1	총괄과제 RFP

관리번호	2019-인조흑연-총괄				산업 기술 분류	중분류Ⅰ	중분류Ⅱ
						화학공정	정밀화학
과제명(번호)		고부가가치 인조흑연 소재기술 개발
1. 개요 및 필요성
ㅇ (개요) 인조흑연은 석유계 중질유 및 석탄계 콜타르를 이용하여 제조된 코크스를 2,400℃이상의 고온에서 흑연화 열처리하여 제조된 탄소의 판상 적층 결정체임 - 인조흑연은 고온에서 강도가 증가하는 특성이 있고, 전기 및 열전도성, 윤활성, 경량성 등이 높으면서도 고온에서의 열팽창성이 극히 낮은 물성을 지니고 있음 - 인조흑연은 제철·제강(전극봉), 이차전지(음극재), 원자로(감속재, 내벽), 자동차(브러쉬, 베어링), 태양광(잉곳), 전기·전자(금형), 우주항공(로켓노즐) 등에 적용됨 ㅇ (필요성) 인조흑연은 시장규모, 성장률 등 산업파급력이 극히 높은 탄소소재이나 국내기술 부족으로 국내수요를 전량 수입에 의존하고 있음 - 인조흑연은 세계시장 21.4조원, 한국시장 9,740억원 규모로 지속 성장 중 - 중국산업의 급성장에 따라 전세계 인조흑연 대부분이 중국시장으로 유입되어 국내 필요 물량 확보가 어려운 등, 자체 기술확보 및 생산기반 구축이 시급함 ㅇ (총괄과제) 총괄과제는 세부과제 간의 기술공유 및 협력연구를 주도하여 개별과제 성과를 극대화하고, 이를 통한 인조흑연 제조 통합공정기술 확보를 추진함 - 등방흑연용 원료·소재, 인조흑연 복합재료 제조기술개발을 통해 인조흑연 제조기술의 국산화 기술 확보 - 신사업 발굴 및 중소·중견기업 육성을 위해, 기반산업과 인조흑연 원천소재 및 성형가공 기술 개발을 추진하는 ‘고부가가치 인조흑연 소재기술 개발’ 사업을 총괄함
2. 연구목표 및 내용
□ 최종 목표 - 세부과제들에 대한 기술교류 지원, 성과확산 및 사업화 추진 - 세부과제 간의 기술적 연계를 통해 ‘원료 – 소재(인조흑연) – 복합소재‘ 기술개발 지원 및 인조흑연 제조기술 국산화 실현 □ 역할 및 기능 ㅇ 세부과제 개발현황 및 성과 점검 등 종합적인 기술개발 조정 및 감독 - 사업 내 세부과제 개발현황 및 성과 점검 - 세부과제별 기술정보 공유 및 연계 강화활동 지원 - 세부과제별 자체 진도점검 및 조정 실시 및 보고 ㅇ 성과확산을 위한 대외협력업무 및 대국민 홍보활동 - 특허, 논문, 고용, 매출액 등 유무형적 성과 관리 - 글로벌 인조흑연 기술전문가 자문 추진 < 인조흑연 기술개발 체계도 및 각 세부과제 기술연계도 > □ (사업연계) 각 세부 과제들은 ‘인조흑연 제조 통합공정기술 국산화’의 사업목표 달성을 위해 아래와 같이 유기적인 협력을 추진함 - (중간원료) 세부1(중간원료개발)은 세부2~4(소재개발)에서 각각의 기술개발 산출물 특성에 따라 요구하는 중간원료에 대한 연구 및 원료 제공 추진(5차년) - (소재) 세부2~4는 세부1에 요청한 물성의 바인더 및 함침재를 이용하여 제품 개발 추진(5차년)함과 동시에 공정부산물의 제조공정 및 특성을 세부5~6(복합재료)과 공유함 - (복합재료) 세부5~6은 세부1~4에서 제공되는 공정부산물(코크스, 흑연 가공 부산물 등)과 제조공정 노하우를 바탕으로 제품개발 추진(5차년) ※상기 사업연계 및 성과도출을 위해, 세부과제는 총괄과제에 기술개발 현황 및 성과를 공유함
3. 지원기간/예산/추진체계
ㅇ 기간 : 54개월 이내 (1차년도 : 6개월) ㅇ 정부출연금 : 5억원 이내 (1차년도 : 0.5억원 이내) ㅇ 주관기관 : 제한없음 ㅇ 기술료 징수여부 : 비징수

2	1세부과제 RFP

관리번호

2019-인조흑연-1

산업

기술

분류

중분류Ⅰ

중분류Ⅱ

과제성격

■ 원천기술   □ 혁신제품

화학공정

정밀화학

융합유형

□ 신산업창출형  ■ 산업고도화형  □ 해당 없음

과제명(번호)

프리미엄급 인조흑연용 원료 고순도화 및 고품질 중간원료 (코크스, 바인딩 및 함침피치) 제조 기술 개발

(TRL :  [시작] 3단계 〜 [종료] 5단계)

1. 개념 및 정의

ㅇ (개요) 고품질 인조흑연용 원료 고도정제 및 중간원료 가공 기술 개발

- 인조흑연은 석유계 중질유* 및 석탄계 콜타르* 등을 원료 잔사로 하며, 원료내의 불순물 제거, 중합을 통해 피치 및 코크스 등의 중간원료로 가공됨

*인조흑연 원료인 석유계 중질유(약 350만톤/년), 석탄계 콜타르(약 90만톤/년) 국내 생산

- 정제 기술은 원료 잔사를 처리한 고순도화 처리물, 정제 원료를 증류하여 제조한 소프트 피치 등이며, 중간원료는 소프트피치를 코킹 공정을 통해 고상화/탄화시킨 코크스, 성형체 제작을 위한 바인더피치, 성형체 물성향상을 위한 함침피치 등임

- 인조흑연 중간원료(코크스, 바인더 및 함침피치)는 석유계 및 석탄계 원료를 각각 또는 함께 사용하여 특성을 개선하거나 생산성을 향상시킬 수 있음

ㅇ (필요성) 프리미엄급 인조흑연 제조를 위한 원료 정제 및 소프트피치 제조 기술

- 원료 잔사의 고순도화는 고품질 피치, 코크스, 인조흑연 제조에 필수적 요건이므로 효율적, 경제적인 기반 공정 기술 확보가 요구됨

- 소프트피치는 코크스의 프리커서(precursor) 물질로 순도, 조성에 따라 열처리 시 발달되는 코크스 조직 및 배향에 큰 영향을 미치므로, 분자 제어가 필수적임

- 등방코크스는 등방흑연의 품질/물성을 결정하는 핵심 원료로 고품질 등방흑연 제조를 위해서는 미세 조직 제어 및 고밀도화 등 높은 기술 수준이 요구됨

ㅇ (필요성) 고품질 인조흑연용 바인더피치 및 함침피치 제조 기술 개발

- 바인더피치(Binder Pitch, BP)는 인조흑연 성형 시, 입자간의 결합을 유지하기 위한 결합재로, 높은 점결성과 코킹밸류(Coking value, CV)이 요구됨

- 함침피치(Impregnation Pitch, IP)는 성형체 기공제어를 통해 흑연제품의 물성을 개선하기 위해 사용되며, 낮은 점도(높은 용융 유동성)와 높은 탄화수율이 요구됨

- 낮은 용융점도와 높은 탄화수율을 유지하며 연화점을 조절하는 기술이 핵심이며, 적절한 개수의 환상분자가 일정한 형태로 결합된 분자구조 제어기술이 요구됨

2. 연구목표 및 내용

□ 최종 목표

ㅇ 인조흑연용 고순도 피치, 고품질 코크스, 바인더피치, 함침피치 개발

- 원료 잔사 고도 정제 기술 및 코크스용 소프트피치 제조 기술 개발

- 고품질 등방 코크스 제조 기술 개발

- 고품질 바인더피치 및 함침피치 제조 기술 개발

ㅇ 정량적 목표

	핵심 기술/제품 성능지표			단위	달성목표	국내최고 수준	세계최고수준 (보유국, 기업/기관명)
원료정제 및 소프트피치 제조	1	원료	QI	%	0.1 이하	N/A	0.1 (日, C-Chem) - ASTM D2318
	2	고순도 소프트피치	연화점	℃	30-50	N/A	30-50 (日, C-Chem) - ASTM D3104
	3		N 함량	%	0.3∼0.4 이하	N/A	0.5 (日, C-Chem) - ASTM D3179
고품질 등방코크스	1	밀도		g/cm3	1.9 이상	N/A	2.0 (日, C-Chem) - ASTM D2638, 또는 ASTM D5004
	2	Ash함량		%	0.5 이하	N/A	0.5 (日, C-Chem) - ASTM D7582
고품질 바인더피치 (BP)	1	연화점		℃	130-150	N/A	115∼150 (美, CHEM Group) -ASTM D3461
	2	코킹밸류(Coking Value)		%	48이상	N/A	48 (美, CHEM Group) -ASTM D4715
	3	TI		%	7∼14	N/A	7∼14 (美, Koppers) -ASTM D4072
함침피치 (IP)	1	연화점		℃	110-130	N/A	110∼130 (美, CHEM Group)
	2	QI		%	0.3이하	N/A	0.3 (美, CHEM Group)
	3	코킹밸류(Coking Value)		%	38이상	N/A	38 (美, Marathon Petroleum Corp.)

