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석기시대, 청동기시대, 철기시대, 플라스틱시대, 실리콘시대,
그림 1. 시대별 소재의 흐름
최근 소재 분야에서는 기존에 존재해 온 소재의 소재 고유 특성을 강화시키거나, 다양한 요구에 맞추어 소재들을 결합한 복합 소재가 새롭게 주목을 받는 한편 나노기술의 발전에 따라 나노를 기반으로 복합소재의 성능을 획기적으로 개선하거나 새로운 기능을 나타내는 나노융복합 소재 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
즉, 우리가 차세대 소재라고 일컫는 소재는 기존에 존재하고 있던 소재이든 새로운 소재이든 관계없이 미래에 고부가가치 산업 조성에 기여가 클 것으로 예상되고, 산업의 기반이 되거나 산업간 연관효과가 큰 기초물질이다. 차세대 소재는 반도체, 디스플레이, 자동차, 조선 등에 이어서 한국 산업 전반의 세계적 우위를 지속적으로 유지시킬 수 있는 유망 성장산업 분야이다.
최근 들어 산업 전반에 걸쳐 추구되고 있는 에너지 효율화, 환경보호 등과 더불어 강하고, 가볍고, 오래가고, 값싼 제품에 대한 요구는 전 세계의 많은 나라들이 소재산업에 있어서 나노기반, 탄소기반의 금속, 세라믹, 화학 계열 소재간의 결합을 통해 기존 소재의 성능 한계를 뛰어 넘는 복합 소재 등의 분야에서 치열한 기술 경쟁을 펼치게 하였다.
차세대 소재 분야에서 선진국들은 범국가적 연구개발체제로 차세대 소재 기술개발을 추진함으로써 차세대 소재 개발 경쟁시대에 접어들고 있는 한편, 국내에서는 그 동안 연구소나 대학을 중심으로 한 기초연구가 수행되어 왔으나 최근 들어 산업통상자원부의 나노융합 2020사업, 탄소밸리구축사업, WPM(World Premier Materials·세계시장 선점 10대 핵심소재 개발 사업) 등과 같은 민관 합동 개발 사업과 기업의 적극적인 개발의지를 통하여 대기업은 물론 많은 중소･중견기업들이 기술 및 제품개발을 추진하고 있다. 국내의 소재 산업은 산업화 초기에 정부 및 관련업체의 집중적인 투자, 수요 산업의 성장, 강력한 수출 드라이브 정책 등을 기반으로 범용 소재의 대량 생산, 생산성 극대화 등을 통해 빠른 성장을 이룩하여 철강, 석유화학 및 섬유 등의 소재 산업은 단기간에 세계 4~6위의 생산 능력을 보유하게 되었다. 그러나 세계경제의 개방 가속화와 글로벌화, 국내 수요산업의 성장이 느려짐에 따라 국내 소재 산업도 수요가 점차 둔화되고 있으며 중국 등 후발 개도국과의 경쟁이 점차 심화되고 있는 추세이다. 따라서 새로운 성장 전략과 발전 형태를 모색할 필요성이 대두되고 있다. 향후 세계시장 확대를 위해서는 기존의 소재 이외의 분야, 즉 탄소섬유 및 응용소재를 포함하는 나노기반 융⋅복합 소재 분야에 대한 적극적인 기술개발이 있어야 할 것이다. 정부에서는 2014년 제22차 경제관계장관회의에서 9대 전략산업과 융복합소재분야를 포함하는 4대 기반산업으로 이루어져 있는 13대 미래 성장 동력을 본격적으로 육성하기 위한 ‘미래성장동력 실행 계획’을 확정 발표하였다. 이 계획에 따르면 주력 산업의 고도화, 미래 신시장의 선점, 지속 성장 기반 조성 등의 목표 달성을 통하여 새로운 산업과 일자리가 창출되어 2020년에 이르면 국민소득 4만 불을 달성할 수 있을 것이라고 한다. 특히 융복합 소재분야에서는 창의소재 및 고부가 산업용 소재 개발을 통한 소재 4대 강국 실현을 목표로 하고 있다. 미국, 일본, 유럽 등 선진국들은 탄소섬유를 필두로 차세대 소재 분야의 대다수의 원천기술을 보유하고 에너지, 전기/전자, 바이오, 자동차, 해양/조선, 스포츠/레저 및 우주/항공 등 차세대 소재 관련 전 분야에 걸쳐 기술개발과 상용화를 추진 중에 있다.
