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  • 기사등록 2014-01-21 16:12:47
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고분자코팅, PV·DP·반도체 등에 필수 기술




■ 기술의 개요

◇ 기술의 정의 및 분류


코팅(Coating)은 좁은 의미에서 기재(Substrate) 표면의 가스층을 특정한 기능을 갖는 용액 또는 기체 상태의 물질을 이용해 변환시키는 과정이라고 정의할 수 있다. 넓은 의미에서는 코팅을 위한 도료 및 장치와 프로세스, 최종 코팅막 등을 모두 포함한다고 할 수 있다.

코팅은 기재위에 구현하고자 하는 용도에 맞는 기능성 코팅막을 적절한 방법으로 형성시키는 기술이다. 최근 디스플레이 산업이나 차세대 에너지 산업, 전자 디바이스 부품으로의 적용이 확대되면서 그 중요성 및 기술 진보성이 해를 거듭하면서 확대되고 있고, 산업 전반으로의 응용도 점차 다양화되고 있다.

코팅은 코팅 물질과 방법에 따라 크게 습식 코팅법(Wet Coating)과 건식 코팅법(Dry Coating)으로 나눌 수 있다. 습식 코팅법은 코팅하고자 하는 물질을 페인트나 페이스트와 같은 액상 형태로 제조하고 다양한 코팅 기구(Tool)를 이용해 도포·건조·경화라는 기본 공정을 거치면서 코팅막을 형성하는 방법을 말한다. 건식 코팅법은 코팅 물질을 강한 에너지를 이용해 증기나 이온 상태로 만든 후 주로 진공 분위기에서 기재위에 코팅막을 형성시키는 방법으로 스퍼터링, 열증착, 전자빔(EB) 증착이 대표적이다.

코팅이란 기재 전면에 도포하는 것이 일반적이지만 필요에 따라서는 코팅막 형성 후 원하는 형상으로 2차 가공해 코팅막에 특정한 형태의 3차원 패턴을 형성시키는 경우도 있고, 원하는 부분만 코팅을 하는 경우도 있다. 넓은 의미의 관점에서 볼 때 인쇄도 코팅의 한 범주로 볼 수 있다.

코팅 기술의 분류는 아래의 표와 같다.

▲ 코팅 기술 분류.

코팅은 사용되는 재료, 코팅 방법 및 형상, 제품의 용도 등에 따라 그 범위가 매우 광범위하기 때문에 본 보고에서는 기술 분류상 고분자 공정 내의 코팅으로 한정해 ‘습식 코팅’을 위주로 기술하고자 한다.

◇ 작동원리 및 적용부품

습식 코팅법으로 제조된 제품은 습식 코팅장치(Wet Coater)라 불리는 설비에서 여러 세부 공정을 거치면서 완성된다. 대부분의 경우 코팅은 필름이나 얇은 금속 박판과 같은 유연한 웹(Web) 형태의 기재위에 롤투롤(Roll-To-Roll) 형태로 진행된다. 코터의 세부 공정을 살펴보면 (1) 기재의 권출(언와인딩, Unwinding) (2) 기재의 표면전처리(Pre-treatment) (3) 코팅(Coating) (4) 건조(Drying) (5) 권취(리와인딩, Rewinding)의 다섯 가지로 구성된다. 필요에 따라 자외선(UV) 경화 및 보호필름 부착과 같은 부가공정이 삽입되는 경우도 있다.

○ 권출 공정

필름 기재를 일정한 장력(Tension)으로 푸는 공정으로 감겨있는 필름 롤의 직경의 변화에 따라 별개로 장력제어가 이루어진다.

○ 표면 전처리 공정

기재 필름과 코팅액과의 부착력이 좋지 않을 경우 코로나 또는 상압플라즈마와 같은 고에너지를 인가해 기재 표면에 반응성이 강한 활성화기를 형성시키거나 모폴로지를 변화시키는 공정이다. 최근에는 기재 필름 제작 시에 전처리를 해오는 경우가 많아 일반적으로 많이 사용되지는 않는다.

○ 코팅

본 기술의 핵심으로 코팅액을 기재 표면에 균일한 두께로 도포하는 것을 말한다. 실제 코팅이 이루어지는 부분을 코팅헤드라 부르며 그라비아 롤 코팅, 슬릿다이 코팅 등 많은 방법이 존재한다.

○ 건조공정

열풍이나 열에너지를 포함하는 적외선을 조사해 코팅된 막 내부의 용제들을 증발시키는 공정인데 용제 성분 및 코팅 조건에 따라 여러 단계의 쳄버를 거치게 된다. 이때 코팅층의 안쪽부터 표면층까지의 용제증발이 단계적으로 돼야 하고, 표면층이 먼저 건조돼 불량을 일으키지 않도록 주의해야 한다.

○ 권취 공정

앞의 ‘권출 공정’과 거의 동일한 기계 구조로 이루어져 있으며 필름에 손상을 입히지 않는 범위 내에서 균일한 장력으로 롤형태로 감는 공정을 말한다.

산업적으로 많이 이용되는 롤투롤 코팅 설비의 개념도 및 공정별 위치는 아래 그림과 같다.

▲ 습식 코터의 구조 및 각 파트별 역할.

