플라스틱산업 사출 / 압출 / 금형 /원료

(24,26) 기획특집

원천경쟁력과 지속적 성장잠재력 확보!
미래소재, ‘탄소나노튜브’

<편집자주>
소재는 모든 산업의 생산기반 역할을 수행하며, 궁극적으로 미래 산업의 원천경쟁력 확보를 위해서 미래 신소재의 사업화는 필수 요소라 할 수 있다.
그 중 탄소소재는 넓은 활용범위를 가진 미래 소재로 기대를 받고 있으며, 특히 탄소나노튜브(CNT)는 특성 및 응용범위 등에서 잠재력이 높다. 또한 나노미터 단위 수준의 제어를 통해 구조재료 및 기능재료로 활용 가능하며, 기존 소배 대비 우수한 물리·전기적 성질을 보유하고 있다.

탄소소재, 미래소재로 주목!
미래 산업의 원천경쟁력 및 지속적 성장잠재력 확보를 위해 신소재의 사업화는 필수적인 요소이다. 신소재는 그 활용분야와 범위가 다양해 광범위한 산업에 영향을 미치기 때문이다.
특히, 탄소소재는 현재 널리 사용되는 금속소재 대비, 물리·기계·화학적 성질이 우수하고 원재료가 풍부하며, 광범위한 분야에 응용이 가능해 오래 전부터 미래 소재로 주목받고 있다.
최근 탄소섬유의 항공기 적용 확대, 탄소나노튜브(이하 CNT) 가격의 현실화, 그래핀 관련 성공적 연구성과 등이 맞물려 탄소소재는 높은 부가가치 창출이 가능한 미래 소재로 재부각되고 있다.

<그림1> 탄소소재 주요 제품의 부가가치 비교(1㎏ 기준)
출처. 산업연구원

전 세계적으로 CNT 연구활발
선진국을 중심으로 CNT가 복합소재, 전기전자, 에너지, 디스플레이 등 각 응용분야에 적합한 물성을 갖도록 선택적으로 합성 및 제어하는 연구가 활발하게 추진 중이다.
새로운 CNT 공정의 개발은 CNT 생산단가 절감에 기여했고, 이에 따라 CNT의 대량생산이 가능해져 2016년 전 세계 CNT 연간 생산량은 1만 2,000톤을 초과할 것으로 전망된다.

<그림2> CNT의 형태
출처. 산업연구원

한편, CNT를 포함한 나노기술에 대한 R&D는 2000년대 초반 선진국을 중심으로 크게 확대되기 시작했으며, 미국, 러시아, 중국, 일본, 독일 등이 가장 활발한 연구개발 활동을 추진 중이다.
우리나라 또한 2000년대 초반부터 나노분야에 대한 지원을 확대했으나, 2000년대 후반 이후 그 증가율이 정체되어 있는 실정으로 장기적 관점의 체계적이고 일관된 투자가 미흡하고 대부분의 투자가 기초 연구개발에 치우쳐 R&D의 사업화 연계에 보다 힘써야 할 것으로 판단된다.

실질적 시장 확대에 대한 기대감 증폭
지난 수년간 탄소나노튜브는 많은 연구개발 및 투자가 이루어져왔으나, 최근 MWCNT(Multi-Walled CNT) 가격 하락 및 적용분야 확대 등이 맞물리면서 상용화 움직임이 활발하게 나타나고 있다.
MWCNT 가격은 2005년 사업화 가능 가격(2억 원/톤)이 제시되었는데, 2013년을 기준으로 약 0.6억 원/톤 수준까지 하락해 향후 응용분야 확대 가능성이 높아지고 있다. 특히 가격경쟁력이 최우선 과제인 정전방지용 복합소재 등에서 우선적으로 시장 확대가 전망된다.

<그림3> MWCNT 가격추이(억 원/톤)
출처. 지식경제부

<그림4> CNT품질/가격과 응용분야
출처. 산업연구원

한편, 세계 CNT 시장은 2013년 기준, 약 5억 달러 규모로 추산되며 MWCNT를 활용한 복합 소재 중심으로 시장을 형성하고 있다. 전체 CNT 시장의 약 70%가 복합소재이며, 전자부품(10%), 에너지(9%) 분야 등이 나머지를 차지하고 있다.
복합소재 분야는 차량용 플라스틱 내외장재, 연료탱크 등 자동차산업에서 일부 제품화되었고, 대전방지 코팅, 투명전극 등에 대한 상용화도 진행 중이다.
현재 CNT 시장의 대부분을 차지하는 MWCNT는 배터리, 자동차 분야 중심으로 활용되고 있으나, 항공, 금속 복합재, 내연플라스틱, 고무타이어 등 다양한 분야에서 시장이 활성화될 것으로 전망된다.

