▲ 탄소소재 융복합 산업 개념(자료:산업부 탄소산업 기술개발 로드맵)

탄소소재 융복합 산업이란 탄소소재를 기초로 부품·중간재를 생산하고 수요산업에 적용해 제품의 성능을 극대화 하는 산업이다. 탄소소재 융복합 산업은 장치산업이자 고부가가치 산업이으로 초기에 개발비용과 진입장벽이 높아 양산화 가능성은 상대적으로 낮으나 양산화 성공 시 가치사슬을 따라 큰 고부가가치 창출할 수 있다. 또한 타산업·기술과 융·복합 시, 더 큰 부가가치 및 시너지 창출이 가능하다.

■ 탄소소재 융복합 산업 동향 및 전망

▲ 탄소 융·복합 산업 시장규모 현황 및 전망(자료:산업부 탄소산업 기술개발 로드맵)

탄소소재 융복합 산업의 세계시장은 친환경·스마트 산업의 성장과 함께 빠르게 성장하고 있다. 탄소소재 시장은 2019년 기준 52조원에서 2030년 176조원으로 약 연평균 11%로 성장할것으로 전망된다. 응용부품 시장 또한 2019년 기준 310조원에서 2030년 1,055조원으로 연평균 10.9% 성장할 것으로 전망된다. 전방 신산업의 성장에 따른 수요증가가 기대되나, 원자재 부족, 높은 소재가격과 비친환경적인 제조 공정 등은 극복해야할 과제다.

주요국별 탄소 융복합 산업의 동향을 살펴보면 △미국은 제조업의 본국 회귀 전략을 펼치고 있으며, 중국 의존도를 낮추고 자국과 지역중심의 공급망 재편을 추진 중이다. △유럽은 성형·가공장비의 기술력으로 글로벌 복합재 시장을 선도하고 있으며, 중국 시장진출을 위한 파트너십 및 합작을 체결하려고 한다. △일본은 소재기술을 기반으로 부품산업도 선도하고 있다. 외국기업의 참여를 최소화하는 자체 벨류체인을 구축하고 있으며, 중국시장 진출을 위한 멜류체인을 재편하고 있다. △중국은 가격 경쟁력 강화를 위한 벨류체인을 수직계열화 했고, 범용 소재 분야의 빠른 추격을 위한 정부 주도의 대규모 투자가 진행되고 있다.

탄소소재 기술력은 일본이 가장 앞서 있으며 미국과 독일은 우수한 실력을 보유하고 있다. 최근 중국은 정부의 대규모 투자로 소재·장비 기술력을 빠르게 확보 중이다. 주요국들의 기술패권 경쟁, 자국산업 중심주의 등 탄소소재 융복합 산업의 지배적 위치를 선점하기 위한 경쟁이 심화되고 있다.

우리나라의 경우, 탄소섬유나 카본블랙 등 범용소재의 기술력은 자립화 노력으로 인해 선진국 수준이지만 인조흑연이나 활성탄소와 같이 고성능의 소재·장비 기술력은 선진국의 절반 수준이다. 특히 인조흑연의 경우 일본에 100% 의존하는 상황이라 수출규제 발생 시 공급에 차질이 발생한다. 장비기술력은 소재 기술력과 비례하는 특성상 선진국 대비 60% 수준이다. 탄소소재는 주요국이 기술을 선점하고 중국이 빠르게 추격하고 있는 가운데, 면밀한 경쟁력 분석과 시장 예측을 통한 집중육성을 추진해야 한다.

■ 탄소소재 융복합 산업별 육성 추진 방향

일본의 수출 규제, 코로나19 등에 따라 제조업 핵심 소부장 제품의 국내 생산기반과 공급망 확보의 중요성이 부각 됐다. 소재·부품·장비는 기술 속의 기술로서 제조업 발전의 필수요소다. 특히 소재는 범용성을 바탕으로 회복력 강한 산업생태계 조성에 핵심적인 역할을 담당하는 산업의 허리에 해당한다. 그중 탄소소재는 범용소재를 대체할 수 있기 때문에 대외 의존도가 높은 전략 핵심 품목의 생산기반을 구축하고 타 소재·부품과의 융복합을 통해 성능 강화 및 신 부가가치를 창출해야 한다.