■ 기술의 환경변화 및 중요성

◇ 플렉시블 디스플레이 및 태양전지 등에 이용되는 정밀 코팅기술 개발 필요


지난 10여 년 동안 평판디스플레이(FPD, Flat Panel Display) 산업은 급격히 성장해왔다. 이에 따라 여러 종류의 고투명 코팅필름도 광학 성질의 제어 및 기계적 물성의 향상을 추구하면서 기술적 발전을 이루어왔다. 최근 유연 디스플레이와 태양전지 등 차세대 제품의 개발이 산업적·사회적 트렌드로 자리잡으면서 기체·수분 차단성 및 고투과율, 고전하 이동도와 같은 또 다른 기술적 한계를 극복하기 위한 정밀 코팅기술 개발이 요구되고 있다.

◇ 시장의 팽창 및 치열한 기술 선점 경쟁

평판디스플레이 시장은 지속적인 성장이 예상되며, 이차전지 및 태양전지 시장이 확대되면서 세계 코팅필름 시장도 매년 10% 이상 커질 것으로 전망된다. 또한 자기치료 및 바이오 산업으로의 응용 등 차세대 신개념의 응용제품군이 개발되면서 여기에 적합한 초정밀 코팅 기술의 우위를 확보하기 위한 회사별, 국가별 경쟁이 치열하다.

◇ 한국 대표 산업에서의 코팅 기술 중요성 증가

한국의 대표 산업인 디스플레이, 반도체, 이차전지 산업 등에서 코팅 기술의 중요성이 증대하고 있다. 기존에는 새로운 완제품 개발에 있어서 코팅 기술이 하나의 부속된 기술이라 여겨져 왔지만, 최근에는 최종 제품의 특성을 결정하는 핵심 기술로 자리매김하고 있다. 특히, 코팅액 개발, 공정개발 및 기재필름 개발 분야의 종합적인 연구가 중요하다. 이와 함께 에너지 절약형 및 일반 산업용에 응용하기 위한 신소재와 박막공정 개발이 활발해지고 있다.

■ 기술분야별 동향

습식 코팅 기술은 코팅방법 및 공정, 응용 범위 등이 매우 다양하기 때문에 기술 분야 또한 여러 가지로 구분할 수 있다. 일반적으로 코팅이 직접 이루어지는 코팅 기구(Tool)의 형태에 따라 다음과 같이 구분할 수 있다.

▲ 대표적인 전계량 코팅(a)과 후계량 코팅(b) 방식.

◇ 계량 방식에 의한 분류

○ 전계량 코팅(Pre-metered Coating)


코팅액을 기재에 전이시키기 전에 원하는 도공량(도포량)이 되도록 코팅기구에서 코팅액을 사전에 계량한 후, 계량된 양의 도공액을 움직이는 기재에 전이시키는 방법이다. 슬롯 다이(Slot Die) 코팅이나 압출(Extrusion) 코팅, 커튼(Curtain) 코팅, 스프레이(Spray) 코팅 등을 예로 들 수 있다.

○ 후계량 코팅(Post-metered Coating)

코팅 기구에 의해 코팅액을 원하는 도공량 보다 과량으로 기재에 전이시키고, 특정한 계량 도구에 의해 과량의 도포막을 원하는 양으로 감소시키는 방식이며, 블레이드(Blade) 코팅, 콤마(Comma) 코팅, 스퀴즈(Squeeze) 코팅 등이 이에 해당된다.

◇ 코팅 방식에 의한 분류

○ 그라비아 롤 코팅방식(Roll Coating Head)


그라비아 코터는 속도 의존성이 적고, 조작이 간단한 저·중점도의 도공용 코터로서 실리콘이나 점착코팅, 자기미디어 코팅 등 다양한 종류의 수지 도공에 유용하게 사용된다. 습도막(건조되기 전 코팅막) 두께는 수 마이크로(㎛)에서 수십 마이크로(㎛) 정도이다. 그라비아 롤 표면에는 기계적 가공 또는 화학적 에칭 등의 방법으로 특정모양의 미세한 셀이 다수 형성돼 있고, 도포과정에서 코팅액이 미세한 셀(Cell) 용적에 담겨 있다가 나이프에 의해 여분의 액이 제거된 상태에서, 셀(Cell) 안에 남아있는 코팅액만 백업롤과의 압력 또는 모세관 현상에 의해 기재로 전사된다. 전사된 액체는 초기에 셀 모양의 형상을 유지하다가 표면장력으로 인해 곧 평활화 단계를 거쳐 균일한 코팅 도막을 형성하게 된다.

▲ 대표적인 그라비아 롤의 표면 셀 (Cell) 형상.

그라비아 코팅은 도공두께 및 점도에 따라 그라비아 롤을 교환해 사용해야 하며 그렇지 않을 경우 코팅 표면이 거칠어지고, 백업롤의 표면 러버층에도 코팅 특성이 영향을 많이 받는다는 단점이 있다.

그라비아롤의 회전방향과 기재의 회전 방향이 동일한 경우를 다이렉트(Direct) 그라비아 코팅이라 하고, 그라비아롤이 기재 방향과 역으로 회전하는 경우를 리버스(Reverse) 그라비아 코팅이라 한다. 리버스 회전의 경우 전단력을 이용해 코팅액이 전사되는 이유로 비교적 매끈한 코팅막 형성이 가능하다. 도포량은 그라비아 셀의 크기 및 기재의 종류, 점도, 주행 속도와 관련이 있고, 그라비아 셀은 형상에 따라 피라미드형·격자형·사선형 등이 사용된다.

