나노기술 및 정책 정보

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● Cientifica社는 산업 분야에서 시간의 경과에 따른나노기술의 영향과 확산을 정량화하는 주요한 연구를바탕으로 나노기술 모델을 제공하고 있음. 이 모델은나노기술에 투자되고 있는 글로벌 R&D를 고려하고 있으며, 자금제공 프로그램의 초기시점과 상업화 가능한성과물, 산업체의 R&D 성장률, 글로벌 GDP 성장 예측 및 산업 분야에서 보급률을 촉진하기 위한 주요 연구를 바탕으로 한 나노기술 보급률과의 사이에 7년간의 격차에서 중간시점에 있다고 가정하고 있음.

● 기술확산은 선형적이지 않으며 나노기술의 적용율이 급속히 변화하는 것을 고려한 Cientifica 모델은 몇몇 산업분야에서는 성숙기에 있으며, 반면에 다른 분야에서는 적용이 늦어지고 있음. 이러한 중요한 이유는비용과 분야라고 할 수 있음. 국방분야와 같이 비용에민감하지 않은 분야에서는 새로운 기술을 적용하여 성능향상이 실현될 수 있으므로 신속하게 적용되는 경향이 있음. 식품과 의류 같은 주요 산업분야는 낮은 이익으로 인하여 원가가 충분히 낮아질 때까지 새로운 기술의 적용이 제한되므로 반대로 되는 것이 현실임. 또한분야에 따라서는 적용이 변화하는 것도 있음. 화학산업은 지난 10여년간 나노소재를 적용해 왔으며 뒤늦게 적용된 다른 분야들에 비해 성장률과 시장진출은 다소 낮은 편이라고 할 수 있음.

● 나노기술기반의 생산시스템은 신뢰성 있는 공급체인을 통하여 충분한 수량의 특정 구성품(소재, 분산, 제품)이 가능하므로 이 모델은 2012-2013에 나노기술의적용률을 50% 계단함수로 가정함. 가내공업에서 주력산업으로의 이러한 전환은 디스크리트 전자부품에서집적회로(IC)로의 전환과 같이 아날로그적임.

● 이 모델은 돌발적인 과학적 혁신은 고려하지 않음.
그러나 이러한 것들이 트랜지스터의 발명일수도 있고DNA의 발견일수도 있으나 시장에 의한 기술의 채택은20~30년 정도 소요될 수 있음. 풀러렌은 22년 전인1985년에, 탄소나노튜브는 16년 전인 1991년에 각각발견되었음.

● 끝으로 이 모델은 나노기술을 적용하는 것은 반사회적 또는 비윤리적 상호작용이 아닐 뿐만 아니라 정치적인 이유로 연구가 급격하게 가속화되는 것도 아니라고가정함.

● 에너지분야에서 나노기술의 시장은 3가지 영역으로분류될 수 있음.

● 에너지 절약
- 양질의 절연체, 반도체 조명, 자동차 중량의 감소,화석연료의 연소효율 개선 등
● 에너지 저장
- 휴대용 전자제품과 하이브리드 전기자동차(HEV)용 리튬 이온 전지, 연료 전지용이나 수소자동차용수소저장 재료, 수퍼커패시터 등
● 에너지 생산
- 에너지를 전기로 변환하는 것에 주로 초점을 맞추고 있으며, 수소연료전지, 박막 및 유기태양전지에적용되는 것을 위주로 함.

● 2010년 이후에 주로 증가되는 연료전지로 인한 에너지생산의 성장으로 에너지절약 기술이 시장을 지배하고 있음. 특히 GM과 도요다와 같이 자동차산업에서현재 높은 R&D 비율은 2010년 이후 연료전지를 채택하게 될 것임. 그러나 가장 낙관적인 시장예측에서 조차도 에너지절약 기술이 현재부터 2014년 까지 <그림2>와 같이 주도할 것으로 보고 있음.

● 이와 같은 분석의 가장 주목할 만한 특징은 에너지절약 기술이 계속하여 주도하면서 2007년 전체 시장의62%에서 2014년에는 77%로 상승한다는 것임. 2007~2014년 기간 동안 에너지절약 기술의 연평균 성장률은 64%, 에너지생산 기술은 90%, 에너지저장 응용기술은 상대적으로 낮은 30%를 나타냄.

□ 에너지절약
● 에너지절약 응용기술의 시장은 초기에는 LED(발광다이오드), OLED(유기발광 다이오드)와 같은 반도체조명과, 자동차에 적용하여 중량저감용 복합재료로 사용되는 탄소나노튜브와 나노섬유가 주도함.

● 절연체 시장은 현재 몬트릴로나이트 나노점토와 같은 각종 충전재의 중합체와 에어로겔 시장으로 분리되고 있음. 그러나 아스펜 에어로겔(Aspen Aerogels)과카봇(Cabot)과 같이 에어로겔의 생산과 마케팅을 하는기업의 수가 증가하는 것을 보면 응용을 기반으로 하는절연체 시장이 급속히 증가하고, LNG 파이프라인 및벌크선의 절연에서부터 빌딩과 상업적응용으로 확장되고 있음. 경쟁이 치열해지고 생산량이 증가하면서 가격이 인하되어 적용률이 증가될 것으로 기대됨.

