Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
니켈/구리 촉매기반 탄소나노섬유 성장방법 및 그 방법으로 제조된 탄소나노섬유
Ⅰ. 제안기술 개요
기술의 내용 기술의 동향 제품화 및 시장 전망
탄소나노섬유의 직경 및 형태를 용
이하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라,
균일하고 비표면적이 큰 탄소나노섬
유를 성장시킬 수 있는 방법에 관한
기술임.
종래의 무전해 도금에 비해 선활성
화과정이나 복잡한 용액조성이 필요
없으므로 쉽고 간단하며 비교적 저
렴한 비용으로 탄소나노섬유를 제조
할 수 있는 장점이 있음
[국내동향]현재 탄소소재 시장은 일본과 중국, 미국
이 대부분을 차지하고 있으며, 이에 대
응하기 위해 국내 기술개발이 필요한 실
정임
탄소소재 산업은 정부의 전폭적 지원(지
원예산 3,000억 원 이상) 아래 2030년까
지 연 매출 100조 원, 고용창출 2만 명,
기업유치 200개사를 목표로 하고 있음
최근 복합소재분야에서 경량화, 내구성
향상 등이 용이한 탄소섬유 및 탄소나
노섬유에 대한 기술개발이 활발히 이루
어지고 있으며, 주로 공공연구소 및 대
학을 중심으로 연구가 이루어짐
[해외동향]
아크방전법, 플라즈마 방전법 등이 개발
되었으나, 생산단가가 높아 산업적으로
응용이 어려운 상황이며, 가장 적합한
방법으로 화학기상증착법이 알려져 있음
상용화단계
일반 □ 아이디어 □ 연구 ■ 개발 □ 개발완료(시제품) □ 제품화
의약바이오 □ 라이센싱 □ 개발 □ 제품화
핵심키워드
한글 (5개 이내) 탄소나노섬유 니켈/구리 촉매 화학기상증착 복합소재
영문 (5개 이내)Carbon
nanofiberNi/Cu catalyst
Chemical Vapor
DepositionComposite
Ⅱ. 기술개발자 정보
기관명 계명대학교 부 서 표면분석화학연구실
성 명 이창섭 직 급 교수
전 화 053-580-5192 이메일 [email protected]
Ⅲ. 특허정보
특허현황 사업화 대상기술 관련특허 출원 1건 / 등록 4건, 총 5건
구 분 상 태 출원(등록)일 권리번호 특 허 명
대상기술1 등록 2015-12-08 10-1577360니켈/구리 촉매기반 탄소나노섬유 성장방법 및
그 방법으로 제조된 탄소나노섬유
관련기술1 등록 2015-02-09 10-1493469전기영동 증착법을 이용한 탄소나노섬유 성장방법 및
그 방법으로 제조된 탄소나노섬유
관련기술2 등록 2015-12-22 10-1580928코발트-구리계 촉매를 이용한 실리콘계 탄소나노섬유
합성방법
관련기술3 등록 2007-05-21 10-0722429나노입자의 구리-망간 산화물 촉매의 제조방법 및 이에
따라 제조된 촉매
관련기술4 출원 2014-06-26 10-2014-0078888실란계 작용기가 부착된 메조포러스 실리카 물질의 제조
방법
- 1 -
1. 기술권리성
1) 권리구성의 적절성
◦ 대상특허 : 대한민국 등록특허 10-1577360 보유
독립항 2개, 종속항 7개로 총 9개의 청구항으로 구성됨
독립항 1항 및 2항 : 탄소 나노 섬유 제조 방법을 단계별로 구성
종속항 : 각 단계별로 내용을 구체화함
◦ 관련특허 : 등록특허 3건(10-1493469, 10-1580928, 10-0722429) 및 출원특허 1건
(10-2014-0078888) 보유
◦ 본 기술은 기존에 활용되던 탄소나노튜브가 아닌 탄소나노섬유를 이용한 신규
기술로써, 해당 기술 분야에서 우선적 지위를 확보하였음
◦ 획득한 특허권을 바탕으로, 이를 이용한 지식재산권 방어 전략을 확보함
2) 권리의 범위
◦ 전기영동 증착법을 이용한 니켈/구리 촉매기반 탄소나노섬유 성장방법
Step 1 : 양극을 카본전극으로 하고 음극을 탄소섬유 직조물(C-fiber textiles)로
하는 전기영동 증착법으로, 상기 탄소섬유 직조물에 니켈(Ni) 및 구리
(Cu)를 촉매를 증착
Step 2 : 니켈 및 구리 촉매가 증착된 탄소섬유 직조물을 환원하는 단계
