신소재 (新素材)

과학기술

개념

정의

기존 소재의 결점을 보완하거나 우수한 특성을 창출함으로써 고도의 기능, 구조특성을 실현한 재료.

내용

물성 연구, 재료 설계, 재료 가공, 시험 평가 등의 과정을 통해 만들어진다. 기존소재는 유기재료·무기재료·금속재료로 분류되었으나, 신소재는 파인세라믹스(fine ceramics)·신금속재료·고분자재료·복합재료 등 네 가지로 분류된다.

파인세라믹스는 전기적 기능이 있어 절연재료(IC기판·패키지·배선기판), 유전재료(세라믹 콘덴서), 압전재료(진동자·필터·변성기), 반도체재료(서미스터(thermistor)·온도센서·발열소자), 이온전도체재료(Na이온전지·산소센서) 등으로 이용된다.

자기적 기능으로 자기헤드·온도센서·자기버블메모리·페라이트자석 등으로 이용되고, 광학적 기능으로 컬러텔레비전 브라운관·특수램프·광메모리소자·레이저용 재료·가스센서·광통신 케이블 등에, 열적 기능으로 적외선 방사체, 기계적 기능으로 절삭 및 연마 재료·내열재료, 생체적 합성기능으로 인공관절·인공치아, 방사성 기능으로 핵연료·피복재료·감속재 등으로 이용되고 있다.

신금속재료는 자기적으로는 고자속밀도·고투자율·저자속밀도·수직자기이방성 등의 특성을 가지며 전력용 트랜스코어·자기 헤드·오디오용 헤드·각종 센서·광메모리 등에 응용되고 있다.

기계적으로는 고경도·고강도의 특성이 있고 터빈용 재료·타이어용 스틸 등에 사용되고 있다. 화학적으로는 고내식성·가스 흡수성 등의 특성이 있어 전극재료·수소저장 합금재료·내식성 재료로 이용된다. 전기적으로는 고전기 저항·초전도 등의 특성을 지니고 있어 센서류·초전도 재료 등에 응용되고 있다.

고분자재료 중 엔지니어링 플라스틱스는 내열성·절연성·금속대체용의 전기전자분야의 PA·POM·PC 등의 산업화에, 감광수지는 광학용으로, 고기능 분리막은 화학분야에, 도전성·고분자재료는 전송분야에, 유기반도체는 포토레지스트·패키징 재료의 국산화 등에 이용되고 있다.

복합재료는 FRP(섬유강화 플라스틱스)·FRM(섬유강화 금속)·FRC(섬유강화 세라믹스) 등에, 하이브리드재료는 IPSOD·EPISODE 등 정보통신재료로 응용되고 있다.

(1) 국외

선진국들의 경우는 1970년대 이후 신소재 분야에 대한 연구개발을 통하여 학문적, 기술적 성과를 얻었으나 산업적 성과는 기대에 미치지 못했다는 평가가 있었다.

따라서 미국은 1982년 6월에 재료위원회(COMAT)를 설치, 1983년 에너지성(DOE)에서 초전도재료 연구에 7천600만 달러, 같은 해에 국방성은 신소재 연구에 1억6천만달러를 투자하고, 전 미국의 표준국(NBS) 산하에 첨단재료의 과학센터를 설치하고 신소재에 관한 데이터베이스를 개발한 바 있다.

1990년대에 들어서서는 1993년 에너지성이 9억1천만 달러를 투자하여 에너지 관련 기초과학, 연료 전지, 승용차 경량화, 대체연료, 기초소재 등의 연구가 이루어졌고, 1994년에는 10개 정부기관이 17억4천만달러를 공동 투자하여 합성 및 공정, 이론, 모델링 및 시뮬레이션에 관하여 연구하였다.

일본에서도 1984년부터 민간기업의 신소재 개발에 보조금을 지급하였고, 1992년 과기청에서는 창조과학 기술 추진사업에 69억엔을 투입하여 지구환경기술을 개발하게 하였다.

또 같은 해에 차세대산업 기반기술 연구개발사업에 57억엔을 투자하여 신재료·초전자·신기능소자 등을 연구하게 하였으며, 1993년에는 통산성 공업기술원에서 New Sunshine Project(Moonlight Project)에 410억엔을 투자하였다.

유럽에서는 1985년부터 지금까지 10억달러를 투자하여 정보·통신의 연구, EUREKA에서는 50억달러를 투자하여 민간 전략기술의 연구, 1989년부터 1992년에는 신소재 및 공정, 에너지 관련기술, 통신기술 등의 연구를 추진하고 있다.

