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[이슈분석 128호] 일본의 미래소재 개발 전략과 시사점
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국가
일본
주제분류
핵심R&D분야
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생성기관명
연구개발전략센터 기관설명
등록일
2019-09-06
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2019-09-06
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본 고는 일본 JST CRDS(Center for Research and Development Strategy)에서 발표한 미래소재 탐색 이니셔티브(Future Materials Exploring Initiative)를 중심으로 작성

① 개요

□ 4차 산업혁명 도래로 세계시장 환경이 변화하고 있는 가운데, 일본의 최근 수출 규제 조치로 국내 소재산업의 활성화 방안 관련 다양한 논의가 추진 중


 - IoT, AI, 빅데이터 등 4차 산업혁명 관련 기술발달로 인해 산업 환경이 스마트화, 디지털 전환으로 변화되면서 이를 구현하기 위한 소재・부품 수요가 증대


 - 최근, 일본의 반도체 및 디스플레이 소재 등 對 한국 수출 제재조치로 인해 국내 소재산업의 육성 및 제조업 경쟁력 강화 등 대응방안이 필요


 - 정부는 ’미래소재 원천기술 확보 전략(‘18.4)‘ 수립 이후, 올해 대외의존형 산업구조 탈피를 위한 ’소재・부품장비 경쟁력 강화 대책(‘19.8)‘, ’소재・부품・장비 연구개발 추진전략 및 혁신대책(‘19.8)‘ 수립


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□ 최근, 일본은 국가 산업 경쟁력 강화를 위해 새로운 개념의 미래소재 개발 이니셔티브(‘19.8)를 발표


○ JST-CRDS(일본과학기술진흥기구 연구개발전략센터)는 미래 수요에 대응한 소재를 개발하기 위한 ‘미래소재 개발 이니셔티브(Future Materials Exploring Initiative)’를 제안


 - 소재 제조의 개발 범위를 고성능・고기능화, 여러 기능의 공존, 상반되는 기능 양립 등을 갖춘 소재로 확대한 미래형 소재개발 전략 추진


 - 열역학적으로 불안정한 형태의 소재 사용을 가능하게 하는 제조 패러다임 전환


 - 효율적 미래소재개발을 위해 소재 정보학(Materials Informatics)을 강조하고 있으며, 빅데이터 분석, 기계학습 등 데이터 과학과 로봇 등의 방식을 접목 


□ 따라서 본 고에서는 일본의 산업 경쟁력 현황 및 미래소재 개발 전략을 살펴본 후, 국내 소재 산업 경쟁력 강화 방법을 모색하는데 시사점을 도출하고자 함




② 최근 일본의 산업 경쟁력 변화

□ 최근 일본 제조업의 글로벌 위상이 위축되고 있는 가운데, 소재・부품 품목의 비중은 증가하고 있는 추세임


○ 일본의 제조업 위상이 2000년대 초반에 위축되고 있으나 산업 경쟁력은 여전히 2위를 차지


 - 세계 제조업 부가가치 총액 대비 일본의 비중은 2000년 17.8%에서 2016년 7.6%로 축소


  ※ 한국은 동기간 2.5%에서 3.3% 확대, 중국은 2003년 8.8%에서 2016년 27.5%로 확대


 - 對 세계 수출 시장에서 일본의 시장 점유율도 2000년 7.4%에서 2017년 3.8%로 축소


  ※ 한국과 중국은 동기간 각각 2.7%, 3.8%에서 3.1%, 12.8%로 확대


 - 그럼에도 불구하고 UNIDO의 CIP(Competitive industrial performance Index) 지수를 보면 일본 제조업 경쟁력 순위는 독일에 이어 2위 수준을 유지


