10. 소재분야의 조사결과

10.1 예측과제의 선정

'98년도에 수행된 「제2회 중장기 기술예측 1단계 연구」 에서 제안 받은 후보과제와 국내 및 일본에서 과거에 수행한 기술예측과제를 비롯하여 중요 기술개발과제를 모아 과제 풀을 구성한 후 기술예측 분과위원회에서 예측대상과제를 추출하였다. 그 결과 1차 기술예측조사 대상과제로 101개가 선정되었으며, 1차 예측조사 결과 응답자로부터 추천된 과제들 중 3개를 추가하여 총 104개 과제가 확정되었다. 이 중에서 제1회 조사와 동 일하거나 유사한 과제의 수는 23개로 22. 1%를 차지하였다.

과제의 추출에 있어서는 조사대상 범위를 명확하게 하고 중요과제의 누락을 방지하기 위해서 주요 연구개발 영역과 목적으로 구분하여 예측대상 과제를 선정하였다. 주요 연구개발 영역은 5개 영역으로 구분되었는데 그 가운데 전자기재료영역에서의 과제수가 29개로 가장 많았고, 세라믹스재료와 복합재료가 각각 20개 과제, 고분자재료 18개 과제, 금속재료 17개 과제 등이 선정되어 예측되었다. 주요 연구개발 목적으로는 8개로 구분되었는데 그 중에서 소자 및 재품 25개 과제, 광전·자기특성 23개 과제, 제조공정·가공 18개 과제, 열특성과 설계재료합성 및 제련이 각각 9개 과제, 강도인성특성과 시험분석이 각각 7개 과제 등이 선정되어 예측되었다(<표 10-1>참조).

<표 10-2>의 분석 틀에서는 총 104개의 예측과제를 주요 영역과 목적으로 나누었으며, 중요도지수가 75이상으로 높게 평가된 과제는 과제번호에 □ 표시를 해두었다. 중요도가 높은 과제(중요도지수가 75이상인 과제)는 총 104개 과제 중 12개로 11.5%를 차지하였다.

이상과 같은 연구개발의 주요 영역과 주요 목적을 중심으로 앞으로의 기술 발전방향과 전망을 본 예측결과를 토대로 개관하면 다음과 같다.

<표 10-1> 주요 연구개발 영역과 목적

<표 10-2> 예측과제 도출을 위한 분석 틀

 

10.2 주요영역에서의 예측상황

신소재의 개발은 제반산업의 기술혁신을 선도하거나 혹은 지원함으로써 산업구조의 고도화에 중추적인 역할을 담당할 뿐 아니라, 관련기술이 기초학문과 응용기술간의 가교역할을 하고 있어서 차세대의 국가경쟁력을 가늠하는 척도라고 할 수 있다. 신소재에 대한 국내의 기술수준은 전반적으로 볼 때, 이제 선진기술을 모방하는 단계를 갓 벗어나고 있는 상태이지만,IMF라는 시대상황을 맞이하여 산업기술 및 과학 전반의 기반이 적지 않게 침식된 것이 사실이다. 외적으로는 반도체, 철강, 자동차 및 조선 등 대형 실물경제가 되살아 나고 있어서 희망이 없는 것은 아니나, 장기적인 안목을 가지고 산업의 선도적 기반기술인 소재기술 확보에 전력을 다하는 것이 어느 때보다 절실한 시기이다.

이번 조사에서는 재료 제조공정에서나 응용분야에서 환경친화성과 더불어 국민건강과 삶의 질 향상이라는 측면이 특히 강조되었는데, 이는 우리 나라가 새 천년의 첫 사반세기에는 선진국 대열에 진입하리라는 강한 기대가 깃들어 있기 때문으로 해석된다. 기술의 개발이나 실용화 시기가 10년 내외의 과제가 대부분이었으며, 국내에서의 기술 실현시기가 선진국 보다 3∼5년 가량 늦어질 것으로 예측되고 있어서 차세대 첨단산업을 선도 하는 기술선진국으로 발돋움하기 위해서는 소재기술 개발에 더욱 박차를 가해야 할 것으로 판단된다.

10.2.1 구조용 재료의 환경친화에 대응한 내열특성 향상 및 경량화 추구

향후 세계의 산업 발전은 환경 친화형이며, 공해 유발이 작은 제품 개발이 주도할 것으로 예상된다. 특히 GR(Green Round)이 발효되고 CO2규제가 가시화되는 2004년 이후에는 이러한 추세에 동참하지 못하는 경우 산업 발전에 커다란 저해 요인이 될 것이며, 수출 지향적인 국내 산업 구조로 볼 때, 대외 신인도 문제로 외국 소비자의 외면으로 인한 수출 시장이 축소되고 , 과도한 기술료 지급 등의 문제점으로 선진국으로의 진 입은 요원하게 될 것이다. 앞으로의 국가 경쟁력은 이러한 기술 개발이 주도할 것이며, 19세기, 20세기의 보호 무역주의가 아닌 기술 보호주의가 21세기에는 전개될 것으로 예상되는 가운데, 이러한 기술을 보유하지 못하는 경우, 선진국의 하청 생산기지를 벗어나지 못하고 선진국 진입은 어려울 것으로 예측된다. 따라서 이러한 구조용 소재의 개발 방향에 부응하기 위하여, 국내에서의 구조용 재료의 내열 특성과 경량화의 추구도 이러 한 배경 하에서 개발이 주도되어야 할 것이다.

개발 방향은 기존 소재의 내열 특성 및 비강도와 같은 경량화 특성을 향상시키면서 더불어 소재의 재활용 효율을 증대시키는 것으로 될 것이다. 이러한 과정에서도 가급적 기존 소재의 제조 공정과 설비를 활용하는 방안이 최우선적으로 고려되고 있으며, 소재 제조 과정에서의 에너지 효율을 극대화시킬 수 있는 방향으로 갈 것으로 여겨진다.

국내에서도 발전 설비, 수송기기에 관련된 연구가 지속적으로 진행되고 있으며, 포항제철 등을 중심으로 차세대 구조용 철강재료 개발 등이 진행되고 있는 등, 기존 장치 산업분야에서 세계적인 생산 규모를 갖춘 중화학 설비 산업, 제철 산업, 자동차, 조선 분야에서 기존의 생산 능력에 소재 개발 부문을 접목 시켜 고부가가치화 하는 방향으로 연구가 진행되고 있으나, 앞으로는 관련 분야의 생존 차원에서 소재 개발이 진행되어야 할 것 이다.

분야별로 개발되는 기술을 개괄하여 본다면 아래와 같다.

고온 구조용 소재는 크게 두 가지 방향으로 연구개발이 진행되고 있는데, 기존소재의 특성을 개선하는 것과 기존의 것과는 다른 개념의 신소재를 적용하는 것이다. 기존 금속 소재의 내열성으로는 한계가 있는 Gas Turbine과 같은 초고온용 부품의 경우, Superalloy를 이용하여 기존 항공기용과는 달리 대형 단결정이면서 Blade 내부의 냉각홀을 3차원 형태로 만드는 정밀 주조기술이 개발되고 있으며, 냉각 방식도 공기 냉각이 아닌 steam냉각 방식을 도입하여 TIT(Turbine Inlet Temperature)가 1400℃이상이 되는 상업 발전용 Gas Turbine이 개발되고 있다. 또한, 사용 온도를 향상시켜 효율을 더욱 높이기 위하여 Electron Beam Coating과 같은 PVD Coating방식을 이용하여 표면에 Ceramic 단열재를 Coating하는 기법이 적용되는가 하면, 열응력을 저하시키기 위하여 다층 코팅이나 경사 코팅 방법 등이 적응될 것이다. 이러한 다양한 방법을 통하여 열효율을 증대시키는 방향과 병행하여 고온 구조용 신소재인 금속간 화합물을 개발하여 기존 Superalloy의 한계를 뛰어 넘으려는 연구가 진행되고 있다. TiAl계 금속간 화합물의 일부 실용화, Gas Turbine용 NiAl계 합금의 시작품 개발 등이 실현될 것이며, 상온 인성에 대한 개선이 지속적으로 이루어져 상업화를 시도하리라 여겨진다. Boride계통의 Ceramic도 발전용 터빈 등 고온 구조용으로 활용하기 위하여 개발되고 있으며, MoSi계도 인성과 고온 산화성 등을 향상시킨 재료가 개발되어 가열로의 효율을 향상시킬 것으로 기대된다. 구조재료의 내열특성 관련 과제로서 「(38) 고강도 내열 세라믹스를 주재료로 한 발전용 터빈이 실용화된다(2015)」, 「(40) 금속에서 세라믹으로 조성을 연속적으로 변화시킨 경사기능재료가 실용화된다(2013)」, 「(58) 임계압, 초고온(594℃, 247㎏/㎠)용 증기터빈의 로터강이 개발된다(2013)」 ,「(60)1200℃ 이상의 고온에서 15kg/㎟ 의 하중에 1,000시간 이상 견딜 수 있는 초내열 합금이 개발된다(2015)」, (59) 가스터빈 단조 초내열 합금 원소재 제조기술 (VAR, ESR등)이 보급된다(2010)」 , 「(66) 고온용 금속간 화합물이 항공기용 엔진이나 터어빈 블레이드 등의 부품으로 폭 넓게 사용된다(2015)」 등 다수에 있어서 구조재료의 내열특성 향상의 필요성이 강조되고 있다.

