Update2025.05.05 (월)
고온에서 견디는 고분자 필름 소재
■ 파급 효과
1) 기술적 효과
지금까지 살펴본 봐와 같이 최근에 디스플레이를 비롯한 첨단산업에서 요구되는 고분자 필름은 단일 기능이나 성능이 아니라 고도의 정밀․복합기능성 필름이 다. 필름에서 정밀․복합기능을 부여하기 위해서는 필름의 제막, 후처리 및 변환단계에서 뿐만 아니라 필름용 고분자소재의 합성 단계에서부터 필요한 기술이 총체적으로 확보되어야 하며 이러한 원칙은 내열․고내열 고분자 필름의 경우에서도 마찬가지다. 즉, 디스플레이 분야에서 사용되는 광학필름의 경우에는 매우 복잡한 후처리 및 변환기술이 필요로 한다.
현재 국내의 전반적인 기술수준은 고분자소재의 합성 및 필름제막 기술은 선진국과 대등한 수준으로 평가되고 있다. 그러나 후처리 및 변환기술은 아직까지 선진국 특히 일본에 비해서는 상당히 취약한 것으로 판단된다. 그런데 고내열․고투명․초 barrier성․초저 CTE 필름 관련 제반기술이 확보된다면 고내열․고투명 필름용 고분자의 창출은 물론 관련 제막기술과 함께 barrier 특성 향상기술을 모두 확보하는 것을 의미하며 세계를 선도해 나갈 수 있게 된다.
2) 사회경제적 효과
높은 온도에서 사용되는 고분자 필름은 전기전자․반도체․디스플레이․항공우주․자동차․태양전지 등 국가주력산업 및 전략산업의 핵심소재로써 활용되고 있다. 특히 디스플레이 산업(TV, monitor, 휴대폰 등)은 우리나라가 세계를 선도하는 대표적인 산업인데 향후에는 플렉시블 LCD나 OLED로 전개 될 것이 틀림없다. 그런데 플렉시블 LCD나 OLED 산업의 창출 여부는 곧바로 가장 핵심소재인 고내열․고투명․저 CTE․초 barrier성 필름 관련 기술의 개발 및 실용화 여부에 따라 좌우된다. 따라서 이들 고내열 고분자 필름, 특히 고내열․고투명․저 CTE․초저 수분 및 기체 차단성 필름의 사회경제적 파급 효과는 막대하다고 할 수 있다.
2) 시장창출 효과
범용 EP계 내열 고분자 필름의 현재 및 향후 세계시장 전망을 다음의 표에 정리하였다. 2011년도 세계시장 규모는 $18,758백만 정도인데 2015년에는 $24,362백만으로 증가할 것으로 예측된다. 즉, 2011년 대비 약 30% 수요가 늘어날 것으로 전망된다.
국내의 범용EP계 내열 고분자 필름의 시장규모는 2011년도 기준으로 약 $1,300백만달러 정도로 추정된다. (나일론 필름 생산 : 27,000톤/년, $307백만달러 포함)
슈퍼 EP계 내열 고분자 필름의 세계 시장 전망을 다음의 표에 정리하였다. 2011년도 고내열 고분자 필름의 수요는 $612백만달러로서 미미한 편이지만 2015년에는 $705백만달러로 전망된다.
아직까지 관련기술이 개발․상용화 되지 않고 있는 유연 디스플레이용 기판소재용 고내열․고투명 필름의 시장규모는 정확하게 예측하기가 어렵고 또한 어떤 소재가 최종적으로 선정 될지도 미지수이다. 또한 유연 디스플레이에 대한 시장전망도 조사기관에 따라 차이가 크다. 그러나 가장 공신력이 있는 Display Bank 자료에 의하면 2012년도에는 100Mpcs($1억달러) 규모에서 2020년에는 전체 display 수요의 약 15%인 920Mpcs($410억달러)에 이를 것으로 전망된다. 이 중에서 가장 핵심인 기판소재용 고내열․고투명 필름의 비중을 10%로 가정하면 2020년에는 약 ($41억달러)에 이를 것으로 추정된다.
■ 해외 동향
■ 연구개발 현황
1) 범용 EP계 내열 고분자 필름
범용 EP계 고내열 고분자 필름을 가장 활발하게 연구 개발하는 국가는 일본이다. 다음의 표에는 일본을 중심으로 한 외국의 범용 EP계 내열고분자 필름의 연구개발 동향에 대해서 정리하였다.