Step 3 : 환원된 탄소섬유 직조물(C-fiber textiles)에 에틸렌 가스를 이용하여
화학기상증착법(CVD)으로 탄소나노섬유를 성장시킴
- 2 -
니켈/구리 촉매기반 탄소나노섬유 성장방법 절차도
3) 권리의 안정성(법적 안정성과 유사권리대비 경쟁력)
◦ 신규성 및 진보성 판단
청구항 1항 ~ 10항
⦁ 니켈/구리 촉매를 C-fiber textiles에 증착시키고, 에틸렌 가스 공급 시 수소
가스를 함께 공급하여 제조하는 방식이라는 점에서 기존 기술과 차이점을
보임
따라서 특허협력조약(PCT) 제33조(2) 및 제33조(3)에 따른 신규성 및 진보성을
확보하고 있는 것으로 판단됨
◦ 산업상 이용가능성
특허협력조약(PCT) 제33조(4)에 따라 산업상 이용이 가능함1)
1) 특허헙력조약(PCT) 제33조(국제예비심사) (2) : 국제예비심사의 목적상, 청구의 범위에 기재되어 있는 발명은 규칙에 정의된 선행기술에 의하여 예상되지
아니한 경우에는 신규성을 가지는 것으로 본다. (3) : 국제예비심사의 목적상, 청구의 범위에 기재되어 있는 발명은 규칙에 정의된 선행기술을 고려할 때 소정의
기준일에 당해 기술분야의 전문가에게 명백한 것이 아닌 경우에는 진보성을 가지는 것으로 한다. (4) : 어떠한 종류의 산업분야에서든지 동 발명의 실정에 따라 기술적인 의미에서 생산되고 사용될 수 있는 것일
경우에는 산업상의 이용가능성을 가지는 것으로 한다. "산업"은 공업소유권의 보호를 위한 파리협약에 있어서와 같이 가장 광의로 해석된다.
- 3 -
2. 시장규모
1) 목표 시장
◦ 본 기술이 적용되는 시장은 광의의 개념으로는 탄소소재(탄소나노섬유) 시장이
라고 할 수 있으며, 협의의 개념으로는 이차전지 소재 시장이라고 할 수 있음
◦ 글로벌 탄소소재 시장규모는 2011년 444억 불에서 2030년 5,385억 불 규모로 12배
성장할 것으로 전망되며, 국내 시장규모는 2011년 31억 불에서 2020년 169억 불
규모로 14배 가량 성장할 것으로 전망됨
국내 탄소소재 시장규모 현황 및 전망
세계 탄소소재 시장규모 현황 및 전망
* 출처 : C-산업 발전전략 보고서, 2012.
- 4 -
◦ 탄소나노섬유(Carbon nanofiber, CNF) 시장
현재 글로벌 탄소섬유 시장의 선두업체는 일본의 ‘도레이(Toray)’社가 있으며,
‘도레이’社에서 발간한 ‘도레이 비즈니스 전략’ 리포트에 따르면 탄소나노섬유 시
장은 연간 11% 이상씩 성장하여, 오는 2020년까지 50억 달러에 달할 것으로
전망됨
국내 탄소나노섬유 시장은 2015년 기준, 84억 원 규모에서 연평균 12% 성장하여
2018년에는 118억 원 규모로 성장할 것으로 전망됨
국내 탄소나노섬유 시장규모 현황 및 전망
◦ 연료전지(항공기, 자동차, 조선 산업 내, 이차전지)
잠수함이나 우주선 등의 특수한 장비에서는 이미 상업화가 진행되었으나 그
밖에 다른 분야들에서는 아직까지 본격적인 상업화가 진행되지 않았으며, 시
장이 점점 형성되어 가는 단계임
발전용 연료전지의 경우 현재 상업화가 진행중이고 정부의 지원 하에 시장의
크기가 증가하고 있음
수송용 시스템에 활용하는 연료전지의 경우, 미국 에너지국 (Department of
Energy)에서 2005년부터 5년간 시범 운행을 진행한 적이 있고 일본 혼다, 도요타
등에서 2015년 이후 연료전지 자동차에 대한 상용화를 목표로 함
유럽, 미국, 일본, 국내의 자동차 회사들 또한 2020년까지 연간 50만대 이상의
연료전지 자동차 시장이 형성될 것으로 보고, 이에 대한 준비를 하고 있음
- 5 -
리튬 이차전지 시장 성장 전망
J-ecomomic Center에 의하면 2020년 연료전지 시장에서 PEMFC의 경우 주택용
연료전지 보급이 향상되어 연료전지 사용이 크게 증가할 것으로 예상하였고 미
국 에너지국의 경우 2020년경에 시장 규모가 400억 달러에 이를 것으로 전망함
전세계 연료전지 시장 전망 : 응용분야별(2010~2020) (단위 : 억 엔)
* 출처 : 후지 경제.