탄소소재 적용으로 높은 시너지가 창출되는 5대 핵심 수요산업 및 아이템을 도출해 산업·분야별 상용화 기술개발을 진행한다. 5대 수요산업을 중심으로 기술수요 조사와 산·학·연 전문가의 의견수렴을 통해 19개 분야, 118개 기술을 도출 도출했다. 선정된 5대 수요산업은 △모빌리티 △에너지·환경 △라이프케어 △방산·우주 △건설이며, 각 산업의 중점 분야와 진행하려는 핵심기술을 살펴보도록 한다.

▲ 탄소소재 융·복합 산업의 5대 핵심 수요산업(자료:산업부 탄소산업 기술개발 로드맵)

▲ 수요산업별 시장 유형(자료:산업부 탄소산업 기술개발 로드맵)

모빌리티·에너지 등 5대 산업 개발 추진

소재·부품·장비 자립화 통한 GVC 주도

모빌리티 산업의 소재분야는 탄소저감 및 탈내연화 트렌드에 따라 철강 합금과 같은 기존 소재보다 가볍고 강한 소재인 탄소섬유 복합소재의 산업적 수요가 증가했다. 물성, 경제성 측면에서 기존 소재와 경쟁하기 위한 R&D 투자가 필요하며, 수입 의존도가 높은 핵심소재의 자립화를 위해 탄소섬유 제조용 고속방사기술 등 7개의 핵심 원천기술을 개발해야 한다. 이를 통해 차세대 모빌리티 응용을 위한 소재 제조기술 확보로 국내 탄소 융복합 기술력 강화 및 글로벌 시장진출 확대할 수 있다.

자동차 분야는 제품 프리미엄화에 따른 고성능 배터리 솔루션 및 설계 플랫폼 구축, 고강도 수소용기 대량생산, 재활용 기술 등이 필요하다. 전기차, 수소차, 자율주행차 등 미래차의 경량, 고강도의 내·외장 부품 및 PAV(도심형 수송기기) 등 고속공정용 열가소성 기반의 부품제조 기술 등 6개의 핵심기술 개발을 통해 차세대 모빌리티 개발을 추진한다. 이로써 국내 미래·자율차 제품의 글로벌 경쟁력을 확보할 수 있다.

드론을 포함한 항공 분야는 전세계적인 항공기 연비 개선 대응과 항공산업의 국제 경쟁력 강화를 목표로 복합재료 연구개발을 추진한다. 국산 탄소섬유를 기반으로 한 항공기·드론의 소재·부품 응용기술인 CFRP·금속 이종소재 접합기술 등 3개의 핵심기술 개발과 실증지원 통해 국내 항공·드론산업의 경쟁력을 강화할 수 있다.

철도차량 분야의 경우, 선진국의 고속·고내구성의 차세대 고속철도 개발을 위한 기술개발 본격화에 따라 원천 소재·부품 기술력 확보가 시급하다. 유럽의 경우 신철도차량 개발을 위한 MAT4RAIL 프로젝트를 진행중이며, 일본은 수소연료전지와 축전지를 동력으로 하는 하이브리드 시스템 철도차량을 시험중이다. 영국은 하이퍼루프 시제품을 개발해 6.25초만에 최고 시속 172㎞ 기록했다. 우리나라도 기존 철도차량의 소재 대체 및 차세대 철도·객차(하이퍼루프 등) 생산을 위한 불연 내장소재, 철도차량 경량화, 하이퍼루프 등 4개 기술을 확보한다. 또한 가격 경제성 확보를 위해 탄소섬유 복합재 원가절감 노력도 병행해야 한다.

기타 모빌리티 분야는 탄소소재를 적용한 전동기 부품, 선박용 연료전지 등 다양한 소형 모빌리티 개발에 대한 산업현장의 수요가 증가하면서 성능 및 효율 개선을 위한 기능성 내외장 전장부품, 선박용 실린더라이너부품 및 수소저장기술 등 5개의 탄소 소재 및 응용부품 제조·성형 기술개발을 추진한다. 이를 통해 다양한 산업용 모발리티의 글로벌 경쟁력 강화와 전후방 관련 산업을 육성할 수 있다.

