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‘미래산업의 쌀’ 탄소소재…‘기술격차 최소화’ 관건
‘미래산업의 쌀’ 탄소소재…‘기술격차 최소화’ 관건
  • 김연균 기자
  • 승인 2023.01.29 18:30
  • 댓글 0
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경량·고강도·고탄성 등 물성 토대
우주항공·UAM 등 전략산업 활용

미래형 신소재 ‘그래핀’ 관심집중
디스플레이·전자종이 개발에 탁월

고성능 소재·장비 기술력은 부족
‘K-Carbon 플래그십’ 기대감 커

[정보통신신문=김연균기자]

탄소소재 핵심기술 확보가 첨단전략산업 성공의 열쇠로 부각되고 있다. 특히 ‘미래산업의 쌀’로 불리는 탄소소재는 경량·고강도·고탄성 등 우수하고 다양한 물성을 토대로 우주항공, 도심항공교통(UAM) 등 첨단전략산업의 핵심 소재로 활용된다. 가장 얇고 단단한 물질로 알려진 그래핀은 ‘미래형 신소재’로 각광을 받고 있다.

■탄소소재란 무엇인가

탄소소재 융복합 산업은 탄소소재의 우수한 물성을 기반으로 전후방 연관 산업 및 기술과의 융복합을 통해 시너지를 창출하는 고부가가치 산업으로 알려져 있다.

한국탄소산업진흥원에 따르면 우주항공·방산, 모빌리티 등 수요산업이 성장함에 따라, 전 세계 탄소소재 시장은 2022년 137조원에서 2030년 1070조원까지 연평균 11.3% 이상 성장할 것으로 전망된다.

탄소소재는 원유, 석탄, 가스 등을 원료로 제조된 소재로 탄소의 결합 형태에 따라 탄소섬유, 인조흑연, 활성탄소, 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀 등으로 구분할 수 있다.

탄소섬유는 탄소 성분으로 이뤄진 실 형태의 소재로 플라스틱과 결합시 강도와 탄성이 증가하는 특징을 지니고 있다. 이 같은 특성으로 인해 자동차, 항공기 부품에 사용되는 핵심 소재다.

인조흑연은 천연 흑연에 비해 순도가 높고, 전기용, 화학용, 기계용 등으로 용도가 광범위하며, 특히 초순도인 것은 원자력 공업에 있어서의 흑연 감속재로 사용되고 있다. 인조흑연은 높은 열·전기 전도성으로 인해 전극봉, 이차전지 등에도 활용 중이다.

탄소소재 가운데 그래핀은 세상에서 가장 얇고 단단한 물질로 알려져 있다.

두께가 0.2나노미터(nm)에 불과하며, 이는 머리카락을 1000만번 정도 쪼개야 하는 수준이다. 상상을 초월할 정도로 얇지만 강철보다 200배 이상 단단하다. 특히 구리보다 100배나 빨리 전기가 통하고, 실리콘보다 100배 이상 빠르게 전자를 옮긴다.

그래핀의 활용에 따라 미래 첨단산업의 판도도 바뀔 수 있다.

그래핀의 빠른 전기 전도성을 이용해 미래형 태양전지를 개발할 수도 있고, 다른 물질에 그래핀을 섞어 더 튼튼하고 가벼운 물체를 만들 수 있다. 예들 들어 전기자동차의 경우 그래핀을 사용해 차체를 만들면 전자파로부터 운전자를 보호할 수 있다.

그래핀은 구부릴 수 있는 디스플레이나 전자종이, 착용식 컴퓨터, 팔찌형 휴대전화 등을 만들 수 있는 미래형 신소재로 주목받고 있다.

■융복합 산업 선점 가속화

탄소소재의 활용 가치가 부각되면서 융복합 산업 선점을 위한 경쟁은 심화되고 있다.

미국의 경우 리쇼어링(제조업의 본국 회귀) 전략을 앞세워 중국 의존도를 낮추고, 자국와 지역 중심의 공급망 재편을 추진 중에 있다. 일본의 경우 자체 VC(외국기업 참여 최소화)를 구축해 자국산업 중심으로 기술력을 집중시키는 양상이고, 중국은 가격경쟁력 강화를 위한 VC 수직계열화와 정부 주도 투자를 늘리고 있다.

이들 모두 지배적 위치를 점하기 위한 경쟁 모드에 돌입한 상태라 할 수 있다.

우리나라의 경우도 원천기술 확보를 지속 추진하고 있고, 공정 최적화를 통해 괄목할만한 성과를 내고 있다.

