lg경제연구원이 발행하는 lg business insight 2010년 2월 3일자 1078호 ‘소재혁명 불 지피는 복합소재’ 주요 내용이다.

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 환골탈태할 수 있는, ‘복합’의 재정의가 일어나고 있다. 복합 소재는 복합 혹은 융합의 특성에 따라 나노필러 복합소재, 하이브리드형 복합소재, 알로이형 복합소재 등 크게 세 가지로 구분된다. 복합소재는 최근 대부분 산업에서 가장 이슈가 되고 있는 환경·에너지 문제 해결에 상당한 기여를 할 것으로 보인다. 경량화·절전을 통한 에너지 효율화, 이산화탄소 포집 성능 향상, 희소 자원 절감 등을 통한 환경 보호, 수질개선과 물 부족 해소를 위한 수처리 고도화 등의 분야에서 복합 소재의 수요가 확대되고 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 기업과의 협력을 통해 방향을 찾고 있다. 수요 산업의 융·복합화 니즈에 맞춰 소재도 융복합화가 강조되고있어 기업들만의 노력으로는 소재 개발이 갈수록 어려워지는 것이 현실이다. 소재 개발의 활성화를 위해서는 개방형 혁신을 지원하기 위한 정부의 코디네이터 역할도 어느 때 보다 요구되고 있다.

Ⅰ. 왜 복합소재에 주목하는가

골프채에서 항공기까지, 이미 가까이에 있는 복합소재

인류 문명을 석기, 청동기, 철기, 플라스틱, 실리콘 등 시대를 대표하는 소재로 구분할 정도로 소재는 우리의 생활 모습에 큰 영향을 미친다. 오늘도 우리는 끊임없이 어떤 제품에 사용된 ‘소재’를 접촉하고 있으며, 이러한 소재는 수요 산업에 따라 전자 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 소재도이와 유사하다. 우리가 흔하게 접하는 철, 플라스틱, 유리 등의 소재들이 다양한 니즈에 맞게 결합된 것이다. 생소해 보이지만 이것은 이미 우리 주위에 자리 잡고 있다. 골프클럽에 사용된 복합소재를 예로 들어보자. 골프클럽의 샤프트를 보면, 단순히 손으로 치기 쉽게 헤드와 연결해놓은 막대기쯤으로 인식될 수 있다. 하지만 샤프트는 ‘골프클럽의 척추’라 불릴 만큼 경기 시에 비거리를 더 높이거나, 방향 제어 능력을 향상시키기 위해 중요한 부분이다. 초기에는 감나무로 만들어진 것을 사용하
다 20세기 초에 들어 금속 소재의 샤프트를 사용하면서 골퍼들은 이전보다 더 강하고, 안정된 샷을 구사할 수 있게 됐다. 1980년대에 들어서 또 한번의 소재 혁신으로 그래파이트(graphite)를 강화재로 쓴 복합소재가 도입된 후, 현재의 탄소 섬유복합소재에까지 이르렀다.

골프채를 예로 들었지만, 복합 소재는 사실 더 오래 전부터 존재해왔다. 그 시초는 초가집의 보온성, 강도 등의 만족을 위해 황토와 볏짚을 섞어 만든 황토벽돌이다. 이것이 현대에 이르러 콘크리트 복합소재로 대체되었다. 이외에도 자동차타이어, 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 무엇일까? 그것은 복합소재가 기후변화로 대표되는 환경·에너지 이슈의 해결책을 모색하고 소재의 성능 한계를 극복할 수 있는 현실적 대안이 될 수 있기 때문이다. 나노 기술의 발전에 따라 복합소재의 성능이 획기적으로 개선되었고, 이에 따라 복합소재를 통해 단일 소재 영역에서는 불가능했던 솔루션 제시가 가능해지고 있는 것이다.

본고에서는 복합소재가 주목 받게 된 배경을 좀 더 구체적으로 살펴보고, 이를 바탕으로 향후 어떤 복합소재가 유망할 것인지, 또한 이것이 기업 및 정부에 시사하는 바는 무엇인지 보고자 한다.

