자동차산업 발전과 함께 화학소재 시장이 급변하고 있다.
전기자동차(EV: Electric Vehicle)를 비롯한 차세대 자동차에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데 자율주행, 커넥티드카(Connected Car) 등 새로운 기술이 잇따라 부상하고 있기 때문이다.
프랑스와 영국은 가솔린(Gasoline) 및 디젤(Diesel) 자동차 판매를 전면 금지하고 2025년까지 EV 판매비율을 전체의 25% 수준으로 끌어올릴 계획이라고 발표했으며 중국은 EV, PHV(Plug-in Hybrid Vehicle), FCV(Fuel Cell Electric Vehicle)로 구성되는 신에너지자동차(NEV: New Energy Vehicle) 제조·판매를 일정비율 의무화하는 신규제도를 도입했다.
자동차기업들도 새로운 전기자동차 전략에 부응하고 있다.
볼보(Volvo)는 2019년 이후 판매하는 신차를 모두 EV로 전환하고, 도요타(Toyota Motor)는 2025년을 목표로 모든 차종을 전동모델로 설정할 계획으로 있는 등 EV 보급대책을 가속화하고 있다.
도요타는 HV(Hybrid Vehicle)에 중점을 두고 있는 가운데 공해물질을 배출하지 않는 무배출 시스템(Zero Emission)을 달성하기 위한 방안으로 EV를 조기에 투입하는 체제를 구축하고 있다.
최근에는 자율주행, 커넥티드카 등 ICT(정보통신기술)와 관련된 신기술도 주목받고 있다.
자동차산업이 대대적인 변혁기를 맞이하고 있는 가운데 관련소재를 공급하는 화학기업들은 독자적인 소재·기술 개발 여부가 장기 성장을 좌우할 것으로 예상된다.
범용수지, 경량화 및 설계자유도 향상에 기여
자동차 경량화는 주행할 때 이산화탄소(CO2) 배출량 감축효과를 노리고 있다.
차체 중량이 가벼워짐에 따라 연비가 향상되기 때문으로, 자동차부품에는 금속에 비해 비중이 작은 플래스틱 채용이 확대되고 있다.
특히, 최근에는 LiB(Lithium-ion Battery)를 탑재한 EV가 보급되고 전장화 및 안전장비 확충으로 차체 중량이 증가함에 따라 경량화에 대한 요구가 더욱 높아지고 있다.
일본산 자동차는 플래스틱 채용비율이 서서히 높아져 중량 기준 10%를 넘고 있으나 금속도 경량화에 도움이 되는 고장력 강판, 알루미늄이 차별적인 강점을 보유하고 있어 경쟁이 치열해지고 있다.
일본은 철 가공기술이 뛰어나 유럽에 비해 플래스틱 채용이 늦어지고 있다.
현대·기아자동차도 플래스틱 사용을 확대하고 있다.
자동차소재로 사용되는 플래스틱은 PP(Polypropylene), PE(Polyethylene), PVC(Polyvinyl Chloride), ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)가 주류을 이루고 있으며 PP가 약 50%를 차지하고 있다.
PP는 비중이 가장 작고 고무, 필러 등을 배합함으로써 강도, 강성, 내열성을 향상시킬 수 있으며 가공·성형이 용이해 계기판, 범퍼 등 내장재부터 외장재까지 다양한 부위에 채용되고 있다.
PE는 연료탱크, 휠라이너 등에 투입되고 있다.
특히, 연료탱크는 금속 대신 플래스틱을 채용함으로써 무게가 대폭 감축되고 복잡한 형태로도 성형할 수 있어 설계에 대한 자유도가 높아지고 있다.
PVC는 시프트노브 등 내장재, 도장성과 도금성이 뛰어난 ABS는 스위치 베이스에 주로 사용되고 있다.
