시장 활성화가 전망되는 ‘꿈의 신소재’ 탄소나노튜브 복합소재

최근 석유화학업계가 ‘꿈의 신소재’로 불리는 탄소나노튜브에 관심을 집중하고 있다. 다양한 응용을 통해 무한한 가능성을 인정받고 있는 탄소나노튜브를 시장에 적용하기 위한 움직임이 다각적으로 펼쳐지고 있는 가운데, 본문에서는 이러한 시도들이 상업화에 성공하기 위한 과제들을 짚어봄으로써 그 시기를 보다 앞당겨보고자 한다.

 

▲ 탄소나노튜브 복합소재 시장은 LED 조명과 함께 동반성장이 전망되고 있다.

 

탄소나노튜브의 상업화 성공은 가격인하가 핵심
현재 탄소나노튜브의 시장가격은 ㎏당 $100~120를 유지하고 있으며, 향후 각 응용분야에 따른 요구가격의 한계인 $50/㎏ 수준을 기점으로 ESD/EMI용 복합소재, 2차 전지, 나노복합섬유 분야 등에서 시장이 활성화될 것으로 보인다.
현재 전 세계적으로 탄소나노튜브의 생산능력은 연간 최소 2,000톤 이상으로, 대표적인 MWCNT 제조업체는 Bayer, Nanocyl, Arkema, Showa Denko 등이 있다. 이 중 가장 활발하게 진행 중인 상용화분야는 고기능성 복합소재 제조이며 이 소재는 RTP, Hyperion, Kuraray, Toray 등의 업체에서 개발해 일부는 이미 판매를 개시하기도 했다.
벌크형 복합소재는 차량용 플라스틱 내/외장재, Fuel Line/Tank, Quick Connects, O-ring, Pump Modules 등이 차량용 연료시스템 등의 자동차산업에서 현재 일부 제품화가 이뤄졌다. 대전방지용 투명필름 및 저항막 방식의 투명전극 역시 상용화가 진행되어 향후 ITO 필름의 대체를 위한 시장진입을 목전에 두고 있다.
Bayer의 경우는 200톤/년 규모의 생산설비 구축해 고기능성 복합소재, 리튬 2차전지, 알루미늄과 복합화를 통한 초초경량, 고안정성, 고전도도 특성을 구현한 것으로 알려졌다. Nanocyl은 정렬성이 향상된 탄소나노튜브를 개발/판매함과 더불어 고분자 수지 내 분산성이 향상된 탄소나노튜브 및 마스터배치까지 제조해 판매하고 있다. 연간 400톤 수준의 CNT 소재 양산규모를 보유한 Arkema는 최대 45% 함유된 고성능 마스터배치 및 컴파운드 제품을 개발하였고 ESD, Adhesive, Yarn, 보강재 적용목적으로 개발이 진행 중이다. 또한 BYK는 2차 전지 및 코팅기반 복합소재 제품적용을 목적으로 고농도 CNT 분산액을 개발하고 있으며, 수계 및 비수계 용매기반의 코팅제품을 출시하기도 했다. Future Carbon의 ‘Carbo e-Therm’ 제품은 탄소나노소재 기반의 난방코팅용으로, 위험성이 없는 저압에서도 구동이 가능한 코팅액으로 실제 차량에 적용한 시제품을 전시한 바 있다.
한편 Xinray Systems는 Xinnano社의 Few-walled CNTs를 이용한 X-ray Source를 개발해 상용화를 추진 중이다.

국내 화학기업도 활발한 개발 중
국내의 한화나노텍과 한화케미칼은 SWCNT 및 MWCNT의 대량합성기술을 개발하고, 이를 이용한 고전도성 도료 및 고분자 복합소재를 개발해 제품을 출시했다. 효성은 유동층 반응기를 이용한 MWCNT의 대량합성기술을 현재 개발 중이며, ATM 기기 적용을 위한 대전방지 플라스틱 및 방열복합소재에 대한 관심도 높은 것으로 알려졌다. LG화학 역시 자동차 등에 응용할 경량 고강도 복합소재의 개발을 진행하고 있다.
제일모직은 ESD/EMI용 고전도성 복합소재 개발을 수년간 진행해왔으며, MWCNT의 내재화를 목표로 유동층 반응기를 이용한 MWCNT의 대량합성도 병행 중이다.
탑나노시스는 PET 및 PC를 기반으로 한 85~86% 투과도, 600ohm/sq 면저항의 투명전극을 개발해 주목 받기도 했다. 탑나노시스는 기존 ITO 전극과 비교해 월등히 우수한 성능을 자랑하는 이 투명전극의 양산체계를 갖추고 탄소나노튜브 필름을 이용한 스피커의 판매를 진행하는 동시에 평판 디스플레이, 터치패널, 디지털페이퍼, 정전기 방지제, 전자파차폐제, 면상발열체 등의 응용도 기대하고 있다.
한편, 순도 80% 이상 고순도 SWCNT의 연간 생산량 1톤 능력을 보유하고 있는 KH Chemical은 고분산용 SWCNT 제조 및 분산액 출시했으며, 코팅과 관련해 일본 업체와도 전략적으로 제휴하고 있다.