범용 EP계 내열 고분자 필름은 다양한 용도에서 사용되고 있기 때문에 각각의 용도에 맞는 성능과 기능을 부여하기 위한 필름 제막용 고분자 소재 자체의 개질이나 필름 제막과정 또는 제막 이후 후가공 기술이 필요한 경우가 대부분이다. 그리고 범용 EP계 내열 고분자 필름의 중점 연구개발 방향은 기존 제품의 성능을 up-grade 하여 광학용 또는 디스플레이용 등 IT 용으로의 새로운 용도에 적용하려는 시도가 대부분이기 때문에 국내외를 불문하고 대동소이하기 때문에 별도로 구분하지 않고 함께 기술한다. 다만 국내에서는 나일론․PET․ PEN․PVDF 필름 등만 극히 일부만 생산되고 있는데 향후 상당기간 동안 다른 범용 EP계 내열 고분자 필름들은 국내수요가 미미하여 생산이 진행 될 것으로는 기대하기 어렵다.
국내에서도 SKC․Kolon․도레이첨단소재 등에서 대량생산 되고 있는 PET 필름의 연구개발은 가장 큰 용도 분야인 식품포장용 보다는 고부가가치의 광학용에 치중되어 있다. 광학용 PET 필름에서는 반사방지를 위한 불소수지 coating, 광확산 필름을 위한 PMMA 미립자 코팅, 공정 Carrier tape를 위한 실리콘 코팅 등의 후가공 기술이 활발하게 연구되고 있다. PET 필름의 새로운 용도분야로는 태양전지 back sheet 인데 지금까지는 고가의 불소계 고분자 필름이 주로 사용되어 왔는데 이를 대체하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
PET의 부족한 내열성을 개선한 수지가 PEN [poly(ethylene-naphthalate)] 수지이며 PEN 필름은 국내에서도 SKC(주)에서 생산되고 있다. PEN 필름은 태양전지의 back sheet 용도가 주된 연구개발 대상이지만 플렉시블 LCD나 OLED의 기판소재로서의 가능성도 있다. 현재는 투명도 개선, 저가격화, LED 기판의 광효율 향상을 위한 white resist 코팅기술 등에 대해 연구가 활발히 진행되고 있다.
국내에서는 생산되고 있지 않는 COP의 경우에서도 LCD 위상차 필름용도에서는 TAC 필름과 경합으로 수요가 혼조 현상을 보이고 있기 때문에 touch panel 용 필름, 유리대체 필름기판, 유기 EL용 필름 등 새로운 용도 개발을 위해 활발히 연구가 진행되고 있다. 최근에는 국내에서도 COP를 활용하여 유연 디스플레이용 기판소재를 활용하기 위한 연구가 LG화학, 제일모직 등에서 진행되고 있다.
국내의 아이컴포넌트 등에서 생산하고 있고 2011년 기준으로 연간 1,200천㎡ [$16.8백만달러] 정도 사용되고 있는 PC 필름의 경우 LCD 등 디스플레이용 위상차 필름 등으로 사용되고 있는데 공정의 단순화와 3D 안경 등 신규 용도에 적용하기 위해 코팅이나 라미네이션보다는 필름제조 과정에서 연신공정 기술에 의한 위상차 기능을 부여하는 기술개발이 진행되고 있다. 또한 touch panel 용의 경우에서도 ITO sputtering에 의한 투명전극막, 실리카 스퍼터링에 의한 밀착성․방오성․내용제성 개선 등을 위한 기술개발이 추진되고 있다.
2) 슈퍼 EP 계 고내열 고분자 필름
슈퍼 EP계 고내열 고분자 필름과 관련한 국내외의 기술개발 동향은 다음의 표에 정리하였다.
3) 유연 디스플레이 기판용 고내열ㆍ고투명 고분자 필름
앞에서 언급한 바와 같이 고내열․투명 고분자 필름의 잠재적인 용도 중에서 가장 부가가치가 크고 고도 기술력이 요구되는 용도분야가 유연 디스플레이용 기판 소재이다. 왜냐하면 현재의 LCD나 OLED의 경우 궁극적인 기술개발의 지향점은 접거나(foldable) 또는 두루마리 식(rollable)의 유연 디스플레이(flexible display)이기 때문이다. 유연 디스플레이 기판용 고내열ㆍ고투명 고분자 필름 기술의 선도 기관은 다음의 표에 정리하였다.
국가별로 살펴보면 다음과 같다.
가. 미국
미국 Promerus사의 Appear 3000은 norbornane 을 methathesis 중합하여 폴리노르보넨을 제조한 다음 이것을 단순히 환원반응하면 열안정성이 낮은 COP가 생김으로 개시제 존재 하에서 (2+2)cyclo addition 반응을 시키면 구물구조로 가교시킨 COP로서 유리전이온도(Tg)가 무려 330℃에 달한다. 그러나 열팽창계수(CTE)가 74ppm 으로서 매우 높아서 유연 디스플레이의 기판소재에서 요구되는 10ppm 이하 기준에는 크게 미흡하다.