▲ 다이렉트(Direct) 그라비아롤, 리버스(Reverse) 그라비아롤.

○ 마이크로 그라비아롤 코팅방식(Roll Coating Head)

마이크로 그라비아 롤 코팅 방식은 코팅롤 표면에 특정한 용적을 갖는 셀이 형성돼 전사시키는 방식이다. 일반 그라비아 코팅방식과는 원리적으로 같지만, 코팅롤 직경이 30~60mm 정도로 작고, 백업롤이 없는 상태에서 텐션을 가진 기재 필름이 롤 회전방향과 반대방향으로 롤 표면을 가볍게 접촉하는 방식으로 통과하면서 코팅이 되는 특징을 갖는다. 도공량은 기재필름의 장력과 입사각도, 마이크로 그라비아의 롤러 직경, 기재필름과 롤의 속도차이, 수지특성 등과 관계있다.

코팅은 전단변형의 형태(Shearing Manner)로 이루어지고, 롤 직경이 작은 이유로 기재필름의 입사각과 출사각이 작게돼 코팅 비드에서의 난류 (Turbulent Flow) 문제를 최소화할 수 있다. 특히 백업롤이 없는 상태에서 코팅이 되기 때문에 Nip Flow(코팅롤과 닙롤 사이에서 강한 전단응력을 받는 용액 흐름)에 의한 용액이 튀는 불량을 줄일 수 있는 장점이 있다. 이런 장점들로 인해 마이크로 그라비아는 최근 디스플레이나 전자 부품용 코팅방법으로 세계적으로 많이 사용되고 있으며 특히 반사방지필름이나 하드코팅필름, 광확산 필름 등에 폭넓게 사용되고 있다.

▲ 마이크로 그라비아 코팅 방식의 개념도.


韓 DP·반도체·이차전지 강국, 코팅 기술은 상당부문 해외 의존

무결점 고팅·기능성 나노 필름·박막 코팅 기술 개발 경쟁 치열



○ 슬롯다이 코팅 방식(Slot Die Coating)

슬롯다이 코팅의 원리는 도공액을 가압해 슬롯다이(Die, Slot Orifice)를 통과시키고 기재의 폭방향으로 균일하게 밀어내 직접 도포하는 방식으로서 최근 습식코팅에서 가장 많이 사용되고 있는 코팅기구(Tool)이다. 다이 끝단부를 립(Lip)이라 하며, 이 립부분과 기재 사이에 코팅이 이루이지는 공간에 비드(Bead)라고 불리는 코팅액부가 형성되는데, 이 비드의 안정성이 코팅 품질을 결정한다고 볼 수 있다. 따라서 립(Lip)의 선단부 설계 및 기계 가공 정밀도가 특히 중요하다.

슬롯다이 코팅의 장점은 공기와 접촉하지 않아 점도변화가 없고, 밀폐 시스템으로서 외부로부터의 이물혼입이 없으며, 용제의 증발 방지에 따른 액변성과 도공액의 손실(Loss)이 적다는 점이다. 또한 저점도부터 고점도의 다양한 유변 특성을 갖는 코팅액을 도포할 수 있다는 점도 유리하다.

슬롯다이 코팅은 크게 백업롤이 없는 텐션 웹(Tension Web) 방식의 다이코팅과 백업롤이 있는 일반 압출형(Extrusion Type) 다이코팅으로 나눌 수 있다. 일반적으로 많이 사용되는 압출형 다이코팅은 습식(Wet) 상태의 도포막 두께가 보통 립(Lip) 사이의 간격인 슬릿 갭(Gap)의 1/2 ~3/4 정도이다. 통상 박막 코팅의 한계를 가지고 있지만 슬릿 갭을 줄이지 않고도 하류쪽 슬릿의 하단부에 감압을 걸어줌으로써 슬릿 갭의 1/10 정도의 박막을 균일하게 형성시키는 것이 가능하다.

▲ 백업롤 방식과 텐션 웹 방식의 슬롯다이 코팅의 개념도.

▲ 백업롤 방식 슬롯다이 코팅 헤드.

▲ 콤마코팅의 원리를 이용한 립(Lib) 코팅 장치.

예를 들어 슬릿 갭이 100㎛ 일 경우 보통 수십㎛ 정도의 wet 코팅층이 형성되지만, 감압 방식을 사용하면 10㎛ 이하의 습도막으로 코팅하는 것도 가능하다. 실제 코팅에 있어서는 막두께, 도포액물성(주로 점도 및 표면장력), 코팅 속도에 대응해 슬릿 갭과 감압도를 변화시키면서 안정하게 도포가 가능한 조건을 찾아내는 것이 중요하다. 이와는 별도로 다이 내부의 유로 부분과 캐비티(Cavity) 부분, 립(Lip) 부분의 기계적 가공 정밀도도 매우 중요할 뿐만 아니라 백업롤의 기계 정밀도도 코팅의 외관 품질에 크게 영향을 미치게 된다.