이제 차세대소재라 일컬을 수 있는 많은 소재들 중 탄소를 기반으로 하는 소재를 중심으로 이야기를 전개하고자 한다.
탄소섬유 복합소재를 사용하여 건축한 150층의 초고층빌딩에 탄소섬유 복합소재로 마감한 넓고 쾌적한 사무실에서 근무하는 김대리는 탄소나노튜브 복합소재 전자부품을 탄소섬유 복합소재 컨테이너에 적재하여 탄소섬유 복합소재와 부품으로 제작된 보잉797에 실어 외국으로 수출하는 업무를 맡고 있다. 김대리는 탄소섬유나 탄소나노튜브를 고분자 물질이나 금속과 결합한 복합소재를 사용한 고강도 경량 고분자 전해질형 연료전지 자동차를 타고 탄소섬유 복합소재로 마감된 탄소나노튜브 복합소재 전자소자와 디스플레이로 구성된 플렉시블 휴대폰을 사용한다. 김대리의 집은 탄소섬유 복합소재로 지어져 기존의 건축물과 달리 내부식성이 강하여 수명이 오래 가며, 가볍고 단단한 탄소섬유 복합소재 덕분에 예술적인 개성을 뽐내는 동화 속 궁전처럼 아름답다. 그의 집은 벽면 전체가 탄소나노튜브를 이용한 박막형 투명 전극을 이용한 디스플레이로 만들어져 그가 집에 도착하면 아름다운 화면이 펼쳐지며 감미로운 음악이 흘러나오고 천정에는 탄소나노튜브와 고분자결합으로 제작된 열전도성 플라스틱으로 마감된 높은 효율, 긴 수명의 탄소나노튜브 전구가 밝게 빛나고 있다. 그리고 한편에서는 주말에 타게 될 나만의 개성 만점인 고강도 초경량 탄소섬유 복합소재 자전거가 설계 프로그램을 입력한 3D 프린터에서 탄소나노튜브 페이스트 및 잉크로 만들어 지고 있다. 집안에 있는 대부분의 생활용품들도 나노 융복합소재들로 이루어진 저에너지, 친환경 제품으로 구성되어 있어 저비용으로 친환경적인 쾌적하고 안락한 생활을 누릴 수 있다. 이것은 탄소소재를 중심으로 김대리의 미래 생활을 상상해 본 것이다.
탄소를 기반으로 하는 소재로는 요즈음 일반인들에게도 널리 알려진 탄소섬유, 탄소나노튜브, 그래핀 등이 있으며 이들과 폴리머, 금속, 탄소, 세라믹 등을 결합한 복합소재가 활발하게 연구 개발되고 있다. 현재, 우주/ 항공, 레저 스포츠 산업에서 탄소섬유 복합소재는 이미 상당 부분에 있어서 적극 활용되고 있으며, 에너지 절약과 환경 문제에 관한 규제 등을 만족시키기 위하여 자동차, 건축, 토목 분야의 산업에도 탄소섬유 복합소재를 사용하기 시작하고 있다. 한편 전기/전자, 의료, 생활용품 등의 산업에도 탄소나노튜브의 높은 전기전도성과 열전도성을 이용한 탄소나노튜브 복합소재의 사용이 증가되고 있다.
우리는 한 손으로 들 수 있는 초경량 자전거, 월척을 낚아도 끄떡없는 가볍고 강한 낚싯대, 가볍고 강한 골프채, 테니스 라켓, 대관령에 설치된 풍력 발전기의 풍력 터빈 날개, 우리나라가 세계 최강인 양궁에 사용하는 활 등과 같이 탄소섬유를 사용한 복합소재를 기반으로 한 제품들을 이미 일상생활에서 흔히 볼 수 있다. 최근에는 보잉787 등의 비행기와 현대 자동차, BMW, 벤츠 등 세계 유명 자동차 회사의 일부 자동차 등에도 연비 향상을 겨냥한 경량화를 위하여 탄소섬유 복합소재를 사용하기 시작하였다. 그 이외에도 탄소나노튜브를 이용한 박막형 투명 고분자 전극을 이용한 플렉시블 디스플레이용 투명전극, 탄소나노튜브 전계 방출 소재를 이용한 면 조명, 전구, 엑스레이 발생원, 전자현미경, 기존 복합소재의 고유특성을 유지하면서 탄소나노튜브 자체의 높은 전기 및 열전도성과 우수한 기계적 강도 등을 활용한 정전기 방지, 전자파 차폐, 방열, 고강도 복합체 등의 특성을 활용하여 얇은 형태로 전자파 차폐, 진동 및 충격흡수 등의 다기능성을 가진 IT 제품 등을 기대할 수 있다. 이와 같이 차세대소재는 기존 소재에 비해 강도, 탄성계수, 내마모 성능이 우수하고 동시에 전기전도도, 열전도도 등도 우수한 물리적 특성과 화학적 안정성을 바탕으로 기존 소재의 한계를 뛰어넘는 신제품으로 개발되어 소비자들의 주목을 받고 있다.
