나노 세라믹재료
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1. 서언
나노기술은 물질을 나노미터(nm) 크기의 범주에서 조 작·분석하고 새롭게 되거나 나타내는 소재·소자 또는 시 스템을 창출하는 과학기술을 말한다. 물질을 제조 또는 합 성 하는데는 크게 2가지로 나누어 생각해볼 수 있는데, 그 중 하나는 기존의 방법으로 구성 성분의 조성을 변화시키 거나 결정구조 등 물질의 구조를 변형시키는 것이다. 그 외의 방법은 크기를 변화시킴으로써 새로운 물질을 제조 또는 합성하는 것인데, 이러한 나노기술은 크기를 변화시 킴에 따라 새로운 특성의 새로운 물질을 탄생시킬 수 있 다는 것을 주요 골자로 하고 있다.1)
또한, 나노기술의 특징은 기존의 기술 분야(물리, 화학, 재료, 전자 등)들을 횡적으로 연결할 수 있는 학문간의 경 계가 없는 학제간(interdisciplinary) 연구 분야이고, 나노 구조물의 분석, 제어, 합성 등 전 과정을 나노 수준(100nm
이하)에서 제어해야 하는 높은 기술 집약도가 요구된다는 점이다. 그리고 재료, 전자, 에너지, 우주항공, 의학 등 거 의 모든 산업분야에 응용이 가능함에 따라 높은 경제적 파급성을 지니고 있을 뿐만 아니라 초미세 상태에서 나노 구조체를 합성하기 때문에 에너지효율의 극대화 및 효과 적 오염제거 등으로 부산물 생성을 최소화할 수 있어 환 경 및 자연 친화성이 높고, BT, IT, ET, ST, CT 등의 기 반기술로서, 융합산업을 선도할 핵심기술이라 할 수 있다.
소재 측면에서 보면, 신소재는 임계성능(고난이도 제조 기술) 구현, 초고효율 에너지 산업 실현을 가능하게 하는 미래의 필수 핵심소재를 말하며, 나노융합 산업은 원자 하 나 하나를 기계적으로 제어하는 나노기술을 타 산업에 접 목해 부가가치를 창출하는 미래 유망산업을 의미한다.2)
따라서 신소재에는 항공기 경량화 복합소재나 고기능 스 마트 섬유의류 소재 등이 해당되며, 나노융합 기술의 예로 는 나노 메디컬, 나노 바이오 생활소재 등을 들 수 있다.3) 고난이도 제조 기술에 의한 임계 성능 구현 및 초고효 율 에너지 산업 등의 실현을 가능하게 하는 미래의 핵심 소재에 있어서도 나노기술의 융합은 나노소재로 대표되면 서 더욱 중요성이 커지고 있다.
나노소재 기술 개발사업에 의하면 나노융합 신소재 기 술은 기존 재료의 결정립, 기공 등을 수백 나노미터(㎚) 크기 이하로 제어•조합함으로써 물성이 현저히 향상되거 나, 새로운 물성을 나타내는 하향식(top-down) 공정의 나 노소재 기술과 나노미터 크기에서 물질 구조를 합성•제 어하여 새로운 물성과 기능이 창조되는 상향식(bottom-up)
나노기술과 나노소재의 시장 동향
글 _ 유선희 한국과학기술정보연구원
Fig. 1. 나노기술과 타기술의 상호관계.
출처: www.nanokorea.net
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공정의 나노소재 기술을 모두 포함한다.
기술의 범위로는 나노소재에는 내부 구조가 나노화된 금 속, 세라믹, 고분자, 반도체의 단상(單相) 소재가 있으며, 두 가지 이상의 재료가 혼재되어 있는 복합재료도 있다.
형태로 보아서는 양자점(0차원 나노소재), 나노선/나노 막대/나노튜브(1차원 나노소재), 다층·복합구조 나노 박 막/나노층상화합물(2차원 나노소재), 나노벌크(치밀체/기공 체/복합체)(3차원 나노소재) 등의 소재로 구분된다. 용도 측면에서는 전기전자용, 건강치료용, 환경·에너지 산업용 등의 소재가 포함된다.
