미래산업 INSIGHT ndustry nsight utures 591 ( 2 0 1 4-1 6 ) 2 0 1 4. 5. 2 6 미래소재 : 탄소나노재료 2 ( 그래핀 ) 요약 소재는모든산업의기반역할을수행하며, 미래산업의원천경쟁력확보를위해서는미래신소재의사업화가필수적임. 탄소소재는넓은활용범위를가진미래소재로기대를받고있으며, 특히그래핀은이중에서도가장높은잠재력을가진소재로평가받고있음. 2010년노벨물리학상이그래핀연구결과에수여됨에따라, 신소재로서그래핀의높은잠재력이부각되고, 전세계적으로활발한연구가시작 미국, EU 등주요선진국은그래핀에대한대규모투자계획을수립하여적극적인기술개발및상용화연구추진중 우리나라는세계최고수준의그래핀기술력을토대로 2013년부터그래핀상업화를위한정부연구개발사업착수 현재그래핀은응용연구단계로연구용도로판매되는그래핀이시장의대부분을차지하고있으나수년내복합소재를중심으로시장확대가예상 그래핀은복합소재, 반도체, 배터리, 센서, 전도성잉크, 코팅재등다양한분야에적용될것으로전망 그래핀은원천기술확보가중요한나노신소재이며, 성공적사업화를위한장기적정책추진및제도적지원이필요 새로운소재의도입은큰파급효과에도불구, 업계의보수적특성등으로국내의사업화여건은쉽지않을전망 특히그래핀은아직연구개발단계인완전히새로운소재로, 우리에게또다른기회이자위기가될수있어체계적발전방안마련이시급
연구개발동향 탄소기반소재는광범위한활용범위를가진대표적소재로오래전부터주목 미래산업의핵심경쟁력및지속적성장잠재력확보를위해신소재산업은필수적요소 신소재산업은개발및회수기간의장기화등위험요인을내포하고있음에도불구하고, 광범위한산업에베이스캠프역할을담당하고있어핵심경쟁력확보시오랜기간동안산업전반에미치는파급력이큰산업 탄소소재는물리 기계 화학적성질이매우우수할뿐아니라, 가볍고원재료가풍부하며광범위한분야에응용이가능하여오래전부터새로운미래소재로꾸준히이슈가됨. 그래핀은탄소소재중에서도특성이우수하고, 응용제품개발이용이한구조를가지고있어탄소나노튜브에이어최근가장주목받는신소재임. 그래핀은가장최근에알려진탄소소재로, 활발한연구개발이진행중 2010년그래핀관련노벨물리학상의수여는전세계적그래핀연구개발활동을촉발 2010년영국맨체스터대가임 (Geim) 교수와노보셀로프 (Novoselov) 교수는그래핀분리업적을인정받아노벨물리학상을수상 그래핀은탄소가육각형형태로배열되어있는원자 1개두께의매우얇은막형태의구조로원통형구조인탄소나노튜브를펼쳐놓은것과같은모양이며, 투명하며전도성이높고 2차원평면구조를가져기존반도체공정을그대로적용할수있다는장점을가짐. 표 1 탄소소재의주요개발이력 이슈 내용 1971 탄소섬유도레이, 1971 년 PAN 계탄소섬유세계최초개발 1992 탄소섬유 1993 탄소복합소재항공기부품 한국과학기술연구원 (KIST), 산업과학기술연구소, 충남대등산업용탄소섬유개발. 자동차, 비행기, 우주선등에탄소섬유가크게활용될것으로전망대한항공, 최첨단탄소복합소재하이브리드를주재료로한보잉사 B-777 항공기용핵심날개부품제작출고. 1억 6,000만달러상당의수출계약체결 1998 2003 초경량스포츠화 탄소나노튜브메모리소자 리복, 100g 미만의운동화상용화를위해깔창소재로탄소와유리섬유를직조한신소재 그래프라이트 개발 삼성종합기술원, 실리콘메모리를대체할수있는상온에서작동하는탄소나노튜브메모리소자제작기술개발 2010 그래핀분리 영국맨체스터대가임 (Geim) 교수와노보셀로프 (Novoselov) 교수, 그래핀 (graphene) 단층분리업적으로노벨물리학상수상 2011 탄소섬유보잉, 보잉 787 항공기기체의약 35% 를탄소섬유복합재로제작 02