환경·에너지 문제의 해결책 모색

지난해 말 개최되었던 코펜하겐 회의는 온실가스 감축 문제가 더 이상 미뤄질 수 없는 사안이라는 것을 확인하는 자리였다. 그만큼 주요 국가들은 보다 강력한 온실가스 감축 의지를 표명했다. 각국의 감축량 목표에 대해서는 논란이 있지만, 앞으로는 온실가스의 감축량 목표를 ‘얼마’로 설정할 것인가 못지않게 온실가스를 ‘어떻게’ 줄일 것이냐 하는 현실적 문제에 관심이 집중될 것이다. 온실가스 감축의 방법으로는 아예 온실가스의 발생량을 줄이거나, 따로 저장하여 처리하거나, 아니면 신재생에너지 사용 비중을 늘리는 방안을 생각할 수 있다. 복합 소재가 그 중 하나의 대안이 될 수 있다. 에너지 효율성 측면에서 보면 복합소재는 기존 소재 대비 높은 효율성 (경량화, 절전, 단열 등)을 얻을 수 있고, 이는 그만큼 온실가스 감축 효과로 이어지기 때문이다.

지난 2009년 말, 신문에 인상적인 헤드라인이 있었다. ‘섬유 테이프로 감아 만든 항공기’. 항공기는 강철로 만드는 것으로 알려져 있지만 이제는 다르다. 바로 그 주인공은 미국 보잉(boeing)의 차세대 항공기 b787 (드림라이너)이다. 몸체에 탄소섬유와 플라스틱 소재가 결합된 복합소재가 적용된다. 몸체 소재 비중의 50%가 바로 복합소재로 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 전체배출량 보다 더 많이 줄일 수 있다고 한다. 탄소섬유 복합소재는 항공기, 자동차 등의 운송수단뿐만 아니라 신재생에너지 중 하나인 풍력 발전의 터빈날개 등에도 적용된다. 이에 따라 세계 탄소섬유 수요는 2007년 3만 톤 규모에서 2018년 10만 톤으로 연평균 13% 증가할 것으로 예상된다. 도레이(toray), 미쓰비시 레이온(mitsubishirayon) 등 메이저 업체들은 수요가 늘어남에 따라 증설을 서두르고 있다.

소재의 성능 한계 극복

복합소재는 금속, 세라믹, 화학소재 등 개별 소재의 성능 한계를 극복할 수 있는 대안으로 각광받고 있기도 하다. 예컨대 자동차산업에는 보다 가볍고, 외부 충격이나 열에 강하면서도 모든 성능을 만족시켜주는 소재의 등장이 필요하게 되었다. 결과적으로 차체 소재에서 금속 소재의 비중은 감소하고 복합소재나 엔지니어링 플라스틱 비중이 증가하는 현상이 일어났다. 소재 수요기업인 도요타(toyota) 자동차는 2007년부터 자동차 경량화를 위해 mi(mass innovation) 프로젝트를 추진하고 있다. 이를 통해 2008년 시카고 모터쇼에 탄소섬유 복합소재로 차체와 휠을 만들어 무게를 1/3로 줄인 컨셉트카 ‘1/x’를 선보이기도 했다. 철강 업체들도 대응을 서두르고 있었다. 1994년 17개국 35개의 철강업체들이 ulsab(ultra light steel autobody) 컨소시엄을 형성하였다. 2천만 달러 규모의 연구비를 투입, 철강 소재의 경량화 프로젝트를 수행했다. 이를 통해 마그네슘, 알루미늄 등 비철소재를 자동차에 도입하는 계기가 되었다. 이로 인해 자동차 소재 비중에서 금속소재 비중을 조금이라도 회복할 수 있었다. 최근에 포스코는 철강 소재를 대체할 수 있는 알루미늄, 티타늄, 마그네슘, 페로망간,
탄소섬유와 같은 아이템을 개발해서 복합소재 기업으로 변모한다는 전략을 내놓은 바 있다. 이처럼 복합소재는 소재의 성능을 한 단계 발전시키면서, 소재간 경쟁을 가속하는 요인으로 작용하고 있기도 하다.