정리하면 나노 소재는 나노입자, 나노결정, 나노복합체, 나 노 구조물로 나눌 수 있으며 그 대표적 응용 제품은 <Table 1>
과 같다4)
2. 나노기술 및 나노소재 시장동향
나노기술 가치사슬 단계는 <Fig. 2>와 같은 3단계로 구 분된다. 첫 번째 단계는 처리되지 않은 형태의 나노크기 구조인 나노소재 단계, 두 번째 단계는 나노크기 특징을 가진 중간제품의 나노 중간물 단계, 세 번째 단계는 나노 기술을 결합한 최종재화인 나노기반 제품(nano-enabled products)으로 구분된다.
세계 시장규모 조사 보고서(2014)6)에 의하면, 마지막 단 계인 나노기반 제품에 대한 세계시장 규모는 2013년도에 229억 달러 규모를 가진 것으로 조사되었고, 2014년에 260 억 달러로 성장하고, 2019년도에 642억 달러 규모로 성장 할 것으로 예상하고 있다. 이러한 규모의 시장 성장은 2014~2019년 사이에 연평균 성장률(CAGR)이 19.8%가 될 것으로 추산되고 있다. 그 이후 시장수요의 확대와 성장 률은 기술의 고도화, 성공적 상업화의 진전, 산업구조 및, 연관 기업의 사업전략 등에 의해 방향이 결정되어질 것으
로 보인다.
첫 번째 단계인 나노소재에 대한 세계 시장규모는 나노 기술 관련 전세계 매출액에서 가장 큰 부분을 차지한다.
2014년 206억 달러 시장규모에서 2019년 527억 달러 규 모로 성장할 것으로 예측되고, 연평균 성장률은 20.7%로 추산된다.
상기 세계 나노기술 시장규모 예측자료를 나노 분야별 로 정리하면 <Table 2>와 같다. 2014년도에 전체 나노 시 장규모 260억 달러에서 나노소재 206억 달러로 차지하는 비율은 약 79%로 나타났고, 2019년도에는 전체 나노 시 장규모 642억 달러에서 나노소재 527억 달러로 차지하는 비율은 약 82%로 나타나 나노기술 관련 전체 시장 중 나 노소재 부문의 비중은 더욱 높아질 것으로 예상되고 있다.
나노기술과 같은 신기술에 대한 정부의 연구개발 투자 는 중장기적인 기간에 걸쳐 수행되기 때문에, 경제적 환 경에 상대적으로 민감한 영향을 받지 않는 것으로 나타나 고 있다. 최근의 경기침체에도 불구하고 나노소재 시장은 건강관리, 전자산업 분야와 군사, 항공 우주, 에너지 분야 와 같은 새로운 응용 분야에서 높은 수요가 전망된다.7)
시장 조사 보고서8)에 의하면 나노소재에 대한 수요가 가장 큰 지역은 미국이고, 아시아 태평양이 가장 빠르게 성장하는 지역 시장으로 분석 기간 동안 약 30%의 높은 연평균 증가율(CAGR)을 기록한 것으로 나타났다. 특히, 중국, 한국, 대만, 인도 등의 국가에서 나노기술의 활발한 연구 개발 투자가 이루어지고 있기 때문에, 향후 몇 년
Tabel 1. 나노소재의 응용 제품
Fig. 2. 나노기술 가치 사슬.
출처: BCC Research (2010)5)
Tabel 2. 세계 나노기술 제품 시장 규모(2013년~2019년)
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나노기술과 나노소재의 시장 동향
내에 아시아-태평양 지역이 나노소재 시장의 성장을 주도 할 것으로 예상된다.
나노소재의 초기 수요 대부분은 상대적으로 기존 소재 와 응용분야에 포함되어 있는데, 이는 실리카, 알루미나, 이산화티탄, 점토, 금속과 같은 전통적인 소재의 나노크기 화를 의미한다.
<Fig. 4>에서 보는 바와 같이 세계 나노소재 시장에서 미국은 2010년 최대 규모의 시장을 나타내고 있고, 나노 소재 시장 규모는 압도적으로 선진국에 집중되어 있다.
