19. 나노입자의 제조장치 19. 나노입자의 제조장치 2014년도 사업화 유망기술 기술설명서 1
Ⅰ. 요약 기술의개요환경분석 기술명발명자출원인기술설명기술의효과기술응용분야기술개발완성도기술키워드시장동향업체현황 나노입자의제조장치 이병철, 한영환, 최용운, 김민완 한국원자력연구원 ( 출원번호 : 10-2009-0047252) 제조하고자하는나노입자의적정제조조건에에너지와전류밀도및 선량등을독립적으로제어할수있어나노입자를손쉽게제조할수있 는, 전자빔을이용한나노입자제조장치에관한것임 - 넓은폭으로광범위한영역에조사되어나노입자의제조조건에맞게 용이하게변경할수있음 - 미소공정이필요치않게되고, 제조가용이하며구조가단순함 - 가열수단또는별도의추가적인전원장치등이없이도전류밀도및 에너지가개별적으로제어가능한전자빔의대면적조사가이루어질 수있음 - 다포트조사시조사되는다수의전자빔의전류밀도및에너지의 편차가작으므로비교적균일한입도의나노입자를제조할수있음 고속운송기기분야, 해양개발, 심해저유전채굴분야, 기기의고성능 화, 의료복지기기, 전기전도용도, 초내열용도, 스포츠용품, 에너지 분야등 TRL6( 파일럿현장테스트 ) 나노입자, 전자빔, 전류밀도, 제조장치, 조사창, 진공챔버, 전계방출팁 나노소재의글로벌시장은 2010년 99억달러규모에서 2015년 196억 달러규모로성장할것으로예상됨 LG, 삼성, KCC, 한화케미컬, 동진쎄미켐, 한화나노텍, 금유석유화학, SK, 효성, 웅진케미컬등 종류형태권장 사업화전략 기술사업화 방안 기술거래 Joint Venture Venture 기반기술을토대로사업화가능기업에기술사용권대여연구소와기업의공동투자를통한시장개척통한진입연구소주도의창업보육및기업성장후기술이전 R&BD 기술이전을전제로한공동연구개발 2
19. 나노입자의제조장치 Ⅱ. 기술성분석 1. 기술의정의및특징 1) 기술정의 본발명은제조하고자하는나노입자의적정제조조건에에너지와전류밀도및선량등 을독립적으로제어할수있어나노입자를손쉽게제조할수있는, 전자빔을이용한나노 입자제조장치에관한것임 [ 그림 ] 전자빔이용나노입자제조장치 ( 파일럿규모 ) 2) 기술개발배경 금속나노입자를얻을수있는방법중, 기존의폭발법, 볼밀링법의문제점을해결하기위한방법으로, 전자빔을금속나노입자를제조하기위한고체전구체에조사함으로써전구체에전자빔에의한환원력을부여하고, 그에따라미세한나노입자가제조되도록하는기술이존재했음 전자빔조사장치로부터방출된전자빔은전구체에도달함으로써전구체에환원력을부여 하고그에따라금속나노입자 ( 상기본발명자들의선행문헌에서는은나노입자 ) 가형성되 게하는것임 2014 년도사업화유망기술기술설명서 3
이를위해서는전자빔을넓은면적으로전구체에조사할수있도록하는것이중요한데, 종래에는넓은면적의전자빔을조사하기위하여전자석을사용하는방식이주로사용되었음. 즉, 상기전자석은전자빔의방향을제어함으로써결과적으로전자빔이넓은면적으로방출되게하는역할을하는것임 그뿐만아니라, 종래의방식은열전자를발생시키는방식이기때문에필라멘트가필요할뿐만아니라상기필라멘트에전기를공급하는전원공급장치가필요하였고, 종래의방식으로나노입자제조장치를제조할경우에는전자빔조사장치의구조가복잡하게된다는문제가있을수있었음 상기문제점을해결하기위하여한국원자력연구원에서는, 전자석을사용하지않고서도넓은폭으로광범위한전자빔의조사가이루어질수있으며, 구조의단순화및소형화가가능한전계방출팁을이용한저에너지대면적전자빔조사장치에대한기술을개발한바있음 [ 그림 ] 전계방출팁을이용한저에너지대면적전자빔조사장치 ( 종래기술 ) 그러나, 제안한대면적전자빔조사장치는전자빔의전류밀도와에너지가단일한음극의전압에의해제어되므로, 전자빔의전류밀도와에너지를개별적으로조절할수없는한계가있었으며, 따라서시료에조사되는선량을정밀하게조절하기어렵다는문제점이존재했음 4
