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LG경제연구원 홍정기 문희성
소재는 개발이 어렵지만 성공할 경우 장기간의 진입장벽 구축이 가능하고, 제품의 기능이나 성능에 미치는 영향이 그 어느 분야보다 크다. 경쟁 가열로 차별적 경쟁원천을 발굴해야 하는 기업들의 압박감이 심화되는 상황 하에서, 소재 분야의 경쟁력 확보는 전체 사업의 경쟁력을 좌우한다 해도 과언이 아니다.
향후의 소재 개발 방식은 과거에 비해 훨씬 고객지향적이고 정교해질 것으로 예상된다. 고객이 원하는 용도에 최적화된 맞춤형 소재의 비중이 갈수록 증가할 전망이다.
유형별로는 환경 및 자원 이슈에 대응하기 위한 환경친화형 소재와 에너지 절약형 소재, IT기술의 진화에 따른 정보화 지원형 소재, 삶의 질 개선에 기여하는 첨단 기능형 소재가 유망할 것으로 예상된다.
유망 소재를 개발한다는 것은 말처럼 쉬운 일이 아니다. 경쟁우위를 확보하기 위해서는 소재 경쟁력을 강화해야 하는데, 그러기 위해서는 많은 돈과 시간이 소요된다. 딜레마적인 상황이다.
선진기업들의 사례를 통해 볼 때 첫째, 핵심역량을 활용하여 목표시장을 명확히 설정하고, 철저히 고객에 집중하며, 둘째, 수요기업과의 협업을 통해 리스크를 줄이고, 성공 확률을 높이는 방안이 바람직해 보인다. 장기적이고 일관성 있는 연구개발 정책 역시 필수적이다.
< 목 차 >
Ⅰ. 왜 소재인가
Ⅱ. 어떤 소재가 유망한가
Ⅲ. 어떻게 개발할 것인가
Ⅰ. 왜 소재인가
우리 주변에는 수만 가지의 정확히 셀 수조차 없이 많은 소재가 존재한다. 크게 보더라도 철, 알루미늄, 구리, 아연, 마그네슘 등의 금속 소재에서 플라스틱, 세라믹 등의 유무기 소재, 나무, 돌 등의 천연 소재가 있고, 이들 각각은 가공이나 합성의 과정을 거쳐 우리 생활이나 산업 현장에서 실제 사용할 수 있는 다양한 소재로 탄생한다.
소비자들이나 생산자들은 많은 소재 중에서 기능이나, 가격, 또는 자신의 취향을 고려하여 적절한 소재를 선택하게 되고, 이를 통해 원하는 제품을 제조한다.
그러나 이와 같이 중요한 역할을 수행함에도 소재는 최종 제품에 비해 가치를 인정받지 못하는 경우가 대부분이다. 종이와 인쇄술의 예를 보자. 종이는 1∼2세기 경 중국 후한의 채륜이 발명한 것으로 알려져 있다. 반면 인쇄술은 종이 발명 이후 기록 수요의 급증에 따라 7세기 말 목판 인쇄술이 최초로 발명되었으며, 13세기 초에는 금속활자가 발명되었다.
종이의 발명이 없었다면 인쇄술은 등장할 수조차 없었을 것이다. 네이처(Nature)의 편집인을 역임한 필립 볼(Philip Ball)은 이러한 사실을 반영하여, 그의 저서 ‘Made to Measure’에서 종이가 중세의 정보 혁명을 가능케 한 원동력이었다고 평가하고 있다.
그러나 적어도 현 시점에서만 본다면 역사적인 발명으로 종이보다는 인쇄술을 꼽는 사람이 많은 것이 사실이다. 인쇄술의 현란한 발전에 비해 종이는 별다른 변화가 없어 예전부터 당연히 존재하는 것이라는 인식이 지배적이기 때문이다.
소재가 상대적으로 빛을 발하지 못했던 데에는 이처럼 소재기술 진부화의 영향이 컸다고 할 수 있다. 혁신적인 소재기술 등장이 지연되면서 소재기업이 수요기업을 주도하지 못하게 되고, 따라서 소재 부문의 가치는 저하될 수밖에 없었다.
21세기는 소재가 경쟁력을 지배하는 시대
그러나 20세기 후반으로 들어서면서 소재산업은 획기적인 변화의 계기를 맞게 된다. 노벨물리학상 수상자인 리처드 파인만은 1959년 미국 물리학회 강연에서 ‘There is a plenty of room at the Bottom’이라는 유명한 말을 남긴다.
