KISTI MARKET REPORT Vol.3 Issue 7

North America

South America

China

1,275 tcf

Africa

Europe

Natural gas

Gas

Shale

Horizontal/

Directional Well Drilling

Shale gas

Vol. 3 Issue 7 July 2013

IT 융합 시스템 가상 제품 개발 시스템, VPD / 신재생 에너지 셰일가스, 미래 에너지로 급부상 /

제조 기반 자동차 경량화 소재 및 금형 / 의료기기 혈액응고 진단기기 / 바이오제약·의료기기 PCR 기술 및 시장 동향

셰일가스,

미래 에너지로 급부상

가상 제품 개발 시스템, VPD

IT 융합 시스템

제품 형상을 디지털 데이터로 설계·검증하는 VPD

VPD(Virtual Product Development), 즉 가상 제품 개발이란, 분산처리 동시공학(Concurrent Engineering) 환경에서, 시제 품을 물리적으로 제작하지 않고도, 정확하고 안전한 제품 형 상을 컴퓨터 내에서 디지털 데이터로 설계 및 검증하고자 하 는 혁신적인 최적 제품 개발 전략이다. VPD는 제조 업무에 귀 속된 모든 사람들 사이에서 범세계적인 멀티미디어 네트워크 를 가능하게 한다. 텍스트, 그래픽 및 비디오의 전달을 통해, 실시간 디지털적으로 설계를 검토하기 위한 자연적인 연결

통로가 VPD이다. 세계는 디지털화되고 있으며, VPD 환경 은 제조 현장에서 그 능력을 발휘하도록 핵심 요소들을 간단 히 패키지하고 있다. VPD의 핵심은 강력한 형상 기반 솔리드 (Feature-Based solids) CAD/CAM/CAE 및 3D 프린팅 시스 템이다. VPD는 현재 세계적인 기업들이 앞다투어 구축하고 있는 새로운 개념의 시스템으로 해석자에게 다양한 해석을 동시에 통합적으로 산출해 주고, 가상 제품 개발은 제품 개발 기간의 단축과 실제 실험이 불가능하거나 가능하더라도 비용 이 많이 드는 실험을 대신해 준다는 장점이 있기 때문에 기업 에 다양한 이익을 줄 수 있을 것으로 전망된다. 좌측 그림에서

가상 제품 개발 시스템, VPD

제조 업체들의 신속한 시장 출시, 우수한 품질, 저렴한 비용 혁신을 지원

기술사업화분석실 책임연구원 김찬호 | Tel 02-3299-6170 e-mail chkim@kisti.re.kr

3D

▶

어느 것의 그림자가 가장 큰가?

제품 비용에 미치는 영향(%)

관리비 30%

인건비 15%

원자재 50%

제품 설계 5%

제품 비용의 전통적 비율(%) 70%

▶

개발 기간 (약 50~80%)

품질 관리 비용 (약 30%) 생산 비용

(약 35%)

20%

5% 5%

IT 융합 시스템

보는 바와 같이 제품 개발 기간의 단축, 생산 비용의 절감 그 리고 제품 품질의 향상에 결정적인 역할을 하게 된다.

『오늘날 제조 업체는 신속한 시장 출시, 우수한 품질, 저렴한 비용 등 혁신을 요하는

어려운 비즈니스 환경에 놓여 있다』

앞쪽 우측 그림에서 보는 바와 같이 오늘날 제조 업체는 일반적으로 설계 단계에서 비용의 70%가 좌우되고, 제품의 출시가 6개월 늦어지면 수익의 33%가 감소하게 된다. 치열 한 경쟁에서 시장을 선점하고 점점 다품종 소량화 추세를 보 이는 시장 환경에서 제품의 품질을 보장하려면 기존의 물리 적인 생산 방식에 의존하는 벽을 초월해야만 하며, 이를 위 해 제조 업체는 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 VPD로 눈을 돌려 야 한다. 아울러 VPD를 통하여 실질적인 개발 생산성을 향 상시키기 위해서는 프로세스의 정립, 데이터 구축 및 자동화 기능이 동시에 구현되고 수행되어야 한다. 이를 위해 마케팅, 연구 개발(R&D) 및 제조 부문 간의 효과적이고 효율적인 협 업이 가능한 조직, 프로세스 체계 및 CAX PLM 기반의 디지 털 응용 시스템 기반을 갖춰야 한다. 또한 가상 제품(Virtual Product)은 물리적 제품의 속성 및 특성치를 표현하는 디지 털 모델로서 실제 제조 전에 생성하여 외관 디자인, 사용성, 기능, 성능, 안전성, 조립성 등을 시뮬레이션 혹은 검증하는 데 사용한다.

국내 VPD 시장은 2020년 14,607억 원으로 성장할 것으로 예상

국내 CAD/CAM/CAE 시장은 2012년 3,051억 원에서 2020년

14,607억 원으로 성장할 것으로 예상되며 세계 시장의 경우도 2012년 130.5억 달러에서 2020년 약 254억 달러 규모로 매 년 꾸준하게 성장할 것으로 전망된다. 제품 설계의 생성, 수 정, 편집 등을 컴퓨터를 이용하여 효과적으로 수행하는 디 지털 디자인, CAD(Computer Aided Design) 분야의 세계 시 장 규모는 2012년 73억 달러에서 연평균 성장률 7.9%로 성장 하여 2020년 118억 달러에 이를 것으로 예상되며, 2020년도 VPD 전 세계 시장의 46% 수준에 달할 것으로 예상된다. 또 한 컴퓨터를 이용하여 제품을 가공하거나 제작하는 디지털 생산, CAM(Computer Aided Manufacturing) 세계 시장 규모 는 2012년 16.5억 달러에서 연평균 성장률 11.4%로 성장하여 2020년 39억 달러에 이를 것으로 예상되며, 2020년도 VPD 전 세계 시장의 15% 수준에 달할 것으로 예상된다. 그리고 디지털 디자인된 모델의 성능을 컴퓨터 상에서 미리 테스트 및 평가하는 기술로 최적의 디자인 도출, 비용 절감, 개발 기 간 단축 등이 가능한 CAE(Computer Aided Engineering)의 세계 시장 규모는 2012년 26억 달러에서 연평균 성장률 7.2%

로 성장하여 2020년 45억 달러에 이를 것으로 예상되며, 2020년도 VPD 전 세계 시장의 17% 수준에 달할 것으로 예 상된다.

『세계 VPD 시장은 2012년 130.5억 달러에서 2020년 약 254억 달러 규모로 매년 꾸준하게

성장할 것으로 전망된다』

VPD 시스템이 해석 시장 전체에 파급 효과를 낼 것으로 전망

MSC.Software의 고위 임원은 “VPD는 쉽게 말해서 제품

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자료: “Worldwide CAD Market Report 2012”, Jon Peddie Research December 2011, “The 2012 NC Market Analysis Report”, CIMdata July 2012, “2011 CAE市場の実態と展望”, Yano Research July 2011 기반으로 KISTI 추정.

년도 개요

시장 규모 연평균 성장률

2012 2013(E) 2014(E) 2015(E) 2020(E) (%)

세계 VPD 시장 130.5 144.4 158.5 173.7 254 10.9

세계 VPD

CAD 73 80 87 93.9 118 7.9

CAM 16.5 18.4 20.5 22.8 39 11.4

CAE 26 28 30 32 45 7.2

국내 CAD/CAM/CAE 시장 3,051 3,525 5,142 6,120 14,607 19.0

(단위: 억 달러, 억 원, %)

가상 제품 개발 시스템, VPD

수명주기관리(PLM: Product Lifecycle Management)의 한 부분이다. 현재 구축되는 PLM에서 VPD 시스템은 꼭 들어가 야 하는 솔루션으로 서서히 강조되고 있다. 실제 제품 개발에 서 가상 제품 개발을 함으로써 얻게 되는 고객사의 제품 개 발 기간 단축은 기업의 생존을 위한 전략이기 때문이다.”라고 설명했다.

VPD는 세계적으로 서서히 각광을 받고 있는 솔루션이다.

앞으로 VPD 시장은 빠른 출시 기한을 맞추어야 하는 제조

사로 하여금 투자 우선 대상으로 여 겨질 것이기 때문에 그 성장이 많이 기대되는 분야이다. 특히 거의 모든 물리적인 해석을 가상에서 시뮬레이 션할 수 있는 시스템인 VPD 시스템 의 영향력은 향후 해석 시장 전체에 서 거대한 파장을 몰고 올 것으로 보 인다.

자동차산업계를 중심으로 이미 대 부분의 회사가 VPD 개념을 일찍이 도입하고 있으며 현재 VPD의 개념 을 이끌고 있는 MSC.Software에 따 르면 IBM/Dassult system의 CATIA V5를 베이스로 하는 제품군의 통합 이 이러한 움직임을 선도하고 있는 것으로 보인다. 국내의 현대자동차가 CATIA V4에서 CATIA V5로의 전환을 발표한 이후 많은 기술적 통합이 예상 되고 있으며 일본의 토요다자동차는 CATIA V5로의 전환을 통해 파급 효 과가 대단할 것으로 보인다고 전망하 고 있다.

