차세대 첨단산업 핵심 제조장비 개발 로드맵
심창섭 첨단장비 PD | KEIT 기계로봇장비실 이운규 책임 | 한국기계연구원 제조장비정책기획단
목차
0. 요약
1. 개요
2. 로드맵 수립의 방향 및 프로세스
3. 차세대 제조 장비 개발 로드맵 기획
4. 결론 및 시사점
출처 및 참고자료
0. 요약
- 제조장비는 제조업 경쟁력의 근간으로서 미·중 갈등 상황에서 반도체장비 수출을 통제하고 전략 무기화 경향까지 나타나는 가운데 산업 안보 시각에서의 접근이 필요한 중요 분야이다. 정부는 제조장비의 중요성에 대한 인식을 바탕으로 3년 전에 신산업 제조장비 개발 로드맵을 수립한 바 있으며, 본고에서는 이를 확대·개편하여 6대 첨단산업을 대상으로 수립한 차세대 제조장비 개발 로드맵을 소개하고자 한다.
- 제조장비 전문 연구기관의 정책연구 용역 수행을 통해 다수의 산학연관 전문가가 참여한 하향식 기반의 전략적 로드맵 기획이 이루어졌으며, 6대 첨단산업의 핵심 제조장비 65개와 제조장비 경쟁력의 기반이 되는 공통 핵심기술 8개를 도출하여 로드맵을 수립하였다.
- 수립한 로드맵이 계획으로만 그치지 않고 적극적인 정부 R&D 예산 지원과 산학연관 전문가가 참여하는 체계적인 이행 점검을 통해 우리나라 제조업 경쟁력 강화에 실질적인 효과가 나타나기를 바란다.
1. 개요
- IRA(미), 「유럽원자재법」(EU), 중국 리스크 등으로 인한 글로벌 공급망 신질서, 기술 블록화, 내수 활력 약화로 제조업 공동화 우려가 심화되고 있다. 특히 반도체, 전기차, 배터리 등의 핵심·첨단 제조업의 이탈은 경제 안보 차원에서 중요한 이슈다.
- 제조장비는 제품의 품질, 부가가치, 생산성을 결정하는 제조업 경쟁력의 근간이며, 해외에 의존할 경우 제조 공정 데이터, 제조 시스템 운영, 가치사슬 간 연계 등 산업 안보적 측면에서 많은 우려가 발생한다. 또 미·중 갈등에 따른 반도체장비 수출 통제처럼 전략 무기화 상황이 현실화되고 있다.
- 정부는 제조장비의 중요성에 대한 인식을 바탕으로 ‘제1차 소재·부품·장비산업 경쟁력 강화 기본계획’(2020.10.)을 구상했다. 이를 통해 시스템반도체, 미래차, 바이오, 나노 기반 4개 분야 31개 장비에 대한 중장기 개발 로드맵인 ‘신산업 제조장비 개발 로드맵’을 수립(2021.11.)한 바 있다.
- 본고에서는 제조장비의 수요산업을 기존 Big 3+나노 기반에서 6대 첨단산업(반도체, 미래차, 이차전지, 디스플레이, 바이오, 로봇)으로 확장하여 차세대 첨단산업을 대비하도록 하고, 제조장비 경쟁력의 기반이 되는 공통 핵심기술 발굴을 포함하여 차세대 첨단산업을 위한 제조장비 개발 로드맵을 제시하고자 한다.
2. 로드맵 수립의 방향 및 프로세스
- 기본방향
기존 신산업 제조장비 로드맵 이행 현황을 검토하여 핵심 장비가 연계되도록 하고, 6대 첨단산업 제조장비와 공통 핵심기술로 로드맵 수립 범위를 확장했다. 산업대전환 초격차 프로젝트, 첨단산업 전략, 로봇 전략 등 정부의 정책·전략에 부합하는 핵심 장비를 우선 발굴하였으며, 기존 로드맵과 달리 전문가 의견에 기반한 top-down 방식을 채택하여 로드맵의 전략성을 극대화하였다.
- 추진 체계
산학연 전문가로 구성된 장비별 분과위원회를 구성·운영하여 미래지향적인 전략적 로드맵 기획을 추구하였다. 또 첨단장비 PD가 총괄하고 제조장비 전문연구기관이 정책 연구 용역 수행을 통해 지원하는 추진 체계로 로드맵의 전문성을 확보하였다. 이를 통해 로드맵 기획 전문가위원회에 총 28개 기관(학연)와 46명의 전문가 및 32개 수요·장비 기업 자문위원이 참여하게 되면서 폭넓은 전문가 의견을 활용하였다.
