04 - 와해성 기술을 선도할 한계성능 돌파 미래 신소재
미래의 환경변화에 따른 사회·문화적 변화, 기술적 변화, 생태환경적 변화, 경제적 변화와 FTA와 같은 정치적 변화 등에 맞서 기존산업의 와해성 혁신을 주도할 국가적 차세대 성장 동력산업이 절실히 필요한 시점이다.
따라서 향후 기존 소재의 한계성능 돌파를 통해 신산업 창출을 가능케 할 신소재들의 개발 가속화가 시급하다.
미래 신산업 창출을 위한 신소재 기술개발 전략과 기존산업의 함정에서 벗어나기 위한 세계시장 선도형, 미래수요 선도형, 미래 성장동력 연관 신소재 기술들을 소개한다.
안계혁 본부장 한국탄소융합기술원 khan@kctech.re.kr
신소재에 대한 미래 이슈
현재 우리나라는 급속한 세계화와 신자유주의적 무한 경쟁이라는 환경변화에 직면해 있다.
이러한 미래의 환경변화에 따른 사회·문화적, 기술적, 생태환경적, 경제적 변화와 FTA와 같은 정치적 변화 등에 맞서 기존산업의 와해성 혁신을 주도할 국가적 차세대 성장동력산업이 절실히 필요한 시점에 있다.
인간의 삶의 질을 향상시키고 건강하고 안전한 삶을 누리려는 욕구가 증대하여 기존에 존재하지 않던 IT 제품의 수요 급증과 웰빙(Well-Being) 추구 라이프 스타일의 변화, 실버산업의 성장, 친환경 의식의 고조, 소비자 욕구의 다양화에 따른 신감성 및 신기능 발현 제품들이 요구되고 있다.
이러한 사회·문화적 변화에 따라 글로벌 업체들은 미래 정보전자 기술개발에 대해 적극적으로 대응하여 사용자 편의, 착용감, 감성, 주위 환경과의 소통을 중시하는 인간친화적 기술에 대한 투자를 확대하고 있다.
21세기 인류의 최대 화두는 환경과 에너지 문제일 것이다. 따라서 친환경 고효율 전자제품, 자동차, 선박, 기차, 비행기 등의 출현과 에너지의 자가 생산/소비 시대로의 변화를 요구하여 고효율 전자제품용 IT 소재, 그린카 생산을 위한 고연비/친환경 자동차용 소재 및 저가, 탄소재료와 같은 경량 원소를 통해 에너지 효율이 높으며 환경오염 물질의 배출을 저감할 수 있는 소재에 대한 요구가 증대되고 있다.
중국의 희토류 금속의 수출 규제 등과 같은 소재에 대한 배타적 독점력 행사 압력과 배기가스 저감 및 기후변화협약에 의한 각종 환경규제의 강화, 탄소배출저감 등 친환경 소재/제품 사용 및 공정의 의무 규정 강화 및 RoHS, ELV, EuP, REACH, EUROⅣ 등 각 산업에 대한 중금속 규제강화와 에너지 사용 제품에 대해 친환경 설계가 의무화되어가고 있어 산업 패러다임의 변화가 그 어느 때보다 요구되고 있는 시점이다.
여기에 전 세계적으로 급속한 고령화에 따른 생산력 저하, 사회 복지 비용 및 의료비용 증가, 빈곤 노인층 양산 등 다양한 사회문화적 문제가 대두되고 있어 미래산업 기술에 대한 집중투자와 장기적 투자가 필요하게 되었다.
따라서 기존 소재의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 소재 개발과 3D 프린팅 등과 같은 공정 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 관련 장비기술 개발 또한 시급히 필요하다.
표 1 에 나타낸 것처럼 현행의 미래 이슈에 대해 집중 분석하여 미래 수요에 대한 대처가 필요하다.
와해성 기술형 미래 신소재란?
와해성 혁신(Disruptive Innovation)을 담보하는 미래 신소재란 혁신적인 제품개발을 가능하게 하여 기존산업을 완전히 재편하는 산업의 패러다임 전환을 가져올 수 있는 패러다임 전환형 미래소재를 말한다.
즉, 패러다임 전환형 미래소재는 기존 산업에서 미래이머징 산업으로 산업의 패러다임을 변환시킬 수 있는 신생소재를 의미하며, 자연 상태의 소재로는 구현이 되지 않는 새로운 특성을 구현할 수 있고, 기존 소재의 성능한계를 돌파하는 소재를 의미한다.