그 외에도 미국의 Du Pont 는 고내열 고투명 PI 필름을 개발하고 있는 것으로 알려져 있지만 구체적인 내용은 알려져 있지 않다.
나. 이탈리아
이탈리아의 Ferrania Image System 사는 polyarylate(PAR) 수지를 기반으로 한 고내열․고투명 필름을 개발하였다. 이 필름의 분자구조는 다음 그림과 같이 추정되며, 유리전이온도가 높고 투명성 등 제반 물성이 우수하기 때문에 많은 관심을 끌고 있다. 그럼에도 불구하고 CTE가 여전히 64ppm으로서 아주 높은 수준이다. 동사는 barrier 특성 개선을 위해 분자 내에 가교결합을 할 수 있는 구조를 도입하고 무기물을 충전하는 것으로 알려지고 있다.
다. 일본
많은 고분자 소재 중에서 플렉시블 LCD나 OLED의 핵심소재로써 가장 가능성이 있는 고분자가 폴리이미드(PI)이다. 일반적으로 PI 수지는 내열성․내한성․난연성․기계적 물성 등 제반특성이 탁월하지만 듀폰사의
고내열․고투명 PI 필름의 가장 선두주자는 미국의 듀폰사와 일본의 Mitsubishi Gas Chemical사이다. 다음 그림은 Mitsubishi Chemical사의 고내열․고투명 PI 필름을 보여준다. 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 고내열․고투명 PI 필름은 휘어지는 유연 디스플레이의 기판소재로서의 가능성을 확인할 수가 있다. 그러나 이들 두 회사의 고내열․고투명 PI의 분자구조에 대해서는 알려진 바가 없다.
Mitsubishi Chemical사의 고내열․고투명 PI 필름 (상품명: Neopulim)의 물성을 듀폰사의 기존 PI 필름인 Kapton과 PC 필름과 함께 다음의 표에 정리하였다.
고내열․고투명 PI의 물성은 종래의 PI 필름인
유연 디스플레이 기판용 고내열․고투명 필름의 barrier 특성의 획기적인 향상시키기 위해 Al2O3 등을 sputterring 하거나 SiON/ SiOC 등을 증착(PECVD) 하는 방법으로 연구개발이 진행되고 있는데 Vitrex System, IMRE, GE 등이 대표적인 선두주자이다.
■ 국내 동향
■ 연구개발 현황
전술한 바와 같이 국내에서 생산되는 범용 EP계 내열 고분자 필름은 나일론․ PET․PEN․PC․PVDF가 있으며, S-EP계 고내열 고분자 필름은 PES와 PI 필름만이 생산되고 있다. 즉, PC 필름의 경우에서는 아이컴포넌트(I-Component)․S-Polytech․세진 TS․동우화인켐 등에서 생산하여 자체 소비하거나 수요업체에 공급하고 있다. 이 필름은 평판디스플레이 BLU의 휘도향상을 위한 반사형편광필름(BDEF)이나 프리즘 시트 등에 적용되고 있다. S-EP계 고내열 고분자 필름인 PES는 아이컴포넌트에서 독일 BASF에서 PES 수지를 수입하여 필름을 제조, 공급하고 있다. 그리고 PI 필름은 SKC Kolon PI Film에서 생산 공급하고 있다. PES 필름은 touch panel의 cover layer 등에 적용되고 있다. PI 필름은 열적․기계적 특성 등 제반 물성이 탁월하기 때문에 Coverlay film, 3층 FCCL, COF용 2층 FCLL, FPC용 2층 FCCL 및 전기전자제품의 절연재 등으로 광범위하게 사용되고 있다. 그럼에도 불구하고 기존 PI 필름은 분자구조 특성상 색을 나타내며 투명성이 낮기 때문에 유연 디스플레이의 기판소재로는 사용이 불가능하다.
이들 내열 고분자 및 고내열 고분자 필름들의 연구개발은 제조회사를 중심으로 고기능화에 중점을 두고 진행되고 있다. 그리고 고기능화의 연구방향은 앞의 외국의 경우에서 살펴본 봐와 대동소이함으로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
국내외적으로 가장 치열하게 경쟁적인 연구개발이 진행되고 있는 분야가 플렉시블 LCD나 OLED의 기판에 적용가능 한 고내열․고투명 고분자 필름의 개발이다. 앞에서도 언급한 바와 같이 플렉시블 디스플레이용 기판소재에서 요구되는 제반 특성 중에서 가장 중요하고 실용화에 제약을 주고 있는 물성이 수분차단성(WVTR)과 열팽창계수이다.
