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[소재 특집 ④] 더 나은 소재를 찾기 위한 여정

부가가치가 높은 소재산업은 제조업의 주춧돌이자 선진국 도약의 기준이 되는 산업이다. 또 핵심 소재를 개발하는 데 성공할 경우 오랜 기간 시장을 지배할 수 있다는 점에서 주목할 만하다. 실제로 일본의 화학소재 전문기업인 도레이(TORAY)는 30여 년간 적자에 시달렸지만 1970년대 개발한 탄소섬유(CF)로 인해 상황을 반전시켰다. 2006년에는 미국의 보잉(Boeing)과 17조 원 규모의 장기 계약을 체결했으며, 최근에는 세계 탄소섬유 시장의 70% 가량을 점유하고 있다.

이러한 이유 때문에 지난해에는 ‘제4차 소재·부품 발전 기본계획’, ‘제4기 나노기술종합발전계획(2016~2025년)’, 9대 국가전략 프로젝트가 추진되고 신소재산업협의회가 발족되는 등 다양한 활동이 이뤄졌다. 또 4차 산업혁명과 관련된 신산업을 육성하고 기존 주력산업을 고도화하기 위해서도 소재부품산업의 경쟁력 향상은 간과할 수 없는 문제다. 4차 산업혁명에 대응하기 위해 필요한 소재부품 기술은 아래 표를 참고하면 된다.

소재산업의 중요성이 높아지면서 더 나은, 새로운 소재를 찾기 위한 여정은 지금도 계속되고 있다. 하지만 무조건 신소재를 개발하는 것만이 능사는 아니다. 재료연구소 경량금속연구실 김수현 책임연구원은 “새로운 소재를 개발하는 것도 중요하지만, 실제로 해당 소재를 활용하는 입장인 제조 현장을 간과해선 안 된다”며 “강도나 경량성, 내식성 등과 함께 가공성, 경제성 또한 고려되어야 한다”고 이야기했다.

CFRP, 관건은 원가 절감

이러한 관점에서 봤을 때 CFRP는 충분한 검증을 거쳤지만 높은 원가로 인해 활용도가 낮다는 점에서 앞으로 연구 및 개발이 필요한 소재다. 재료연구소에서 발간한 「소재기술백서2015」에 따르면 자동차 무게가 100kg 줄어들면 주행거리 100km당 0.3~0.5리터의 연료를 절약할 수 있으며, 이산화탄소 배출량은 1km당 8.0~12.5g 감소한다고 한다.

이에 따라 최근 자동차 부문에서는 경량화가 화두로 떠오르고 있다. 문제는 앞으로 자동차 시장의 새로운 패러다임으로 자리매김할 전기자동차나 하이브리드카, 플러그인 하이브리드카는 대용량 배터리로 인해 차량의 중량 증가를 피할 수 없다는 사실이다. 따라서 대용량 배터리로 인해 증가한 중량만큼 경량화를 꾀하기 위해 CFRP의 적용이 늘 것으로 보인다.

재료연구소의 발표에 따르면 자동차용 CFRP 부품의 세계 시장 규모는 2013년 22억 달러에서 2024년 54억 달러까지 확대될 전망이라고 한다. 연평균 성장률은 8.8%에 이른다. 2010년 이전만 해도 CFRP는 주로 경주용 자동차나 고급 차량에 활용되었으나, 최근에는 BMW가 양산형 모델인 i3와 i8의 차체 일부에 CFRP를 활용하는 등 그 쓰임새가 점차 증가하고 있다. ‘대량 생산’과 ‘원가 절감’ 문제만 해결된다면 앞으로 CFRP의 활용량은 대폭 증가할 것으로 전망된다.

차체 일부에 CFRP가 적용된 BMW의 i3 모델(이미지 출처_BMW)
차체 일부에 CFRP가 적용된 BMW의 i3 모델(이미지 출처_BMW)

다중소재와 3D 프린팅

재료연구소는 소재 분야의 향후 연구방향 중 하나로 ‘다중소재(multi materials)를 활용한 경량화 효율 극대화’를 꼽았다. 다중소재는 앞서 이야기한 복합소재와는 다른 개념이다. 복합소재가 여러 종류의 소재가 각각의 물성을 유지한 채 하나의 소재로 섞이는 것이라면, 다중소재는 하나의 시스템 구조물에 대해 각각의 파트를 서로 다른 소재로 제작한 뒤 용접이나 접합을 통해 이들을 하나로 이어 붙이는 것이다. 관건은 접합기술이다. 이에 따라 최근에는 3D 프린팅을 활용해 다중소재 생산의 효율성을 향상시키는 방안이 논의되고 있다.

3D 프린팅의 적용 분야가 확대되기 위해서는 3D 프린터용 분말 소재에 대한 연구 및 개발이 선행되어야 한다.
3D 프린팅의 적용 분야가 확대되기 위해서는 3D 프린터용 분말 소재에 대한 연구 및 개발이 선행되어야 한다.

4차 산업혁명 시대로의 흐름 속에서 소재나 뿌리기술, 가공의 정밀도 등에 관한 논의는 차순위로 밀리기 십상이다. 그러나 3D 프린팅 제품의 물성을 최적화하거나 태양전지의 효율을 향상시키거나 웨어러블 기기의 부가가치를 높이는 등의 다양한 고민은 대개 ‘소재’로 귀결되기 마련이다. 이러한 점에서 “앞으로 어떤 새로운 기술이 등장하더라도 소재부품은 언제나 산업의 핵심 키워드가 될 것”이라는 한국생산기술연구원 이덕근 중소중견기업지원본부장의 견해는 많은 사실을 시사한다.

[제조업과 소재 특집] 연결기사 보기
①제조업의 근간, 소재산업의 현주소
②경량화, 선택 아닌 필수
③난삭재 가공, 더 이상 어렵지 않다
④더 나은 소재를 찾기 위한 여정

About 송해영 기자

제조업이 꼭 어려울 필요 있나요? 쉽지만 깊은 기사를 쓰기 위해 노력하고 있습니다:)