www.kiet.re.kr 그림 1 탄소소재의원자수준에서의결합및격자구조 1) 그래핀 (Graphene) 2D 흑연 (Graphite) 3D 탄소나노튜브 (CNT) 1D 풀러렌 (C60) (Fullerenes) 0D 자료 : T. Kuilla, S. Bhadra, D. Yao, N.H. Kim, S. Bose, J.H. Lee, Prog. Polym. Sci. 35 (2010) 135. 그래핀은기존탄소소재와달리나노미터단위수준의제어를통하여제조되는소재로광범위한분야에응용가능 1) 그래핀은그래핀분리, 물성측정등기초연구에주로초점이맞춰졌으나, 최근연구개발활동이빠르게확대되면서고성능투명전극, 메모리소자, 스핀소자, 고주파소자등에대한응용연구가이루어지고있음. 2) 그래핀은기존금속재료대비기계적, 전기적성질모두에서우수한특성을보임. 그림 2 그래핀을포함한주요탄소소재및응용분야 2) 탄소소재 인조흑연 (Graphite) 탄소섬유 (Carbon fiber) 카본블랙 (Carbon black) 활성탄소 (Carbon fiber) 탄소나노튜브 (Cnt) 그래핀 (Graphene) 정의 탄소의판상적층결정체로전도성을가진탄소 고분자섬유의탄화로제조된섬유상탄소재료 10 nm ~1 μm크기의구형탄소입자또는응집체 미세기공이발달된높은표면적의비결정성탄소재료 나노크기의실린더형태를갖는 1 차원구조탄소재료 탄소원자하나두께의 2 차원구조를가진탄소재료 대표제품이차전지레저용품전기로반도체항공기 / 로켓자동차풍력발전기커패시터흡착탑디스플레이 자료 : C- 산업발전전략 ( 지식경제부, 2012), 산업연구원수정. 1) 풀러렌, 탄소나노튜브, 그래핀및흑연모두탄소원자간결합특성은동일하나, 격자구조의형태가각각 0~3차원형태로다름. 2) 일반적으로소재는그활용분야및목적에따라, 기계 물리적특성을기반으로빌딩및운송기기등에활용되는구조재와전기 자기적성질을기반으로반도체, 디스플레이등에활용되는기능재로구분이가능함. 03
표 2 그래핀의특징 물성그래핀비교 기계적성질 탄성률인장강도 약 7배약 200배 강철기준 전기적성질 비저항열전도도 약 1,000배약 10배 구리선기준 자료 : 나노탄소고분자복합재료 ( 최철림, 2013), 그래핀의용매분산과맞춤형조립 ( 이선화등, 2011). 2004년최초의그래핀분리성공이후, 주요선진국의그래핀기술개발및상용화지원이적극적으로이루어지고있으며, 현재상업화초기단계수준이나최근실제소자제작이가능한저비용및양산가능그래핀생산기술개발도추진중 3) ( 미국 ) 미국국방고등연구계획국 (DARPA) 은 Carbon Electronics for RF Application 프로젝트에총 3,000만달러를투자하여그래핀활용고속 RF 소자개발을추진하였고, 국가과학재단 (NSF) 은 2011년까지 5년간그래핀연구에 2,800만달러지원 (EU) 유럽 17개국가, 60개기관이참여하는 EU Graphene Flagship 프로그램을추진하여 2013년부터향후 10년간총 10억유로를투자할계획이며, 영국은 2011년그래핀상업화를위한 R&D 사업에 5,000만파운드 ( 약 900억원 ) 투자계획수립 ( 일본 ) 경제산업성산하산업기술총합연구소 (AIST) 중심으로그래핀기초연구및응용연구를지원하고있으며, 2010년약 140억원의정부 R&D 자금을투자하여플라즈마를이용한저온그래핀합성기술연구지원 우리나라는그래핀분야의기술선도및시장선점이가능할것으로전망하고 2011년에그래핀분야에대한비전발표 4) 그래핀분야조기상용화를위해우리나라는 2013년 그래핀소재부품기술개발사업 을추진하여총 6년간정부출연금약 470억원을투입하기로함. 산업부는급속한시장확대가예상되는디스플레이와복합소재용그래핀소재를우선개발하기로하고, 2013년그래핀소재개발을위한 6개컨소시엄, 41개산학연기관을신규사업자로선정 3) 그래핀응용기술연구개발동향및사업화전망 (KEIT, 2012), 꿈의신소재 그래핀, 상업화를위한첫걸음시작 ( 산업부보도자료, 2013.5.22) 참고. 4) 당시지식경제부 R&D전력기획단은그래핀을 꿈의소재 로일컬으며, 그래핀은우리나라가 소재강국 으로성장할수있는기회라고언급한바있음. 04