나노기술(NT)의 발전을 예견한 그의 말처럼 이후 NT는 비약적으로 발전하면서 분자 또는 더 나아가 원자 수준에서의 물질 조작을 현실로 만들고 있다. 물론 이전에도 용도에 따른 소재 설계가 가능했지만, NT의 등장으로 설계의 범위와 정확도가 비약적으로 향상된 것이다.
수요 측면의 변화도 혁신적인 소재의 등장을 재촉하고 있다. 글로벌화 진전에 따른 초경쟁시대 진입으로 차별적인 경쟁원천을 발굴해야 한다는 기업들의 압박감이 갈수록 심화되고 있다.
설상가상으로 환경규제 강화, 에너지 및 자원 가격 급등과 같은 급격한 경영환경 변화에 대해서도 대책 마련이 필요한 상황이다. 소재는 개발이 어렵지만 성공할 경우 장기간의 진입장벽 구축이 가능하고, 제품의 기능이나 성능에 미치는 영향이 그 어느 분야보다 크다.
이러한 점에서 소재 분야가 현 난국을 타개할 유력한 구원투수로 부상하고 있는 것은 어찌 보면 당연한 일이라 할 수 있다. 결국 소재기업이나 소재를 사용하는 수요기업 모두 소재 분야의 경쟁력 확보가 전체 사업의 경쟁력을 지배하는 시대가 도래 하고 있는 것이다.
Ⅱ. 어떤 소재가 유망한가
‘필요는 발명의 어머니’라고 하였다. 소재 역시 기본적으로 이러한 범주에서 벗어나기 어렵다. 20세기 중반 석유기반 플라스틱 개발이 급속히 진전된 것은 전후 세계 경제의 회복과 함께 값싸고 대량생산이 가능한 소재 수요가 급증했기 때문이다.
그러나 조금 더 구체적으로 들여다본다면 지금까지의 소재 개발 방식은 다분히 공급자 중심적인 성격이 강했다고 할 수 있다. 목표시장이 구체적이지 않다 보니 일단 개발해놓고 용도를 찾는 일이 보편적이었다. 때로는 원래 의도와 다른 결과가 나타나기도 하였다.
생각했던 용도는 수요가 지지부진한 데 의외의 용도가 빛을 보는 경우이다. 1960년대 초 미국 농무부는 토양의 물 보전 능력을 향상시키기 위해 자신의 무게의 수십 배의 수분을 흡수할 수 있는 고흡수성수지(Super Absorbent Polymer, SAP)를 개발한다.
그러나 농업용 수요는 크게 늘지 않았고, 정작 수요는 생리대나 기저귀라는 엉뚱한 분야에서 터져 나왔다. 1970년대 말 일본의 산요화성이 흡수성을 대폭 개선한 소재를 개발하였고, 이 소재를 최초로 생리대에 적용한 것이다.
기존 소재(펄프, 탈지면 등) 사용에 불편함을 느끼고 있던 고객들의 호응에 힘입어 SAP 수요는 이후 급증하게 되었고, 현재는 생산량의 거의 대부분이 기저귀나 생리대용으로 사용되고 있다.
앞으로의 소재 개발 방식은 과거에 비한다면 훨씬 고객지향적이고 정교해질 것으로 예상된다. 첨단소재를 중심으로 지속적으로 신용도를 창출해가는 소재의 유형도 분명히 존재하겠지만 원하는 용도에 최적화된 맞춤형 소재의 비중이 갈수록 증가할 것이다.
최근의 환경 변화와 주요 기관들의 미래 예측 결과를 반영하여, 본고에서는 미래 유망 소재의 유형을 4가지로 정리하였다.주 현재는 물론 향후에도 가장 큰 파괴력을 지니고 있는 환경 및 자원 이슈에 대응하기 위한 ①환경친화형 소재와 ②에너지 절약형 소재, IT기술의 진화에 따른 ③정보화 지원형 소재, 마지막으로 삶의 질 개선에 기여하는 ④첨단 기능형 소재 등이 그것이다(<표 1> 참조).
1. 환경친화형 소재
환경친화형 소재는 환경오염의 발생단계에 따라 오염을 제거하고 처리하는 환경오염 방지형 소재와 오염원을 사전적으로 차단하는 데 기여하는 환경오염 예방형 소재로 다시 나눌 수 있다.