◦ 방열소재
방열소재 시장은 2015년 10,250억 원에서 2018년 13,300억 원으로 연평균 9%씩
성장할 것으로 전망됨
방열소재 세계시장 규모 현황 및 전망
* 출처 : 일본 富士経済, 熱制御・ 放熱部 材の世界市場, 2012, 2014,
- 6 -
◦ 전자파 차폐재(EMI)
전자파 차폐재의 세계 시장 규모는 2015년 6조 2천억 원 규모에서 2019년 7조
3천억 원 규모로 성장할 것으로 예상됨
- 연평균 성장률은 2014~2019년 사이에 4.4%에 이르며, 공공·전기/전자 시설의
전자파 간섭 방지 대책이 국가적 차원에서 계획되고 있음을 고려할 때, 전자파
차폐재 시장의 성장률은 이보다 더 증가할 것으로 예상됨
전자파 차폐재 세계 시장규모 현황 및 전망
* 출처 : BCC Research, 2014.
자동차용 전자파차폐 탄소/고분자 복합소재의 국내 시장규모는 2015년 80억 원
에서 2019년까지 260억 원으로 연평균 33% 성장할 것으로 전망됨
자동차 전자파차폐용 탄소/고분자 복합소재의 국내외 시장규모 및 전망
2015 2016 2017 2018 2019 CAGR
국내 80 110 150 200 26033%
세계 2,200 2,900 3,800 5,100 6,700
* 출처 : 고기능 전자파차폐 최신 기술&산업 동향 세미나, 서울대글로벌공학센터, 2015.07.
◦ 고분자 복합소재
고분자 복합소재는 2017년까지 1,683억 달러 규모로 성장할 것으로 예상되며,
2012년 대비 30% 성장할 것으로 예상됨
- 7 -
고분자 복합소재 세계 시장 규모 현황 및 전망
* 출처 : 중소기업기술로드맵, 2014.
- 8 -
3. 기술 유용성
◦ 나노 섬유(nanofiber)는 대략 1μm 이하의 매우 작은 직경을 가진 초미세 섬유로서
의료용 소재, 필터, MEMS, 나노 소자 등 많은 응용분야를 가짐
◦ 나노 섬유는 단위 질량당 표면적이 매우 크고, 유연하며 미세공간이 많고 단위
면적당 존재하는 섬유의 수가 많아서 다른 소재와의 혼화가 가능함
기능성 나노 소자를 제조하는데 사용될 수 있고,기능성 나노 소자는 플렉시블
전자기기, 웨어러블 디바이스 등을 가능하게 함
탄소나노섬유의 형태
* 출처 : Langmuir, 2006.
◦ 탄소나노섬유의 특성
탄소나노섬유는 일반적으로 탄소 함량이 90% 이상, 1 µm 미만의 섬유 형태를
가지는 섬유상의 탄소재료를 뜻하며, 철에 비해 무게는 1/4 수준이면서도 10배
이상 강한 강도를 가짐
탄소나노섬유의 특성 및 장점
* 출처 : Langmuir, 2006. / 탄소(소재)의 특성, 국제탄소산업 포럼, 2015.
- 9 -
◦ 현재 탄소소재 시장은 일본과 중국, 미국이 대부분을 차지하고 있으며, 이에 대응
하기 위해 국내 기술개발이 필요한 실정임
최고기술 보유국 대비 국내 기술수준
* 출처 : 소재기술백서(3), 재료연구소, 2012.
◦ 탄소소재의 수요가 가장 많은 자동차, 건설, 산업재 분야에서 재료에 대한 고성
능화, 고기능화, 다양화 요구가 증대되고 있는 실정임
◦ 자동차 및 항공기 소재산업에서 기존의 금속 및 플라스틱 소재를 탄소소재로
대체하는 추세를 보이고 있어, 탄소소재의 수요처는 더욱 확대될 전망임
탄소소재 국가별 시장점유율 탄소소재의 산업별 활용 비중
* 출처 : 한국무역협회, 지식경제부, 2010. / “미래로 뛰는 지방자치” <9>, 동아일보, 2009.09.24.
- 10 -
1) 기술의 혁신성
◦ 본 기술의 적용이 가능한 중대형 이차전지 시장은 에너지 밀도가 중요한 이슈
이며, 이를 개선하기 위한 음극재의 고용량화가 필요한 상황임
현재 리튬 이차전지의 음극재료로 ‘흑연’이 일반적임
그러나 ‘흑연’은 충전 용량이 372 mAh/g에 불과해 이를 개선할 수 있는 새로운
음극활물질의 개발 및 적용이 필요함
◦ 또한 국내 이차전지 제조기술은 경쟁력을 확보하고 있으나, 소재와 관련한 핵심
기술은 선진국 대비 30~40% 수준임
현재 음극재의 국산화율은 1% 수준으로 매우 저조한 상황이며, 리튬 이차전지
산업의 경쟁력 강화를 위해 핵심소재의 국산화가 절실함
리튬 이차전지 소재 국산화율
* 출처 : 산업통상자원부, 2014.
