기획·인터뷰

전자책, 스마트폰, 평판 TV 및 디지털 카메라 같은 IT 기기들이 박형화 및 집적화되면서 그로인한 역기능도 늘어나고 있다. TV의 경우 더욱 얇게 만들기 위해 중량이 증가하고, 휴대전화의 정보 송수신 기능을 강화하기 위해 더욱 많은 전자기파에 노출될 수밖에 없는 것이다. 자동차의 운송기능과 안정성 확보를 위해 연비가 감소되고, LED와 같은 신조명은 주 조명화를 위해 출력 향상을 추구하게 돼 발열량이 증가되는 등의 문제가 발생하고 있다. 또한 세계 각국은 전자파나 소음, 진동 등 소비자의 육체적 건강 및 심리적 안정에 나쁜 영향을 미치는 제품에 대해 규제와 관리를 강화하고 있다. 이러한 문제는 제품의 설계나 추가 부품소재의 개발을 통해 해결하고 있으나 결국 제품 설계 변경으로는 한계에 이르고 있다. 또한 새로운 부품 및 재료의 확보는 해외 의존도가 높아 동일한 세트 및 디바이스 산업으로 경쟁하는 현재의 상태에서 이는 매우 심각한 문제로 작용할 수 있다. 나노카본 복합소재는 이러한 문제를 해결할 수 있는 열쇠다. 나노카본의 우수한 전기적 특성으로 인한 나노카본·고분자 복합체가 IT 내장 부품 및 반도체 공정재료에 적용되고 있다. LG화학이 주관을 맡은 다기능성 나노복합 사업단은 탄소나노튜브(CNT), 그래핀 등을 이용한 에너지 절감/변환용 다기능성 나노복합소재를 개발하고 있다. 이들이 연구하고 있는 과제는 △초경량 구조용 나노복합소재 △에너지흡수용 나노복합소재 △에너지 절감용 고방열 나노복합소재다. 이들 소재는 자동차, IT, 에너지, 환경 등 다양한 산업분야에서 수요기업들의 개발요구 및 잠재수요가 커 2019년 그 시장규모는 국내 8조5,000억원, 국외 21조2,000억원 등 총 29조7,000억원에 달할 전망이다. ||■왜 필요한가에너지 절감을 위해 개발된 LED, 그린카 등은 성능 하락을 막기 위해 내부에서 발생하는 열을 잘 배출할 수 있는 고방열 특성 구현이 필요하다. 자동차 산업은 경량화, 연비 절감 등을 위해 하이브리드차, 전기자동차 시대에 진입했고 이에 전자제어부품에 있어 고방열 구현 기술이 요구되고 있다. 특히 LED용 방열 기판 시장은 LED BLU형 LCD의 시장 성장이 가속화 되면서 내년에는 2,640억원 규모로 형성 될 것으로 보이며 본격적인 시장확대와 함께 급성장이 기대되고 있다.또한 애플의 성공에서도 볼 수 있듯이 제품의 디자인이 성공에 직결되는 상황에서 나노카본 복합체를 이용하면 금속보다 다양하고 미려한 IT 기기를 제작할 수 있다.환경적인 측면에서도 탄소 소재를 자동차 부품으로 사용해 차량중량의 약 30%를 경량화시킬 경우 10년간 주행 시 약 5톤의 이산화탄소 배출량이 저감되는 것으로 추산된다.이처럼 잠재성이 크긴 하나 나노카본 복합소재는 가격이 비싸다는 인식, 응용제품 개발의 어려움, 표준화 미비로 인한 호환의 어려움, 시장 미형성 등의 문제를 안고 있다. 특히 일본의 경우는 도레이, DIC 같은 메이저급 플라스틱 제조업체들이 우수한 기술력을 바탕으로 나노카본 복합소재 개발을 병행하고 있으나 국내는 시스템 시장의 부재뿐만 아니라, 대부분의 원료를 미국이나 일본에서 수입하고 있는 실정이다.그러나 위기가 곧 기회인 것처럼 기술의 표준이 형성되지 못한 현시점에서 원천기술 확보를 통해서 선도그룹으로 나설 수 있는 가능성도 크다.국내의 경우 대기업 및 중소기업에서 원천기술, 특히 CNT 복합화 기술분야에서 외국동등수준의 기술과 대량생산에 대한 인프라가 확보돼 있고, 현재 시제품 제작단계로 세계 최초 상용화도 가능한 것으로 전문가들은 파악하고 있다.