19. 나노입자의제조장치 3) 기술의특징 이에, 한국원자력연구원에서는, 제조하고자하는나노입자의적정제조조건에에너지와전 류밀도및선량등을독립적으로제어할수있어나노입자를손쉽게제조할수있는나 노입자의제조장치기술을이용하여, 전자빔이용나노입자제조장치 를개발하였음 이는방사선의일종인전자빔을이용해서현재상용화된화학적나노입자제조공정보다 효율이높고친환경적으로나노입자를대량생산할수있는장치이며, 세계최초로개발된 것임 ( 파일럿규모, 에너지 0.2 MeV- 전력 1kW 급 ) 전자빔이용나노입자제조기술은화학적인산화-환원반응을통해나노입자를생산하는기존의방법과달리, 빛의속도에가깝게가속된전자를나노입자의원료가포함된용액에조사해서용액속물분자를둘러싸고있는전자를활성화시키고, 반응성이큰이전자가환원작용을일으켜시료를짧은시간안에나노입자로변환하는기술임 - 전자빔조사장치 : 전자를빛의속도에가깝게가속해서높은에너지를갖게만드는장치로, 발생된전자를다른물질에조사하면물성을획기적으로바꿀수있음. 방사성동위원소를이용한방사선조사장치와는달리전원을차단하면에너지가발생되지않고, 조사에너지를조절하는것이용이해다양한형태의소재개발에이용됨 그리고, 개발된기술을토대로인쇄전자용나노잉크의비용을획기적으로줄일수있는 구리 / 은코어셸나노입자제조공정도최적화하는데성공하였음 구리 / 은코어셸제조기술은값싼구리나노입자를은으로얇고균일하게둘러싸서오랜 시간이지나도산화가되지않게하는것으로, 인쇄전자용나노잉크의비용을획기적으로 줄일수있는기술임 - 인쇄전자 : 전도성을가진전자잉크를이용해전자부품을인쇄해만들수있는신기술로, 기존의복잡하고재료가많이드는반도체공정을간단한인쇄공정으로대체가능함. 태양전지, 무선인식전자태그 (RFID), 터치스크린등다양한분야에혁신적인공정절감을가져올혁신기술임 2014 년도사업화유망기술기술설명서 5
[ 표 ] 나노입자제조공정비교 : 화학환원공정 vs 전자빔공정 나노입자제조공정화학환원공정전자빔공정 에너지원 열 화학에너지 (ev 단위 ) 전자빔에너지 ( 수십만 ev 단위 ) 반응온도 고온 ( 300 ) 상온 ( 30 ) 반응속도 수십분 수시간 수초 수분 공정방식 배치 (batch)* 공정 연속흐름공정 환원제 화학적환원제 없음 입자크기제어 복잡 / 난이 간단 / 정밀 에너지효율 낮음 ( 고온유지 ) 높음 ( 상온 ) ( 대량 ) 생산성 낮음 높음 * 배치 (batch) : 어떤처리를연속적으로하는것이아닌일정량씩나누어처리하는공정 4) 기술의효과 기존의화학적나노입자제조공정에비해유독한부산물을만드는화학적환원제를사용 하지않아친환경적임 상온에서제조가가능해에너지효율이높고, 소형조사장치로설비가가능해투자비와 설비공간을줄일수있어경제적임 연속흐름식의짧은공정을도입해대량생산이용이함 나노입자대량생산통해인쇄전자용나노잉크제조등에활용가능 넓은폭으로광범위한영역에조사되어나노입자의제조조건에맞게용이하게변경할수 있음 6
19. 나노입자의제조장치 미소공정이필요치않게되고, 제조가용이하며구조가단순함 가열수단또는별도의추가적인전원장치등이없이도전류밀도및에너지가개별적으로 제어가능한전자빔의대면적조사가이루어질수있음 다포트조사시조사되는다수의전자빔의전류밀도및에너지의편차가작으므로비교 적균일한입도의나노입자를제조할수있음 [ 그림 ] 전자빔으로제조된은 (Ag) 나노입자 2. 기술의적용분야및경쟁력 2014 년도사업화유망기술기술설명서 7
적용분야나노소재분야 ( 나노입자제조 ) 기존제품 전자석을사용하지않고서도넓은폭으로광범위한전자빔의조사가이루어질수있으며, 구조의단순화및소형화가가능함그러나전자빔의전류밀도와에너지가단일한음극의전압에의해제어되므로, 전자빔의전류밀도와에너지를개별적으로조절할수없는한계가있으며, 따라서시료에조사되는선량을정밀하게조절하기어렵다는문제점이있음 본기술적용 제품의특징 넓은폭으로광범위한영역에조사되어나노입자의제조조건에맞게용이하게변경할수있음미소공정이필요치않게되고, 제조가용이하며구조가단순함가열수단또는별도의추가적인전원장치등이없이도전류밀도및에너지가개별적으로제어가능한전자빔의대면적조사가이루어질수있음다포트조사시조사되는다수의전자빔의전류밀도및에너지의편차가작으므로비교적균일한입도의나노입자를제조할수있음 8