수송기기 경량화는 비강도가 우수한 경량 소재 개발과 소재 성형 방법의 개발이라는 두 부류로 나뉘어 연구가 진행되고 있다. 비강도가 우수한 소재를 개발하는 분야에서는 기존의 고강도 Al합금의 용접성을 우수하게 하여 seam 압출이 가능하거나 용접 조립이 용이하게 하는 방향으로 소재가 개발되고 있으며, Al합금의 강도를 보정하기 위하여 철강 등으로 강도를 강화시킨 복합 압출 및 정밀 압출 기법이 개발되고 있다. 한편, 기존 수송기기 구조용 철강의 강도와 인성을 대폭 향상시키면서 가공성이 우수한 TRIP강도가 주목받고 있는 개발 분야이다. 비강도를 보다 증대시키기 위하여 Mg합금이 개발되고 있으며, 내충격성을 향상시키기 위한 damping재료인 기존의 plastic을 대체하거나, 공동 구조를 채우기 위한 Al계통 foam재료가 개발되고 있고, 보다 균일하고 미세한 foam의 개발이 활발하게 진행되어 자원 재활용과 내충격성의 향상을 통한 수송기기의 안전성을 추구하고 있다. 엔진 부품이나 회전축, brake의 내마모성을 향상시키기 위하여 피스톤링의 표면을 Mo 등으로 표면 개질 하거나 Valve에 내마모 coating등을 하여 공해 물질 배출 감소와 연료 소비효율을 향상시키는 방향으로 재료 개발이 진행될 것이다. 고속 항공기의 동체재료로 사용되는 Al합금의 내열성을 향상시키기 위하여 고온에서도 미세 조직의 변화가 없이 우수한 강도를 보이는 재료의 개발이 진행되고 있다.

이러한 고온 강도를 성취하기 위하여 열적 안정성이 뛰어난 미세 석출물을 균일하게 분산 강화시킨 Al합금이 개발되고 있는데, 현재 가장 유력한 후보 재료로 Al-Sc계 합금이 제시되어 있다. 「(62) 경량금속(Al, Mg, Ti 등)을 이용한 자동차 및 항공기재료가 실용화된다(2008)」는 수송기기의 경량화 추세를 포괄적으로 표현한 것이다. 좀더 장기적인 안목으로 본다면, 세라믹스 재료가 수송기기 경량화분야에서 일정 부분의 시장을 확보할 것으로 전망하고 있는데, 「(33) 강도 2 GPa, 인성 20 MPa. m1/2, Weibull Modulus 20 이상의 세라믹스소재가 개발된다(2012)」, 「(34) 상온에서 적어도 주철 정도의 인성을 갖는 Si3N4소결체가 개발된다(2011)」,「(35) 초미립자를 이용하여 800℃ 정도의 고상소결로 SiC, Si3N4계 내열세라믹제조기술이 개발된다(2011)」,「 (41) 우주왕복선의 동체에 사용 가능한 SiC섬유강화-SiC 복합재료가 개발된다(2013)」등의 과제의 실현을 통하여 이러한 기대를 현실화 할 수 있을 것으로 예측하고 있다. 특히, 과제 (33)과 (34)의 경우는 1999년 현재 개발되어 있는 물성치에 비하여 각각 2배와 3배 정도에 해당하는 것으로 가스터빈 부품, 세라믹스 엔진 등 높은 신뢰성이 요구되는 부분에 적용하기 위하여 소재가 갖추어야 할 기본 물성을 만족하는 수준이다. 따라서 이러한 세라믹스 소재의 개발은 「(37) 효율 40% 이상의 자동차용 세라믹 가스터빈의 실용화(2015)」에 절대적으로 필요하면서도 반드시 선행되어야 할 기술이다. 한편, 일반 구조용 소재로 경량화의 추구는 강도와 인성을 2배 이상 향상시켜, 같은 구조물 구성에 필요한 소재의 무게를 줄이는 방법이 개발되고 있다. 대표적인 재료가 초미세립강으로 합금 원소의 첨가를 최소화하여 소재의 재활용성을 극대화시키면서 가공 공정이나 비금속 개재물의 첨가 등을 통하여 철강의 결정립을 1m이하인 일반 구조용 철강을 개발하여 기존 일반 구조용 철강의 강도와 인성이 2배 이상 향상된 재료가 개발될 것이다.

구조물의 사용 환경이 열악하여 발생하는 부식 문제는 설치후 방식 비용이 막대하다는 점과 환경 보호 측면에서 반드시 해결되어야 할 분야이다. 내식 특성이 우수한 초청정강, 질소(N) 등을 과량 첨가한 철강, 중도장 방식이나 표면 코팅방법 등의 기법을 도입하여 내식 수명을 20년 이상 향상시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다. 내마모, 내식 특성이 우수한 소재의 개발이 진행되어 마멸에 의한 환경 오염과 경제적 손실을 최소화 하기 위한 표면 개질 방법이 개발된다. Pulsed Plasma, CVD등의 코팅방법이 구조용 소재의 표면 개질에 적극 활용되고 있으며, 코팅재도 칩입형 원소나 metalloid등을 활용하여 경제적이면서 환경 오염이 없는 재료가 개발될 것이다. 내식 특성과 내마모 특성이 우수하면서 탄성 범위가 크고 강도가 우수한 비정질과 초미세 석출상이 혼재한 소재가 개발되어 활용될 것이다. 이 소재가 개발되어 활용될 경우, 그 파급 효과는 구조용 소재 전반에 걸쳐 파급 효과가 클 것이며 향후 소재 시장의 판도를 결정할 수도 있으리라 여겨진다. 이러한 기대에 부응하는 과제로서는 「(61) 고온(1,200℃이상)에서 내식성이 기존보다 3∼4배가 되는 재료가 실용화된다(2015)」, 「(63) 냉각수를 사용하는 화학공장에서 20년정도 응력부식 균열이 일어나지 않는 내식 금속재료가 개발된다(2011)」,「(64) 해수에 대한 내부식성 저가 합금이 개발된다(2010)」,「(70) Cr도금의 표면처리를 대체하기 위해 건식 표면처리기술이 실용화된다(2010)」, 「(73) 경사 기능성 내마모, 내식 코팅기술이 실용화된다(2010)」등이 있다. 한편, 내식 특성이 우수한 초청정강의 상용화 여부는 「 (57) 6N(99.9999%)급의 고순도 철의 경제적 제조기술 개발(2010)」에 달려 있다고 볼 수 있다.

금속간 화합물이나 비정질 복합 소재와 같이 합금 성분 제어가 아닌 원자의 배열 방식을 제어하는 소재의 개발을 통하여, 그 동안 금속 소재 연구에 바탕을 둔, 합금 첨가와 미세 조직 제어에 기반을 둔 구조용 소재 개발 대신에 새로운 합금 개발 방향의 제시가 이루어 질 것이며, 합금 설계의 기본 원리도 금속 결합 제어 방식이 아닌 금속결합과 전자 결합. 공유 결합의 혼재된 상태의 결합 방식을 제어하는 단계, entropy가 소재의 에너지 상태 결정에 영향을 크게 주는 소재 개발 단계에 도달하여 구조용 소재의 개발대상 범위가 획기적으로 넓어질 것이다.

이러한 연구 방향에서 우리 나라는 세계적인 경쟁력을 보유하고 있는, 철강, 조선, 중화학 설비 산업, 조선, 철도 차량, 자동차, 항공기 동체 분야에서 기존 보유하고 있는 장치 산업과 이에 바탕을 둔 생산 공정기술의 우위를 확보하면서 소재를 개량, 개발하는 분야를 산업계의 주도하에 연구를 수행하며, 구조용 비정질, 표면 개질, 구조용 금속간 화합물과 같이 미래 지향적인 연구를 정부 주도하에 산학연 협동으로 개발을 하는 것이 바람직 하리라 여겨진다.