* QI 함량은 ASTM D7280법으로 측정

* 연화점은 ASTM D3104 또는 D3461법으로 측정

* 질소 함량은 ASTM D8110-17법으로 측정

* Ash 함량은 ASTM C561-16법으로 측정

* 밀도는 ASTM D2318, C838법으로 측정

* 코킹밸류는 ASTM D2416법으로 측정(상기 코킹밸류는 TGA기반 피치 평가 시 목표치이며, 성형체 평가 시에는 55(BP), 45(IP) 이상 )

* TI 함량은 ASTM D4072법으로 측정

□ 개발 내용

ㅇ 원료 잔사 고도 정제 공정 개발

- 원료 잔사의 질소 함유 화합물의 선택적 제거 기술 개발

- 원료 내 퀴놀린 불용분(QI) 조절 공정 개발 및 조건 최적화

ㅇ 고품질 인조흑연 원료 고순도 소프트피치 제조 공정 개발

- 연속식 소프트피치 제조 및 연화점 조절 기반 기술 개발

- 소프트피치 중 질소 함유 화합물의 선택적 제거 기술 개발

ㅇ 고품질 등방코크스 제조 기술 개발

- 고품질 등방코크스 코킹 공정기술 개발

ㅇ 고품질 인조흑연용 바인더피치 개발

- 피치 중합도 및 탄화수율 향상 기술 개발

- 바인더피치 제조 조건 및 공정 최적화

ㅇ 고품질 인조흑연용 함침피치 제조 공정 개발

- 피치 중합도, 연화점 제어기술 및 함침 공정 기술 개발

- 퀴놀린 불용분(QI) 함량 및 불순물 제어기술 개발

□ TRL 핵심기술요소(CTE)

핵심 기술요소		최종단계	생산수준 또는 결과물	시험평가 환경
1	원료 고도 정제 및 소프트피치 제조 기술	5	질소 함량 0.2wt% 이하, 연화점 30~50℃ 소프트피치	전문가평가 (공인기관 없음)
2	등방코크스 제조 기술	5	밀도 2.0g/cm3 이상 등방코크스	전문가평가 (공인기관 없음)
3	바인더피치 제조 기술	5	코킹밸류 48% 이상 바인더피치	전문가 평가 (공인기관 없음)
4	함침피치 제조 기술	5	코킹밸류 38% 이상 함침피치	전문가 평가 (공인기관 없음)

3. 국내외 기술 동향

ㅇ 국내 기술 동향

- 국내에는 원료 잔사를 이용하여 인조흑연을 제조하는 산업 생태계가 구축되어 있지 않고 관련 연구/개발 수요가 낮아 국부적이고 기초적인 연구 수준임

- 석유계 및 석탄계 원료를 이용한 인조흑연 제조기술 기초연구가 한국화학연구원 및 포항산업과학연구원에서 수행되었으나 국내 상용화 사례 없음

- 포스코의 콜타르를 이용하여 OCI에서 알루미늄 전극용 바인더피치가 생산되었으나, 고기능성이 요구되는 인조흑연용의 경우 상용화 사례 없음

- Ibiden社가 등방코크스, 바인더 등을 구매하여 인조흑연블록을 제조하는 포항공장을 가동 중이므로, 고품질 코크스, 바인더피치, 함침피치가 생산 시, 기술협력 및 수요가 가능함

ㅇ 국외 기술 동향

- 일본 기업(미쯔비씨화학, C-Chem 등)을 중심으로 프리미엄급 이상 인조흑연블록을 생산 중이며, 인조흑연의 품질을 결정하는 원료 정제, 코킹 기술은 외부 유출을 엄격히 차단함

- 프리미엄급 인조흑연은 일본(Toyo Tanso, C-Chem, Mitsubishi Chem., JFE Chem.등)과 미국(GrafTech 등) 등에서 생산하고 있으며, 슈퍼프리미엄급 인조흑연블록 및 전극봉 개발 및 생산 추진 중

4. 지원 필요성

□ 기술적 지원필요성

ㅇ 전극봉, 등방흑연블록, 이차전지 음극재 등 인조흑연 중간원료인 코크스는 원료 잔사를 이용해 제조되며, 국내 원천기술 부족으로 생태계가 형성되어 있지 않음

- 코크스 및 인조흑연의 수율, 가공 및 물성을 결정하는 원료 고도정제 및 고품질 코크스 기술은 국내 탄소산업 경쟁력 제고를 위한 기술 확보가 시급함

ㅇ 인조흑연 중간원료는 침상코크스, 등방코크스 등의 필러와 이를 결합시키는 바인더피치와 함침에 사용하는 함침피치로 구분됨

- 인조흑연 제조공정은 코크스를 바인더피치와 혼합하여 탄화하고, 고밀도화를 위한 함침 후 재탄화 및 흑연화하는 과정으로 구성됨

ㅇ 바인더 및 함침피치는 인조흑연의 밀도 및 강도를 결정하는 중요한 요소이나 현재 일본 등 선진국 대비 50% 이하의 낮은 기술 수준이므로 기술확보가 반드시 필요함

ㅇ 프리미업급 인조흑연은 코크스, 바인더피치 및 함침피치의 물성과 공정기술에 좌우되므로 프리미엄급 인조흑연 제조를 위한 중간원료 및 공정기술 개발이 필요함

□ 경제적 지원필요성

ㅇ 내수 1조원/년의 인조흑연이 전량 수입에 의존 중이므로 기술확보를 통한 수입저감 및 원료로 사용되는 석유계 중질유 및 석탄계 콜타르의 고부가가치화가 기대됨

□ 정부/정책적 지원필요성

ㅇ 인조흑연 중간원료는 이차전지 음극재, 전극봉, 흑연 블록 등으로의 파급효과가 크며, 수입대체를 통한 국가경쟁력 제고 차원에서 정부지원이 필요함

- 국가차원에서 확보가 필요한 전략소재인 인조흑연은, 기술난이도가 높고 초기 투자비용이 큰 인조흑연 분야는, 민간투자의 위험성이 높으므로 정부지원이 필수적임

ㅇ 인조흑연은 전극봉, 반도체, 국방, 금형 등 다양한 기간산업에 사용되나, 국내 생산기반이 없어, 해외 업체들의 가격담합에 대한 대응방안이 전혀 없음

- 글로벌 수준인 국내 산업수준에 비해, 전략소재인 인조흑연 기술이 낮후되어 있으므로, 소재 자립 및 관련산업 활성화를 위한 정책적 지원이 고려되어야 함

5. 활용방안 및 기대효과

□ 활용방안

ㅇ 고품질 중간원료는 고부가가치 인조흑연블록 및 전극봉의 기초 원료로 활용 가능하며, 원자로 감속재 등 국가 기간산업까지 다양한 분야에 적용됨

□ 기술적 기대효과

ㅇ 인조흑연 사업에 필수적인 석유계 및 석탄계 원료 정제기술은 향후 제철/제강, 우주/항공 등 국방 분야까지 확장이 기대됨

□ 경제적 기대효과

ㅇ 중간원료 생산기술 확보를 바탕으로 인조흑연블록 생산을 국산화할 경우, $350/톤 내외인 원료잔사를 $10,000/톤 이상의 인조흑연으로 고부가가치화

ㅇ 핵심 소재/공정 기술력 확보 통한 제품 경쟁력 강화 및 수익성 개선과 더불어 관련 산업의 국제 경쟁력 확보를 통한 신산업 창출 및 막대한 고용효과 기대.