19. 나노입자의제조장치 Ⅲ. 시장성분석 1. 시장의정의 나노기술 (Nano Technology) 은원자 분자수준에서물질을조작하는과학으로써최근나노기술의도움으로제조된물질이화장품, 의류, 스포츠장비, 페인트, 포장, 식품등일상생활의많은분야에서사용되기시작했으며, 이제그응용이정보기술 (IT), 바이오기술 (B T), 환경기술 (ET) 등첨단기술분야로확대됨에따라나노기술은지속가능한미래의한부분으로간주되고있음 본발명은나노입자의제조장치에관한것으로나노소재산업을목표시장으로규정하였음 2. 시장동향및규모 가전제품이나생필품분야에서새로운기능에대한수요증대로인해일반소비재에적용되 는나노소재의글로벌시장은 2010 년 99 억달러규모에서 2015 년 196 억달러규모로성 장할것으로예상됨 [ 표 ] 나노기술글로벌시장전망 ( 단위 : 백만달러, %) 구분 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 CAGR Total 11,671 15,721 18,042 20,706 23,763 27,272 26,668 14.8 Nanomaterials 9,027 9,888 11,348 13,023 14,946 17,153 19,622 13.8 Nanotools 2,613 5,797 6,653 7,636 8,763 10,057 6,813 17.3 Nanodevies 31 35 41 47 54 61 234 40 출처 : Nanotechnology: A Realisitic Market Assessment, Global Nanotechnology Market th rough 2015, BCC Research, 2010. 7. 재구성 나노소재산업은신탄소재료 ( 탄소나노튜브, 그래핀, 플로렌, DLC), 나노고분자, 나노세라 믹, 나노메탈, 나노촉매등으로구별되는데최근가장활발한성과를올리고있는분야는 탄소나노튜브 (CNT), 나노메탈, 그래핀임 탄소나노튜브글로벌시장은 2009 년 1 억달러규모에서 2014 년 11 억달러수준으로성장 할것으로전망됨 2014 년도사업화유망기술기술설명서 9
[ 표 ] 탄소나노튜브글로벌시장전망 ( 단위 : 백만달러, %) 구분 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 CAGR Total 104 167 266 423 672 1,053 1,674 58.9 Multi-wall 103 161 246 377 577 866 1,325 53.1 Few-wall 1 6 14 34 83 63 150 139.7 Single-wall 0 0 1 6 26 125 591 372.9 출처 : Nanotechnology: A Realisitic Market Assessment, Global Nanotechnology Market th rough 2015, BCC Research, 2010. 7. 재구성 그래핀의글로벌시장은 2015 년 2,800 만달러규모에서 2020 년 6 억 7,500 만달러규모로 성장할것으로전망됨 10
19. 나노입자의제조장치 [ 표 ] 그래핀글로벌시장전망 ( 단위 : 백만달러, %) Application 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 CAGR Total 28 67 106 169 268 425 675 58.7 Capacitors 9 26 43 73 122 203 340 67.2 Structural materials 11 17.5 24 34 47 65 91 39.1 Displays 0 0.4 1 3 7 17 44 155.8 Photovoltaics 5 7.5 10 14 19 26 35 36.1 Thermal management 14 15 16 18 19 21 23 8.4 Other 0 1 3 7 20 53 143 169.7 출처 : Graphene: Technologies, Applications, and Market, Global Market for Graphene-Bas ed Products, through 2020, BCC Research, 2011.2. 재구성 나노소재산업은기술의성숙도가높고다양한산업적요구가존재하는나노분말소재를 필두로점차그범위를확대하여, 향후에는나노융합소재의혁신적물성을이용한신개념 의응용제품이대규모시장을형성할것으로예상됨 나노소재산업은핵심기술 특허 표준을진입장벽으로소수글로벌기업이시장을지배하 고있으며, 기업간전략적제휴및 M&A 를통해기술표준이확대되고있으며시장규모도 확대되고있음 나노분말소재분야는연평균 12.8% 로성장하며 2010년세계시장규모는 42억달러에이르렀으며, 나노탄소튜브는디스플레이 2차및원료전지, 고집적반도체등응용분야가다양함 - 나노분말소재분야는아직시장진입이상대적으로용이한생활소재분야중심으로진행되고있으며국내나노관련제품생산기업은총 550개 ( 대기업 39) 이며, 나노기술전문기업은약 200개로파악됨 2014 년도사업화유망기술기술설명서 11