소재는 원자재에서 최종재로 이어지는 제품 생산의 가치사슬 구조 중 중간재에 해당하는 것으로서 부품(중간재)이나 완성품(최종재, 시스템)이 가져야 하는 특정 기능을 결정하는 핵심 물질이다.
소재 산업은 완성품 제조업의 수준과 경쟁력을 좌우하므로 소재의 경쟁력이 타 산업의 경쟁력으로 확대될 수 있고, 완제품의 가격과 품질, 성능 등에 영향을 주어 제품의 부가가치를 창출하는데 핵심적인 역할을 한다.
또한 소재는 오랜 개발기간과 많은 투자비용, 낮은성공 가능성 등의 한계가 있음에도 불구하고, 성공할 경우 큰 파급효과와 독과점적 지배력의 확보 가능성이 있는 분야이기도 하다.
산업경쟁력의 원천이 완제품 중심에서 소재산업으로 이동하면서 소재 경쟁력이 완제품의 성능과 부가가치를 좌우하는 핵심요소로 부각되고 있어, 소재의 중요도는 더욱 높아지는 추세이다.
결과적으로 소재산업은 완제품의 품질과 가격 경쟁력을 결정하여 경제의 전반적인 발전과 수출에 영향을 주고, 경제의 균형 발전에도 중요한 역할을 담당하고 있는 것이다.
소재 분야의 중요성에도 불구하고 기존의 소재 연구개발이 과다한 자원과 시간의 투자를 필요로 하여 소모적 과정이라는 문제점이 있었는데, 이를 해결하기 위하여 ICT 기반 소재 설계기술(계산 재료과학 등)이나 조합실험론과 같은 새로운 연구방법론과 패러다임으로 개발기간이나 비용을 절반으로 감축하고자 하는 움직임이 이루어지고 있다.
미국의 Materials Genome Initiative, EU의 Research Road Mapping in Materials, 일본의 新원소전략 프로젝트 2012 등을 이에 해당하는 새로운 첨단소재를 발굴하기 위한 지원시책으로 볼 수 있다.
이렇게 세계적으로 새로운 소재의 원천기술 확보를 위한 연구개발의 지원이 이루어지면서, 우리나라 역시 소재산업의 경쟁력 부족을 극복하고 새롭고 핵심적인 소재 원천기술을 확보하기 위한 연구개발의 추진 필요성이 제기되었다.
그림 1 에 나타낸 것처럼 1980년대에서 2010년대까지 우리나라의 부품·소재산업이 세계 수출시장에서 성공적으로 점유율을 높이고는 있지만, 우리나라 주력산업인 석유화학, 철강, 반도체, 자동차, 조선, 무선통신기기 분야에서 여전히 기술보다 가격 경쟁력을 중심으로 하고 있으며, 이러한 가격 경쟁력 위주의 제품시장마저 점차 중국이 잠식해 오고 있다는 점에서도 선도기술 확보의 필요성이 절실하다.
기존 소재의 한계를 뛰어넘을 수 있는 신소재를 개발하기 위해서는 첨단 개발 방식을 적극적으로 수용하여, 세계적으로 구현되지 않았으므로 관련된 세계시장을 독점할 수 있는 First Mover형 신소재를 개발해야 한다.
즉, 단순한 추격형 또는 수입대체형 소재기술의 개발이 아닌, 새로운 소재산업을 창출하는 것과 같은 선도적 연구개발의 원천기술을 확보하는 것이 필요하다.
미래 신소재 기술의 범위
많은 미래소재 중 과연 우리나라는 향후 어느 분야의 신소재를 집중 개발해야 할 것인지 선택의 기로에 놓여 있다.
와해성 혁신을 담보할 수 있는 패러다임 전환형 미래소재를 선정하여 집중 투자할 수 있는 혜안이 필요하다.
세계 소재산업 시장규모는 연평균 5.2%씩 성장하여 2013년 8조 1천억 달러, 2018년 10조 달러 규모로 확대될 전망이다.
금속소재의 경우 2008년 3조 1천억 달러 규모에서 2013년 4조 달러, 2018년 5조 3천억 달러 규모로 연평균 5.3% 성장할 것으로 전망되며, 화학소재는 2008년 3조 달러 규모에서 2013년 3조 8천억 달러, 2018년 4조 8천억 달러 규모로 연평균 4.7% 성장할 것으로 전망된다.
세라믹소재의 경우 2008년 세계시장 규모는 1천억 달러로 전체 소재 시장 내 비중은 가장 작지만, 2013년 2천 3백억 달러, 2018년 4천억 달러 규모로 연평균 13.4%씩의 높은 성장이 예상되고 있다.
