플라스틱산업 사출 / 압출 / 금형 /원료

금속, 화학 소재와 함께 뿌리산업을 지탱하고 있는 세라믹 산업은 현재 기본적인 제조업은 물론 모빌리티, 반도체, 이차전지 등 첨단제조업에 필수불가결한 기본소재로 자리매김 하고 있다. 국내 세라믹 산업 역시 점차 확대되고 있지만, 지속적인 첨단기술이 요구되고 지능화된 공정, 친환경 특화 소재가 요구되며 우리 정부 역시 해당 산업에 대한 지속적인 R&D를 지원 중에 있다. 본지는 한국산업기술기획평가원에서 발행한 국내 세라믹 산업 로드맵 및 연구개발 전망을 소개한다.

개요
세라믹은 금속소재, 화학소재와 함께 뿌리산업부터 첨단 산업에 걸쳐 국내 제조업 전반을 지지하고 있는 핵심 소재다. 특히 최근 4차 산업시대를 선도할 반도체, 이차전지, 친환경 모빌리티, 정밀 부품 등 여러 첨단 제조업이 성장함에 따라 관련 공정에 세라믹 소재 부품 수요가 급증하기 시작했다.

이와 더불어 산업 전반에 걸친 스마트화와 내수의존도가 높고 경기변동의 영향이 큰 금속산업의 특징으로 인해 소재의 지능화, 혁신화, 친환경화, 신기술 개발·적용 등 최근 트렌드에 발맞춘 첨단 세라믹 연구개발이 요구되고 있다. 이에 한국산업기술기획평가원(이하 KEIT)은 2023년 세라믹 소재 분야 연구개발 분야 및 주요 성과를 분석해 세라믹 소재 육성 로드맵과 추진 중인 R&D를 소개했다. 

2023년 세라믹 사업 로드맵 및 R&D

1) 세라믹 원재료 국산화 추진                             
세라믹 원재료 국산화 기술은 철강, 환경 등 수요 산업 수급 안정화 및 산업 경쟁력 강화를 위해 대부분 수입에 의존하는 마그네슘(Mg)계 세라믹 원재료 국내 생산 및 고품질화 기술개발을 목적으로 한다.

현재 세라믹 소재 원료 수급에 대해 전 세계가 중국 자원 의존성 탈피를 위해 노력 중이며 유럽을 중심으로 업체별 원료 수급부터 제품 생산까지 수직 계열화 구조를 형성하려는 움직임이 존재하는 만큼 원료를 전량 수입에 의존하는 실정인 국내 세라믹 산업 역시 지속적인 원료 수급 불안정 문제를 해결할 필요가 있다. 

이와 관련해 지난 2023년에는 국내 가용자원인 백운석, 해(간)수, 폐내화물 등을 활용한 마그네슘(Mg)계 원재료(Mg(OH)2, MgO) 제조공정기술 R&D가 추진된 바 있다. 또한 전기차 배터리용 MgO 기반 방열 소재 제조기술 등 고부가가치 세라믹 소재 응용제품에 국내 시범생산 마그네슘계 세라믹 원재료 적용 역시 진행됐다.

2) 제조혁신 가속화
세라믹 분야 제조혁신 기술은 세라믹 제조 현장의 스마트그린 플랫폼 기술개발 및 신산업 생태계 조성을 위한 R&BD사업으로 국내 세라믹 기업의 경쟁력 제고 및 디지털 전환과 에너지 절감 실현을 목적으로 한다.

국내 세라믹 산업은 타 소재 분야 대비 영세한 중소기업 비중이 매우 높고 대부분 임가공 제품의 일부를 생산하는 수준이다. 이에 따라 정부는 디지털 전환 및 탄소중립 관점에서 데이터의 디지털화, 데이터 수집 및 관리, 데이터 활용 AI기술 등에 있어 세라믹 분야는 특히 취약한 상황이다.