□ 기타 사회․문화적 측면의 기대효과 및 파급효과

ㅇ 원료-제품, 제품-제품 간 융합 촉진 통한 관련 산업의 첨단화 가속화

ㅇ 미세먼지 및 온실가스 주 발생원인, 화력발전 등에 저가의 원료로 사용중인 원료 잔사의 고부가가치화 전환에 따른 경제적 효과 및 대기환경 개선 효과가 기대됨

6. 지원기간/예산/추진체계

ㅇ 기간 : 54개월 이내  (1차년도 : 6개월)

ㅇ 정부출연금 : 70억원 이내(1차년도 : 12.5억원 이내)

ㅇ 주관기관 :  제한없음

ㅇ 기술료 징수여부 :  징수

3	2세부과제 RFP

관리번호

2019-인조흑연-2

산업

기술

분류

중분류Ⅰ

중분류Ⅱ

과제성격

□ 원천기술   ■ 혁신제품

화학공정

정밀화학

융합유형

□ 신산업창출형  ■ 산업고도화형  □ 해당 없음

과제명(번호)

사출금형가공용 내아크성 등방성 인조흑연블록 개발

(TRL :  [시작] 4단계 〜 [종료] 6단계)

1. 개념 및 정의

ㅇ (개요) 사출금형가공용 내아크성 등방 인조흑연블록

- 인조흑연블록은 석유/석탄 부산물 기반 중간원료(코크스 등)를 성형 후 흑연화(2,400℃~) 열처리하여 제조되며, 모든 방향에서 균일한 압력(15,000~60,000psi)으로 압축 성형하여 균일한 밀도를 나타내는 등방성 인조흑연블록을 제조함

- 일반적인 사출금형 가공에 방전가공 전극이 사용되며, 피가공물 사이의 아크방전에 의한 가열로 금속을 용융, 침식시켜 가공함

- 구리전극을 사용 시 전극 마모율이 극심하나, 등방성 인조흑연블록을 이용할 경우 전극 사용 시 내아크성이 우수하여 마모에 대한 저항성을 높일 수 있음

ㅇ (필요성) 고가에 전량수입중인 사출금형가공을 위한 EDM 전극용 인조흑연블록 제조기술을 개발하여 수입대체 및 중소기업 지원을 추진함

- 사출금형가공용 등방성 인조흑연블록 생산을 위해 등방성형기술과 내아크성 향상기술이 필요하나 상업생산을 위한 설비 제조 및 기술력이 국내에 부족함

- 사출금형가공을 위한 EDM 방전가공용 전극은 내아크성 등방인조흑연블록을 이용하여 제조되며, 국내 약 1,000억원/년 이상의 시장이 수입에 의존하고 있으므로 국내 생산으로 수입대체 및 불안정한 중소기업의 공급 확보를 위해 기술개발이 필요함

2. 연구목표 및 내용

□ 최종 목표

ㅇ 금형가공기업들이 범용으로 사용하는 등급의 사출금형가공용 내아크성 등방성 인조흑연블록 국산화 개발 (100mm x 100mm x 100mm 급 이상)

- 원료 혼합 기술 개발

- 등방 성형기술 개발 및 최적화

- 함침 공정기술 개발 및 최적화

- 흑연화 공정기술 개발 및 최적화

- 인조흑연블록 내아크성 향상 기술 개발

ㅇ 정량적 목표

핵심 기술/제품 성능지표		단위	달성목표	국내최고 수준	세계최고수준 (보유국, 기업/기관명)
1	밀도	g/cm3	1.8 이상	-	1.78 (일본, toyo tanso, ISEM-8 기준)
2	경도	HsD	63 이상	-	63 (일본, toyo tanso, ISEM-8 기준)
3	굽힙강도	MPa	52 이상	-	52 (일본, toyo tanso, ISEM-8 기준)
4	전기비저항 (Electrical resistivity)	μΩm	13.4 이하	-	13.4 (일본, toyo tanso, ISEM-8 기준)
5	소재마모율	%/6hr	23 이하	-	-

* 밀도는 ASTM D2318, C838법으로 측정

* 경도는 ASTM D 2240법으로 측정

* 굽힘강도는 ASTM D7972-14법으로 측정

* 전기저항률은 ASTM C611법으로 측정

* 소재마모율은 시험편을 사출금형가공 6시간 후 시험 전과의 무게 변화율을 계산함

□  개발 내용

ㅇ 원료 혼합 및 미분화 기술 개발(공정 기술 개발)

- 중간원료인 코크스와 바인더(수지, 피치 등) 혼합공정 설계 및 공정기술 개발

ㅇ 등방성형 기술 개발 및 최적화(공정 기술 개발)

- 개발 제품크기(100x100x100mm)에서 균일한 밀도 구배 기술 확보

- 바인더 종류 및 물성에 따른 등방성형 공정기술 개발

ㅇ 함침공정 기술 개발 및 최적화(공정 기술 개발)

- 함침재의 종류 및 물성에 따른 함침공정 기술 개발

- 함침-흑연화 공정에 따른 등방흑연블록 물성 분석

ㅇ 흑연화공정 기술 개발 및 최적화(공정 기술 개발)

- 인조흑연블록 흑연화 공정기술 개발 및 물성분석 기법 확보

ㅇ 내아크성 향상 기술 개발

- 인조흑연블록의 결정화도 향상 기술 개발

□ TRL 핵심기술요소(CTE)

핵심 기술요소		최종단계	생산수준 또는 결과물	시험평가 환경
1	내아크성 등방 인조흑연블록 제조 기술	6	밀도 1.8g/cm3, 굽힘강도 52MPa 이상 및 전기비저항 13.4 μΩm 이하인 등방 인조흑연블록	공인성적서

3. 국내외 기술 동향

ㅇ 국내 기술 동향

- 국내 인조흑연의 생산기업은 전무하며, 전량 수입에 의존하고 있는 실정

- Ibiden社가 국내 최초의 인조흑연블록 제조공장인 이비덴그라파이트코리아를 포항에 설립하여 등방성 인조흑연블록 생산 중임

- 최근 금형산업의 고도화와 함께 원가절감 및 공정시간 단축을 위한 업계의 노력으로 인조흑연 전극의 사용이 더 확대되고 있음

- 흑연전극은 전량 해외 메이저급 회사의 등방성 인조흑연블록을 수입하여 가공 후 판매하는 수입의존형 구조로 국내 금형산업의 제품 가격경쟁력 약화 원인이 되고 있음

ㅇ 국외 기술 동향

- 흑연의 세계 시장규모는 21.4조원/년 (2016년 기준) 정도이며, 사용범위는 전극봉, 이차전지 음극재, 원자로 중성자 감속재, 반도체용 실리콘 잉곳 제조설비용 등임

* The 2018-2023 World Outlook for Natural and Synthetic Graphites (ICON Group International, Inc., 2017년)

- 등방성 고순도 인조흑연블록은 전세계 6개 업체가 독과점 생산 중이며, 일본이 주요 생산국이며, 슈퍼프리미엄급 인조흑연블록 기술개발 및 시장 점유를 추진 중임

- 등방성 흑연분야 세계시장 점유율 최고 기업인 토요탄소는 1987년부터 해외에 진출하여 현재 독일, 프랑스, 중국 등 세계 각지에 지사를 두고 사업 확장 중임

4. 지원 필요성

□ 기술적 지원필요성

ㅇ 인조흑연이 사용되는 분야는 철강, 원자력, 열처리, 금형산업 등 다양한 기초산업으로 기술경쟁력을 필수적으로 갖춰야 함

- 인조흑연 분야는 극소수의 기초기술 개발 분야만 정부 지원되었고 전반적인 기술경쟁력이 미흡한 실정임

ㅇ 전략소재인 인조흑연 원천기술의 국산화가 시급함

- 중간원료인 코크스와 피치의 사용량이 급격히 확대될 것으로 예상됨. 실제 2016년부터 중국산 포함하여 중간원료를 시장에서 구입이 어려워지고 있음