백업롤이 없는(Back Up Roll Less) 텐션 웹 방식은 기재의 장력과 도료의 압력 균형(Balance)을 이용해 코팅을 하게 된다. 이 방식은 계산과 실험에 의한 노하우가 많이 필요한 시스템으로서 장애 요인이 많다. 특히 이 시스템에서는 립(Lip)선단부의 형상 설계가 매우 중요하며 사용되는 점도 특성에 맞는 선단 형상이 필수라 할 수 있다.

○ 기타 코팅 방식

가장 많이 사용되는 상기 3가지 방식 외에 3롤 리버스 코팅이나 메이어바 코팅, 콤마 코팅 등이 현업에서 사용되고 있다. 특히 콤마 코팅은 점도가 높은 점착, 접착용 도공액에 적합해 산업용으로 많이 이용되고 있다. 또한 장비 메이커에서 이런 코팅 방식의 원리를 적용한 새로운 응용 코팅기구(Tool)를 개발해 코팅에 적용하고 있는데 콤마 코팅의 원리를 이용한 립(Lib) 코팅 헤드나 메이어바를 발전시킨 나노와이어 바 코팅 등이 주요 예이다.

■ 기술개발의 주요이슈

◇ 무결점 클린 코팅


평판디스플레이에 기능성 코팅필름이 다수 채용되면서 코팅 본연의 기능은 물론이고, 광학적 성질 및 외관 품질이 매우 중요한 항목으로 관리되고 있다. 또한 반도체 및 에너지 관련 필름 소재를 포함한 제반 IT 관련 기능성 코팅 필름의 경우에는 코팅층의 작은 결점이 최종 완제품의 성능에 크게 영향을 미치는 경우가 많기 때문에 기재층을 포함한 코팅필름 전반에 걸쳐 무결점을 추구하기 위해 많은 기술이 동원되고 있다.

코팅에서 나올 수 있는 결점은 매우 많지만, 크게 나누어 코팅 직후에 나타나는 불량(레벨링 불량, 버나드셀, 크레이터, 색얼룩, Fish Eye, 백화현상 등)과 건조 불량(수축 및 침하 불량 등), 경화 불량(갈라짐, 부착력 약화, 크랙 등)으로 구분할 수 있다. 이 외에 대기 중에 포함된 먼지와 같은 이물 등에 기인한 불량 및 코팅 헤드부를 포함한 코팅 장비의 기계적 결함에 의한 불량이 있을 수 있으며, 안료 등이 포함된 코팅액을 제조할 때 미분산에 의한 응집 결함 등도 발생할 수 있다.

디스플레이를 포함한 광학용 코팅에서 이와 같은 불량을 최대한 제거해 적어도 상기의 결함이 육안으로 식별되지 않는 수준으로 코팅 제품을 제조하기 위해 클린룸과 같은 고청정 코팅환경 및 고정밀 코팅설비, 포뮬레이션(Formulation) 기술 및 공정 기술, 분석 기술 등이 복합적으로 요구되고 있다.

◇ 기능성 나노필름 및 박막코팅

기능성 나노필름은 좁은 의미에서 베이스 필름 위에 기능성 코팅층이 서브 마이크론 수준(수십~수백 나노미터)의 초박막으로 형성된 필름이다. 최근 반사방지 코팅이나 전도성 코팅, 광변조 필름 및 오염방지 코팅, 내지문 코팅, 에너지 변환 필름, 베리어 코팅 등에 응용하고자 활발한 기술개발이 시도되고 있다.

이를 위해 나노 스케일 수준의 무기소재 합성 및 배합과 분산기술은 물론이고, 이런 코팅액을 기재필름 위에 나노 스케일로 균일하게 코팅시킬 수 있는 고정밀 박막코팅 기술이 필히 요구된다. 또한 산업적으로 응용되기 위해서는 상기 기술에 덧붙여 양면, 다층 코팅 기술 등은 물론이고, 빠른 생산속도가 필요하며, 공정기술은 물론 설비의 기계적 정밀도가 한층 더 높아져야 한다.

기능성 나노필름은 기존의 반사방지 필름 외에는 단기적으로 소규모의 다품종 응용 산업군을 형성할 것으로 예상된다. 장기적으로는 전 산업군에 요구되는 고기능성, 스마트화, 그린화의 추세에 따라 다양한 분야에서 기존의 범용 코팅 및 필름 시장을 대체할 것으로 전망되며, 드라이 코팅법 또는 나노 패터닝과 융합돼 새로운 시장을 창출할 수 있을 것으로 기대된다.

▲ 박막 코팅의 여러 가지 예 (방수코팅, 반사방지코팅).

■ 코팅산업의 국제 동향

평판디스플레이 산업 분야에서 아시아권 회사가 개발 및 제조 역량면에서 글로벌 리더가 되고 있고, 태양전지, 리튬이온 전지 등도 비슷한 상황을 맞이하면서 이들과 관련한 정밀 코팅 산업 분야는 아시아로 급속히 이전되고 있다. 일본·미국·유럽 등 코팅 선진국은 바이오 칩이나 연료전지, 나노코팅 제품에서 활발한 연구 개발을 진행하고 있다.