◦ 용량 및 전극의 수명 특성을 개선한 “탄소나노섬유”를 개발하였으며, 개발된
“탄소나노섬유”를 활용하면 중대형 이차전지 산업(자동차/에너지 산업)의 수요를
충족시킬 수 있음(‘흑연’을 활용한 기존의 리튬 이차전지 대비)
SiO2 : Si 대비 이론용량(1,945mAh/g)
SiO2/탄소나노섬유 : 충·방전 시 부피 팽창 적음, 우수한 용량 유지율
- 11 -
본 발명에 의한 탄소나노섬유 구조 실험 결과
- 12 -
탄소나노섬유 / EPDM 복합소재의 물성 연구/시험 결과
◦ 내열 및 경량화가 요구되는 타 소재에 적용 가능
- 다양한 기능기의 기능화를 통해 EPDM 고무뿐만 아니라 다른 고무소재, 플라
스틱 및 수지와의 복합소재 합성으로 기존 고무소재를 다방면으로 응용이 가능
◦ 탄소나노복합소재(CFRP)의 합성에 문제가 되고 있는 탄소나노소재의 분산 문제를
근본적으로 해결할 수 있음
- 탄소나노소재의 분산으로 복합소재의 기존특성 향상 및 기능성 부여
- 탄소나노소재의 분산이 가능해짐에 따라 분산기술의 향상 및 다양화가 가능함
- 다양한 기능을 가지는 고분자 복합소재의 합성으로 그 응용분야가 확대됨
2) 기술수명(기술의 활용으로 수익 창출할 수 있는 기간)
◦ 인용특허수명(CLT) 분석 및 해당 기술의 IPC를 통해 기술의 경제적 수명을 추정한
결과 6~8년 정도 수익 창출이 가능할 것으로 판단됨
- 13 -
3) 파급성(대상기술 적용 가능 제품 수)
◦ 국산화 가능한 응용분야
고분자 복합소재(탄소나노섬유 복합소재)
IT 및 Mobile 기기의 방열소재(금속 박판 및 흑연/그래핀 소재 대체 가능)
전자파 차폐재(IT 관련 제품 생산용 EMI 소재로 판매)
이차전지(연료전지)
경량화 소재 등
탄소소재 응용분야
* 출처 : "슈퍼섬유의 총아 탄소섬유시대가 열렸다", TIN뉴스, 2012.
◦ 고분자 복합소재
차체 및 구조재에 대한 고성능화, 고기능화, 다양화 요구 증대
고방열, 고내열, 고강고, 초경량, 전자파차폐, 흡수 등의 기능이 요구됨
연비향상 및 수명 증대를 위해 나노복합소재가 응용되고 있음
- 열전도율이 우수한 탄소나노섬유의 응용으로 기존 EPDM(Ethylene propylene
diene monomer) 또는 TPE(Thermoplastic elastomer) 고무에 비해 내열성 및
경량성을 확보한 복합소재를 합성할 수 있음
- 탄소나노섬유와 폴리올기 외 기능기 첨가로 다양한 소재와의 복합소재를 합성
할 수 있음
- 14 -
◦ 방열소재
각종 IT 및 Mobile 기기 등의 방열소재로서 기능이 우수하므로, 기존의 금속
박판 및 흑연/그래핀 소재를 대체할 수 있음(국산화 소재로 대체 가능)
◦ 전자파 차폐재
휴대폰, 컴퓨터 등과 같은 민감한 전자소자는 전자파 장해로부터 보호할 수 있는
차폐재가 필요하며, 주로 금속물질이 사용되는데 이는 경량화 및 소형화에 걸
림돌이 되고 있음
탄소나노섬유를 전자파 차폐재에 적용하면 내부식성 및 유연성 향상, 경량화가
가능함
금속 또는 그래핀을 이용한 전자파 차폐재
[ 금속 전자파 차폐재 ] [ 그래핀 전자파 차폐재 ]
◦ 이차전지
- 탄소재료 중 하나인 천연 흑연은 가격이 저렴하나 충전 효율이 낮아 잘 사용되
지 않았으나 중대형 이차전지의 가격적 문제로 최근 천연 흑연과 인조 흑연을
혼합하여 사용하는 추세임
- 음극재로 주로 사용된 탄소계열의 천연 흑연과 인조 흑연을 탄소나노섬유로 대체
할 수 있음
- 15 -
4) 파급효과(고객에게 미치는 영향)
◦ 고분자 복합소재
내열성, 경량화, 내구성능 향상(고강도) 등의 산업 니즈를 충족시킬 수 있음
주요 고객이 될 자동차 제조업의 최근 이슈인 연비향상 및 안전성 향상을 위
해 탄소나노섬유를 적용하여 경량화를 통한 연비향상, 강도향상을 통한 안전성
향상을 실현할 수 있음
탄소나노섬유의 고분자 복합소재 적용 예시
◦ 방열소재
차세대 전자소자는 경박단소 및 다기능화, 고집적화하고 있어 열 밀도의 증가
로 열의 방출 문제에 대한 대책이 요구됨(열의 방출이 디바이스의 신뢰성 및
수명과 밀접한 관련이 있음)
고방열 소재(과거부터 사용된 재료)는 동판 또는 탄소계열의 그래파이트, 그래핀
이며, 이들 소재를 적층한 필름 또는 시트상의 제품이 현재까지도 주로 사용되고