- 국내 기술력 부족으로 인조흑연 중간원료를 저가에 수출하고, 이를 가공해 제조된 흑연블록을 수배의 가격으로 100% 수입하므로 원천기술의 국산화가 필요함

□ 경제적 지원필요성

ㅇ 해외기업에 의해 사용량 및 가격이 결정되어 고품질의 흑연소재 수급이 불안정하며, 국내 사출금형가공업체에서는 높은 흑연 구입비용이 절감되기를 원함

ㅇ 사출금형가공용 등방성 인조흑연블록은 최소 1,000억원/년 시장이 형성되어 있으며, 계속 가격이 상승하는 중(‘17년 9월 기준, 전월 대비 전극봉 15% 인상 등 가격이 불안정함)

ㅇ 사출금형가공용 인조흑연블록을 개발하게 되면 타 용도의 등방성 인조흑연 제품도 개발에 기술적용이 가능하므로 추가의 부가가치 창출이 기대됨

□ 정부/정책적 지원필요성

ㅇ 인조흑연제조 기술선진국은 100년 이상의 노하우를 축적하고 있으며, 기술보유국의 규제로 기술교로가 어려우므로 자체개발을 통한 기술 확보가 시급함

- 국내 인조흑연 가격은 공급자에 의해 좌우되고 있으므로 국가경쟁력 확보차원에서 독자적인 인조흑연 제조 기술 개발이 필요함

- 인조흑연 제조는 설비의 막대한 초기 설비투자 위험부담과 장기간의 개발기간이 필요한 인조흑연블록 분야는 전략적으로 정부의 중장기 대형 R&D 지원이 필요함

5. 활용방안 및 기대효과

□ 활용주체 및 활용방안

ㅇ 활용주체

- 흑연블록 제조업체 및 블록 가공업체 및 사출금형 제조업체

- EDM 전극 등 인조흑연 전극 관련 설계 및 가공업체

ㅇ 활용방안

- 다양한 고부가가치의 등방성 인조흑연블록 제조를 위한 공정기술 확보를 통해, 전량 수입에 의존하는 인조흑연의 국내 생산과 가격담합에 대응함

□ 기술적 기대효과

ㅇ 내아크성 향상 등방흑연블록 제조기술 개발을 통하여 결정성 및 순도 조절이 가능한 등방성 인조흑연블록 제조 기술 확보

□ 경제적 기대효과

ㅇ 등방성 인조흑연블록의 국산화를 통한 수입 대체 효과 및 가격경쟁력 확보

ㅇ 국산화 개발로 무역역조 해결, 유통기간 단축 및 유통비 절감 등, 인조흑연블록 관련 산업의 육성을 통한 국가경제 기반의 확충

□ 기타 사회․문화적 측면의 기대효과 및 파급효과

ㅇ 국가 전략소재의 국산화로 기술자립 등 국가 기술경쟁력을 제고함

ㅇ 다양한 응용산업 동반성장을 통한 수요확대, 유관 산업육성 및 일자리 창출 등 기대

6. 지원기간/예산/추진체계

ㅇ 기간 :  54개월 이내  (1차년도 : 6개월)

ㅇ 정부출연금 : 42억원 이내(1차년도 : 6억원 이내)

ㅇ 주관기관 :  중소·중견기업

ㅇ 기술료 징수여부 :  징수

4	3세부과제 RFP

관리번호

2019-인조흑연-3

산업

기술

분류

중분류Ⅰ

중분류Ⅱ

과제성격

□ 원천기술   ■ 혁신제품

화학공정

반도체 소자 및 시스템

융합유형

□ 신산업창출형  ■ 산업고도화형  □ 해당 없음

과제명(번호)

반도체 공정용 등방흑연블록 개발

(TRL :  [시작] 4단계 〜 [종료] 6단계)

1. 개념 및 정의

ㅇ (개요) 등방성 인조흑연블록

- 인조흑연블록은 석유/석탄 부산물 기반 중간원료(코크스 등)를 다방향에서 균일한 압력으로 압축성형 후 흑연화(2,400℃~) 열처리하여 제조됨

- 등방성 인조흑연블록은 고강도 특성, 전기 및 열전도성, 저열 팽창성의 특성으로 인하여 고온 원자로용 감속재, EDM* 방전가공용 전극, 반도체 및 태양광 등의 분야에서 사용됨

*Electro Discharging Machining

ㅇ (필요성) 4차 산업혁명과 더불어 급증하는 에너지 수요 대응을 위한 태양광 산업에 적용되는 인조흑연블록 수요 증가에 따라 기술 및 생산 자립이 시급함

- 반도체 공정의 핵심인 실리콘 잉곳의 제조 장비에 사용되는 인조흑연블록은 열전도도가 높고, 고온강도가 요구되는 에서 높은 강도를 갖는 핵심 부품임

- 반도체 공정용 등방성 인조흑연블록은 일반적인 인조흑연블록 제조공정에 더하여 높은 열전도도와 극미량의 불순물만이 포함될 수 있도록 원료 및 공정기술이 필요함

- 원천기술 부족으로 실리콘 잉곳 제조용 3,000억원/년에 육박하는 인조흑연블록을 전량 수입에 의존하므로, 기술 및 생산자립을 통한 수입대체 및 산업활성화가 시급함

2. 연구목표 및 내용

□ 최종 목표

ㅇ 최종목표

- 반도체 실리콘 잉곳 제조용 등방성 인조흑연블록 제조 기술 개발

(Diameter 100 mm x Height 100 mm 이상)

- 등방코크스 분쇄 최적화 및 혼련 차별화 기술 확보

- 정수압 성형 기술 개발

- 등방흑연 고밀도 열처리 (탄화, 흑연화) 및 함침기술, 고순화 기술 개발

ㅇ 정량적 목표

핵심 기술/제품 성능지표		단위	달성목표	국내최고 수준	세계최고수준 (보유국, 기업/기관명)
1	밀도	g/cm3	1.8 이상	-	1.75 (일본, 이비덴)
2	열전도도	W/mK	105 이상	-	104.4 (일본, 이비덴)
3	선열팽창률	10-6/K	4.5 이하	-	4.6 (일본, 도요탄소)
4	전기비저항 (Electrical resistivity)	μΩm	14.0 이하	-	14.0 (일본, 이비덴)
5	불순물	ppm	5 이하	-	<5 (일본, 도요탄소)

* 밀도시험은 ASTM D2318, C838법으로 측정

* 열전도도 시험은 ASTM D1461법으로 측정

* 선열팽창률은 ASTM E831법으로 측정

* 전기비저항은 ASTM C611법으로 측정

* 불순물 함량은 ASTM D8186법으로 측정

□ 개발 내용

ㅇ 석유계 코크스(상용) 분쇄 및 분급

- 형태 및 입도 분포 조절 기술 개발

- 분쇄 코크스 분말 표면개질 및 형상 최적화 기술

ㅇ 석유계 코크스/콜타르 바인더 피치(상용) 혼합 기술 개발

- 혼합비 최적화 및 공정 조건 개발

ㅇ 성형기술 개발

- 정수압 등방성형 기법을 이용한 성형체 제조 기술 개발

- 성형몰드 설계 및 제작

- CIP 성형時 파손 최소화 압력 Profile 확보 및 성형공정 최적화

ㅇ 열처리 기술 개발

- 열 파손 최적화 탄화 온도 및 승온조건 최적화

- 고밀도 흑연화 공정 기술 개발

ㅇ 고밀도화 함침공정 및 인조흑연블록 고순도화 기술 개발

- 함침재 선정 및 함침 공정기술 개발

- 할로겐 가스 반응을 통한 고순도화 기술 개발

□ TRL 핵심기술요소(CTE)

핵심 기술요소		최종단계	생산수준 또는 결과물	시험평가 환경
1	실리콘 잉곳 제조용 인조흑연블록 제조 기술	6	밀도 1.75g/cm3 및 열전도도 105 W/mK 이상 인조흑연블록	공인성적서