자동차산업은 EV가 대두되고 자율주행 기술 개발 경쟁이 치열해짐에 따라 기존 기술의 연장선에서 나아가 대담한 발상의 구조재 및 소재가 등장할 가능성이 높게 나타나고 있다.
이에 따라 화학기업은 자동차 개발동향을 신속하고 정확히 파악해 소재 개발에 적용할 것이 요구되고 있다.
EP, 금속·유리 대체소재로 경쟁 과열
EP(Engineering Plastic)는 PA(Polyamide), PC(Polycarbonate), POM(Polyacetal), PBT(Polybutylene Terephthalate), PPE(Polyphenylene Ether) 등이 자동차용으로 사용되고 있으며 최근에는 PPS(Polyphenylene Sulfide), LCP(Liquid Crystal Polymer) 등 슈퍼 EP도 널리 투입되고 있다.
EP는 경량화가 필수적인 차세대 자동차 보급이 확대됨에 따라 금속 대체소재로 수요가 계속 증가할 것으로 예상되고 있다.
LiB 스페이서, 홀더 등 주변부품에는 경량성, 난연성, 치수안정성, 내열성이 뛰어난 변성PPE가 사용되고 있다.
LiB 케이스는 생산기업에 따라 다른 소재를 투입하고 있다. 내열성 등 안전성을 중시하는 곳은 PPS, 코스트 및 밸런스를 중시하는 곳은 PBT를 채용하는 것으로 알려졌다.
앞으로는 자율주행 기술이 발전함에 따라 레이더용으로 고속통신을 방해하지 않는 저유전, 저유전정접 특징을 보유한 LCP, 센싱 카메라 모듈용을 중심으로 PPS, 방향족계 PA 등 내열성, 치수안정성이 뛰어난 EP 수요가 확대될 것으로 예상되고 있다.
2017년에는 세계 최초로 전면 창유리에 PC가 채용돼 획기적인 경량화 사례로 주목받았으며 측면 등으로 적용부위가 확대됨으로써 차체 중량을 대폭 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있다.
터치패널 소재는 유럽 자동차기업들이 유리 베이스를 선호하고 있으나 일본 및 국내기업들은 경량성, 충돌 안전성 관점에서 PC를 비롯한 플래스틱 베이스 채용을 확대하고 있다.
이밖에 SPS(Syndiotactic Polystyrene), PES(Polyether Sulfone) 등도 자동차소재로 활용되고 있어 금속 대체수요가 신장함과 동시에 경쟁이 과열되고 있다.
아울러 금속을 대체할 수 있는 플래스틱이 없거나 열관리가 필요한 부위에는 금속과 수지를 접합하는 기술을 활용하는 등 복합소재를 적용하는 방안이 검토되고 있다.
바이오플래스틱, 내·외장재에 채용 확대
바이오 플래스틱은 자동차 내장재 뿐만 아니라 외장재 채용이 늘어나고 있다.
자동차는 경량화 및 전동화에 따른 연비 개선, 제조공정의 에너지 절약 및 휘발성 유기화합물(VOCs) 배출 감축을 중심으로 환경에 대한 대응이 이루어졌으나 탄소중립(Carbon Neutral)에 따른 지구온난화 대책, 고갈자원 보호 대책이 부상하면서 바이오 플래스틱에 대한 기대가 높아지고 있다.
바이오매스 플래스틱은 2002년 PLA(Polylactic Acid) 공급이 본격화된 이후 2003년부터 자동차 관련제품에 응용되기 시작했으며 도요타가 신형 「Raum」의 스페어타이어 커버에 도레이(Toray)와 공동 개발한 PLA·케나프 복합소재를 채용해 큰 관심을 모은 바 있다.
최근에는 Mitsubishi Chemical이 개발한 바이오 EP 「Durabio」 채용이 잇달아 관심이 집중되고 있다.
「Durabio」는 일반 EP에 비해 내충격성, 내열성 등이 뛰어날 뿐만 아니라 도장공정을 거치지 않고 안료 배합만으로 도장제품 이상의 컬러를 표현할 수 있어 VOCs 발생량이 크게 줄어드는 특징이 있다.