이 같은 현실 해결을 위해 정부는 세라믹 제조 현장 어디서나 적용 가능한 범용 플랫폼인 세라믹 스마트제조 플랫폼에 대한 개발·실증을 진행했으며, 공정 전력에너지 사용이 약 3~7% 절감 가능한 지능형 FEMS(Factory Energy Management System) 개발 및 스마트제조 지능화 플랫폼과의 연계를 통한 실증을 진행했다.

3) 소재 부품 제조 기술 발전 필요
최근 모빌리티, 베터리, 우주산업, 방위산업 등 첨단세라믹 원료·소재 공급망 및 제품화 기술개발이 요구되며 국내 세라믹 원료·소재 자원의 다각화 및 기술 확보 필요성이 부각됐다. 이에 정부는 2023년 세라믹 소재 부품 기술개발사업을통해 ▲세라믹 분체 및 원료 합성, 성형 및 가공을 통해 부품을 제조하는 공정기술 ▲반도체 공정 장비 소재기술 ▲자동차 이차전지 소재 제조기술 ▲자동차 전잔용 세라믹 소재기술 ▲항공/발전용 세라믹 복합체 ▲초고속 모바일용 세라믹 소재 부품 제조기술 등 총 59개 과제를 지원했다.
  
4) 시멘트 산업 탄소중립 상용화
시멘 트산업 탄소중립 기술 개발은 산업 부문의 온실가스 주 배출분야인 시멘트 산업에서 온실가스 배출을 획기적으로 저감시키기 위한 기술 개발 및 실증 지원사업이다. 
현재 전 세계적으로 탄소중립 이슈가 지속적으로 제기되고 있으며, 탄소중립 달성을 위해 주요 국가들의 집중 투자 및 기술개발이 진행되고 있다. 이러한 글로벌 트렌드에 따라 우리나라 역시 국내 산업별 CO2감축 할당량에 부합하기 위해 시멘트산업이 약 239만 톤 이상 감축이 필요하다는 분석이 나온 바 있다. 현재 탄소중립 특성 및 배출 경로별 감축 수단(저감, 대체, 전환, 순환 등)을 다각적으로 고려한 저탄소 핵심기술 확보 및 상용화 생태계 조성이 필요하다.

이를 위해 시멘트 생산시 석회석 원료에서 기인되는 온실가스 감축을 위해 원료 일부를 청강, 슬래그류, 폐콘크리트 미분말 등 비탄산염 원료로 대체하는 기술인 비탄산염 원료와 기존 소성 공정에서 사용되는 유연탄 대신 폐합성수지를 연료로 적용해 이산화탄소 및 대기오염 배출을 저감시키는 유연탄 사용량 저김 기술, 시멘트 원료에서 미분말 소성검토 등을 혼합해 고성능 클링커를 제조하는 클링커 저감 기술, 시멘트산업 CO2 배출 감축을 위한 이산화탄소 반응 경화 적용 기술 등이 적용되고 있다.

배출 경로 기반 최적 탄소감축 기술개발 / 자료 : 한국산업기술기획평가원

5) 2023년 주요 성과
위의 로드맵을 바탕으로 정부는 지난 2023년 세라믹 분야 R&D와 관련해 다량의 성과를 창출했다. 소재 부분에서는 이소결 산화알루미늄 및 구상 산화알루미늄 분말 소재 상용화 기술 개발을 통해 산화알루미늄 분말 소재 국산화에 성공했다.

또한 대기 플라즈마 용사 코팅용 산화이트륨 기반 내플라즈마 원료 소재 제조 기술을 개발해 산화이트륨 기반 소재 자립화 역시 성공했다. 이 두 소재의 국산화를 통해 국내 반도체, 디스플레이 제조기술력 확보 및 소재 국산화에 성공했다.

