세라믹(ceramics)의 사전적 의미를 살펴보면 ‘고온에서 구워 만든 비금속 무기질 고체 재료로 유리, 도자기, 시멘트, 내화물 등을 통틀어 말한다’라고 돼있다. 인류가 신석기시대부터 토기를 구워 만들어 온 것을 생각해 보면 세라믹은 오래전부터 인류 생활과 가장 밀접한 소재임을 알 수 있다.

현대사회에 접어들며 인류가 보다 편리하고 안전하며, 즐거움을 추구하면서 제품들도 인간의 삶의 질을 높이는 방향으로 요구됨에 따라 세라믹은 재료가 갖고 있는 특수한 기능을 최대한 발휘시킨 첨단세라믹으로 진일보하게 됐다.

첨단세라믹이 갖고 있는 기능과 특성을 살펴보면 △광학적 기능(발광성·투명성) △열적 기능(내고온성·고열전도성) △전기적 기능(전도성·반도성) △전자기적 기능(자성·압전성) △기계적기능(고강도성·내마모성) △화학적 기능(내식성·촉매성) △생체적 기능(생체친화성·생체융합성) 등 다양하다.

이와 같이 첨단세라믹은 타소재에서는 구현할 수 없는 특수한 기능, 즉 전기를 생산·절감·저장 가능하고, 빛을 발하는 등의 특성을 지니고 있어 타소재의 한계를 뛰어넘을 수 있는 유일한 소재이다. 이러한 이유 때문에 전자, 바이오, 에너지, 항공우주, 섬유 등 다양한 산업에서 필요로 하는 기능을 구현하는 미래 핵심 융복합 소재로서 주목받고 있다.

특히 첨단세라믹은 스마트 자동차, 차세대 반도체, 디스플레이, 로봇, 이차전지 등 향후 국가 주력산업 변화에 대응 가능한 핵심 소재로서 소재산업내 국가부의 창출을 담당할 것으로 기대된다.

■ ‘팔방미인’ 첨단세라믹

첨단세라믹은 적용되는 산업군에 따라 △전자세라믹 △생체·바이오세라믹 △구조세라믹 △에너지·환경세라믹 △생활세라믹으로 크게 나눌 수 있다. 하나하나 인류의 괘적하고 편리한 삶에 적용되고 있는 것이다.

전자세라믹은 산화물 반도체, 투명디스플레이, 초소형세라믹콘덴서, LED조명, 로봇용 첨단센서, 고감도 기상장비 등에 널리 쓰이고 있다. 전자제품이 소형화 됨에 따라 정밀도가 요구되고 있는데 이러한 수요에 대응하는 것이 첨단세라믹이다.

생체·바이오세라믹은 3D세라믹 바이오칩, 심장박동기, 초소형 생체센서, 약물방출스탠트, 인공관절, 자기공명영상기(MRI) 등에 적용되고 있다. 타 소재 대비 생체 친화적이고 높은 강도를 가진 특성을 활용한 것이다.

또한 고온·고압의 극한 환경을 견딜 수 있는 세라믹의 특성을 활용한 구조세라믹은 초고온 내화단열재, 세라믹 섬유, 가스터빈 내열 코팅, 반도체 공정용 세라믹히터, 세라믹 절삭 공구, 레이저용 세라믹소재 등에 쓰이고 있다. 특히 탄소섬유와 같은 슈퍼섬유가 400℃의 열을 견딜 수 있는데 반해 세라믹 섬유는 1,000℃이상을 견딜 수 있어 우주항공의 고온소재, 방탄소재로 널리 활용 될 것으로 전망되고 있다. 세라믹 섬유는 국가의 안보나 이익에 직결되는 국가전략물자에 해당하는 것으로 쉽게 수입할 수도 없어 관련 기술 확보가 시급하다.

세라믹의 압전성을 이용하면 우리 몸의 미량의 열로도 에너지를 생산할 수 있다. 에너지·환경 세라믹은 전력반도체에 사용되는 차세대 단결정기판, CO₂배출이 없는 산화물 연료전지, 폐열·진동으로 전기를 생산하는 에너지 하베스팅, 초경량 단열패널, 대기오염 차단과 폐수처리에 탁월한 그린액티브 세라믹필터, 빛 투과 자동조절로 실내온도를 조절하는 스마트유리 코팅막 등에 사용돼 인류의 에너지 위기를 해결하는데 크게 기여할 것으로 기대된다.

생활세라믹은 유리, 도자기, 시멘트, 내화물 등에 적용되며 인류에게 보다 쾌적한 삶을 제공하면서 제품의 부가가치를 높인다. 숨 쉬는 타일, CO₂절감 에코 시멘트, 초고온 내화재료, 경량도자, 디지털 융합 도자타일 등이 우리 생활에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다.

▲ 첨단세라믹 종류.

■ 시대를 바꾸는 혁신소재

우리의 생활을 바꾼 혁신제품을 꼽으라고 하면 열손가락 안에 ‘스마트폰’이 들어갈 것이다. 그러나 대다수 사람들이 스마트폰의 부품 중 세라믹소재가 전체의 84%에 달한다는 것은 잘 모른다. 스마트폰에 들어가는 핵심 부품의 약 700개 중 약 590개가 세라믹소재부품이다.

특히 손끝을 이용한 감성터치로 스마트폰을 재밌게 사용할 수 있는 것도 강화유리기판에 투명전도성 세라믹소재를 코팅한 터치패널이 있었기 때문에 가능했다.

