▲ 김도근 재료연구소 플라즈마공정연구실 책임연구원.

■ ‘세계 1등기술’인 재료연구소의 선형 이온빔 소스

재료연구소(www.kims.re.kr)는 1981년 한국기계연구소가 창원에 설립된 이래 1992년 본원을 대전으로 이전하면서 한국기계연구원으로 개칭, 2007년 한국기계연구원 부설 재료연구소 변경되어 현재 미래창조과학부 산하의 정부출연연구기관이다.

재료연구소는 소재기술과 관련한 분야의 연구개발, 시험평가, 기술지원 종합적으로 수행해 산업발전에 기여하기 위해 설립된 소재전문기관이며, 주로 금속, 세라믹, 융복합 소재 및 표면 소재를 연구한다.

표면 관련 소재 및 공정 연구를 담당하는 표면기술연구본부는 전기화학연구실, 소자기능박막연구실 및 플라즈마공정연구실로 구성되어 있으며, ‘초발수/초친수 필름 연속생산 기술’은 다양한 플라즈마 소스 및 공정 기술을 기반으로 플라즈마공정연구실에서 주도적으로 개발하고 있다.

플라즈마공정연구실은 다양한 종류의 플라즈마를 활용한 표면처리 연구를 수행한다.

일반적으로 플라즈마는 온도에 따라 고온 플라즈마 및 저온 플라즈마로 구분된다. 고온 플라즈마는 금속, 세라믹 물질을 액화 또는 기화시키는 수준의 온도를 형성할 수 있으며, 이를 통해 다양한 구조로 금속 및 세라믹 물질을 대상물에 증착할 수 있다.

재료연구소는 우주항공, 수송기기, 방산소재용 소재의 표면처리를 위해 전자빔 기상 증착(EB-PVD), 플라즈마 스프레이와 같은 고온 플라즈마 연구를 수행하고 있다.

반면에 저온 플라즈마는 온도가 낮아 쉽게 열변형이 발생되는 고분자 소재 표면처리에 적합하여, 다양한 필름 소재 (PET, PI, PE, PP 등)의 표면처리에 사용되고 있다.

대표적인 고분자 필름용 플라즈마 소스는 연속 생산용 Roll-to-Roll (R2R) 공정에 적용이 가능한 선형 플라즈마 소스이며, 재료연구소에서는 2008년부터 선형 이온빔 소스를 개발해 다양한 필름 소재에 대한 표면 기능화 연구를 수행하고 있다.

선형 이온빔 소스는 R2R 공정으로 생산되는 소재의 표면처리에 최적화된 저온 플라즈마 소스이다. 일반적인 R2R 공정은 대량고속생산을 위해 작게는 0.3m부터 크게는 2m 이상 수준의 처리 폭을 가진다.

우수한 생산성 및 불량율 최소화를 위해서는 균일한 표면처리 성능을 가지는 선형 처리 장치가 반드시 필요하다.

진공 R2R 공정을 위해 개발된 다양한 표면처리 소스들이 있지만, 마그네트론 원리를 이용하는 선형 이온빔 소스가 가장 손쉽게 균일도를 유지할 수 있는 기술이다.

또한 선형 이온빔 소스는 발생되는 이온빔의 에너지 및 이온 종류를 손쉽게 조절할 수 있어 처리대상 필름의 표면 구조 및 표면 화학 반응을 제어하고 다양한 공정을 설계하기 용이하다.

따라서 ‘초발수/초친수 필름 연속생산’ 기술 개발에 선형 이온빔 소스를 활용했다. 본 선형 이온빔 소스 기술은 재료연구소가 선정하는 ‘세계 1등기술’에 2013년 선정된 바 있다.

■ 초발수·초친수, 3조 윈도우 필름 시장 좌우할 필수기술

‘초발수·초친수 필름’ 시장은 크게 두 가지로 분류할 수 있다.

초발수 필름은 자가세정 필름 시장을 가지고 있으며, 초친수 필름은 필름상 접착 또는 증착되는 물질의 고밀착력화가 요구되는 시장에 판매할 수 있다.

먼저 초발수 필름은 표면상 발수 특성으로 인해 물방울이 맺히지 않고 굴러다니며 표면의 이물질을 제거하는 자가세정이 가능하여 태양전지 보호필름, 윈도우 필름, 이형 필름, 식품포장용 필름, 투과차단 필름, 및 휴대폰 액정보호 필름 등 매우 다양한 시장을 갖고 있다.