○ 일본 상위 10대 수풀품목 중 비철금속, 플라스틱, 유기 화합물, 철강 등 소재 제품의 비중이 확대되는 추세임


 - 수출품 중 1위인 자동차의 국제경쟁력을 뒷받침하고 있는 요인의 하나로 고장력 강판이라 불리는 가볍고 견고한 철강재료 이용을 들 수 있음


 - 수소경제시대의 핵심소재인 탄소섬유는 미래자동차 분야에서 검토되고 있으며, 항공기에서도 많이 사용되어 일본 기업의 세계 점유율이 높음


 - 이와 반면, 일본 경제를 이끌어 오던 전자기계, 전자 부품 및 기기 등의 비중이 감소되고 있어, 주력 제조업 경쟁력 제고를 위한 노력을 병행


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□ 세계 소재・부품시장내 일본의 점유율을 보면, 점차 감소되는 추세이나, 여전히 경쟁력은 유지하고 있음


○ 세계 소재・부품시장에서 일본이 차지하는 점유율은 ’06년 7.8%에서 5.8%로 축소


  ※ 동기간 한국, 중국의 시장 점유율은 각각 0.8%p, 5.4%p 상승


 - 세계시장에서 일본 소재・부품의 현시비교우위지수*(RCA)는 1 이상을 유지하고, 특히 소재 분야의 현시비교우위지수는 2006년 1.100에서 1.126으로 상승


  * 비교우위를 반영하는 수출 또는 순수출(수출-수입)의 무역변수 등을 국가간, 산업간 비교를 위하여 상품의 중요도와 국가의 크기 등으로 조정한 무역 성과 지수


  ※ ’16년 기준으로 부품・소재 현시비교우위지수는 한국, 일본, 독일, 미국, 중국 순


  ※ 동기간 기준, 소재 현시비교우위지수는 일본, 독일, 한국, 미국, 중국 순으로, 부품 현시비교우위지수는 한국, 일본, 중국, 독일, 미국 순으로 나타남


< 세계 소재・부품 시장의 주요국 시장 점유율과 현시비교우위지수(RCA) 변화 >

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  * 출처 : 조나현 외, 무역환경 선도형 소재・부품 확보를 위한 정부 R&D 투자전략, KISTEP, 2018-006.


  ** 주 : 현시비교우위 지수(RCA)는 0보다 큰 값을 가지며, 1보다 크면 해당국가의 i품목이 자국의 여타 품목에 비해 비교 우위가 있는 것으로 해석




③ 일본 미래소재 전략 발전 배경

□ ‘원소전략’ 용어는 ’04년 일본과학기술진흥기구(JST)가 주최하는 화학자 워크숍에서 처음 등장함


○ “원소의 기능을 최대한 발휘함으로써 신재료를 실현한다”라는 기존의 원소과학 개념에서 발전된 용어로 동경대학 나카무라 에이이치 교수가 처음 사용


 - “원소과학”의 경우, 원소를 과학적으로 해명하는 것으로 과학자들만이 연구하면 된다는 의미이지만, “전략”이라는 단어를 붙인 것은 산업계와의 연계도 필수가 되어야 한다는 개념


 - 화학 이외의 금속, 전기, 자동차업계와의 연계도 강조


< ‘원소전략’ 개념 >

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           ※ 출처: 최판규(’14), Strategic Elements Project of Japan


□ ’07년 경제산업성과 문부과학성의 공동개발사업으로 본격적인 ‘원소전략 프로젝트’ 착수


○ 희소자원 고갈에 대비하며 유해물질 사용을 획기적으로 절감할 수 있는 대체소재 개발을 주요 목표로 설정


 - 효율적인 재료 이용기술과 제조 공정기술 개발에 집중


 - 원소전략은 감량전략, 대체전략, 순환전략, 규제전략 등 4대 하부전략을 주 내용으로 하며, 이후 자원・에너지전략, 지적재산전략, 외교전략 등의 세부전략이 추가


