KISTI 마켓리포트 2017-03
01
스마트 재료
소재 분야의 혁명으로
미래 생활·산업 전반에 큰 영향
산업정보분석실 김경호 Tel: 02-3299-6010 e-mail: [email protected]
스마트 재료의 정의
스마트재료(Smart Materials)란외부환경으로부터자극(습기, 온 도, 압력, 자기장, 전기장, 빛등)을감지및판단하고, 이외부자극에 대해유용하고, 신뢰성있고, 재현가능하고, 가역적인방법으로반응,
제어하는지능적거동(Smart Behavior)을나타내는적응형또는지
능형재료(Adaptive or Intelligent Material)를말한다. 다시말해스 마트재료는외부환경조건변화에대해재료자체의고유한지능(기계 적·물리적성질)으로유효적절히대처할수있는기능(감지, 구동, 제 어, 학습, 계산)을보유하고있다고할수있다. 스마트재료의원리는 환경변화에따라반응하고적응하는생물체의특징을모방한것으로, 그재료는유비쿼터스환경을실현하기위한기초재료가되고있다.
스마트재료는온도와같은매우기초적인기능수준에서작동 할수있을뿐만아니라, 추가적인기능과물성을조합함으로써복잡 한기계적시스템에도사용될수있다. 예컨대, 스마트재료는에너 지공급시스템의마이크로전자부품에도사용될수있다. 대표적 인스마트재료로는형상기억고분자(Shape Memory Polymers), 형상기억합금(Shape Memory Alloy), 압전재료(Piezoelectric Materials), 자왜재료(Magnetostrictive Materials), 전기유변유체 (Electrorheological Fluid), 광섬유(Optical Fiber) 등이있다.
스마트재료는응용측면에서크게변환기(Transducers), 액추에
이터(Actuator, 작동장치) · 모터(Motors), 센서(Sensors), 구조재 료(Structural Materials) 및코팅재(Coating)로나눌수있으며, 그 외진동제어, 에너지하베스팅기술에도적용되고있다.
변환기는한형태의에너지를다른형태의에너지로변환하는전 자장치이다. 변환기는화학에너지, 광에너지, 기계에너지등다양한 형태의에너지에관계하며, 대표적응용으로는마이크, 온도계, 압력 센서, 확성기, 위치센서등이다.
액추에이터는점도나치수변화와같은기계적물성변화에반 응하는기계구성부품이다(예, 저에너지신호를고에너지신호 로변환하는증폭기). 액추에이터의구성 요소로서형상기억합 금, 자기왜곡(변형)물질(Magnetostrictive Materials), 압전세 라믹, 자기유변유체(Magnetorheological Fluid), 전기유변유체 (Electrorheological Fluid) 등의스마트재료가사용된다. 모터 (Motor) 또한연속적인각회전(Angular Rotation)을생성하여전 기에너지를기계에너지로변환하는액추에이터이다.
센서는열, 압력, 빛등다양한유형의물리적성질을측정하고, 이 를신호로변환하여사용자가전자장치를통해그신호를읽을수있 도록해주는장치이다. 현재모바일폰의터치스크린, HVAC(난방, 통
풍, 공기조화) 시스템, IoT 시스템등다양한용도로사용되고있다. 구조재료는힘을지탱하거나전달하기위한것으로압전재료, 세 라믹, 형상기억합금, 고분자, 복합재등이있다. 이들재료는교통, 항 공우주, 방위, 자동차, 에너지생산, 마이크로전자제품등다양한응 용에채용되고있다. 스마트코팅은부식으로부터표면을보호하는 자기수복(Self-repair), 자기치유(Self-heal)의성질을갖고있어교 통, 군사, 의료, 전자등에널리사용된다.
스마트재료기술이적용되고있는분야의몇가지예를들어보면 다음과같다.
