소재혁명 불 지피는 복합소재 - lgeri.com · 를 통해 단일 소재 영역에서는...

LGERI 리포트

22 LG Business Insight 2010 2 3

문희성 선임연구원 [email protected]

소재혁명 불 지피는 복합소재

Ⅰ. 왜 복합소재에 주목하는가

Ⅱ. 복합소재의 발전 방향과 유망 소재

Ⅲ. 소재 기업에 주는 시사점

복합 소재는 금속, 세라믹, 화학 소재 등 서로 다른 종류의 소재들이 필요에 따라 결합된 형태의

소재이다. 그러나 최근 들어 나노기술의 발전 등으로 기존의 복합소재에서 아예 새로운 소재로 환골

탈태할 수 있는, ‘복합’의 재정의가 일어나고 있다. 복합 소재는 복합 혹은 융합의 특성에 따라 나노필

러 복합소재, 하이브리드형 복합소재, 알로이형 복합소재 등 크게 세 가지로 구분된다. 복합 소재는

최근 대부분 산업에서 가장 이슈가 되고 있는 환경·에너지 문제 해결에 상당한 기여를 할 것으로 보

인다. 경량화·절전을 통한 에너지 효율화, 이산화탄소 포집 성능 향상, 희소 자원 절감 등을 통한 환

경 보호, 수질개선과 물 부족 해소를 위한 수처리 고도화 등의 분야에서 복합 소재의 수요가 확대되

고 저변도 넓어질 전망이다. 일부 소재기업들은 새롭게 부각되고 있는 환경·에너지 문제 등 새로운

고객 니즈에의 효과적 대응을 위해 비즈니스 모델의 혁신을 선제적으로 추진하고 있다. 이와 동시에

소재의 복합화가 단편적인 소재 기술만으로 구현되는 것이 아니기 때문에 관계사 또는 외부 기업과

의 협력을 통해 방향을 찾고 있다. 수요 산업의 융·복합화 니즈에 맞춰 소재도 융복합화가 강조되고

있어 기업들만의 노력으로는 소재 개발이 갈수록 어려워지는 것이 현실이다. 소재 개발의 활성화를

위해서는 개방형 혁신을 지원하기 위한 정부의 코디네이터 역할도 어느 때 보다 요구되고 있다.■

“

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트

복합소재는 우리

주위의 철, 플라스틱,

유리 등의 소재들이

다양한 니즈에 맞게

결합된 것이다.

”

Ⅰ. 왜 복합소재에 주목하는가

골프채에서 항공기까지……이미 가까이에 있는 복합소재

인류 문명을 석기, 청동기, 철기, 플라스틱, 실리콘 등 시대를 대표하는 소재로 구분

할 정도로 소재는 우리의 생활 모습에 큰 영향을 미친다. 오늘도 우리는 끊임없이

어떤 제품에 사용된 ‘소재’를 접촉하고 있으며, 이러한 소재는 수요 산업에 따라 전

자 소재, 광학 소재, 자동차 소재 등으로, 혹은 성분에 따라 금속, 세라믹, 화학 소재

등으로 구분된다. 그렇다면 ‘복합’ 소재는 무엇일까? 쉽게 생각해 볼 수 있는 것으로

요즘 소비 트렌드 중 하나라는 복합 쇼핑몰을 떠올려보자. 하나의 공간에서 영화,

공연, 쇼핑, 식사 등 다양한 니즈를 동시에 만족시켜줄 수 있는 곳이다. 복합 소재도

이와 유사하다. 우리가 흔하게 접하는 철, 플라스틱, 유리 등의 소재들이 다양한 니

즈에 맞게 결합된 것이다. 생소해 보이지만 이것은 이미 우리 주위에 자리 잡고 있

다. 골프클럽에 사용된 복합소재를 예로 들어보자. 골프클럽의 샤프트를 보면, 단순

히 손으로 치기 쉽게 헤드와 연결해놓은 막대기쯤으로 인식될 수 있다. 하지만 샤프

트는 ‘골프클럽의 척추’라 불릴 만큼 경기 시에 비거리를 더 높이거나, 방향 제어 능

력을 향상시키기 위해 중요한 부분이다. 초기에는 감나무로 만들어진 것을 사용하

다 20세기 초에 들어 금속 소재의 샤프트를 사용하면서 골퍼들은 이전보다 더 강하

고, 안정된 샷을 구사할 수 있게 됐다. 1980년대에 들어서 또 한번의 소재 혁신으로

그래파이트(Graphite)를 강화재로 쓴 복

합소재가 도입된 후, 현재의 탄소 섬유

복합소재에까지 이르렀다.

골프채를 예로 들었지만, 복합 소재는

사실 더 오래 전부터 존재해왔다. 그 시

초는 초가집의 보온성, 강도 등의 만족을

위해 황토와 볏짚을 섞어 만든 황토벽돌

이다. 이것이 현대에 이르러 콘크리트 복

합소재로 대체되었다. 이외에도 자동차 복합소재는 스포츠용품에서 항공우주산업까지 다양하게 사용되고 있다.

“

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나노기술의 발전에

따라 복합소재의

성능이 획기적으로

개선되고 있다.