■ 국가별 동향-미국

◇ 연구개발 현황


미국은 1980년대부터 학교나 연구소의 학문적인 역량을 산업계에 진입시키는 정책을 채택했고, 학계는 산업계에서 필요한 코팅 기술 혁신을 위해 기본적인 이론을 개발하기 시작했다. 현재의 높은 기술력은 학계의 연구 성과가 산학 협력을 통해 산업계로 제공되는 선순환을 통해 확보된 것으로 화학 산업계의 제품 개발에 사용되는 코팅 이론들은 주로 미국에서 연구돼왔다.

특히 미네소타 주립대학의 'Chemical Engineering & Materials Science Department'는 1970년대 후반부터 세계적으로 코팅 연구 그룹에 가장 큰 영향을 미쳐왔으며 CIE (Center for Interfacial Engineering as one of Very Successful NSF Ssponsored Engineering Research Centers in US) 설립 및 IPrime (Industrial Partnership in Research of Interfacial and Materials Engineering)으로의 전환에 지대한 공헌을 했다. 고(故) L.E. Scriven 교수의 지휘 아래 다양한 코팅 공정 기초 프로그램들이 만들어졌고, 20년 이상 컨소시엄 형태의 프로그램들이 진행되고 있다.

산업계의 경우, 디스플레이용 코팅 분야에서는 3M을 중심으로한 LCD 분야에서 휘도향상을 위해 필수적으로 들어가는 프리즘 필름을 위시한 각종 광학용 필름 코팅 기술을 수십년 전부터 개발 및 개량해왔고, 지금까지도 독점적 시장 장악력을 유지하고 있다. 이런 광학용 필름용 코팅 기술을 이용해 LCD 외에, 코팅 타잎의 유기 EL과 같은 새로운 포맷(Format)이 상업적 이용에 근접할 수 있도록 많은 연구 개발이 시도되고 있다. 디스플레이용 코팅 외에 은나노를 이용한 투명 도전 필름 개발이나 코팅 표면의 흠집을 스스로 치유해 부식을 방지할 수 있는 자기 부식 방지용 코팅 등 새로운 개념의 코팅 기술이 개발되고 있으며, 궁극적으로 차세대 히트 상품을 개발하고자 하는 시도가 다양하게 이루어지고 있다.

◇ 주요 연구기관

미국에서 코팅관련 커뮤니티로서는 ISCST(International Society of Coating Science & Technology)가 대표적이며, 필름 습식 코팅과 이와 관련한 최신 공정현상 분야에서 격년으로 심포지엄 및 포럼을 개최하고 있다. ISCST는 특히 산업계와 학계의 연구 개발자들이 서로 네트워크를 형성하고 정보를 교류할 수 있는 장소 및 습식 코팅 공정, 건조, 경화 공정 등에 대한 최신 기술 동향을 토의할 수 있는 기회를 제공하고 있다. 주요 연구 기관은 아래와 같다.

이 외에 페이퍼 코팅에 중점을 둔 TAPPIy(Technical Association of Pulp & Paper Industry)와 상용 코팅에 중점을 둔 AIMCAL(Association of Industrial Metallizers, Coaters & Laminators) 등도 주요 커뮤니티로 활약하고 있다.

▲ 미국의 주요 연구 기관.

■ 국가별 동향-일본

◇ 연구개발 현황


일본 제조업 분야에서 부가가치의 원천은 후방에서 이를 떠받치고 있는 핵심 부품 또는 핵심 소재업체들의 혁신적인 기술력이라고 할 수 있다. 구미 선진국에 비해 사업화 역사가 상대적으로 짧고 기업 규모도 상대적으로 작았던 일본은 초기부터 틈새 시장인 응용소재 부문으로의 특화와 집중이란 전략으로 1980년대부터 강력한 경쟁력을 확보하게 됐다. 특히 자기 미디어 산업 및 디스플레이 산업의 발전과 함께 여기에 사용되는 핵심 기술인 폴리에스터 필름 코팅 분야에서 세계 일류 수준의 기술을 확보하게 됐고, 평판디스플레이로의 급격한 전환 및 시장의 급성장과 더불어 단순한 코팅 기술뿐만 아니라 기재 및 소재기술, 공정기술, 기계 설계 및 제작 기술까지 광범위한 범위에서 요소기술을 확보하게 됐다.

평판디스플레이와 관련된 기능성 필름 기술이 한국 등의 추격을 받으면서 최근 일본은 기술 장벽이 한단계 더 높은 위상차 필름이나 반사방지 필름, 광학용 투명접착필름(OCA) 등의 고기능 필름과 함께 3D 디스플레이에 사용되는 광학용 원평광 필름 등의 분야에 진보된 기술을 접목시키고 있다. 이와는 별도로 차세대 전지와 관련된 시장이 급격이 커지면서 이와 관련된 필름 개발에도 적극적이며, 태양전지용 봉지필름과 백시트, 리튬이온전지용 이형필름 등의 분야에도 학교와 기업, 연구소, 전문 컨설팅 그룹 등이 유기적으로 연계해 활발한 연구 개발을 수행하고 있다.

◇ 주요 연구기관

일본에서 코팅 관련 대표적 커뮤니티는 CRA(Coaing Research Association)로서 1985년에 설립돼 코팅 프로세스의 전문화에 기여하고 있다. 주요 연구기관은 아래의 표와 같다.

