온 복합재료 소재기술 분야의 국내·외 선도 연구기관 및 주요 연구내용은 표 1, 표 2와 같다.

▲ <표 1>극저온 복합재료 소재 기술 – 국내 선도연구기관

▲ <표 2>극저온 복합재료 소재 기술 – 해외 선도연구기관

4. 산업 및 시장 동향

4.1 국내 동향

1) 시장규모 및 전망

국내 극저온 소재 시장은 크게 수소 저장, 운송에 관련된 산업과 LNG 운반용 극저온 단열시스템 산업 시장이 주도하고 있으며, 두 산업 분야의 시장성장 속도에 비례하여 극저온 소재 시장규모도 성장할 것으로 예상된다.　

마켓앤마켓(M&M)의 '수소저장시장(Hydrogen Storage Market)'보고서(`17)에 따르면 물리적 수소저장 시장은 2016년 350억 원에서 연평균 9.5%로 성장하여 2026년에는 약 870억 원에 이르는 시장을 형성할 것으로 전망된다.

또한, 국제해사기구(IMO)에서 모든 선박연료의 황 함유율을 2021년 1월부터 0.5% 이하(이전: 3.5%)로 제한하는 규제를 공표하면서, 전 세계 LNG 벙커링 수요는 2030년에 현재의 수요대비 3배로 급격하게 증가할 것이 예상됨에 따라 한국가스안전공사는 2020년에 부산항만공사, 포스코인터내셔널, 에쓰오일(S-OIL), 대우로지스틱스와 함께 LNG 벙커링(LNG bunkering) 합작회사 설립 협약을 체결하여 2030년까지 전국 항만에 LNG 벙커링 136만 톤 공급과 매출 1조 원 달성을 목표로 사업을 추진하고 있다.

▲ 수소저장 시장전망(左) 및 LNG 벙커링 수요 전망(右)

▲ <표 3>극저온 복합재료 소재 기술 국내시장 규모 및 전망(단위: 백만원)

2) 기업 현황

포스코는 극저온용 고망간강 소재를 개발하는 데 성공하였으며 한국기계연구원 및 미국의 엑슨모빌과 업무협약(`21년 10월)을 통해 액화수소 저장 용기 및 플랜트를 조성하는 사업을 추진하는 계획을 수립하였다.

현대제철은 일본 및 미국에 소재 수입의존도가 높았던 LNG, LPG 선박용 형강을 개발하여 소재의 국내 자급화율을 높일 뿐만 아니라 세계 최고 수준의 조선기술을 보유한 우리나라에서 형강 소재 산업 분야 관련 시장을 확보하였다. 또한 170℃에서 활용이 가능한 초저온 고강도 철근을 개발하여 국내·외 LNG 터미널 프로젝트를 수주함으로써 활용 사업 분야를 확장해 가고 있다.

한화에어로스페이스는 우주항공선용 극저온·초 극저온 밸브 및 소재, 부품을 개발하는 사업을 진행하고 있으며, 액화산소를 다루는 극저온 부품을 개발하면서 확보한 기술력을 해양플랜트사업에 적용하기 위한 기술개발을 진행 중에 있다.

크라이오에이치앤아이(Cryo H&I)는 반도체 및 디스플레이 생산 공정용 초저온 진공펌프 핵심기술 및 초저온냉동기 제조기술을 보유하고 있으며 해당 기술을 기반으로 극저온 관련 산업 분야로 개발영역을 확장해 가고 있다.

효성은 `20년 영국의 린데와 업무협약을 체결하여 액화수소 플랜트 건설 계획을 발표하고 울산에 1만 3,000톤 규모의 액화수소 공장을 `22년까지 완공해 `23년 가동을 목표로 사업을 추진 중에 있다. 또한, `24년까지 린데의 극저온 펌프기술을 적용한 액화수소 충전기술 및 설비 국산화를 진행할 예정이다.

LS전선은 한국전력공사와 협업을 통해 초전도 케이블을 개발하였으며 세계최초로 국제전기표준회의(IEC) 규격을 획득하였다. 또한, 제주초전도센터에서 세계 최장 초전도 케이블 운용을 세계최초로 실증완료 했으며, 실제 계통 적용 안정성을 확보했다. 이와 같은 실증을 기반으로 세계최초로 상업적 운전을 시작한 한전초전도 시스템(신갈-흥덕, 23kV, 50MVA)을 조성하는데 LS전선에서 개발된 초전도 케이블이 적용됐다.