<그림5> MWCNT 주요 응용분야별 시장 전망
출처. 산업연구원

양산설비 구축 및 상용화 위한 응용연구 추진중
국내에서 MWCNT 분야는 가격경쟁력이 상승하면서 대기업의 참여가 활발하게 이뤄지고 있는 반면, SWCNT(Single-Walled CNT) 분야는 중소·중견기업 중심의 연구개발 및 제품 상용화 초기 단계로 판단된다.
최근 MWCNT 양산기술이 개발되면서 화학업종 기반 대기업의 진입이 활발하게 시작되었고, 이에 따라 사업화 초기부터 경쟁이 과열되고 있다. 이에 따라 사업화 가능성 향상과 생산단가 하락 등으로 한화, 효성, 금호 등의 대기업이 소재 생산과 응용제품 동시 개발 등을 추진중이다.
반면, SWCNT는 대량생산이 어렵고, 비싼 단가로 인해 시장 내 경쟁이 높지 않아, 규모의 경제가 중요하지 않은 중소 및 중견기업 수준에서 주로 생산해 시장에 공급하고 있다.
미국, 프랑스, 독일 등 선진국 CNT 업체들은 CNT 양산설비 구축을 통해 MWCNT의 생산단가 인하를 꾀하고 있으며, 국내 업체들과 경쟁구도가 형성되어 있다.

기술력은 비교적 High, 사업화는 상대적으로 Low
우리나라의 CNT 기술력은 비교적 높은 편이지만, 사업화 정도는 상대적으로 낮은 수준에 머물러 있는 실정이다.
CNT 분야 기술경쟁력은 미국과 일본이 세계 최고 수준(100%)이며, 우리나라는 세계 최고 수준 대비 약 90%, 독일과 중국은 약 80% 수준을 보이고 있다.
국내 산업화 부진의 원인은 관련 기술을 기반으로 한 사업화 전주기 과정에서 가치사슬 구축 체계 미흡, 산업 단계별 유기적 협력 부재, 관련 기업의 영세성, 이해관계자 간 갈등 및 상호연계가 미흡한 연구개발협력 체계, 투자 편향적 정부 지원정책 한계 등에 기인한다.
또한 CNT의 규격화, 표준화 및 정량화된 분석방법 및 성능 평가방법 구축이 미흡한 점도 안정된 시장 구조 형성에 큰 걸림돌로 작용하고 있다.

<사진2> 왁스를 첨가제로 이용한 코일드된 구조의 탄소나노튜브 인공 근육의 전자 현미경 이미지(사진. 부산대학교)

CNT사업화를 위해 산적한 과제를 해결해야 할 것
CNT사업화를 위해서는 사업화 가치사슬별 단계에 해당하는 업계 간 수직-수평적 협력 및 소통이 부족함을 인지하고 개선해야 한다. 정부는 업체 간 협력 부족 문제 해소를 위해 ‘CNT 기업 협의체’를 2013년 8월 조직해 사업화를 촉진하겠다고 발표했으나, 업계에서의 만족도는 미흡한 실정이다.
또한, 기술력을 가진 국내 기업도 투자자 확보, 마케팅, 연구개발 인력 확보, 수요기업과의 접촉 및 네트워크 등의 어려움으로 사업화가 부진한 상황이다. CNT 연구개발에 혁신적 중소기업의 연구개발이 많은 기여를 하고 있으므로, 이들 기업의 혁신역량을 최대화하는 것이 매우 중요한 바, 별도의 지원 프로그램 운용 방안 모색이 필요하다.
선진국에서는 장기적 관점에서 CNT의 잠재력을 높이 평가해 전략적 지원 및 투자를 지속하고 있으나, 국내에서는 이와 같은 장기적인 일관성과 체계성이 부족하다. CNT 등 소재 분야는 다양한 방식의 구현 원리와 제조방법이 가능해, 선택과 집중보다는 여러 차원에서의 접근을 통한 아이디어 다양화와 지속적 지원이 투자규모보다 중요한 것으로 판단된다.
그 외에도 CNT 등 나노재료 사용의 안전성 및 신뢰성 문제가 국제적으로 이슈가 된 바 있어, 이에 대한 제도적 기준 및 지원방안이 마련되어야 할 것으로 사료된다.

* 지면상의 이유로 재편집되었음을 유의바랍니다. *
* 필자. 산업연구원 김상훈, 심우중 연구원

<'월간 플라스틱산업기계' 7월호에 게재되었습니다>