||■기술은 있으나 시장 형성이 문제1세부 과제인 초경량 구조용 나노복합소재는 나노카본, 유기물, 무기물을 고분자 또는 금속상에 3차원적으로 분산해 물리적, 화학적 결합을 형성, 기계적 물성의 향상 효과가 기존 복합소재 보다 큰 기능성 소재를 말한다. WPM사업을 통해 알루미늄 나노복합소재와 고분자 나노복합소재가 개발된다.알루미늄 나노복합소재는 일본과 독일을 중심으로 연구가 활발히 진행 중이며 주로 자동차용 내마모 소재 혹은 경량화 소재로 개발 중이다.국내에서는 지난해 (주)어플라이드카본나노가 탄소나노튜브가 강화된 알루미늄 잉곳을 잉곳 캐스팅 공정으로 제조한 바 있다. 국내 수요기업으로는 만도, 현대기아차, 현대로템, 현대중공업 등이 있다.고분자 나노복합소재분야에서는 범용성과 성형성이 뛰어난 고분자 수지에 나노카본을 보강재로 사용한 경량·고강도·고탄성 구조용 소재 개발이 활발히 이뤄지고 있다.국내에서는 아직까지는 탄소나노튜브, 그래핀과 같은 나노소재를 이용한 자동차용 경량화 부품개발에 대한 지원 검토가 구체화 된 적은 없고 전도성과 같은 기능성을 부과하는 과제로 진행되고 있다. 탄소계 나노소재 복합재의 경우 원소재업체나 정부출연연구소에서 국책과제로 자동차용 소재개발에 대한 기획을 시도한 예는 있으나 실적은 없다.2세부 과제인 에너지 흡수용 나노복합소재는 탄소나노튜브, 그래핀 등의 나노카본을 나노금속, 나노세라믹 등과 함께 복합화해 전자파차폐, 진동 및 충격흡수, 박형화 등 다기능성을 구현할 수 있는 IT 제품 외장에 적용 가능한 소재다.국내에는 제일모직, LG화학 등 대기업 외에 다수 중소기업에서도 고분자에 나노카본을 분산시켜 대전 및 정전방지에 적합한 금속대체 소재를 개발해 IT 기기 내외장 및 반도체 공정용 부품소재에 적용하고 있고 전도성 측면에서 전자파 차폐효율을 높이는 연구가 진행 중이다. 전자파 차폐율의 경우 외국 대비 90% 이상의 수준을 유지하며 기술격차는 크지 않은 것으로 알려졌다.||3세부 과제인 에너지 절감용 고방열 나노복합소재는 LED, 자동차 전자제어부품 (Electronic Control Unit, ECU), 가전기기, 태양전지 등의 성능과 안전성을 위해 그 수요가 급격히 증가할 것으로 예상되고 있다. 특히 LED의 경우 입력된 에너지의 80%를 열로 방출하는 데다, LED 자체가 열에 취약해 열에너지를 방출하지 않으면 광효율과 수명이 급격히 감소한다. 자동차의 경우 ECU는 약 100여개 이상이 존재하는데 모터나 엔진과 가까이 있는 경우, 안전을 위해 외부 진동이나 열로부터 보호하는 기능이 필요하다. 현재 방열기능을 위해 알루미늄 방열판을 사용하고 있으나 경량화를 통한 자동차 연비 향상을 위해 신소재를 이용한 하우징의 개발이 절실히 요구되고 있다. 그러나 현재 고방열 회로기판 소재를 포함한 방열소재 관련해서는 일본 및 미국의 방열 소재 업체에서 시장을 선점하고 있는 상황이며 차세대 반도체 패키지 관련 방열소재도 독점하고 있는 상황이다. 우리나라는 거의 대부분의 열관련 소재에 대해서 수입에 의존하고 있어, 고열전도성, 고방열 특성 소재의 연구가 요구되고 있다. 다기능성 나노복합 사업단은 WPM 1차년도에 직경 20~30nm급 맞춤형 나노카본 설계기술을 개발했다. 이는 세계최고 수준 대비 90% 수준이다. 또한 알루미늄보다 20% 가벼운 자동차 부품용 경량소재 개발 및 적용 테스트를 완료하는 성과를 냈다. 전문가들은 나노카본 소재를 이용하여 다양한 고분자 복합재를 개발하기 위해서는 단순하게 탄소나노튜브나 카본블랙, 탄소섬유 등을 단독으로 사용하는 것 보다 각각의 특징을 적절하게 이용할 수 있게끔 혼성하여 사용하는 기술개발이 필요하다고 말한다. 또한 체계적 연구 및 원천기술 확보를 통한 특허권의 확보 및 기술 차별화가 절실히 필요하고, 기술 후발주자와 차별화되는 융합소재제조 원천기술 및 고부가가치의 고성능 제품 개발이 요구되고 있다.