맥 도널 더 글 라 스 ( M c D o n n e l l Douglas)사는 F/A-18 E/F 전투기 의 기획에서부터 생산까지 전 제조 과정을 CAD/CAM/CAE 시스템인 Unigraphics와 PDM 시스템인 IMAN 을 통하여 생산 비용을 25% 절감할 수 있었다.

3D 프린팅과 함께 제조업 경쟁력 재편 가능

현재 거의 모든 제조 업체들은 새롭게 급변하는 세계와 그 에 따른 기술적 난제에 직면하고 있다. 계속해서 세분화되는 시장에 진출하기 위해서는 대량 생산과 소비자의 다양한 욕 구에 즉시 주문 생산이라는 역설적 현상에 처해 있다. 이와 같이 급변하는 환경 변화에 신속하게 대응할 수 있는 제품 개발 및 생산 기술이 절실히 요구되는 상황에서 가상 제품 개발(Virtual Product Development)이라는 혁신적인 제품 개 발 전략은 3D 프린터와 함께 차세대 제조업 혁신을 이끌 것

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상품 발의

정치 상품성 성능 해석 설계 구조 정합성 조립·작업성 성형성 간극·간섭 정비성

시작 설계

디지털 차량 제작

-양산금형 시작차 디자인 개발

차량 개발 시험 모델 고정

선행차 개발 확인 기본 성능 해석

디지털 검증

양산

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CAE 활용 분야 전기 자기장

환경 전자

건축

자동차

기계 항공기

의학계

IT 융합 시스템

으로 기대하고 있다.

최근 CAD(컴퓨터 이용 설계) 프로그램으로 설계한 컴퓨터 파일에서 입체로 된 기계, 부품 등을 인쇄하듯 실물 모형을 만드는 3D 프린터의 발전과 확산이 제조업의 화두로 등장하 고 있는데, 위 표에서와 같이 실제로 삼성경제연구소 및 세계 미래 학회를 포함한 주요 기관/미디어들이 이머징 기술 혹은 미래 핵심 기술에 3D 프린터를 포함하고 있다.

『디지털 3D 프린팅 세계 시장은 2011년 17억 달러에서 2019년 65억 달러 규모로 매년 꾸준하게

성장할 것으로 전망된다』

그리고 미국은 3D 프린팅을 저임금 국가로 이동한 제조업 의 패권을 다시 미국으로 가져올 핵심 기술로 간주하고 관련 법령 정비와 산업 클러스터의 형성, 산학 연계 연구를 지원하고 있다. 또한 오바마 정부는 지난 3월 3D 프린팅을 포함한 ‘제 조업 혁신국가 네트워크’ 법안과 연방정부, 대학, 지방정부가 모여 만든 ‘제조업 혁신을 위한 컨소시엄’을 통해 혁신의 한계 에 도달한 전자, 자동차 등 기존 산업에 새로운 부가가치 창 출의 기회가 되고, ICT 산업에는 제조업과 협업하여 글로벌 경쟁력과 수익성을 높일 수 있도록 지원함으로써 기존의 저 임금 일자리와 달리 고급 인력의 수요가 증가하여 양질의 일 자리를 창출함으로써 사회 문제 해결에도 기여할 것으로 전 망된다. 2013

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기관/미디어 발표 내용

삼성경제연구소 저성장 위기 극복 위한 ‘파괴적 혁신 기술’을 발표하면서, 3D 프린팅을 2번째로 포함(2013. 05. 01) 세계 미래 학회 “2013~2025 미래 예측 20” → 3D 프린터가 생산 혁명 유발할 것

세계경제포럼(WEF) 미래 10대 기술을 발표하면서 3D 프린터를 두 번째로 포함(2013. 2. 14.) Foreign Policy紙 2013년에 주목받을 10대 뉴스

Economist紙 3D 프린터가 내연기관과 컴퓨터에 이어 3차 산업혁명을 이끌 것

CNET 이머징 기술 분야 ‘Best of CES’의 하나로 3D Systems의 CubeX 3D 프린터 선정

<세계 시장> <일본 시장>

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자료: Wohlers Report, 2012. 자료: 야노경제연구소, 2013. 1.

2011 2015 2019

2,000 1,600 1,200 800 400 0 80

60 40 20 0

90

60 30

2010 2011 2012(추정) 2013E 2014E 2015E 0 (단위: 억 달러)

(대) (단위: 억 엔)

17

37

65

35.1

509 638

1,800 41.3

77.0

CAGR 18%

대수 금액(억 엔)

셰일가스

세계가 주목하는 미래 에너지 셰일가스

세계는 지금 천연가스, 석유, 석탄과 같은 전통 에너지 자 원의 고갈과 이들 화석연료로 인한 환경 오염 문제 때문에 이 를 대체하기 위해 태양광, 풍력, 바이오 가스 등과 같은 친환 경 신재생 에너지 개발에 투자를 집중하여 왔으나 아직 경제 성을 실현하는 수준까지는 발전하지 못

한 실정이다. 그런데 2011년 세계에너지 기구(IEA)가 ‘셰일가스의 개발로 가스 황 금시대가 열릴 것’으로 전망하였고, 오바 마 미 대통령은 2012년 연두교서에서 ‘미 국은 앞으로 100년간 쓸 수 있는 새로운 형태의 가스가 있다’며 셰일가스 중심의 에너지 독립을 선언하였으며, 우리나라 는 박근혜 대통령의 미국 방문을 계기로 한·미 에너지 협력 공동 성명을 발표하 면서 셰일가스 분야에서 미국과의 협력 을 확대 강화하기로 하였다.

『세계에너지기구(IEA)가 2011년 ‘셰일가스의 개발로 가스 황금시대가 열릴 것’으로

전망한 바와 같이 셰일가스가 전 세계적으로 ‘제2의 석유’로 불릴 정도로 급부상하고 있다』

이처럼 전 세계적으로 ‘제2의 석유’로 불릴 정도로 급부 상하고 있는 셰일가스는 모래와 진흙이 쌓여 굳으면서 지하 의 퇴적암층에 함유된 천연가스로서 치밀가스(Tight Gas), 탄 층가스(Coalbed Gas) 등과 함께 주요 비전통가스 중의 하나 로 분류된다. 유전/가스전에 농축되어 있는 전통가스와 암석

셰일가스

미래 에너지로 급부상

산업시장분석실 책임연구원 유영복 | Tel 02-3299-6050 e-mail yybok@kisti.re.kr

신재생 에너지

3D

▶

Land surface

Coalbed methane

Sandstone

Gas-rich shale

Seal Oil

Conventional associated

gas Conventional

non-associated gas

Tight sand gas

자료: US EIA(2012), Frost & Sullivan analysis.

신재생 에너지

층에 넓게 산포되어 있는 비전통가스는 개발 방식이 다를 뿐, 화학적 조성은 동일하다. 또한 셰일가스를 비롯한 비전통가스 는 보다 넓은 지역에 연속적으로 분포되어 있기 때문에 전통 가스보다는 상대적으로 많은 양이 매장되어 있다. 특히 전통 가스원이 중동 및 러시아 등지에 집중되어 있는 것과는 달리 셰일가스는 중국, 미국, 남미, 아프리카 등을 비롯하여 세계 여러 지역에 고르게 분포되어 있다는 것이 에너지 안보 차원 에서 매력적이라 할 수 있다.

지식경제부에 따르면 현재 개발 가능한 셰일가스 매장 량은 천연가스 전 매장량의 40%인 6,622tcf 정도이며, 이는 전 세계가 125년간 소비할 수 있는 규모라고 한다. 2011년 미 국에너지정보청(EIA)은 셰일가스 매장량을 지역별로 북미 1,931tcf, 중국 1,275tcf, 남미 1,225tcf, 아프리카 1,042tcf, 유럽 696tcf 정도라고 발표하였다. 하지만 국가별로는 중국이 1위 이고 미국이 2위, 아르헨티나가 3위, 멕시코가 4위, 남아프리 카공화국이 5위 순이다(여기서 tcf는 trillion cubic feet, 1조 입 방피트임).

신기술 개발로 천연가스 생산량 증가와 가스가격 안정화 실현

2000년대 들어 미국 전역으로 확대된 셰일가스 개발은 수평정시추법(Horizontal/Directional Well Drilling)과 수압파쇄 법(Hydraulic Fracturing Treatment)을 동시에 적용하는 새로 운 시추기술혁신 덕분에 가능했다. 수평정시추법은 지표에서 수직으로 시추해 들어가 특정 깊이부터 진입 각도를 꺾어 가

스 저장 층에 진입한 후 저장 층과 수평을 유지하며 파이프 를 연장해 시추하는 방식이다. 수압파쇄기법은 시추 파이프 주위의 열린 구멍을 통해 높은 수압으로 물, 모래, 일부 화학 물질을 혼합한 유체를 주위 암석에 1시간 정도 투입하여 균 열을 만들어내는 방식이다. 이러한 층별로 발생된 균열에 침 투한 모래와 화학물질이 가스 저장 층의 균열 상태를 더욱 크게 하면서 저장된 셰일가스가 밖으로 분출된다.