- 기획 프로세스
분과위원회별로 기존 제조장비 로드맵 검토와 장비산업 분석(시장, 기술, 정책)을 통해 분야별 산업 이슈를 도출하고 그에 따른 대응 전략을 수립한 후 대응 전략에 부합하는 분야별 핵심 장비 후보를 도출하였다. 이를 대상으로 정책적 부합성, 경제적 파급성, 기술적 혁신성에 대한 포트폴리오 분석을 거쳐 1차 핵심 장비(안)를 작성하였다. 핵심 장비(안)에 대해 장비기업과 수요기업의 전문가 자문을 구하고 2024년도 R&D 기술 수요조사 결과를 반영하는 bottom-up 의견 반영 과정과 관련 분야 PD 협의를 거쳐 핵심 장비를 확정하는 절차를 거쳤다. 2023년 한국정밀공학회의 추계학술대회에서 특별프로그램을 통해 로드맵 기획 결과의 공유와 전문가 의견수렴 과정을 거치기도 했다. 이러한 기획 프로세스를 거쳐 6대 첨단산업의 핵심 제조 장비 65개와 공통 핵심 기술 8개를 발굴하여 로드맵을 수립하였다.
3. 차세대 제조 장비 개발 로드맵 기획
- 2021년에 수립한 신산업 제조장비 로드맵의 지원 현황을 검토한 결과, 로드맵상 핵심 장비에 대해 13개 과제를 지원했다. 1개 장비는 민간기업에서 자체 개발 중인 것으로 파악되어 이를 제외한 핵심 장비를 로드맵 기획의 대상 장비로 연계하였다.
- 제조장비 로드맵의 수요산업인 6대 첨단산업의 시장 규모는 약 4조 3천억 달러, 제조장비 시장은 약 4천억 달러 규모로 추정(일부 중복 합산 포함)되며, 각 산업별 수요·장비의 시장 규모와 주요 제조장비 기업은 다음 표와 같다.
- 분야별로 시장 동향·기술 동향·정책 동향을 분석하였다. 이런 분석 결과에 따라 6대 첨단산업 및 공통 핵심 기반을 대상으로 주요 산업 이슈를 도출하고 이에 따른 대응 전략을 수립하여 핵심 장비 후보를 선별하였다. 여기에서 디지털 전환/스마트화, 친환경/탄소중립이 주요 산업 이슈의 공통 키워드로 분석되었다.
- 핵심 장비 후보를 대상으로 정책적 부합성, 경제적 파급성, 기술적 혁신성을 기준으로 한 포트폴리오 분석을 수행하고 장비 수요-공급 기업 전문가 자문과 기술 수요조사 제안을 반영하였다. 또한 관련 PD 협의를 거쳐서 진행된 로드맵 기획 프로세스에 따라 6대 첨단산업 핵심 장비 65개와 제조장비 공통 핵심기술 8개를 도출하고, 개발 일정과 소요 예산을 포함한 개발 로드맵을 제시하였다.
1) 반도체장비
- 주요 이슈
- 고성능 시스템 & 메모리 반도체의 전략적 중요성 증가로 고성능화 및 저전력화를 위해 초미세 첨단 노드 공정이 요구되나 수율 및 성능 문제
- 반도체 전공정 미세화의 한계로 최근 반도체기술 경쟁은 초미세 공정에서 첨단 패키징기술로 확대되는 양상
- 반도체 전·후공정 초미세화, 공정 난이도 상승, 시스템반도체에 대응하기 위해 반도체 장비 스마트화로 디지털 전환 요구 - 반도체는 대표적 탄소 多배출 산업으로, 탄소중립이 新무역 장벽으로 대두
- 대응 방향
- 시스템반도체 초미세화 첨단 팹공정 대응 위한 반도체장비 기술 확보 - 데이터센터, HPC, 생성형 AI, 자율주행차 등에 활용되는 고성능 시스템·메모리 반도체 첨단 패키징 장비기술 확보
- 반도체 제조 라인의 디지털 전환에 필요한 반도체장비 스마트화기술 확보
- 반도체산업 그린 공급망 구축과 경쟁력 확보를 위해 탄소 배출 저감을 위한 친환경·고효율화 반도체 제조장비 기술 확보
- 핵심 장비
초격차 확보 초미세화 장비(5개), 고성능 첨단 패키징(4개), 디지털 변환 대응 장비 스마트화(2개), 탄소중립(3개)에 대해 EUV 건식 PR 장비, 하이브리드 본더, 불량 검사 Die Sorter, 오염원 통합 후처리 장비 등을 도출하였다.