(2) 국내

선진국들이 범국가적 연구개발체제로 신소재 기술개발을 추진함으로써 신소재 개발 경쟁시대에 접어들고 있는 한편, 국내에서는 그 동안 연구소나 대학을 중심으로 한 기초연구가 수행되어 왔다.

신소재에 대한 국내외의 관심이 증대됨에 따라 국내에서도 철강협회가 주도하여 1984년 초에 신소재협의회를 구성하고, 그 해 8월 말에 제4차 기술진흥심의회를 파인세라믹스협의회·신금속협의회·고분자신소재협의회로 발족함으로써 산업계에서도 신소재산업이 본격화하기 시작하였다.

1984년부터 시작한 국책연구과제는 1990년까지 3계단 단위로 연구를 지원하였으며 1차 이상은 같은 제목으로 지원이 되지 않았다. 따라서 연구수행의 장기 연구계획은 세울 수가 없었다.

1991년부터는 국책과제를 대형으로 기획하여 정보전자, 자동차 경량화, 항공우주, 의료분야에 사용될 신소재를 연구의 목표로 삼고 주로 KIST·한국화학연구소·한국기계연구소의 소재팀이 연구를 수행하였다.

1992년에는 G-7 프로젝트가 각 부 공동으로 입안되어 2001년까지의 장기 프로젝트로 크게 바뀌어가고 있다. G-7의 특징은 민간기업의 참여에 큰 비중을 두고 연구비의 구성을 정부가 70％, 민간기업이 30％를 부담하게 하여 산·학·연의 체제를 구축하여 효과를 올리는 데에 있다.

기업의 연구소는 1991년 4월 현재 1천개소를 넘어서게 되었으며, 한 해에 이들 연구소가 사용한 기술개발비만도 1982년의 1,400억원에서 1990년에는 2조원을 웃돌며 우리 나라 총 연구비의 70％를 차지하고 1989년 말 총 연구원 6만6천명 중 57％를 차지하고 있다.

신소재는 정보통신·생명과학·신에너지의 기반기술이 되면서 이들 기술과 더불어 21세기의 주력 산업기술이 될 것으로 전망된다.

신소재 분야의 산업상 비중을 살펴보면, 전 세계 신소재 시장은 1987년 620억달러 규모에서 1995년에는 3배인 1,900억달러 규모가 되었으며, 연평균 12.6％의 증가를 예상하면 2000년에는 3,900억달러 규모가 되고 2010년에는 거의 1조달러에 가까운 9,500억달러 규모에 달할 것으로 보인다.

우리 나라의 경우, 1987년 14억4천만달러 규모의 시장에서 1995년에는 81억달러로 약 6배의 성장을 나타내었고, 연평균 18.7％의 고성장을 하여 2000년에는 238억달러, 2010년에는 750억달러로 급성장할 것이 예상되고 있다.

신소재 세계시장에서 우리 나라의 점유비중은 1987년 2.4％에서 1995년에는 4.2％로 높아졌고 향후 2000년에는 6.1％, 2010년에는 약 8％로 연평균 증가율 18.7％를 차지하고 있다.

신소재의 재질별 시장동향 및 전망을 살펴보면, 화학소재 중심의 신고분자재료가 가장 크고, 복합재료가 가장 작은 시장을 형성하였다. 1995년에는 다른 재료들이 1990년에 비하여 2배 내외의 시장 성장을 보인 반면 복합재료가 항공기용은 물론 민수용에 많은 시장 개척을 보여 가장 높은 신장률을 나타내고 있다.

향후 2010년까지를 예측할 경우 정보전자관련 신소재 시장이 가장 높은 신장률을 보일 것으로 예측되며, 다음이 복합재료로서 향후 미래 산업사회에서 소재의 발전이 정보화·고기능화·복합화의 방향으로 진행될 것으로 보인다.

국내 신소재의 재질별 시장전망은 연평균 15.7％∼16.7％ 범위로 비교적 유사한 연평균 신장률을 보여주며, 정보전자 관련 신소재가 연평균 성장률이 20％를 상회하는 것으로 이는 세계시장 증가율 12.6％보다 높은 숫자이다.

우리 나라의 산업구조가 정보화시대로 선진국보다 빠른 속도로 이행될 것을 반영하고 있다. 즉, 전자재료는 신소재 중 향후 시장성장이 가장 유망하다고 볼 수 있다.

이 산업에 관련된 소재들로는 대구경 실리콘 웨이퍼, 화합물 반도체, 리드프레임 재료, 콘덴서 재료, 다층세라믹 패키지 재료, 세라믹 유전 재료, 고밀도 자기기록 재료, 정밀감광 재료 등과 같이 기존 재료들 중 기술집약도가 높은 소재들이 있다.

