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신소재 시장, 먼저 장악하라 신소재 시장, 먼저 장악하라
 
신소재 특집
 
Manufacturing기자 | 2012.09.28 | 2012년 10월호
 
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제조업 종사자들 사이에서 제조 관련 정보를 얻기가 쉽지 않다는 이야기를 듣고 제조업 종사자들의 애로사항과 관심사에 대해 알아보고자 지난해 말 ‘2012년 제조업 키워드’에 대해 설문 조사했다. 설문조사를 통해 뽑힌 키워드를 다달이 하나씩 기사로 다루기로 했다. 총 5,773명이 참여한 설문조사에서 1,090명(19%)이 ‘신소재’를뽑았다. 7위 ‘인력’에 이어 이번 호에는 8위 ‘신소재’를 다루게 됐다. 이번 기사는 중소제조기업이 겪고 있는 인력문제가 어느 정도인지, 문제의 원인과 대안은 무엇이 있는지 통계자료와 실제 현장 인터뷰를 통해 알아봤다.
신소재란 무엇인가
신소재는 선진공업국에서 쓰던 말이다. 더욱이 일본에서 주로 쓰기 시작해 널리 퍼진 말인데 아직까지 그 말에 대한 뚜렷한 정의가 있는 건 아니다. 같은 분야의 학자들조 차도 신소재에 대한 합의된 정의가 없는 형편이다. 하지만 신소재에 대한 정의를 학계 차원에서는 어떻게 내리고 있는지 한번 살펴보자. 전자 및 정보산업·에너지산업·자동차산 업·우주항공산업 등의 첨단핵심소재로서 기존의 결점을 보완하고 우수한 특성을 부여함으로써 고도의 기능, 구조특성을 실현 시킨 신고 분자, 신금속, 뉴세라믹스, 복합재료 및 반도체 재료로 구성되는 고부가가치의 재료를 의미하며, 선진국에서는 이미 개발, 실용화되고 있는 소재라도 기술집약도가 높고 고부가가치를 창출하는 소재를 포함한다. - 1991년 국내 한 연구기관 신소재는 금속 무기·유기 원료 및 이들을 조합한 원료를 새로운 기술로 제조하여 종래에 없던 새로운 성능 및 용도를 가진 소재를 이른다. 무기 재료, 금속 재료, 고분자 재료의 세 가지 영역으로 나눌 수 있는데 광통신용 유리 섬유나 파인 세라믹스가 무기 재료에 속하며 형상 기억 합금, 초전도 재료는 금속 재료에, 탄소 섬유, 유리 섬유 등을 활용한 다양한 복합 재료들은 고분자 재료에 속한다.
 - 2012년 한국과학교육학회지 예상했던 대로 학계에서 쓰이는 신소재에 대한 정의는 어렵다. 학술적 차원에서 다루는 기사가 아니기 때문에 쉬운 정의를 내려 보자. 신소재란 말 그대로 새로운 재료다. 새로운 재료는 인간의 역사를 통틀어 계속 나타났으며, 시간이 지나면서 새로운 재료가 익숙한 소재로 바뀌는 과정을 거친다. 소재는 시간에 따라 생겨나고 성장하며 사라지는 과정 안에 있다. 이에 신소재에 대한 정의를 내리기 위해서는 시간과 공간적 기준을 확실히 해야 한다. 게다가 신소 재의 특성이라고 말할 수 있는 고도의 경제 적, 기술적 파급효과를 예측할 수 있는, 누구나 인정할 수 있고 올바른 척도가 마련되 어야 한다. 사실 이런 두 가지 기준으로 봤을 때, 신소재를 바라보는 사람에 따라 정의가 달라질 수 밖에 없는 게 사실이다. 아무튼 신소재는 시간과 그 특성에 좌우된다고볼 수 있다.
신소재가 중요하다
신소재는 고부가가치를 창출하기 위한 핵심 가운데 하나다. 여러 방면에 활용할 수 있기 때문에 그 중요성이 나날이 늘고 있다. 정보 통신용 소재, 에너지 소재, 친환경 소재, 바이오 소재, 구조용 소재 등 여러 가지 기능을 가지고 있기 때문에 사용 분야가 폭넓다. 신소재는 기존 소재가 가진 있는 모자란 부분을 보완하는 뛰어난 특성을 가진다.