4.2 해외 동향

1) 시장규모 및 전망

리서치앤마켓(Research and Markets)에서 발행한 '극저온 탱크 시장(Cryogenic Tanks Market)' 보고서(`19년)에 따르면 전 세계 극저온 용기 시장은 연평균 약 5.5%로 성장하여 2024년까지 약 81억 달러에 이르는 시장을 형성할 것으로 전망했다.

또한, `21년 리포트앤데이터(Reports and Data)에서 발표된 '극저온 단열재 시장 분석(Cryogenic Insulation Market Analysis)'에 따르면 극저온 소재 시장과 밀접한 관계를 갖는 극저온 단열재 시장이 `20년, 29억 2,000만 달러에서 연평균 7.3%로 성장해 `28년에는 약 51억 1,000만 달러에 이르는 시장을 형성할 것으로 예측했다.

이외에도 미래 고부가가치 산업으로 급부상한 초전도 케이블 및 LNG 추진선/벙커링 사업이 급성장할 것으로 전망되어 핵심소재인 극저온 소재 시장 또한 급격하게 성장할 것으로 예상된다.

▲ LNG 연료추진선 신조발주 비중 전망(자료: KOTRA)

▲ <표 4>극저온 복합재료 소재 기술 세계시장 규모 및 전망(단위: 백만 달러)

2) 기업 현황

미국, 독일, 영국, 일본 등과 같은 극한소재 관련 기술 선진국은 극저온 소재 개발과 관련하여 첨단 기술 및 다수의 원천기술을 확보하고 현재 실증기술을 보유한 다수의 기업을 보유한 상황이며, 이 기업들을 중심으로 극저온 또는 초 극저온 소재 개발 프로젝트가 중점적으로 수행되고 있다.

미국에서는 아스펜 에어로젤(Aspen Aerogels)에서 항공우주국(NASA)과의 공동 연구 개발을 통해 260℃부터 280℃까지 적용이 가능한 극한환경용 단열소재를 개발하는 데 성공했다. 엑슨모빌(Exxo Mobil)은 전 세계 LNG 시장의 20%를 공급하는 글로벌 에너지 기업으로, 시추된 LNG의 활용 및 수출확대를 위해 기존 보유한 금속재료 제작기술을 기반으로 LNG 플랜트 조성을 위한 극저온 소재 개발 및 활용 기술 개발을 중점 프로젝트로 선정해 사업을 추진 중이다.

에어프로덕츠(Air Products & Chemicals)는 수소에너지 인프라 구축 측면에서 액화수소를 생산-저장-이송하기 위해 250℃ 이하에서도 안정적인 활용이 가능한 극저온 소재를 개발 및 활용하기 위한 핵심 기술을 보유하고 있으며, 전 세계의 액화수소 플랜트 시장을 주도하고 있다.

일본에서는 일본유센(NYK Line)이 초경량의 극저온 고압 액화수소 저장용기 개발 및 이를 적용한 250톤급의 수소 선박을 제작하기 위해 도시바에너지시스템(Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation), 가와사키중공업(Kawasaki Heavy Industries), 일본해사협회(ClassNK), 에네오스(ENEOS), 일본 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)와 함께 공동 연구 개발을 진행하고 있다.

가와사키중공업은 영국의 로열더치쉘(Royal Dutch shell)과 기술협약을 통해 호주에서 저가에 생산된 수소를 액화하여 일본으로 이송하기 위해 수소선박 및 액화수소저장을 위한 초극저온 진공펌프 및 대용량 저장용기 개발을 위한 연구 프로젝트를 일본 정부의 전폭적인 재정 지원하에 수행 중에 있다.

독일의 만에너지솔루션(MAN Energy Solutions)은 수소 선박용으로 대용량의 액화수소 저장용기 개발을 위한 소재와 제조공정 기술 개발을 추진하고 있다. 프랑스의 에어리퀴드(Air Liquide)와 영국의 린데(Linde)는 수소에너지 관련 기반조성 사업 측면에서 액화수소 플랜트 건설과 수송 파이프라인 제작을 위한 기술을 확보하고, 액화수소산업 분야에서 세계적인 기술 선두권의 경쟁력을 갖추기 위한 첨단 소재와 실용화 기술개발을 추진하고 있다.

3)국내외 선도기업

극저온 복합재료 소재기술 분야의 국내·외 선도기업과 주요 연구내용은 표 5, 표 6과 같다.