3. 국내외 기술 동향

ㅇ 국외 기술 동향

- 일본의 토요탄소(Toyo Tanso)가 1974년에 세계 최초로 등방성 인조흑연 개발에 성공한 이후로 지금까지 관련 분야 기술을 선도하고 있음

- 도요탄소에서는 실리콘형 태양전지 제조용 CZ (인상법) 로와 다결정 실리콘형 태양전지 제조용 캐스팅에 필요한 고순도 등방성 인조흑연 제품을 생산 중

ㅇ 국내 기술 동향

- 국내 등방성 인조흑연 생산 기업은 없으며, 알루미늄 제련 전극봉용 바인더피치(OCI社) 및 코크스(PMC Tech.*)는 일부 제조 되고 있음

* 포스코와 미쯔비시의 합작사인 PMC Tech에서 침상코크스를 상용화함

4. 지원 필요성

□ 시급성 및 파급효과

ㅇ 기술 개발의 시급성

- 반도체 및 태양광 산업의 기초가 되는 실리콘 잉곳 생산을 위한 핵심소재인 등방흑연의 국내기술 부재로 해외 기술의존도가 심각하므로 기술자립이 시급함

ㅇ 기술적 파급효과

- 반도체, 태양광 공정에서 사용되는 폴리실리콘을 녹여 잉곳을 성장시키는 핫존과 도가니 뿐 아니라 산업 전반*에 적용 가능하므로 파급효과가 높음

* 불소생성기 탄소전극, LED용 (실리콘 카바이드 코팅 특수 흑연제품) 서셉터, 전도기구용 브러시, 핵융합로용 플라즈마 1차벽 등 대부분의 소재에 적용

□ 경제적 지원필요성

ㅇ 경제적 지원의 필요성

- 최근 수년간 투자한 반도체 및 태양광산업이 흑자운영으로 전환되고, 현정권의 탈원전 정책이 진행됨에 따라 태양광 소재산업에 대한 필요성이 커지고 있음

- 태양광 및 반도체 산업에 핵심부품인 실리콘 잉곳을 제조를 위한 고순도 등방흑연블록 생산 자립을 통한 수입 저감 효과가 기대됨

□ 정부/정책적 지원필요성

ㅇ 정부 지원의 필요성

- 본 기술개발 사업은 원료정제, 성형, 가공 등 등방흑연블록 제조의 요소기술이 포함되어 있으며, 민간투자 시 위험이 크므로 정부 지원을 통한 기술개발이 필요함

- 전량 수입되는 인조흑연의 기술 의존도를 해결할 수 있고, 수입 대체 효과를 기대할 수 있어 해외시장의 원가경쟁력 확보를 기대할 수 있음

5. 활용방안 및 기대효과

□ 활용방안

ㅇ 반도체용 실리콘 제조 시 잉곳용 등방성 인조흑연 제품 사용

ㅇ 등방성 인조흑연 불럼 기반의 가공을 통한 고온 고강도 등이 요구되는 카본브러쉬, 히터, 방열부품 등 다양한 응용분야 활용

□ 기술적 기대효과

ㅇ 원료에서 등방성 인조흑연블록 제조 공정에 이르는 독자적 기술 chain 개발

ㅇ 등방성 인조흑연블록 응용을 위한 고품위 등방흑연블럭 기술수준 향상

□ 경제적 기대효과

ㅇ 등방성 인조흑연 제조 기술로 인한 국내 신시장 확보 및 수출시장 공략

ㅇ 대외 무역 역조의 해결 및 관련 산업의 육성을 통한 국가 경제 기반의 확충

□ 기타 사회․문화적 측면의 기대효과 및 파급효과

ㅇ 신재생 에너지 확대 정책에 따른 반도체 산업 성장의 핵심 소재 제조 기술 개발

ㅇ 전량 수입에 의존하고 있는 인조흑연블록 국산화로 국가 기술경쟁력 제고 및 응용분야의 지속적 성장을 통한 유관 산업 활성화가 기대됨

6. 지원기간/예산/추진체계

ㅇ 기간 :  54개월 이내  (1차년도 : 6개월)

ㅇ 정부출연금 : 36억 (1차년도 : 4.9억원)

ㅇ 주관기관 :  중소·중견기업

ㅇ 기술료 징수여부 :  징수

5	4세부과제 RFP

관리번호

2019-인조흑연-4

산업

기술

분류

중분류Ⅰ

중분류Ⅱ

과제성격

□ 원천기술   ■ 혁신제품

화학공정

정밀화학

융합유형

□ 신산업창출형  ■ 산업고도화형  □ 해당 없음

과제명(번호)

코크스 기반 내화학·내열성강화 자기윤활성 기계구조용 탄소흑연질 소재개발

(TRL :  [시작] 4단계 〜 [종료] 6단계)

1. 개념 및 정의

ㅇ (개요) 기계구조용 탄소흑연질

- 탄소흑연질은 원료 잔사를 이용하여 제조되는 코크스(Cokes)를 기반으로 바인더(피치, 수지 등)를 보강제와 혼합, 성형, 열처리하여 제조되는 탄소블록 또는 복합체임

- 코크스 기반 탄소흑연질은 우수한 물성*으로 인해 일반 금속재료로는 사용할 수 없는 고온환경, 화학제품 및 액체 분위기 등 윤활제 사용이 어려운 적용분야에 사용됨

* 경량↑, 내열성↑, 내화학성↑, 열팽창성↓, 윤활성↑, 자가윤활성↑

ㅇ (필요성) 탄소흑연질을 이용한 기계구조용 마감재 시장이 증가하고 있으나, 기술 부족으로 수입의존도가 증가하고 있으므로 국내 생산을 위한 기술개발이 필요함

- 내화학, 내마모, 윤활성이 뛰어난 기계구조용 탄소흑연질(피치, 수지결합제) 제조를 위한 바인더 소재, 혼합기술, 성형기술, 열처리기술, 제품화기술 등 원천기술이 부재함

- 탄소흑연질은 극한환경(고압, 용매환경 등)에 다양하게 적용되며, 응용분야가 매우 다양하므로, 원천기술 확보를 통한 소량·다품종의 내수시장 국산화가 필수적임

2. 연구목표 및 내용

□ 최종 목표

ㅇ 고밀도, 고윤활, 내화학성 수지결합 탄소흑연질 소재개발

- 수지결합 탄소흑연질 제조 및 공정기술 개발

- 피치결합 탄소흑연질 제조 및 공정기술 개발

- 열처리 및 제품화 공정기술 개발

ㅇ 정량적 목표

핵심 기술/제품 성능지표			단위	달성목표	국내최고 수준	세계최고수준 (보유국, 기업/기관명)
수지결합 탄소흑연질	밀도		g/cm3	1.55 이상	-	1.60 (독일, Ringsdorf(SGL) V1640 기준)
	굴곡강도		MPa	81 이상	-	90 (독일, Ringsdorf(SGL) V1640 기준)
수지결합 탄소흑연질	마찰계수		-	0.23 이하	-	0.23 (독일, Ringsdorf(SGL) 기준)
	내식성	H3PO4 at 20℃	mass %	85 이하	-	85 (독일, SGL)
		KMnO4 at 20℃	mass %	7 이하	-	7 (독일, SGL)
피치결합 탄소흑연질	밀도		g/cm3	1.7 이상	-	1.72 (일본, Toyo Tanso, KP-001 기준)
	굴곡강도		MPa	65 이상	-	70 (일본, Toyo Tanso, KP-001 기준)
	마찰계수		-	0.15 이하	-	0.23 (일본, Toyo Tanso, KP product 기준)
	내식성	85% H3PO4 at 20℃	mass %	85 이하	-	85 (일본, Toyo Tanso)
		7% KMnO4 at 20℃	mass %	7 이하	-	7 (일본, Toyo Tanso)

* 밀도는 ASTM D2318, C838법으로 측정

* 굴곡강도는 KS L 1591법으로 측정

* 마찰계수는 ASTM D1894법으로 측정

* 내식성은 상기 농도의 용액에 담지 시, 부식되지 않는 성질로, KS L 1553 : 2013법으로 측정

□ 개발 내용

ㅇ 기술 개발 내용

- 바인더피치/코크스 전처리 및 탄화 공정기술 개발

- 고밀도 기계구조용 마감재 제조용 Grain, Granule제조기술 개발

- 성형체 제조를 위한 중간원료 및 성형 공정기술 개발

- 함침재의 최적화 및 함침 공정 기술 개발

- 안정화 및 탄화 공정 기술 개발

- 기계적 물성(내구성, 윤활성) 증대를 위한 첨가제(Filler) 혼합기술

- 내화학성 증대를 위한 탄소재 개질기술

- 수지결합/피치결합 탄소흑연질 성능평가 및 실증 시험

□ TRL 핵심기술요소(CTE)