이러한 소재 개발을 국내에서 수행하는데 따른 문제점으로는 개발된 소재를 활용하여 독자적인 부품 및 설비를 설계하는 능력이 부족하고 개발 또는 개량된 소재를 활용한 설계를 위하여 필요한 구조적 물성을 체계적으로 평가하여 신뢰도 높은 Data base를 제공할 수 있는 인프라가 구축되지 못한 상태이며, 신재료를 개발하는데 필요한 미세 분석기능 역시 미흡한 상태이다. 신개념의 소재를 개발하기 위하여 합금 설계 원리, 기본 열역학적인 물성 평가 등 기본적인 분야에 대한 연구가 보다 활발하게 진행되어야 함에도 불구하고, 흔히 이 분야를 구소재분야로 분류하여 정부의 지원이 미흡한 실정이다.

10.2.2 정보·통신용 신소재의 개발 및 소자화기술의 고도화

새 천년의 첫 사반세기는 정보화 사회가 본격적으로 전개될 전망이어서 정보통신산업과 이를 지원하는 첨단산업이 경제. 사회. 기술적으로 가장 중요한 분야로 자리매김할 것이 확실시된다. 정보 사회가 고도화되어감에 따라 필요한 정보량이 폭발적으로 급증하게되어 이를 취급할 정보기기의 개발정도가 정보사회화 속도를 조절하는 보다 중요한 인자가 될 것이다. 정보처리, 정보저장, 정보표시, 정보통신 등을 담당하는 정보 · 통신 기기 들은 대용량의 정보를 보다 빨리 처리함과 동시에, 대형화 추세인 정보표시기기를 제외하고는 기기 자체의 물리적 크기는 점점 소형화될 것이며, 기기의 신뢰성과 내구성은 한층 향상될 것으로 예측되고 있다. 이러한 기기들의 고속화, 대용량화, 소형화 및 고성능화가 실현되기 위해서는 월등하게 우수한 기능을 가지거나 새로운 개념의 신소재가 개발되는 것과 함께 이들 신소재의 특성을 충분히 살릴 수 있도록 소자화하는 기술이 우선되 어야 할 것이다. 신소재 개발과 소자화기술의 고도화는 단위 전자나 단위 스핀을 조작하거나 검출하는 공정 및 분석 기술을 비롯하여, 수 개의 원자, 원자층 혹은 나노스케일 단위로 제어하는 합성 및 공정 기술, 재료의 계면이나 표면의 제어·분석 기술, 2차원 혹은 3차원의 다차원화 설계 및 공정 기술 등 새로운 개념의 기술들에 의하여 비로소 구현될 수 있을 것으로 판단된다.

반도체로 대표되는 정보처리 기능재료 및 소자는 고속화, 대용량화, 고집적화, 소형화, 저전력화, 다기능화 등을 구현하기 위하여 새로운 개념의 기술을 활발하게 적용하게 될 것이다. 가장 눈에 띄는 것은 양자효과를 이용한 양자 기능성 소자의 실현에 관한 것이다. 예컨대, 10 nm 이하의 크기를 갖는 양자점을 만들었을 때 단위 전자를 제어할수 있다는 사실을 활용한다면, 테라비트급 정보처리 소자를 제작할 수 있을 것으로 기대하고 있는 바, 「(2) 단전자 트랜지스터 (Single Electron Tunneling Transistor)를 이용한 테라비트급 논리 소자 및 메모리소자가 개발된다(2015)」 ,「(19) Regular Array의 10 nm 이하의 양자점(Quantum Dot)을 1012/㎠ 의 집적도로 제조하는 공정기술이 개발된다(2015)」등이 그 예이다. 반도체 단전자 소자기술을 실질적으로 활용하기 위해서는 결함이 없는 양자점을 형성하여야 하기 때문에 고밀도 및 고균일의 양자점 자발형성 기법이 개발되거나, 「(20) 중성빔(Neutral Beam)을 이용한 10 nm급 박막에칭 공정기술의 실용화(2010)」가 선결 되어야 할 것이다. 정보처리의 고속화와 대용량화를 동시에 구현할 수 있는 획기적인 아이디어가 「 (4) 2차원(Frame by Frame)의 정보처리소자를 개발(2012)」하는 것인데, 홀 버닝(hole burning)기술을 이용하면 실현 가능할 것으로 기대하고 있다. 초고속 정보처리 소자로서 주목받아 온「(3) 조셉슨(Josepson) 연산소자」는 2013년에 실용화될 수 있을 것으로 기대되고 있는데, 「(49) 상온에서 전이점을 갖는 초전도 재료가 개발(2020)」되어 이 기술에 접목할 수 있다면, 보다 광범위한 분야에서 활용될 수 있을 것이다. 유기고분자가 가지고 있는 분자구조 설계의 용이성을 바탕으로 유기반도체 등에 응용하고자 하는 노력이 있는바, 「 (89) 고분자 젤이 인공 근육, 바이오 리액터 및 정보처리 소자에 실용화된다(2018)」와 「(101) 유기반도체를 이용한 평판헝 플라스틱 반도체가 실용화된다(2011)」가 그 것이다. 「(1) 구리를 배선재료로 이용한 논리소자와 기억소자의 실용화」가 중요도지수 76.4로서 정보처리 기능재료 중에서는 가장 높았는데, 이는 실현가능성이 다른 어떤 과제보다 높을 뿐 만 아니라 반도체라는 막대한 시장에 커다란 영향을 끼치는 획기적인 기술이기 때문인 것으로 해석된다. 예컨대, 구리 배선이 기존의 알루미늄을 대신하게되면, 정보처리 속도가 현저하게 빨라짐과 동시에 전력소비량도 크게 줄일 수 있다. 1997년에 이 기술을 발표하였던 미국의 IBM사가 비록 수율이 50%정도로 아직 대량생산에는 적합한 수준이 아니기는 하나 이 기술을 이용하여 파워PC를 이미 제품으로서 출시하였고, 미국의 모토롤라, AMD(Advanced Micro Devices), 대만의 UMC(United Micro-electronics) 등이 조만간 상품을 선보일 예정이라는 점을 감안할 때, 본과제의 국내실현시기를 본 조사에서 평가되었던 2006년보다 최소한 3∼4년은 앞당겨야 반도체 강국의 대열에서 탈락하지 않을 것으로 판단된다.