  따라서 재료의 미세구조를 제어해 다양한 기능을 가지는 새로운 소재를 만드는 것이 중요하다. 즉 전자·정보산업, 에너지, 자동 차, 우주항공, 의료복지, 환경산업 등 첨단핵 심소재로서 고도의 기능과 구조특성을 가지도록 해야 한다. 이처럼 신소재는 첨단산 업의 핵심이 되기 때문에 이를 연구·개발하고 산업에 응용하면 국가경쟁력을 제고시킬 수 있다. 더구나 정보·통신·생명과 같은 첨단산업분야에서는 신소재 개발과 상용화가 고부가가치를 창출하는 데 결정적인 역할을 하고 있다. 게다가 우리나라는 기술경 쟁력에 비해 부존자원이 상대적으로 부족 하여 신소재 개발에 더욱 박차를 가할 수밖에 없다.
신소재로 경쟁력을 확보할 수 있다
한발앞서 새로운 재료를 이용하면 복합적인 효과를 얻을 수 있다. 또한 새로운 소재가 나타나면 새로운 산업이 만들어지고 이전의 산업이 쇠퇴하기도 한다. 예를 들어 전자산업에서 진공관은 고체 상태 전자소자로 바뀌었고, 실리콘 칩의 발전은 정보산업의 성장을 불러왔다. 통신분야에서는 손실이 낮은 광섬유가 개발되면서 광통신이라는 완전히 새로운 산업이 시작되었고, 거꾸로 구리산업은 뒤로 물러나게 되었다.
  과거 소재 특성이 우수하고 상대적으로 가격이 싼 신소재를 이용할 수 있었던 일부 국가가 몇몇 주요 산업의 시장을 독점했다. 예를 들어 일본의 철강산업과 조선산업의 공급자·수요자 관계는 1960년대 일본이 조선 산업에서 세계 주도권을 잡고, 1970년대와 1980년대에 이르러 세계적인 저임금의 국면에서도 세계시장의 상당부분을 점유 하는 데 결정적인 역할을 했다. 미국이 상업용 비행기와 컴퓨터 산업시장에서 독점적 지위를 누릴 수 있었던 것은 부분적으로 알루 미늄, 티타늄, 실리콘 산업 덕택이라고 할 수있다. 신소재의 금속, 세라믹스, 고분자재료, 복합재료 그리고 전자재료를 공급할 수 있는 국가의 경우 거의 모든 제조산업에서 경쟁력을 갖추고 있다.
  대체로 소재 개발은 부품과 달리 투자비가 많이 들고 연구기간도 오래 걸리는 반면, 성공할 가능성은 낮은 편이라 거의 모든 기업이 신소재 개발에 장기적인 투자를 망설이고 있는 상황이다. 그러나 이와 반대로 미래 기술과 시장 동향을 정확히 예측하고, 미래시장에서 이익을 창출하리라고 여겨지는 핵심 소재를 개발하는 데 투자를 아끼지 않는다면, 하나의 기업이 세계적인 기업으로 성장할 수 있는 가능성도 매우 높다.
주목 받는 신소재
 그래핀
그래핀은 흑연에서 벗겨낸 한겹의 탄소 원자막이며, 원자들이 6각형 벌집 구조로 결합된 나노 소재이다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하고, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동 시킬 수 있다. 게다가 최고 열전도성을 자랑 하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높으며 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다.
  그래핀은 ‘꿈의 나노물질’이라고 일컬으며, 차세대 신소재로, 사람들의 주목을 받고 있는 탄소나노튜브를 뛰어넘는 소재로 알려져 있다. 하지만 그래핀을 이용한 응용기술이 아직 큰 진전을 보이지 못하면서 많은 나라들이 그래핀의 대량생산 기술에 박차를 가하고 있다.
  이에 지난 5월 삼성전자 종합기술원은 그래핀 기반 미래 트랜지스터 구조를 개발했다.