있으나, 본 기술을 적용하면 이러한 소재들을 탄소나노섬유로 대체할 수 있음
전자제품의 내구성 향상을 통한 수요자(소비자)들의 전자기기 구매비용 및 유지
비용 감소, 절약 효과가 있음
Mobile Phone 내부 방열시트 적용 사례 / 기존 그래파이트시트 이미지
- 16 -
◦ 전자파 차폐재
모든 IT/mobile 전자 기기/부품에 전자파차폐재로 사용할 수 있음
기존에 활용되고 있는 금속을 이용한 전자파 차폐재의 경우 경량화 및 소형화가
어려우며, 그래핀의 경우 성능 대비 가격이 매우 비싼 단점이 있음
전자파 차폐재에 탄소나노섬유를 적용하여 제조사의 제품개발비용 감소 및 수
요자의 구매비용 절약 효과가 있음
나노복합체 물질을 이용한 차폐 소재 개발은 부식에 강하며 또한 유연성과
가벼운 무게로 전자제품의 경량화 및 소형화에 활용할 수 있음
◦ 이차전지
이차전지 산업의 경쟁력 강화를 위해 국산화가 절실한 상황이며, 특히 음극재의
국산화율이 1% 미만이므로 이차전지 및 에너지저장시스템 음극재의 국산화
및 수입대체효과를 거둘 수 있음
가격이 저렴하나 충전 효율이 낮은 천연 흑연대신 탄소계열의 탄소나노섬유로
대체하여 중대형 이차전지의 충전 효율을 높이고자 함
전지 타입별 전기자동차 적용 사례
- 17 -
5) 정책적 지원(정부차원의 전략적인 신기술개발 지원 정도)
◦ 탄소소재 분야의 국가경쟁력 확보를 위해, 정부는 탄소섬유를 포함한 C-산업 발전
전략*을 수립하고 진행하고 있으며, 향후 ‘C-Star기업육성’ 등 탄소소재의 산업
화를 위해 집중적으로 지원할 것을 발표한 바 있음
탄소소재 6대 핵심소재(탄소섬유, 탄소나노튜브, 활성탄소, 그래핀, 카본블랙,
인조흑연)를 3개 권역(경인, 동남, 서남)별로 육성하여 2018년까지 6대소재의
생산자립화를 달성하고 글로벌 C-기업 육성을 위한 30대 과제를 추진하는 발전
전략(지식경제부 C-산업 발전포럼, 2012.11.15.)
C-산업 분야 및 발전 방향
* 출처 : 지식경제부 보도자료, 2012.11.
6대 C-소재 : 인조흑연, 탄소섬유, 카본블랙, 탄소나노튜브, 활성탄소, 그래핀
원료수급 원활화 및 중간원료 생산자립화
: 선진기업과 합작 투자, 독자적 공정기술 고도화 등을 통해 C-소재별로 차별화
된 지원 제공
C-소재별 맞춤형 지원
: 국내 기술수준, 산업 성숙도 등을 고려하여 해외기업과 합작투자, R&D, 양산
체제 구축 등 C-소재별로 차별화된 지원 제공
- 18 -
C-Star 소재개발사업 추진
: ‘중간원료 → C-소재 → C-제품’까지의 개발 과정을 패키지 형태로 연계하여
기술개발 지원
지역별 지원거점 구축 : 지역별 산업배치, 연구개발 네트워크 등을 고려하여 3개
권역에 연구거점 및 기업지원 인프라 구축
시험평가역량 강화 : 기계탄소기술원, 화학연, 화학시험연 등 기존 연구기관을
활용하여 소재별로 품질/물성/성능을 검사할 시험평가기관
지정
- 19 -
4. 기술 경쟁성
1) 차별성(기존 또는 유사기술 대비 경쟁적 우위성, 친환경성 등)
◦ TEOS가 가수분해 되어 SiO2가 carbon nanofiber에 균일하게 코팅됨
◦ Cyclic voltammetry
0.4V에서 산화 peak가, 0.5V 및 0.3V 에서 환원 peak
LixSi로 합금화되고 SiO2로 재생되면서 가역적 전지 반응을 보임
Cyclic voltammetry (이차전지의 가역성) 실험 결과
◦ Galvanostatic charge-discharge
CNFs
⦁ 초기 discharge capacity 314 mAh/g
⦁ 29 cycle에서 dicharge capacity가 285 mAh/g
⦁ Capacity retention : 91%
SiO2/CNFs
⦁ 초기 discharge capacity 2,050 mAh/g
⦁ 29 cycle에서 discharge capacity가 1,295 mAh/g
⦁ Capacity retention : 63%
⦁ 5 cycle 이후 90% 이상의 Coulombic efficiency
- 20 -
Cyclic voltammetry (이차전지의 가역성) 실험 결과
2) 모방용이성
◦ 촉매의 조성 및 합성 조건을 조절하여 탄소나노섬유의 특성을 최적화시키며, 우
수한 물리화학적 특성을 가지는 탄소나노섬유를 이용한 나노탄소고분자 복합소재