정보저장 기능재료는 단위면적당 기록밀도를 높이는 고밀도화와 데이터 접근 및 전송속도를 높이는 고속화에 대응하도록 개발 방향이 잡혀 있다. 현재의 정보저장기술에는 크게 나누어 자기기록, 광기록, 반도체기록 등 3대 기술이 있다. 아직은 실효성이 미지수이기는 하지만 완전히 새로운 개념이 도입된 것으로 SPM(Scanning Probe Microscopy)기술 등을 적용한 나노(nano)기록 방식이 차세대 정보저장기술로 거론되고 있는데, 「(11) SPM(Scanning Probe Microscopy)기술을 이용한 기록장치가 개발된다(2010)」 에서 그 기대가 나타나 있다. 컴퓨터용 하드디스크 드라이브로 대표되는 자기기록은 반도체기록에 비하여 비트당 가격이나 저장용량면에서 월등히 우수하며, 광기록에 비하여 정보 입출력 속도와 저장용량면에서 우위에 있을 뿐 아니라 가격면에서도 동등한 수준이어서 현재의 3대 기술 중 컴퓨터, 멀티미디어, 디지털 카메라, 비디오, 오디오 등 각 분야에 걸쳐 가장 널리 사용되고 있다. 미국의 IBM사와 Read-Rite사가 독립적으로 1999년 5월에 20G bit/inch2의 기록밀도를 실험실적으로 구현하였고, 더욱 경이적인 사건은 99년 10월 4일 미국의 IBM사가 또다시 35.3G bit/inch2의 자기기록밀도를 실험실적으로 성공함으로써 새로운 기록을 세우게 되었다. 1991년 GMR(Giant Magneto Resistance) 헤드의 출현 이후 유지하여 온 연평균 기록밀도 증가율 60%를 오히려 상회하고 있어서 초상자성(superparamagnetic) 문제 때문에 자기기록방식이 수 년 내에 한계에 부딪힐 것이라는 세간의 의혹을 불식시켰다. 자기기록방식에서의 고밀도화는 매체의 고보자력화와 이에 상응하는 기록용 헤드의 고포화자속밀도화, 재생용 헤드외 고감도화 그리고 트랙 서보기술의 고정밀화 등으로 요약할 수 있다. 이러한 요구에 부응하는 과제로서 「(7) 1평방인치당 1테라비트의 기록밀도를 가지는 하드디스크 및 자기헤드가 개발된다(2011)」, 「(12) 30nm 이하의 트랙폭에 대응하는 디스크드라이브용 트랙서보기술이 개발된다(2010)」, 「(26) 포화자화가 3테슬라(Tesla) 이상의 벌크 자성재료가 개발된다(2015)」, 「(27) 10Oe 정도의 외부자계에서 30% 이상의 자기저항 변화율을 상온에서 갖는 자기저항소자재료 및 소자화기술이 개발된다(2010)」등이 있다. 재생만이 가능한 CD(Compact Disk)를 출시하면서 작지 않은 음향시장을 개척한 광기록은 기록, 재생, 되쓰기 등이 모두 가능한 광자기 방식과 상변태형 광기록방식이 속속 개발되면서 더욱 각광을 받고 있다. 광기록방식에서 「(8) 직경 120mm의 디스크 단면에 1테라바이트의 기록용량을 갖는 광메모리가 개발된다(2010)」와 같은 고밀도화를 이루기 위해서는 파장이 짧은 레이저 다이오드의 개발과 이를 수용할 수 있는 기록매체의 개발이 우선되어야 한다. 차세대 광기록매체와 단파장 광전변환재료에 대한과제로서 「(10) 기록용 광원 파장의 1/4보다 작은 비트(Bit)를 기록, 재생할 수 있는 초해상(Super-resolution) 재료가 실용화된다(2011)」와 「(102) GaN계 UV광원 반도체기술 및 파장변환 재료기술이 개발된다(2010)」 가 있다. 기존의 광기록과는 전혀 차원을 달리하는 3차원 정보저장 장치를 실현하고자 하는 노력이 계속되고 있다. 3차원 광메모리는 「(4) 2차원(Frame by Frame)의 정보처리소자를 개발(2012)」과제에 대응하는 정보저장 형태라고 할 수 있는데 2차원의 페이지 형태로 데이터 입·출력이 가능하기 때문에 1 Gb/s 이상의 높은 전달속도를 이룩할 수 있다. 또한, 저장매체가 3차원 결정체이므로 각/공간/위상/파장 다중화 방법과 혼합 다중화 방법으로 저장용량의 극대화를 실현할 수 있기 때문에 10TB 이상의 차세대 초대용량 정보저장장치로서 부각되고 있다. 이러한 병렬 광메모리 종류에는 홀로그래픽, 스펙트럴 홀버닝, two-photon방식 등이 있는데, 이 중에서 홀로그래픽 광메모리(HDDS; Holographic DigitalData System)기술이 가장 주목받고 있다. 3차원 정보저장기술을 실현하기 위해서 가장 중요한 핵심기술이 바로 저장재료이며 「 (5) 3차원 정보저장재료가 실용화된다(2015)」에서 그 기대가 나타나 있다. 특히, 이 과제는 중요도지수 83.7을 기록하여 많은 관심을 받고 있는 것으로 조사되었다. 한편, 기존의 3대 기술을 융합하여 한계를 극복하고자 하는 노력이 있는데, 이를 반영하여 「(6) 자기식 드라이브, 광학식 드라이브, 그리고 반도체의 장점을 모두 이용한 기술복합형 드라이브의 실용화(2010)」 가 거론되고 있다. 아직 본격적으로 상용화되었다고는 볼 수 없겠으나, 자기식과 광학식 방식을 함께 도입한 융합형기술이 미국의 Quinta. TerraStor 등과 같은 벤처기업들에 의하여 구체화되고 있다.

정보표시 기능재료는 full color화, 대면적화, 고속화, 저전력화라는 표시소자의 요구특성을 만족시키기 위한 방향으로 개발이 진행될 것이다. 현재 박형·경량화가 용이하고 저소비전력이라는 강점을 가지고 TFT, STN과 같은 액정표시(LCD)소자가 휴대용 디스플레이의 절대강자로 군림하고 있으며, 저가격, 고화질이라는 장점을 가지고 있는 CRT는 가정용 및 산업용에 두루 사용되고 있다. 박형, 고화질, 대면적화에 유리한 PDP가 40 인치 이상의 직시형 대화면 디스프레이 장치에서 확고한 위치를 점유할 것이라는 기대에 부응하여 국내외 전자업체가 너나없이 관련제품을 출시하면서 저가격화, 고화질화 경쟁체제로 진입하여 있다. 대화면화 측면에서는 PDP에 비하여 다소 불리하지만 보다 가볍고 얇으면서도 값싸게 만들 수 있다는 점에서 FED(Field Emission Display)는 2010년경 중소형 표시장치분야에서 LCD와 한판 승부를 벌이게 될 전망이다. FED용 신소재로서 발광전압의 저전압화, 시효열화에 대한 내구성 등에서 유리한 다이아몬드 박막이 거론되고 있어서, 「 (18) 다이아몬드 박막을 이용한 FED(Field Emission Display)의 실용화」가 2008년에는 이루어질 것으로 기대되고 있다. 표시장치용 재료 외에도 수소저장매체, supercapacitor, 특수 filter, AFM probe 위한 응용분야를 가지고 있는 신탄소소재도 차세대 정보표시 기능재료로 손꼽히고 있는데, 「(48) 새로운 구조를 갖는 탄소 재료(Fullerene, Nano-tube)의 실용화(2015)」 분야에서 일익을 담당할 것으로 기대하고 있다. 접어서 가지고 다닐 수 있도록 하는 것이 가능할 수 있다는 점에서 고분자 발광재료도 눈길을 끌고 있는데, 「(100) 고분자 발광재료를 이용한 Disp1ay용 소자의 실용화」 가 2010년경에는 실현될 것으로 전망되고 있다. 과제 「 (102) GaN계 UV광원 반도체기술 및 파장변환 재료기술이 개발된다(2010)」는 광기록의 고밀도화에 필요할 뿐 아니라, wide bandgap을 가지고 있어서 고휘도 청색 발광소자를 개발하는데 가장 유망한 재료로 점쳐지고 있다. 「(79) 가시광선의 투과도가 80% 이상인 금속소재의 개발(2020)」 이 가능하다면, 투명전극이나 투명전자파 차폐 재료 등으로 사용할 수 있어서 표시장치나 태양전지를 비롯하여 여러 분야에서 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