또한 시대의 흐름과 과학기술의 발전에 따른 표준화와 치수의 문제를 생각해 보자 1960년대에 들어와 우주개발 사업이 활발하게 진행됨에 따라 가볍고 강하면서 고온에 견디는 새로운 소재에 대한 욕구가 커지게 되었고 이에 부합하는 것 중의 하나가 탄소섬유였다. 탄소섬유는 굵기가 7～10마이크론으로 머리카락 굵기의 1/10 수준에 불과하다. 즉 탄소재료의 표준화를 위한 크기가 10마이크론 밑으로 떨어진 것이다. 당시 이 새로운 첨단 탄소섬유 제품을 우주항공에서, 기계부품, 스포츠용품에 이르기 까지 다양한 용도로 활용하기 위하여 표준화에 투입된 돈은 당시 시가로 2 억 달러가 넘었다고 한다. 이는 요즈음 액수로 환산한다면 최소 50억 달러 이상의 액수라 볼 수 있다. 당시 일본은 세라믹재료와 금속재료에서는 서구 기술선진국과의 기술 격차를 도저히 따라 잡을 수 없다고 판단하여 탄소산업을 대규모 집중 국가사업으로 선정하여 10여 년 동안 당시 금액으로 2조엔 가까운 각종 예산을 투입했고 그 결과 현재 일본의 탄소섬유 산업이 세계를 석권하게 되었다. 더불어 이를 활용한 활성탄소 섬유분야에서도 주도권을 가지고 있으며, 플러렌, CNT 등에서 독보적인 기술혁신을 선보이고 있다.
일본에서는 CNT 장섬유를 활용한 우주 엘리베이터 건립이 2050년까지 가능할 것으로 추정하고 있으며 이 우주 엘리베이터는 인류의 우주개발을 더욱 용이하게 할 전망이다. 이는 탄소재료의 사이즈가 나노미터 단위로 표준화 되어야 함을 나타내는 것이다.
현재 일본의 세계탄소 관련 표준 위원회에서의 입지는 매우 탄탄하다. 하지만 러시아와 미국, 한국 등에서 그래핀에 대한 연구개발이 활발해 져서 새로운 국면이 조성되고 있다. 또한 나노다이아몬드, 카본 태양전지 등을 위시한 새로운 제조공법에 의한 기능성 탄소재료들도 활발히 연구 개발되고 있다. 그리고 최근에 수 나노미터 두께의 그래핀 전극이 제조되었다.
즉 현재까지는 마이크론에서 나노 단위까지의 탄소재료에 대한 표준화가 활발히 논의 되고 있는 것이라 할 수 있다.
이제 향후 탄소재료는 어떠한 방향으로 전개가 될 것인가 하는 점을 살펴보자.
그 동안 탄소재료는 탄소/탄소 복합재료가 로켓 노즐에 적용되고 이어서 우주왕복선의 동체에 적용으로써 극한조건에 견디는 소재로서의 위상이 확고해졌다. 현재 건설 중인 핵융합 발전소의 상당히 많은 구조물이 탄소/탄소 복합재료로 되어 있으며 향후 상용화될 핵융합 발전소의 구조재로로써의 탄소재료의 중요성은 더욱 크게 부각될 것이다. 현재 인류사회에서 가장 큰 문제로 대두되고 있는 것이 지구 온난화를 유발하는 온실가스 즉 이산화탄소 이다. 이 이산화탄소는 그 발생량이 엄청나다. 따라서 이 이산화탄소를 활용하는 방법이 여러 각도로 모색되고 있다. 그 중에서 탄소재료와 가장 연관이 깊은 기술은 이산화탄소에서 산소를 떼어내고 탄소만을 남기는 기술이다. 이 경우 우리가 직면하는 것은 옹스트롬 단위의 탄소재료를 만나게 되는 것이다.