3) 미래차장비
- 주요 이슈
- xEV 부품·장비 기술력 세계 1위 구현을 통한 초격차 기술 유지
- 글로벌 전기차 판매 정체에 따른 판매가 경쟁 심화 - 탄소중립 기조에 따라 제조 단계부터 기존 자동차 제조장비 또한 보다 친환경 성능 고도화를 요구
- 대응 방향
- 전기차 부품 고안전 기술 선점을 위한 기술 개발 및 시장 점유율 확대 필요
- 미래차 시장 경쟁력 확보를 위한 부품 단위의 생산 혁신 구현
- 글로벌 시장 경쟁력 확보를 위한 에너지 고효율 공정장비 개발
- 핵심 장비
전기/수소차 제조장비(3개), 자율차 제조장비(2개), 미래차 생산 고도화 장비(3개)로 비대칭축 용접 장비, 레이저 클래딩 장비, 다이캐스팅 지능형 후가공 장비 등이 선정되었다.
3) 이차전지장비
- 주요 이슈
- CATL, BYD 등 중국 이차전지 업체들의 고성장에 따라 국내 3사 이차전지 시장 점유율 감소 추세
- 전 세계적으로 미래모빌리티용 전고체전지 등 차세대 전지 개발 경쟁 심화
- 기후 변화 대응과 탄소중립을 위한 순환 경제, 제조 공정에 대한 전과정평가(LCA) 등 규제 강화
- 대응 방향
- 고용량·고안전·고생산성 이차전지 제조를 위한 초격차 제조장비 기술 개발
- 전고체/차세대 전지 시장 선점을 위한 소재, 공정, 장비 관련 혁신 제조장비 기술 확보
- 친환경적 제조장비 기술 및 폐배터리 재활용/재사용 관련 제조장비 기술 확보
- 핵심 장비
초격차 제조 고도화 장비(3개), 전고체 차세대 전지 제조장비(4개), 폐배터리 재활용/재사용 친환경 장비(3개)로 주요 핵심 장비는 자유 형상 3D 프린팅 장비, 건식 전극 제조장비, 재활용/재사용 검사장비 등이다.
4)디스플레이장비
- 주요 이슈
- TV, 스마트폰으로 대표되는 세계 디스플레이 시장은 이미 포화 상태로 당분간 현상 유지하거나 감소하는 등 성장 정체 전망
- 디스플레이산업의 주도권 경쟁 심화로 중국의 디스플레이 시장 점유율이 한국을 추월한 상황
- 디스플레이 소재·부품·장비 공급망의 중국 편향이 심화하고 있으며, 미래디스플레이에 대한 중국 기업·정부의 투자가 매우 공격적
- 대응 방향
- 자율주행 자동차 디스플레이 등 신성장 동력으로 투명/신축 디스플레이용 제조장비 필요
- 고해상도/대화면용 초격차 디스플레이 제조장비 개발 필요 - 무기발광 디스플레이용 공급망 구축 및 제조장비 개발 필요
- 핵심 장비
투명·신축 Micro LED 제조장비(4개), OLED 초격차 장비(3개), 백플레인 제조장비(3개)로 에피 수직 적층 장비, 대면적 일괄 전사 장비, 회로기판 3차원 가공 장비 등을 발굴하였다.
5) 바이오장비
- 주요 이슈
- 항체 의약품, 세포 치료제, 백신 등 바이오 의약품 생산에 관련된 원부자재, 장비 가격 상승
- 포스트 코로나19 시대의 불확실성 극복
- 국내 바이오장비 산업의 기술 전문 인력과 인프라 부족
- 대응 방향
- 바이오의약품 생산 관련 핵심 장비 기술의 자립화 지원
- 최신 바이오 기술용 장비 개발 지원을 통한 불확실성 감소
- 바이오장비 산업 디지털 전환을 통한 기술 인력 유입 유도 및 인프라 확장
- 핵심 장비
첨단바이오 제조장비(3개), 바이오 의약품 생산장비(4개), 디지털 전환 스마트 장비(4개)로 완전 무균 충전 시스템, AI 자동화 분류 시스템, 퍼퓨전 배양 자동화 시스템 등이 주요 핵심 장비이다.