환경규제의 방식이 사후 규제에서 갈수록 사전 예방을 강조하는 방향으로 전환되고 있어 장기적으로는 예방형 소재가 더욱 각광을 받을 것으로 예상된다. 방지형 소재 중에서는 수질 및 대기 오염 정화에 이용되는 멤브레인과 광촉매가, 예방형 소재 중에서는 각종 재활용 소재와 바이오 기반 소재 등이 유망할 것으로 보인다.
광촉매
광촉매는 빛을 받으면 활성산소를 발생시켜 세균이나 유해한 화학물질을 분해하는 작용을 하는 소재이다. 1960년대 후반 일본에서 최초로 개발된 이래 타일 등의 건축자재, 자동차 유리 등을 대상으로 주로 공기 정화나 항균용으로 이용되어 왔다.
그러나 지금까지의 광촉매는 태양광에 포함된 자외선에 주로 반응하여 실내에서의 사용이 제한적인 데다 신뢰성 있는 제품 평가기준 마련이 어려워 당초 예상만큼 시장규모 확대가 이루어지지 않고 있다. 이에 따라 실내 조명에서도 본래의 효과를 발휘할 수 있는 제품 개발이 요구되어 왔고, 최근 들어 그 성과가 나타나고 있다.
파나소닉전공, 스미토모금속, 오사카티타늄, 도시바 머티리얼 등의 참여 기업들은 이를 바탕으로 건축자재, 냉장고 등의 가전제품, 자동차 내장재, 창유리 등으로 광촉매의 용도 확대를 적극적으로 추진할 계획이다. 광촉매 세계 시장규모는 현재 1천억 엔 미만 수준이나, 2015년에는 이보다 4배 이상 성장한 4천억 엔에 달할 것으로 업계는 예상하고 있다.
기능성 멤브레인
한편 물질의 선택적 분리를 담당하는 멤브레인(Membrane) 분야에서는 물산업의 급속한 성장과 함께 고분자 분리막의 지속적인 성장이 예상된다. 보다 장기적으로는 고온 분리막으로 사용되는 세라믹 제품 수요가 호조를 보일 전망이다.
세라믹 분리막의 경우 제조공정이 복잡한 반면 고온, 고압 등의 극한 환경에서 작업이 가능하기 때문에 선진국을 중심으로 소재 연구가 활발히 진행 중이다. 산소, 이산화탄소 등의 고순도 분리 및 회수 기술, 화학 반응과 분리를 동시에 수행하는 분리막 반응기 등도 개발 중이다.
재활용 소재
재활용 소재 역시 유망한 소재로 꼽힌다. 자원 가격 상승과 환경규제 강화로 재활용 제품의 가격경쟁력이 향상되고 있는 데다, 벤처와 대기업 등의 참여로 기술 발전까지 더해지면서 생산성 및 품질까지 개선되는 추세이다. ‘도시 광산’으로 잘 알려진 금속 재활용은 소재시장의 새로운 발견에 비견할 만하다.
일본의 물질·재료 연구기구는 일본 내 가전제품 등에 축적된 금속의 매장량이 세계 연간소비량 기준으로 리튬은 7.4년 분, 백금은 5.7년 분, 희소금속은 2.5년 분에 이른다고 발표했다. 도와홀딩스, 닛꼬금속, 미쓰이금속 등 비철금속 대기업들의 참여가 잇따르고 있으며, 전문기술을 지닌 기업들도 등장하고 있다.
프레야금속은 루테늄이라는 희소금속(백금 부산물로 하드디스크 드라이버 재료로 사용) 재활용 분야에서 독보적인 기술을 축적해 성공한 기업이다. 경쟁기업에 비해 효율이 높은 정제기술을 확보함으로써 일본은 물론 해외로부터도 재활용 의뢰가 들어오고 있으며, 최근에는 미쓰비시상사 및 미쓰비시 머티리얼과의 희소금속 재활용 사업 합작을 검토 중이다.
장기적으로는 이산화탄소 재활용도 눈 여겨 보아야 할 분야이다. 대표적인 온실가스로 알려진 이산화탄소는 각국이 효과적인 처리를 위해 골머리를 앓고 있으나, 분리·저장 이외에는 뾰족한 대안이 제시되지 못하고 있다. 이에 따라 선진국을 중심으로 이산화탄소를 화학 제품의 원료나 연료로 활용하는 방안이 꾸준히 연구되어 왔다.