(CNFRP)의 생산을 목표로 함
◦ 기술의 핵심은 Ni-Cu 촉매 증착 및 탄소나노섬유 성장 방법에 대한 기술로 연구자
의 기술적 노하우가 상당히 중요한 기술로 기술적 모방이 쉽지 않음
따라서 향후 모방을 통해 현재 이익 및 미래에 향유하고자하는 이익이 크게
침해받지는 않을 것으로 판단됨
3) 회피비용
◦ 유사기술 개발 시 소요비용을 추정한 결과, 본 기술 개발에 소요된 비용인 500
백만 원과 비슷한 수준이 될 것으로 판단됨
- 21 -
4) 대체기술 존재 여부
◦ 최근 소재분야에서 경량화, 내구성 향상 등이 용이한 탄소나노섬유에 대한 기술
개발이 활발히 이루어지고 있음
국내 탄소나노섬유 관련 기술개발은 주로 공공연구소 및 대학교를 중심으로
이루어지고 있으며, 해당 기관 현황은 아래와 같음
국내 탄소나노섬유 연구개발 선도 기관 현황
기관명 주요 내용
재료연구소
•구조용 고분자 나노복합재 구조 설계/해석 평가기술 및 제조 연구
•탄소나노필러복합재 기술
- CNT/탄소섬유 multi-scale 복합재 제조 기술
- 고점도 고분자 나노복합재 분산 기술
KIST
•Dispersant를 이용한 SWCNT및 MWCNT 고분자 나노복합소재 개발
•자동차 내/외장재용 열가소성수지 고분자 복합재료 개발
- Surf free 유화 중합에 의한 PMMA/nano day 복합재
- PS/nano clay masterbatch제조
•전도성나노복합재 연구
•고전기장이용 복합소재 제조공정 기술
대구
화학연구원
•고분자 나노복합소재 개발
- 고내열나노필러, 고분자 나노복합재저유전 고분자소재
(폴리스티렌, PES, 폴리이미드 등)
- 폴리프로필렌 나노난연재, CNT/PP 복합재, 플리비닐 알코올
나노복합 소재, 고유전나노복합필름
- 엘라스토머나노복합재 개발
•나노복합 구조체용 나노필라멘트 및 나노복합재료 재조기술
서울대 •CNT,nano day 고분자 복합재 제조, 분자 모델링 및 수치해석
KAIST
•CNT, CNF,플러렌, 그래핀 등 고성능 나노탄소소재 제조 및 고분자 나노복합재 기술
•환경적응형, 마이크로/나노 구동용 스마트 복합재료 제조 및 물성 연구
•고강도 고분자 나노복합재를 이용한 복합소재 구조물 설계 및 제작
포스텍•구조 성능을 위한 나노복합재 디자인, 모델링 및 시뮬레이션
•구조용 고분자 나노복합재 건전성 평가를 위한 센서 연구
◦ 현재로서는 아크방전법, 플라스마 방전법 등이 있으나, 생산단가가 높아서 산업
적으로 응용이 어려움
◦ 현재까지 탄소나노섬유의 생산에는 화학기상증착법이 가장 적합한 상황임
- 22 -
5) 경쟁자에게 미치는 영향
◦ 보유한 특허권을 기반으로 국내 경쟁사 및 글로벌 이차전지 시장에서 우선적
지위를 선점한 상황임
◦ 탄소소재 산업의 value chain을 살펴보면 원료에서 소재 부품 및 최종제품까지
연계되어 있음
따라서, 본 기술인 탄소나노섬유 합성 기술을 기반으로 탄소 소재를 확보하고,
이에 따른 탄소 산업의 활성화로 인한 고부가 첨단산업의 부흥이 기대됨
탄소소재 산업의 value chain
소재 확보부터 제품화까지 전체 Process에 본 기술이 적용되면 원가절감 효과
를 확보할 수 있음
이를 통해, 가격경쟁력 및 기술경쟁력을 무기로 목표 시장의 기존 경쟁자들의
시장점유율을 분할시키고, 사업화 기업의 시장점유율은 향상시킬 수 있음
- 23 -
5. 산업특성
1) 산업특성
◦ 현재 탄소소재 시장은 일본과 중국, 미국이 대부분을 차지하고 있으며, 이에 대응
하기 위해 국내 기술개발이 필요한 실정임
2) 산업성장성
◦ 탄소소재를 전자파 차폐재, 방열소재, 복합소재, 이차전지 음극재 등으로 활용할
경우, 최대 200배의 부가가치를 창출할 수 있음
◦ 전자통신의 발달로 보다 많은 전자파의 이용이 불가피한 사회 환경을 고려하였
을 때, 전자파 간섭은 더 이상 간과 할 수 없는 문제가 되었으며 가전 및 통신
기기에 대한 EMI 규제가 강화되고 있는 추세임
이 외에도 레이더 위사 방지 대책용, 이동체 통신용 무선장해방지 대책, 고층
건조물 벽면용 등 다양한 분야에서 전자파 차폐재가 활용되고 있어, 적용 가능
한 시장규모는 더욱 클 것으로 예상됨
전파 흡수체의 용도 및 사용례
* 출처 : 고기능 전자파차폐 최신 기술&산업 동향 세미나, 서울대글로벌공학센터, 2015.07.