3. 시장의주요참여자 1) 국내현황 주요제품 대기업 중소기업 중소기업주요참여영역 중소기업 참여정도 * 중소기업 점유율 * ( 주 ) 나노 나노잉크, 나노 나노복합소재 LG, 삼성, KCC, 한화케미컬, 동진쎄미켐 신소재, 나노맥, 나노미래, 엔피케이, 페이스트, 고분자복합체, 금속복합체, 나노구조필름, 나노구조멤브레인, 나노 잉크테크 필터 성민기업, 산화물 나노 소재 삼성, LG, SK 나노신소재, 석경에이티, ABC나노텍, 이엔비코리아, 광학필름소재 환경정화용소재 졸및슬러리 잉크테크 상보, 동진쎄미켐, 탄소 나노 소재 한화나노텍, 금유석유화학, 삼성, 효성 디지켐, 엔바로테크, CNT Korea, SWCNT, MWCNT 그래핀, 플러렌 나노엔솔린, 나노미래 다공성 나노 소재 삼성, LG, 웅진케미컬 영풍필텍스, 이엔비나노텍, 상보 수처리멤브레인, 에어로겔, 나노기공 지자체 * 참여정도는주요제품시장에참여하는중소기업의참여규모와정도 ( 업체수, 비율등 ) 을고려하여 5 단 계로구분 ( 낮은단계 :, 중간단계 (,, ) 높은단계 : ) 출처 : 중소기업기술로드맵수립사업신청서, 중소기업청, 2013 재구성 12
19. 나노입자의제조장치 2) 해외현황 독일화학 의료기업인머크는디스플레이와조명용반도체나노소재를개발하는이스라엘 벤처기업인큐라이트나노텍에투자확대를하면서나노소재분야에사업영역을넓혀가고 있음 일본최대첨단소재업체인도레이는수처리업체인웅진케미칼을인수하여역삼투압필 터시장의경쟁력을강화할계획이며, 탄소나노섬유로만드는자동차 티웨이브 를연구 개발중에있음 미국소재기업인 XG 사이언스는한화 L&C 와탄소나노소재개발과기술분야에서협력하 기로 MOU 를체결하고, 그래핀 관련원천기술을기반으로연구개발에협력할방침임 4. 시장진입가능성 1) 산업의특성 나노소재산업은골프클럽에서가전의대표격인디스플레이에이르기까지적용제품시장 은매우다양함 나노기술은대부분의분야 ( 기술, 제품, 산업 ) 에적용가능한기술이라는특성을가지며, I T, BT 등신기술과함께기술 제품 산업융합의핵심적인역할을담당하고있음 나노기술의경우일반목적기술의특성을갖고있어활용여부에따라기술적 산업경제적 파급효과가크게달라질수있음 2014 년도사업화유망기술기술설명서 13
[ 표 ] 나노소재분야의 NET 분석 구분 Needs Environment Technology 고속운송기기분야, 정부의나노기술연 국내반도체, 디스플레 해양개발, 심해저유 구개발촉진지원 이기업이세계적기 전채굴분야, 기기의 벤처기업증가및기 술경쟁력보유하고있 촉진 요인 고성능화, 의료복지기기, 전기전도용도, 초내열용도, 스포츠 존기업들의나노분야진출 어산업적기반우수다양한분야에서나노물질의응용및이에 용품, 에너지분야에 따른기술혁신빠르 대한수요증가 게진행 선진국들의나노기술 기업에서수요에대비 에대한막대한투자 한선대응차원의연 및지원이이루어지고 구개발투자여력부족 저해 요인 - 있어시장경쟁매우치열할것으로전망 제조규모, 품질안정 국내기업들의규모가영세하여지속적인기술개발어려움있음 도, 제조원가 등에서 글로벌기업들에비해 미흡한점많음 14
19. 나노입자의제조장치 Ⅳ. 기술이전 1. 기술이전조건 기술이전담당자 함형욱선임기술원 기술이전유형 라이센싱 기술이전조건 협상에의하여금액결정 기술적지원 기술지도 ( 필요시, 기간및기타사항은협의가능 ) 기술제공기관연락처 한국원자력연구원기술사업화팀 (042-868-4538) 구분기술거래 Joint Venture Venture R&BD 형태 기반기술을토대로사업화가능기업에기술사용권대여 연구소와기업의 공동투자를통한 시장개척및진입 연구소주도의 창업보육및기업 성장후기술이전 기술이전을전제로 한공동연구개발 권장 2014 년도사업화유망기술기술설명서 15