이중 가장 주목 받는 분야는 윈도우 필름, 태양전지 필름, 디스플레이용 기능성 필름이다. 청소가 어려운 고층건물의 유리 외장재에 자가세정 기능 구현을 통한 청소 문제 해결, 이물질 부착으로 인해 발전 효율이 감소하는 태양전지의 문제해결을 위한 고투과도 태양전지용 필름 등이 향후 큰 시장을 형성할 것으로 보인다.

예를 들면 자체 컨설팅을 통해 추산한 결과 국내 시장의 경우 윈도우 필름은 2016년 728억원의 규모가 예상되며 매년 35% 수준의 성장을 통해 2020년에는 2,400억원 규모의 국내시장, 3조원 수준의 세계시장을 형성할 것으로 예상된다.

윈도우 필름은 한화, SKC 및 3M 등의 대기업들이 주로 판매하고 있으며, 1㎡ 당 약 5∼10만원선의 가격대를 형성하고 있다.

윈도우 필름의 자가세정 기능 구현을 통해 제품 차별화 수요가 곧 발생할 것으로 예상되며, 본 기술이 이에 대응하기 적합하여 초발수 시장에 대한 전망을 매우 밝다고 생각한다.

초친수 필름 시장 또한 성장 가능성에 대한 미래가 밝다. 초친수 필름 기술은 표면에 물을 잘 퍼뜨리는 특성을 활용하여 수증기가 많이 발생하는 공간에서 유리 또는 거울에 부착해 시야를 확보하는데 활용된다.

또한 초친수 특성 자체를 활용하기보다 초친수화된 필름 표면에 이종 물질을 접착하는 제품 생산 공정에 활용할 수 있다.

한 예로 PET 필름을 초친수화 한 후 구리같이 배선에 활용되는 물질을 증착하면 매우 높은 밀착력을 확보할 수 있으며, 반복적인 기계적 변형에도 필름상 이종물질이 떨어지지 않고 붙어있어 다양한 플렉서블 및 웨어러블 기기의 배선에 활용 가능하다.

예를 들면 Flexible Copper Clad Laminate(FCCL)은 절연필름인 PI, 동박, 특수 접착제로 구성된 연성 회로기판(FPCB, Flexible Printed Circuit Board)용 주요소재이다.

FCCL의 밀착력을 확보하기 위해 사용된 기존의 특수 접착제 대신 PI의 초친수 공정을 통해 접착력을 확보할 수 있으며, 접착제를 사용한 FPCB보다 우수한 밀착력을 확보할 수 있다.

FPCB 국내 시장의 경우, 2014년 약 2조8천억원 규모의 시장 유지하고 있으며, 웨이러블 기기의 제품 확대에 따라 그 규모가 증가할 것으로 판단된다.

특히 삼성, LG, 애플 등의 전자제품 대기업이 새 제품을 지속적으로 출시함에 따라 이에 대응하기 위한 고성능 FCCL 소재 개발이 주요 화두로 떠올라 관련 시장이 현재보다 확대될 것으로 예상된다.

재료연 ‘선형 이온빔 소스 기술’ 세계 최고

기술 이전 기업에 시간·자금 절약 환경 제공

■ 재료연, 필름 표면처리 연구 자체 수행·수요 기업 시편 제작 및 공정 개발 지원

재료연에서 보유한 ‘초발수·초친수 필름 연속생산’관련 기술은 크게 선형 이온빔 소스 기술과 R2R 연속생산 공정 기술이 있다.

초발수·초친수 필름의 대면적 생산을 위해서는 광폭 처리가 가능한 R2R 공정이 가능해야 하며, 이때 필요한 핵심 기술이 바로 광폭 선형 이온빔 소스 기술이다.

선형 이온빔 소스는 1990년대부터 미국, 일본 회사를 중심으로 상용화돼 널리 사용되어 왔으며, 2000년대 초반 국내에도 상용제품이 도입되어 표면처리 관련 공정에 적용됐다.

앞서 설명한 바와 같이 선형 이온빔 소스는 이온빔의 에너지 및 종류를 다양하게 조절할 수 있는 장점이 있다.