”타이어, 주택용 물탱크, 소형 선박 등 복합소재가 사용되는 제품은 우리 주위에서

쉽게 찾아볼 수 있다. 이들의 사용 목적은 서로 다른 종류의 소재들을 인위적으로

결합시켜 보다 우월한 성능을 내고자 함이다.

이와 같이 오래 전부터 존재해온 복합 소재를 최근 다시 주목하는 이유는 무엇일

까? 그것은 복합소재가 기후변화로 대표되는 환경·에너지 이슈의 해결책을 모색하

고 소재의 성능 한계를 극복할 수 있는 현실적 대안이 될 수 있기 때문이다. 나노 기

술의 발전에 따라 복합소재의 성능이 획기적으로 개선되었고, 이에 따라 복합소재

를 통해 단일 소재 영역에서는 불가능했던 솔루션 제시가 가능해지고 있는 것이다.

본 고에서는 복합소재가 주목 받게 된 배경을 좀 더 구체적으로 살펴보고, 이를

바탕으로 향후 어떤 복합소재가 유망할 것인지, 또한 이것이 기업 및 정부에 시사하

는 바는 무엇인지 보고자 한다.

환경·에너지 문제의 해결책 모색

지난해 말 개최되었던 코펜하겐 회의는 온실가스 감축 문제가 더 이상 미뤄질 수 없

는 사안이라는 것을 확인하는 자리였다. 그만큼 주요 국가들은 보다 강력한 온실가

스 감축 의지를 표명했다. 각국의 감축량 목표에 대해서는 논란이 있지만, 앞으로는

온실가스의 감축량 목표를 ‘얼마’로 설정할 것인가 못지 않게 온실가스를 ‘어떻게’ 줄

일 것이냐 하는 현실적 문제에 관심이 집중될 것이다. 온실가스 감축의 방법으로는

아예 온실가스의 발생량을 줄이거나, 따

로 저장하여 처리하거나, 아니면 신재생

에너지 사용 비중을 늘리는 방안을 생각

할 수 있다. 복합 소재가 그 중 하나의 대

안이 될 수 있다. 에너지 효율성 측면에서

보면 복합소재는 기존 소재 대비 높은 효

율성 (경량화, 절전, 단열 등)을 얻을 수

있고, 이는 그만큼 온실가스 감축 효과로

이어지기 때문이다. 코펜하겐 회의의 성과는 기후변화의 심각성을 인식했다는 점이다.

“


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트

복합소재는 높은

에너지 효율성으로

환경·에너지 문제

해결에 기여할 수

있다.

”

지난 2009년 말, 신문에 인상적인 헤드라인이 있었다. ‘섬유 테이프로 감아 만든

항공기’. 항공기는 강철로 만드는 것으로 알려져 있지만 이제는 다르다. 바로 그 주인

공은 미국 보잉(Boeing)의 차세대 항공기 B787 (드림라이너)이다. 몸체에 탄소섬유

와 플라스틱 소재가 결합된 복합소재가 적용된다. 몸체 소재 비중의 50%가 바로 복

합소재로 금속소재보다 강하면서 무게는 20% 줄일 수 있다. 이것이 기후 변화와는

어떠한 상관관계를 가질까? [그림 1]에서와 같이, 전세계 100석 이상 여객기 제작시

복합소재의 비중을 50% 이상 적용하게 되면 온실가스 연간 감축량을 노르웨이 전체

배출량 보다 더 많이 줄일 수 있다고 한다. 탄소섬유 복합소재는 항공기, 자동차 등

의 운송수단뿐만 아니라 신재생에너지 중 하나인 풍력 발전의 터빈날개 등에도 적용

된다. 이에 따라 세계 탄소섬유 수요는 2007년 3만 톤 규모에서 2018년 10만 톤으로

연평균 13% 증가할 것으로 예상된다. 도레이(Toray), 미쓰비시 레이온(Mitsubishi

Rayon) 등 메이저 업체들은 수요가 늘어남에 따라 증설을 서두르고 있다.

585

기존

546

50% 적용시

96

기존

78

17% 적용시

전세계 여객기 적용시 연간 온실가스 절감 효과*

전세계 고급승용차 적용시 연간 온실가스 절감 효과**

(단위: 백만톤 CO2/년)

39백만톤 절감(∵무게 20% 경량화)(’07년 노르웨이 전체 배출량 36백만톤)

18백만톤 절감(∵무게 30% 경량화)

탄소섬유 복합소재 50% 이상 적용

탄소섬유 복합소재 17% 이상 적용

자료: Toray

* 100석 이상 여객기 15천대 기준, **5만달러 이상 승용차 37백만 대 기준

<그림 1> 탄소섬유 복합소재 사용을 통한 이산화탄소 감축 사례

“

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복합소재는 소재

성능을 한 단계

발전시키는 동인이 될

것이다.