< 원소전략 내 4대 세부 전략>

4대 전략

주요내용

감량전략

전략원소의 활용 고도화를 통한 희소원소와 규제원소 사용량 최소화

순환전략

희소원소의 회수 순환시스템 구축

규제전략

희소원소나 환경열화로 연결 우려가 있는 원소의 규제

대체전략

희소, 유해, 규제원소를 범용적이며 무해 원소로 대체

  * 출처: 산업연구원(’18), 4차 산업혁명 시대의 유망소재와 발전 전략


 - ’신원소전략‘은 ’10년 중국과의 영토분쟁으로 중국으로부터 희소 금속 수입이 위협받게 되자, 원소전략 프로젝트를 강화하며 대체재료의 연구, 전략원소의 유효 기능 고활용, 원료의 유효 이용을 위한 실용재료 설계기술 등 세 가지 연구주제를 기반으로 출범


□ ’12년 자원, 환경에 유해성 등 소재 대체를 위한 신물질, 신소재 개발 중장기적 전략으로 ‘신원소전략 프로젝트(’12~‘21)’ 수립


○ 정부 주도로 대학 및 공공연구기관(국립물질재료연구소(NIMS 등))이 위험도가 높은 첨단소재 분야 주도적 수행


 - 대학, 국립연구소 등의 대형연구기관 간 유기적 연계를 통한 거점 형성형 프로젝트 추진


 - 자석재료, 촉매・전지재료, 전자재료, 구조재료 등 4개 분야에서의 신소재 개발을 목표로 연구개발을 활발히 진행 중


  ※ 특히, 촉매 및 전지재료 분야의 대체 재료 개발을 통해 특정 국가에 대한 의존성을 탈피하는 것이 핵심 목표


 - 프로젝트 기간이 10년에 달하는 장기 프로젝트로 추진되고 있으며, 분야별 거점을 선정하여 이를 구성하는 연구 네트워크에 지원하는 방식으로 추진


< 신소전략  4대 세부 전략>

4대 전략

주요내용

자석재료

디스프로슘(Dy), 네오디뮴(Nd)등의 희소원소 대체물질 개발

촉매전지재료

백금, 로듐(Rh), 리튬, 코발트 등의 희소원소 대체물질 개발

전자재료

인듐, 탈탄륨(Ta) 대체물질 개발

구조재료

나이오븀, 몰리브덴, 아연 등의 희소원소 대체물질 개발

  * 출처: 산업연구원(’18), 4차 산업혁명 시대의 유망소재와 발전 전략




④ 미래소재 개발 이니셔티브

□ 일본은 올해 제조업 기반의 산업구조 고도화와 미래 산업환경 변화에 대응하기 위해 ‘미래소재 개발 이니셔티브’를 제안


○ 소재 개발 범위 확대, 제조프로세스 공정 전반 반응경로 제어, 공정 제어수단을 활용한 목표 안정화 상태 달성 등 3대 추진과제 제시


< 미래소재 개발 이니셔티브 구상 내용 >

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            * 출처: JST-CRDS(’19), 미래소재 개발 이니셔티브


1) 소재 개발 범위 확대


○ 지금까지 활용되지 않은 안정적 상태나 불안정한 상태의 원자・원소를 활용하여 기존의 소재 개발 범위를 크게 확대


 - 미래소재 개발을 위해 이론계산 및 데이터 과학을 활용한 소재 정보학* (Materials Informatics) 및 최근 급속도로 발전하고 있는 조합법 및 로봇 과학자 등을 활용


  * 화학 반응을 수학적 계산으로 예측하여 원하는 물질을 이론적으로 찾아가는 학문으로, 실험과정의 획기적 단축이 가능하므로 매우 효과적임


< 소재 개발 범위 확대를 위한 세부 추진방안 >

구 분

주요 내용

다양한 안정적 상태 이용

- 소재에 요구되는 고도의 기능을 실현하기 위해서는 기존의 연구개발 범위에서 탈피

- 각각의 원소가 지니는 물리화학적 성질 및 특성을 파악해 고기능 소재 개발을 기대

- 또한, 지금까지는 다소 불안정하다고 여겨졌던 준안정적 상태 및 불안정 상태에 대해 반응경로와 프로세스를 제어해 원소 및 원자의 안정화 방법을 구축함으로써 실용적 차원에서 사용 가능한 소재가 완성될 것으로 기대