그런데 이 두 가지 문제는 기재필름만으로는 도저히 해결할 수가 없기 때문에 기재필름의 개발과 함께 barrier 특성의 획기적인 향상기술의 확보이다. 일부에서는 PC나 PES를 기재필름으로 사용하려는 시도도 있지만 이들은 획기적인 barrier 특성 향상기술이 개발되지 않는 한 근본적으로 유연 디스플레이에서 요구되는 특성을 만족시키기가 어렵다.
현재 유연 디스플레이용 기판소재 개발과 관련된 국가연구개발사업으로는 WPM 사업으로 추진 중인 「유연 디스플레이 플라스틱 기판소재」 기술개발사업(주관 : 제일모직)이 있다. 동 사업은 3개의 세부과제로 구성되어있다.
- 1 세부과제 : plastic 소재 및 필름 개발(주관 : 제일모직)
- 2 세부과제 : Barrier 코팅 및 기능성 코팅소재 개발(주관 : LG화학)
- 3 세부과제 : 유연 디스플레이용 투명전극소재 개발(주관 : 잉크테크)
여기서 1․2 세부과제가 고내열․고투명 고분자 필름의 개발과 관련된 사업이다.
■ 선도 기관
PET․PC 등과 같은 범용 EP계 및 PES․PI 등과 같은 슈퍼 EP계 고내열 고분자 필름은 제조회사들을 중심으로 물성향상 및 일부 특수기능 부여와 관련한 연구개발을 수행해 오고 있다. 향후 디스플레이 세계시장을 좌우할 것이 확실시 되고 있는 플렉시블 LCD와 OLED의 생산에 필수불가결 한 핵심소재가 기판용 고내열․고투명 고분자 필름의 창출이다. 현재 국내에서 기판용 고내열․고투명 고분자 소재 및 필름 개발연구를 선도하고 있는 기관은 화학연구원․KIST․한양대․제일모직․코오롱인더스트리․LG 화학 등이다.
■ 미래의 연구방향 및 제언
■ 미래의 연구방향
높은 온도에서 견디는 고분자 필름 소재는 전기전자․정보통신․자동차․우주항공․에너지 등 국가 주력산업뿐만 아니라 미래 산업의 전개와 성장 및 발전에 필수불가결한 핵심소재이다. 즉, 높은 온도에서 견디는 고분자 필름 관련 총체적인 기술의 확보여부에 따라 유연 디스플레이 등과 같이 산업자체의 전개․발전․성장 및 경쟁력 확보 여부가 결정된다. 그리고 높은 온도에서 견디는 고분자 필름은 물량측면에서의 시장규모는 기존의 범용 고분자나 범용 EP, 심지어 슈퍼 EP보다도 훨씬 작을 수도 있지만 매우 고가이고 부가가치는 아주 높은 특징이 있다. 따라서 전 세계적으로 극소수의 first mover만이 살아남을 수가 있고 2등은 필요가 없는 즉, 승자독식의 논리가 지배할 수밖에 없는 특징이 있다. 따라서 앞으로의 연구개발 추진방향은 종래의 기술개발 패러다임과는 획기적으로 달라져야 할 것으로 생각된다.
1) 독창적 고내열 고분자 필름용 소재 및 필름 제조기술 창출
이들 첨단 미래 산업분야에서 요구되는 높은 온도에서 견디는 필름들은 이미 알려진 분자구조의 고분자 물질을 합성하고 이를 단순히 필름으로 제막하거나 후처리 하여 생산 할 수 있는 기술이 아니다. 필름 소재용 새로운 고분자물질 자체의 창출은 물론 후가공 기술이나 변환기술도 모두 획기적인 새로운 기술의 도출이 없이는 실현 불가능 하다. 다시 말하면 국내만이 아닌 전 세계적으로 가장 탁월한 기술을 가장 먼저 개발하고, 가장 먼저 실용화 할 수가 있어야 하며 연구개발도 당연히 이러한 관점에서 수행되어야 할 것이다. 따라서 확실한 이론에 근거한 분자 모델링을 통한 고분자 구조 설계 및 이를 합성 할 수 있는 중합기술, 필름제막 기술, 실용화가 가능하고 극한 성능을 부여 할 수 있는 후처리 및 변환기술 등의 원천기술을 확보해야 한다.