정보통신용 소재는 관련기기들이 경박단소화됨에 따라 박막화, 복합화, 고주파수화, 고성능화, 저전력 소비화 추세에 대응하여야 할 것이다. 「(9) 10 Giga Hz의 초고주파수 대역에 사용될 수 있는 두께 1um 이하의 통신용 복합기능(인덕터, 캐패시터, 저항) 박막칩이 개발된다(2009)」가 정보통신용 소재의 개발 방향을 단적으로 보여주는 좋은 예이다. 이러한 과제는 재료 및 소자 설계기술, 박막제조 공정기술, 고주파 특성 평가기술 등 여러 분야의 기술이 함께 하여야 가능한 기술이라는 특징이 있어서 학제간 협력연구가 꼭 필요한 분야이다. 금번 조사자료에 의하면 정보통신 기능소재분야에서 고분자 소재에 대한 과제가 가장 많았는데, 이는 유기고분자가 값싸게 제조할 수 있으면서도 경박단소화에 유리하다는 장점과 함께 다양한 유기화학을 바탕으로 한 특정기능에 적합한 분자구조의 설계가 용이하여 급변하는 정보통신용 소재의 요구특성을 충실하게 반영할 수 있기 때둔인 것으로 분석된다. 비선형 광학재료(NLO)는 차세대 광통신분야의 주요 소재로서 고속정보통신분야에는 전기 광학 변조기 및 스위치, 광굴절을 이용한 dynamic hologram등에 응용이 가능할 것이다. 현재에는 무기재료를 이용한 비선형 광학소자가 상업화되어 있으나. 미래의 폭발적인 수요를 충족하기 위해서는 가공성이 우수하고 저가격으로 제조할 수 있는 유기고분자 비선형 광학재료의 개발이 필연적이다. 현재까지 유기고분자가 비선형광학 재료로서 적용될 가능성은 인정되고 있으나 소자화를 위해서는 열적 및 광학적 안정성을 해결해야 하는데, 이 점이 개발시기를 지연하는 요인이 되고 있다. 이를 극복하는 방법으로서 So1-Gel을 이용한 하이브리드화가 채택되고 있는데, (97) Sol-Gel법을 이용한 비선형 광학박막이 실용화된다」는 2014년경에 가서 가능할 것으로 예측된다. 안정성의 문제가 극복되면 상업개발은 가능하지만, 이후 효율의 증대를 통한 고품질화가 이후 과제로 대두될 것이며, 「(104) 광소자용 초저손실 폴리머재료가 개발된다」 가 2010년 경에 가능하여 이때는 무기재료들의 성능이 유기고분자로서도 구현될 것이다. 광통신용 소재의 저손실 문제의 극복은 광통신의 핏줄인 광섬유에도 해당된다. 현재까지 우수한 가공성 및 저가격에도 불구하고 광 손실율이 상대적으로 커서 적용범위가 제한되고 있는 고분자 광섬유는 LAN 등의 활발한 보급으로 인하여 2005년경 단거리 통신에 적용될 수 있을 것이다. 그러나 초저손실 폴리머재료가 개발되면 이 소재설계기술은 광섬유에도 파급되어 「(99) 유리 광섬유 물성에 대응하는 고분자 광섬유의 개발」 이 2010년에 가능하여 기존 중장거리 통신용 유리 광섬유을 대체하게 된다. 한편 비선형 광학재료의 열적 및 광학적 안정성을 확보하는 기술이 개발되고 나아가 pattern화 및 고집적화 기술 등의 주변기술이 개발되면 기 개발된 3차 비선형 광학재료 설계 및 합성기술과 조합되어 「 (21) 컴퓨터용 3차 비선형 광학재료의 실용화」가 2013년에 가능하여 현재의 전자시대에서 광전자(optoelectronics)시대를 거쳐 본격적인 광 컴퓨터 시대를 열게 될 것이다. 「(98) 실온에서 동과 같은 전기전도도와 내환경성을 갖는 고분자 재료의 실용화」는 시기적으로 전자시대 및 광전자(optoelectronics) 시대의 통신에 적합한 것으로 기술적으로도 2015년경에 가능하여 경량성, 가공성과 가격경쟁력이 우수한 재료로서 구리를 부분 대체할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

10.2.3 지구환경 보전· 개선과 건강복지 향상을 위한 신소재의 개발 및 응용

우리 나라가 작금의 IMF 시대를 벗어나 선진국으로 발돋움하여 세계 정상국 대열에 서게 될 것으로 기대되는 21세기에서는 국민 개개인의 건강 증진과 생활환경 개선이 최우선 과제가 될 것이다. 기본적인 의식주를 해결한 후에는 즐겁고 쾌적한 삶을 오랫동안 영위하고 싶어질 터이기 때문이다. 특히, 대기, 수질, 토양과 같은 환경자원의 관리는 해당 국가 국민의 건강복지 및 생태계 뿐 아니라 인접 국가 혹은 전세계의 그 것에도 직접적으로 영향을 끼치는 것이어서 국가 정책 차원에서 가장 민감한 사안이 될 것이다. 이에 따라, 향후의 신소재 개발은 제반산업 제품의 성능을 개선하고 새로운 제품을 시장에 출현시키는 기존의 역할에 더하여, 환경자원을 보전 · 개선하고 국민의 건강을 증진시키는 몫을 함께 하여야 할 것이다.

인구증가에 따른 여타의 제문제를 별도로 한다면, 에너지 관련 기술의 확보가 환경자원의 보전이라는 명제를 실현할 수 있는 가장 뚜렷한 수단이라고 할 수 있다. 환경보전 관련 에너지기술에는 크게 나누어 에너지 소비 저감기술과 새로운 환경친화성 에너지 생성 및 활용 기술이 있다. 앞서 언급한 '구조용 재료의 내열특성 향상 및 경량화 추구'에 대응하는 모든 기술이 에너지 절약형 소재기술에 해당하며, 그 외에 에너지 저장, 전달 및 분배에 소용되는 성에너지형 소재기술들이 있다. 2010년까지는 보편화 될 것으로 기대되는 「(69) 변전기 트랜스포머용 비정질 자성합금」 , 2015년경에는 실용화될 것으로 기대되는 「(37) 효율 40% 이상의 자동차용 세라믹 가스터어빈」등이 에너지를 전달하고 분배하는 동안 에너지 손실량을 저감하는 소재의 좋은 본보기이다. 「(49) 상온에서 전이점을 갖는 초전도 재료의 개발(2020)」 은 획기적으로 에너지 손실을 줄일 수 있는 계기가 될 수 있을 뿐 아니라 정보·통신 기술의 새 장을 열 수 있는 '꿈의 소재'라는 기대를 받고 있어서 평가자들로부터 86.6이라는 매우 높은 중요도지수를 기록하였다. 태양에너지와 함께 환경친화성 에너지의 대표주자격인 수소에너지는 「(65) 수소저장합금을 이용한 수소연료 자동차가 승용차 생산대수의 10%를 넘어선다(2020)」와 같이 일상생활에 깊숙이 자리잡을 것이다. 미래형 청정에너지인 수소에너지가 보다 널리 활용되기 위해서는 수소를 경제적으로 제조하는 기술이 최우선적으로 선결되어야 한다. 수소생성기술로는 TiO2와 같은 광촉매를 이용하여 태양에너지로부터 직접 수소를 얻는 방법이 환경친화적이라는 측면에서 가장 유력한 미래기술로 떠오르고 있다. 특히, 태양에너지와 수소에너지를 결합한 청정에너지는 근린시설화가 가능한 분산독립형 에너지원으로서 에너지 전달 및 분배 측면에서 매우 유리한 장점이 있어서 그 활용이 더욱 활발해질 전망이다. 태양에너지를 보다 적극적으로 활용하기 위해서는 「(54) 변환효율 50% 이상의 적층 태양전지의 실용화」 가 선행될 필요가 있는데, 국내 실현 시기를 2018년의 비교적 먼 장래의 기술이라고 예측하면서도 매우 중요한 과제(중요도지수, 81.3)로 평가한 것은 이 과제의 실현에 대한 강한 염원을 나타낸 것이라 하겠다. 혹자는 태양에너지 자원이 풍부한 적도 근방의 불모지대에 변환효율이 높은 태양전지로 전기에너지를 만든 후, 이 전기에너지를 「(22) 전력을 무선으로 보내고 받는데 사용되는 대용량 에너지 변환소재 개발(2015)」을 통한 활용가능성을 점치고 있다.

환경과 직접적으로 관련한 고분자 재료·공정기술로서는 분해성 고분자와 플라스틱 재활용기술이 각각 재료와 공정 측면에서 연구 개발되고 있다. 2015년경에 분해성 고분자가 플라스틱 사용량의 10%를 차지할 것이라는 일본의 예측보고가 있고, 플라스틱 재활용기술은 이보다 앞선 2007년경 상용화가 예상된다. 분해성 플라스틱은 그 분자구조적 특성상의 한계로 인하여 고내열 및 고강도의 실현이 상대적으로 어려운 바, 보다 많은 량의 대체를 위해서는 이의 극복이 필요한 데, 이것은 재료설계기술은 물론, 공정 및 구조제어 기술이 동반되어야 할 것이다. 환경보전에 비하여 보다 적극적인 개념이 환경개선이라고 할 수 있다. 환경정화 기능의 고분자 신소재의 경우, 상분리를 이용한 기공의 형성이나, 화학반응에 의한 crown ether 등을 고분자에 도입하여 특정크기의 저분자 물질을 제거 또는 분리하는 소재가 관심을 끌고 있다. 향후의 추세는 단순한 공해물질의 제거는 물론 그곳으로부터 필요한 물질을 분리하여 재사용하는 분리기능막이 개발되어 질 것이다. 「(92) 200℃ 이상에서 장기간 사용할 수 있는 기체 분리막의 실용화(2010)」 가 예상되며, 기타의 예로서 촉진수송법을 이용한 기체분리막, 표면층의 두께가 500 Å이하의 기체분리막, 유기용매 분리용 투과 증발막, 산화저항성이 우수한 역삼 투막, 광학 이성질체 분리용 분리막 등이 과제 (92)의 관련기술을 활용하여 2010년에서 2020년에 걸쳐 개발될 것으로 기대하고 있다.