  반도체 성능은 전자의 이동 속도에 결정된다. 전자 이동 속도를 높이려면 반도체 속트랜지스터의 회로 선의 너비를 줄여야 하는데, 회로 선의 너비를 줄이는 기술은 한계에 다다른 상태다. 이에 그 동안 새로운 소재인 그래핀을 이용할 방안을 찾아왔지만 그래핀이 가지고 있는 금속성 때문에 전류를 차단하기 어렵다는 문제가 있었다. 하지만 삼성전자는 새로운 동작원리를 적용해 문제를 해결했다. 그래핀과 실리콘을 한데 붙여 ‘쇼트키 장벽’(Schottky Barrier)이라고 하는 에너지 장벽을 만들고, 장벽의 높이 조절을 이용해 전류를 켜고 끌 수 있도록 했다. 삼성전자는 기술 이름을 ‘배리어’라고 지었다. 그래핀을 활용한 트랜지스터가 완성 되면 반도체의 성능이 지금보다 100배 이상 뛰어나게 될 것으로 보고 있다.
탄소나노튜브
탄소나노튜브는 지난 1991년 일본전기회사 (NEC) 부설 연구소의 이지마 스미오 박사가 발견했다. 탄소나노튜브는 탄소 6개로 이뤄진 육각형이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있으며, 관의 지름이 수 나노미터에서 수십 나노미터 수준으로 아주 작다. 탄소나 노튜브도 나노미터의 크기로 아주 작기 때문에 붙은 이름이다.
  전기 전도는 구리와 비슷하고 열전도율은 다이아몬드와 같으며, 강도는 강철의 100배다. 보통 탄소섬유는 1%만 변형해도 끊어지 지만 탄소나노튜브는 15%를 변형해도 견딜수 있다. 이 물질이 발견된 이후 많은 과학자가 이를 응용하는데 심혈을 기울였으며 반도체, 배터리, 초강력 섬유, 생체 센서 등 탄소나노튜브를 이용한 장치를 수도 없이 개발하고 있다. 평판 디스플레이도 이 가운데 하나다. 특허청에 따르면 ‘탄소나노튜브를 이용한 디스플레이’ 분야의 특허출원은 지난 1997년 처음으로 1건이 출원한 뒤로 2003년부터 급격히 늘어 해마다 평균 40건씩 출원되고 있다.
액체금속(비결정 합금)
액체 금속(Liquid Metal)은 지르코늄에 티타늄·니켈·구리 등을 섞어서 만든 합금 신소재이며, 1992년 미국 칼텍(CIT)에서 개발 했다. 처음에는 군사용 의료용 산업용 정밀기기 등에 제한적으로 사용됐다. 철보다 가볍고 표면이 액체처럼 매끄러워 ‘액체 금속’이라고 한다. 액체금속이라고 해서 강도가 약한 것은 아니다. 강도가 철의 3배 이상으로 강한 물성을 갖고 있다. 기존 합금을 냉각할 경우 본래의 결정모양으로 되돌아가는 반면, 액체 금속은 고체 상태에서 비정질 원자구조를 유지함으로써 취약 부분이나 결절지점이 없어 강도와 탄성이 매우 높다.
  다른 금속과 달리 부식이 전혀 없으며, 높은 온도에서 플라스틱처럼 자유로운 모양을 만들 수 있고 강도에 비해 두께가 얇아 여러 분야에 적용할 수 있다. 산업용 코팅에서 의료용품, 스포츠용품, 자동차 부품까지 다양한 분야에 활용할 수 있다. 더욱이 휴대폰, TV, 노트북과 같은 전자제품 케이스 로도 활용할 수 있다.
아라미드
지난해 11월 미국 버지니아 동부법원은 코오롱이 듀폰에게 9억 1990만달러를 배상하 라는 판결을 내렸다. 이는 지난 2009년 듀폰이 코오롱인더스트리를 영업비밀침해로 제소한 이후 나온 첫 판결이다. 코오롱은 이에 불복해 항소할 방침이다.
  듀폰사가 코오롱인더스트리를 상대로 영업 비밀침해 소송을 걸게 된 이유는 신소재의 하나인 아라미드 섬유 때문이다. 아라미드는 방향족 폴리아미드 섬유를 말한다. 유기 섬유에 비해 매우 우수한 인장강도와 탄성 률을 갖거나 뛰어난 내열성을 갖는 섬유에 대해 미국연방상업위원회(FTC)가 이름 붙인 섬유다. 파라계 아라미드 섬유는 강도와 탄성이 높고, 수축성이 낮으며, 타이어코드나 우주항공 분야에 주로 사용된다. 또 메타계 아라미드 섬유는 높은 내열성이 특징 이며 방한복, 고온집진용 필터 백 등에 사용된다.