2) 기초연구와 실용화 기술의 동시에 개발 추진
첨단․미래 산업용 높은 온도에서 견디는 필름 관련 기술은 다른 나라보다 먼저 고분자 소재 자체의 창출과 필름제막 및 후가공 변환기술 등을 동시에 확보하지 않으면 의미가 없다. 고분자 소재의 창출은 기초연구 영역에 속하지만 여기서 창출된 특정분자구조의 고분자 소재를 실용적으로 합성 할 수가 있어야 하고 확보된 고분자 소재를 이용하여 신속하게 필름화 하는 실용화 기술 및 이를 특정한 용도에 적용하는 응용기술이 동시다발적, 전주기적으로 이루어져야 할 것으로 사료된다.
■ 정책적 제언
1) 개방적․경쟁적 연구개발 생태계 조성 필요
현재 정부에서 추진 중에 있는 높은 온도에서 견디는 고분자 필름 관련 연구개발은 산업통상자원부에서 추진하고 있는 WPM(World Premium Materials, 세계시장 선점 10대 핵심소재) 사업의 「유연 디스플레이용 플라스틱 기판소재」가 유일하다. 하지만 WPM 사업은 실용화 가능기술의 조속한 개발을 위해 산업계가 주도하는 집단연구사업으로 진행하고 있다. 그런데 WPM 사업 신청요건을 만족시키기 위해 무리하게 구성을 하다가 보니 기판용 고분자소재 창출을 상호 경쟁적으로 추진하고 있는 회사들 중에서 일부는 억지로 후처리ㆍ변환기술 개발 분야에 형식상 참여하면서 뒤에서는 여전히 기판소재 창출연구를 비밀리에 추진하는 모순을 안고 있다. 그 반대의 경우도 마찬가지로서 기판소재 창출연구를 담당하고 있는 회사도 후처리ㆍ변환기술을 음성적으로 연구하고 있다. 즉, 지금의 WPM 체계는 독창적인 고온 필름용 고분자 소재 창출연구을 위해서 절실히 필요한 실질적인 상호협력이나 보완적인 연구개발이 거의 어려운 구조로 행해지고 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해서는 「고온에서 견디는 필름용 고분자 소재의 창출연구」는 획일화된 집단연구 체계를 탈피하여 연구기관 연구팀이나 대학 연구팀이 상호 경쟁적으로 추진할 수 있는 중복을 허용하는 다수 경쟁체제로 전환 하는 것이 필요하다. 즉 개방적․경쟁적 연구개발 생태계 조성이 시급하다.
2) 정부출연연구기관 중심의 전주기적 기술개발 추진 필요
전술한 바와 같이 높은 온도에서 사용 가능한 고분자 필름 관련 기술의 확보는 향후 국가의 산업 경쟁력을 좌우할 정도로 매우 중요하며 시급히 관련기술이 국내에서 개발되어야 한다.
이를 위해서는 현재 WPM 사업추진처럼 동일한 분야에서 이해관계가 상충되기 때문에 협력이나 소통이 현실적으로 어려운 산업체 주관으로 사업 추진으로는 곤란하다. 따라서 고온용 고분자 소재 창출 연구를 주도 할 수 있고, 소재합성 기술의 실용화 가능여부를 판단할 벤치 및 파이로트 규모의 합성 설비와, 필름의 표면특성ㆍ계면특성 및 barrier 특성의 비약적 향상에 대한 연구 경험과 관련 설비가 학보 되어있을 뿐만 아니라 상호 이해관계가 첨예하게 대립되는 산업계를 원만하게 조정할 수 있는 정부출연연구기관을 중심으로 연구개발을 추진해 나가는 것이 효율적인 방법이라고 사료된다.
일 예로 한국화학연구원의 경우 그동안 고내열 고분자 소재에 대한 연구를 국내외적으로 주도해 왔을 뿐만 아니라, 정립된 합성 및 중합반응을 검증 할 수 있는 시험생산 반응기(Kilo Lab) 설비를 보유하고 있으며, 필름의 특성을 좌우 하는 코팅작업을 시제품 생산까지 다양한 방법으로 시험할 수 있는 코팅용 test-bed 설비 및 제품의 장단기 내구성능과 문제발생 시에 원인을 규명 할 수 있는 신뢰성평가 등에 전주기적인 연구개발 필요 인프라가 구축되어 있고 풍부한 기술개발 경험을 보유하고 있다.
이처럼 이 분야의 기술개발에서 시행착오를 줄이면서 최단기간 내에 기술개발 및 실용화를 이루기 위해서는 정부출연연구기관이 중심이 되어 마스터플랜을 재수립하고 전주기적 기술개발을 주도해 나가는 것이 필요하다.