”소재의 성능 한계 극복

복합소재는 금속, 세라믹, 화학소재 등 개별 소재의 성능 한계를 극복할 수 있는 대

안으로 각광받고 있기도 하다. 예컨대 자동차산업에는 보다 가볍고, 외부 충격이나

열에 강하면서도 모든 성능을 만족시켜주는 소재의 등장이 필요하게 되었다. 결과

적으로 차체 소재에서 금속 소재의 비중은 감소하고 복합소재나 엔지니어링 플라스

틱 비중이 증가하는 현상이 일어났다. 소재 수요기업인 도요타(Toyota) 자동차는

2007년부터 자동차 경량화를 위해 MI(Mass Innovation) 프로젝트를 추진하고 있

다. 이를 통해 2008년 시카고 모터쇼에 탄소섬유 복합소재로 차체와 휠을 만들어

무게를 1/3로 줄인 컨셉트카 ‘1/X’를 선보이기도 했다. 철강 업체들도 대응을 서두

르고 있었다. 1994년 17개국 35개의 철강업체들이 ULSAB(Ultra Light Steel Auto

Body) 컨소시엄을 형성하였다. 2천만 달러 규모의 연구비를 투입, 철강 소재의 경

량화 프로젝트를 수행했다. 이를 통해 마그네슘, 알루미늄 등 비철소재를 자동차에

도입하는 계기가 되었다. 이로 인해 자동차 소재 비중에서 금속소재 비중을 조금이

라도 회복할 수 있었다. 최근에 포스코는 철강 소재를 대체할 수 있는 알루미늄, 티

타늄, 마그네슘, 페로망간, 탄소섬유와 같은 아이템을 개발해서 복합소재 기업으로

변모한다는 전략을 내놓은 바 있다. 이처럼 복합소재는 소재의 성능을 한 단계 발전

시키면서, 소재간 경쟁을 가속하는 요인으로 작용하고 있기도 하다.

나노기술의 발전

전통적인 복합소재의 개념은 서로 다른 종류의 소재들로 만들어지

는 것이고 그 역할은 모재(Matrix)와 강화재(Filler)로 이루어져 있

다. 예를 들어 콘크리트를 생각해보자. 이것은 기존의 시멘트의 내

구성을 높이기 위해 자갈을 섞은 것이다. 여기서는 시멘트가 모재

이고 자갈이 시멘트를 도와서 더 강하게 해주는 강화재 역할을 한

다. 기존의 복합소재들은 이처럼 어떤 소재의 성능 개선을 위해 첨

가하는 수준으로 다른 종류의 소재를 넣는 것에 그쳤다. 차량의 중량을 X분의 1까지 경량화한다는 의미의 ‘1/X’는 복합소재를

사용해 420kg의 무게가 나간다

“


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트

복합소재는 나노필러

복합소재, 하이브리드형

복합소재, 알로이형

복합소재 등으로

발전할 것이다.

”

하지만 나노기술(Nanotechnology)의 진보는 새로운 개념의 복합소재로의 구현

을 가능하게 하고 있다. 나노 수준에서의 소재·공정·분석 등이 가능해지면서 단

순히 섞어주는 복합의 개념에서 벗어나 아예 새로운 소재로 환골탈태할 수 있는,‘복

합’의 재정의가 일어나고 있는 것이다.

Ⅱ. 복합소재의 발전 방향과 유망 소재

복합소재의 개념 및 발전방향

복합소재는 그림 2 에서와 같이 금속, 세라믹, 화학 소재 등 개별 소재 간의 결합된

영역을 말한다. 그리고 앞에서 언급한 것과 같이 각각의 소재가 모재와 보강재로 역

할이 구분된다. 그러나 나노기술의 발전과 함께 복합소재는 더욱 다양한 방향으로

발전할 전망이다.

첫 번째는 기존 복합소재의 특성을 강화한 형태인 나노필러 복합소재이다. 필러

인 강화재 (첨가재)부분을 나노 크기로 작게 해서 다른 종류의 소재와의 결합하는

것이다. 이로 인해 기존 복합소재에 비해 성능이 향상된 것은 기본이고, 이외에도

<그림 2> 복합소재의 개념 및 발전방향

모재(Matrix)

구조재 A 구조재 B

분자소재 A 분자소재 B

복합소재의 영역 및 정의 나노 기술을 통한 소재의 복합화

복합소재는 금속, 세라믹, 화학 계열소재간의 결합을 통해 기존 소재의 성능 한계를 뛰어넘는 소재

강화재(Filler)

나노강화재(Filler)

모재(Matrix)

모재(Matrix)

+

+

+

+

금속

세라믹 화학1

나노필러 복합소재

하이브리드 복합소재

2

알로이 복합소재

3

나노기술의 발전

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“ 알로이형 복합소재의

개발은 기존의

복합소재와는 완전히

차별화된 ‘신소재’의

개발을 의미한다.

”

다양한 종류의 강화재 사용이 가능해지는 만큼 소재의 응용분야도 대폭 확대될 전

망이다. 나노클레이 또는 탄소나노튜브 등의 나노분말을 넣은 복합소재 등이 해당

된다.

두 번째는 서로 다른 종류의 소재들이 특정한 구조를 이루고 있는 하이브리드형

복합소재이다. 예컨대 다양한 소재들의 형태를 제어해서 원하는 형태의 구조를 만

든다든지, 아니면 하나의 소재 표면에 다른 종류의 소재가 얇은 막을 형성하는 것이

될 수 있다. 현재 전자종이(e-paper)용 전자잉크소재, 기능성 표면 처리 소재 등이

개발되고 있다.