이에 따라 Mazda는 새롭게 출시하는 「CX-5」의 프론트그릴에 「Durabio」 그레이드를 채용할 계획인 것으로 알려졌다.
바이오 플래스틱은 자동차기업의 적극적인 개발을 전제로 친환 경소재라는 소비자의 인식, 바이오매스 원료에 대한 국가의 지원정책이 활용을 좌우하는 요소로 작용하고 있다.
배터리, LiB 고용량화가 관건
EV를 본격적으로 보급하기 위해서는 배터리의 성능 향상이 필수적으로 요구되고 있다.
LiB 관련기업들은 항속거리 향상을 목표로 고용량화에 힘을 기울이고 있으며 하이니켈 삼원계 양극재를 주목하고 있다.
실리콘계 음극재는 사이클 특성 측면에서 과제를 안고 있으나 이론적인 용량이 카본계의 약 10배에 달하는 것으로 알려져 적용을 위한 연구개발을 가속화하고 있다.
그러나 최근에는 스마트폰 배터리 발화사고가 잇따라 발생하면서 LiB의 안전성에 대한 우려의 목소리가 높아지고 있다.
이에 따라 고체 전해질을 사용해 폭발 위험을 획기적으로 줄인 전고체배터리가 주목받고 있으며 도요타는 2020년대 초반 전고체배터리를 실용화할 방침이라고 발표했다.
다만, EV에는 당분간 LiB가 계속 사용될 것이라는 의견이 주류를 이루고 있으며, 전고체배터리는 2030년대 이후 보급이 본격화될 것으로 예상되고 있다.
납축전지도 꾸준히 진화하고 있다.
납축전지 생산기업들은 IS(Idling Stop) 자동차가 등장함에 따라 적용 가능한 라인업을 확충하고 있으며 내구성이 뛰어나고 급속충전이 가능한 점을 토대로 제안을 강화하고 있다.
일본에서는 유럽규격인 EN 배터리를 탑재한 자동차가 증가하고 있다.
EN 배터리는 한랭한 유럽 기후에 대응하기 위해 저온시동 성능이 중요시되고 있으나 고온다습한 일본에서도 사용할 수 있도록 최적화함으로써 자동차기업의 요구에 대응하고 있다.
중국, 안전성·고용량화 양립 강조
중국은 국가 차원에서 EV 보급 확대에 힘을 기울이고 있어 2016년 EV 판매량이 56만8000대로 글로벌 최대시장으로 부상했으나 2017년에는 다소 침체된 것으로 나타났다.
중국 정부가 보조금 정책을 변경했기 때문이다.
EV는 동력원으로 LiB를 탑재하나 중국 정부는 안전성 확보, 중국기업 성장 촉진 관점에서 인산철리튬(Lithium Iron Phosphate) 양극재를 사용한 LiB를 특히 우대해왔다.
그러나 인산철리튬은 안전성이 보장되는 반면 EV의 과제인 항속거리 개선에 적합하지 않아 중국 정부는 2016년 말부터 보조금 지급 대상을 고용량화가 가능한 삼원계 양극재로 전환하는 신규 보조금 정책을 실시했다.
중국 EV 시장은 갑작스러운 정책 변경으로 신규 설계가 불가피해져 침체되기 시작했으나 일시적인 현상이라는 의견이 주류를 이루고 있다.
중국 LiB 관련기업들이 이미 보조금 정책이 변경되기 전부터 삼원계에 대한 연구개발에 착수했기 때문이다.
중국 정부는 2025년 EV 판매 목표를 750만대로 설정하는 등 시장규모를 10배 이상 확대할 방침 아래 보급을 확대하기 위한 정책을 추진함과 동시에 고용량화에 힘을 기울이고 있다.
특히, 용량은 인산철리튬 대신 삼원계 양극재를 채용함으로써 2배 이상 개선될 것으로 예상되고 있다.