이미 PC(폴리카보네이트), 폴리우레탄 원료로 이산화탄소를 활용하는 방안은 실용화 단계에 들어서고 있으며, 최근에는 이산화탄소로 직접 고분자 재료를 합성하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
미국의 곡물기업인 카길과 벤처기업인 Novomer, 일본의 스미토모화학과 데이진 등이 연구에 나서고 있으며, 우리나라의 SK에너지도 얼마 전 이산화탄소 플라스틱 연구 계획을 밝힌 바 있다. 애물단지로 전락한 이산화탄소가 고부가가치 자원으로 변신할 날도 머지않아 보인다.
2. 에너지 절약형 소재
에너지 절약형 소재는 경량화에 기여함으로써 간접적으로 에너지를 절약하게 해주는 소재와 직접적으로 에너지 효율 향상에 기여하는 소재, 마지막으로 대체에너지 개발에 기여함으로써 화석연료 사용을 줄여주는 소재 등 크게 세 가지 세부 유형으로 다시 구분할 수 있다.
경량화 소재의 예로는 탄소섬유나 초경량 금속 등을 들 수 있고, 에너지 효율 향상 재료로는 LED 재료, 단열재 등이 유망할 것으로 예상된다. 이밖에 대체에너지 개발에 따라 리튬이온전지, 태양전지, 수소에너지 관련 재료 등도 고성장이 예상되는 분야이다.
탄소섬유
먼저 현재 성장성이 가장 돋보이는 탄소섬유의 예를 보자. 탄소섬유는 무게가 철의 1/4에 불과한 반면 강도는 10배에 달하는 첨단소재이다. 뛰어난 물성에도 가격이 워낙 비싸 그동안은 전투기나 스포츠카, 골프채 등 한정된 분야에만 사용되어 왔다.
그러나 고유가와 환경규제 강화로 항공기의 연비 절감 요구가 높아지면서 새로운 성장의 전기를 마련하게 된다. 보잉을 시작으로 주요 항공기 제조사들이 탄소섬유 사용 확대 계획을 발표하고 있는 것이다.
보잉의 최신 기종인 B787의 경우 주날개 및 동체의 약 50%를 탄소섬유강화플라스틱으로 대체할 예정이며, 이렇게 될 경우 대당 30톤의 탄소섬유가 사용된다고 한다. 현재 세계 탄소섬유 시장은 도레이와 미쓰비시레이온, 데이진 등 3사가 주도하고 있다.
이들 기업들은 공격적인 생산능력 확대와 함께 탄소섬유의 또 다른 용도 개발에도 적극 나서고 있다. 탄소섬유 기업들이 공통적으로 주목하고 있는 분야는 자동차 산업이다. 도레이의 시산에 의하면 자동차 차체의 17%를 탄소섬유로 대체하면 30%의 경량화가 가능하며, 연비는 20% 개선될 수 있다고 한다.
한편 자동차 경량화 분야는 철강 및 석유화학 기업들도 관심이 높은 분야로 향후 소재 간 경쟁이 치열하게 전개될 것으로 예상된다(<표 2> 참조).
LED소재 및 고효율 단열재료
에너지 효율 향상에 대한 요구는 주로 조명, 건축 등의 분야에서 나타나고 있으며, 소재 개발의 방향도 이러한 흐름에 맞춰지고 있다. LED(Light Emitting Diode) 조명이 대표적이다.
백열등 대비 80%, 형광등 대비 50%의 높은 에너지 절감 효과와 함께 장수명을 자랑하는 LED는 차세대 조명의 총아로 떠오르고 있다. 각국이 경쟁적으로 LED 조명 산업을 육성하는 가운데 LED 소재 분야도 급성장이 예상된다.
그 중에서도 형광체 원천기술을 보유한 일본의 니치아화학과 도요타고세이, 미국의 CREE, 독일의 오스람 등이 성장을 주도하는 가운데 후발 기업들의 추격이 갈수록 거세질 전망이다.
에너지 효율을 높일 수 있는 건축자재도 각광을 받을 전망이다. 마쓰시타전기는 유리섬유를 이용한 주택용 진공단열재를 개발하였다. 이 제품은 일반적인 단열재로 사용되는 글라스울에 비해서는 16배 이상, 경질 우레탄폼에 비해서는 9배 이상의 단열효과를 지닌 것으로 평가되고 있다.