6) 제조로봇
- 주요 이슈
- 기존 기계·조선산업, 뿌리산업, 식품·유통산업 등 전통 제조 산업의 생산성 향상 및 제조 공정 첨단화
- 반도체, 디스플레이, 이차전지, 바이오, 미래차 등 차세대 국가 전략 산업의 제조 경쟁력 제고
- AI, 클라우드 융합 고난이도 공정 로봇 자동화, 제조 현장 디지털 전환, 유연 생산 환경 대응 요구
- 대응 방향
- 기계, 조선, 뿌리산업 분야 등 수작업 기피 공정에 대한 로봇 작업 솔루션 구현 및 식품, 물류 등 로봇 기술 확산
- 반도체, 디스플레이, 이차전지, 미래차, 바이오 각 산업에 특화된 현장 중심 제조 공정 솔루션
- 로봇, AI, 빅데이터, DT, 클라우드 융합 기반 유연 생산/복합 제조 공정 대응 ‘로봇 기반 자율공장’ 서비스
- 핵심 장비
산업 특화 로봇 솔루션(3개), 유연 생산/복합 제조 대응 로봇 시스템(4개), 고난도 작업 자동화 로봇 시스템(3개)에 대해 다공정 모바일 장비, 원격 이동 조작 로봇 시스템, 지그리스 조립 로봇 시스템 등을 발굴하였다.
7) 공통 핵심 기술
- 주요 이슈
- 제조장비 핵심 부품은 장비의 성능·신뢰성 등을 결정하는 핵심 요인이나, High-end급 부품 및 공통 핵심 기술의 경우 자체 기술의 부족으로 해외에 의존
- 장비와 공정 데이터를 통한 AI 기술로 대표되는 자동화 솔루션과 인지 적응 제어 기술의 적용을 위해 디지털전환 기술의 가속화에 따른 기술 개발이 화두
- 대응 방향
- 이차전지, 반도체, 디스플레이, 로봇 등 차세대 제조장비의 핵심 부품의 레이저 가공, 롤투롤 장비, 식각, 평탄화 공정 장비 등에 공통적으로 활용 가능한 기술의 도출 및 성능 고도화 지원
- 유연 소재용 스마트 롤 기술, 극초단 광섬유 레이저 광원 기술 등
- 제조 공정에서 다품종 소량 생산 추세에 따라 제조 라인 디지털 전환에 필요한 장비 스마트화 기술의 확보
- 핵심 장비
유연 소재 스마트 롤 기술, 극초단 광섬유 레이저 광원 기술 등 해외 의존이 심각하고 기술적 파급 효과가 큰 부품 및 기술 개발(4개)과 제조 에러 대응 실시간 공정 지능화 기술, 장비·공정 데이터 AI 처리 기술 등 디지털 전환에 기반한 자율제조를 위한 AI, 센싱, 비전 기반 측정 기술 및 부품 개발(4개)을 도출하였다.
- 65개의 핵심 장비와 8개의 공통 핵심 기술의 개발 로드맵은 다음과 같다.
4. 결론 및 시사점
- 우리나라 6대 첨단산업(반도체, 미래차, 이차전지, 디스플레이, 바이오, 로봇)의 지속 가능한 경쟁력 확보를 위한 핵심 제조장비 및 기반이 되는 공통 핵심 기술을 도출하여 개발 로드맵을 제시하였다.
- 제조장비는 불안정한 대외 환경의 변화 속에서 전략 무기화 경향을 보이고 있어 산업 안보 차원의 핵심 기반 산업으로 인식된다. 미래 차세대 첨단산업의 경쟁력 기반이 될 제조장비 개발 로드맵을 제시한 것은 중장기적 전략적 접근을 위한 필수 정책 요소라고 할 수 있다.
- 로드맵이 계획에만 그치지 않도록 개발 과제에 대한 적극적이고 지속적인 R&D 예산 반영과 산학연과 전문가가 함께하는 이행 점검 체계 구축을 통해 적시에 필요한 제조장비가 개발되어 우리나라 제조업 경쟁력 강화에 실질적 도움이 되도록 하는 노력이 필요하다.
출처 및 참고자료
1. 산업통상자원부, 「제1차 소재·부품·장비산업 경쟁력 강화 기본계획」, 2020.10.
2. 산업통상자원부, 「신산업 제조장비 개발 로드맵」, 2011.11.
3. Marketsand Markets, Semiconductor Manufacturing Equipment Market, 2023.
4. SNE Research, 「리튬이온 2차전지 제조 장비의 개발 현황 및 중장기 전망(~2030)」, 2023.05.
5. 한국기계연구원, “바이오장비 산업 동향 및 시사점”, 「기계기술정책」 제112호, 2023.06.
6. IFR(International Federation of Robotics), World Robotics 2021, 2021.10.
7. 한국디스플레이산업협회 홈페이지(www.kdia.org)
8. 한국바이오의약품협회 홈페이지(www.kobia.kr)
9. 옴디아 홈페이지(omdia.tech.informa.com)
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