건강복지와 관련된 재료로서는 인공심장, 인공신장, 심장판막, 인공심폐기 등 인공장기, 뼈, 치아, 관절, 피부, 유방, 근육, 수정체 등과 같은 신체구조물을 대체할 수 있는 인공조직, 각종 치과재료, 봉합사, 카테터, 콘택트 렌즈, 혈액백, 주사기 등 소모품형 치료제품 따위가 있다 그간 꾸준히 연구 개발하여 적용하여 왔던 인공장기분야는 지금까지의 연구개발 방향과는 다소 바뀌어서 「(90) 조직공학을 이용한 인공장기의 재현이 가능해지고 부분적으로 실용화」되는 쪽으로 진행되어 갈 것이다. 조직공학에 의하여 대체장기를 만들 경우, 보다 값싸게 만들 수 있는 가능성이 높을 뿐 아니라 생체적합성, 항혈전성, 역학적 접합성 등 생체재료가 반드시 지녀야 할 특성이 뛰어나다는 평가를 받고 있기 때문이다. 인공조직의 경우에는 유전자 조작기술로서는 손쉽게 구현하기 어려울것이라는 예상인데, 인공조직용 생체재료나 의과용 치료제품용 재료의 경우에도 이들을 활용하기 위해서는 생체적합성, 항혈전성, 역학적 접합성 등이 관건이 된다. 「(86) 혈액적합성과 생체적합성이 뛰어난 재료의 실용화」 가 2011년경에 이루어 질 것으로 예측되고 생체고분자의 기능을 인공적으로 모방한 「(87) 자기인식, 판단기능을 가진 생체유사 고분자 재료의 개발」은 2018년경에 이루어질 것이다. 「(88) 수산화 아파타이트와 고분자가 복합체를 이룬 인공뼈의 개발」은 2010년에 개발될 것으로 전망되는데, 세라믹/고분자 이종간의 접합기술이 요소기술라고 할 수 있다.

10.2.4 새로운 재료공정기술과 제품화기술 창출

재료공정기술은 중후장대형의 구조용 재료의 경우, 경제성, 제품의 완성도, 환경친화성 등이 강조되어 기존공정과 대체공정이 점진적으로 개혁되는 반면, 경박단소형의 신기능재료의 경우에는 새로운 기능 발현 및 조작의 가능성 유무가 초미의 관심사이므로 현재의 박막 설계 및 공정기술이 혁명적으로 고도화되지 않으면 안될 것이다.

구조용 재료에 대한 공정기술 개발은 수요규모가 큰 범용 금속재료와 응용범위 확대의 첨병 역할을 하는 세라믹스 및 복합재료에 집중되어 있다. 「(55)용융환원 제철법」이 현재의 용광로 제철법을 대체하여 실용화되는 시기를 2010년으로 예측하였는데, 이 기술이 이미 합금철 생산에 적용되는 공인된 기술인 점을 감안할 때 실용화 기간이 상당히 길다는 것을 알 수 있다. 이는 제철·철강산업이 기술개발 시점과 본격 실용화 시점의 차이가 많은 대형 기간산업임을 새삼 일깨워 주는 좋은 예이다. 「(56) 스트립 캐스팅 및 박슬라브 연속주조방법」 도 일부 품목에서는 이미 활용되어 있으나, 본격적으로 활용되는 시기는 2007년경으로 예측하고 있다. 과제 56은 후판압연 공정을 생략할 수 있어서 철강판 제조 설비비와 제조 원가를 대폭적으로 절감할 수 있는 혁신적인 기술이다 「(57) 6N(99.9999%)급의 고순도 철의 경제적 제조기술(2010)」은 (1)절에서 언급한 바와 같이 구조재료의 내식성 향상을 꾀할 수 있을 뿐 아니라 자성재료 등 기능성 재료의 특성을 향상시키는데 커다란 기여를 할 것으로 기대된다. 「(35) 초미립자를 이용하여 800℃ 정도의 고상소결로 SiC, Si3N4계 내열세라믹제조기술의 개발(2011)」 은 초미립자의 경제적 합성과 이를 이용하는 공정기술이 핵심이다. 「(43) 구조용 세라믹스의 소성가공기술 실용화(2010), 에 대해서는 논란이 있어서 '초미립 세라믹 분말을 이용한 실형상 제조'를 제안하는 전문가도 있다. 기존의 탄소섬유를 대신하여 고강도 복합재료의 섬유 소재로서 「(52) 다이아몬드 섬유」가 거론되고 있는데, 금속섬유 위에 다이아몬드 박막을 증착시킨 후 금속을 제거하여 얻는 방법, 인조다이아몬드를 제조한 후식각하여 얻는 방법 등 여러 가지 방안이 고안되었으나, 그 개발시기는 2020년으로 예측되고 있어 기술적 어려움이 예상된다.

재료의 조성, 조직, 물성 등이 합금 및 공정 설계 그리고 제조조건에 따라 복잡하게 바뀌는 재료를 컴퓨터 수치모사를 통하여 재료의 요구특성과 제조조건을 최적화하는 고도의 재료기술이 유망과제로 부각되고 있다. 「(31) 컴퓨터에 의해 필요한 조성, 조직, 물성을 갖는 세라믹스를 설계하는 기술(2011)」 이 실용화되면, 원하는 특성을 갖는 세라믹 재료를 개발하고 그 제조공정을 최적화하는데 소요되는 연구비와 연구기간을 대폭 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 현재로서는 제한적이고도 단편적인 물성(경도, 강도, 열물성 등)에 대해서만 해석이 가능하다. 「(76) 박막의 미세구조 형성의 컴퓨터 모사(Computer Simulation)기술(2010)- 이 실용화되면, 아직 뚜렷한 박막제조과정에 대한 모델이 없어서 생기는 제반 어려움을 척결할 수 있어서 박막재료에 신기능을 부여하는 것이 보다 쉬워질 전망이다. 「(83) 물성을 예측할 수 있는 구조가 제어된 고분자 (Tailored Polymer) 합성기술의 개발(2014)」에 수치모사기술을 적용한다면, 보다 좋은 결과를 얻을 수 있을 것이다.

신기능을 발현시키고 조작하는 새로운 기술로는 (2)절에서 강조한 바와 같이, 단위전자나 단위 스핀을 조작하거나 검출하는 공정 및 분석 기술을 비롯하여, 수 개의 원자, 원자층 혹은 나노스케일 단위로 제어하는 합성 및 공정 기술, 재료의 계면이나 표면의 제어·분석 기술, 2차원 혹은 3차원의 다차원화 설계 및 공정 기술 등 새로운 개념의 기술들이 있다. 원자나 분자 단위로 제어하는 합성 및 공정 기술로는 「(71) 원자층 증착 공정기술(2012)」, 「(77) 원자 스케일로 구조제어된 복합재료 개발(2012)」,「(96)단분자층 레벨로 제어된 유기 하이브리드 복합재료 실용화(2014)」 등이 있으며, 나노스케일로 입자나 구조를 제어하는 합성 및 공정 기술로는 「 (32) 나노스케일(Nano-Scale)로 조직이 제어된 세라믹스가 실용화된다(2009)」 , 「 (74) 나노스케일(Nano-Scale) 분말을 이용한 각종 제품이 개발된다(2010) 」, 「 (81) 나노스케일(Nano-Scale)의 고분자입자 형성기술이 개발된다(2010)」, 「(82) 유기 고분자의 초분자 구조(분자간에 구성되는 고차기능 구조)를 임의로 제어할 수 있는 기술이 개발된다(2015)」등이 있다. 「(29) Si기판 위에 단결정 다이아몬드를 성장시키는 기술의 실용화(2010)」는 다이아몬드가 능동 반도체 특성을 활용하는데 반드시 필요한 공정기술인데, 반도체 소재로서의 다이아몬드가 고온 및 고출력 작동이 가능하고 고속정보처리에 유리할 뿐 아니라 내방사능 등 내환경성이 우수하여 차세대 반도체 감으로 손색이 없다. 반도체 특성으로 볼 때 다이아몬드의 장점을 모두 갖추고 있으면서도 direct band gap을 가지고 있어서 단파장 표시소자에도 활용이 가능한 「(17) Si 기판 위에 단결정 c-BN을 성장시키는 기술」 은 개발 자체가 쉽지 않아서 2010년에 이르러서야 개발이 가능할 것으로 예측되고 있다. 재료나 공정을 분석하고 평가하는 것 또한 각종 신소재의 개발에 필수적인 요소기술이어서 「(16) 1스핀을 검출하고 조작할 수 있는 기술의 개발(2015)」 과「(72) 계면구조와 표면구조에 대한 정확한 분석 및 제어 기술(2014)」의 확보가 관련기술의 실현에 선행되어야 할 것이다.