■ 국가별 동향-EU

◇ 연구개발 현황


유럽에서 습식 코팅 분야의 연구는 주로 독일과 영국을 중심으로 진행되고 있다. 평판디스플레이와 같은 정밀 코팅 분야에서 아시아권에 주도권을 내준 유럽은 에너지 분야 및 철강, 목재 코팅과 같은 산업 분야 및 차세대 틈새시장을 고려한 감열코팅, 반사방지 코팅, 자기치료 코팅 등 스마트 코팅 분야에 주력하는 모습이다. 특히 습식 코팅에 사용되는 무기 입자가 분산된 재료나 특수 첨가재 등 코팅액에 대한 연구가 많이 이루어지고 있고 사업화도 활발하다. 독일의 BASF 나 BYK 등에서 코팅용 도료 및 첨가제 부문에서 다양한 제품을 개발, 생산하고 있으며, 국내에도 많이 알려져 있다. 이 외에 Byer 등에서도 코팅 관련된 소재를 다양하게 취급하고 있고, 성능이 향상된 소재 부문의 사업을 확장하는 동시에 연구 개발 기능도 강화시키고 있다.

연구개발을 위한 주요 심포지움으로는 미국의 ISCST와 긴밀한 협력 관계에 있는 ECS(European Coating Symposium)가 있다. 코팅과 관련된 기본 과학과 응용 연구 분야의 최근 동향 및 기술'에 대해 심포지움을 ISCST와 매년 번갈아가면서 개최하고 있다. 2011년에는 핀란드의 Turku에서 6월에 3일간의 일정으로 개최됐고, 2013년에는 벨기에의 몽스 대학(University of Mons)에서 개최될 예정이다.

▲ 유럽의 주요 연구 기관.


기능성 고분자 필름 세계 시장 규모 올해 35조원

韓, 원천기술 개발 위한 코팅 전문 커뮤니티 결성 必



■ 국가별 동향-한국

◇ 연구개발 현황


한국은 디스플레이 산업에서 세계 최고 수준의 생산능력과 브랜드 명성을 가지고 있지만 핵심 부품 중 하나인 광학용 코팅 필름 분야에서는 아직도 세계 최고 수준대비 큰 격차를 가진다.

1980년대 말부터 오디오, 비디오 테이프 등 자기 미디어를 중심으로 한 산업에서 본격적인 코팅 필름의 국산화가 이루어지면서 한국에서도 정밀 코팅 분야의 연구 개발이 시작됐다고 볼 수 있다. 2000년 초반부터 평판디스플레이 산업 분야에서 국내 대기업들의 대규모 투자가 이루어지면서 관련된 코팅 필름 분야의 개발이 활발해지고, 코팅 분야에 참여하는 기업도 중소기업부터 대기업까지 다양해 졌다. 여러 종류의 광학 필름들이 국산화 되면서 편광필름, 광확산필름 등 일부 제품에서는 선진국 대비 경쟁력이 높아지는 경우도 나타나게 됐다. 하지만 대부분의 코팅제품 분야에서 아직은 선긴 기술의 모방 수준에 그치는 경우가 많고, 기술 격차가 있는 고기능 광학코팅의 경우에는 국내 생산이 불가해 아직도 대부분 수입에 의존하고 있다.

최근 차세대 아이템으로 급성장하고 있는 플렉시블 디스플레이나 에너지 분야에서의 필름, 여기에 들어가는 코팅 관련 기술에 국내 기업 및 연구계의 관심이 높아지고 있다.

코팅에 있어서의 국내 연구개발은 주로 해당 기업이 별도의 연구소나 개발 센터를 운영하면서 세트 메이커와의 독자적인 협력을 통해 이루어지는 경우가 많았으며, 학교나 전문 연구 기관에서의 연구는 상대적으로 취약했다고 볼 수 있다.

최근 산업계의 요구가 늘어나면서 정밀 코팅 및 소재 분야에서의 연구개발도 확대되고 있고, 산학 간 협력 또한 증가 추세에 있다. 또한 정부도 WPM(World Premium Material) 사업이나 20대 핵심 부품 지원 사업 등을 통해 코팅 기술에 대해 연구개발 투자를 강화하고 있다. 특히 지경부는 '소재종합센터 구축사업'의 일환으로 2010년 하반기부터 '화학소재종합센터 구축사업(한국화학연구원 소재)'을 추진하고 있다. 이 사업은 코팅 분야를 핵심공정으로 하는 테스트베드(Test Bed)를 구축하는 사업으로 코팅을 위한 청정 환경구축과 더불어 각종 파일롯 규모의 코팅장비 및 평가, 분석 장비들을 도입한다. 2011년 하반기에 전용건물 및 클린룸을 완공했고, 다양한 기능을 갖는 정밀 습식코팅 설비를 도입해 셋업을 완료했다. 향후 2년간에 걸쳐 롤투롤 필름 스퍼터링과 같은 드라이코팅과 각종 패턴코팅 분야에서의 최첨단 코팅 장비들을 도입해 국내 관심 기업들의 소재 및 공정 개발을 지원하는 한편, 그동안 미비했던 국내 코팅관련 전문 인력들의 네트워크를 연결시키는데 선도적인 역할을 할 예정이다.

▲ 한국의 주요 연구 기관.