 

전기전도용에서 전자소재용 복합소재로 응용시장 확장
탄소나노튜브의 응용시장분야는 벌크형 복합소재, 박막형 복합소재, 에너지 분야 및 전기전자분야 등으로 구분할 수 있다.
탄소나노튜브 복합소재는 현재 국내·외 기업들의 전자소자 대전방지 및 정전기분산용 플라스틱을 시작으로, 휴대폰케이스와 자동차전자제어케이스 등의 적용을 위해 전자파차폐 및 방열특성을 보유한 플라스틱, 자동차와 선박 및 비행기 등에 사용되는 경량 고강도 플라스틱의 시장진입이 이뤄지고 있다.
박막형 복합소재인 전도성투명전극의 경우는 Eikos社를 중심으로 시장진입이 시작되었으며, 국내에서는 삼성제일모직, 탑나노시스, 상보 등이 준비 중이다. 탄소나노튜브를 이용한 전도성 투명전극은 OLED와 태양전지 등에 이용될 것으로 보이며 이는 2015년 세계시장규모 약 5억 달러에서 2020년에는 약 33억 달러로 큰 성장이 예상되는 분야이다.
탄소나노튜브 복합체시장은 2013년 약 3,800톤, 2020년에는 약 9,500톤의 생산이 전망되는데, 응용분야로는 현재 대전방지, 정전기분산 등의 전기전도성 복합체 시장이 가장 활성화되어 있으며 리튬이온전지 첨가재로의 사용도 증가할 것으로 보인다. 또한 콘크리트 강화 및 방열용으로 탄소나노튜브 복합소재도 시장형성의 가능성이 충분하다.

▲ 탄소나노튜브 마이크로 볼을 이용한 투명 상대전극

 

LED에 사용되는 탄소나노튜브 방열소재
탄소나노튜브 복합소재 시장은 LED산업, 자동차산업, IC 및 통신 가전산업과 함께 동반성장할 것으로 예상됨에 따라 각각의 시장동향을 주시할 필요가 있다. 2011년 Fuji Chimera Research Institute에서 발표된 LED 관련 시장조사보고서에서는 열가소성압출패키지 소재의 세계시장이 2020년 9,282억 원에 달할 것으로 예상하기도 했다.
세계 LED 시장은 현재 고성장을 기록하고 있는 가운데 니치아 화학, 오스람, 스탠리, 애질런트, 루미레즈, 에버라이트, 도요타고세이 등 일본과 미국, 유럽의 업체들이 강세를 보이고 있다. 전통적으로 니치아를 비롯해 도요타고세이, 크리, 오스람, 필립스, 루미레즈 등 선진업체들이 주도해 온 전 세계 백색 LED 시장은 2006년부터 한국, 대만 등 신흥기업들이 등장하면서 세계적으로 35% 이상 시장점유율을 보였으며, 현재 가격형성에도 큰 영향을 미치고 있는 것으로 나타났다.
2008년 조명 세계 시장은 1천억 달러 규모로, 백열등과 형광등이 대부분을 차지했다. 이들 조명에 의한 소비 전력은 2조 1,000억 ㎾h, CO2 연간 배출량은 17억 톤에 이르는 것으로 집계됐다. 2015년까지 국내 조명의 약 30%를 LED 조명으로 교체할 경우, 매년 약 160억 ㎾h의 전력 절감과 약 680만 톤의 CO2 저감이 기대되는데, 이는 100만 ㎾급 원자력 발전소 2기의 전력 생산량에 해당한다. 미국 광산업협회에 따르면 LED 조명 산업은 2015년 463억 달러 규모로 연평균 45% 고성장하여 2015년 28% 비중으로 확대될 것으로 전망하고 있다.
한편, 전자파 차폐를 향한 탄소나노튜브 복합소재 세계 전자파 차폐시장은 2012년 약 51억 달러에서 2018년 약 60억 달러로 연평균 복합성장률(CAGR) 2.9% 성장이 예상된다.
전도성 복합소재 시장은 기계부품, 자동차 부품, 통신기기 부품, 의료기기 부품, 전기전자 부품의 증가로 인해 다양한 제품군에 적용 되고 있으며, 그분야도 확대되어 가는 중이다.
세계 전자파 차폐시장은 전도층, 금속 캐비닛, 전도성 플라스틱, 라미테이트/테이프/호일 등으로 분류되는데, 이중 전도층 방식의 세계시장 규모는 2013년 약 7억 7,600만 달러로 예상되며, 2018년 약 21억 달러로 증가가 전망된다.

