국내 극한환경 내마찰·내마모소재, 기술개발·시장점유 부족

대기업 중심 극한환경 대응용 고품질 소재 기술개발

표면 코팅 장비·공정기술 연구·상용화, 선진국比 부족

■내마찰·내마모 소재기술

3. 산업 및 시장 동향

3.1 국내 동향

2) 기업 현황

국내의 극한환경용 소재개발에 관한 움직임은 과거에 비해 구체적이고 빠른 속도로 진행되고 있다. 특히 경상남도에서는 극한 온도환경 소재부품 자립화를 위해 5년간 950억 규모의 연구비를 투자하며 연구개발을 넘어 실용화를 위한 실증센터와 기업 협업 플랫폼 구축에도 노력을 기울이고 있다.

그러나 극한환경에서의 내마찰·내마모 소재 및 코팅 관련 기술개발과 산업 시장 점유는 상대적으로 부족한 실정인 것으로 파악된다.

▲ <그림 1>슬러리 파이프용 내마모성 고망간강(左) 및 고망간강 극저온 LNG 탱크가 적용된 그린 아이리스호(右)(출처: `극저온용 고망간강’ 세계시장서 주목받다, 에너지신문, 2019)

국내에서는 다양한 연구소 및 중소기업에서 내마찰·내마모 소재, 특히 코팅기술과 관련된 연구를 수행 중이나, 현재까지의 국내 기업 현황을 살펴보면 국내시장에서의 선도기술은 해외 기업의 국내 지사에서 이끌어가는 것으로 판단된다.

국내 기업에서는 제이엔엘테크, 동우열처리, 케이디엘씨 등의 기업이 고경도의 내마찰·내마모 코팅을 위한 PVD, PECVD 코팅 장비 및 공정기술을 보유하고 있으며 이온빔을 활용한 DLC 코팅 등의 코팅 서비스를 제공하고 있다.

해외 기업인 올리콘 발저스 코리아(Oerlikon Balzers Coating Korea Co., Ltd.)의 경우 국내에 5개 이상의 코팅 서비스 제공 사업장과 높은 기술력을 바탕으로 국내 시장에서 높은 점유율을 보이며, 이온본드 코리아(Ionbond Korea Ltd.)는 대구의 사업장을 중심으로 세라믹, DLC 코팅 장비와 기술의 내마찰·내마모 코팅 플랫폼 확장을 통해 시장 점유율을 높이고 있다.

국내 굴지의 대기업을 중심으로 금속, 폴리머 등 극한환경 대응용 고품질 소재 자체에 대한 기술개발과 시장점유가 이어지고 있다고는 하나, 극한환경에서의 내마찰·내마모 성능 확보에서의 핵심이라고 할 수 있는 표면 코팅 장비 및 공정기술에 관한 연구 및 상용화는 선진국보다 현저히 떨어지는 수준으로 평가된다.

3.2 해외 동향

1) 시장규모 및 전망

극한환경용 내마찰·내마모 소재는 복합재료소재, 나노소재, 특수 기능성 및 나노 세라믹 복합재 등 첨단소재의 범주에 속하는 소재로 분류될 수 있다. 특히 나노 세라믹 복합재와 탄소 기반의 나노구조 코팅 소재는 첨단 소재 중에서도 기존의 세라믹 소재 등 내마찰·내마모 성능이 우수한 소재의 한계점을 극복해 극한환경에의 적용이 가능한 소재로 전망되고 있어 기술적 관심이 매우 높은 수준이다.

첨단소재 시장의 경우, ’13년 1,471억달러 수준에서 ’19년 3,877억달러로 연간 17.53%의 꾸준한 성장세를 보였으며 ’22년에 5,570억달러 규모로 성장할 것으로 전망됐다.

▲ <표 1> 첨단소재 세계시장 규모 및 전망(단위: 백만 달러)(출처: 중소벤처기업부, 중소기업 전략기술로드맵(2019-2021))

극한환경에서의 내마찰·내마모 소재시장은 대부분 고기능성 합금소재, 세라믹 코팅, 탄소 코팅에 중점을 두고 있으며 표면 코팅기술의 성장세가 두드러지는 추세이다. Grand View Research에서 ’17년도 조사한 바에 의하면 미국의 고기능성 합금 시장은 ’16년 78억 5천만달러에서부터 ’24년까지 CAGR 4.7%로 성장이 예상됐으며 특히 우주항공 부문에서의 활용이 두드러질 것으로 나타났다.