또 평판 디스플레이 재료, 기억재생 광디스크 재료, 광통신 부품 재료, 이동통신 부품 재료 등과 같이 향후 국내 산업을 혁신시킬 수 있는 전자재료들이 있다.

1980년대와 1990년대 초에 걸친 활발한 기술개발에 힘입어 개량적 성격이 강한 소재기술은 괄목할 만한 발전을 이루었으며, 이 기간 중 리드프레임·본딩와이어와 같은 전자재료는 물론 표면처리강판·냉연강판·복합재료·선박용 TMCP강·세라믹 공구·고분자 분리막·인공수정체 등의 신소재들도 다수 국내에서 개발, 생산되고 있다.

이러한 정밀소재 또는 개량형 신소재에 대한 개발 및 산업화 성과는 국내에서도 지속적으로 나타나는 데 비해 아직 기술집약도가 높은 혁신형의 신소재들은 주로 연구개발 단계에 있다.

소량 다품종의 특징, 국내시장의 미성숙, 주변환경의 미비 등으로 인해 아직 본격적인 산업화 단계에 이르지 못하고 있다. 또한 1998년 IMF 사태에 의해 국내 산업계가 전반적으로 위축되었다. 세라믹스 신소재 개발을 선도하던 쌍용양회와 동양시멘트를 비롯하여 훼라이트자석업계, 유리업계들도 연구개발 투자를 대폭 축소, 연구원들을 정리해고하기에 이르렀다.

신금속분야의 경우 포항제철이 브라운관 샤도마스크용 및 내부차폐용 저탄소 강판을 개발, 양산화를 추진중에 있다. 또한 포항제철은 21세기를 대비한 새로운 철강재료 개발을 위해 ‘슈퍼스틸 프로젝트’를 기획하여 본격적인 기술개발을 추진하고 있다.

주식회사 유유에서는 자기코어용 비정질합금을 대폭 신장시키고 있으며, 창성주식회사에서는 퍼멀로이 합금분말을 이용한 MPP코어를 성공적으로 산업화하여 수출까지 진행중에 있다. 최근 초소형화 되어가는 전자소자 재료로서 박막재료에 대한 연구가 산업계·학계·출연연구소들에서 급속도로 확대되고 있는 것이 중요한 기술흐름 중의 하나이다.

파인세라믹스 분야는 그 동안 전자세라믹스를 중심으로 기술개발이 이루어져 왔으며, 최근에는 소재기업보다 부품기업들이 소재 관련 기술개발을 활발히 추진하고 있다. IC패키지, 페라이트, 영구자석 및 압전착화 소자와 부저, MLCC와 같은 유전성 세라믹스 등은 국내에서 개발되어 산업화가 이루어졌다.

구조용 세라믹스의 경우는 절삭공구·다이아몬드분말 등이 산업화되었다. 최근에는 시멘셔스 세라믹스, 광세라믹스 촉매 및 환경용 담체, 전자통신 부품용 고성능 세라믹스 소결체 및 박막·후막 소재들이 활발히 연구, 개발되고 있다.

신고분자재료 분야는 그 동안 PA·POM·PC 등의 엔지니어링 플라스틱스가 산업화되었으며, 플라스틱스 복합재료도 일부 산업화되고 있고, 반도체 포토레지스트나 패키징 재료들도 국산화되고 있다.

최근에는 환경보전기능, 광전기능, 분리기능, 생체기능, 고분자재료 및 경량구조체 고분자재료, 분자제어 고분자재료, 표면작용 고분자재료들이 연구되고 있다. 이 분야도 최근 석유화학산업의 위축으로 인해 기술개발이 전년도에 비해 답보상태에 있다.

실제적으로 수행되는 국가연구사업을 보면 1997년과 비교할 때 신소재 분야에 대한 1998년도의 투자는 약 20％ 감소된 것으로 평가된다.

과학기술부가 주관하는 선도기술 개발사업이 1998년부터 기업주도 형태로 변화되어 3단계의 연구개발에 착수하였다. 1996년에 기획된 미래 원천기술 개발사업은 1998년도에 중점 국가연구사업으로 변형되어 3차 연도를 추진중에 있으며, 극미세구조를 가진 박막재료 및 나노분말재료들이 연구대상이 되고 있다.

교육인적자원부의 신소재 분야 연구투자는 1997년에 비해 상당히 감소될 전망이며, 산업자원부의 신소재 분야 지원도 상대적으로 감소하는 경향을 보이고 있다.

참고문헌

『전자산업의 중장기전망』(한국전자공업진흥회, 1986)

『과학기술연감』(과학기술부, 1999)

집필자

임응극