『수평정시추법과 수압파쇄법을 동시에 적용하는 새로운 시추기술혁신으로 셰일가스의 경제성과 생산 증대가 가능했고, 이로 인해 천연가스의 가격은

2012년 셰일가스 개발 붐이 일기 전인 2008년 (7.97달러)의 3분의 1수준인 1,000입방피트당

2.66달러까지 하락하였다』

이 2가지 기술이 결합되면서 셰일가스 생산량도 폭발적으 로 증가하였다. 기술 발전으로 인해 파이프의 길이를 대폭 연 장할 수 있게 됨에 따라 시추 계획에 최적화시켜 1km부터 3km까지 매우 다양하게 적용하고 있다. 시추 파이프가 연장 되면서 파쇄 구간도 많아져 하나의 시추 파이프 당 4~15개 지점에서 가스를 포집할 수 있게 되었다. 이에 따라 과거 12%

에 지나지 않았던 회수율(궁극 가채 매장량/원시 매장량)이 10여 년간 50%까지 상승할 수 있었다. 이 혁신 기술로 인해 셰일가스의 생산비 절감과 생산 증대가 가능했고, 이는 천연 가스의 가격 하락에 직접적인 영향력을 미쳤다. 예로서 미국 에너지정보청(EIA)에서 집계한 미국 천연가스의 2012년 평균 가격(생산지 기준)은 1,000입방피트당 2.66달러까지 하락하였

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HOW HYDRAULIC FRACTURING WORKS

자료: 경제다반사.

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자료: US EIA(2012), Frost & Sullivan analysis.

10 8 6 4 2

0 _{2005년 2006년 2007년 2008년 2009년 2010년 2011년 2012년} (단위: 달러/1,000입방피트)

7.33 6.39

6.25 7.97

3.67 4.48

3.95 2.66 Well

Not to scale

GAS GAS

SHALE

SHALE DRILL

FISSURE

FISSURES WATER TABLE

Gasflows out

Fracturing fluid made up of water, sand and chemicals pumped into well at high pressure

High pressure fracturing fluid

셰일가스

다. 이 가격은 셰일가스 개발 붐이 일기 전인 2008년(7.97달러) 의 3분의 1수준이다. 이를 단순 열량으로만 계산하면 원유 1배 럴이 14달러 가격 선에서 거래되는 것과 같다고 할 수 있다.

셰일가스로 천연가스 1위 생산국으로 등극한 미국

미국은 전 세계 셰일가스 생산량의 91%를 생산하면서 셰 일가스 열풍을 주도하고 있다. 미국은 2000년대 중반 이후 셰일가스 생산이 본격적으로 늘어남에 따라 2009년부터는 러시아를 제치고 세계 최대 천연가스 생산국이 되었다. 이렇 게 미국이 셰일가스 개발 및 생산을 주도할 수 있었던 배경에 는 기술 혁신을 위한 정부의 지원, 잘 갖추어진 인프라, 자원 개발에 용이한 제도적 요인 등이 있다. 미에너지정보청(EIA)에 따르면 1998년 미국 천연가스 생산량 중에서 셰일가스가 차 지하는 비중이 1.9%에 불과하던 것이 2011년에는 6.4tcf(약 1억 4,452만 톤)로 미국 천연가스 총생산량의 28%를 차지하였으 며, 2035년에는 49%까지 크게 증가할 것으로 전망되었다.

특히 새로운 시추기술 개발에 따른 생산성 증가는 생산 단 가의 하락을 수반하였다. 결국에는 셰일가스 개발 단가가 일 반 천연가스의 개발 단가보다 15달러나 더 낮게 형성되었고, 석유를 기반으로 제조할 때보다 원가가 무려 30% 수준까지 낮춰졌다. 이는 에너지 사용이 많은 화학, 철강 산업이 살아 나게 된 원인이 되었고, 특히 화학 산업에서 에틸렌의 제조원 가 측면에서 엄청난 경쟁력을 확보하게 되었다. 또한 2035년 까지 신규 발전 설비의 60%를 천연가스로 충당한다는 에너 지 수급 계획을 내놓는 발판이 되기도 하였다. 향후 글로벌 메이저 에너지 기업의 본격적인 진출과 함께 기술 혁신이 더 욱 탄력을 받게 되면 셰일가스 생산 비용의 추가 하락과 생 산 증가는 이어질 것으로 판단된다.

『미국은 전 세계 셰일가스 생산량의 91%를 생산하면서 2009년부터 러시아를 제치고

세계 최대 천연가스 생산국이 되었고, 세계 최대의 셰일가스 부존국 중국의

채굴 기술은 걸음마 수준이다』

미국은 자국산 에너지 보호 의식이 강하여 해외 수출을 제한해 왔다. 그러나 미국 내에서 셰일가스의 개발 확대에 따 른 천연가스의 공급 과잉을 동북아시아 국가에 대한 수출로 해결하였다. 즉, 2011년 이후 세계 최대 천연가스 수입국인 일 본에 천연가스 수출이 허용되었다.

셰일가스의 새로운 강자를 꿈꾸는 중국

중국은 세계 최대의 셰일가스 부존국가이지만 기술적으로 는 아직 걸음마 수준이다. 그래서 중국정부는 셰일가스의 신 기술을 습득하기 위해서 북미 셰일가스 개발에 많은 투자를 하고, 셰일가스 선진국인 미국과 기술 협력을 강화하는 등 적 극적으로 나서고 있지만 미국 기업이 핵심 기술 유출을 차단 하고 있어 기술 습득에 어려움을 겪고 있다.

그러나 중국은 12차 5개년 계획에 셰일가스의 개발 목표 를 설정하였고, 향후 13차 계획 기간(2016년~2020년)에 본 격적인 생산이 이루어질 수 있도록 하기 위해서 2015년까지 셰일가스 매장량 평가와 중국 셰일 구조에 특화된 기술 개 발을 추진하고 있다. 국가 차원에서는 2015년까지 연 생산 량 400만 톤 규모의 가스 기반 화학플랜트를 건설한다는 목 표를 설정하고 있고, 또한 민간 차원에서는 CNPC, Sinopec 등의 국영에너지기업들을 중심으로 낙후된 채굴 기술을 확 보하기 위해 Shell, ExxonMobil 등의 구미 선진 기업들과 자 국 내에서 셰일가스 공동 탐사 및 개발을 적극 추진하고, 자 국 내에서 실제 셰일가스를 생산하기로 하였다. IEA는 현재 중국 전체의 에너지 자원 중에서 3.3%이던 천연가스의 소비 비중이 2030년에는 5.2%, 2035년에는 62%까지 증가될 것 으로 예측하였다.

셰일가스 개발을 관망하는 유럽

대부분의 유럽 국가는 환경오염 논란 때문에 셰일가스 개 발에 소극적이다. 환경 문제가 해결된다고 하더라도 셰일가스 개발 관련 인프라가 없기 때문에 단기간 내에 셰일가스를 생 산하지는 못할 것이다.

하지만 유럽은 가스 소비의 30% 이상을 러시아에 의존하 고 있는데, 러시아가 우크라이나와 가스 요금 분쟁으로 빈번 하게 가스 공급을 중단시킴에 따라 우크라이나의 가스 경유 관을 이용하는 유럽은 전체적인 수급 불확실성을 안고 있다.

이에 따라 최근에 글로벌 업체가 중심이 되어 독일, 프랑스, 영국, 헝가리, 스웨덴, 폴란드 등에서 셰일가스 개발에 착수하 였다. 특히 폴란드에는 가장 많은 글로벌 에너지 기업들이 진 출해 있고, 정부의 셰일가스 개발 의지가 확고하기 때문에 가 장 빨리 셰일가스를 대량으로 생산할 것으로 예상된다.

한편, 유럽은 2008년 기준 천연가스 소비량의 6% 수준에 해당하는 300억m³ 정도를 2015년에 셰일가스로 생산하고, 2020년에는 2015년 생산량의 4배 이상을 생산할 것으로 JP

신재생 에너지

Morgan은 전망하였다¹⁾.

셰일가스 등장은 우리나라 에너지산업과 석유화학산업의 전환점이 될 것

셰일가스의 등장은 에너지 빈국인 우리나라의 에너지 수급 에 상당한 영향력을 미칠 것으로 전망된다. 에너지산업뿐만 아니라 석유화학산업 역시 저렴한 가스 원료를 확보할 수 있 어 새로운 전환점을 맞이하게 될 것이다. 지식경제부는 2020 년까지 국내 LNG 도입량의 20%를 셰일가스로 확보한다는 목표를 제시하였다. 또한 미주지역에서 국내 5개 업체가 8개 광구에서 셰일가스를 개발 생산 중에 있으며, 이와 별도로 미 국 Sabine Pass 프로젝트에서 2017년부터 20년간 매년 280 만 톤의 LNG 구매 계약을 체결하였다.

지난 박근혜 대통령의 미국 방문 시에도 셰일가스를 포함 하여 에너지 분야에 대한 협력 사업을 더욱 공고히 확대한다 는 공동 성명을 발표한 바가 있어, 실제로 국내 기업들이 시 추 관련 고도의 기술을 확보하고 미국 셰일 시장에 진출하는 데 교두보를 마련하였다.