• 외부밝기에따라자동으로켜지고꺼지는자동차전조등
• 혈당량을측정하고인슐린펌프를작동하는스마트의료기기
• 소변중의요소를검사하여건강상태를알려주는스마트변기
• 독성물질을감지, 제거하는스마트정수기시스템
• 외부기온에따라태양열흡수율을스스로조절하는스마트윈도우
• 속도와압력에따라형상을바꾸어연료를절감하는스마트비행기날개
• 형상기억합금으로만든치과용재료
• 제올라이트를콘크리트에혼합해습도조절이가능한스마트콘크리트
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스마트재료의종류와특성
종류 특성 용도
형상 기억 고분자 (Shape Memory Polymers)
일정한 온도 또는 특정 자극이 주어졌을 때 가해진 일시적 변형으로부터 처음 상태로 되돌아오는 고분자 재료
온도센서, 액추에이터, 정보저장장치, 생분해성 봉합사, 도뇨관, 지능형 스텐트, 스마트 의복, 자가 수리 구조체,
마이크로 전자기기 시스템 등에 사용 형상 기억 합금
(Shape Memory Alloys)
일정 온도에서 변형한 재료를 특정한 천이온도 이상으로 가열하면 원래의 형상으로 되돌아가는 성질을 가진 합금
(예, 니티놀(Nitinol, Ni-Ti 합금)
안경테, 치열교정선, 확장요도관 등 의료용 제품 등에 사용
압전재료 (Piezoelectric Materials)
기계적인 힘을 전기로 바꾸거나 전기를 가하면 기계적인 수축 · 팽창의 변형(Strain)이 일어나는 특성을 가진 재료
(결정, 세라믹스, 고분자)
스마트구조의 액추에이터나 센서로 이용 (촉각 온도 및 변형량 감지용)
자왜재료 (Magnetostrictive Materials)
자기장의 변화에 따라 재료의 변위가 변화하는 재료 (압전재료의 기능과 유사)
음향탐지, 초음파진단기 등에 사용. 최근 개발된 터페놀 (Terfenol, Tb-Fe합금)은 액추에이터와 센서로 응용
(프린터, VTR, CD, 로봇, 카메라에 사용) 전기유변유체
(Electrorheological Fluid)
이 재료는 액체(소수성) 안에 작은 입자(친수성)를 포함하고 있으며, 전기장이나 자기장을 가하면 이 입자들이 반응하면서
액체의 점성을 바꾸어 놓음
댐퍼(Tunable Damper), 진동차단 시스템, 로봇의 팔, 브레이크나 클러치 등에 사용
광섬유 (Optical Fiber)
고순도 실리카에 전반사를 일으킬 수 있는 반사층을 코팅한 후 섬유형태로 가늘게 가공한 재료
광섬유를 통과하는 빛의 특성변화를 측정하는 센서장치에 응용 (광통신 전송 및 수신, 광변조 부품과 내시경 등)
스마트재료의응용분야
Industrial
Manufacturing Healthcare
Robotic
Military
Aerospace Automotive
Industry Consumer
세계적인 시장동향 및 예측
스마트재료는제조업, 방위/항공우주, 자동차, 소비자가전, 헬스
케어, 토목등다양한분야의산업에사용되고있다. Allied Market
Research(2016) 보고서에의하면, 세계스마트재료의시장규모는
2015년 289.7억달러에서연평균성장률(CAGR) 14.9%로성장하
여 2022년 726.3억달러에이를것으로예측된다.
지역별시장은북미, 유럽, 아태, 기타지역(남미, 중동, 아프리카) 으로나눌수있으며, 세계스마트재료시장은예측기간동안안정
된상태로증가할것으로예측된다. 아태지역은 2015년세계시장에
서가장큰시장을차지했다. 이는중국, 인도와같은개도국의급속 한산업화로인해건설, 제조, 자동차, 소비자가전산업등에서스마 트재료의수요가증가하고있기때문이다. 또스마트기기에대한각 국정부의높은투자와중소기업의스마트재료투자활성화를유인 하는지원정책이아태및기타신흥지역에서스마트재료의사용을 가속화시키고있다.
북미지역중미국시장의규모로부터추정한국내시장의규모는
2015년 6,868억원에서연평균성장률(CAGR) 15.9%로성장하여
2022년 1조 9,293억원에이를것으로예측된다.
스마트재료의응용시장을보면, 변환기는다양한전자제품에서
의응용증가로 2015년 76.7억달러를기록함으로써가장큰시장
을차지했다. 이부문은예측기간동안연평균성장률(CAGR) 12.4%
로성장하여 2022년 164.9억달러에이를것으로전망된다. 이에비
해코팅부문은방위및항공우주, 상업분야에서스마트코팅의채
용증가로가장높은성장률(CAGR 42.1%)을보일것으로예측되며
2022년 71.2억달러에이를것으로전망된다.
스마트재료시장을구동하는핵심요인중에서노령인구의증가 (노인생활의편리), 응용분야의확대(형상기억합금, 금속합금등의스 마트재료가자동차, 헬스케어, 에너지, 방위부문에채용), 정부정책/
인센티브제도(스마트재료사용산업에대한지원), R&D 투자증가
(저비용스마트재료개발, 재료의수명연장및특성강화), 스마트재
료제품의가격저감등은긍정적요인으로작용하며, 스마트재료사 용의이점에대한인식부족과스마트재료의고비용문제등은스마 트재료시장의성장에부정적인영향을미칠것으로예상된다.