세계 첨단 전자소재의 경우 전체 시장규모가 2011년 3,070만 달러에서 2016년 55억 달러, 그리고 2016~2021년에는 연평균 복합 성장률(CAGR) 36.3%로 성장하여 2021년에는 260억 달러 규모로 확대가 예상된다(BCC Research, 2012. 12)( 표 2 참조).
2010년 기준 국내 소재산업의 부가가치액은 약 89.9조원으로 제조업 부가가치 총액의 20.7%에 해당되며, 업종별 부가가치액은 1차 금속 29.5조원, 비금속광물 7.9조원, 화합물 및 화학제품 37.5조원, 고무 및 플라스틱 11.1조원, 섬유소재 4.0조원 등이다.
국내 소재·부품 수출은 21세기 들어 지속적으로 늘어 2008년에 세계 6위에 올라 소재·부품산업의 수출비중이 지속적으로 증가 할 것으로 예상되나, 소재산업의 대일 역조가 매년 증가하는 추세로 2010년 소재의 대일역조는 142억 달러로 오히려 부품산업 보다 더 큰 비중을 차지하고 있어 소재산업의 대일·대중 의존도가 심화될 것으로 예상되고 있다.
한국은 철강, 석유화학 등 범용소재 분야를 중심으로 세계시장의 3% 정도를 점유 중이다.
범용소재는 중국 등의 생산 확대로 경쟁이 심화되고 있으나, 인광 발광소재(UDC, 미국, 100%), DVD용 기판소재(테이진, 일본, 80%) 등과 같은 차세대 소재는 소수의 글로벌 기업이 시장을 지배하고 있는 상황이다.
그림 2 에 향후 우리나라에서 집중적으로 개발해야 할 와해성 기술형 신소재들을 나타내었다.
첫 번째는 인간교감형 IT 소재로 IT기기의 공간개념을 확장할 수 있고 IT 기기를 능동적으로 지배할 수 있는 신개념 인터페이스 구현을 위한 소재개발이 필요하다.
기존의 IT기기의 디스플레이소자의 2차원 공간 개념을 3차원, 4차원으로 확장함으로써 인간의 삶의 질을 향상시킬 수 있는 기술 개발을 위해, 투명소자화, 플렉서블화, 스트레처블화 및 초고해상도 특성을 구현 할 수 있는 차세대 소재의 개발이 요구된다.
또한 IT기기의 감성지수 향상 및 친인간적 오감만족형 제품 개발을 위한 광학 소재, 전기활성 소재, 자발광소재 및 초고정세 패터닝 관련 차세대 소재의 개발 또한 필요하다.
현재 화석연료 고갈 및 원전사고 등으로 신재생 에너지 분야의 중요성이 확대되고 있기 때문에 에너지 고효율화 소재 기술 또한 향후 개발해야 한다.
에너지 분야에서의 와해성 기술로는 인공광합성 등과 같이 에너지 변환 단계를 최소화하여 효율을 향상할 수 있는 소재개발이 필요하다.
친환경자동차, 스마트 그리드 등에 적용 가능한 신개념 고에너지밀도, 고출력 가능한 차세대 에너지 저장장치 개발을 위한 소재 확보 또한 필수적이다.
인간교감형 IT기기의 발전에 발맞추어 플렉서블 및 마이크로 배터리 등의 성능 향상이 가능한 소재 개발도 진행되어야 한다.
고기능 환경 정화 소재 기술 역시 미래 신소재로 개발이 필요하다.
CO2를 직접 이용한 고분자 합성기술 등과 같이 CO2를 단순 포집하여 저장하는 수동적 저감기술에서 능동적 저감기술로 전환시킬 수 있는 소재개발, 초고가 귀금속을 대체할 수 있는 배기가스 정화용 저가 나노소재, 해수 담수화를 위한 하이브리드 정수 시스템(RO/MD/PRO)용 멤브레인 소재, 초고도 수질 및 대기 정화용 탄소소재 기술들과 석유자원 고갈에 따라 바이오매스로부터 원료를 얻어 기존의 석유화학 제품을 대체할 수 있는 촉매소재 기술과 물환경, 재해재난 대응기술, 지속가능 물 순환 시스템, 수생태 복원 및 유지관리, 초미세 먼지 처리기술 등의 환경정화를 위한 소재개발 등이 이에 속한다고 하겠다.