구성원소, 결합상태 등 역할의 명확화

- 새롭게 구성된 소재의 구성요소, 결합상태 등을 명확하게 파악

- 여기에서는 제1원리 계산 및 데이터과학에 의한 소재 정보학 (Materials Informatics)를 활용하여 후보 소재를 선택한 후 이를 제작할 수 있는 프로세스 기술을 개발하고, 실제로 제조한 소재의 특성 및 기능을 평가하여 더욱 좋다고 생각되는 후보 소재를 선택하는 작업을 반복함.

- 이러한 작업은 각각의 응용분야에서 목적별로 이루어지고 있으나 이들의 방대한 검토결과 및 실험결과를 응용분야 전체의 공통의 지식으로 공유하는 것이 중요함.

- 이러한 구성원소 등의 역할을 조기에 명확히 하는 데에는 최근 눈부신 진전을 보이고 있는 조합법 등 High-Troughtput 실험 및 AI기계학습을 활용한 빅데이터 분석, 베이즈 최적화 등 데이터 과학을 이용

제조 프로세스 과정에서 첨가원소, 엔트로피 (고엔트로피효과), 변형 등 반응경로에 관한 역할 명확화

- 구성 원소 및 구성이 동일해도 제조프로세스 중 반응과정에서 생기는 안정적 상태 및 그 특성, 기능은 다르므로, 제조프로세스 중 안정적 형태의 변화에 대한 각 요소의 역할 명확화

- 원료, 전구체, 미량의 첨가원소, 다원소화에 따른 엔트로피 증대 효과, 기판에 의한 격자정합 및 변형효과 등 반응과정에 끼치는 영향 및 역할 명확화

실험평가분석 등의 데이터베이스화

- ②③에서 얻은 각종 데이터 및 분석 결과는 소재 제조의 연구개발 분야 전체에서 활용될 수 있도록 데이터베이스화 및 공용화해야함

새로운 안정적 형태의 설계 및 제조 관련 주요 인자 추출 및 이론 체계화

- 소재의 특성 및 기능, 제조프로세스에 끼치는 구성원소 등의 역할 명확화 및 실험데이터의 데이터베이스화는 신기능 소재 제조를 향한 실용적 측면에서도 중요

- 원소의 특성 및 기능과 결합상태 등의 관계를 이해하고 소재프로세스 설계 시뮬레이션을 통해 모델을 구축

- 이 과정에서 특성기능 혹은 제조프로세스의 반응과정에 강한 영향을 끼치는 주요 인자를 추출하여 이론으로서 체계화 작업이 필요

  * 출처: JST-CRDS(’19), 미래소재 개발 이니셔티브


2) 제조 프로세스 중 반응과정의 가시화와 반응 경로의 동적 제어


○ 특정한 기능을 갖는 안정적 형태의 소재 제조를 위해서는 프로세스 공정의 상세한 설계 필요


 - 제조 프로세스 중 반응경로를 직접 보는 것은 불가능하나 반응생성물, 분위기, 상태변화 등을 관측・계측을 통해 파악


 - 이러한 계측기능을 갖춘 제조 프로세스 장치 개발, 반응 생성물 검출즉석 관측기기, 역동적 변화를 추적 가능한 평가장치 개발 및 측정기술 개발도 중요