즉 이 탄소원자를 표준적으로 어떻게 생산을 하며 어떻게 이를 재조립하여 우리가 원하는 유용한 물질로 변환시키는가 하는 것이 과제가 되는 것이다. 즉 기존의 마이크론이나 나노의 범주를 벗어나 더욱 미세한 영역인 옹스트롬 단위 소재 및 조립체 들에 대한 극히 복잡하고 난해한 표준화 작업을 수행해야 함을 나타내는 것이다. 이것이 향후 약 20～30년간의 과제가 될 것이며 만약 인류가 이 문제를 해결할 수 있는 기술을 확보한다면 이는 인류의 새로운 서식처를 찾는 항성 여행 우주선의 기본 기술이 될 것으로 생각된다. 즉 인간이 내쉬는 이산화탄소를 자유자재로 다른 물질이나 소재로 변환 시킬 수 있다면 고립된 우주선을 자급자족형 생태계로 만들 수 있을 것이기 때문이다.
한편, 과학기술의 발전과 연계하여 표준은 우리에게 어떤 영향을 미치게 되는가에 대해 생각해 보자.
20세기에 들어와서 노벨이 니트로글리세린을 쓴 화약을 만들기 전까지 흑색화약은 전쟁의 승패를 좌우하는 중요한 요소 중에 하나였다. 이를 전쟁무기에 활용한 몽고군은 세계 최대의 제국을 건설하였고 임진왜란 때 이순신장군이 해전에서 26전 26전 전승을 거둘 수 있었던 것도 흑색화약을 쓰는 조선수군의 각종 대포가 왜군들의 조총보다 사정거리가 훨씬 길고 파괴력이 강한 덕분이었다. 하지만 동양에서는 흑색화약에 들어가는 재료들의 표준화에 대한 연구가 거의 전무하였고 장인들이 예전 방식을 답습하여 성능 개량과 표준화 없이 경험적으로 필요에 따라 소규모로 생산할 뿐이었다. 이에 반해 서양에서는 장인들이 모든 제조 과정을 기록으로 남기고 전체 재료에 대한 표준화 작업을 꾸준히 수행한 결과 서양의 기술이 동양의 기술을 넘어설 수 있게 되었다. 이는 19세기에 들어 동양이 서양에 의해 침탈을 당하게 된 가장 큰 원인이라고 할 수 있겠다. 결국 동양은 서양에 비하여 수 백 년 이상 앞서서 화약을 발명하고도 그 성분들에 대한 표준화를 등한시하고 저효율 고비용의 소량 생산체제를 고수하므로서 서양에 뒤지게 되는 결과를 가져오게 된 것이다. 즉 ‘기술개발-제품생산-표준 개발-표준확산-시장확대 및 기술확산-기술발전’의 연결고리에서 표준의 부재에 따른 결과가 동양과 서양의 기술 역전을 초래한 것이라 볼 수 있다.
과학기술이 발전함에 따라 ‘기술개발-제품생산-판매-표준개발-표준확산-시장확대 및 기술 확산-기술 발전’ 의 과정을 거치게 되고, 이와 같은 산업 발전과정에서 표준은 제품 생산과 시장 확대의 중요한 연결 고리가 된다. 더욱이 현재와 같이 기술의 변화와 발전 속도가 빠르고, 제품의 수명 주기가 짧으며, 기술과 기술, 산업과 산업이 융합하는 시대에는 표준의 역할에 있어서 예전과는 다른 새로운 패러다임이 요구되어, 기술개발과 동시에 연계된 표준개발 또는 기술개발에 앞서는 선행표준 개발이 필요한 시점이 도래했다.
세계는 국제무역기구(WTO) 체제를 근간으로 국가 간 무역의 자유화를 추구하고 있으나, 각국의 기술기준과 적합성 판정 절차가 다르고 이에 따라 또 다른 무역의 장벽인 기술장벽(TBT)이 나타나게 된다. 이러한 기술기준과 적합성 판정 절차의 바탕에는 표준이 자리 잡고 있다. 그리고 WTO TBT 협정에서는 국가 간의 기술장벽 해소를 위해 회원국이 기술기준, 적합성평가 및 표준을 적용함에 있어서 관련 국제표준이 있을 경우에는 그것을 채택하도록 규정하고 있다. 따라서 국제표준이 매우 중요하게 되었고 이에 따라 오늘날 세계 교역량의 80%가 국제표준의 영향을 받고 있으며, 대외무역 의존도가 높은 우리나라의 경우에는 표준이 더욱 중요하게 되었다.