나노기술의 발전

전통적인 복합소재의 개념은 서로 다른 종류의 소재들로 만들어지는 것이고 그 역할은 모재(matrix)와 강화재(filler)로 이루어져 있다. 예를 들어 콘크리트를 생각해보자. 이것은 기존의 시멘트의 내구성을 높이기 위해 자갈을 섞은 것이다. 여기서는 시멘트가 모재이고 자갈이 시멘트를 도와서 더 강하게 해주는 강화재 역할을 한다. 기존의 복합소재들은 이처럼 어떤 소재의 성능 개선을 위해 첨가하는 수준으로 다른 종류의 소재를 넣는 것에 그쳤다.

하지만 나노기술(nanotechnology)의 진보는 새로운 개념의 복합소재로의 구현을 가능하게 하고 있다. 나노 수준에서의 소재·공정·분석 등이 가능해지면서 단순히 섞어주는 복합의 개념에서 벗어나 아예 새로운 소재로 환골탈태할 수 있는, ‘복합’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 역할이 구분된다. 그러나 나노기술의 발전과 함께 복합소재는 더욱 다양한 방향으로 발전할 전망이다.

첫 번째는 기존 복합소재의 특성을 강화한 형태인 나노필러 복합소재이다. 필러인 강화재 (첨가재)부분을 나노 크기로 작게 해서 다른 종류의 소재와의 결합하는 것이다. 이로 인해 기존 복합소재에 비해 성능이 향상된 것은 기본이고, 이외에도 다양한 종류의 강화재 사용이 가능해지는 만큼 소재의 응용분야도 대폭 확대될 전망이다. 나노클레이 또는 탄소나노튜브 등의 나노분말을 넣은 복합소재 등이 해당된다.

두 번째는 서로 다른 종류의 소재들이 특정한 구조를 이루고 있는 하이브리드형 복합소재이다. 예컨대 다양한 소재들의 형태를 제어해서 원하는 형태의 구조를 만든다든지, 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 복합 소재를 들 수 있다. 기존의 복합화가 마이크로 영역에서 이루어졌다면, 앞으로는 나노기술의 발전에 따라 원자·분자 제어 기술을 바탕으로 한 복합소재 개발이 가능해질 전망이다. 나노기술의 특성상 원자·분자 단위에서의 소재 제어가 이루어지면 전혀 새로운 물성의 구현도 가능하다. 결국 알로이형 복합소재의 개발은 기존의 복합소재와는 완전히 차별화된 ‘신소재’의 개발을 의미하는 것이라 해도 무방하다.