플렉시블 디스플레이용 플라스틱 기판 소재는 LCD와 OLED 등 평판 디스플레이의 유리기판을 대체하는 것으로서 화질의 손상이나 저하없이 휘거나 감을 수 있도록 하는 핵심 기판 소재다. 우리나라의 디스플레이 산업이 이미 세계 1위를 고수하고 있는 상황에서 2020년 50조원에 달할 것으로 예상되는 플렉시블 디스플레이시장에서도 강자로 남으려면 핵심소재 기술을 확보할 필요가 있다. 플라스틱 기판소재는 디스플레이 소자 및 터치패널, PCB, 1회용 센서 시장, 태양전지와 같은 전자기술이 활성화돼, 플렉서블 디스플레이분야 외에도 다른 사업에서 적용되는 비율이 60% 에 이를 것으로 전망되는 등 파급효과가 큰 소재다. 특히 플렉시블 디스플레이용 플라스틱 기판은 세계적으로 아직 요구 물성을 만족시키지 못한 매우 어려운 기술인만큼 성공시 산업경쟁력을 더욱 향상시킬 것으로 기대를 모으고 있다. 현재 고내열, 고투명의 플라스틱 후보 소재로는 패널업체의 공정에 적용할 수 없다. 따라서 플렉서블 디스플레이용 기판소재는 기존 유리 기판과 같이 높은 온도와 산·알칼리 등 약품에 견딜 수 있어야 하며 수분 및 산소 등 가스 침투를 차단할 수 있는 ‘배리어 특성’을 만족해야 한다. 또한 구부릴 수 있는 상태에서도 작동이 원활히 유지되기 위해선 유연한 전극 기판 형태로 만들 수 있어야 한다. 제일모직이 총괄주관을 맡은 플렉시블 디스플레이용 기판소재 사업단은 △플라스틱 소재 및 필름 △배리어 코팅 및 기능성 코팅 소재 △투명전극 소재 등을 개발하고 있다. 사업단은 WPM 1차년도에 세계 최고의 85% 수준인 LCD 및 OLED용 고내열 플라스틱 소재 및 필름을 개발했고 세계 최고 85% 수준의 세라믹 전극소재 개발이라는 성과를 냈다. 그러나 평판디스플레이 시장에서 한국에 밀린 일본은 플렉시블 디스플레이 시장을 선점하기 위해 NEDO 등의 컨소시엄을 통해 높은 수준의 기술을 확보했고 미국, 유럽, 대만 등도 소재업체와 장비업체를 중심으로 협력체계를 갖추고 있어 이를 넘기 위한 기술개발이 절박한 상황이다. ||■플라스틱 소재 및 필름사업단이 1세부 과제로 개발하고 있는 플렉시블 디스플레이용 플라스틱 소재 및 필름은 기존 디스플레이 특성의 손실없이 두루마리형태로 변형이 가능하면서 얇고 내충격성을 가지는 등 광학적 물리적 특성이 우수한 디스플레이 소재다.유리기판과 비교해 플라스틱 기판이 해결해야 할 과제는 크게 산소나 수증기의 기체투과방지, LCD 공정온도에 적합한 플라스틱의 내열성, 공정온도의 변화에 따른 낮은 열팽창계수, 유리기판 수준의 빛투과율, 내마모성, ITO나 SiO2와의 상용성 등이 있으며 새로운 새로운 TFT 배열 기술 개발도 함께 요구되고 있다.일본 기업은 기판원료 합성기술에서부터 기판화 공정 기술뿐만 아니라, 코팅 기술, 공정 장비 전 분야에서 세계 최고의 경쟁력을 보유하고 있다. 스미토모베이클라이트는 PES에 ITO를 형성한 제품을, 테이진카세이는 PC에 IZO를 형성한 제품으로 시장에 진입 중이다.