핵심 기술요소		최종단계	생산수준 또는 결과물	시험평가 환경
1	수지결합 탄소흑연질	6	밀도 1.55 g/cm3, 굴곡강도 81 MPa 이상 및 마찰계수 0.23 이하인 수지결합 탄소흑연질	공인성적서
2	피치결합 탄소흑연질	6	밀도 1.7 g/cm3, 굴곡강도 65 MPa 이상 및 마찰계수 0.15 이하인 피치결합 탄소흑연질	공인성적서

3. 국내외 기술 동향

ㅇ 국내 기술동향

- 국내 기계구조용 탄소흑연질(피치, 수지결합제) 산업분야는 주로 성형체를 수입하여 가공하는 산업구조이며, 탄소흑연질(피치, 수지결합제) 제조 분야 기술은 초기단계임

- 국내의 POSCO Chemtec.에서 콜타르로부터 바인더피치를 개발하고 있으나 이는 주로 내화벽돌 바인더재료로만 활용

ㅇ 해외 기술동향

- 인조흑연 분야 기술을 선도하는 일본의 Toyo Tanso, Tokai Carbon社 등에서는 기계구조용 탄소흑연질 시장도 주도하고 있으며, 독일의 SGL, Shunk社에서도 생산 중

4. 지원 필요성

□ 기술적 지원필요성

ㅇ 내화학, 내마모, 윤활성이 우수한 기계구조용 탄소재(피치, 수지결합제)는 그 필요성이 점차적으로 증대되나 기술 부족으로 일본, 독일 등에서 수입의존 중

ㅇ 내마모, 내화학 및 윤활성이 우수한 기계구조용 탄소소재는 고체 윤활제 등 응용분야가 매우 다양하며, 다양한 용도에 따른 특성화 기술이 필요하므로 기술개발이 필요함

□ 경제적 지원필요성

ㅇ 내마모, 내화학성 기계구조용 탄소재 시장은 자동차 등 고속 회전체, 안정성 증대를 위한 압축기 등에서 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 예상됨

ㅇ 응용제품시장은 대부분 완제품의 형태로 일본 및 독일 등에서 수입되며 기술 특성상 중간원료 구매가 불가능하므로 자체 기술 확보를 통한 수입대체가 기대됨

□ 정부/정책적 지원필요성

ㅇ 특성화 소재의 물성분석, 전처리, 열처리 등 다양한 기술개발과 대규모 제조장비가 필요한 등, 민간투자 시의 높은 위험성 때문에 정부 지원이 필요함

5. 활용방안 및 기대효과

□ 활용주체 및 방안

ㅇ 활용주체

- 고온 고속 회전체 베어링, 내화학 고온 씰링제, 화학 제품 씰링제, 자동차 회전 부품, 선박용 회전 체 및 씰링제, 군수산업(장갑차, 항공기 등) 특수 부품.

- 반도체 치공구 산업, EDM 가공, 고온용구조재, 브레이크용 등 특수용 부품

ㅇ 활용방안

- 독자기술 확보를 통한 석탄 잔사물 고부가가치화

- 새로운 탄소재 국내시장 확보 및 세계시장 진입

□ 기술적 기대효과

ㅇ 국내연구가 초기단계인 내화학성·고강도 기계구조용 탄소흑연질 개발을 통해, 기계구조용 마감재 생산 등, 고부가가치 중간재(탄소재) 제조기술 토대 마련

ㅇ 상용화 소재 및 생산기술의 확립을 통한 유사 연관 산업 기술의 수준 향상

□ 경제적 기대효과

ㅇ 개발즉시 시장진입이 가능하고 기술 국산화를 통한 수입품과의 가격경쟁력 확보

ㅇ 내화학성 기계구조용 국내소재시장 창출을 통한 국가 경제 기반의 확충

□ 기타 사회․문화적 측면의 기대효과 및 파급효과

ㅇ 기술보유 기업에서 원천소재 기술을 규제하여 완제품으로 유통되므로, 국내 다양한 산업분야로의 적용을 위해 중간원료 및 성형기술의 자립을 통한 산업활성화가 기대됨

ㅇ 내화학성 및 고강도 기계구조용 열간성형 중간재 신규 국내시장 생성, 일자리 창출 기대

6. 지원기간/예산/추진체계

ㅇ 기간 :  54개월 이내  (1차년도 : 6개월)

ㅇ 정부출연금 : 29억원 이내(1차년도 : 4.4억원 이내)

ㅇ 주관기관 :  중소·중견기업

ㅇ 기술료 징수여부 :  징수

6	5세부과제 RFP

관리번호

2019-인조흑연-5

산업

기술

분류

중분류Ⅰ

중분류Ⅱ

과제성격

□ 원천기술   ■ 혁신제품

화학공정

정밀화학

융합유형

□ 신산업창출형  ■ 산업고도화형  □ 해당 없음

과제명(번호)

바인더 및 코팅용 피치를 활용한 음극재용

SiOx/인조흑연 복합체 개발

(TRL :  [시작] 4단계 〜 [종료] 6단계)

1. 개념 및 정의

ㅇ (개요) 현재 이차전지에 적용되는 천연흑연의 단점을 보완하여 전지특성을 개선하는 연구로 용량보완 첨가제-인조흑연 복합체에 대한 연구가 진행되고 있음

- 인조흑연 음극소재는 스웰링(Swelling)은 우수하나 이론 용량(372 mAh/g)에 거의 육박하였으므로, 전지의 고용량화를 위한 신규 소재들의 적극적 개발이 필요함.

ㅇ (필요성)  대용량 전자기기, 전기자동차 등, 급격히 대두되는 대용량 이차전지 시장요구에 대응하기 위한 고용량 및 우수한 수명특성의 음극재 개발이 시급함

- 실리콘계는(SiOx, 0 ≦ x < 1.5)는 높은 이론적 용량을 나타내어 고 에너지 밀도의 음극재료로 각광받고 있으나 스웰링 문제로 사이클 안정성 저하가 발생하는 단점이 지적됨.

- 바인더 및 코팅용피치와의 복합화를 통하여 리튬화/탈리튬화에 따른 부피 변화의 완충재로 사용되어 전극 내부의 구조적 붕괴를 방지함.

- 따라서, 시장에서 요구하는 고용량/고속충방전/장수명의 인조흑연 음극재를 개발하기 위해서 인조흑연과 실리콘계(SiOx, 0 ≦ x < 1.5)와의 복합체 제조가 절실함.

2. 연구목표 및 내용

□ 최종 목표: 바인더 및 코팅용 피치를 활용한 음극재용 SiOx/인조흑연 복합체 개발

ㅇ 정량적 목표

핵심 기술/제품 성능지표				단위	달성 목표	국내 최고수준	세계최고수준 (보유국, 업/기관명)
복합체 제조용 바인더/ 코팅용 피치 제조 기술	1	불순물 함량	Ash	%	< 0.4	-	<0.4 (독일, Braunkohle-Benzin A. G)
			S	%	< 0.1	-	<0.5 (독일, Braunkohle-Benzin A. G)
	2	바인더 피치 연화점		℃	120‒150	-	115-150 (미국, CHEM Group)
	3	코팅용 피치 연화점		℃	240‒270	-	>245 (독일, Braunkohle-Benzin A. G)
실리콘-인조흑연 복합체 제조	1	복합체 내 SiOx 함량		wt%	4.0 이상	-	-
전지 특성	1	리튬이차전지 방전용량		mAh/g	420 이상	350	350 (일본, Hitachi chemical)
	2	리튬이차전지 초기효율		%	90 이상	90	90 (일본, Hitachi chemical)
	3	용량 유지율 (100 cycle)		%	85 이상	>90	>90(일본, Hitachi chemical)
	4	풀셀 용량 유지율 (100 cycle)		%	85 이상	>90	>90(일본, Hitachi chemical)