 - 반응과정에 대한 계측에서 모든 현상을 가시화하는 것은 어려우므로, 반응 이론계산 및 지금까지 축적한 프로세스 관련 데이터로부터 특징 추출


  ※ 가시화할 수 없는 현상은 이론 등을 통한 보완 및 모델화, 프로세스 시뮬레이션 방법을 활용


  ※ 반응과정이 가시화가 가능하다면, 실제 모델을 구축하여 제조 프로세스 시뮬레이션으로 이어지도록 연계


○ 계측, 이론계산, 프로세스 시뮬레이션 구축 등을 바탕으로 다양한 조건 하에서의 반응 과정 및 안정적 형태의 역동적 변화를 과학적으로 이해하고, 이들 반응과정과 안정적 형태 변화를 결합하여 취급하는 새로운 이론을 정립


3) 프로세스 제어수단의 이용을 통한 목적한 안정적 형태 실현


○ 특정 안정적 형태의 안정화를 촉진시키는 방법으로서는 특정 결정면을 지니는 결정기판을 통해 에피택셜 성장하는 원자의 배열을 강제적으로 수집하거나, 고온・고압의 상태에서 냉각하는 방


안 적용


 - 프로세스 제어조건을 정량적으로 평가하여 안정화 촉진을 위한 학문으로서 체계화해 가는 것이 중요


○ 다양한 소재계 조성, 구조 등 유사한 소재계 총괄 및 소재설계에서 제조 프로세스 설계, 특성평가, 데이터과학 등 통합적 연구개발 추진


□ 소재 제조 관련 소재 설계에서 반응경로 설계, 계측, 데이터 과학 등 통합적 연구개발 추진


 - 소재의 기능에 대한 원소 및 결합상태의 역할 등 공통적 지식을 축적해나가는 것이 중요하며 조성 및 결정구조 등 유사한 소재계를 통합한 연구팀 강화


< 연구개발 추진 방법의 예시 >

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  * 출처: JST-CRDS(’19), 미래소재 개발 이니셔티브


□ 향후 미래소재 개발을 통해 에너지, 모바일, 디지털, 환경 부하 저감 분야 등 4대 응용분야 시장의 경제적 효과가 커질 전망


○ 상기 4개 응용분야의 경우, 향후 수십조엔 규모의 시장으로 확대될 것으로 예상


○ (에너지 분야) 저탄소사회 실현을 위해 고효율 혁신 디바이스 개발 및 이를 이용한 신기능 및 고성능 소재 창출


 - 태양광, 풍력 등 발전량・ 전력수요 변동을 효율적으로 관리・운용하기 위한 대형 축전디바이스 및 스마트그리드 실용화


 - 전력계통연계 시스템 강화 및 안전한 소형 고효율 대용량 축전 디바이스, 초저손실 전력변환 디바이스 등 수요 증대


  ※ 전력 저장용 대형 2차전지는 ’30년 1.3조엔, 파워 반도체는 ’30년 4.6조엔, 전력변환디바이스를 이용한 기기(자동차용 포함)는 ’30년 20조엔 예상


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○ (모빌리티 분야) 자동차를 비롯하여 모든 수송기기에서 배기가스 및 연비 등 환경규제에 따라 파워트레인(power train) 전동화, 소비향상 및 배기가스 정화에 대한 수요 증대


 - 차량용 축전디바이스(2차전지) 에너지 밀도 향상 및 안전성 대폭 향상, 급속충전 가능한 전고체 2차전지


  ※ 자동차용 축전 장치는 ’20년 중반부터 서서히 실용화가 시작되어 ’30년에는 3300억엔, ’35년에는 2.8조 엔으로 시장규모가 빠르게 성장할 것으로 전망


 - 현재 전기 자동차의 에너지 효율성 향상시키기 위해 새로운 반도체를 적용한 전력변환장치와 새로운 자성소재(magnetic material)를 적용한 전기 모터의 개발 진행 중


  ※ 전력변환장치 시장의 규모는 2025년에 25.4억 달러로 성장하며, 새로운 자동차 모터 보급은 2016년 30억개에서 2025년 44.7억 개로 급증할 것으로 예측함