반면에 초기 도입 비용이 높고, 적용 가능한 표면처리 공정 범위가 제한적인 단점에 의해 널리 활용되지 못하고 대체기술이 그 역할을 담당해 왔었다.

이에 재료연구소는 기존 상용품의 단점들을 해결하고자 100% 자체 기술을 활용해 신개념의 선형 이온빔 소스를 개발했으며, 외산 상용품 대비 50∼70% 수준의 가격으로 보다 우수한 성능을 구현했다. 특히 초발수·초친수 필름 생산용 연속 공정에는 선형 이온빔 표면처리 공정 이외에 마그네트론 스퍼터링을 이용한 증착 공정이 포함되는데, 기존 상용품은 마그네트론 스퍼터링 증착 공정과 운전 조건이 맞지 않아 연속 공정을 진행하기 어려운 단점이 있었다.

재료연은 전자기장 및 플라즈마 시뮬레이션을 기반으로 마그네트론 스퍼터링 공정과 동시에 사용가능한 1.5m급선형 이온빔 소스를 개발했으며, 관련 업체 내 현장평가를 통해 성능을 검증한 상태이다.

한 예로 선형 이온빔 소스를 기술이전 받은 ‘A사’는 선형 이온빔 소스를 활용한 R2R 표면처리 장비 및 공정을 개발하여 판매 중에 있다.

재료연은 자체적으로 폭 300mm급 R2R 표면처리 장비를 보유하고 있어 개발된 선형 이온빔 소스를 활용한 다양한 기능성 필름 제조 공정을 연구한다.

초발수 필름 제조 공정의 경우, 보유 R2R 장비 내에 설치된 선형 이온빔 소스를 활용한 표면 나노 구조화, 초발수 물질 코팅을 연속 공정으로 진행해 R2R 장비 내에서 초발수 필름 시편을 제조할 수 있다.

또한 초친수 필름 제조 공정의 경우, 선형 이온빔 소스를 활용한 표면 초친수화, 구리 박막 스퍼터링 증착 연속 공정을 진행해 R2R 장비 내에서 필름 초친수화에 따른 금속 박막 밀착력이 확보된 필름 시편을 제조할 수 있다.

따라서 개별 기술이 아닌 주요 생산 공정을 미리 평가함으로써 기능성 필름 제조 현장에 적용되는 시간을 최소화할 수 있으며, 이를 통해 관련 기술을 이전해 가는 기업이 시간과 자금을 절약하는 환경을 제공할 수 있다.

재료연은 위와 같은 필름 표면처리 연구를 자체적으로 수행함과 동시에 수요 기업이 요구하는 공정 연구를 통해 다양한 시편 제작 및 공정 개발 지원을 하고 있다.

■ 선형 이온소스를 활용 표면처리 공정 적용 늘 것

선형 이온소스를 활용한 플라스틱 기판상 표면처리를 통한 표면구조 및 표면에너지 제어를 통해 초발수·초친수에 대한 연구를 수행함에 있어 가장 큰 걸림돌은 진공 시스템이라는 고가의 설비를 활용한다는 것이다.

국내 관련 업계에서 본 기술에 대한 관심을 가지고 있으나 이온빔 소스가 구동하기 위해서는 진공 시스템이 필요하는 말에 고개를 흔들고 뒤돌아서는 분들이 많았다.

반도체, 디스플레이 산업에서는 일반적으로 사용되는 진공 기술이 아직도 일반 산업계에 있는 분들에게는 생소하기 때문으로 생각된다.

반면에 최근 플렉서블·웨어러블 소재에 대한 관심이 높아지면서 필름 소재에 대한 표면처리 공정 지원 및 개발을 요청하는 기업이 점차 증가하고 있어 선형 이온빔 소스 및 공정을 활용한 기술이 앞으로 보다 많이 필름 산업에 적용될 것으로 전망된다.

▲ 재료연구소에서 개발한 다양한 형태의 이온빔 소스.

▲ R2R 설비 활용 플라스틱 필름 처리 전후 표면 구조.

▲ 초발수·초친수 기술을 적용한 필름.

▲ 초발수 필름 상 물 맺힘.

▲ 재료연구소 조형물에서 함께 연구를 진행하는 연구원들과 함께 기념촬영을 했다..