▲ <표 5>극저온 복합재료 소재 기술 - 국내 선도기업

▲ <표 6>극저온 복합재료 소재 기술 - 해외 선도기업

5 .미래의 연구방향 및 정책 제언

5.1 미래의 연구방향

고분자 소재 기반의 극저온 복합재료의 개발은 경량성, 가공용이성, 내화학성, 내부식성 등을 갖기 때문에 다양한 산업전반에 소재적용과 제조가 용이하고 생산된 제품의 활용성이 높아 산업적 측면에서 큰 강점을 갖는다.

하지만 현재까지 초경량 또는 우수한 내화학성/내부식성이 요구되는 극저온 산업 분야를 제외하면 대부분 금속 복합소재가 사용되고 있다. 하지만 금속 소재는 재료의 파괴가 고분자 소재와 다르게 급격하게 진행되는 문제점을 가져 소재의 유지와 보수가 어렵기 때문에 장기간의 안정적 활용이 반드시 전제되어야 하는 극저온 소재로서 큰 한계점을 갖는다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 극저온 환경에서 금속 소재에 필적하는 기계적 물성을 구현하면서 소재의 내구성을 극대화한 기능성 고성능 고분자 복합재료의 개발이 극저온 산업계에서 크게 주목됐다.

고성능, 고내구성 극저온 고분자 복합재료를 개발하기 위해서는 우수한 기계적, 열적 특성을 갖는 기능성 나노 충진재와 고분자 수지 간의 계면 결합 특성 향상이 요구된다. 또한, 고분자 수지 내에서 나노 충진재의 균일한 분산과 배향성(orientation)을 조정할 수 있는 제조공정 기술의 개발이 필요할 것으로 판단되는데, 이는 극저온 소재로의 적용 측면에서 소재의 원천적 한계로 여겨진 고분자의 저온수축현상과 금속 소재 또는 탄소 소재와 비교하여 상대적으로 높은 열팽창율을 근본적으로 해결할 수 있는 방안을 제시할 수 있어야 할 것이다.

신소재 개발 측면에서 고엔트로피 합금은 극저온 상에서 향상된 강도와 인성을 구현할 수 있는 소재로 가치가 매우 높다. 미래의 고부가가치 산업과 국가기반산업으로 그 중요성이 주목되는 우주산업과 수소산업 분야에서 필수적으로 요구되는 초 극저온(-260℃) 온도에서도 안정적으로 활용할 수 있는 신소재로 학계와 산업계에서 큰 관심을 받고 있기 때문이다.

현재 기술로는 이론적 해석을 통한 최적 소재 설계단계에 머물러 있지만, 열처리 공정과 냉각가공 기술, 원자 간에 안정적으로 금속결합을 형성시킬 수 있는 합성 기술이 개발된다면, 해당 산업 분야에서 원천적 문제로 고려된 저온 취성과 수소취성 문제를 해결할 수 있는 획기적인 소재가 될 것으로 예상된다. 또한, 소재 기술적으로도 크게 도약할 수 있는 산업적·기술적 토대를 제공할 것으로 판단된다.

5.2 정책 제언

현재 극저온 복합소재 개발과 관련된 국내 연구, 산업 인프라는 응용기술 측면의 활용과 제조기술에 치우쳐 있을 뿐만 아니라, 이와 관련된 산업시장 또한 우주·항공, 액화연료 저장 분야와 같은 특정 분야에 집중되어 기반기술이 매우 취약한 상황이다.

또한, 고분자 소재와 고강도 탄소섬유, 벌크 스케일의 나노필러 등 원천 소재에 대한 해외 의존도가 매우 높아 소재 수입국의 규제 정책에 따라 관련 산업이 큰 타격을 받는 문제점을 가지고 있다. 극저온 복합재료와 관련한 기술은 주로 미국, 일본, 유럽을 중심으로 개발이 이루어져 왔고 상용화된 기술 또한 일본, 미국, 독일, 영국이 대부분을 보유한 상황이다.

향후 수소에너지, 원자력 산업, 항공우주, 해양플랜트 산업에서 핵심소재인 극저온 복합재료의 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 여겨지기 때문에, 소재와 제조 기술 확보를 위한 기술경쟁이 치열하게 진행될 것으로 여겨진다.

따라서 극저온 복합재료 소재기술 분야에서 기술 경쟁력을 확보하기 위해서는 정부 정책 차원에서 장기적 기술투자와 지원에 기반을 둔 극저온 분야에 특화된 연구개발 기반이 조성되어야 하며, 소재개발에서부터 산업적 적용을 위한 실증 평가기술 확보 전반을 다루는 종합적인 중점연구개발 허브 구축이 시급히 필요하다.