일본, 분리막 기술개발 가속화
일본 분리막(Separator) 생산기업들은 중국시장의 변화를 주목하고 있다.
일본은 삼원계의 최대 과제인 안전성과 고용량화 양립을 실현할 수 있는 기술을 보유하고 있기 때문으로, 분리막은 양극과 음극을 절연해 쇼트에 따른 이상발열을 방지하는 역할을 담당하고 있으며 내열성 향상을 위해 필름기재에 세라믹 등을 코팅한 부가가치제품이 공급되고 있다.
특히, 삼원계는 전압이 높아 코팅 타입 사용이 필수적이며 코팅기술 분야에서는 일본 화학기업이 두각을 나타내고 있다.
LiB는 코팅층과 함께 기재도 박막화함으로써 양·음극 활물질이 증가해 고용량화가 가능해져 고부가가치제품에 강점을 보이고 있는 일본기업들이 중국의 보조금 정책 변경으로 사업기회 확대를 기대하고 있다.
LiB는 소재의 미묘한 조합 차이로 성능이 크게 좌우됨에 따라 코팅에 플러스알파 기능을 부여하는 방안도 점차 중요해지고 있다.
분리막 후발기업인 Teijin은 전지 성능 향상에 기여하는 조제를 분리막 기재에 분산시키는 기술을 개발했으며 도전성, 핸들링성 등 분리막에 다양한 기능을 부여하는 기술 개발이 가속화되고 있다.
디스플레이, 액정 이어 OLED 적용 기대
자동차용 디스플레이 시장은 연평균 10% 수준 성장해 2020년 10조원을 돌파할 것으로 예상되고 있다.
안전성 향상 측면에서 미터, 스위치 표시가 CID(Center Information Display)로 대체되고 있고 자율주행이 본격 도입됨으로써 영상표시 등 엔터테인먼트를 위한 디스플레이 탑재가 늘어날 것으로 예측되고 있다.
또 외부와 인터넷으로 연결되는 커넥티드카에도 각종 정보를 표시하는 디스플레이가 필수적으로 사용되고 있다.
스마트폰용 액정 시장에서 삼성전자, LG디스플레이에 밀려 고전하고 있는 Japan Display(JDI)는 자동차용 시장을 개척함으로써 수익을 안정화하겠다는 목표를 세우고 있다.
자동차용 디스플레이는 기판후면(Backplane)에 주로 비결정성 실리콘을 사용하고 있으나 JDI는 2017년 5월 저온 폴리실리콘(LTPS)을 채용한 모델을 출하하기 시작했다.
LTPS는 높은 정밀도로 고속응답을 실현할 수 있을 뿐만 아니라 베젤리스(Bezelless), 대화면 등 다양한 디자인으로 설계할 수 있는 자유도가 높은 것이 특징이다.
최근에는 산화물 반도체가 LTPS의 경쟁소재로 부상하고 있다. Mitsubishi Electric은 고급 승용차를 중심으로 공략하고 있는 가운데 고부가가치화를 목표로 산화물 반도체 탑재를 검토하고 있다.
OLED(Organic Light Emitting Diode)도 자동차 분야에 대한 적용이 기대되고 있다.
OLED는 발색이 뛰어나고 박형·경량화, 곡면화가 가능함에 따라 액정과 비교해 더욱 다양한 디자인으로 성형할 수 있기 때문이다.
다만, 자동차는 교체주기가 2-3년에 불과한 스마트폰과 달리 10년 이상의 장기적인 신뢰성이 요구된다.
이에 따라 삼성전자, LG디스플레이 등 디스플레이 생산기업들은 발광소재, 편광판, 반사방지필름 등을 공급하는 화학기업과 공동으로 장기 신뢰성 확보에 주력하고 있다.