- 24 -
3) 경기변동의 특성
◦ 단기적으로는 예측하기 어려우나, 현재 주로 자동차나 항공기에 주로 사용되고
있는 금속 및 플라스틱을 탄소소재로 대체하기 시작한 추세임
◦ 장기적으로는 탄소섬유를 탄소나노섬유로 대체되고 있는 상황을 고려하면, 탄소
나노섬유의 시장은 경기의 영향을 거의 받지 않고 계속 성장할 것으로 판단됨
- 25 -
6. 시장특성
1) 시장구조
◦ 친환경에너지에 대한 정부의 정책적인 지원을 바탕으로 몇몇 기업들에서 기술
개발 및 투자가 증가하고 있으며 특히 현대자동차, 삼성 SDI 등을 중심으로 연
료전지 촉매 개발에 대한 연구가 활발하나 이와 관련된 전문적인 기업의 수는
많지 않은 실정임
연료전지 촉매를 제조하는 회사의 수 또한 많지 않으며, 대부분 합금 촉매가
아닌 Pt/C 촉매 제조를 중점적으로 진행하고 있음
◦ 따라서 본 기술을 사업화 하였을 때, 국가적으로 지원하는 정책적 요소와 부합
하기 때문에 시장 진입이 원활할 것으로 예상되고, 충분한 경쟁력을 갖추게 될
것으로 판단됨
2) 시장수요
◦ 자동차 시장은 경량화 및 전장화 경향을 보이고 있으며, 이를 위해 복합소재를
이용한 새로운 기술에 대한 수요 및 필요성이 증대되고 있음
◦ BMW는 생산하고 있는 전기차에 탄소섬유를 적용하여 2013년 출시한 바 있음
차체 Frame, Hood, Roof 등에 탄소섬유를 적용하여 기존 무게 1,523Kg 대비
17%(255Kg)를 감소시킴
◦ Boeing 787에 탄소섬유 적용
항공기 동체 부분에 탄소섬유를 적용하여 기존 무게 134톤 대비 9%(12톤)을
감소시킴
항공기 통상 수명인 20~25년 동안 운항 시, 연비 개선 효과는 항공기 구입 비용
수준까지 올라갈 수 있음
- 26 -
BMW에서 출시한 탄소섬유 적용 전기자동차
Boeing 787에 적용된 탄소섬유
◦ 이와 같이 자동차, 항공 산업을 비롯한 산업 전반에서 탄소소재에 대한 수요가
증가하고 있으며, 이에 따라 탄소소재 산업의 시장규모는 크게 증가될 전망임
3) 규제 및 지원
◦ 과거 탄소섬유 기술 이전은 국가 간 이동이 통제되는 국가전략 품목으로 제한
되어 왔으며, 이에 따라 기술력이 부족한 한국은 생산 기반이 전무했음
많은 업체나 기관이 관련 공장과 연구소를 외부에 개방하지 않으며, 기술 개발
내용 역시 철저히 보호하는 기술 분야임
2012년까지만 해도 국내 수요(연간 2,700톤 가량)를 일본 도레이 등 해외 업체
에서 전량 수입하여 사용하여야만 했으며, 전 세계 시장점유율을 살펴보면 2012년
기준, 글로벌 6개 기업이 세계 생산의 72%를 차지하고 있음을 살펴볼 수 있음
- 27 -
국내 탄소나노섬유 연구개발 선도 기관 현황
* 출처 : 탄소섬유가 여는 창조경제, 효성그룹, 2013.10.