◇ 기술수준격차

한국의 코팅 기술은 최근 10여 년 간 많은 발전을 이루었으며 평판디스플레이 분야에서는 일부분이지만 세계적인 반열에 올라가 있는 코팅 품목들도 있다. 수치상으로 정확히 표현하긴 어렵지만, 필자의 견해로는 습식 코팅 전반에 걸친 한국의 기술 수준은 선진국 대비 80% 수준이다. 주요 분야별 기술경쟁력 현황은 다음의 표와 같다.

▲ 습식 코팅기술 - 기술격차 및 기술수준.

■ 국내외 주요기업의 생산활동

평판디스플레이 분야의 고기능 필름용 코팅은 일본 업체가 선점해 오랫동안 과점 상태를 이루고 있으나 근래 들어 한국·대만·중국 등의 추격이 빨라지면서 점차 시장 점유율이 낮아지고 있는 추세이다. 대표적인 예로 편광필름을 들 수 있으며, 일본의 4대 메이커(니또덴코, 스미토모화학, 산리츠, 폴라테크노)의 시장 점유율을 2007년에 60% 정도였던 것이 2010년에는 50%까지 축소된 예가 있고 앞으로도 이러한 추세가 계속될 것으로 전망된다. 편광필름 메이커로서 후발 주자인 LG화학은 10년 이상 많은 시행착오를 거치면서 기술개발에 주력한 결과 세계 최대의 메이커로 발돋움했고, 이외에 최근 제일모직으로 인수합병된 에이스디지텍도 같은 그룹사인 삼성전자를 타겟으로 시장 점유율을 확대하고 있다.

반사 방지필름은 LCD용으로 주로 공급하는 대일본인쇄(DNP)와 토판인쇄, 일본제지를 비롯해 니토덴코, 일본유지, 아사히케미컬 등이 대부분 생산하고 있다. 한국에서는 LG화학과 제일모직, SKCHaas 등에서 각 사에서 사용하는 부품을 제작할 목적으로 일부 생산을 진행 중이다.

LCD의 주요 필름인 위상차 필름 및 시야각 확대 필름의 경우에는 아직 일본의 독주가 지속되고 있고, 특히 이 분야의 선두 개발업체인 후지필름의 경우 지금도 시장 점유율이 50%가 넘는 등 과점 체제를 유지하고 있다. 국내 업체로서는 이분야로의 기술적 진입 장벽이 여전히 높다.

이 외에 여러 종류의 코팅필름이 사용되고 있지만, LCD 백라이트 부분에서의 휘도 향상을 위한 필름 코팅의 경우 초기 개발업체인 미국 3M에서 ‘DBEF' 시리즈를 기반으로 여전히 과점 상태를 유지하고 있고 한국·대만 등이 그 뒤를 따르고 있다. 또한 확산필름, 마이크로렌즈필름, 반사판, 도광판 등의 백라이트용 필름코팅에서는 한국 업체의 활약이 두드러지고 있고, 대만 및 중국 등의 몇몇 업체에서 맹렬히 추격을 하는 형세이다. 이 분야에서 국내의 대표적인 코팅 메이커로는 SKCHaas, 신화인터텍, 미래나노텍, 상보화학, LG전자, 코오롱, 코이즈 등이 있다.

최근, 디스플레이의 박형화, 저가격화가 점점 가속화되면서 여기에 사용되는 부품들도 그에 따른 발전을 거듭하고 있다. 특히 기존에 2, 3장 들어는 코팅 필름의 기능을 필름 1장에 모두 구현하기 위한 복합 필름 개발이 주요한 화두이다. 이에 따라 광학 설계 기술 향상 및 수율 향상을 위해 공정 기술 혁신부문에서의 회사간 경쟁이 점점 치열해지고 있다. 또한 스마트폰과 같은 소형 디스플레이에 터치패널의 적용이 늘면서 여기에 들어가는 투명전도성 필름 및 투명점착테이프의 개발 및 생산을 위해 많은 업체들이 준비 중이다.

투명도전 필름은 아직 스퍼터링을 이용한 ITO 필름이 대세이지만 카본나노소재나 전도성 고분자를 주재료로 하고, 습식코팅 공정을 사용한 제품을 다양한 업체에서 개발 중이다. 일본의 데이진듀폰필름과 데이진화성, 스미토모 등이 개발 및 일부 생산을 하고 있고, 국내에서는 상보화학, 탑나노시스, SKC 등을 위시한 여러 기업에서 ITO 필름을 대체할 수 있는 기술을 개발하고 있다.

습식코팅 분야에서 코팅 공정 및 코팅액 제조 기술 못지않게 중요한 부분이 바로 기재(Substrate) 필름이라 할 수 있다. 일본의 경우 광학용 코팅에 사용되는 광학용 PET(폴리에스터) 필름 및 TAC(Tri Acetate Cellulose)필름, 광학용 폴리올레핀 필름 산업이 잘 발달됐다. PET 필름의 경우 데이진 듀폰필름, 도레이, 미쓰비시수지, 도요보가 대표적 기업이며, TAC 필름은 후지필름 및 코니카미놀타에서 대부분의 세계 시장을 차지하고 있다. 국내에서는 광학용 PET가 SKC나 코오롱 등에서 생산되고 있지만, 품질 안정성 면에서 일류제품에 비해 다소 미흡하나 지속적인 노력으로 품질 격차는 줄어드는 추세이다. 이 외에 TAC 필름 등 다른 광학용 기재필름을 생산하기 위한 노력도 몇몇 대기업을 통해 추진되고 있다.
코팅 필름 분야에서 분야별 수요 비중은 평판디스플레이 관련 분야가 단연 우세하지만 최근 태양전지용 코팅 필름을 비롯한 리튬이온배터리(LiB)의 수요가 늘어나면서 이에 대한 관심이 높다. 특히 태양전지용 백시트에 주로 사용되는 불소필름과 같은 고가의 고분자 필름이 갖는 물성을 습식코팅을 이용해 저가로 구현하기 위한 시도가 활발하다.