자동차용, 정보량 증가에 따라 시장 확대
자동차의 전장화는 와이어하네스(Wire Harness), ECU(Electronic Control Unit) 탑재 등 단체에서 나아가 인터넷을 매개로 외부와 연결하는 커넥티드카로 진화하고 있다.
특히, 사물인터넷이 적용되기 시작하면서 인터넷을 경유해 안전 및 운전에 관한 정보를 표시하는 디스플레이가 핵심소재로 부상하고 있다.
일본은 2016년 6월부터 미러리스 자동차를 허용하는 등 디스플레이 시장의 성장 가능성이 높아지고 있다.
미러리스 자동차는 백미러와 사이드미러 대신 카메라를 장착해 외부 상황을 내부에 설치된 모니터로 확인하는 시스템으로 안전성 강화 측면에서 보급이 확대될 것으로 예상되고 있다.
안정공급 측면에서 강점을 보이고 있는 Mitsubishi Electric은 샤프(Sharp), 도시바(Toshiba) 등 경쟁기업의 부진 속에서도 안정적으로 성장하고 있다.
Mitsubishi Electric의 자동차용 LCD(Liquid Crystal Display)는 2.5세대 유리기판을 사용하고 있으며 다품종 소량생산, 고부가가치화를 실현함으로써 고급 자동차 시장에서 경쟁력을 발휘하고 있다.
디스플레이 틈 안에 수지를 채워 넣는 글래스본딩에 따라 정밀도가 매우 높고 직사광선에서도 보기 편한 것으로 알려졌다.
앞으로는 산화물 반도체를 도입해 고정밀화 및 고속응답화를 실현하고 곡면화 등을 통해 의장성을 향상시킬 방침이다.
파나소닉(Panasonic)도 약 10년 전부터 자동차 전장화와 관련된 연구개발을 강화하고 있다.
TV 등 디지털가전을 통해 축적한 자원을 응용함과 동시에 Sanyo Electric 인수로 확보한 전지 및 디바이스 기술을 결집해 2017년 Jaguar Land Rover의 디스플레이, HUD(Head Up Display) 등으로 대량 납품을 시작한 것으로 알려졌다.
LCD 사업은 아직 적자이나 자동차용을 중심으로 2019년 흑자를 목표로 하고 있다.
스마트폰에 주력하고 있는 LCD 생산기업들도 장기적인 성장이 예측되는 자동차용 시장을 주목하고 있다.
타이완 Hon Hai Precision이 인수한 샤프(Sharp)는 이형·만곡 성형이 가능한 FFC(Free Frame Display)로 자동차 시장을 개척하고 있다.
FFC는 샤프의 IGZO 기술 응용 및 회로 설계공법 확립으로 자동차기업이 요구하는 다양한 형상에 대응할 수 있으며 게이트 드라이버를 표시영역의 화소 내에 분산·배치함으로써 베젤을 최소화함과 동시에 표시영역에 맞추어 자유로운 형상을 설계할 수 있는 강점이 있다.
다우코닝, 실리콘 활용 내구성 강화
자동차용 디스플레이는 스마트폰용에 비해 뛰어난 내구성과 긴 수명, 직사광선 환경과 어두운 곳에서도 선명하게 보이는 고화질에 대한 요구가 높아지고 있다.
이에 따라 디스플레이 생산기업들은 유리, 필름, 접착제 등 화학 관련기업의 기술력을 바탕으로 연구개발을 진행하고 있다.
Dow Corning Toray는 커버글라스와 터치패널, LCD 접합 부분을 실리콘으로 메우는 방법을 제안하고 있다.
디스플레이는 사이사이에 존재하는 작은 공기층이 난반사를 유발해 화질이 악화되기 때문에 실리콘으로 모든 틈을 메움으로써 화질을 향상시키는 방법이다.
또 자동차에 탑재하는 디스플레이는 스마트폰용에 비해 높은 내성이 요구되며 Dow Corning Toray 생산제품은 -40℃에서 90℃까지 넓은 범위를 견딜 수 있는 등 자동차용 그레이드를 충족시키는 것으로 알려졌다.