○ (디지털 혁신분야)  IoT, 빅데이터, AI 등 디지털 혁신 센서, 센서 네트워크(빅데이터 추출), 서버시스템(빅데이터 저장), 사회기반(빅데이터 분석 및 정보제공) 구축


 - 디지털 인프라를 구축하는 통신네트워크, 센서모듈, 서버 등 시장 규모 지속적 성장


  ※ 소프트웨어 및 서비스를 포함한 일본 IoT 시장은 2016년에는 5조 엔에서 2021년 11조 엔으로 연평균 17% 성장할 전망


  ※ IoT 시장을 구성하는 통신네트워크, 센서모듈, 서버 등의 비율은 31%이며, 그 시장 규모는 2020년까지 3.4조 엔에 달할 것으로 전망


○ (환경부하 저감분야) 에너지, 환경부하물질 저감, 자원 리사이클 등 광범위한 분야에 걸쳐 있으며 이와 함께 화석연료 자원 등을 에너지 형태로 효율적으로 변환하는 촉매 고성능화


 - 에너지를 효율적으로 변화시키기 위해 석유정제관련 촉매, 석유화학품 제조프로세스용 촉매, 차세대 에너지 기술에서 이용되는 수소저장용・제조용 촉매, 암모니아 합성용 촉매 등의 고성능화 및 저비용화 필요


 ※ 환경 촉매 시장 규모는 2030년 2.2조 엔으로 (2017 년 대비 39.6 % 증가), 에너지 촉매 시장 규모는 2.7 조엔 (2017 년 대비 45.8 % 증가)으로 성장할 것으로 예측


(과학기술의 효과) 본 제안에 입각하여 개발되는 소재는 다양한 용도로 이용될 가능성이 있기 때문에 특정 분야에 한정되지 않는 포괄적 분야를 설정함으로써 전략적 분야융합 및 새로운 용도를 창출해 나갈 수 있음


 - 그 결과 소재의 이론계산 및 시뮬레이션, 제조프로세스, 프로세스 계측, 구조평가, 특성평가, 데이터 과학 등 폭넓은 분야의 연구자 및 기술자로 구성된 새로운 커뮤니티 구축이 기대

 



⑤ 시사점

□ 단기적으로는 국내 소재・부품산업의 국산화 및 핵심부품에 대한 전략적 투자가 필요하며, 장기적으로 데이터 과학을 기반으로 한 소재 설계 등이 필요


○ 수요 기업과 소재・부품 생산 기업 간의 연계를 강화시켜 소재에 대한 국산화율 강화


○ 미래소재를 개발을 위해 기존의 연구 방법을 탈피하고 소재 탐색 범위 확대 및 빅테이터・데이터 과학을 기반으로 한 소재 정보학(Materials Informatics) 활용


 - 안정적 형태의 원자・원소 활용, 구성원소의 역할 파악, 제조 프로세스 반응경로 파악을 통해 도출된 데이터 및 분석 결과는 데이터베이스화하여 공유


○ 경제와 시장 관점에서 신소재 발굴 정책이 필요할 뿐만 아니라 새로운 개념의 소재 개발을 적극 추진 필요


 - 4차 산업혁명(기술혁명), 인구고령화, 기후변화 등을 고려해 장기적 관점에서 미래에 필요한 것으로 예상되는 신기술에 응용되는 소재 개발


□ 미래소재 원천 기술을 확보하기 위해 기술개발 리스크 축소 지원, 산학연관 테이터 플랫폼 구축, 관련인재 육성 정책 확대


○ 고위험-고수익 업종인 소재 산업의 특성을 감안하여 기술 개발에 대한 리스크 축소 지원 정책 강화


○ 폭넓은 분야의 연구간의 커뮤니티 구축을 통해 데이터 활용을 강화하기 위한 데이터 플랫폼 구축


○ 소재 산업경쟁력의 원천인 기초 연구 활성화를 위해 적극적인 연구 인력의 육성과 글로벌 선도 기술 확보에 주력