● 절연체로서 나노소재의 사용이 5억 9천만 달러 까지 증가하고 있는데 이것은 2006년도에 연평균 성장률5%, 221억 달러를 유지하고 있는 절연체의 전세계 시장에서 아직은 아주 작은 부분을 차지하고 있음.

● 반도체 조명 시장은 휴대용 전자제품의 백라이트에서부터 자동차 조명에 이르기까지 응용분야를 찾고 있는 고휘도 LED가 지배하고 있음. OLED 산업에서 높은 자본 비용은 2009~2010 이전에 시장진입장벽으로새로운 반도체기술과 LED와의 호환성이 결부되어 있음. 이 후에 생산량 증가로 인한 급격한 가격하락으로OLED가 반도체 조명시장에서 점유율이 증가될 것으로 예상됨.

● 영국의 옥소니카(Oxonica)의 위치에 도전하는 여러가지 다양한 화합물이 개발중에 있기는 하지만 현재 옥소니카는 연료 첨가 촉매의 세계시장을 석권하고 있음.
핵심요인은 많은 나라들이 미립자와 탄소방출에 대해보다 엄격한 규제를 하고 있으므로 법제화 될 것으로보임. 또한, 중동의 안정이 유지되고 더욱 활발하게 적용되고 있는 중국과 인도의 수요가 증가되고 있으므로적용률은 유가에 좌우될 것임.

● 시장의 규모가 향후 10년 이상 3자리수로 증가하는것으로 치열한 경쟁을 하고 있는 주요 화학산업의 주자들은 이러한 규모의 기회를 놓치지 않을 것임.

● 수송분야에서 나노복합소재 적용의 핵심 요인은 연료 첨가 촉매와 마찬가지로 법률제정과 유가라고 할 수있음. 시장은 2007년에 이미 7억 달러에 도달하였고,경쟁이 심화됨에 따른 나노소재의 가격하락과 생산공정의 안정성과 확장성은 적용률을 증가시킬 것임. 우주항공분야와 같이 원료 비용에 별로 민감하지 않은 분야는 이미 복합소재를 적용하고 있고, 보잉 787에서 복합소재의 사용은 가장 높은 수준에 도달해 있음.

□ 에너지저장
● 향후 에너지저장용으로 사용되는 나노소재의 대부분은 탄소나노섬유와 나노튜브로 결합된 리튬이온 전지가 될 것이며, 거의 대부분이 휴대용 전자제품에 사용될 것임. 휴대용 전자제품의 전지에 비해 시장은 작을지라도 하이브리드 전기자동차(HEV)용 리튬이온 전지에 사용되는 나노소재의 양은 2008년 이후에 증가될것임. CNT 가격의 하락으로 탄소나노튜브를 사용한수퍼커패시터가 도입되고 자동차 분야에서 여러 가지로 많이 응용될 것임.

● 수소저장소재의 시장은 예측이 잘 안되므로 눈에 띄는 명백한 승자는 없음.
비록 경험적인 결과가 중량으로 수소 1% 이상을 초과하는데 실패하였다 할 지라도 탄소나노튜브는 이론적으로 수소저장용으로 중간쯤 적합한 것으로 예측됨. 화합물의 개선된 컴퓨터 모델링은 비록 이론적인 결과를상업적인 실용화 제품으로 전환하는데 아직까지는 더많은 작업을 필요로 하지만 적합한 소재의 종류를 증가시키고 있음. 자동차산업에서 연료로서 수소를 적용하는데 시장의 규모가 훨씬 더 좌우되고, 이것은 적절하게 유지되는 필수 공급 인프라에 좌우됨.

□ 에너지생산
● 에너지생산 분야에서 유사한 발명특허권보호신청을적용하고 있는 에너지생산용 시장은 연료전지가 지배할 것으로 보이며, 자동차산업에서의 수용과 이용 가능한 공급 인프라에 크게 좌우됨. 많은 자동차 생산업체들이 2009년과 2014년 사이에 연료전지 발전용 모델을 도입하는 계획을 공개하였으나, 연료전지개발은 예상보다 다소 더디게 진행되고 있고, 분석가들에 의한예상은 최근 하향하는 것으로 변경되었음. 여기에 나타낸 <그림 3>과 <그림 4>는 최근에 가장 보수적인 예측을 근거로 하고 있음.

● 각종 박막필름과 유기태양전지는 이미 소량으로 시장에 출하되고 있음. 2010년부터 생산공정이 충분히계량화가 가능할 것이므로 현재 광전기술의 가격 이하로 충분히 낮아질 것으로 예상됨.

□ 적용 분야별 전체 에너지 시장
● 2007년부터 2014년 사이에 수송시장은 주거응용56% 및 휴대용 전자제품 26%에 비해 연평균 75%로 가장 높은 성장률을 나타낼 것임. 그러나 수송분야는 중량 저감을 위한 나노복합소재의 사용, 나노 적용 연료전지 및 배터리 그리고 엔진 효율을 증가시키는 연료 첨가촉매의 사용으로 우세한 응용분야가 될 것으로 기대됨.

♣ 이일형 책임연구원(ihlee@kisti.re.kr)