* Ash 함량은 ASTM C561-16법으로 측정

* S 함량은 ASTM D8186법으로 측정

* 연화점은 ASTM D2318법으로 측정

* SiOx 함량은 ASTM E1131법으로 측정

* 실리콘-인조흑연 복합체는 현재까지 상용화 된 바 없으나, 인조흑연을 참고로 세계최고수준 설정

* 리튬이차전지 전지특성은 반쪽 전지 (half cell)이지만, 휴대기기용 리튬2차단전지 규격 KS C IEC 61960-1참고하여 측정

□  기술 개발 내용

ㅇ 복합체 제조용 바인더피치 및 코팅용 피치 제조 기술 개발

ㅇ 피치 내 SiOx 균일 분산 기술 및 실리콘-인조흑연 복합체 형상 제어기술 개발

ㅇ SiOx—Carbon 표면 제어 기술

ㅇ SiOx 구조 및 산화정도에 따른 표면에서의 리튬화/탈라튬화 메커니즘 분석

ㅇ 음극재용 SiOx/인조흑연 복합체의 성능 향상 개발

□ TRL 핵심기술요소(CTE)

핵심 기술요소		최종단계	생산수준 또는 결과물	시험평가 환경
1	SiOx/인조흑연(SiOx, 0 ≦ x < 1.5) 복합체 제조 기술	6	SiOx(SiOx, 0 ≦ x < 1.5) 함량 4.0wt% 이상 실리콘-인조흑연 복합체	전문가 입회평가/ 공인성적서(함량)
2	SiOx/인조흑연(SiOx, 0 ≦ x < 1.5) 복합 음극재 기반 리튬이차전지 제조 기술	6	방전용량 420mA/g, 초기효율 90%, 수명특성 85%/100cycle 이상 리튬이차전지	공인성적서

3. 국내외 기술 동향

□ 국외기술 동향

ㅇ 실리콘 산화물계 기술 개발은 일본의 Shinetsu chemical, Mitsui Mining & Material GDR 등을 중심으로 실리콘 산화물계 음극 소재의 개발 중

- Shinetsu chemical은 자사 주력 제품인 실리콘을 소재로 한 복합체를 리튬이차전지용 음극재로 적용하기 위한 연구개발 분야에서 기술 선도 중

- 중국의 BTR역시 SiC와 SiO-C 개발 연구를 통해 실리콘 음극재 적용 가능성을 검토 중이며 중국의 Shanshan Tech Co.은 인조흑연, 천연흑연 음극 소재의 개발과 더물어 Si/C/G 복합 음극재료와 Si/O/C 복합 음극재 개발도 추진 중

□ 국내기술 동향

ㅇ 국내에서는 기업을 중심으로 실리콘 복합 산화물 음극재 개발 추진 중

- ㈜대주전자재료는 기존 리튬 이차전지의 용량과 에너지 밀도의 한계를 극복하기 위하여 실리콘계 복합 산화물을 개발 중

- ㈜더블유에프엠 역시 기존 일본 업체에 비해 낮은 개발단가에 복합 분말 방식의 대량 생산성을 앞세워 테슬라 배터리즈에 기술적 안정성과 우수성 테스트를 진행 중

ㅇ 현재 고용량 실리콘 산화물 음극재는 일본의 Shinetsu chemical이 외에는 양산기업이 없으므로, 국내기술 확보로 실리콘-인조흑연 음극재 시장 선점이 필요함

4. 지원 필요성

□ 기술적 지원필요성

ㅇ SiOx/인조흑연 복합체 제조 시 출발물질이 되는 침상 코크스와 이의 재료인 메조페이스 피치는 인조흑연의 물성과 품질을 좌우하는 중요한 전구체이며 코크스의 제조 기술은 일본, 미국 그리고 독일의 선진업체가 독점하고 있음.

- 피치제조에 대한 국내 기술 수준은 일본, 미국, 독일 등 선진국 대비 5% 이하의 거의 전무한 기술 수준임

ㅇ 음극재용 SiOx/인조흑연 복합체 제조 기술은 기술 난이도 및 상업화 장벽이 매우 높은 분야로 국내 산업체를 중심으로 기초연구 및 핵심기술 개발이 필요함.

□ 경제적 지원필요성

ㅇ 우리나라는 리튬이차전지 생산 세계 1위이며, 모바일, xEV, 전력저장 전지 등 분야 발전 가능성(CAGR 20% 이상)이 매우 높으므로 기술선도를 위한 지원이 필요함

ㅇ 실리콘-인조흑연 복합음극재 개발을 통해 방전용량이 향상을 통한 인조흑연 음극재 시장의 급성장이 예상되므로 이를 대비한 기술개발 지원이 필요함

□ 정부/정책적 지원필요성

ㅇ 국내에는 인조흑연 음극재 사업을 추진한 기업이 없는 등, 동 분야 기술 열위이므로 정부 지원을 통한 인조흑연 음극재 기술 제고가 필요함

- 이러한 국산화가 미미한 인조흑연 기반 음극재료를 국산화하여 가격경쟁력 및 기술 경쟁력을 확보할 필요가 있음.

5. 활용방안 및 기대효과

□ 활용방안

ㅇ 리튬이차전지 음극재 활용

ㅇ 모바일, 하이브리드 자동차, 전력저장 등의 리튬이차전지 음극재에 적용

□ 기술적 기대효과

ㅇ 음극재용 SiOx/인조흑연 복합체 제조 기술 개발

ㅇ 음극재 성능 개선 기술의 확보를 통한 기술적 우위 선점

□ 경제적 기대효과

ㅇ 저가 원료를 활용한 음극재 제조를 통한 가격 경쟁력 확보

ㅇ 리튬이차전지의 저가화를 통한 전지 적용 분야의 확대 유도

□ 기타 사회․문화적 측면의 기대효과 및 파급효과

ㅇ 국가 주력 에너지 산업인 리튬이차전지의 국제 경쟁력 강화 및 관련 산업 동반 발전

□ 규제개선 요구사항(규제개선 과제 해당되는 경우)

ㅇ 해당사항 없음

6. 지원기간/예산/추진체계

ㅇ 기간 :  54개월 이내  (1차년도 : 6개월)

ㅇ 정부출연금 : 23억원 이내 (1차년도 : 3.9억원 이내)

ㅇ 주관기관 :  중소·중견기업

ㅇ 기술료 징수여부 :  징수

7	6세부과제 RFP

관리번호

2019-인조흑연-6

산업

기술

분류

중분류Ⅰ

중분류Ⅱ

과제성격

□ 원천기술   ■ 혁신제품

화학공정

정밀화학

융합유형

□ 신산업창출형  ■ 산업고도화형  □ 해당 없음

과제명(번호)

인조흑연 생산 부산물의 전기화학 박리 공정 및 복합화 기술 개발

(TRL :  [시작] 4단계 〜 [종료] 6단계)

1. 개념 및 정의

ㅇ (개요) 박리흑연은 흑연의 층간구조를 분리하여, 수십~수백 층으로 구성된 마이크로 사이즈의 흑연으로, 물성은 그래핀보다 낮으나 양산성이 높아 산업적 가치가 높은 소재임

- 인조흑연의 생산 공정에서 발생하는 중간재 및 부산물(코크스, 등방성 인조흑연)을 전기화학공정을 통하여 마이크로 사이즈의 박리흑연으로 제조함

ㅇ (필요성) 인조흑연 부산물 기반 박리흑연을 복합재로 적용하여, 다양한 산업 적용이 가능한 산업파급력이 우수한 소재로 기술개발이 필요함

- 인조흑연 생산 부산물(코크스, 등방성 인조흑연)의 전기화학 박리 공정을 통한 마이크로 박리흑연 대량생산 공정 개발

- 전기화학 박리흑연과 고분자의 복합화를 통해 열전도성과 절연·난연 특성을 동시에 부여하여, 전기/전자, 자동차 산업에 적용이 가능한 우수한 소재로 제조 기술 확보가 시급함