즉, 미국이 전세계 시장의 절반인 50%를 차치하고 있고, 서유럽 10%, 캐나다 3% 그리고 아시아 국가인 중국 12%, 한국 6%, 일본 4%, 대만 2%를 차지한 것으로 나타났다.
2.1. 나노소재 유형별 시장 동향
나노소재는 나노박막, 나노입자, 나노구조 모노리스, 나노 복합체 및 기타(나노튜브 등)의 유형으로 나눌 수 있다. 이 러한 유형별로 시장동향을 살펴보면 아래 <Table 3>과 같다.
나노 박막은 2013년 전세계 나노소재 소비량의 67.4%
를 차지함으로써 세계 나노소재 시장을 주도하였다. 나노 소재 시장에서 박막 부문의 높은 점유율은 촉매 변환장치 에서의 광범위한 사용을 반영한 것이다. 그 다음으로 고
체 나노입자 16.6%, 나노구조 모노리스 9.6% 및 나노복합 체 6.4%를 나타냈고, 나노튜브는 나노튜브 복합체가 제외 되면 0.1% 미만을 나타내었다.
<Fig. 4>와 같이 2013년과 2019년의 나노소재 유형별 시장 점유율의 변화를 비교해 보면, 나노소재 시장중에서 가장 성장률이 높은 유형은 나노복합체 부문이다. 나노복 합체의 높은 성장률은 2013년 상대적으로 낮았던 소비시 장과 장기적인 성장 잠재력에 기인한다고 할 수 있다. 나 노박막 또한 나노소재 시장 전체에 비해서 높은 성장률을 보이고 있는 반면에 나노구조 모노리스와 고체 나노입자 는 상대적으로 낮은 성장률이 예상된다.
즉, 나노소재 시장에서의 나노박막의 비중은 2019년에 67.4%→70.5%로, 나노복합체는 6.4%→8.1%로 증가될 것 으로 예상되는 반면에, 나노구조 모노리스는 9.6%→7.5%
로, 고체 나노입자는 16.6%→13.7%로 그 비중이 낮아질 것으로 추정된다.
2.2. 나노소재 성분별 시장 동향
나노소재는 다양한 화합물이 있으나, 대표적으로 다음 과 같은 성분의 소재를 들 수 있다<Table 4>.10) 나노소재 는 제조사에 따라 가격 차이가 크며, 대부분의 나노소재 제조업체는 산업내에서 한정된 양을 제공하고, 요구되는 재료의 특성에 따라 처리 비용이 다르기 때문에 같은 소 재라 하더라도 다양한 범위의 가격을 나타내게 된다.
나노소재의 가격은 처음에는 양에 의존하고, 두 번째로 는 품질에 의존하기 때문에 소비자들은 우선 구입 수량과 분말 특성을 구체화하면서 가격을 책정하게 된다.
<Table 4>에 의하면 산화알루미늄, 탄소나노튜브, 나노 클레이, 산화규소, 이산화티탄 등과 같은 소재의 생산량이 매우 클 것으로 추정되고 있다. 또한 나노은(은나노)의 경
Fig. 3. 세계 나노기술 제품 시장규모 추이 그래프.
출처: BCC Research (2014)
Fig. 4. 국가별 나노소재 생산 (2010).
출처: Future Markets, Inc.(2011)9)
Tabel 3. 세계 나노소재 유형별 시장규모
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우는 생산액은 그리 크지 않지만 단위 가격이 매우 높아 생산액 기준으로는 가장 비중이 큰 소재이다.
나노소재의 성분별 수요는 일반적으로, 전자, 에너지, 플 라스틱, 페인트 및 안료 제조업체에 의존하는데, 주요 나 노소재 수요자로는 특수 화학물질 보급 회사, 석유화학 회 사, 코팅 및 페이트 회사, 안료 제조회사, 플라스틱 및 고 무 제조회사, 나노소재 응용품 개발자, 대학 및 정부 연 구소 등을 들 수 있다.
2.3. 나노소재 응용 분야별 시장 동향
나노소재의 응용 분야는 크게 전자 분야, 건강치료 분야,
에너지 저장 분야, 건설 및 기타 분야로 나눌 수 있다.