지난해 10월 효성첨단소재가 초고강도 탄소섬유를 개발하며 우주·항공 소재의 국산화에 한 걸음 다가설 수 있는 계기를 마련했다.

효성첨단소재가 개발한 ‘H3065’ 탄소섬유는 강도가 철보다 14배 이상 높은 초고강도 특수 탄소섬유이며, 동급의 T-1000 탄소섬유는 최신 항공기 동체 및 부품, 인공위성을 비롯한 우주발사체 등 우주항공 및 방위 산업에 다방면으로 활용되고 있다.

초고강도 탄소섬유는 우주 산업 분야에서 우주발사체와 위성체 등의 개발에 필수적인 소재로 꼽히고 있다. 방산 분야에서는 발사체에 탄소섬유 적용 시 경량화의 극대화가 가능해지며, 이를 통해 속도 및 사거리가 향상되는 효과를 얻을 수 있는 것으로 알려졌다.

그동안 T-1000급 탄소섬유는 원료 중합, 방사, 소성 등 공정 난이도가 높고 차별화된 기술이 필요한 까닭에 일본, 미국에서만 생산이 가능했다.

이 같은 성과에도 불구하고 탄소소재 전반의 기술력은 여전히 부족하다는 평가를 받고 있다.

국가별 탄소소재 기술수준을 분석해보면 일본, 미국, 독일이 지배자 강자로 평가되고 있다. 중국의 경우 정부의 대규모 투자에 힘입어 소재·장비 기술력을 빠르게 확보 중에 있다.

우리나라의 경우 범용소재 기술력은 선진국 수준이나 프리미엄(고성능)급 소재·장비 기술력은 부족(선진국 대비 50%)한 것으로 평가받고 있다. 특히 인조흑연은 해외의존도가 높아(100% 일본 의존) 수출규제 발생 시 공급 차질이 예상되는 소재다.

■K-Carbon 기술 개발 탄력

철강산업의 전략적 육성이 자동차·조선 등 주력산업 발전의 토대가 됐듯, 탄소소재는 우주항공·방산, 모빌리티, 에너지·환경 등 미래 핵심산업 성장의 밑거름임은 분명하다. 특히 시장 선점을 위한 기술격차 최소화가 관건이다.

최근 국가연구개발사업평가 총괄위원회에서 ‘K-Carbon 플래그십 기술개발 사업’이 총 사업비 1046억원(국비 785억원) 규모로 예비타당성 조사를 통과함에 따라 탄소소재 산업 육성에 탄력이 붙은 상황이다.

그간 정부는 탄소소재의 중요성을 인식하고 ‘탄소소재 융복합 산업 종합 발전전략(2021년)’, 우주항공·방산 시대에 대응한 ‘탄소복합재 경쟁력 강화 전략(2022년)’ 등 청사진을 제시해 왔으며, 전략 내 기술개발 과제 이행을 위해 탄소소재 예타를 추진해왔다.

정부는 예타 사업이 통과함에 따라 우주항공·방산, 모빌리티 등 주요 수요산업에 쓰이는 탄소소재의 핵심기술을 2028년까지 확보할 계획이다. 이를 통해 수송기기의 차체 경량화 및 탄소소재 재활용을 촉진해 탄소중립 달성에 기여하고, 첨단소재의 공급망 안정성도 제고한다는 방침이다.

특히 우주항공·방산 관련해서는 223억원 가량을 투입해 △재활용이 쉬운 열가소성 수지가 적용된 탄소복합재로 항공기 구조물을 제조하는 기술 △고온에서도 견디는 우주 발사체 노즐 생산에 필요한 인조흑연 고순도화 기술 등을 개발한다.

모빌리티 분야에서는 △탄소섬유로 중소형 선박용 수소 연료저장 압력용기를 제조하는 기술 △재생 탄소섬유를 활용한 차체용 판넬 및 전기자동차 배터리 하우징 제조기술 개발 등을 추진한다.

에너지·환경 분야는 수소 연료전지용 백금 촉매에 그래핀 보호층을 적용해 고가의 백금 사용량을 줄이고, 금 대신 그래핀이 코팅된 연료전지 금속분리판 등을 개발해 연료전지의 원가 절감에 기여한다는 방침이다. 해당 사업에는 218억원 가량이 투입될 전망이다.

아울러 라이프케어 및 건설 분야에서는 탄소섬유로 영상진단기기용 테이블을 제작해 영상진단기기 가동 시에 환자에게 전달되는 방사선량을 줄이고, 건설 구조재에 탄소섬유를 적용해 내부식성을 향상하는 기술 등을 개발한다.



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