2. 연구목표 및 내용

□ 최종 목표

ㅇ 최종목표

- 인조흑연 생산 부산물(코크스, 등방성 인조흑연)의 전기화학 박리 공정을 통한 마이크로 박리흑연 대량생산 공정 개발

- 마이크로 박리흑연과 고분자 수지간의 복합화를 통한 난연·절연·방열 복합소재 개발

ㅇ 정량적 목표

핵심 기술/제품 성능지표		단위	달성목표	국내최고 수준	세계최고수준 (보유국, 기업/기관명)
1	코크스 기반 마이크로 박리흑연의 Ash 함량	wt%	0.1 <	-	-
2	코크스 기반 마이크로 박리흑연의 산소 함량	wt%	10 <	-	30 (중국/남중국기술대학)
3	등방성 인조흑연 기반 마이크로 박리흑연의 입도	μm	20-30	10	20 (천연흑연 기준/ 영국/멘체스터대학)
4	등방성 인조흑연 기반 마이크로 박리흑연의 두께	nm	5-10	5	5 (천연흑연 기준/ 영국/멘체스터대학)
5	전기화학 박리 자동화 연속시스템 생산속도	g/hr	> 100	30	30 (한국화학연구원)
6	마이크로 박리흑연 기반 고분자 복합소재 전기절연성	Ωcm	> 1014	1010	4.34×1014 (중국/시츄안 대학)
7	마이크로 박리흑연 기반 고분자 복합소재 열전도도(축방향)	W/mK	> 6.0	-	2.0 (전기절연 기준/ 중국/시츄안 대학)
8	마이크로 박리흑연 기반 고분자 복합소재 열전도도(면방향)	W/mK	> 10.0	5.4	6.4 (전기절연 기준/ 미국/리버사이드대학)
9	마이크로 박리흑연 기반 고분자 복합소재 한계산소지수(LOI)	%	35	30	-

* ASTM D4422법으로 측정

* 마이크로 박리흑연의 산소 함량은 ASTM E2735-14법으로 측정

* 마이크로 박리흑연의 입도는 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM) 분석으로 측정

* 마이크로 박리흑연의 두께는 원자현미경(atomic force microscopy, AFM) 분석으로 측정

* 복합소재의 전기절연성은 ASTM D257법으로 측

* 열전도도는 ASTM D1461법으로 측정

* 한계산소지수는 ASTM D2863법으로 측정

□  개발 내용

ㅇ 인조흑연 생산 부산물의 전기화학 박리 공정 기술 개발

- 코크스 및 등방성 인조흑연의 전기화학 박리공정 개발

- 전기화학 박리 자동화 연속시스템 개발

ㅇ 마이크로 박리흑연의 복합화를 통한 난연·절연·방열 고분자 복합소재 개발

- 마이크로 박리흑연과 고분자 수지간의 컴파운딩 등 복합화 공정 기술 개발

□ TRL 핵심기술요소(CTE)

핵심 기술요소		최종단계	생산수준 또는 결과물	시험평가 환경
1	인조흑연 부산물 기반 전기화학 박리 공정 개발	6	산소함량 10wt% 이하, 두께 5~10 nm인 박리흑연	공인성적서
2	마이크로 박리흑연 기반 난연·절연·방열 고분자 복합소재 개발	6	전기절연성 1014 Ωcm 이상, 열전도도 축방향 6 W/mK 이상, 면방향 10 W/mK 이상 박리흑연 복합소재	공인성적서

3. 국내외 기술 동향

ㅇ 전기화학 공정을 이용한 박리흑연의 제조는 고가의 나노탄소 소재를 대체하여 탄소복합재료의 산업적용을 앞당길 수 있는 기술로 연구개발 진행 중

- 중국 난양 공대에서는 폐건전지에서 발생하는 흑연 전극봉(Zn-C rod)을 높은 수율(~50%)로 전기화학 박리하는 공정을 개발함

- 한국화학연구원에서는 고가의 플래티넘 (Pt) 전극을 대체하여 천연흑연을 경제적으로 대량박리 시키는 전기화학공정(최대 30 g/hr)을 개발함

ㅇ 국내외적으로 분산안정성이 확보된 박리흑연-고분자 절연·방열 복합소재는 연구개발 초기단계이며, 현재는 시장형성이 거의 이루어지지 않은 상황임

- 흑연과 그래핀 나노플레이트(GNP)를 이용한 복합소재의 제조가 시도되었으나 고분자의 유동성 저하에 따른 성형성 취약과 기계적 물성의 저하 때문에 제품화 지연 중

4. 지원 필요성

□ 기술적 지원필요성

ㅇ 인조흑연 제조 단계에서 발생하는 많은 양의 코크스 및 등방흑연 부산물을 경제적이고 효과적으로 재활용할 수 있는 새로운 후처리공정의 개발이 필요함

- 코크스나 천연흑연보다 조밀한 판상 구조를 갖는 인조흑연의 전기화학 박리공정은 전 세계적으로 아직 개발되지 않은 신기술로 핵심기술개발이 시급함

ㅇ 전자제품의 소형화, 고집적화에 따른 용량증가로, 전기회로에 영향을 주지 않으며 효과적으로 열배출을 하는 절연형 방열 복합소재의 개발이 시급함

- 탄소계 필러의 높은 열전도도와 전기전도도로 인해서 절연형 방열 고분자 복합소재는 실험실 수준에서 시도되는 정도의 연구 초기 단계임

- 절연형 세라믹 필러의 높은 가격 대비 낮은 방열 성능 때문에, 흑연계 소재를 적용한 저가·고성능 절연형 방열 고분자 복합소재의 개발 요구가 급부상 중임

□ 경제적 지원필요성

ㅇ 인조흑연 원천소재 및 응용연구를 통해 지역 경제를 활성화 할 수 있도록 중소·중견기업이 주도적으로 참여할 수 있는 신시장·신산업 창출이 필요

- 현재 나노복합재료 산업은 지속적인 정부의 지원에도 불구하고, 그래핀·탄소나노튜브 등 나노탄소의 높은 가격과 낮은 가공성으로 상용화가 늦어지고 있는 실정임

- 중간원료의 물성에 따라 인조흑연의 성상 및 품질이 다양하기 때문에, 마이크로 박리흑연의 물성을 DB화하여 다양한 기능을 갖는 저가의 복합소재 시장 창출이 기대됨

□ 정부/정책적 지원필요성

ㅇ 한국은 인조흑연의 원천기술 부재로, 이의 응용산업도 낮은 기술수준이나, 국내 인조흑연 개발 및 응용산업 급성장에 따른 기술 확보가 시급한 상황임

- 인조흑연 개발 및 생산 과정에서 발생하는 부산물을 폐기하지 않고 재사용하여 고품질의 복합소재로 재생산 할 수 있는 친환경 기술의 국산화 필요

5. 활용방안 및 기대효과

□ 활용방안

ㅇ 인조흑연 생산 중간재 및 부산물의 경제적인 활용을 통한 업 사이클링

ㅇ 자동차, 항공, 선박, 에너지, 전기/전자, 외장재 등 다양한 분야의 구조재 및 부품의 절연·방열 기능을 필요로 하는 응용분야에 적용 가능

□ 기술적 기대효과

ㅇ 인조흑연 생산 부산물의 효율적인 처리 및 전기화학 박리 공정 핵심기술 확보

ㅇ 인조흑연 생산 부산물 기반 마이크로 박리흑연의 물성 데이터베이스화

ㅇ 마이크로 박리흑연 기반 저가의 기능성 복합소재 개발기술 확보

□ 경제적 기대효과

ㅇ 인조흑연 생산 중간재 및 부산물을 활용하여 가격 경쟁력 확보

ㅇ 전기화학박리 공정의 자동화를 통한 마이크로 박리흑연의 대량생산 시스템 구축

ㅇ 마이크로 박리흑연의 저가화를 통한 복합소재 적용 분야의 확대 유도

□ 기타 사회․문화적 측면의 기대효과 및 파급효과

ㅇ 인조흑연 개발 과정에서 발생하는 중간재 및 부산물의 친환경적인 업 사이클링 기술 개발을 통하여 새로운 비즈니즈 모델을 창출

6. 지원기간/예산/추진체계

ㅇ 기간 :  54개월 이내  (1차년도 : 6개월)

ㅇ 정부출연금 : 35억원 이내 (1차년도 : 5.5억원 이내)

ㅇ 주관기관 :  중소·중견기업

ㅇ 기술료 징수여부 :  징수