세계적으로건설산업이활발히성장함에따라스마트콘크리트에 대한수요도빠른속도로증가하고있다. 이는스마트콘크리트는보 수가불필요하여콘크리트의수명유지비용을최대 50%까지절감 할수있기때문이다. 또스마트형상변이(Smart Shapeshifting) 금
속과자기발열(Self-heating) 코팅에대한수요도증가하고있다. 스
마트형상변이금속은지진이나태풍등자연재해에대응해건물이 나교량의보호에기여하며, 스마트코팅은상품이나자동차부문에 서제품의수명을연장시키는데기여할것으로예측된다.
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세계스마트재료시장전망
지역 2015년 2016년 2017년 2018년 2019년 2020년 2021년 2022년 CAGR(%)
북미 85.2 92.2 100.5 111.1 124.6 142.4 166.4 199.8 13.8
유럽 76.9 83.6 91.8 102.1 115.3 132.7 156.2 189.1 14.6
아태 93.9 103.3 114.7 129.0 147.3 171.5 204.3 250.1 15.9
기타 33.6 36.9 40.8 45.7 52.0 60.3 71.5 87.3 15.4
합계 289.7 316.0 347.8 387.8 439.2 506.9 598.5 726.3 14.9
(단위: 억달러)
자료: Allied Market Research, 2016, SMART MATERIAL MARKET, 2015~2022
스마트 재료의 세계 시장은 2015년 289.7억 달러에서 연평균 14.9%로 성장하여 2022년 726.3억 달러로 예측되며, 국내 시장은 2015년 6,868억 원에서 연평균 15.9%로 성장하여
2022년 1조 9,293억 원으로 예측된다.
국내외 시장경쟁 상황
세계스마트재료시장의주요플레이어에는 KYOCERA(일본), Noliac(덴마크), APC International(미국), TDK(일본), CTS(미국), Channel Technologies Group(미국), LORD(미국), Advanced Cerametrics(미국), Metglas(미국), CeramTech(독일) 등이있다. 이들기업들은제품혁신과함께다양한스마트재료의성장과수요 를증가시키기위해 R&D 활동에상당한투자를기울일것으로보인
다. 또자신들의세계시장지배력과이윤을증대하기위해 M&A에
집중할것으로예측된다.
2016년 5월 KYOCERA는전압인버터, 범용인버터, 서보드라이 버(Servo Driver), 용접기계, UPS(Uninterruptible Power Supply, 무정전전원장치), 상업용공조기, 엘리베이터와같은산업에응용하기 위한고신뢰성의비용효과적인 2-in-1 및 6-in-1 다이오드모듈을출 시했다. 또동년 5월 Noliac은 Fuse Actuator Piezo Stacks를선보 였으며, 액추에이터생산라인을확장하였다. 이신제품은액추에이터 의특정부분이손상되어도고신뢰성을제공한다는특징이있다. CTS
는 2015년 3월자회사인 CTS Electronic Components를통해서최
소크기의석영결정인 Model 416을출시하고, 그주파수제어제품
의생산라인을확장했다. 이제품은휴대용기기, 블루투스, 웨어러블 전자기기, 마이크로프로세서, 소형최종사용자기기등의조밀한공간 에사용가능할뿐아니라, 장기적신뢰성과정확성을제공한다.
2012년 11월 APC International은 iPhone 및 iPad 사용자들 이쉽게자신들의압전세라믹부품을모니터할수있는모바일앱
APCPiezoCalc를출시했다. 2005년일본의닛산자동차는일본페
인트와공동으로개발한자기치유(Self Healing) 코팅제를자사의
자동차에적용하고있다. 이코팅제는흠집이생겼을경우하루내지
일주일사이에원래상태로회복된다. 미국은 1990년대초반부터항
공우주국(NASA)을통해우주선분야에스마트재료이용과국방성
의 DARPA를통해항공기부분에서의스마트재료이용에대해연구
개발을추진해오고있다.
국내에서의스마트재료에대한연구개발은대학(서울대, 인하대, 전북대, 부산대, 연세대, 경북대, 울산과학기술원, 성균관대, 중앙대, 한양대, 고려대, 포항공대, 충남대등)과연구소(한국과학기술원, 생
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국내스마트재료시장전망
응용분야별스마트재료세계시장전망
(단위: 억달러/억원)
(단위: 억달러) 주) 1. 국내시장추정근거: GDP비(2015, IMF) 미국/캐나다=11.6을이용하여북미시장중미국시장규모추정, GDP비미국/한국=13.1을이용하여미국시장규모로부터한국시장규모추정. 한국시
장성장률(CAGR)은아태지역성장률 15.9% 적용(Allied Market Research, 2016).