에너지·환경 산업의 탄소소재(탄소섬유, 인조흑연, 활성탄소)는 풍력 블레이드 등 고성능을 요하는 에너지·환경 분야의 핵심 소재에 해당한다. 이 분야의 시장은 주요국들이 80% 이상을 독·과점해 소재 자립화를 할 수 있는 기술력 확보가 시급한 분야다. 프리미엄급 탄소소재, 전고체 전지용 나노카본 소재 등 4개의 탄소소재 제조·성형 기술 확보를 통해 국내 수요·공급기업의 글로벌 경쟁력을 확보할 수 있다.

이차전지, 연료전지, 슈퍼커패시터 등 에너지 저장장치 분야는 고용량, 고출력밀도, 장수명 등 성능 및 안전성에 대한 요구가 증대되어 이에 맞는 나노탄소 적용 구조체 배터리, 이차전지용 인조흑연 음극재의 국산화 등 9개의 핵심기술 개발을 추진한다.

풍력·광전·압전·열전 등 글로벌 에너지 전환·변환 시장은 연 19.6%씩 성장해 2022년에는 9억7천4백만 달러로 확대될 전망이다. 기존 범용소재 대비 생산성이 높고 손실률이 낮은 탄소 소재 기반의 대형 풍력 블레이드 등 차세대 전기 변환장치 기술개발을 추진해 신재생에너지 산업의 본격 상용화가 이뤄져 관련 산업 및 탄소중립에 기여할 수 있다.

환경안전에 대한 관심 제고로 고효율 대량 미세먼지 제거, 수처리 등에 대한 요구가 증가하고 있으나 관련 기술은 아직 시작 단계다. 미세먼지 흡착기술 및 산업용 폐기물 등과 같은 유해 물질 처리 및 절 감기술 등 7개의 핵심 기술을 개발을 추진한다.

이외 기타 극한 환경 분야는 인조흑연을 이용한 전극용 블록 등 시장 성장성이 높은 분야며, 현재 ㈜ 포스코케미칼에서 파일럿 실증을 진행 중이다. 철강산업의 전극용 인조흑연 블록 및 차세대 중성자 감속 소재, 나노다이아몬드 및 인조다이아몬드 등 핵심기술 자립화를 추진한다.

라이프케어 산업 중 하나인 의료기기분야는 탄소소재를 이용한 인체 삽입용·부착용 의료기기 와 휠체어, X-ray 베드 등 기타 제품에 대한 기술요도가 증가하고 있다. 이에 따라 탄소복합재를 적용한 의료기구를 개발을 추진한다. 이로써 생체적합형, 경량삽입형 기계·로봇 등 다양한 의료기기 개발로 삶의 질 향상 및 관련 수요·공급 산업발전에 기여할 수 있다.

글로벌 스포츠 용품 산업에서 복합재료 사용은 계속 증가하고 있으며 2023년까지 5.8억 달러에 이를 것으로 예상된다. 탄소섬유 직물 등을 이용한 가공기술, 경량·고내구성 바디프레임 개발 등 6개의 핵심 기술 개발을 통해 다양한 스포츠, 레져 용품 산업발전과 복지 향상에 기여 가능하다.

탄소소재를 적용한 혁신 디스플레이 개발, 제조공정 자동화 등에 대한 산업현장의 수요 증대로 인해 유연·고신축 디스플레이, 탄소 양자점LED, DP 이송용 로봇핸드 등 9개의 개발과 제조공정 최적화를 추진한다. 이에 따라 수요기업의 경쟁력 향상과 관련 산업발전으로 수평 전개 가 기대된다.

전자제품의 경우, 차세대 고주파 통신의 전자파 차폐, 다양한 전기·전자 제품의 열 관리 등의 문제를 해결할 혁신소재 수요가 증가하고 있다. 탄소소재의 고열전도성 특성이 주목되면서 6G 대역 전자파 차폐 소재·부품, 1D/2D 하이브리드 나노소재 적용 홈리빙 제품, 고주파 통신용 소재 표준화 기술 등 5개 핵심기술 개발 추진을 진행한다.

핵심품목 융복합, 신부가가치 창출·성능강화

탄소 융복합 얼라이언스, 실증·정책발굴 지원

방산·우주·항공 산업의 소재 분야는 미국. 일본 등 탄소 선진국들이 보유하고 있는 원천기술을 바탕으로 프리미엄급 탄소소재 제조기술 등의 응용기술을 적극적으로 개발중이다. 우주 분야의 경우 고품질의 탄소소재와 부품의 수요가 증가하고 있어 발사체 노즐용 인조흑연 제조 및 실증 기술 등 9개의 기술을 개발할 예정이다. 이로 인해 우리나라가 차세대 우주 강국으로 도약하는데 기여할 것으로 전망된다.