또한 셰일가스의 세계 최대 부존국인 중국과 지리적으로 인접해 있다는 사실이 우리에게는 큰 기회이기도 하고 대단 한 위협이 될 수 있다. 중국과의 셰일가스 공동 개발 플랫폼 조성 사업이 진행되면 우리나라는 저렴한 에너지 공급원을 안정적으로 확보하게 되고, 경쟁 우위에 있는 중공업, 플랜트, 건설 분야는 셰일가스 개발로 유발되는 새로운 사업 기회를 얻을 수 있다. 하지만 저렴한 셰일가스를 원료로 사용할 수 있 는 중국은 제조업 경쟁력이 높아지게 되고, 우리나라의 석유 화학은 물론 에너지 과소비 산업인 철강, 조선, 자동차 산업에 부정적인 영향이 나타날 수 있다.

1) 윤여중, “셰일가스 혁명이 천연가스 가격 안정화 이룬다”, LG Business Insight, 2010.

셰일가스의 향후 전망 및 시사점

셰일가스 개발로 천연가스 시장은 앞으로 성장세를 이어 갈 것이 분명하다. 천연가스를 이용하게 되면 저렴한 비용으 로 에너지 자원을 사용할 수 있기 때문에 이를 통해서 산업의 발전을 증진시킬 수 있게 된다. 특히 풍부한 매장량을 바탕으 로 적극 개발에 나서고 있는 미국이 자국이 보유하고 있는 셰 일가스를 개발하고 이를 적극 판매함으로써 국제사회에서의 영향력을 확대하고 이익을 추구하며, 더욱더 천연가스 시장을 선점하려고 할 것이다. 이에 따라 셰일가스의 공급은 증가하 게 되고 천연가스의 가격은 하향 안정화될 것으로 예상된다.

『셰일가스 시장은 당분간은 미국이 주도하겠지만 주요 에너지 수요 국가 내에서 자체적인 개발 공급이 가능하기 때문에 향후에는 국가 간의

치열한 경쟁이 불가피해 보인다』

향후 셰일가스는 주요 에너지 수요 국가 내에서 자체적인 개발 공급이 가능하기 때문에 국가 간의 치열한 경쟁이 불가 피해 보이고 시장에 영향력을 행사하기 위한 협의체의 구성 도 예상할 수 있다. 이에 따라 러시아 등과 같이 기존 천연가 스 시장에서 우수한 역량을 과시하고 있던 국가들이나 석유 자원을 정치적 수단으로 이용했던 중동지역의 이슬람 국가 들은 위협을 느낄 수밖에 없다. 당분간은 개발 관련 인력, 생 산 설비 등에 우위가 있는 미국이 셰일가스 개발을 주도하겠 지만 향후에는 유럽과 중국이 빠른 속도로 추격해 갈 것으로 전망된다. 2013

자동차 경량화 소재(플라스틱) 및 금형

제조 기반

자동차 경량화 소재 및 금형

자동차 경량화 플라스틱, 해결과제와 경쟁력 확보 방안

산업시장분석실 책임연구원 이호신 | Tel 02-3299-6018 e-mail leehs@kisti.re.kr

기존 철강소재 차체의 한계 극복을 위한 플라스틱 복합 소재 개발 필요

범세계적으로 강력해진 환경 규제로 인하여 철강 업계의 신강재 개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히, 자동차 업계는 수요 측면의 사회(환경 규제), 경제(연비 향상), 안전, 주행성 향상 등과 공급 측면의 판매 경쟁 심화로 고부가가치 강재 개발이 가속화됨에 따라 자동차의 고장력, 내식성, 고강도, 방청성, 성형성의 신강재에 의한 자동차 경량화가 필수 불가 결하게 되었다. 자동차의 차체는 자동차의 기본 골격을 이루 는 부분으로 승객 탑승 및 화물적재를 위한 공간을 제공하고 내부 부품을 보호하는 부분이며, 크게 패널, 프레임, 도어, 범 퍼로 구분된다. 차량의 중량을 줄이는데 가장 효과적인 방법 은 차체의 중량을 줄이는 것인데 기존 철강 소재 차체는 두 께를 줄임으로써 가능하다. 그러나 이것은 자동차의 안전성 에 치명적일 수 있기 때문에 철강의 강성을 높여 안전성의 문 제를 해결하려는 노력이 자동차 차체를 생산하는 철강 업계 에서 진행되었으나, 시장에서 요구하는 획기적인 중량 감소 에는 한계가 있다.

따라서, 향후 자동차 경량화를 위해서는 차체를 비금속 소재인 플라스틱으로 제조할 수 있는 기술을 조기에 확보 해야 하며, 기존 자동차 차체용 금속에 동등한 기계적 강도 를 갖는 플라스틱 복합 소재 기술도 동시에 개발되어야 한 다. 자동차 경량화 재료로서는 고강도 강, 알루미늄합금, 티 타늄합금, 마그네슘합금, 플라스틱, 수지 복합 재료, 래미네이

트(laminate)판 등이 있다. 재료 선택에 있어서는 경량화 효과 뿐만 아니라, 1)강도 특성(강성, 피로강도, 충격강도), 진동제 어특성, 내식성 등의 기능 특성, 2)성형성, 용접 및 접합성, 도 장성 등의 생산성, 3)재료비와 가공비, 4)재료의 안정공급체 제, 5)폐기처리, 재순환성 등의 종합적인 검토가 필요하다.

『자동차 경량화를 위해서는 차체를 비금속 소재인 플라스틱으로 제조할 수 있는 기술을 확보해야 하며, 기존 자동차 차체용 금속에

동등한 기계적 강도를 갖는 플라스틱 복합 소재 기술도 개발되어야 한다』

현재 플라스틱이 자동차 1대에 차지하는 구성 비율은 약 8% 정도이다. 플라스틱은 다양한 종류가 각각의 특성에 따 라 여러 가지 용도로 사용되고 있으며 공통된 특성으로서 가볍고 부식되지 않으며, 가공하기 쉬운 장점이 있다. 이 때 문에 자동차에도 기존부터 사용되어 왔던 내장 부품에 이 어 1980년대부터 엔진 부품이나 외장 부품에도 확대 적용되 어 구성 비율이 높게 신장되고 있다. 특히, 탄소섬유는 자동 차의 경량화를 통해 연비를 개선할 수 있는 금속 대체 소재 로서 많은 관심이 집중되고 있다. 탄소섬유를 이용한 플라스 틱 복합 재료(Carbon Fiber Reinforced Plastic: CFRP)는 금 속 재료보다 강도가 약 30% 이상 우수하고 20~50% 정도 의 경량화가 가능하여 자동차, 항공기 및 우주비행체의 구

3D

제조 기반

조물에 널리 이용되고 있다. 완성차 업체의 연비 향상을 위 한 경량화에 따라 대체 소재의 개발이 가속화되면서 플라 스틱 복합 재료, 알루미늄, 마그네슘 등 경량화 소재를 기반 으로 하는 부품 제조 업체가 기존의 강판 공급 업체를 일부 대체할 전망이다.

자동차 경량화 플라스틱 소재 및 금형의 상용화 확대를 위해서는 다수의 해결 과제 존재

경량화 플라스틱 소재 및 금형의 상용화 확대를 위해서 는 해결해야 할 과제가 다수 존재한다. 1)첫째로 높은 제조 단가로 인한 가격경쟁력 저하 극복이 필요하다. 플라스틱 복합재는 재료비가 연강판에 비해 3~5배 비싸고 생산성이

낮아 현재 자동차용 양산 제품으로는 가격경쟁력이 떨어지 는 실정이다. 따라서 플라스틱 복합 소재의 제조원가를 낮추 고 개발 단계에서 예측해석 기술을 적용하여 시행착오를 줄 이며, 플라스틱 금형의 공정 최적화를 통해 가격 경쟁력을 높 이는 것이 매우 중요하다. 2)둘째로는 완성차 업체의 생산 능 력(Capacity) 확대 및 납품 단가 인하 압박에 대한 문제가 존 재한다. 완성차 업계는 자동차 생산 확대에 따른 부품 업체 의 생산 능력 확대를 요구하나 적정 품질 및 자금 관리 등 리스크 최소화를 위해 부품 업체는 선뜻 생산 능력을 확대 할 수 없다. 또한, 자동차 시장의 성장으로 인해 부품 업계의 이익이 늘어나면 자연스럽게 완성차 업체의 납품 단가 인하 압박이 증가할 것으로 예상된다. 특히, 전장 제품과 같은 고 부가가치 부품은 인하 압박이 상대적으로 심각해지며, 특정 부품 업체가 추가 투자 없이 증산하게 되면 완성차 업체는

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신규 참여자 자동차용 대형 플라스틱 부품

성형 업체

공급자 시장 내 업체 간 경쟁 수요자

해외 협력 업체:

- Hexcel, Cytec - Toray, Toho-Teijin - Mitsubishi - Zoltec, SGL - Fortafil

국내 협력 업체:

- 삼성토탈, 한화 L&C - 호남석유화학 - 제일모직, 송원산업 - 효성, 삼성정밀화학 - 코오롱, 현대 EP

해외 주요 업체:

- 마그나인터네셔날 - 포레시아 - 데코마인터네셔날

국내 주요 업체:

- 한국몰드 - 한일이화 - 대의테크 - 평화산업 - 신성델타테크 - 에코플라스틱 - 신한금형 - 덕양산업

해외 주요 업체:

- GM, FORD, BMW - TOYOTA, NISSAN - HONDA - VOLVO - DELPHI - LEAR - NOK

국내 주요 업체:

- 현대/기아/쌍용자동차 - 현대모비스 - 삼성자동차

대체재 초경량 첨단 복합 소재를 적용한

고생산성 RTM 금형

자동차 경량화 소재(플라스틱) 및 금형

오히려 납품 단가를 인하하려는 경향이 있다. 3)세 번째로는 기술적인 과제로, 플라스틱의 낮은 기계적 특성치로 인한 안 전성 저하의 극복이다. 플라스틱은 단지 휀더나 도어 패널 등 보디 외판 패널에 대한 적용은 이전부터 몇 번 시도된 바 있 으나 일반적으로 강도에 있어 적정 강도를 요구하는 보디 쉘 에는 아직 상용화되고 있지 않다. 일본에서는 1983년 혼다 CR-X의 외판패널 일부, 1988년 닛산B2-1의 외판패널, 1992 년 마즈다AZ-1의 전면외판 패널 채용 사례가 있으나 그 외 는 한정적이며, 아직까지 완성차 제조 업체는 기존의 고장 력 강을 선호하고 있는 실정이다. 최근 플라스틱의 강도를 향 상시키는 방법으로는 강도가 높은 소재와 조합시킨 복합 재 료를 제조하는 것으로써 대표적인 것이 유리섬유로 강화한 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics), 탄소섬유로 강화시킨 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)이다. 4)네 번째로는 디자인 성형 및 리사이클의 해결이다. 대표적인 경량화 소재 인 CFRP는 강도가 스틸의 4배로 비중은 철의 1/4이기 때문 에 F-1 등의 레이싱카 모노콕이나 브레이크에 채용되고 있으 나 성형의 어려움이나 높은 코스트 때문에 아직까지 일반 차 에 적용하는 데는 한계가 있다. 플라스틱은 사용되고 있는 종 류가 다양하여 리사이클이 어렵다. 따라서 리사이클 식별용 으로 재질을 나타낸 마킹을 사용한다거나 리사이클하기 쉬운 재질로 변경한다거나 하는 대책이 요구되기도 하지만 향후에 는 사용되는 플라스틱의 종류가 통합될 것으로 전망되기도 한다.

자동차 경량화 플라스틱 산업의 성장은 금형 기술이 열쇠이며, 1조 4천억 원 규모의 시장 형성

자동차 차체 경량화 플라스틱 금형의 세계 시장에서는 해 외의 주요 상용차 제조 업체들이 소재 개발 업체와 공동으로

개발 단계의 공급체인(Supplier Chain)을 형성하고 있으며, 국내 업체의 경우도 유사한 구조를 가진다. 현재 국내에서는 자동차 차체 경량화 플라스틱 금형을 생산 및 납품하고 있는 업체가 전무한 실정이며, 해외 선진 업체들과의 경쟁 관계가 아니라 금형 산업의 특징처럼 최종 수요자와 부품 소재 메이 커와의 긴밀한 협업을 통해 시장을 개척해야 하는 것이 현실 이다. 해외 자동차 차체 경량화 플라스틱 금형을 이용한 제 품 생산 업체는 현재 상용차 업체와 수지메이커에 의해 주도 적으로 진행되고 있으며, 일본의 TORAY, TOYOTA, 후지중공 업, 프랑스의 랑세스, 이탈리아의 람보르기니, 중국의 테이진, 미국의 FORD사 및 한국의 현대자동차 등이 있다. 이들 대부 분은 다국적 기업으로 대형 설비의 제작, 운반, 설치 등의 문 제를 해결하기 위해 필요한 지역마다 생산 업체를 두고 있다.

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구 분 2008 2009 2010 2011 2012 CAGR(%)

차체 플라스틱 금형 시장

세계 13,240 12,720 13,940 14,358 14,789 2.8%

국내 766 702 854 939 1,033 7.7%

비율 5.8% 5.5% 6.1% 6.5% 7.0%

(단위: 억 원)

자료: 한국자동차산업연구소(KARI)자료를 참조하여 KISTI 작성.

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(단위: 억 원) 20,000

15,000 10,000 5,000

0 2013

15,233 1,138

2014 15,690

1,251

2015 16,160

1,375

2016 16,644

1,512

2017 17,144

1,663 세계 시장

국내 시장

자료: 한국자동차산업연구소(KARI), 자동차산업협회 「자동차통계월보」, 무역협회 통계 자료를 참조하여 KISTI 추정.

주: 금형 시장 산출 근거: 10종 부품 적용 기준 - 자동차 총생산대수 / 금형 1개당 10만 회 사용 x 평균 금형 가격 2억.

*10종(Fender, Trunk lid, Hood, Floor, Roof, Side Panel, Engine Cover, Door Impact Beam, Door, Bump RF Panel).

제조 기반

국내에서는 미국 GE사와 공동으로 엔지니어링 플라스틱을 사용해서 차체를 약 60kg 경량화에 성공하였으며, 비록 현 재는 기존 금속 차체 부품을 대체하기 위한 선행 연구 단계 이지만, 국내 금형 산업의 구조 및 환경을 고려할 때 해당 시 장은 급속도로 성장할 것으로 예상된다.

자동차 차체 경량화 플라스틱 금형 생산의 신규 참여자로 는, 기존 대형 내외장 플라스틱 차체 부품을 생산하고 있는 성우하이텍, 일지테크, 한일이화, 에코플라스틱, 대의테크, 평 화산업, 신성델타테크, 한국몰드, 덕양산업 등이 기술력과 자 본력을 바탕으로 독자 개발 및 선진 메이커들과의 기술 제 휴를 통하여 진출할 가능성이 있다. 공급자는 최종 플라스 틱 성형 차체 부품의 원소재인 엔지니어링 플라스틱, 즉 복합 PP(폴리프로필렌), 익시스(IXIS) 등과 고경도 금형강 및 핵심 금형 요소 부품을 제공하는 업체가 주를 이룬다. 엔지니어링 플라스틱 소재는 현재 대기업(삼성토탈, 한화L&C(구 한화종 합화학), 호남석유화학, 제일모직, 효성, 코오롱, 현대EP, 삼성 정밀화학, 송원산업 등)과 같은 화학 소재 전문 업체에 의해 공급하고 있다. 이들 금형 시장의 성장을 위해서는 고기능 소재 - 컴파운드 - 금형/성형/가공 - 부품 - 신뢰성 평가의 In-Line화된 기술 개발 프로세스가 진행되어야 하며, 특히 자동차 외장 패널의 경우 열에 의한 변형 및 고급 표면 적용 의 한계를 극복하기 위해서는 요소별 선순환 개발 구조가 필 요하다. 특히 원천 소재뿐만 아니라, 장수명, 초정밀, 고생산 성 금형 개발을 위한 투자를 통해 제조 단가의 경쟁력을 확 보하는 것이 중요하다.

자동차 차체 경량화 플라스틱 금형의 세계 시장 규모는 기 술 적용 가능한 차체 부품 10종을 기준으로 2012년 2.8%의 연평균 성장률로 연간 약 1조 5,000억 원에 달하며, 이중 국 내 시장 규모는 1,000억으로 세계 시장의 약 7%에 이르며 세 계 시장보다 높은 7.7%의 연평균 성장률을 나타내고 있다. 최 근 세계 경제의 침체로 자동차 시장 성장이 정체되어, 시장 성장에는 한계가 있으나, 기존 금속 차체 시장의 경량화 추세 로 인해 경량화 플라스틱 금형 수요는 점차 증가할 것으로 전 망된다. 특히 향후 앞서 언급한 가격 경쟁력 확보, 안정성 개 선, 디자인 성형 및 리사이클 해결 시점을 기점으로 수요가 크게 증가할 것으로 전망된다. 2017년에 국내 시장은 2012년 대비 1.5배의 성장을 보일 것으로 전망되며, 세계 시장 규모의 약 9.7%까지 증가할 것으로 예상된다.

『자동차 차체 경량화 플라스틱 금형의 국내 시장 규모는 1,000억으로 세계 시장의 약 7%에 이르며

연평균 7.7%의 성장률을 나타내고 있다』

자동차 경량화 플라스틱 차체 설계 및 소재 평가 기술이 중요

자동차 차체 경량화 플라스틱 상용화를 위해서는 일차적 으로 성형 부품에 대한 완성차 차원에서의 충돌 안정성 및 경량화 사양에 맞추어 소재를 선정하고 해당 소재의 유변학 적 거동특성을 고려하여 고비강도 플라스틱 차체 설계를 변 경할 수 있는 기술이 요구된다. 일반적으로 성형 대상 차체는 완성차의 설계 단계에서 정해지고 있으며, 부품 개발 및 생 산 업체는 완성차와 상호 기술적인 교류를 통해 제조 공정을 진행하고 있다. 플라스틱 차체 패널은 설계 후 바로 제작되는 것이 아니라 설계된 플라스틱 차체에 대하여 구조적인 내구 성, 피로특성, NVH 및 충돌 안정성 등에 대한 해석을 통하여 사전에 검증하는 단계를 거쳐 적용되고 있다.

