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 surfkm@kmu.ac.kr

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

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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

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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.

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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.

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◦ 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

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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,

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◦ 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

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고분자 복합소재 세계 시장 규모 현황 및 전망

* 출처 : 중소기업기술로드맵, 2014.

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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.

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◦ 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.

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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

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본 발명에 의한 탄소나노섬유 구조 실험 결과

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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

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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

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◦ 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

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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

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◦ 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

­

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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

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­ 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

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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

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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

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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

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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

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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