더불어 초경량·고강도 유리 소재 국산화 역시 성공했다. 이를 통해 플라스틱 대체용기 개발 및 탈 플라스틱 문화 조성을 통한 친환경 유리병 시장 확대를 추진할 방침이다.

이와 더불어 세라믹 이온전도체 기반 분말 소재 기술 역시 확입했다. 이를 통해 전고체전지 성능 향상 및 상용화에 필수인 멀티 코어셀 구조의 양극활물질/이온전도체 핵심소재 및 복합분말 제조기술 확립과 전고체전지의 수명 특성 극대화 확보에 성공했다.

2024년 R&D 추진 전략 
세라믹은 뿌리산업을 비롯한 제조업에서 모빌리티, 반도체, 이차전지 등 첨단산업 전반에 걸쳐 필수 적용되는 소재로 자리매김 했다. 현재 국내 세라믹 산업은 상승세를 보이고 있으나, 원천 소재 국산화, 친환경, 첨단기술 개발, 제조공정 지능화 등 풀어야할 과제가 남아있다.

이 때문에 올해 역시 정부는 세라믹 산업 육성을 위해 다양한 R&D 및 실증사업을 지원할 방침이다. 이를 위해 각각의 로드맵에 추진 전략을 진행한다.

먼저 세라믹 원재료 국산화 부분은 국내 부존 광물자원을 활용한 Mg계 세라믹 소재의 국산화 및 고부가가치화 기술 확보를 추진한다. 이를 위해 국내 가용자원을 활용한 고순도 수산화/산화마그네슘 및 응용소재 개발 및 시범 생산라인 구축을 추진한다.

세라믹 제조혁신 분야는 탄소중립 및 ESG경영 중심의 제조업 구조 재편 흐름에 신속 대응 가능한 스마트 그린 제조 혁신 기술 확보에 노력한다. 더불어 세라믹 제조 현장에서 폭넓게 활용 가능한 스마트제조 공정지능화 및 에너지 최적화 플랫폼과 비즈니스 모델을 지속 개발한다.

세라믹 소재 부품 제조 분야는 주력 전방산업에 파급효과가 크며 글로벌 공급망 및 미래산업 대비를 위한 소재·부품 원천 기술 확보에 나선다. 이를 위해 첨단세라믹 분야 해외 의존도 완화 및 전방산업 대응을 위한 기술 고도화와 미래시장 선제 대응을 위해 소재·부품·장비 및 기술개발을 진행한다.

시멘트산업 탄소중립 분야는 탄소중립 특성 및 배출 경료별 감축 수단을 다각적으로 고려한 저탄소 핵심기술 확보 및 상용화 생태계 조성에 노력하며, 원료 전환 및 연료 전환을 통한 화석연료 사용량 절감과 가연성 폐기물 사용, 생산설비 효율 증대와 기기 및 공정효율 개선, 혼합시멘트 개발틀 추진한다.

추가적으로 기능성 세라믹 열계면 소재 부품(Thermal Pad, Gap Filler 등)을 개발해 미래모빌리티 장치 에너지 밀도 향상에 필수적인 방열, 폭팔, 전파 방지 성능을 동시에 구현하려 노력한다.

세라믹 부문의 중점 추진 R&D 분야 / 자료 : 한국산업기술기획평가원

시사점
현재 국내 세라믹 산업은 기본적인 제조업부터 첨단산업과 밀접한 관계를 맺고 산업 전반을 지탱하고 있는 중심 산업으로 성장 중에 있다. 특히 반도체, 모빌리티, 이차전지 등 첨단 산업의 발전으로 향후 세라믹 산업은 지속적인 성장세를 보일 것으로 전망되며, 소재의 지능화, 혁신화, 친환경화, 첨단 세라믹 개발 트렌드는 더욱 가속활 될 것으로 보인다. 이에 국내 세라믹 소재 관련 기업들은 이를 유념하며 정부에서 중점적으로 추진하는 R&D와 같은 각종 지원 사업에 주목해야 할 것이다.