전기전자(전자 장치) 분야는 나노소재에 있어서 가장 큰 시장중 하나로서 전자 산업의 동향은 나노소재 수요 동향 에 매우 중요하다. 전자회로에서 더 작은 공간에 대한 요 구가 증가할수록 탄소나노튜브, 금속산화물 나노입자 및 기타 나노크기 재료와 결합된 새로운 기술에 대한 니즈(
또는 기존 기술의 개선)는 향후에도 계속 부상할 것으로 기대되며, 이는 전자용 나노소재에 대한 수요를 강력하게 뒷받침할 것이다.
따라서 전자 부품 및 관련 제품은 나노소재에 대한 주 요 시장이며, 앞으로도 핵심 판로가 될 것으로 기대된다.
일반적으로 이러한 시장에서 나노소재에 대한 수요는 더 빠르고, 작고, 가볍고 더욱 강력한 소비재 전자제품과 아 직 시장에 나오지 않은 제품으로의 나노소재 이용에 의해 촉진될 것이다.
나노소재 기술의 건강치료 분야로의 융합은 크게 칩상의 실험실(lab-on-a-chip)로 대표되는 나노소자(nanodevices) 분야와 나노의약품(nanomedicine) 분야로 나눌 수 있고, 소 재 측면에서 보면 나노소자에는 나노물질, 나노현탁액 (nanosuspensions) 등이, 나노의약품에는 금 나노입자나 은
Fig. 4. 세계 나노소재 유형별 시장 점유율(%) 비교(2013년 vs. 2019년).
출처: BCC Research (2014)
Tabel 4. 나노소재 종류별 추정 생산량 및 생산액 (2010)✽
✽ 조사 및 추정 방법: ① 앞에서 언급한 나노소재 제조 기업의 확인, Future Markets, Inc.에서 보유한 정보 데이터베이스에서 주로 추출하였 고, 또한 나노소재 관련 제조 기업에 대한 문헌 조사로 보완함. 부차적 정보원으로는 저널, 관련 단행본, 거래 자료, 마케팅 자료, 기술 로 드맵, 기타 제품/홍보 자료, 연차보고서, 분석가 보고서, 컨퍼런스 프로시딩 및 기타 자료들임. ② 관련 나노소재 회사 대표들과의 이메일 을 통한 일련의 인터뷰, ③ 나노소재 회사 대표들에 얻은 정보, Future Market, Inc의 내부 자료 및 시장 보고서에 기반한 산업정보 수집 및 시장 추정
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나노기술과 나노소재의 시장 동향
나노입자 등의 나노입자가 주로 사용된다고 할 수 있다.11) 특히, 나노의약품은 다양한 의료 분야에서 중요성이 인 정되고 있는데, 주요 특성은 생물학적 장애를 통과하고, 종양 사이트(sites)에 응집하여 약물의 용해도를 증가시키 는 나노입자의 능력(예, 은 나노입자)에 있다. 또한 자기 치료 세포 응답을 유도하거나 임플란트의 적응성 (acceptability)을 매우 개선시켜주기도 하고, 특정한 작은 분자량 약물의 용해도를 높이기 위해 나노현탁액을 사용 할 수 있다는 점이다.
에너지 분야에서 가깝게는 나노입자 기반 리튬 이온전 지가, 중장기적으로는 연료전지(fuel cell)와 광전지 (photovoltaic)에 대한 수요가 증가할 것으로 예상된다. 기 술이 상업적으로 유의하게 되면, 나노소재를 사용하는 촉 매제(catalysts)가 주요 판로가 될 것으로 기대되며, 수소 저장(hydrogen storage)과 대체 에너지 기술이 나노소재에 성장 기회를 제공할 것으로 기대된다. 또한, 에너지 발전 과 저장분야에서 나노소재의 적용은 태양전지, 메탄 연소, 폐기물 연료전환 등이 포함되며, 나노소재의 사용은 태양 전지의 핵심부품의 가격 절감을 가져올 가능성이 높아 에 너지 시장에서 중요한 부분이 될 것으로 기대된다.