더욱이 기존 금속에서 복합 플라스틱 부품으로 소재가 변 경되게 되면 기존의 프레스 공정이 아닌 고분자 성형 공정을 거치게 되므로, 용융된 수지의 금형 내 충전 특성과 성형 과 정에서 발생될 문제점을 사전 예측하고 이를 설계에 반영하 여 최종 부품이 안정적으로 생산될 수 있도록 할 수 있는 기 술이 적용되고 있다.

이렇듯 자동차 차체 경량화 플라스틱 개발의 시작은 설계, 구조해석 및 유동해석을 통하여 최적화된 디자인으로 완성 되고 실제 금형 제작 후 성형된 제품의 신뢰성 평가 실험 결 과와 상호 튜닝 되고 반복된 일련의 작업을 통해 개발 완료 되게 된다. 또한, 플라스틱 차체는 고강도, 고강성을 요구하면 서도 가격 측면에서 경쟁력을 확보해야 하는 특성이 있으며, 이러한 이유로 자동차 경량화를 위한 플라스틱 차체는 기존 의 저렴한 수지에 보강재를 컴파운딩하여 원하는 소재의 기 계적 물성치를 확보하게 된다. 이때 컴파운딩 기술에 따라 대상 소재의 최종 기계적 물성치는 크게 변하게 되고, 결과 적으로 부품이 적용된 자동차의 안전성 및 내구성에 큰 영 향을 미치는 기술이다. 또한 컴파운딩 기술로 개발된 소재를 이용하여 고정밀, 고생산성이 확보된 플라스틱 차체를 성형 하기 위해서는 On-site 복합 고분자 유변 물성측정, 평가 및 활용 기술이 필요하다.

『고유가로 인한 저(低)연비, 친환경 차량개발은 필수적이며, 차체 경량화는 이제 선택이 아닌

필수가 되었다』

점차 강화되고 있는 환경 규제 강화와 함께 고유가로 인한 저(低)연비, 친환경 차량 개발은 필수적이며, 차체 경량화는 이

자동차 경량화 소재(플라스틱) 및 금형

제 선택이 아닌 필수가 되었다. 세계적으로 자동차 경량화를 위한 치열한 선두 경쟁 속에서 우리나라 자동차 메이커들의 경쟁력 확보를 위해서는 앞서 언급한 경량화 플라스틱 소재와 금형 기술을 통한 평균 100kg 이상의 추가 중량 경량화 외에

도 고성능 신소재 개발, 신규 성형 공법 및 이종 소재 간 접합 방법 개발, 다양한 부품 기능 일체화(모듈화) 등 소재, 공정, 모 듈이 결합된 전 방위적인 경량화 전략이 필요하다. 2013

체육관 밑바닥에 목재가 많이 쓰이는 이유는 운동을 하다가 넘어져도 나무가 충격을 흡수해 부상을 최소화하기 때문이다. 이는 나무를 구성하는 수많은 세포벽이 충격에 견딜 수 있도록 셀룰로스(Cellulose)라는 세포벽이 쿠션 역 할을 하여 충격을 완화하는 까닭이다. 트램펄린(Trampoline)이라는 점프 기구가 발에 충격을 주지 않고, 트램펄린이 늘어나거나 줄어들어 충격을 흡수하는 메커니즘과 같은 것이며, 사람의 뼈와 골격이 내장을 보호하고 형태를 유지 시켜 주는 것과 같은 역할을 하는 것이 바로 나무의 세포벽이다.

최근 식물에 따라서는 외부에서 스트레스가 가해지면 세포벽의 벽을 두껍게 하는 종류가 발견되었으며, 이 벽은 바이러스나 세균 등이 침입하였을 때, 그것을 막는 역할도 한다는 것이 밝혀졌다. 세포벽은 셀룰로스, 리그닌(Lignin), 헤미셀룰로스(Hemicellulose) 등 몇 가지의 물질이 복합되어 있으며 구성 물질은 나무의 종류에 따라 조금씩 다르다.

세포벽은 식물에서 가장 복 잡하고 다양화된 존재로 각 각의 물질에 대한 구조나 역 할이 아직 해명되지 않은 상 태이다. 나무가 생존을 위해 만들어 낸 세포벽의 생성 프 로세스가 해명되면 강도와 유연성이 뛰어난 새로운 복 합 재료가 개발될 것으로 기 대된다.

나무 세포벽의 충격 흡수 메커니즘에서 신소재 개발 기대

자연에서 배우는 아이디어 세계

자료: J-Net21, 산림, 2008년 12월호.

▶ 나무 마루 ▶ ▶ 목재 세포벽 구성 ▶

의료기기

출혈 질환에 대한 선별 검사에 활용하는 혈액응고 측정기기

혈액응고 측정기기는 혈액응고의 이상 여부를 측정하기 위해 응고에 관련된 인자를 측정, 분석하는 장치로 질병의 진단, 치료 및 예후 판정을 가능하게 한다. 주요 응용 분야는 혈우병, 자반병, 혈소판 증가증, 혈소판 무력증 등 출혈 질환 에 대한 선별 검사로 활용된다. 혈액응고 측정기기는 측정 및 검사 방식에 따라 크게 1)Central Lab, 2)AST(Alternative Site Testing) & PST(Patient Self-testing), 3)PMS(Patient Self-management)로 구분 가능하다.

예측적, 예방적, 개인적, 참여적 특징을 지닌 혈액응고 진단기기

헬스케어 3.0 시대에 있어 의료 진단기기의 주요 특징은 Predicative(예측적), Preventive(예방적), Personalized(개인적), Participatory(참여적)이다. 대표적인 의료 진단기기인 혈액응 고 진단기기 또한 유사한 특성을 지닌다. 첫째, 대형기기 중심 에서 개인 맞춤형 및 소형화로 인해 POC(Point Of Care) 형 태의 시장이 성장하고 있다. 기존 주요 대형 병원을 중심으 로 활용된 Central Lab 방식의 기기는 점차 성숙/쇠퇴기로 접

혈액응고 진단기기

Wellness의 교두보가 되는 핵심기기로 지속 성장이 가능한가?

기술사업화정보실 선임연구원 최윤정 | Tel 02-3299-6127 e-mail yjchoi@kisti.re.kr

의료기기

3D

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구분

Central Lab AST(Altemative Site Testing) &

PST(Patient Self-testing) PMS(Patient Self-management)

개요 병원 중앙검사실 대형 장비를 통해 검사하는 방식

중앙검사실 외 병동, 클리닉, 환자 집 등 다양한 장소에서 소형기기로 검사하는 방식

치료에 적극적인 환자를 중심으로 측정 방식을 교육하여 환자 스스로 검사/관리하는 방식

PCL¹⁾ Maturity~Aging Growth Embryonic~Growth

1) Product Life Cycle.

혈액응고 진단기기

어들고 있으며 개인 맞춤형 POC 형태의 소형화된 기기가 각 광받고 있다. 둘째, POC 사용이 증가함에 따라 질병이 발병 한 이후 질병의 수준 측정을 목적으로 활용되는 기기에서 사 전 예방 목적으로 분석기의 활용 목적이 변화하고 있다. 이는 고령화 시대 가속화에 기인한 소비자들의 질병에 대한 인식 변화에 따른 것으로, 혈액응고 진단기기 또한 그 활용 목적이 치료 전의 질병 수준을 측정하기 위한 사후적 목적이 아닌 사전 예방 목적으로 변화한 것이다. 셋째, 의사, 간호사 등 전 문가들의 측정에 따라 대응하는 고객의 관점이 아닌 환자 스 스로가 진단에 참여하여 자신의 질병을 점검하고 스스로 문 제를 인지하는 능동적 고객 대응을 돕는 기기로 변신하고 있 는 것이 주요 특징이라 할 수 있겠다.

국내 혈액응고 진단기기 시장, 연평균 3.6% 성장 전망

POC 중심으로 성장하는 세계 혈액응고 진단기기 시장은 2013년 기준 약 638백만 달러 규모에서 연평균 9.4%로 성장 하여 2018년 약 1,001백만 달러에 이를 것으로 예상된다. 국 내 혈액응고 진단기기 시장은 연평균 3.6%씩 성장하여 2018 년에는 12.5백만 달러 시장을 상회할 것으로 전망된다. 국내 또한 기존 Central Lab 방식이 아닌 POC 형태의 소형기기 중 심의 일반인 대상 사전 진단 목적의 의료기기가 성장을 이끄 는 동력이 될 것으로 파악된다. 그러나 이러한 시장이 견고히 성장하기 위해서는 정부 정책 측면에서의 지속적인 지원과 고객의 빠른 인식 전환이 뒷받침되어야 할 것으로 판단된다.

헬스케어 산업을 1)의료기기, 2)제약, 3)병원 등 의료 서비스로 구분할 때, 시장의 인프라가 되는 의료기기의 시장이 가장 먼 저 성장할 것으로 판단된다. 이에 따라, 혈액응고 진단기기도 성장이 예상되긴 하나, 환자 스스로 측정한 진단 값에 대한 신뢰와 전문성 부족이 시장의 지속적인 성장에 큰 영향을 미 칠 것으로 판단된다.