환경·에너지 분야의 유망 복합소재

소재산업은 산업 특성상 많은 수요 산업과 높은 연관관계를 가지고 있다. 따라서 수요산업의 변화가 궁극적인 소재 수요를 결정한다고 해도 과언이 아니다. 최근 대부분 산업에서 가장 중요한 위치를 차지하고 있는 이슈는 환경·에너지 문제이다. 당연히 녹색 성장을 위한 해결책이 소재산업에도 새로운 사업의 기회로 부상하고 있다. 환경·에너지와 관련된 주요 이슈 및 이에 따른 유망 복합소재는 [그림3]에 정리된 바와 같다. 이하에서는 환경·에너지 분야를 중심으로 향후 유망할 것으로 전망되는 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. 유기물질과 다르게 무기물질은 나노크기 수준에서 안정한 상태를 갖기 어렵다. 그러나 나노클레이는 안정한 층상 실리케이트(layered silicate) 나노 구조를 갖고 가공성이 용이해서 1980년대 후반부터 많은 주목을 받아왔다. 동등 이상으로 강하면서도 가벼운 소재였기 때문이다. 최초 상용화는 일본 도요타(toyota) 자동차의 중앙연구소에서 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), 바이엘(bayer), 하니웰(honeywell) 등 많은 화학 소재 기업들이 자동차 소재, 포장재, 전기부품 등의 용도로 제품을 활발하게 개발하고 있다. 바이엘(bayer)의 경우 합성수지와 나노클레이 입자를 복합화시켜 합성수지의 성능을 크게 향상시키고 있다. 나노클레이를 폴리카보네이트와 복합화하여 난연성을 향상시키거나, 나일론 필름과 복합화하여 필름의 가스 투과성을 적게 함으로써 음식물을 오래 보관할 수 있게 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 관성으로 정보량만큼 인쇄량도 많아졌기 때문이다. 소재의 복합화를 통해 종이 절약의 재도전이 시작되고 있다. 그 중 하나의 방향은 전자책(e-book)으로 이 제품의 핵심소재가 바로 전자잉크(e-ink) 복합소재이다.

전자잉크(e-ink) 소재는 현재 대만의 소형 tft-lcd 업체인 프라임 뷰 인터내셔널(pvi)에서 독점 공급하고 있다. pvi는 지난 2009년 6월, 2억 1500만 달러에 미국 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, 물리학 등의 지식과 나노기술을 기반으로 한 새로운 소재로서 고분자 캡슐 안에 세라믹 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 화소마다 있는 전자잉크 입자에 전기신호를 주면 검은색 또는 흰색을 표시를 하는 방식으로, 정지영상에서는 전력소모가 없기 때문에 확기적인 전력 절감이 가능하다. 현재까지 가장 큰 전자종이는 최근 lg디스플레이에서 발표한 19인치 플렉서블 전자종이이다. 디스플레이 서치에 따르면 전자종이 패널 시장은 2009년 4억 3천만 달러규모에서 2018년 96억 달러 규모로 연평균 41% 성장할 것으로 전망하고 있다. 전자잉크 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 저장용 등의 응용분야 확대로 높은 시장 성장이 예상된다. 본격적인 시장 확대를 위해서는 원가 절감이 필수적인데, 그 핵심 대상은 원가의 약 절반을 차지하는 양극재라 할 수 있다. 예컨대 현재 사용되는 코발트 계열 소재는 원료가격이나 자원적제약 때문에 폭발적 수요 확대가 예상되는 중대형 전지용으로 사용하기에는 부족하다는 평가가 지배적이다. 이에 따라 현재 대체 소재 연구가 활발한데 올리빈 구조의 인산철계열 소재가 가장 주목을 받고 있다. 인산철 계열 복합소재는 저비용, 고출력, 높은 안정성이 요구되는 전기자동차나 하이브리드 자동차용 전지에 용이한 것으로 평가되며, 최근에는 취약한 전기전도도 특성을 보완하기 위한 시도가 이루어지고 있다. 일본 산업기술총합연구소(aist) 등에서는 양극소재의 입자 표면을다른 종류의 소재인 나노 탄소 소재로 코팅하여 보다 성능이 향상된 소재 개발을 촉진하고 있다.

연료전지용 복합소재

여러 가지 신재생 에너지 중 연료전지는 대기오염, 소음, 발열, 진동 등의 공해를 획기적으로 줄일 수 있는 에너지원으로 꼽힌다. 여러 종류의 연료전지 중에도 다양한 장점을 지닌 고분자 전해질 연료전지가 가장 널리 개발되고 있는데, 이의 핵심 소재가 고분자 전해질 분리막이다. 최근에는 나노복합 전해질을 이용하여 전해질 막의 성능을 개선시키려는 시도가 이루어지고 있다. 나노복합 전해질은 주로 열안정성을높이기 위해 유연한 고분자와 열에 안정한 무기계 소재를 결합한 형태로 개발될 경우 연료전지 대중화를 한층 앞당기는 역할을 할 것으로 기대된다.