기타 시장에서의 나노소재에 대한 수요는 개인 관리 제 품, 스포츠 용품, 섬유, 포장, 종이와 인쇄, 우주항공, 국 방 적용, 자동차, 기계 등 다양한 제품에서의 적용을 들 수 있다.
나노소재는 이미 전자와 건강치료 영역에서 시장을 형 성하고 있다. 특히, 웨이퍼 연마 슬러리(wafer polishing slurries)와 제약 분야에서 나노소재의 응용이 활발해지고 있다. 또한 나노소재는 자동차, 건축자재, 에너지 저장 장 치와 다양한 소비재(의류, 개인용품, 스포츠 장비 등) 등 을 포함하는 다른 시장으로 침투하기 시작했다. 향후 10 년 이후에는 나노소재는 선진국에서 다양한 시장에서 상업 적 이용이 획기적으로 확장될 것으로 예상된다. <Table 5>
에서 나타난 바와 같이 미국의 경우, 2020년대에는 반도 체 분야는 완전히 나노소재로 대체되고, 촉매와 제약 분 야는 절반이 나노소재로 대체될 전망이나, 이러한 전망에 대한 우려가 있는 것도 현실이다.
그럼에도 불구하고 전문가들은 2025년까지 나노소재는
전 세계 전반에 걸쳐 건강치료와 전자시장에서 중요한 부 분을 차지할 것으로 예상하고 있다. 더불어 나노소재는 특 히 선진 경제 국가에서 에너지 저장 장치, 건축자재, 소 비재, 자동차, 포장 등을 포함한 다른 틈새 시장(market niche)으로 정착할 것으로 전망하고 있다.
상기 전망에 근거하여 Freedonia Group, Inc(2012)에서 예측한 나노소재의 주요 응용분야별 세계 시장은 아래
<Table 6>과 같다.
나노소재 세계시장 규모 예측 보고서에 의하면 과거의 예측에 비해 규모면에서 더 커지고, 성장률도 높아질 것 으로 예측된다. 2011년도에 전체 20억 달러 규모에서 2016 년도에 2011년도 대비 2.7배로 성장한 55억 달러로, 2021 년에 2016년도 대비 2.8배로 성장한 155억 달러로 확대될 것으로 전망되고 있다.
전체 나노소재 시장규모에서 선도적인 주요 산업은 전 자와 건강치료 영역이다. 전체 시장에서 전자분야가 차지 하는 비중은 중장기적으로 55.9%(2001)→43.8%(2006)→33 .0%(2011)→27.3%(2016)→23.9%(2021)으로 점진적으로 낮아 것으로 전망된다. 반면에 에너지 분야가 차지하는 비중은 중장기적으로 0.3%(2001)→1.9%(2006)→7.1%(2011)→9.1%(2 016)→12.9%(2021)로 타 분야에 비해 두드러지게 증가할 것으로 전망되며, 건강치료 분야 또한 차지하는 비중이 중 장기적으로 27.1%(2001)→32.6%(2006)→35.0%(2011)→35.8
%(2016)→28.49%(2021)로 2011년부터 전자분야의 비중보다 높아지면서 안정적으로 유지할 것으로 예상되고 있다.
즉, 향후 세계적으로 나노소재는 건강치료 분야로의 응 용이 가장 높은 비중을 차지할 것으로 예상되며, 시장 성 장률은 중장기적으로 에너지 분야로의 응용이 가장 높을 것으로 전망된다.
한국에서의 나노소재 수요는 2016년 285백만 달러로 증
Tabel 5. 나노 기술의 산업부문별 침투율 (미국)
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가하고 2021년까지 860백만 달러로 높게 증가할 것으로 예상된다. 중국과 일본에 비해 상대적으로 작은 경제 규 모임에도 불구하고 한국은 나노소재에 있어서 커다란 소 비자에 해당된다. 2011년에 나노소재 수요(GDP 대비)는 대 만 다음으로 세계에서 두 번째로 높았고, 이는 일본과 미 국을 능가한 것이었다. 대만처럼 나노소재에 대한 수요는 비록 2021년까지 서서히 변화될 것이지만, 한국의 거대한 반도체 산업에 의해 성장이 뒷받침되고 있다. 앞으로도 전 자 제품은 한국에서 나노소재에 대한 커다란 수요처가 될 것이다. 그러나, 에너지 제품, 건강치료 및 소비재, 패키 징 및 자동차 등과 같은 다양한 틈새 응용 또한 장기간 의 수요를 증가시킬 것이다.