2. 환율: 1 달러=1,147원, 2017
자료: Allied Market Research, 2016, SMART MATERIAL MARKET, 2015-2022
지역 2015년 2016년 2017년 2018년 2019년 2020년 2021년 2022년 CAGR(%)
미국 78.4 84.9 92.5 102.3 114.7 131.1 153.2 183.9 13.8
한국 6,868 7,960 9,225 10,692 12,392 14,363 16,646 19,293 15.9
응용 분야 2015년 2016년 2017년 2018년 2019년 2020년 2021년 2022년 CAGR(%)
변환기 76.7 81.8 88.1 96.1 106.5 120.2 138.9 164.9 12.4
액추에이터·모터 128.0 138.1 149.7 163.7 180.8 202 228.9 263 11.3
센서 51.6 57.7 65.1 74.4 86.4 102.2 123.7 153.9 17.8
구조재료 26.9 29.7 33.1 37.4 42.8 50 59.7 73.4 16.2
코팅재 6.4 8.6 11.8 16.2 22.7 32.4 47.3 71.2 42.1
합계 289.7 316.0 347.8 387.8 439.2 506.9 598.5 726.3 14.9
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산기술연구원, 한국과학기술연구원, 한국기계연구원, 전자통신연구 원, 재료연구소등)를중심으로비교적활발히진행되고있는편이다. 주로센서, 액추에이터용스마트재료와에너지저장용탄소나노튜 브기반의복합재료의연구가많이수행되고있다.
스마트재료관련기업으로는, 형상기억합금부문에선㈜에스엠에 이(SMA)가 TiNi, TiNiNb, TiNiCu, TiNi계형상기억합금을개발하여 선재, 판재, 스프링, 링등형상의제품을제조하고있으며, (주)메타텍 은치과재료용의형상기억합금제조및가공기술을확보하고, 기능성 초전형세라믹소자및초전형적외선센서의국산화에성공하여생산 중에있고, 강앤박메디컬은형상기억합금을이용해의료용소재를개 발하고제조및판매하고있다. 그외에스엠테크놀로지(주)도의료용 형상기억합금을제조하고있다. 압전소재부문에서는㈜동일기연(세 라믹압전트랜스제조), ㈜래트론(전자저항기, 압전소자제조), 하이소 닉(압전소자장착바이브레이터및햅틱액추에이터개발)이있으며, 하이소닉은 2016년 9월압전소자가장착된바이브레이터에대한미 국특허권을취득했으며, 2017년 1월에는휴대단말기에서촉각출력 을생성하고전달하는햅틱액츄에이터(Haptic Actuator)에대한일 본특허를취득했다. 광섬유관련부문에서는대한광통신(주)(광섬유, 광케이블제조)과에이치엘비(주)(광섬유제조)가있다.
이처럼일부중소기업에서는자체기술개발로소재생산에성공, 상용화에나서고있으나, 소재개발등원천기술개발부문에선미국, 일본등선진국에뒤처져있어대부분소재합금을외국에서수입, 제 품화하는실정이므로연구개발노력이절실한상황이다.
향후 과제 및 시사점
향후스마트재료는센서와액추에이터의발전과함께 IT, 자동차, 가전제품, 우주항공, 방위산업, 생체의료소자, 첨단생산로봇, 산업기
계, 스포츠용품, 정밀계측기기, 건축및교량등의분야에서이용이 확대될것으로보이며, 거의모든인간생활에침투할것으로전망된
다. 최근떠오르고있는인공지능, 4D 프린팅, 스마트팩토리등의분
야에서도스마트재료에거는기대는크다. 그러나현재의스마트재 료는그기능구현이나제조에있어아직해결해야할점이많다. 새
로운 MEMS 및 NEMS 기술들이이러한문제의해결에많은도움을
줄수있을것으로기대된다.
부품·소재산업은최종완제품의성능과품질을결정하는국가경 제의중요한기초산업이다. 지난 10여년간국내부품·소재산업은 정부정책에힘입어빠른성장을이뤄왔지만소재산업은부품산업 에비해경쟁력이취약한것으로평가되고있다. 이는핵심소재의개 발에있어선진국의기술력에비해열세인수준에있기때문이며, 여 전히핵심소재는선진국으로부터의수입에의존하는바가큰실정이 다. 스마트재료산업은소량다품종의맞춤형재료의특성을지니고 있기때문에중소기업이참여할여지가많은분야라고할수있다.
그러나일부기업을제외하고는핵심기술의개발에어려움을겪
고있는실정이다. 그러므로향후본격적인 IoT 및유비쿼터스사회
에대응해국내스마트재료산업을발전시키기위해서는산학연의 기술개발협력이절대적으로중요하며, 상용화를위한정부의지원 정책또한필요한시점이라사료된다.
본격적인 IoT 및 유비쿼터스 사회에 대응해 국내 스마트 재료산업을 발전시키기 위해서는 산학연의
기술개발 협력이 중요하며, 상용화를 위한 정부의 지원 정책 또한 필요한 시점이다.
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