학제간 기술융합이라는 대명제 아래 재료공학도 재료기술이 핵심이 되는 분야에서 그 응용기술 개발에 보다 적극적으로 활용되어야 할 것으로 전망된다. 국민의 안전과 관련된 과제로서 「(14) 무접점 센서를 이용한 설비진단 센서 제조기술 및 설비진단기술의 개발(2009)」, 「(23) 자기장 혹은 전자기장이 인체나 물체에 미치는 영향 규명(2010)」,「(47) 강도열화를 미리 알 수 있는 콘크리트를 사용한 대형 건조물(교량, 고층건물 등)의 건설(2012)」 등이 향후 과제로 채택되어 있다. 재료기술과 소자화기술이 서로 얽혀 있는 정보·통신 분야에서의 제품화기술은 (2)장에서 일부 다루었으므로 여기에서는 제한적으로 다루고자 한다. 「(80) 일주일 이상 사용할 수 있는 휴대용 재충전 배터리가 보급된다(2009)」와 같은 과제는 여러 가지 기술을 이용하여 여러 분야에 활용할 수 있는 제품이어서 별도로 취급하고자 한다. 특히 과제 (80)은 중요도지수 87. 1로서 소재분야에서는 가장 높은 지지를 얻고 있는데, 이는 이동통신 단말기와 휴대용 컴퓨터가 너나없이 보편화되면서 체감하는 불편을 대변한 것으로 사료된다. 공액계 고분자의 전도성 및 반도체 특성은 다양한 응용분야에 적용될 수 있다. 현재 상용화를 위하여 장기안정성(내구성) 및 효율의 증대가 극복되어져야 할 과제로 남아있는 「(100) 고분자 발광재료를 이용한 Display용 소자의 실용화」는 2010년 경 완전 상용화가 예상되며,「(101)유기반도체를 이용한 평판형 플라스틱 반도체의 실용화」는 2011년에 가능하여 수년 내에 범용화가 이루어질 것이다. 그 외에 유기고분자 레이저 (2005), 공액계 고분자를 이용한 초전도재료의 개발 (2025) 등이 예상되며, 기타 다양한 분야에 있어서 금속대체 재료로서 응용될 수 있다. (3)절에서 언급한 환경·에너지 및 보건복지 분야에서의 소재와 이를 응용하는 기술이 소재분야 중요도지수 상위 10개 과제 중 5개를 차지하고 있어서 이들 분야에 대한 관심이 많음을 알 수 있다. 불치병의 치료를 위한 「(84) 암 등의 환부에 좋은 효율로 도달하는 신호응답형 미사일 drug의 실용화(2012)」 가 예상되며, 미세제어 공정의 개발로 실현이 가능한 「(85) 소구경 인공혈관의 실용화」가 2010년경에 가능할 것이다. 이미 언급한 바와 같이, 인공장기 등 인체내 조직의 대체하는 기술분야는 조직공학이 주도할 것으로 예상되는 바, 「(90) 조직공학을 이용한 인공장기의 재현(2014)」 이 대상 조직에 따라 2005 년부터 2020년까지 장기적으로 이루어 질 것이다. 「(89) 고분자 젤이 인공 근육, 바이오 리액터 및 정보처리 소자에 실용화된다」는 핵심기술이 소자화 공정기술로서 2018년경 가능해 질 것이다. 생체용으로 적용될 수 있는 분리막으로는 효소분리막 등을 들 수 있는 데, 여기에 적용될 수 있는 「(91) 분자인식 분리막이 개발된다」는 2012년경 실현될 것으로 예측되었다. 한편, 환경친화성 세라믹 재료로서 소각로, 화력발전소, 대형공장 등에 널리 사용될 수 있는 「(39) 분진과 가스를 분리할 수 있는 다기능 고온 세라믹스 가스필터 」는 기술적으로 거의 완성단계에 있음에도 불구하고 제반 검증 시기를 거쳐 2008년경에야 실용화될 것으로 전망된다.

10.3 설문응답자의 특징

소재분야의 응답자는 2차 설문대상자 총 269명 중 206명이 응답하여 응답률은 76.6%를 나타내었다. 이는 전체 평균응답률 74.4%를 조금 상회하는 수치였다.

총 206명의 응답자에 대한 특성을 살펴보면 다음과 같다. 학위별로는 박사학위 소지자가 198명(96. 1%)으로 대부분을 차지하였고 석사학위 소지자가 6명(2.9%), 학사학위 소지자가 2명(1.0%)이었다. 연구주체별 분포는 대학이 126명(61.2%), 출연(연)이 49명(24. 3%), 그리고 기업이 31명(15.0%)순이었다. 경력별로는 10~19년이 129명(62.6%), 20∼29년이 49명(23.8%), 10년 이하가 19명(9.2%) 그리고 30년 이상이 9명(4.4%)순이었다. 연령별로는 40대가 116명(56.3%)으로 과반수 이상을 차지하고 30대가 54명(26.2%), 50대 이상이 35명(17.0%)을 차지하고 있어 30~40대가 170명(82.5%)으로 응답자의 대부분을 차지하였다.

<표 10-3> 설문 응답자의 분포

한편 응답자의 전문도 및 확신도에 있어서는 191명 중 스스로의 전문도가 「대 」,「중」 , 「소」 라고 응답한 경우가 평균적으로 각각 23.6%, 47.4%, 29.0%로 나타났고, 실현시기에 대한 확신도는 각각 21, 7%, 64.0%, 14.3%로 나타나 전문도와 확신도 모두 전체분야 평균보다 다소 높은 분포를 보이고 있다.

10.4 과제의 중요도

10.4.1 연구개발 영역별 중요도

과제의 중요도를 살펴보기 위하여 중요도지수를 적용하였다.

기술과제의 중요도지수는 각 항목( 「대」,「중」,「소」,「불필요」)에 대해 가중치 100, 50, 25, 0을 부여하였다. 이러한 이유는 전체 응답자의 의견을 모두 수용하기 위한 것으로 그 중 중요도 「대」 에 가중치를 더 준 것이다. 예를 들어 응답자 모두가 중요도에 대해 「대」 라고 응답했으면 그 중요도지수는 '100'이 되며, 모두 「불필요」 라고 응답했으면 중요도지수는 '0'이 된다. 과제의 중요도지수를 구하는 식은 다음과 같다.


Iindex : 중요도지수 (0 ≤ Iindex ≤ 100)

N: 중요도 「대」 인 응답자의 수

N: 중요도 「중」인 응답자의 수

N: 중요도 「소」인 응답자의 수

N불필요 : 중요도 「불필요」인 응답자의 수

N전체 : 전체 응답자 수 (N+N+N+N불필요)

<그림 10-1> 영역별 중요도지수

과제의 중요도에 대한 응답결과를 살펴보면, <그림10-1>과 같이 타분야에 비해 비교적 중요도가 높은 것으로 나타났다. 중요도지수가 가장 높은 영역은 고분자재료영역으로 70.6을 나타내었고 가장 낮은 영역은 금속재료영역으로 61.1을 나타내었다 세라믹스 재료분야의 중요도지수는 금속 재료분야와 비슷한 61.4로 나타났는데, 이는 특히 현재구조용 세라믹스재료분야가 직면하고 있는 기술 및 응용 분야에 대한 한계에 직면한 것으로 보이며 이러한 한계를 극복한다면 상당히 중요한 분야로 각광 받을 것이다. 소재분야 중요도지수의 전체분야 평균은 64.0으로 15개분야 중 여덟번째이다.

10.4.2 연구개발 목적별 중요도

향후 기술개발에 있어 중요시되는 성향을 살펴보기 위해 연구개발 방향에 따라 도출된(<표10-1>) 연구개발 영역에 대한 과제수행 목적별 중요도를 구해보았다. 이를 <그림10-2>에서 보면, 소재분야에 있어서 중요시되는 연구개발 목적으로는 화학생체특성의 기술이 중요도가 가장 높게 평가 되었고, 그 다음으로는 소자 및 제품, 광전·자기특성 등과 같은 측면의 연구개발이 향후 중요시 될 것으로 보았다. 비록 시험분석에 대한 연구개발이 연구개발 목적별 중요도 조사에 있어서 중요도가 가장 낮게 평가되었지만 이분야는 재료개발 전분야에 걸쳐 주분야는 아니더라도 꾸준히 연구되어야 할 분야임이 분명하다.