세 번째는 원자·분자 단위 영역에서 프레임구조를 형성하고 있는 알로이형 복

합 소재를 들 수 있다. 기존의 복합화가 마이크로 영역에서 이루어졌다면, 앞으로는

나노기술의 발전에 따라 원자·분자 제어 기술을 바탕으로 한 복합소재 개발이 가

능해질 전망이다. 나노기술의 특성상 원자·분자 단위에서의 소재 제어가 이루어지

면 전혀 새로운 물성의 구현도 가능하다. 결국 알로이형 복합소재의 개발은 기존의

복합소재와는 완전히 차별화된 ‘신소재’의 개발을 의미하는 것이라 해도 무방하다.

<그림 3> 녹색 혁명을 주도하는 차세대 복합소재

에너지

환경

에너지 효율화(경량화/절전)

에너지 저장/발전

희소자원절감

수처리고도화

CO2 포집/저장 능력

향상

·탄소섬유 복합소재: 항공기, 자동차 등에 경량화를 위해 적용·나노클레이 복합소재: 자동차 등 운송수단의 경량화를 위해 금속소재를 대체해서 사용·전자종이용 복합소재: 전자종이, 전자책 등에서 저전력으로 영상표시를 위해 사용

·리튬이온전지용 복합소재: 세라믹 양극재의 특성을 보완하기 위해 탄소를 코팅한 형태·연료전지용 복합소재: 고분자 전해질에 무기 소재층을 결합한 형태

·금속-유기 프레임워크(MOF) : 다공성 소재로 넓은 표면적 사이로 CO2 포집/저장이 가능·생체모방 복합소재 : 생체내 효소가 이산화탄소 포집하는 기능을 이용하여 적용

·탄소나노튜브 복합소재 : ITO (인듐-주석산화물)의 대체, 경량화 등에 사용·패터닝 복합소재: 선택적으로 전극 패턴을 형성시킬 수 있어 낭비되는 소재를 차단

·기능성 표면 복합소재 : 물의 선택성 및 투과 효율성을 높이기 위해 멤브레인 표면을 처리 － 멤브레인


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트

“ 나노클레이 복합소재는

나노기술이 적용되어

상용화된 대표적인

사례이다.

”환경·에너지 분야의 유망 복합소재

소재산업은 산업 특성상 많은 수요 산업과 높은 연관관계를 가지고 있다. 따라서 수

요산업의 변화가 궁극적인 소재 수요를 결정한다고 해도 과언이 아니다. 최근 대부

분 산업에서 가장 중요한 위치를 차지하고 있는 이슈는 환경·에너지 문제이다. 당

연히 녹색 성장을 위한 해결책이 소재산업에도 새로운 사업의 기회로 부상하고 있

다. 환경·에너지와 관련된 주요 이슈 및 이에 따른 유망 복합소재는 [그림3]에 정

리된 바와 같다. 이하에서는 환경·에너지 분야를 중심으로 향후 유망할 것으로 전

망되는 복합소재들을 살펴보기로 한다.

1. 절전, 경량화 등의 에너지 효율화를 위한 복합소재

◎ 나노클레이(Nanoclay)-고분자 복합소재

나노클레이는 점토 광물 성분으로 구성된 대표적인 무기 충전재(filler)이다. 유기물

질과 다르게 무기물질은 나노크기 수준에서 안정한 상태를 갖기 어렵다. 그러나 나

노클레이는 안정한 층상 실리케이트(layered silicate) 나노 구조를 갖고 가공성이

용이해서 1980년대 후반부터 많은 주목을 받아왔다. 동등 이상으로 강하면서도 가

벼운 소재였기 때문이다. 최초 상용화는 일본 도요타(Toyota) 자동차의 중앙연구소

에서 경량화를 목적으로 개발되었다. 도요타는 우베(Ube Industries)와 공동으로

폴리머 소재에 나노클레이 입자들을 결합하여 기계적 강도와 내열성 등이 우수한

복합소재를 개발했다. 특이한 점 중 하나는 자동차 소재 적용을 위해 수요 기업이

직접 개발했다는 점이다.

나노클레이 복합소재는 적용성이 상대적으로 우수하기 때문에 다우(Dow), 바이

엘(Bayer), 하니웰(Honeywell) 등 많은 화학 소재 기업들이 자동차 소재, 포장재,

전기부품 등의 용도로 제품을 활발하게 개발하고 있다. 바이엘(Bayer)의 경우 합성

수지와 나노클레이 입자를 복합화시켜 합성수지의 성능을 크게 향상시키고 있다.

나노클레이를 폴리카보네이트와 복합화하여 난연성을 향상시키거나, 나일론 필름

과 복합화하여 필름의 가스 투과성을 적게 함으로써 음식물을 오래 보관할 수 있게

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한 것 등이다.

◎ 전자종이(e-paper)용 복합소재

정보화 사회가 되면 정보의 이동이 온라인으로 이루어지면서 종이 사용이 줄어들

것이라는 전망이 지배적이었다. 하지만 그 결과는 반대였다. 종이 사용에 대한 관성

으로 정보량만큼 인쇄량도 많아졌기 때문이다. 소재의 복합화를 통해 종이 절약의

재도전이 시작되고 있다. 그 중 하나의 방향은 전자책(e-book)으로 이 제품의 핵심

소재가 바로 전자잉크(E-ink) 복합소재이다.