한국은 컴퓨터 장비, 디스플레이, 휴대폰 및 다른 무선 정보기술 기기 등을 포함한 다양한 전자제품의 주요 생산 자이며, 이들 모두는 나노소재(금속, 금속산화물, 나노튜브 와 같은)의 중요한 수요처가 될 것이다. 예를 들어, 2011 년 삼성은 공표하기를 양자점을 활용한 4인치 작업(working) 디스플레이를 최초로 제조했다고 했다. 이는 현재 휴대용 전자 제품에 사용되는 LCD 디스플레이 훨씬 더 에너지 효율이 좋은 것이며, LG도 또한 Nanosys로부터 기술을 라이센스하여 디스플레이에 양자점을 적용하였다.
2016년 이후 한국에서 전자제품은 단연코 나노소재의 가장 큰 응용분야일 것 이지만, 새로운 응용 제품들이 상 용화되는 유일한 영역은 아니다. 에너지 저장 장치도 나노
소재에 있어서 주요 시장이 될 것으로 기대되는데, 한국이 첨단 이차전지의 세계적인 생산자중 하나이기 때문이다.
3. 결언
국내 나노기술은 미국, 일본, 독일에 이어 세계 4위의 우수한 기술경쟁력을 가지고 있으며, 이를 바탕으로 정부 에서는 2020년도 나노산업 강국 실현을 목표로 하고 있 다. 그러나 기술적 어려움, 나노기술의 안전 문제 그리고 정보 부족으로 인해 국내 기업들은 나노기술을 사업화하 는데 어려움을 격고 있는 것으로 나타났다.
지금까지 국내에서는 지속적인 연구개발 투자를 통해 나 노팹, 나노정보 제공 인프라 구축, 나노기술 기초연구 등 으로 기술경쟁력을 유지해 왔는데, 향후에는 전략적 투자 와 나노기술 상용화 지원을 통해 나노기술의 산업화로 전 환이 요구되고 있다. 이는 선진국의 추세와도 부합되는 경 향이다.
나노소재의 시장동향에 대해 살펴본 바와 같이, 전세계 적으로 나노소재 시장은 전체 나노기술제품 시장중에서 높 은 비중을 차지하고 있으며, 나노소재 중에서도 응용분야 측면에서 보면 현재는 전자분야의 비중이 높기는 하지만 앞으로는 건강치료 분야의 비중이 높아질 것으로 예상되 고, 성장률이 가장 높은 분야는 에너지 저장 분야라 할 수 있겠다.
국내는 이러한 세계적 동향과 거의 유사하지만, 전자제 품 분야가 상대적으로 높기 때문에 전자분야로의 응용이 여전히 절반(50%)을 넘을 것이며, 건강치료 분야와 에너 지 저장 분야의 성장률은 세계 동향과 유사하게 높을 것 으로 보인다. 따라서 국내 관련 기업들도 이러한 시장에 서의 동향과 성장률이 높은 분야를 고려하여 나노기술의 산업화에 관심과 노력을 기울일 필요가 있을 것으로 판단 된다. 즉, 국내에서 전자 분야로의 응용은 계속해서 주류 를 형성할 것이지만, 생물학적, 에너지, 환경, 국방 및 운 송 등에의 응용 또한 주요 관심 영역이라 할 수 있다.
Tabel 6. 나노소재 응용분야별 세계 시장 동향
Tabel 7. 나노소재 응용분야별 한국 시장 동향 (단위: 백만 달러)
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나노기술과 나노소재의 시장 동향
참고문헌
1. http://www.nanokorea.net/
2. “나노소재기술개발사업 특허전략보고서”, 2010.3.30.
나노소재기술개발사업단
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12. M. Roco, J. Nanoparticle Research, vol. 13, p427, 2011
유선희
2004년 연세대학교 세라믹공학과 박사
2011년 Rutgers Univ. Visitiong Scientist
2010년-현재 KISTI 책임연구원