◦ 지식경제부 주관, ‘초고강도 탄소섬유복합재 개발사업’ 추진
사 업 명 : 초고강도 탄소섬유복합재 개발
사업기간 : 2014 ~ 2018년(5년)
사 업 비 : 3,000억 원(국비 1,360 / 도 40 / 민자 1,600)
사업주체 : 지식경제부
사업내용 : 초고강도 복합재 원천 및 응용 기반⦁정점기술 개발
초고강도 복합재 R&BD 지원을 위한 인프라 구축
◦ 전주에 설립된 탄소밸리를 중심으로 2011년부터 본격적으로 탄소밸리 구축사업을
시작하였으며, 2015년까지 총 1,991억 원을 투입하여 탄소섬유복합재료, 공정 및
성형기술을 연구 중에 있음
2030년까지 연 매출 100조 원, 고용창출 2만 명, 기업유치 200개사를 목표로 함
◦ 현재, 대구경북은 광역권 선도 산업으로 그린에너지, IT 융 복합 로봇 및 의료기
기산업의 세계적 경쟁력을 강화하고 글로벌 수준의 과학기술 확보를 목표로 하
고 있음
- 28 -
7. 경쟁특성
1) 기업간 경쟁강도
◦ 수송용 연료전지 분야의 경쟁의 경우, 미국 에너지국 (Department of Energy)에
서 2005년부터 5년간 시범 운행을 진행한 적이 있고 일본 혼다, 도요타 등에서
2015년 이후 연료전지 자동차에 대한 상용화를 목표로 함
그 외 유럽, 미국, 일본, 국내의 자동차 회사들 또한 2020년까지 연간 50만대
이상의 연료전지 자동차 시장이 형성될 것으로 보고, 이에 대한 준비를 하고
있음
2) 제품의 경쟁성
◦ 차세대 탄소 소재인 탄소나노섬유는 우주항공 및 자동차 산업, 에너지 저장 및
활용분야, 전자파 및 정전기 제어분야 등 여러 분야에 응용되고 있지만, 국내에
서 탄소나노섬유를 생산하여 판매하는 곳은 2015년 현재 ㈜카본나노텍 한 곳
뿐임
◦ 물질 특허와 핵심 기반기술 특허에 초점을 두고, 선진국의 제품개발에 대한 지
적재산권 분쟁을 대비하여 원천특허 확보와 더불어 다양한 제품군과 관련된 특
허를 준비할 예정
◦ 앞으로 세계적 경쟁력을 강화하고, 글로벌 수준의 사업기술을 확보하기 위해서
는 부가가치가 높은 탄소나노섬유의 개발이 필요함
탄소나노섬유는 전기저항이 낮고, 열전도율이 높아 탄소나노섬유/고분자 복합
소재 합성 시 소재에 방열특성, 전자파차폐기능 등을 부여할 수 있음
고분자 복합소재 합성의 분산문제를 해결하고자 탄소나노섬유에 기능성 작용
기를 첨가하여 분산효과를 상승시킬 수 있음
- 29 -
8. 사업화 가능성
1) 사업화 기간 및 비용 적절성
◦ 사업화 최종 제품으로는 고분자 복합소재, 방열재, 전자파 차폐재, 이차전지 음
극재 등이 있으며, 사업화에 1~2년 소요될 것으로 예상됨
고분자 복합소재 : 1년
방열재, 전자파 차폐재 : 1년
이차전지 음극재 : 2년
2) 기술이전(또는 출자) 가능성
◦ 본 기술은 교육과학기술부 지역혁신인력양성사업의 지원을 받아 3년의 연구 끝
에 개발된 기술로 기술적 완성도가 높음
따라서 탄소나노소재의 니즈는 항상 존재해 온 점과 본 기술의 비교적 높은
수준의 완성도를 감안하면 기술이전 가능성은 양호한 수준임
3) 사업화 실현 가능성
◦ 고분자 복합소재 분야는 현재 고무 및 플라스틱 시장을 기계적 물성 및 기능성
이 향상된 신소재로 대체하는 개념이며, 이를 모두가 인식하고 있으므로 기존의
판매망을 바탕으로 하면 시장진입의 문제가 없음
◦ 전자파 차폐재, 방열재 분야도 기존의 금속 및 그래핀 시장을 대체할 수 있으며,
탄소나노섬유가 경량화, 소형화의 장점이 있으므로 시장 수요는 크다고 할 수
있음
◦ 탄소나노섬유 복합재는 엘앤에프신소재, 화승 R&A, 보성, 에스알코퍼레이션, 동
아화성, DRB 동일, 평화홀딩스, 세명기업 등 다양한 수요처가 있으며 사업화 진
행시 3년간 약 30억 정도의 매출발생과 10명 정도의 고용창출 효과가 예상됨