전자잉크(E-ink) 소재는 현재 대만의 소형 TFT-LCD 업체인 프라임 뷰 인터내

셔널(PVI)에서 독점 공급하고 있다. PVI는 지난 2009년 6월, 2억 1500만 달러에 미

국 E-ink를 인수했다. 피인수 기업의 소재 기술은 미국 MIT대학의 미디어랩

(Media Lab) 연구진이 개발한 것으로 1997년 제이콥슨(Joe Jacobson) 등의 일부

연구진이 E-ink 를 창업, 상용화하였다. 전자잉크는 고분자공학, 화학, 전자공학,

“ 에너지 절약과

관련하여 최근 가장

주목받고 있는

복합소재로는

전자종이용 전자잉크를

들 수 있다.

”

전자 잉크(e-ink)의 구동원리와 전자책(e-book)

전자잉크(E-ink)는 고분자 소재의

마이크로캡슐 안에 양극을 띤 백색입자(TiO2)

및 음극을 띤 흑색코팅 입자가 투명 액체와

함께 채워진 형태이다. 여기에 마이너스

전기를 가하게 되면 백색 입자가 마이크로

캡슐의 위쪽으로 올라와(동시에 흑색 분말은

바닥으로 내려온다) 사람의 눈에 흰색

영상이 보인다. 반대로 전기를 가한

경우에는 흑색분말이 위로 올라와 그 부분이

검은색으로 보이게 된다. 이러한 원리를 통해서

우리는 흰색 바탕위에 글씨 등을 볼 수 있게 된다.

이러한 전자잉크는 시장에 나온 대부분의

전자책에 적용되고 있다. 그 중 대표적인 전자책인

아마존(Amazon)의 킨들(Kindle)은 지난해 말

비즈니스위크(Business Week)에서 2009년 최고의

정보전자제품으로 선정되기도 했다.


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트

물리학 등의 지식과 나노기술을 기반으로 한 새로운 소재로서 고분자 캡슐 안에 세

라믹 나노 입자들과 액체가 들어있는 형태다. 이 소재로 인한 전자종이(e-paper)의

절전능력은 놀라울 정도다. 기존 LCD의 전력사용량 대비 100분의 1 수준으로 한번

충전시에 2주간 사용이 가능하다. 전자종이(e-paper)의 영상 표시 원리는 각 화소

마다 있는 전자잉크 입자에 전기신호를 주면 검은색 또는 흰색을 표시를 하는 방식

으로, 정지영상에서는 전력소모가 없기 때문에 확기적인 전력 절감이 가능하다. 현

재까지 가장 큰 전자종이는 최근 LG디스플레이에서 발표한 19인치 플렉서블 전자

종이이다. 디스플레이 서치에 따르면 전자종이 패널 시장은 2009년 4억 3천만 달러

규모에서 2018년 96억 달러 규모로 연평균 41% 성장할 것으로 전망하고 있다. 전자

잉크 소재는 단말기의 핵심기능 소재로 아마존 킨들의 경우 제조원가에서 50%를

차지한다고 알려져있는 만큼 높은 성장세가 전망된다.

2. 에너지 저장/발전용 복합소재

◎ 리튬이온전지용 복합소재

리튬이온전지는 기존의 소형 시장에서 전기자동차용 중대형 전지, 신재생에너지 저

장용 등의 응용분야 확대로 높은 시장 성장이 예상된다. 본격적인 시장 확대를 위

해서는 원가 절감이 필수적인데, 그 핵심 대상은 원가의 약 절반을 차지하는 양극

재라 할 수 있다. 예컨대 현재 사용되는 코발트 계열 소재는 원료가격이나 자원적

제약 때문에 폭발적 수요 확대가 예상되는 중대형 전지용으로 사용하기에는 부족하

다는 평가가 지배적이다. 이에 따라 현재 대체 소재 연구가 활발한데 올리빈 구조

의 인산철계열 소재가 가장 주목을 받고 있다. 인산철 계열 복합소재는 저비용, 고

출력, 높은 안정성이 요구되는 전기자동차나 하이브리드 자동차용 전지에 용이한

것으로 평가되며, 최근에는 취약한 전기전도도 특성을 보완하기 위한 시도가 이루

어지고 있다. 일본 산업기술총합연구소(AIST) 등에서는 양극소재의 입자 표면을

다른 종류의 소재인 나노 탄소 소재로 코팅하여 보다 성능이 향상된 소재 개발을 촉

진하고 있다.

“ 에너지 저장 및 발전

효율을 극대화하기

위한 복합소재도

각광을 받을

전망이다.

”

“

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탄소나노튜브

복합소재는 뛰어난

성능으로 향후

급성장이 예상되는

분야이다.

”

◎ 연료전지용 복합소재

여러 가지 신재생 에너지 중 연료전지는 대기오염, 소음, 발열, 진동 등의 공해를 획

기적으로 줄일 수 있는 에너지원으로 꼽힌다. 여러 종류의 연료전지 중에도 다양한

장점을 지닌 고분자 전해질 연료전지가 가장 널리 개발되고 있는데, 이의 핵심 소재

가 고분자 전해질 분리막이다. 최근에는 나노복합 전해질을 이용하여 전해질 막의

성능을 개선시키려는 시도가 이루어지고 있다. 나노복합 전해질은 주로 열안정성을

높이기 위해 유연한 고분자와 열에 안정한 무기계 소재를 결합한 형태로 개발될 경

우 연료전지 대중화를 한층 앞당기는 역할을 할 것으로 기대된다.