국내는 이와 관련한 독자적인 원천 연구 및 원천기술이 거의 없는 것으로 알려져 있다. 제일모직, LG화학, SKC, 코오롱 등 대기업을 중심으로 개발을 진행하고 있으나 실험실 수준이며, 엔지니어링 플라스틱을 기판소재로 그대로 적용하거나 기존 구조에 화학구조를 일부 변경하는 방식으로 접근하고 있다. 아이컴포넌트의경우 BASF로부터 PES를 구입해 기판용 필름 시장 진입을 시도하고 있다.전문가들은 디스플레이산업이 대규모 자본을 필요로 하는 장치산업으로 투자의 위험성과 기술수준이 높음을 고려할 때 삼성전자, LG디스플레이와 같은 세계적인 수요기업들과 소재기업들이 유기적으로 협력한다면 충분히 개발 가능하다고 기대하고 있다.■배리어코팅 및 기능성 코팅 소재배리어코팅 및 기능성 코팅 소재는 플렉시블 디스플레이용 플라스틱 기판에 매우 우수한 표면특성과 수분 및 산소 차단특성을 부여하는 기술소재다. 특히 플렉시블 OLED 및 OLED조명의 경우 유리기판 수준의 수분 및 산소 배리어 특성을 요구한다. 플라스틱 기판 상에 TFT 또는 컬러 필터(Color Filter) 공정을 진행하기 위해 유리 수준의 평탄화와 내화학 코팅 소재/공정 기술이 필요하다.미국의 비텍스사는 플라스틱에 배리어 코팅을 형성하는 원천기술을 보유하고 있으며 GE도 2006년 고내열성 PC 필름을 이용하여 플렉시블 OLED용 배리어 코팅 기술을 개발했다.일본의 경우 스미토모베이클라이드는 PES 필름 소재에서부터 ITO 코팅 필름에 이르는 PES 기반에 대한 원천 기술을 보유하고 있다. 테이진과 미국 듀폰은 공동으로 치수변화특성과 평탄도가 우수한 PET와 PEN를 개발했다.국내 배리어층 소재 및 공정은 전반적으로 원천 특허와 기술이 부족하다. 국내 기업들은 대부분 국책과제를 통해 관련 기술 확보에 나서고 있다. LG화학은 내화학성이 확보된 보호층과 평탄화 및 배리어 층을 개발했으며 내구성과 내굴 곡성 평가 시 층간 밀착성이 우수한 배리어 필름 관련 핵심 특허를 확보했다. 코오롱은 평탄 고내열 수지에 배리어 코팅을 위한 유무기 하이브리드 재료를 개발 중이다. 한국전자통신연구원은 플라스틱 기판을 기반으로 한 OLED 공정기술과 장수명화 기술을 개발했으며 현재 플라스틱 기판 상에서 컬러 전자잉크를 이용한 다색 전자종이를 개발 중이다.||■‘CNT·그래핀’ 투명전극소재로 각광투명전극소재는 글래스 및 플라스틱 필름 등 투명한 재질의 절연체 표면에 투명성을 유지하면서 도전성을 부여하는 박막 전극이다. 투명 전도성 필름이라고도 불리는 플렉시블 투명전극은 플렉시블 소자용 전극뿐만 아니라 터치패널, 투명 전자파차폐막, 투명발열체, 도전성 유리, 가스센서, 열반사코팅막, 태양전지 등에 응용되고 있으며 투명 정전기 방지막, 통신기기용 안테나, 광학필터로도 응용이 가능한 정보전자 에너지 분야의 핵심 부품소재다.투명 전도막을 플렉시블 디스플레이에 적용하기 위해서는 기판의 휨에 대한 우수한 유연성과 산성 용액공정에 대한 우수한 화학적 안정성까지 요구하기 때문에 기존의 플렉시블 디스플레이용 투명 전극 보다 더욱 우수한 특성이 요구되고 있다.