3. 자원 절감을 위한 복합소재

탄소나노튜브(cnt) 복합소재

탄소나노튜브 복합소재는 탄소나노튜브(cnt)를 금속 또는 고분자 소재와 결합한 것이다. 나노소재 중 대표격인 탄소나노튜브는 구리보다 1000배나 전기전도도가 높고, 강철의 100배 수준인 뛰어난 강도 등 물질의 특성이 우수하다. 이로 인해 탄소나노튜브는 기존의 소재와 결합하여 전기/전자제품, 자동차 분야 등의 고성능화, 경량화, 소형화를 구현하는 용도로 사용되고 있다. 구체적인 응용분야로 동일 무게 대비 높은 강도 특성을 이용한 구조소재, 기존 디스플레이용 투명 소재를 대체하는 투명전도성 필름, 제품에서 발생하는 열을 효율적으로 분산시키기 위한 방열소재 등을 들 수 있다.

시장정보기관인 global industry analysis에 따르면, 탄소나노튜브 복합소재의 전체 글로벌 시장 규모는 2010년 2.5억 달러 규모에서 2015년 33.4억 달러 규모로 확대될 전망이다. 이로 인해 탄소나노튜브 자체의 제조에 주력하던 기업들은 상용화의 통로를 확장하기 위해 화학업체들과 제휴를 통하거나, 직접 복합소재 영역에 진입하고 있다. 예를 들어, 탄소나노튜브 소재 업체인 미국 하이페리온(hyperion)은 독일 바스프(basf), 에보닉(evonik) 등 화학 소재 업체에 탄소나노튜브를 공급, 자동차 부품 및 일부 차체용 소재로 적용시키고 있다.

스포츠 용품에도 하이테크 마케팅 차원에서 이 소재를 적용한 제품을 선보이고 있다. 독일 바이엘은 탄소나노튜브를 이용한 아이스하키 스틱과 야구배트, 스키 등을 선보였다. 이미 이들 제품은 독일은 물론이고 핀란드 등 유럽지역 스포츠 국가대표팀에서 사용되고 있는 것으로 알려졌다. 독일 프라운호퍼연구소 기술개발그룹(teg)에서 개발한 탄소나노튜브를 적용한 테니스 라켓 9만 개는 테니스 애호가들에게 순식간에 팔렸다. 나노소재를 적용한 골프채의 경우는 기존 소재보다 10배 이상의 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 고도의 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 패터닝용 복합소재가 이용된다. 예를 들어, 나노잉크 복합소재를 활용해 디스플레이또는 각종 전자부품의 전극을 형성하는 것이다. 아직은 가격 등의 문제로 본격적인상용화가 이루어지지 않고 있으나 미국의 듀폰, 캐봇(cabot), 일본 세이코엡슨, 알박(ulvac)을 비롯해 국내 기업들도 이러한 잉크 소재의 제품 적용을 위해 적극적으로 나서고 있다.

4. 수처리용 복합 소재

멤브레인 복합소재

기후변화 문제 외에도 인류 생존을 위한 물 부족 이슈가 매우 중요해지고 있다. 물은 대체 자원이 없기 때문에 정수하거나 담수처리를 해서 사용할 수밖에 없다. 현재 가깝게는 사무실에 있는 정수기에도 멤브레인 소재의 필터가 들어있다. 하지만 이보다 고도정수처리나 담수 처리를 위해서는 고기능성 멤브레인이 필요하다. 이를 위해 다우(dow), 도레이(toray) 등 업체들은 멤브레인 성능 향상 연구개발에 적극적인 상황이다. 궁극적인 목적은 멤브레인에 물을 친화력있게 만들어주는 기능을 부여하는 것이다. 대부분의 방향은 고분자 소재인 멤브레인 표면에 다른 종류의 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 운영비용이 기존 대비 50% 절감이 가능하여 신뢰성만 확보한다면 기존 역삼투압이다.