경쟁소재인 아크릴계에 비해서도 내구성이 뛰어나고 대화면에도 적합해 대형화되고 있는 자동차용 디스플레이의 트렌드와 일치하는 것으로 평가되고 있다.
아울러 Dow Corning Toray는 장래성을 내다보고 수지 기판 자동차용 디스플레이에 적합한 소재를 개발하고 있다.
전자기기용 필름 및 접착제 생산기업인 일본 Dexerials도 자동차용 시장을 개척하고 있다.
주력제품인 이방성 도전필름(ACF), 광학탄성수지(SVR)는 스마트폰용이 주류를 이루고 있는 가운데 자동차용으로 판매를 확대하고 있으며 반사방지필름(AR)도 자동차용 시장 개척에 박차를 가하고 있다.
자동차는 전원, 터널, 빌딩 등을 지나면서 외부에서 들어오는 빛의 양이 빠르게 변화함에 따라 어떤 환경에서도 깨끗한 화질을 실현하기 위해서는 반사되거나 그늘지는 현상을 억제해야 한다는 점에서 일본 및 유럽 자동차기업들이 Dexerials 생산제품이 사용된 디스플레이 채용을 확대하고 있다.
Okamoto Glass는 박판 성형 기술을 활용해 내비게이션용 곡면 패널을 시험제작하고 있다.
반사 및 그늘짐 현상이 억제되고 지문이 잘 묻지 않는 등 자동차용으로 적합한 특성을 보유하고 있으며 HUD용 박판 유리도 생산해 안전성 향상 관점에서 수요가 꾸준히 신장할 것으로 예상하고 있다.
SEL, 자동차용 OLED 개발
아울러 자동차용 디스플레이는 스마트폰용과 마찬가지로 OLED에 대한 관심이 높아지고 있다.
Semiconductor Energy Laborator(SEL)는 OLED를 이용해 자동차용 디스플레이를 시험 제작했다.
TAC(Triacetyl Cellulose) 필름으로 제작된 수지 기판을 채용해 양 사이드를 구부릴 수 있으며 두께가 약 100μm에 불과해 벤딩 특성이 뛰어나고 80℃ 이상의 고온, 10만 번의 굴곡에도 뛰어난 내구성을 발휘하는 것으로 알려졌다.
또 단순히 구부릴 뿐만 아니라 구부림으로써 사이드미러 영상이 비치는 구조로 이루어져 사이드미러가 카메라로 전환되는 미러리스화에 대응할 수 있는 특징이 있다.
SEL은 OLED가 액정에 비해 수지 기판에 따른 안전성, 고속응답성, 발색 등이 뛰어난 것으로 평가하고 있다.
그러나 OLED는 장시간 동일한 영상을 표시함으로써 과열 현상이 발생하는 문제점이 있으며, 특히 자동차용 디스플레이는 미터의 외곽선 등 계속 동일하게 표시되는 부분이 많아 과열이 발생하기 쉬운 것으로 파악되고 있다.
SEL은 OLED의 수명이 늘어나 과열 현상이 발생하지 않을 것으로 판단하고 있으며 최근에는 해외 자동차기업들의 공동개발 의뢰가 증가하고 있는 것으로 알려졌다.
과열 현상을 해결할 수 있는 소재로는 필름, 편광판, 발광소재도 있다.
자동차기업들은 액정에 비해 자유로운 성형이 가능한 OLED에 높은 기대감을 보이고 있다.
이에 따라 중소형 액정 메이저 JDI도 자동차용 OLED 개발을 검토하고 있으며 과열 및 휘도를 해결해 2022년 이후 실용화할 수 있을 것으로 예상하고 있다.
액정과 OLED는 자동차 탑재 그레이드를 충족시키기 위해 화학을 시작으로 소재·부품 생산기업의 역할이 중요해지고 있다.