방위분야는 나노탄소 분야의 중점투자로 소재기술을 확보 중이며 나노탄소를 적용한 차세대 초고성능·초고강도·극한환경용 소재·부품 제조기술과 응용기술 개발을 추진한다. 이로써 방위산업용 탄소소재 제조기술에 관한 글로벌 선점을 통해 관련 분야 산업발전이 활성화 될 것으로 기대된다.

건설산업의 토목분야는 토목·일반 산업 분야의 용도 개발에 따른 수요 확대로 탄소섬유의 공급량이 부족할 것으로 예상된다. 현재 수요량은 크지 않으나 향후 높은 성장성이 기대되는 수요산업이다. 세계시장 규모는 2020년 1,800조에서 2030년 39,300조로 확대돼 연평균 약 8.1%로 성장할 것으로 전망된다. 이에 따라 고압 송유관, 항만시설, 재해방지 등 탄소섬유 복합재료 적용에 대한 R&D와 기술 개발 실증을 통한 고부가 가치화를 추진한다. 이러한 기술 개발을 통해 시설의 안전성 증가와 관련 전후방 산업이 육성될 것으로 기대된다.

건축분야의 경우 탄소섬유 복합소재의 응용이 가능한 분야에 다양한 기술 개발을 추진 중이다. 고내구화 탄소융복합소재를 적용한 초고층 건축과 철도구조물, 내진보강 기술 확보를 통해 생활 안전 향상을 도모할 예정이다. 이로 인해 건물의 안전성 증가와 국민 안전·복지 향상에 기여가 기대된다.

■ 탄소소재 융·복합 얼라이언스 출범

▲ 탄소소재융복합 얼라이언스 발족식(출처:산업통상자원부)

지난 4월, 탄소소재 수요확대와 신시장 창출을 지원하기 위한 탄소소재 산업 연대·협력 협의체로 탄소소재 융·복합 얼라이언스가 출범했다.

탄소소재 융복합 얼라이언스는 수요산업 진흥·유망품목과 탄소중립 워킹그룹으로 구성되며, 이를 통해 전후방 연관 산업계의 의견 수렴·반영 및 협력모델을 발굴한다. 또한 탄소소재 융·복합 산업 생태계 조성과 확산을 위한 정책과제 등을 발굴하고 기획한다.

각 그룹별 참여기업으로는 현대기아차, 유니슨, 한국화이바, 대우건설, 한화시스템, 코오롱미래기술원, LG하우시스, 효성첨단소재, 포스코케미칼 등이 있다.

구체적으로 얼라이언스 및 각 워킹그룹은 분기별 정기 및 비정기 회의를 통해 핵심 5대 주요 수요산업인 모빌리티, 에너지·환경, 라이프케어, 방산·우주, 건설과 연계한 산업 발전계획 제안 한다. 아울러 PAV, 조선·해양 기자재, 친환경 전지, 환경정화, 건자재의 유망품목 시장창출을 위한 실행방안에 대해서도 기획하며 탄소중립 실현을 위한 실행방안 마련 등의 역할을 맡게 된다.

또한 얼라이언스는 △수요-소부장 기업 매칭(실증사업) △기반조성 및 연구개발 지원 △ 구축된 장비·테스트베드 활용 △시험·인증 표준화 지원 △국제협력 및 해외수출사업 △글로벌 공급망 통합관리 등 연관산업의 특성에 맞는 맞춤형 정책을 지원한다.

더불어 얼라이언스 협력모델에 대해 공공연 인력·기술 지원, 실증 등의 추진을 위한 규제특례를 부여해 기술애로를 해결하고 사업화를 촉진한다.

탄소소재 융·복합 얼라이언스의 중장기적 협력 및 공감대 형성을 통해 산업 지원·활성화 정책에 반영될 수 있는 단계적·시의적 추진 계획을 수립하고, 지원 기반 마련이 가능할 것으로 기대된다.

▲ 탄소소재 융복합 얼라이언스(자료:산업부 탄소산업 기술개발 로드맵)