현재 디스플레이 투명전극으로 널리 사용 중인 ITO(Indium Tin Oxide)는 진공증착 공정과 포토리소그래피 공정에 의한 높은 제조단가, 환경적 요인, 고온 공정, 낮은 플렉시블 특성, 인듐 확보의 어려움 등의 문제 등으로 플렉시블 디스플레이 투명전극으로서는 적합하지 않은 것으로 알려져있다. 이를 대체할 고투명, 저저항의 투명전극 재료로서 주요 선진국가에서는 이미 전도성 고분자, 금, 은 등의 나노입자 및 탄소나노튜브(CNT)를 이용한 플렉시블 디스플레이용 투명전극 개발에 박차를 가하고 있다.이에 대해 특히 일본에서 많은 연구성과를 나타내고 있다. 금속 기반 투명전극 소재 기술 개발 관련 대표적인 업체는 미국의 캠브리오스 테크놀로지(Cambrios Technologies Corp.), 시마 나노테크(Cima Nanotech), 일본의 후지필름(Fujifilm), 군제(Gunze), 다이닛폰인쇄(Dai Nippon Printing) 등이 있다.CNT는 투명 전도성 물질로서 ITO를 대체 할 수 있는 가장 주목받는 소재다. 박막 필름으로 제작했을 때 투명성이 유지되며 전기전도도와 열전도가 우수하고 강도가 철강보다 100배나 뛰어나다는 특징이 있다. 미국과 일본은 CNT 소재개발에 대한 원천특허를 보유하고 있으며 CNT 양산체계와 함께 다양한 응용 제품을 개발 중이다. 일본의 경우 10여개의 업체가 CNT 합성기술을 보유하고 있으며 후지쯔, 히타치와 같은 대기업들이 기술개발에 적극적으로 나서 시장선점을 모색하고 있다.그래핀(Graphene) 또한 매우 높은 전도도와 광학적 투명성을 동시에 가지고 있어 투명전극 소재로 잠재력이 높다. 이에 IBM 연구소를 비롯한 많은 대학과 연구진들이 반도체 소자로써의 응용을 위한 연구를 활발히 진행 중이며 염료 감응형, 유기박막 태양전지의 투명 전극에 적용한 사례도 발표되고 있다.또 하나의 후보인 전도성 고분자 물질은 저온 공정이 가능하고 용액 공정이 가능하기 때문에 인쇄방식의 공정을 적용시킬 수 있다는 장점이 있다. 일본은 ITO 필름 수준인 PEDOT계 전도성 고분자 필름을 개발, 터치 패널에 바로 적용할 수 있다고 발표한 바 있다.국내기업의 경우 삼성SDI, 신안SNP, 재료연구소, 고려대, KAIST, 홍익대 등 대기업, 연구소, 벤처기업에서 플렉시블 투명전도성 박막에 대한 연구개발이 활발히 진행 중이다. 디피아이솔루션스 및 탑나노시스 등 일부 벤쳐기업을 중심으로 전도성 고분자 또는 탄소나노튜브를 응용한 투명전극용 박막 시제품을 발표하며 일부 시판하고 있으나, 플렉시블 디스플레이에 응용되기에는 아직 미흡한 수준이다.특히 인듐 가격 상승에 따른 수급불균형 및 자원고갈에 대한 문제는 산업계의 큰 고민이나 국내 대부분의 ITO 연구는 박막 제조공정 및 특성평가에 국한돼 투명전극 소재 자체에 대한 연구는 거의 전무한 실정이어서 핵심소재에 대한 연구활성화가 시급하다고 전문가들은 지적하고 있다.