소재 종류별 조사에서는 비철금속계 합금의 사용이 활발할 것으로 조사됐다. 세라믹 코팅의 경우에는 ’16년 70억 8천만달러 규모에서 ’25년까지 CAGR 7.2%의 성장을 보일 것으로 전망했으며, 항공우주 분야와 건설, 운송기기 분야에서의 활용이 활발해질 것으로 예상했다.

▲ <그림 2>고성능 합금 미국 시장 규모 및 전망(출처: Grand View Research, Global high performance alloys market 2018-2024(2018년)(上), Grand View Research, Ceramic coating market analysis by product, by technology, by application, and segment forecasts 2018-2025(2017년)(下))

극한환경용 표면 코팅 중 가장 많은 관심을 받고 있는 DLC 코팅의 경우에는 BBC research와 QY Research 등 다양한 조사가 수행됐으며 모든 조사에서 매우 가파른 성장세를 보였다. 대부분의 조사에서 DLC 코팅의 세계시장 규모는 약 4% 내외의 CAGR을 가지며 성장할 것으로 예측됐고 ’25년에는 20억달러 수준의 세계시장 규모를 보일 것으로 전망했다. 특히 DLC 코팅의 경우 연구 논문의 발표 건수가 ’10년 약 2,800편에서 ’20년 약 7,500편으로 급격한 증가추세를 보여 향후 더욱 높은 수준의 기술력으로 시장을 장악할 것으로 전망된다.

▲ <그림 3> DLC 코팅의 세계 시장 전망 및 연구 논문 발표 추이(출처: Zia et al. Ceramics International, 2021)

2) 기업 현황

세라믹 기반의 극한환경용 소재는 Applied Ceramics, CoorsTek, IBIDEN 등의 세계적 기업에서 주로 생산 및 공급하고 있다. 특히 CoorsTek의 경우, ’14년 세계적인 세라믹 생산 기업인 Covalent Materials를 인수·합병하면서 세계 최고 수준의 기술력과 시장규모를 가지는 기업으로 발돋움했으며, NASA 스페이스 셔틀의 펌프 부품 등 세라믹 베어링과 내마찰·내마모 성능이 우수한 베어링 볼 등의 생산을 통해 극한환경용 내마찰·내마모 소재 개발에 대응하고 있다.

내마찰·내마모 성능을 위한 나노구조 코팅 및 탄소계 코팅의 경우 올리콘 발저스(Oerlikon Balzers)와 이온본드(Ionbond)(IHI Group), CemeCon 등이 세계적인 선도기술을 보유하고 있는 것으로 파악된다. 국내 산업계의 경우 장비기술 분야에서 해외기술 의존도가 매우 높은 것으로 파악된다.

올리콘 발저스(Oerlikon Balzers)는 다양한 금속계, 탄소계 코팅 장비와 공정 서비스를 제공하며 항공, 우주 분야 등의 다양한 분야 적용을 위한 차세대 내마찰·내마모 코팅기술을 개발하고 있다. 이온본드(Ionbond)의 경우, 발전소, 항공기 엔진부품 등을 개발하는 IHI Group에서 함께 항공기 터빈 엔진 등의 극한환경에서 사용이 가능한 코팅기술을 꾸준히 개발해오고 있다. 특히 두 회사는 보유 기술을 활용한 코팅의 브랜드화를 통해 다양한 종류의 코팅 종류를 도입해 맞춤형 코팅 서비스를 제공하고 있다.

▲ <표 2>이온본드(Ionbond)社 제공 코팅 종류별 성능 비교(출처: ionbond.com)

3.3 국내외 선도기업

극한환경용 내마찰·내마모 소재기술 분야의 국내외 선도기업 및 주요 연구내용은 <표 3>, <표 4>와 같다.

▲ <표 3>내마찰·내마모 환경용 소재 - 국내 선도기업

▲ <표 4>내마찰·내마모 환경용 소재 - 해외 선도기업