3. 자원 절감을 위한 복합소재

◎ 탄소나노튜브(CNT) 복합소재

탄소나노튜브1 복합소재는 탄소나노튜브(CNT)를 금속 또는 고분자 소재와 결합한

것이다. 나노소재 중 대표격인 탄소나노튜브는 구리보다 1000배나 전기전도도가 높

고, 강철의 100배 수준인 뛰어난 강도 등 물질의 특성이 우수하다. 이로 인해 탄소

나노튜브는 기존의 소재와 결합하여 전기/전자제품, 자동차 분야 등의 고성능화, 경

량화, 소형화를 구현하는 용도로 사용되고 있다. 구체적인 응용분야로 동일 무게 대

비 높은 강도 특성을 이용한 구조소재, 기존 디스플레이용 투명 소재를 대체하는 투

명전도성 필름, 제품에서 발생하는 열을 효율적으로 분산시키기 위한 방열소재 등

을 들 수 있다.

시장정보기관인 Global Industry Analysis에 따르면, 탄소나노

튜브 복합소재의 전체 글로벌 시장 규모는 2010년 2.5억 달러 규

모에서 2015년 33.4억 달러 규모로 확대될 전망이다. 이로 인해 탄

소나노튜브 자체의 제조에 주력하던 기업들은 상용화의 통로를 확

장하기 위해 화학업체들과 제휴를 통하거나, 직접 복합소재 영역

에 진입하고 있다. 예를 들어, 탄소나노튜브 소재 업체인 미국 하

이페리온(Hyperion)은 독일 바스프(BASF), 에보닉(Evonik) 등 화

1　�탄소성분으로�이뤄진�소재의�하나로�육각형�그물�망으로�만들어진�튜브와�같은�형태임.�여름에�쓰는�‘죽부인’과�비

슷한�모양이며�튜브의�직경이�수�나노미터의�크기라서�나노튜브라고�불림

탄소나노튜브 복합소재의 대표적인 응용분야는 디스플레이 및

터치스크린용 필름이다.

“


LGER

I 리포

트

패터닝용 나노잉크

복합소재는 디스플레이

산업의 혁신에 기여할

것이다.

”학 소재 업체에 탄소나노튜브를 공급, 자동차 부품 및 일부 차체용 소재로 적용시키

고 있다.

스포츠 용품에도 하이테크 마케팅 차원에서 이 소재를 적용한 제품을 선보이고

있다. 독일 바이엘은 탄소나노튜브를 이용한 아이스하키 스틱과 야구배트, 스키 등

을 선보였다. 이미 이들 제품은 독일은 물론이고 핀란드 등 유럽지역 스포츠 국가대

표팀에서 사용되고 있는 것으로 알려졌다. 독일 프라운호퍼연구소 기술개발그룹

(TEG)에서 개발한 탄소나노튜브를 적용한 테니스 라켓 9만 개는 테니스 애호가들

에게 순식간에 팔렸다. 나노소재를 적용한 골프채의 경우는 기존 소재보다 10배 이

상의 강도를 가지며 비거리 또한 월등한 것으로 분석되고 있다.

◎ 패터닝(patterning)용 복합소재

전자부품에 전극 패턴을 형성할 때, 일괄적으로 전체 면에 전극용 및 공정 소재를

바른 후, 얻고자 하는 패턴 이외에는 모두 버리는 방식을 사용했다. 이로 인해 고도

의 제어가 어렵고 불필요하게 낭비되는 소재들이 발생하였다. 이러한 대안으로서

마치 프린터로 인쇄하듯이 원하는 패턴을 그리는 방식이 제시되고 있다. 여기에서

나노 금속 또는 세라믹 입자들과 화학 소재를 결합한 “잉크”와 같은 물성을 갖는 패

터닝용 복합소재가 이용된다. 예를 들어, 나노잉크 복합소재를 활용해 디스플레이

또는 각종 전자부품의 전극을 형성하는 것이다. 아직은 가격 등의 문제로 본격적인

상용화가 이루어지지 않고 있으나 미국의 듀폰, 캐봇(Cabot), 일본 세이코엡슨, 알

박(Ulvac)을 비롯해 국내 기업들도 이러한 잉크 소재의 제품 적용을 위해 적극적으

로 나서고 있다.

4. 수처리용 복합 소재

◎ 멤브레인 복합소재

기후변화 문제 외에도 인류 생존을 위한 물 부족 이슈가 매우 중요해지고 있다. 물

은 대체 자원이 없기 때문에 정수하거나 담수처리를 해서 사용할 수밖에 없다. 현

재 가깝게는 사무실에 있는 정수기에도 멤브레인 소재의 필터가 들어있다. 하지만

“

LGERI 리포트


최근에는 이산화탄소

처리를 위한 첨단

복합소재 연구가

활발하다.