이에 따라 국가기술표준원은 융합시대에 부응하고 WTO 체제에 맞는 표준정책을 구현하고자 다양한 정책을 펼치고 있으며 그 중에 대표적 정책이 기술개발의 기획단계에서부터 표준과 연계하고, 필요에 따라서는 표준을 선행 개발토록 하는 표준기반 R&D 정책과 국내기술을 국제표준으로 하는 국제표준화 정책이다.
이 중에서도 표준기반 R&D 정책은 모든 R&D 사업에 적용하기에는 무리가 있기 때문에 주요산업 분야의 R&D사업에 한하여 초점을 맞추고 한편으로는 민간 표준 전문가인 국가표준코디네이터를 임명하여 국책과제의 표준화 연계를 위한 기획, 자문, 평가, 조율 및 중장기 전략 수립 등의 역할을 수행하고 있다. 이외에도 국가표준코디네이터는 창조경제 기반 실현을 위한 미래성장산업 인프라 확충, 국가R&D-표준연계전략 기획, 성과확산을 통한 창조산업 생태계조성 등을 세부 활동 목표로 하여 기획과 연구 활동을 수행하고 있다.
참고자료
∎탄소섬유
아크릴 수지 또는 피치 등의 유기물을 섬유로 만든 후 이를 열처리하여 만들어지는 90%이상 탄소로 구성된 미세한 흑연 결정 구조의 섬유로서 1㎟ 당 800㎏의 무게를 지탱할 수 있으며, 강철도 녹는 3000℃의 초고온에도 견딜 수 있고, 질량은 강철의 4분1 수준이지만 인장강도는 10배 정도 강한 섬유로 복합재료의 핵심소재.
∎탄소나노튜브
탄소6개로 이루어진 벌집모양의 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이룬 기다란 탄소 구조물. 탄소나노튜브의 원통지름은 머리카락 굵기의 1만분의 1 정도인 수십 나노미터에 불과하고 구리와 전도도가 비슷하고 열전도율은 다이아몬드와 같으며 강도는 강철보다 100배 우수함. 우수한 전기전도도, 높은 열전도도 및 기계적 강도를 보유하고 있으나 현재에는 탄소나노튜브 단독으로 사용하기는 어렵고 공정 기술 개발도 쉽지 않아 플라스틱 등과 결합을 통한 복합소재 개발에 주로 응용되고 있음.
∎고분자 전해질용 연료전지
청정에너지원인 수소를 이용하여 발전하는 시스템. 높은 전류 밀도, 상대적으로 낮은 운전 온도, 편리한 연료 공급, 장수명 등의 장점으로 가정용 및 자동차용으로 적용할 수 있는 가장 유망한 에너지원으로 기대되고 있다. 공해물질을 유발하지 않고 기존의 내연기관보다 높은 발전 효율, 낮은 소음, 자유로운 이동성을 가지고 있다. 이것은 성능이 우수한 고분자 전해질 막, 기체 확산 층, 전극, 촉매, 분리판 등이 필요하다. 분리판은 연료전지 스택을 구성하는 단위 셀로부터 생산되는 전기를 외부 회로에 연결하는 전류집전체 역할, 효율적인 반응이 일어날 수 있도록 가스를 전극에 공급하는 역할, 생성된 물을 외부로 배출하는 역할, 막전극 접합체의 지지체 역할 및 냉각 유로를 통하여 연료전지 운전 시 발생하는 열을 방출 및 회수하는 역할을 담당한다. 분리판 재료로는 내부식성 소재로 표면 처리된 금속 계, 도전성 금속분말 성형품, 흑연 계, 흑연/폴리머 복합소재 등이 사용되며 이것들은 전기전도도가 높고, 부식저항성이 탁월해야하며 단위 중량 당 우수한 출력 밀도를 갖기 위해 얇게 성형될 수 있어야 한다.
∎옹스트롬(Angstrom)
10-10m
∎국가기술표준원(국표원, 원장 성시헌)
우리나라의 국가표준(KS)을 총괄 관리하고 ISO(국제표준화 기구, International Organization for Standardization), IEC(국제전기기술위원회, International Electrotechnical Commission) 등 국제표준화기구에 대해 국가대표 기관의 역할을 하는 정부기관. 표준, 인증, 제품안전, 기술규제 등의 4대 업무를 총괄 관리하고 있다.
∎국가표준코디네이터
국책과제의 표준화 연계업무 및 산업화 지우너을 담당하기 위하여 기술표준원장이 임명한 민간전문가
김순구 (차세대 소재 코디네이터)