미래에는 철강이나 강판 등을 대체하는 경량/고강도 소재 기술이 주목받을 것으로 예상된다.
기존 자동차의 경량화는 물론 친환경 자동차의 연비향상 문제가 국내 자동차 산업의 최대 이슈로 부각되면서 연비향상이 가능한 초경량 고강도 탄소복합소재 개발이 필요하다.
특히나 탄소섬유, CNT, 그래핀 등을 복합화하여 자동차용 내장재뿐만 아니라 외장재에도 직접 적용 가능한 초경량/고강도 고분자 복합소재 개발과 더불어 고강도/고인성 경량합금 소재와 생체용 경량합금 소재 개발 역시 필요하다.
인체에 적합화될 수 있는 생체 소재 개발 역시 와해성 기술을 선도할 수 있는 미래 신소재라 할 수 있을 것이다.
인체구성 원소 및 필수 미네랄을 합금원소로 하여 고강도/고연신의 분해속도 제어 가능한 금속소재의 개발, 반영구 수명의 인공관절 구현을 위한 자연모사형 고윤활저마모 표면 소재의 개발, 3차원 형상의 유지가 가능하며 줄기 세포의 생존율 최대한 높일 수 있는 스캐폴드 및 3차원 프린팅용 고분자 생체재료의 개발 등과 각종 차세대 의료 장치의 기능을 획기적으로 개선할 수 있는 신소재 개발이 필요하게 될 것이다.
마지막으로 상기 모든 미래 신소재는 수요자 맞춤형 3D 프린팅 소재로 사용이 가능해야 할 것이다.
기존 사출성형용 고분자 소재 뿐만 아니라, 금속, 세라믹, 하이브리드 복합소재 등 모든 소재분야에서 3D 프린팅용 소재기술 개발 경쟁이 가속화 될 것으로 전망된다.
신소재에 대한 미래지향적 전략
21세기 인류가 당면한 최대의 해결과제는 에너지와 환경 그리고 인간 친화적 기술이 될 것이다.
신소재의 미래지향적 전략에는 인류의 에너지 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 기술 개발이 필요하며, 이에 대한 솔루션을 획기적으로 제공할 수 있는 것이 와해성 혁신을 담보할 수 있는 미래 신소재개발임은 불문가지이다.
소재산업은 하나의 응용을 위해 제조된 소재가 다른 산업분야에 응용되어 많은 기술적 진보와 산업의 패러다임을 바꾸는 경우가 많다. 따라서 소재산업을 국가기반 산업으로 육성할 필요가 있다.
와해성 기술의 시작은 소재에서 시작되기 때문이다.
미국, 일본 등 선진국에서도 기술개발 초기 기술분야에 정부차원의 장기적이고 집중적인 투자를 하고 있다.
우리정부도 성공가능성은 낮지만, 성공시 파급효과가 큰 First Mover형 기술분야에 집중 투자할 필요가 있다.
우리나라는 ICT 강국인 만큼 선진국의 오랜 경험에 기초한 소재 설계 및 제조기술을 따라잡기 위해서는 소재 물성 데이터의 생산기술, 데이터베이스화 기술, 데이터 마이닝기술, 소재 스크리닝 기술 등 ICT에 기반한 기술을 적극 활용하면 소재설계 기간을 획기적으로 단축시킬 수 있을 것이다.
ICT개발 인력이 소재개발 인력과 적극 결합하여 사용자의 편의성이 최대화된 소재설계 인프라를 구축 해야하며, 개별 연구자들이 손쉽게 접근할 수 있도록 컴퓨터 자원, 네트워크 자원, 사용자 인터페이스를 정부주도하에 구축해야 할 필요성이 있다.
향후 미래사회의 변화 또는 산업의 경향은 순간적으로 변화될 수 있으며 특히, 혁신소재가 개발되는 경우 메가트렌드는 변화될 수 있다.
이 경우 기 설정된 소재개발의 목표를 유연하게 변화시켜 메가트렌드에 부응할 수 있는 소재개발체계를 구축해야 한다.
미래신소재를 개발하기 위해서는 개별소재에 집중하는 것이 아니라, 유연한 소재개발 체계를 구축하는 것이 선결과제라 할 수 있다.
미래의 소재기술은 시장이 아직 형성되지 않았거나 시장의 규모가 작은 경우가 많기 때문에 시장이 성숙할 때까지 기업이 기다리기 힘든 경우, 먼저 정부주도로 인큐베이팅을 하여 시장이 성숙되기를 기다려 소재시장을 선점하는 국가적 전략도 필요하다.