『혈액응고 진단기기 시장은 소비자들의 Healthcare에 대한 인식 변화로 지속 성장하여 2018년 10억 달러 시장을 형성할 것으로 판단된다』

의료 진단기기 시장은 헬스케어 산업 특성상, 미주/유럽 중심으로 형성되어 있고, 세계 혈액응고 진단기기 시장은 55%의 시장 점유율을 차지하고 있는 Roche가 독점하고 있 는 상황이다. 의료기기는 타 일반 제조 제품과 달리 신뢰성 및 정확도가 중요하기 때문에 오랜 역사와 전통을 보유한 해 외 선진 기관들의 시장 점유율이 높을 수밖에 없는 특성이 있다. 이에 단기간 내 이러한 독과점 형태의 시장 구조는 변 화하기 힘들 것으로 판단된다. 주요 업체로는 Roche 뒤를 이 어 Abbott, Alere가 각각 15%, 9%의 시장 점유율을 차지하 고 있다. Abbott의 주요 제품으로는 CoaguSense PT/INR 모 니터링 시스템 등이 있으며, 의사의 처방과 함께 환자의 가정 에서도 사용할 수 있다. Alere는 기존 Inverness Medical이란 업체가 2010년 사명을 변경한 미국 업체이다. 타깃 시장이 미 국으로 현재 미국 내 혈액응고 진단기기 시장에서 18%의 시 장 점유율을 보유하고 있다. 주요 제품은 INRation System 및 Test Strips가 있다. 이 외 주요 업체로는 Instrumentation Laboratory/Werfen Group, International Technidyne/

Thoratec, Medtronic 등이 있다.

『본격적인 성장 시장으로 접어든 미주, 유럽 시장 중심의 성장이 지속될 것으로 예상되며,

의료기기 선도 업체인 Roche Diagnostics가 혈액응고 진단기기 시장에서도 시장 점유율

55%를 독점하고 있다』

국내 시장의 경우도 기술적 난이도로 인해 세계 시장의 선 두 업체인 Roche의 한국 지사인 한국로슈진단이 관련 기술 을 보유한 업체로 2006년 CoaguCheck를 소개하였다. 사업 초기 전문가용(병원 용도)이 제한적으로 출시되었으나, 향후 일반용(가정용)으로 확대하여 판매 중이다. 이 외 혈액응고

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자료: Trimark Publications, Frost &Sullivan, MarketsandMarkets, Epicom, 한국보건산업진흥원.

년도 개요

시장 규모

연평균 성장률

2013 2018

세계 시장 638 1,001 9.4%

국내 시장 10.2 12.5 3.6%

(단위: $Millions)

의료기기

진단기기 관련 장치는 전적으로 수입에 의존하고 있으며 웨 펜메디칼아이엘, 동강메디피아, 삼성메디피아 등이 수입 업체 로 활동 중이다.

‘실시간 모니터링’ ‘신뢰성 및 편의성 확대’로 요약되는 기술 개발 동향

혈액응고 진단기기의 글로벌 기술 개발 동향은 크게 2가지 로 요약될 수 있다. 1)실시간 모니터링과 2)POC 신뢰성 및 편 의성 확대가 주요 개발 방향이다. 기존 대형 병원에 쓰이는 Central Lab형의 경우 개인 소비자가 쓰는 POC와의 차별화 를 위해 검사 시간 및 분석 시간을 단축하고 실시간 결과에 대한 모니터링이 가능해 지도록 개발 중이다. 즉, 병원에서 환 자 측정 시, 채취된 샘플을 자동으로 Central Lab으로 전송 하여 실시간 측정값이 반영되어 Heparin의 투입량을 빠르게 조정하는 것으로 진단이 정확하고 빠른 판단을 돕는다. 이를 위해 관련 진단기기 및 소프트웨어 개발이 지속되고 있다. 또 한, 앞서 언급한 바와 같이 기존 전문가가 아닌 일반 소비자 가 활용하는 시장으로 확대되는 특성에 따라 POC 자체 성능 정밀도 및 신뢰도 증가를 위한 개발이 활성화되고 있다. 환자 가 집에서 측정하는 경우라도 IT 등의 접목을 통해 편의성을 확대하고 있으며 대중화를 위해 가격 인하를 위한 연구 개발 에 집중하고 있다.

국내의 경우 대형 병원 중심으로 형성된 혈액응고 진단기 기 시장에서 TSP(Total Solution Provider) 형태의 서비스가 등장하고 있다. 부작용을 최소화하기 위해 개인 맞춤형 항응 고 서비스 운영을 통해 측정 시간 단축 및 진단 후 맞춤형 상 담을 제공 중이다. 또한, 판매 기업이 환자 교육을 시행하여

시장 확대를 가속화시키려 노력하고 있으며 자체 기술 향상 에도 애쓰고 있다. 그러나 현재 국내 혈액응고 진단기기 시장 은 도입에서 성장으로 넘어가는 단계에 머물러 기 출시된 제 품의 활용 극대화를 위한 맞춤형 서비스 확대에 좀 더 집중 하고 있는 실정이다.

질병 사전 예방, 고령화 인구 증가 등으로 지속 성장할 것으로 전망

혈액응고 진단기기 시장은 실시간 진단을 통해 질병의 사 전 예방이 가능하다는 측면에서 지속 성장할 것으로 판단된 다. 또한, 고령화에 따른 노인 인구 증가로 노인성 질환 질병 환자의 지속적인 확대가 예상된다. 사용처 측면에서는 기존 병원 내 중압 랩 외 병실 및 일반 가정에서의 사용 증가로 인 해 점차 시장은 확대될 것이다. 그러나 일반인이 이러한 기기 를 편의성을 갖고 활용하기 위해서는 독과점 형태의 시장 구 조 변화와 함께 가격 측면에서의 보급형 시장 형성이 선행되 어야 할 것으로 판단된다. 또한, 주 사용자가 젊은 층보다는 전자기기 제품 작동에 대한 이해가 취약한 고령자이기 때문 에 사용법에 대한 체계적 교육이 필요할 것으로 판단된다. 더 불어, 제품 신뢰성 및 브랜드 인지도가 중요한 시장이기 때 문에 국내외 다양한 의료기기 제조 업체들이 시장 진입을 하 더라도 단기간 내 공급 구조 측면의 변화가 일어나기는 어려 울 것으로 판단된다. 또한, 시장 확대를 위해 정부의 지원 측 면에서 현재 보험 체계에 따른 의료비 지원 수준이 미흡하여 시장 불확실성이 존재하는 것이 사실이다.

『진단을 통한 질병의 사전 예방 가능, 고령화에 따른 환자 수 증가 등으로 성장이 예상되나, 선진 업체

대비 제품 신뢰성 및 브랜드 인지도를 확보하지 못하면 경쟁 우위 확보가 어려울 것으로 판단된다』

그러나, 점차적으로 소비자들의 건강에 대한 인식이 변화 하고 있는 관점을 고려할 때, 향후 성장에 대한 확신은 변함 이 없을 것으로 판단된다. 다만, 앞서 언급한 시장 저해 요인 이 얼마나 효과적으로 해결되느냐에 따라 성장률에 대한 차 이가 존재할 것으로 판단된다.

제품 형태는 앞서 언급한 바와 같이 기존에 주요 대형 병 원을 중심으로 활용된 Central Lab 방식은 성숙/쇠퇴기로 접 어듦에 따라, 향후 POC가 시장의 견고한 성장을 이끌 것으 로 판단된다. 2013

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자료: Trimark Publications, 2012.

55%

15%

9%

6%

4%4% 7%

Roche Diagnostics Abbott

Medtronic Others Alere(HemoSense) Instrumentation Laboratory/Werfen Group Intemational Technidyne/Thoratec

PCR 기술 및 시장 동향

바이오제약·의료기기

의료 분야의 차세대 진단은 분자 진단

분자 진단은 DNA, RNA 및 단백질 등 생체 지표 물질을 검 출하거나 분석하는 분야로, 1985년 Cetus Corpor ation(Chiron) 의 Mullis에 의해 개발된 시험관에서 핵산을 증폭할 수 있는 기 술인 Polymerase Chain Reaction(PCR)과 사람을 비롯한 감염 균 유전체 지도의 완성을 통해 비약적으로 발전하였다.

분자 레벨에서의 정확한 진단을 가능하게 하는 다양한 분 자 진단 검사 기술의 발전은 신속·정확한 진단과 진단기기의 소형화를 가능하게 하여, 개인 맞춤형 진단과 치료의 기반을 제공하고 있다.

분자 진단 기술은 Biochip, Biosensor, PCR 등으로 나누 어지는데, 이 가운데 PCR은 리얼타임 분석, 다중 시료 분석, 분석 정보의 디지털화, 자동화 등 다양한 측면에서 발전하고 있어, 분자 진단 영역에서의 새로운 발전 가능성을 제시하고 있다.