”이보다 고도정수처리나 담수 처리를 위해서는 고기능성 멤브레인이 필요하다. 이

를 위해 다우(Dow), 도레이(Toray) 등 업체들은 멤브레인 성능 향상 연구개발에

적극적인 상황이다. 궁극적인 목적은 멤브레인에 물을 친화력있게 만들어주는 기

능을 부여하는 것이다. 대부분의 방향은 고분자 소재인 멤브레인 표면에 다른 종류

의 소재층을 형성시키는 방식으로 복합화하고 있다. 예를 들면, UCLA의 연구진을

주축으로 2005년에 설립된 벤쳐기업 Nano H2O는 역삼투압 멤브레인 표면에 수십

나노미터 두께로 나노 입자 (제올라이트)층을 형성하여 멤브레인의 물 투과 성능을

2배 향상시켰다. 이외에도 탄소나노튜브 등 다양한 나노소재 기술들을 활용해서

수처리 능력을 높이려는 시도들이 이뤄지고 있다. 글로벌 워터 인텔리전스(GWI)에

따르면 이 소재 기술은 수처리 시설 운영 비용이 기존 대비 50% 절감이 가능하여

신뢰성만 확보한다면 기존 역삼투압 멤브레인 시스템을 급속히 대체할 것으로 전

망하고 있다.

5. 이산화탄소 포집 및 저장 (CCS)용 복합소재

◎ 금속-유기 프레임워크 (MOF, Metal-Organic Framework)

이산화탄소 문제가 이슈화되면서 배출된 것을 회수하는 기술(CCS, Carbon

Capture and Storage)들도 연구되고 있다. 이산화탄소 포집 및 저장용 소재 중에

새롭게 주목하고 있는 것이 MOF이다. 1995년 미국 Yaghi 교수팀이 처음 개발한 이

소재는 표면 면적을 모두 더하면 기존의 다공성 소재들 보다 표면적이 4~5배, 숯보

다 10배 이상 높다. 이 소재 1그램의 표면적 크기는 10개 이상의 테니스 코트를 붙여

놓은 것과 같다는 것으로 짐작할 수 있다. 소재 구조는 금속 원자와 유기물 분자간

의 프레임구조로 되어 있다. 그림과 같이 수소, 이산

화탄소 등을 저장할 수 있어서 대기중의 이산화탄소

양을 줄여주는 역할을 할 수 있다. 소재에 대한 원천

특허를 이용하여 2008년에 독일 BASF는

BASOLITEⓇ 브랜드로 상용화하여 시판중이다. 하지

만 아직 초기 단계인 만큼 이에 대한 개선과 함께 또이산화탄소를 포집하는 MOF 소재

“


LGER

I 리포

트

새로운 성장엔진으로서

복합소재에 대한 소재

기업들의 관심이 늘고

있다.

”다른 다공성 소재의 등장도 가능한 상황이다.

◎ 생체모방형 포집 소재

생체 내 또는 자연계에 이산화탄소를 쉽게 포집하여 생체 동화작용에 사용하는 효

소가 존재한다. 이 효소는 금속이온이 포함된 형태로 동식물의 조직이나 인간의 적

혈구에 있는 것으로 알려져 있다. 이산화탄소 포집을 위해 주목하고 있는 이 효소는

고분자 중공사(Hollow fiber)에 결합된 형태로 존재한다. 미국 에너지부(DOE)에서

는 기존 CCS의 한계를 극복할 수 있는 최상위 기술로 평가하고 있다. 미국 카보자

임(Carbozyme)사는 이 효소를 활용한 복합 형태의 소재를 개발중인데 기존의 포집

재보다 이산화탄소 포집 속도가 100배 빠르고 4분 1수준의 에너지 사용한다고 발표

했다.

Ⅲ. 소재 기업에 주는 시사점

소재를 개발한다는 것이 말처럼 쉬운 일은 아니다. 또한 소재가 개발되었다 해도 사

업화 적용까지에는 인내의 시간이 필요한 경우가 적지 않다. 많은 기업들이 소재의

중요성에 대해서는 공감하면서도 선뜻 뛰어들지 못하는 이유이다.

소재산업은 진입장벽이 높은 만큼 와해성 혁신을 통한 소재 개발이 필요하다. 이

를 위해 ‘복합’소재는 나노 기술의 발전에 기반해서 하나의 흐름으로 자리잡을 수 있

다. 즉, 소재기업들이 기술적 진입장벽이나 상업화의 어려움을 피하면서도, 성장의

돌파구로 삼을 수 있는 대안이 될 수 있는 것이다. 시장 조사 기관인 루신텔

(Lucintel)은 현재 기존의 복합소재 세계 시장규모가 200억 달러에 달할 것으로 추

산한다. 또한 앞서 살펴본 바와 같이 나노필러, 하이브리드, 알로이형 복합 소재 등

새로운 개념으로 재정의된 복합소재 시장은 기술 발전과 수요 증가에 힘입어 지속

적인 성장이 기대되는 분야이다. 최근 들어 소재기업들의 관심이 집중되고 있는 이

유도 여기에서 찾을 수 있다.

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LGERI 리포트


복합소재는 단일

기업이 대응하기에는

한계가 있으므로

협업이 절대적으로

필요하다.