▲ 코팅공정기술 - 국내외 주요 기업의 생산활동 .

■ 시장규모 및 전망

코팅을 위주로한 기능성 고분자 필름의 세계 시장 규모는 2010년을 기준으로 37조원 정도이며, 이중 평판디스플레이에 들어가는 필름의 비중이 67% 정도로 약 25조원 규모이다. 다음으로 높은 비중을 차지하고 있는 분야가 태양전지 및 리튬이온배터리를 포함한 에너지용으로 현재 5조원 규모의 시장을 형성하고 있는 것으로 추정된다.

분야별 기능성 필름의 세계 시장 규모는 아래의 표와 같다.

▲ 기능성 고분자필름의 세계 시장 규모(판매금액 단위 : 10억엔).

표에서 보는 바와 같이 2008년도에는 세계 금융위기로 인해 성장세가 다소 주춤했지만 에너지 관련 분야(태양전지)는 20% 이상의 상승세를 이어가고 있고, 향후 4년 동안에도 금액 측면에서 매년 20.5% 이상의 성장률을 기록할 것으로 예상되는 등 에너지 관련 시장의 성장이 단연 돋보이고 있다.

■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방향

◇ 미래의 연구방향

○ 융합화(Convergence)


그동안 각 산업 분야에서 습식코팅, 진공코팅, 인쇄전자 등으로 발전을 거듭해온 코팅 기술은 향후 새로운 용도 개발과 상호간의 단점을 보완하기 위해 다양한 코팅 기술을 융합하려는 시도가 커질 것으로 예상된다. 플라스틱 필름 기판에 필수적으로 요구되는 수분·기체 차단 특성 부여를 위한 배리어 코팅을 위해 PVD(물리적 기상 증착), CVD(화학기상증착) 등 진공 코팅과 습식 박막코팅 기술을 함께 적용하려는 시도와 새로운 전도성 필름을 위한 다양한 코팅 방식의 도입 등이 대표적인 예라 할 수 있다. 이런 플라스틱 기판은 플렉시블 디스플레이라는 꿈의 디스플레이와 함께, 플렉시블 태양전지 등의 핵심 부품으로 사용될 수 있고, 이를 응용해 지금과는 전혀 다른 새로운 제품의 출현도 가능해질 것으로 예상된다.

○ 복합화 / 박막화

모든 산업 제품들의 가격 경쟁이 치열해지면서 사용되는 기능성 코팅 필름의 종류를 줄이려는 시도가 지속될 것이고, 여러 종류의 기능성 필름을 하나의 기재 위에 복합할 수 있는 방향으로 연구가 지속될 것으로 예상된다. 특히 LCD 백라이트나 PDP 등의 대형 평판 TV와 보다 끊임없이 박형화를 요구하는 모바일 디스플레이에 사용되는 코팅 필름에서 이와 같은 추세가 두드러질 것으로 전망된다.

○ 스마트 코팅 / 나노코팅

최근 코팅 산업계에서는 스마트 코팅과 나노코팅 분야가 주목받고 있다. 스마트 코팅은 아직 그 정의가 명확하지는 않지만 'Self-cleaning', 'Self-organizing', Anti-micro Bacterial', 'Self-repair' 등의 신기능을 위한 새로운 코팅 분야를 의미한다. 스마트 코팅은 코팅 선진국(일본, 미국, 유럽)에서 소재 및 공정 연구를 포함한 코팅 분야의 새로운 연구 트렌드로 자리를 잡아가고 있다.

나노코팅은 나노미터 수준의 초박막 층을 단층 또는 다층으로 균일하게 형성시킬 수 있는 기술로서 나노 스케일의 유·무기 입자의 혼합을 통한 새로운 코팅액의 개발과 함께 신규 광학 필름으로의 전개 및 초발수 코팅과 같은 스마트 코팅으로의 응용도 시도되고 있다. 주요 국가에서 추진 중인 나노기술 전략과 더불어 향후 더욱 많은 연구가 시도될 것으로 예상된다.

◇ 국내 산업이 나아갈 방향

다소 늦은 감이 있지만 국내에서도 코팅을 위한 전문 커뮤니티의 결성이 시급하다. 이 커뮤니티는 새로운 원천 기술 개발을 위한 산·학·연 협력 및 정보 교류의 장으로 활용돼야 한다. 또한 실험실 수준에서의 개발이 아니라 실증화 단계까지 기술을 개발해 산업계에 공급할 수 있는 안정된 시스템 구축과 더불어 산·학·연·관의 보다 적극적인 역할분담과 협력이 필요하다.

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