분자 진단의 핵심 툴 ‘PCR’의 진화

PCR은 DNA의 원하는 부분을 복제 및 증폭시키는 기술로 DNA 지문 분석, 멸종 동물의 희소 DNA 증폭 등 다양한 방

PCR 기술 및 시장 동향

분자 진단의 핵심 툴로서의 qPCR, dPCR 주목

산업시장분석실 선임연구원 서주환 | Tel 02-3299-6012, e-mail nano@kisti.re.kr

3D

구분 기존 PCR qPCR dPCR

실시간

정량 분석 불가능 가능 가능

정확도 낮음 높음 높음

민감도 낮음 높음 높음

자동화 완벽한 자동화 불가능 가능 가능

응용 Sequencing, Genotyping, Cloning 등을 위한 DNA 증폭

유전자 발현의 정량 분석, 마이크로 어레이이 의 검증, 병원체 탐지, 단일염기이상검사(SNP genotyping), 바이러스 정량(viral quantization)

바이러스나 핵산의 정량 분석, NGS library의 정량 분석, 희귀 대립유전자 검출, 유전자 발현의 정량, 혼재된 시료의 통합적 분석 가능

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바이오제약·의료기기

면에서 활용되고 있으며, 특히 의료 진단 분야에서는 유전병 진단 등 분자 레벨에서 다양한 측정 방법을 제공하여 분자 진단의 기본 툴로서 자리 잡고 있다.

이러한 PCR은 Real-Time PCR(qPCR), Digital PCR(dPCR) 등으로 진화하여 기존 PCR이 제공하지 못했던 실시간 진단, 고민감도, 측정 결과 디지털화 등의 장점을 제공하고 있다.

Real-Time PCR은 qPCR(quantitative polymerase chain reaction)이라고도 부르는데, 유전자 분석 기법 중에서 강력 하면서도 고감도로 분석이 가능한 방법이다. 특히 유전자 발 현의 정량 분석이나 제노타이핑, SNP 분석, Pathogen의 탐 지, 신약 개발 과정의 평가, RNAi의 측정 등 다양한 분야에서 활용이 가능하다.

『PCR은 qPCR에서 dPCR로 진화하고 있으며, 유전자 정량 분석, 제노타이핑, SNP 분석, Pathogen의 탐지, 신약 개발 과정의 평가 등

다양한 분야에서의 활용할 수 있다』

기존 PCR의 경우에는 분자시료의 복제 및 증폭 과정과 해 당 분자시료의 정량화 과정이 분리되어 진행되었으나 Real- Time PCR의 경우는 그 이름에도 드러나 있듯이 복제 및 증 폭 과정이 진행되는 중에도 실시간으로 정량 분석이 가능한 장점이 있다.

디지털 PCR(dPCR)은 핵산을 탐지하고 정량하는 새로운 접근법으로서 기존 qPCR에 비해 정확한 정량 분석과 타깃 핵산 분자의 고감도 탐지가 가능하다. qPCR에 비해 dPCR은 10~1,000pico liter의 극소량 시료로도 분석이 가능하며, 많은 수의 시료를 동시에 처리할 수 있다는 장점이 있다.

분자 진단 기술 시장에서 PCR이 차지하는 비중은 30%가량

전체 분자 진단 기술 시장에서 PCR이 차지하는 비중은 30% 가량으로 분자 진단 시장에서 PCR은 매우 중요한 위치 에 있다.

PCR 시장은 크게 qPCR과 dPCR 시장으로 나누어 볼 수 있는데, qPCR과 dPCR은 비슷한 기능을 수행하는 진단 기반 기술이기는 하지만 시장 주기, 경쟁 양상, 가격, 시장 성숙도 등의 측면에서는 서로 상이한 상황에 놓여있다.

시장 성장이 더딘 qPCR 분야는 거대 생명과학 장비 업체 의 시장 진입이 가시화되면서 경쟁 영역이 확장되고 경쟁 정 도가 심해지는 상황이다. 이러한 신규 거대 기업의 시장 진입 은 일반적으로 제품 평균 가격을 인하시키는 요인으로 작용 한다. 따라서 qPCR의 장비 가격이 인하되면 가격 부담으로 qPCR 장비 도입을 주저하던, 작은 규모의 실험실이나 진단 업체의 신규 도입을 촉진하게 된다. 이는 또한 인스톨 베이스 (installed base)의 확장을 통해 시장 활성화 요인으로 작용할 것이다.

그리고 새롭게 부상하고 있는 dPCR 분야는 비교적 작은 규모의 시장 세그먼트를 타깃으로 하고 있으나, 높은 기술적 잠재 가능성으로 인해 시장 성장률이 매우 높은 상황이다.

이에 따라 새로운 시장 기회 포착을 위한 신규 진입 기업이 꾸준히 증가될 것으로 예측된다. 그러나 아직 기술 도입기이 므로 dPCR 장비 가격은 당분간 고가로 유지될 것으로 보이 며, 연구비 규모에서 상대적으로 여유가 있는 민간 혹은 공공 영역이 주 고객이 될 것으로 보인다.

성숙한 qPCR 시장

qPCR 장비 시장은 높은 수준으로 성숙한 시장으로 평가 되며, 연평균 성장률은 2.9%에 그치고 있어 이제 어느 정도

분자 진단 기술 구분 2013 2018

PCR-based tests 2,250 5,800

PCR-related technologies 2,150 4,800

FISH, Biochip, Micro Array, Biosensor 등 9,600 29,400

합계 14,000 40,000

자료 : Molecular Diagnostic, 2010, KISTI 재작성.

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PCR 기술 및 시장 동향

포화 상태에 도달했다는 전망도 있다. 그러나 해당 산업 내에 서의 역동성을 여전히 보유하고 있기 때문에 발전 가능성이 충분한 시장으로 평가하는 경우도 있다. qPCR 시스템의 가 격은 처리량, 성능, 새로운 부가 기능 등에 의해 결정되는데, 전 세계적인 경기 침체와 장비 가격 인하 요구 등 외부 환경 요인에 의해 처리량 및 부가적인 기능을 제한한 합리적인 가 격의 벤치탑(benchtop) 제품을 출시하는 쪽으로 변화하고 있 다. 이러한 움직임은 고객 세그먼트의 다변화를 통해 qPCR 장비 시장의 양적인 확장을 꾀하기 위한 것으로 판단된다.

qPCR 장비 시장에서는 미국의 Life Technology, Bio-Rad, Roche 등의 기업이 선도적인 위치에 있다.

시장이 어느 정도 포화되고, 경쟁 기업 간의 기술 격차 가 그리 크지 않은 상황이므로, qPCR 장비 시장은 저가격 화 등을 비롯한 다양한 가격대의 제품 포트폴리오, 손쉬운 장비의 사용, 소프트웨어 지원, 워크플로우 솔루션(workflow solution), 처리 성능에 대한 옵션 제공 등을 통해 새로운 경 쟁력을 모색하고 있는 중이다.

『PCR 중 qPCR 분야는 성숙한 시장으로 저가격화, 손쉬운 장비 사용, 워크플로우 솔루션 제공, 처리 성능에 대한 옵션 제공 등을 통해 새로운

경쟁력을 모색하고 있다』

국내 qPCR 장비는 바이오니아, 씨젠, 나노바이오시스 등 의 유전자 연구 및 진단 전문 기업에서 제품을 출시하고 있 다. 바이오니아는 Exicycler라는 고급형 Real-Time qPCR 장비 라인을 보유하고 있으며, 기존의 장비들이 가지고 있 는 비균질 광학계의 문제점들을 LT(Light Tunnel) 방식을 이 용하여 해결하였다. Reference dye에 의한 normalization이 없이도 96 well 간의 편차 없이 형광값을 정밀하게 측정할 수 있는 성능을 가지고 있다. 분석 소프트웨어는 Absolute Quantification, Relative Quantification, SNP genotyping, Existence/Nonexistence, Melting curve analysis로 구성되 어 Viral load, 유전자 발현 분석, SNP genotyping 등 다양 한 분야의 실험에 응용될 수 있으며, 차세대 분자 진단에 적 합한 진단용 소프트웨어(KFDA, CE-IVD 체외 진단 의료기기 용 버전)는 분자 진단과 연구 개발 모두에 유용하다. 진단기 기 및 바이오칩 전문 벤처기업인 나노바이오시스는 UltraFast LabChip Real-time PCR G2-3 장비를 개발하여 시장에 내 놓았다.

떠오르는 dPCR 시장

신규 유망 분야로 부상하고 있는 dPCR 장비는 현재 그 활 용 용도가 제한적이어서 대상 시장 또한 제한적이지만, 연평

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연도 매출액(백만 달러) 성장률

2012 500 2.9%

2013 515 2.9%

2014 530 2.9%

2015 545 2.9%

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연도 매출액

(백만 달러) 성장률 기회 요인 리스크

2012 18 125%

- Digital PCR응용프로그램 개발로 인한 시장 확대 - 상대적으로 저렴하고 처리량이 낮은 제품이 개발 및

보급되어 고성능의 dPCR의 수요 증대 예상

- 대학 및 공공연구 부문의 예산 제약으로 인해 dPCR 장비의 지출이 억제

2013 28 55.6%

2014 40 42.9%

2015 52 30.0%

자료: Frost & Sullivan, Global Life Science Trends and Opportunities 2012~2015 KISTI 재작성.