또한 ‘전자산업의 쌀’이라 불릴 정도로 모든 전자제품에 꼭 필요한 부품인 적층세라믹콘덴서(MLCC)는 세라믹과 전극을 층층히 쌓아 만든 것이다. 마치 댐처럼 필요한 만큼의 전류를 공급해 주는 역할을 하는 이 부품은 스마트폰에는 400여개, LCD TV에는 1,000여개, PC에는 1,200여개나 들어가며 제품의 정밀화·슬림화에 기여하고 있다.

첨단세라믹은 환경을 살리는 녹색산업의 핵심소재다. 저전력·고효율·친환경 LED 원천소재인 GaN(질화갈륨)소재, AlN(질화알루미늄) 단결정소재, SiC(탄화규소) 단결정소재는 모두 세라믹이다.

친환경 전기자동차 보급의 열쇠를 쥐고 있는 이차전지도 첨단세라믹 소재가 중요한 역할을 차지하고 있다. 화학적으로 안정적이고 내구성이 강한 세라믹소재는 전지의 충방전과 충전량을 결정하는 양극재와 음극재의 핵심소재다.

첨단세라믹은 의료분야에도 쓰인다. 최근 개발에 성공한 질병진단용 자성 나노다공성 세라믹소재는 진단 정확도가 100%로 1그램당 가격이 약 5,000만원에 달하는 고부가가치 소재로서 향후 의료산업의 활성화에 크게 기여할 것으로 기대된다.

1,000℃ 이상을 견뎌야 하는 우주왕복선에는 3만3,000개의 세라믹타일이 들어간다. 마하 4 이상의 극초음속기의 표면온도는 1,500℃ 이상인데 붕·탄화물 초고온 세라믹이 기체를 보호한다.

이밖에도 연료전지의 90%, 센서류의 70% 이상이 첨단세라믹 소재부품으로 이뤄져있다.

스마트폰 부품 84%·센서류 70%·연료전지 90% 차지

국가주력산업 고도화 핵심소재, 국가富 창출과 직결

■ 미래 국가주력산업 경쟁력, 첨단세라믹에 달렸다

첨단세라믹은 향후 미래 주력산업의 변화에 대응 가능한 핵심 소재로서 기존 소재의 한계를 극복한 유일한 소재이다. 또한 세계 경제현안인 에너지·환경·자원문제 해결이 가능한 소재로서 국가 주력산업의 고도화를 견인하는데 기여하고 있다.

삼성전기는 가로 0.4mm×세로 0.2mm에 불과한 초소형 MLCC를 개발해 세계시장 2위(21%)를 점유하고 있다.

LG화학은 양극재·음극재·분리막 등 특허보유 1위 기업(25%)으로 전기자동차용 이차전지는 세계 1위, IT용 이차전지는 세계 3위의 점유율을 확보하고 있다.

삼성코닝정밀은 탄소배출량을 23% 줄인 두께 0.3mm의 친환경 초슬림 LCD용 기판유리를 생산해 세계시장 점유율 1위(28%)를 기록했고 4조5,000억원의 매출을 달성했다.

이처럼 우리 기업들의 세라믹제품 경쟁력은 세계적인 수준이지만 몇몇 품목에 불과하고 아직은 세라믹산업의 선진국인 일본과 미국에 비해 크게 뒤쳐져있는 것이 현실이다.

현재 세라믹 세계시장은 2012년 기준으로 3,476억달러(약 400조에) 달하고 있고 2020년엔 20년 5,645억달러로 성장할 것으로 기대되고 있다. 시장은 일본 교세라, 무라타, NTK, TDK와 미국 Cree, 코닝 등 몇몇 선진기업이 세계시장을 주도하는 독과점 구조로 이루어져 있다.

우리나라 세라믹 시장은 2010년 37조원, 2020년에는 91조로 연평균 9%의 성장률이 예측되고 있다.

우리 세라믹 산업은 중소기업이 산업에서 차지하는 비율이 99%에 달해 생산에 있어 대외경쟁력이 취약한 실정이다. 소재산업 특성상 원천기술개발에 많은 시간과 자금 투입이 필요하지만 기업규모가 작아 기술개발도 여의치 않다.

이 때문에 반도체, 디스플레이, 스마트폰 등에 들어가는 핵심 세라믹소재 대부분은 수입에 의존하는 악순환이 반복되고 있다. 특히 세라믹소재 대일 무역적자는 날로 심화돼 2010년 45억달러의 적자규모는 2012년 51억달러로 증가했다.

다행히도 금년에 들어 정부가 세라믹산업의 중요성을 인식하고 산업통상자원부에 섬유세라믹과를 설치하는 등 적극적인 지원에 나서면서 세라믹산업도 크게 발전할 것으로 기대된다.

한국세라믹기술원에서도 ‘2020년 첨단세라믹 Global Top 3’을 목표로 첨단 융합 핵심소재 및 지역산업과 연계한 실용화 기술개발과 첨단 인프라 확대, 세라믹 기술선도 기업 및 벤처?창업 보육성장 지원, 수요맞춤형 인력양성 등의 중점사업들을 산·학·연 전문가들과 긴밀하게 협력하면서 추진해 나가고 있다.

이와 같이 정부 및 세라믹 분야의 학계, 연구기관, 산업체가 모두 힘을 합쳐 노력할 때 첨단세라믹은 미래 우리나라 국가경쟁력을 좌우하는 핵심 산업으로 우뚝 서게 될 것이다.

▲ 첨단세라믹 특성.