 

에너지 절감을 위한 자동차부품용 탄소나노튜브 복합소재
탄소나노튜브 복합체의 자동차 부품의 적용가능 분야로는 플라스틱 Fender, 연료필터 하우징, 엔진커버, ECU 하우징 등이 대두되고 있다.
세계 자동차 시장은 2015년 8,600만 대에서 2020년 9,400만 대로 증가할 것으로 보이며, 국내시장의 경우 475만 대(2015년)에서 519만 대(2020년)로 증가할 예정이다. 높은 방열특성 및 전자파 차폐특성을 보유한 탄소나노튜브 복합체는 자동차 전자제어부품(ECU)에 채용이 가능하다.
특히, 최근에는 온실가스 배출량 감축 유가상승 및 환경규제 강화 등에 효과적으로 대응하기 위한 친환경 자동차에 관심이 집중되고 있으며 2000년 중반부터 미국, 일본 등에서 전기자동차를 중심으로 시장이 본격 형성되기 시작했다. 전 세계 CO2 발생량의 약 20% 정도를 차지하는 수송용 에너지원을 화석연료로부터 전기에너지로 전환시킴으로써 대기환경을 개선함과 동시에 차량의 운행효율도 향상시킬 수 있는 전기자동차 시장이 2010년 이후 급격히 확대되고 있는 것이다. 완성차업체를 비롯한 관련업계는 기존의 내연기관 자동차에서 고효율 친환경차로의 패러다임 변화에 발맞추어 기술개발에 전력하고 있으며 이는 향후 세계 자동차시장 전체의 판도 변화에도 영향을 미칠 것으로 전망된다.
이 시장을 선점하고 경쟁력 확보를 위해 미국, 일본 등 선진국은 이미 핵심부품 및 시스템 개발을 중점적으로 지원하고 있으며, 2015년 이후 강화된 규제에 대처하고 시장에서 경쟁력을 유지하기 위해 세계 각국에서 활발한 투자 및 기술개발이 진행되고 있다.

소재산업, 새로운 환경에 주목하라!
이처럼 친환경 자동차 산업은 선진국의 각종규제 정책에 힘입어 성장해왔으며, 향후에도 전기자동차를 비롯한 친환경 선진기술이 새로운 형태의 무역규제를 위한 장벽으로 활용될 수 있을 것으로 보인다.
베인 앤 컴퍼니는 전기자동차 시장 보고서를 통해 수 년 내에 전 세계 시장 전기자동차 판매가 150만대에 달할 것으로 내다봤고, 맥켄지 컨설팅 역시 전기자동차에 의한 전장부품의 시장이 급속히 증가할 것으로 전망했다.
하이브리드차의 경우 2015년까지 전기 동력 차량의 주류를 형성할 것이며, 전체 시장의 85.6%에 이를 것으로 보인다. 후지경제 연구소는 하이브리드카 및 전기 자동차를 포함한 전기동력차량의 2015년 출하대수가 1,111만대, 금액은 12조 1,465억엔으로 2008년 대비 대수는 2배 금액으로는 6배에 달할 것으로 전망하기도 했다. 미국의 EV생산 업체 테슬라는 앞으로 20년 안에 생산되는 신차의 대부분이 전기동력을 채택할 것으로 예상했고, 미국의 ESC 계획과 같이 국내에서도 현재의 고급차량에 한정되어 있는 멀티 기능성은 차츰 일반 차량에도 확대되어 갈 것이다. 국내 자동차 1대 당 평균 25개의 ECU가 장착되며, 제네시스 경우 70여 개, 체어맨W의 경우 평균 39개 장착되어 고급차로 갈수록 시장이 확대되고 있다. 탄소나노튜브 보강재를 기반으로 하는 고분자 복합소재의 신규시장 창출 규모는 기술선진국에서도 아직 상용화 단계에 이르지 못한 상태이므로 전체적인 시장규모에 대한 정보가 체계적으로 수립되어 있지 않은 상황이다. 하지만 전 세계적으로 전기전자산업의 급성장과 나노기술을 접목한 고도 기술이 요구됨에 따라 이에 맞는 특성을 갖는 신소재의 개발은 새로운 수요와 부가가치 창출 등에 의해 예측하기 어려운 규모의 신규 시장을 창출할 것으로 예상된다.

▲ 세계에서 가장 많이 판매된 전기자동차인 ‘REVA’

 

본 내용은 지면상의 이유로 재편집되었습니다.
필자 : KISTI 정인수, 김은주, 김원석

 

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 시장 활성화가 전망되는 ‘꿈의 신소재’ 탄소나노튜브 복합소재