”

소재 기업의 비즈니스 모델 혁신과 전략적 제휴 활성화 필요

제품 혁신이 지속되면서, 소재의 니즈도 고기능화와 맞춤화가 될 것이다. 이를 위해

서는 소재 기업들은 수요 산업의 변화를 선도해 가기 위해 적극적으로 시장을 읽고

기술 동향을 파악하는 활동을 하는 동시에 소재 연구개발에 있어서 학문적인 경계

를 허무는 융·복합적인 접근을 강화하기 위한 노력도 필요하다. 이미 일부 소재기

업들은 새롭게 부각되고 있는 환경·에너지 문제 등 새로운 니즈에 효과적으로 대

응하기 위해 비즈니스 모델의 혁신을 선제적으로 추진하고 있다. 또한 복합소재가

단편적인 소재 기술만으로 구현되는 것이 아니기 때문에 관계사 또는 외부 기업과

의 적극적인 협력을 모색하고 있기도 하다. 일본의 쇼와덴코(Showa Denko)와 미쓰

비시 화학 홀딩스(Mitsubishi Chemical HD)를 그 예로 꼽을 수 있다.

일본의 전자소재 및 스페셜티화학 분야 선두 기업 중 하나인 쇼와덴코는 2000년

이후부터 본격적인 혁신을 시도하면서 종합 화학기업보다는 개성있는 화학 기업

(Unique Chemical Company)을 지향해왔다. 이를 위해 기존 사업 영역을 기반으

로 ‘유기+무기+금속의 상호 연계(복합화)’로 사업 조직 및 전략을 재정의하였다. 최

근에도 이러한 전략상에서 환경·에너지, 정보전자를 목표 사업 영역으로한 전략을

발표했다. 이는 유기·무기 소재 기술의 상호 연계와 자신들의 소재 개발 경험을 바

탕으로 새로운 성장 사업을 위한 R&D를 강화한다는 내용이다. 한 예로 반도체 공

정의 진보로 인해 요구되는 소재의 변화 흐름에 빠르게 대응하기 위해 그룹내에 쇼

와 하이폴리머(Showa Hipolymer), 일본 폴리텍(Nippon Polytech) 등의 회사와 협

력을 강화하고 있다. 각자의 기술과 노하우를 바탕으로 유무기 복합재료 등의 기능

성 화학제품 분야를 목표로 공동연구 개발을 하고 있다.

또 하나의 사례로서 매출규모로 일본 최대 종합화학 기업인 미

쓰비시 화학 홀딩스를 들 수 있다. 2005년 당시 미쓰비시 화학, 미

쓰비시 플라스틱, 타나베미쓰비시 제약 등을 자회사로 둔 지주회

사체제로 출범한 미쓰비시 화학 홀딩스는 협업 기능 강화와 함께

기술 개발 등의 복합화를 진행시켜 “복합화학” 기업을 목표로 하였

다. 즉 사업마다 종적인 R&D에서 벗어나 횡적인 R&D를 강화해나쇼와덴코는 유기-무기-금속의 상호 연계차원의 협력을 추구하고 있다.

“


LGER

I 리포

트

혁신적인 복합소재

개발을 위해 장기적

관점에서 정부의

역할이 중요하다.

”간다는 것이다. 이와 연계해 지난해 5월, 소재 기술의 확보와 시장 확대를 위해 스

위스 쿼드런트(Quadrant)와 전략적 제휴를 맺고, 50:50의 조인트벤쳐(J/V) 회사를

설립하였다. 쿼드런트는 엔지니어링 플라스틱, 복합소재 등에서 세계 시장점유율 1

위 기업이다. 미쓰비시 플라스틱은 이미 보유하고 있는 플라스틱, 금속, 섬유 기반

의 기능성 소재와 쿼드런트의 핵심 소재들간의 복합화를 추진, 고기능 복합소재 사

업을 확대한다는 전략이다. 또한 미쓰비시 화학은 자사의 플라스틱 소재 가공 기술

과 일본 왕자제지의 목질 펄프 소재 기술을 결합하여 셀룰로오스 나노섬유 복합소

재를 연구개발을 하고 있다. 이 소재는 식물 기반이라 환경부하가 적고, 강도와 투

명성 측면에서도 좋은 성능을 보여서 OLED용 플렉서블 기판, LED용 봉지재 등에

적용이 가능할 것으로 보고 있다.

혁신적인 복합소재 개발은 소재산업의 특성상 장기적인 관점에서의 접근이 필요

하다. 또한 수요 산업의 융·복합화 니즈에 맞춰 소재도 융·복합화가 강조되고 있

어 개별 기업들의 노력만으로는 소재 개발이 갈수록 어려워지는 것이 현실이다. 소

재 개발의 활성화를 위해서는 개방형 혁신을 지원하기 위한 정부의 코디네이터 역

할이 어느 때 보다 더 요구된다고 할 수 있다. 소재와 관련된 산·학·연의 연계를

통해 소재 복합화를 위한 인프라를 지원하거나 수요 기업과의 연계를 통해 사업화

를 지원할 수도 있을 것이다. 이는 결과적으로 척박한 국내 소재 산업의 경쟁력 확

보에도 기여할 수 있을 것이다.www.lgeri.com

소재혁명 불 지피는 복합소재 - lgeri.com · 를 통해 단일 소재 영역에서는...

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