www.kiet.re.kr 표 3 그래핀소재부품기술개발사업 (2013년신규사업 ) 개요 2013년도 과제명 주관기관 정부출연금 ( 억원 ) [ 총괄 ] 글로벌시장선점을위한그래핀소재 부품개발 한국과학기술연구원 총정부출연금 ( 억원 ) 1.0 8.0 [1 세부 ] 그래핀응용터치패널기술개발삼성테크윈 ( 주 ) 10 108.6 [2 세부 ] 그래핀응용 OLED 패널기술개발 [3 세부 ] 그래핀응용하이배리어복합필름기술개발 [4 세부 ] 그래핀응용전자파차폐코팅제및공정기술개발 [5 세부 ] 그래핀응용고내식코팅소재및공정기술개발 한국전자통신연구원 8.1 100.7 상보 4.8 71.8 창성 6.3 74.7 포스코 8.8 107.0 소계 39.0 470.8 시장동향 자료 : 산업부보도자료 (2013. 5. 22). 우리나라는그래핀관련세계최고수준의기술력을보유하고있어, 향후시장선점에높은기대 우리나라의그래핀기술수준은미국과더불어세계최고수준인것으로평가받고있음. 우리나라는그래핀의주요응용분야로예상되는주력산업인반도체, 디스플레이, 이차전지, 자동차등에서충분한수요기반을확보하고있다는점에서그래핀시장의선점기회높음. 표 4 선진국대비우리나라의그래핀기술수준 한국 미국 일본 독일 중국 기술수준 100 100 80 80 90 자료 : C-산업발전전략 ( 지식경제부, 2012). 최고기술 =100. 그래핀은현재기초및응용연구단계이며, 복합소재를중심으로수년내시장형성전망 그래핀은최근상용화초기단계인 CNT 이상의잠재적가능성을가지고있는것으로평가 현재는연구용그래핀및일부고강도복합재가시장의대부분을차지하고있으나, 향후 RFID, 스마트패키징, 슈퍼커패시터, 센서, 반도체등다양한분야의시장이형성될것으로 전망 5) 세계시장은 2012년 900만달러에서연평균 40% 성장하여, 2020년 1억 2,600만달러수준으로증가할전망 6) 5) Graphene Market, Technologies and Opportunities 2013-2018 (IDTechEx, 2013). 6) Graphene market set for 40% annual growth, reaching $126 million in 2020 (Lux Research, 2012). 05
시사점 그래핀은대학및연구기관을중심으로연구개발이추진중이며, 일부기업에서상용화시도중 그래핀은아직상용화이전단계이나, 선진국을중심으로그래핀기초연구 ( 대학 ) 및응용연구 ( 기업 ) 가활발하게추진되고있음. 우리나라도그래핀연구에초기부터주도적으로참여하여, 전세계적으로선도적위치점유 해외에서는미국과유럽을중심으로대량합성기술및응용중심연구가수행중 표 5 국내주요그래핀연구개발현황기관명현황구리촉매를사용한그래핀합성성균관대 / 삼성테크윈 roll-to-roll 방식을이용한전사 / 에칭기술개발그래핀투명전극을활용한플렉시블터치스크린시연성균관대 / 삼성종기원실리콘웨이퍼상에서니켈촉매를이용한그래핀합성기술개발 KAIST/ 앤바로테크복합소재용그래핀 Nanoplatelet 제조기술 Edge 기능화에의한고품질그래핀제조기술 UNIST Ball Mill 고속분쇄를이용한친환경저가그래핀대량생산기술성균관대대량흑연화학적박리저온공정기술개발 KERI 화학적흑연박리를통한그래핀페이스트제작, 국내기업에기술이전 KAIST 그래핀게이트전극을이용한메모리제작그래핀제조전단계물질인산화그래핀을생산하여미국시그마알드대주전자재료리치에공급자동차차체용경량그래핀소재개발에주력자료 : 그래핀응용기술연구개발동향및사업화전망 (KEIT, 2012), 산업연구원수정. 표 6 해외주요그래핀연구개발현황 기관유형 대학및연구소 기관명 맨체스터대 ( 영 ) 컬럼비아대 ( 미 ) UCLA. Rutgers( 미 ) 현황 세계최초테이프를이용해흑연에서그래핀박리성공그래핀을이용한가스센서및 LCD 소자구현그래핀물성, 전자빔식각법에의한그래핀나노리본구조패터닝연구그래핀의용액상분산및필름화에대한기술개발연구 프리츠하버연구소 ( 독 ) SiC 기판위그래핀합성법및성질변환연구 막스플랑크연구소 ( 독 ) 그래핀염료감응태양전지투명전극연구 AIST( 일 ) IBM( 미 ) 그래핀투명전극및리튬이차전지연구 그래핀 RF 소자, 광전자소자등반도체적용연구개발 기업 XG Science( 미 ) 다양한방법의그래핀합성기술개발및판매 Angstron Materials( 미 ) 에너지전극용그래핀 platelet 대량양산기술보유 Vorbeck Materials( 미 ) 다양한방법의그래핀합성기술개발및판매 Vor-ink TM 잉크상용화 Texas Instruments( 미 ) CVD 공정으로수인치급그래핀합성 Fujitsu( 일 ) 실리콘웨이퍼상에그래핀성장 자료 : 그래핀응용기술연구개발동향및사업화전망 (KEIT, 2012). 06