  코오롱인더스트리는 30여 년의 연구 끝에 아라미드 상업생산에 성공하면서 기존 미국 듀폰과 일본 데이진이 80% 이상을 점유하고 있던 독점 시장에 진출했다.
신소재 동향
전체 산업에서 소재산업이 차지하는 위치는 어디쯤일까. 소재기술백서2011을 참고하자. 2009년 기준으로 국내 전체 제조업에서 소재산업이 차지하는 비중은 사업체수 11.5%, 종사자수 13.3%, 생산액 17.7%, 부가가치액 18.9%로 나타났다. 2006년부터 2009년까지 연도별 소재산업의 성장을 살펴보면, 사업 체수와 종업원수는 꾸준히 감소세를 보이고 있으며, 2006년에 비해 2009년의 생산액과 부가가치액은 각각 27.4%와 10.2% 증가한 것으로 조사됐다. [그래프1, 2, 3, 4] 소재분야에 대한 국가 투자현황은 어떤지 보자. 2010년 6T 분야의 국가연구개발비 투자현황을 보면, 나노기술(NT) 28.3%(1,4401억 원), 환경·에너지기술(ET) 23.7%(1,175억원), 정보기술(IT) 12.0%(596억 원), 생명공 학기술(BT) 2.8%(140억 원), 항공우주기술 (ST) 1.1%(53억 원) 순으로 나타났다. 나노 기술분야는 소재기술과 관련이 높기 때문에 다른 분야에 비해 높은 투자 비중을 보였다. 하지만 나노기술과 정보기술의 경우 조금씩 투자 비중이 줄고 있다. 반면 환경·에 너지기술 분야의 투자 비중이 최근 4년 동안 꾸준히 늘어나 나노기술 수준에 근접하고 있다. [그래프5] 조금 더 세분화된 투자현황을 살펴보자. 2010년 소재분야에서 중분류별 정부연 구비 투자비중은 금속재료 24.5%(1,216억원), 고분자재료 16.7%(827억 원), 세라믹 재료 16.0%(792억 원), 열처리와 표면처리6.9%(340억 원), 주조·용접·접합 5.1%(253억 원), 분석·물성평가기술 4.6%(230억 원),소성가공·분말 2.8%(138억 원), 국방소재1.3%(66억 원) 순으로 조사됐다. 금속재료는 지식경제부에서 가장 투자를 많이 하는 분야이며, 교육과학기술부와 중소기업청에 서는 두 번째, 방위사업청은 세 번째로 투자를 많이 한다. 하지만 금속재료는 투자비중이 점진적으로 줄어드는 추세고, 중소기업 청에서 가장 많은 투자를 하는 고분자재료는 상대적으로 투자비중이 증가하는 경향을 보이고 있다. [그래프6]
소재산업의 역할
세계적인 기업들은 기술을 선점하고, 특허와 표준을 장벽으로 우리 기업들이 신규 시장에 진입하지 못하도록 하고 있다. 그러나 이런 어려운 현실 앞에서도 신소재 개발에 대한 노력을 게을리하거나 멈칫해서는 안된다. 그 까닭은 소재산업이 부품과 완제품의 성능과 품질 그리고 가격 경쟁력을 좌우 하는 중요한 요소이기 때문이다. 소재산업이 탄탄하게 성장함으로써 수출과 투자 그리고 고용이 늘어나 경제의 선순환구조를 만들 수 있다. 아울러 소재산업의 발전은 신흥경제성장국과 기술 격차를 유지할 수있으며, 이와 함께 선진기술국과는 그 격차를 줄일 수 있다. 이와 같은 소재산업의 중요성에 따라 지식경제부는 2007년부터 핵심 소재의 원천기술 개발을 위해 장기간의 ‘소재원천기술개발사업’을 추진하고 있다.
  하지만 세계에서 우리나라가 역동적인 기술선점국가가 되기 위한 전략에서 여전히 모자란 부분이 많다. 신소재 기술개발을 위해 더 적극적이고 다각적인 정부의 장기 계획이 뒷받침되어야 하겠다.

 
TAG :  신소재
 
 
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