<그림 10-2> 목적별 중요도지수

10.4.3 중요도가 높은 10대 과제

기술과제에 대한 중요도지수가 높은 상위 10대 과제는 <표10-4>에서 볼 수 있듯이 고분자재료영역과 관련하여 5개 과제가 포함되어 있으며, 전자기재료 3개, 복합과 금속재료가 각각 1개 과제로 나타났다. 구체적으로 중요도지수가 높은 과제는 일주일 이상 사용할 수 있는 휴대용 재충전 배터리의 보급, 상온에서 전이점을 갖는 재료의 개발, 3차원 정보저장재료의 실용화 등의 과제들이 중요도가 높게 나타나 해당분야의 연구개발이 대단히 중요함을 알 수 있다. 10대 과제 중 가장 많은 과제수가 채택된 고분자재료분야는 특히 인체와 관련한 고분자재료가 3과제나 선정되어 향후 건강한 삶의 질 향상에 관한 연구의 중요성을 파악할 수 있다. 반면 상위 1∼3위 모두가 전자기 재료분야로 나타나 현재 많은 관심을 나타내고 있는 이동통신 및 기록매체에 대한 관심 및 향후 전망이 직접적으로 반영된 것으로 판단된다.

<표 10-4> 중요도가 높은 상위 10대 과제


10.5 연구개발수준의 국제비교

10.5.1 연구개발 영역별 수준

과제의 연구개발수준은 다음 식에 의해 구하였다.


Rj: j과제의 선진국 대비 국내 연구개발수준

Oi: 국내 연구개발수준을 나타내는 각 범위(i)에 대한 순위통계량 즉, 국내 기술개발 수준이 세계 최고수준에 대해 범위가 0∼20%, 21∼40%, 41∼60%, 61∼80%, 81∼100% 일 때 O는 각각 1, 2, 3, 4, 5를 나타낸다.

(Oi=i, i=1, 2, 3, 4, 5)

Nji: j과제의 각 범위에 해당하는 응답자의 수 즉, Nj1은 국내 연구개발수준이 세계에 비해 0∼20%정도라고 말한 응답자의 수이고 Nj5는 국내 연구개발수준이 세계에 비해 81∼100%정도라고 말한 응답자의 수

(Ni=i, i=1,2,3,4,5)

Nj전체: j과제의 전체 응답자 수 (Nj1+Nj2+Nj3+Nj4+Nj5)

<그림 10-3> 선진국대비 영역별 수준

위와 같은 공식을 이용하여 우리 나라의 연구개발수준을 선진국과 비교해 보면, <그림 10-3>에서 보듯이 총 104개과제의 평균수준이 선진국의 49.6%로 평가되어 전체분야 평균(47.1%)보다 더 높게 나타났다.

5개의 주요 영역 중 반도체 금속재료영역이 55.8%로 가장 높았으며, 그 다음이 세라믹스재료영역으로 49.5%를 나타내었다. 반면 연구개발수준이 가장 낮은 영역은 고분자재료영역으로 47.0%를 차지하였다

분산도로 환산하여 보면 선진국 대비 41~50%에 해당되는 과제가 53개(51.0%), 51~60%가 40개(38.5%)로 나타나 총104개 과제 중 93개 과제(89.4%)가 선진국 대비 41-60%로 대부분을 차지하였다.

10.5.2 연구개발 목적별 수준

과제의 목적별 연구개발수준을 선진국과 비교하면, 강도인성특성이 53.7%로 가장 높았고, 그 다음으로 제조공정가공과 설계재료합성 및 제련이 각각 51.9%등으로 나타났다. 반면 시험분석의 목적별 연구개발수준은 47.5%로 낮게 평가되었다. 이는 그동안 수행되어왔거나 퇴화되고 있는 국가연구개발 과제의 유형을 감안할 때 충분히 짐작할 수 있으리라 판단된다.

<그림 10-4> 선진국대비 연구개발 목적별 수준

10.5.3 연구개발수준이 높은 상위 10개 과제 및 낮은 하위 10개 과제

구체적으로 연구개발수준이 비교적 높은 상위 10개 과제와 낮은 하위 10개 과제를 <표10-5>와 <표10-6>에 나타내었다. 연구개발수준이 높은 과제는 스트립 케스팅 및 박슬라브 연속주조방법의 실용화, 용융환원 제철법의 실용화, 6N급의 고순도 철의 경제적 제조기술의 개발 등이었다. 한편 연구개발수준이 낮은 과제는 1테라비트급 바이오소자의 개발, 가시광선의 투과도가 80%이상인 금속소재의 개발, 생체유사 고분자재료의 개발 등이었다.

<표 10-5> 연구개발수준이 높은 상위 10개 과제


<표 10-6> 연구개발수준이 낮은 하위 10개 과제

10.6 과제도출 분석 틀별 중요도와 연구개발수준

중요도와 연구개발수준 사이의 관계를 도시하여 핵심전략기술 발굴을 위한 분석을 실시하기 위하여 영역별, 그리고 목적별 중요도와 연구개발수준을 고려한 우리나라 과학기술의 포트폴리오를 구성해 보았다.

연구개발 영역별 중요도와 연구개발수준의 관계를 <그림 10-5>에서 보면, 중요도는 전체분야 평균과 거의 비슷하였으나, 연구개발수준에서는 전체분야 평균을 상회하고 있어 그 동안 소재분야에 대한 꾸준한 투자 및 연구개발의 결과로 판단된다. 특히 고분자 재료의 경우에는 중요도와 수준 포트폴리오상에서 제Ⅱ사분면에 위치하여 중요성은 인식되고 있으나 선진국에 비해서는 아직도 연구개발수준이 낮은 것으로 나타나 어느 분야 못지않게 앞으로도 보다 많은 연구개발이 이루어져야 할 것으로 판단된다. 금속재료분야와 세라믹스재료 분야는 중요도에서는 비슷한 양상을 보이고 있으나 기술개발수준에서는 금속재료분야가 훨씬 높은 수준에 있음을 알 수 있는데 이는 두 분야가 국내에서 연구되기 시작한 시점과 연관이 있을 것 같다. 국내 철강산업의 진흥시책에 힘입어 금속재료분야의 역사는 세라믹스재료분야보다 훨씬 길고 그 동안 많은 연구가 이루어져 왔으며, 특히 구조용재료분야에서 금속재료는 상당한 연구가 축적되어 왔다. 한편, 소재산업이 여타 산업에 미치는 영향을 고려할 때, 전자기재료와 세라믹스재료 등의 시장 창출 및 응용범위의 확대를 추구해야 할 것이다.

<그림 10-5> 영역별 중요도-연구개발수준 관계1)

한편, 연구개발 목적별 중요도와 연구개발수준의 관계를 살펴보면 소재분야 평균이 전체평균에 대해 영역별 중요도에서는 비슷한 양상을 띠고 있는 것으로 나타났다. 그 중 <그림 10-6>의 I사분면에서 보는 바와 같이 화학생체특성, 소자 및 제품, 광전자기특성이 전체 평균에 비해 중요도와 연구개발수준에 있어서 높게 나타났으나, 연구개발수준에 대한 소재분야의 전체평균보다 낮게 나타났다. 즉, 소자 및 제품, 광전자기특성의 경우 그 중요도에 비해 연구개발수준은 비교적 낮은 것으로 나타나 향후 21세기 정보화 시대에 대한 능동적 대처와 세계시장에서의 기술 경쟁력 및 시장확보를 위해서는 적극적인 지원을 통해 연구개발의 수준을 향상시켜야 할 필요가 있는 것으로 보인다. 특히 소자 및 제품, 광전자기특성은 소재분야의 5개 연구영역 중 대부분의 연구영역이 연관되어 있어 분야간 협력 연구를 통한 연구개발 상승효과가 충분히 큰 영역이라고 볼 수 있다. 반면 강도인성 특성은 비록 중요도는 평균에 약간 못미치나 연구개발수준이 가장 높은 것으로 나타났다. 한편 중요도와 연구개발수준에서 가장 낮은 시험분석영역 역시 간과해서는 안될 분야로서 향후 요구되는 고품질특성의 재료개발을 위해서는 그에 알맞은 고도의 분석기술이 필요하기 때문이다. 그 대표적인 예로 현재 각광 받기 시작하는 나노기술(Nano Technology)분야에 대한 분석기술개발은 재료개발 연구의 기술적 한계돌파(Technology Breakthrough)의 관건이 될 것이다.

<그림 10-6> 목적별 중요도-연구개발수준 관계

 

주석 1) 구체적으로 사분면에 속하는 해당과제는 10.14절의 미래기술연표를 참고