www.kiet.re.kr 그래핀은장기적으로일관된정책추진과동시에추격형을탈피한선제적대응전략이요구 신소재는모든산업에서생산재의생산재역할을하는경우가대부분으로산업간연쇄효과가막대하지만, 적용실패에따른리스크또한크기때문에보수적이고폐쇄적인특성이강함. 그래핀은다른소재기술과마찬가지로산업파급효과가크지만, 투자규모, 개발-회수기간, 요구기술수준, 진입장벽이클뿐아니라, 신소재보다는기존재료에고착 (lock-in) 하려는업계의행태등으로인하여사업화여건이상대적으로까다로움. 표 7 나노기술신소재산업화특성 산업파급효과 투입자원규모 개발 - 회수기간 요구기술수준 진입장벽 지식재산권중요도 생산재 매우큼 큼 매우큼 매우큼 매우큼 매우큼 소비재 큼 보통 보통 큼 보통 매우큼 자료 : 나노기술을활용한부품소재기업의기술혁신특성분석 (STEPI, 2006). 또한국내수요기업의경우, 극도의위험회피경향 ( 소재업계의보수적성향 + 중소기업기피성향 ) 으로국내중소기업에서개발된결과를처음도입하기를꺼려하는점도사업화의걸림돌로작용하고있음. 위와같은위험요인에도불구, 장기적경쟁력확보를위한전략차원에서선진국및선진일류기업등은장기적인투자포트폴리오를확보하여운영 미국, EU 등선진국은집중적 R&D뿐만아니라관련기업및사업화촉진을위한기술이전, 지식재산관리등에대한지원방안을고려하고있음. 그래핀 이라는신기술이경쟁력을확보하기위해서는관련산업의가치사슬구조형성이필요하므로, 이를고려한전략적투자, 공공-민간협력연구, 관련중소기업육성, 효율적인지식재산권관리방안등을마련하는것이중요 7) [Graphene Flagship 프로그램의사업화촉진전략 ] 7) 관련과학자들의기업가적훈련을장려하고보다큰리스크를감수할수있는문화조성 기술개발과효율적지식재산권관리를통해, 재능있는기업가들의참여를유도 신생기업에자본과사업전문성을제공할수있는초기투자자금을모색하여, 그래핀기술을보유한중소기업이기꺼이사업화를추진할수있도록함. 그간우리나라는주로선진국을모방하는추격전략을통한성장을추구하였으나, 그래핀분야는우리가세계최고수준의기술력을확보하고있는만큼, 모방을통한시장진입이불가 7) Graphene Flagship 홈페이지 (http://graphene-flagship.eu). 07
기존재료와완전히다른성질을가진새로운소재를널리보급하기위해서는기술개발뿐만아니라그래핀이시장에안정적으로정착할수있는사회제도적기반이마련되어야하며, 특히재료의신뢰성을확보하는것이매우중요 소재의규격및특성표준화, 공급-수요기업간가치사슬형성, 업계이해관계자간조정을위한협의체구성등은그래핀조기시장창출에도움을줄것으로기대되며, 특히중요한점은이러한지원이형식으로그치지않고실질적인기능을수행할수있는세부방안을마련하는것임. 국내그래핀관련연구개발및사업화정책의경우, 유사소재인탄소나노튜브 (CNT) 등의사례가여러면에서본보기가될수있음. 장기적으로체계적이고일관된전략을요하는소재개발및사업화의경우, 선택과집중을통한대규모지원이미래의다양한잠재적시장요구에대응하기어려울우려가있는바, 새로운아이디어가시도될수있는소규모연구를지속적으로수행할수있는정책포트폴리오를마련하는것이중요 김상훈 ( 연구위원 미래산업연구실 ) sanghoon_kim@kiet.re.kr 02-3299-3181 심우중 ( 연구원 미래산업연구실 ) swjkorea@kiet.re.kr 02-3299-3024 본자료는산업연구원홈페이지 www.kiet.re.kr 을통하여항상보실수있습니다. 이미발간된산업경제정보및더욱상세한관련보고서도보실수있습니다. 발행인김도훈 / 편집인유진근 / 편집 교정조계환 130-742 서울특별시동대문구회기로 66 Tel : 3299-3114 Fax : 963-8540 www.kiet.re.kr 08