우주 소재로 쓰인 에어로겔 (Aerogel)도 미래의 단열재로 평가받고 있다. 1930년대에 나왔지만 1997년 화성탐사 로봇 소저너의 단열재로 쓰이면서 다시 주목받기 시작했고 이후 우주선 ‘스타더스트’ 에서는 우주 물질 채집 역할도 하였다.
머리카락의 1만 분의 1 굵기인 실과 실 사이에는 공기 분자들이 전체 부피의 98%를 차지하여 밀도가 공기와 비슷하다. 지구상에서 가장 가벼운 고체로 기네스북에 기록되기도 하였다.
섭씨 1,100℃에서도 전혀 타지 않고, 높은 단열성, 방음력, 500g으로 자동차 무게를 견딜 정도의 강도, 높은 투광성을 지녔다. 대량 생산될 경우 건축자재는 물론 촉매, 흡착제, 자동차 소재로의 응용도 기대된다.
단열 도료나 차열 필름도 개발되고 있다. 일본의 태양도료 등 3사가 공동 개발한 단열 도료는 고온을 견뎌내는 우주 로켓용 도료 기술을 이용하여, 주택의 표면온도 상승을 억제하는 효과를 발휘한다.
한편 스미토모3M은 적외선을 반사시켜 실내온도 상승을 차단하는 창유리용 차열필름을 개발, 시판하고 있다. 에너지 효율이 높은 건축용 재료는 현재 가격이 비싸 보급에 애로를 겪고 있지만, 상대적으로 낙후된 주택 부문의 에너지 효율을 높이기 위한 각국 정부의 정책적 지원이 예상됨에 따라 보다 다양한 종류의 제품이 시장에 선을 보일 전망이다.
대체에너지 관련 소재
마지막으로 대체에너지 관련 소재 중에서는 리튬이온전지용 재료가 가장 각광을 받을 전망이다. 리튬이온전지가 그동안 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 전용에서 하이브리드 자동차 및 전기자동차용으로 용도를 넓혀감에 따라 전지재료 수요도 급성장을 할 것으로 보이기 때문이다.
이에 따라 세계 최강인 일본을 중심으로 전해액, 세퍼레이터, 음극/양극 재료 등을 생산하는 업체들의 생산능력 확대 및 신규 참여가 활발하게 이루어지고 있다. 보다 장기적으로는 태양전지나 수소에너지 관련 재료가 유망할 것으로 보인다. 태양전지의 경우 기존의 실리콘 재료는 물론 유기박막태양전지재료, 염료감응형 태양전지재료 등도 수요가 증가할 전망이다.
3. 정보화 지원형 소재
10년도 더 된 ‘정보화 시대’라는 말이 이제는 식상하기도 하지만 여전히 유효하다는 사실은 부인하기 어렵다. 10년 전에 1.44MB 저장용량의 3.5인치 디스켓을 가지고 다녔다면, 요즘은 8GB의 초소형 USB 메모리를 휴대폰 액세서리로 사용하고 있다.
그럼에도 불구하고 저장장치의 발전은 소비자의 욕구를 따라가기에 바쁜 실정이다. 유비퀴터스 세상이 열리면서 정보의 유통과 그에 따른 처리량이 급증하고 있다는 것이 하나의 요인일 것이다.
구태여 말하자면 요즘 세상은 ‘초고속, 초고밀도 정보화 시대’라고 정의할 수 있다. 정보의 저장과 처리, 표시를 담당하는 소재 역시 새로운 정보화 시대의 환경에 맞도록 발전해야 함은 당연한 사실이다.
투명 전도성 소재
정보화 지원형 소재 중에서는 반도체 소재를 비롯하여 워낙 유망한 소재가 많이 있지만, 발전성 면에서 향후 가장 주목해야 할 대표적 소재로 투명 전도성 소재를 설명하고자 한다.
소니는 2007년 ‘Futuristic Vaio Zoom’이라는 노트북 컨셉을 선보인 바 있다. 디스플레이를 사용하지 않을 때는 투명한 유리가 되고 사용할 때는 홀로그래피 영상이 나타나는데, 여기에 투명 전도성 소재가 사용된다. 투명 전도성 소재란 투명함과 전기가 통하는 특성을 모두 가지고 있는 소재로, 주로 여러 디바이스에서 전기를 통하게 하기 위한 전
