자동차는 최근 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS: Advanced Driver Assistance Systems)을 시작으로 전자화가 진행됨에 따라 디스플레이, 반도체, 페인트 등 플래스틱을 제외한 화학소재도 고도화가 진행되고 있다.
여기에 5세대 무선통신인 5G가 추가됨으로써 사람과 기계를 연결하는 인터페이스가 중요해지고 있다.
특히, CASE가 주목받고 있다.
CASE는 커넥티드(Connected), 자율주행(Automatic), 공유(Sharing), 전동화(Electric)를 포함한 자동차산업의 새로운 트렌드로 자동차 생산기업 뿐만 아니라 IT(정보통신기술) 등 관련기업들이 5G, AI(인공지능), 전기자동차(EV)를 중심으로 구체화에 총력을 기울이고 있다.
디스플레이, 곡면 OLED에 가로형 LCD 부상
글로벌 FPD(Flat Panel Display) 생산기업들은 TV, 스마트폰 이외의 용도 개척에 박차를 가하고 있다.
특히, 자동차 콘솔 주변에 배치하는 가로형 디스플레이가 가장 두드러지고 있다.
일본 JOLED는 여러 장의 OLED(Organic Light Emitting Diode) 패널을 연결한 시험제품을 공개했고, 샤프(Sharp)는 8K 슈퍼하이비전(4320×7680) 기술을 이용해 폭 1미터 이상인 LCD(Liquid Crystal Display)를 개발하고 있다.
VR(가상현실) 기기용은 멀미를 해소할 수 있는 1000ppi (pixels per inch) 이상인 고정밀 패널 개발도 이루어지고 있다.
자동차는 ADAS를 시작으로 전자화가 진행되고 5G가 추가됨으로써 사람과 기계를 연결하는 인터페이스가 중요해지고 있으며, 디스플레이 생산기업들은 자동차용 FPD의 대형화·고정밀화에 박차를 가하고 있다.
JOLED는 최근 가로세로비 8대3인 12.3인치 OLED 패널 3장을 연결한 자동차용 디스플레이를 공개했다. 독자기술인 인쇄 프로세스를 적용했으며 해상도는 167ppi, 기판후면은 저온 폴리실리콘(LTPS)이며 중앙에는 해상도 180ppi인 곡면 12.2인치 플렉서블(Flexible) OLED를 배치했다.
샤프는 8K를 중시하는 기본전략에 따라 자동차용 디스플레이를 개발하고 있다. 8K 화질에 폭 1미터 이상인 가로형 LCD와 더불어 외광 시인성을 향상시킨 저반사 디스플레이를 상품화할 계획이고, OLED는 자동차용 12.3인치 디스플레이를 개발했다.
앞으로는 중대형 라인업을 확충함과 동시에 모기업인 Hon Hai Precision이 보유한 생산 및 영업 관련 리소스를 적극 활용할 방침이다.
VR도 자동차를 잇는 디스플레이 성장시장으로 부상하고 있다.
샤프는 1000ppi VR용 LCD를 생산하고 있는 가운데 최근 1200ppi 이상의 고정밀제품 샘플을 출하하기 시작했고, JDI도 615ppi VR용 HMD(Head Mounted Display)를 상품화한 가운데 정밀도를 향상시킨 1000ppi 개발에 성공해 양산을 준비하고 있다.
OLED, LG디스플레이의 롤러블 공개 주목
OLED 활용도 본격화하고 있다.
샤프는 최근 독자기술인 산화물 반도체 IGZO(인듐·갈륨·아연·산소)를 적용한 OLED 패널을 탑재한 스마트폰을 발표했다. IGZO는 대형화 및 소비전력 절감이 용이한 이점이 있어 LTPS와 차별화할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
JOLED와 OLED 사업을 공유하고 있는 JDI는 증착 프로세스로 곡면 중소형 OLED 패널을 시험제작하고 있다. 5.5인치에 해상도는 401ppi이며 기판은 Advanced-LTPS를 채용하고 있다.
JOLED는 27인치 4K2K(3840×2160) 고화질 디스플레이를 개발해 해외시장을 개척하고 있으며 타이완 컴퓨터 생산기업이 JOLED의 21.6인치 패널을 탑재한 OLED 디스플레이를 발표할 예정인 것으로 알려졌다.
LG디스플레이는 일본 마쿠하리 멧세(Makuhari Messe)에서 2018년 12월 열린 제28회 파인테크재팬(Finetech Japan)에서 두루마리처럼 말 수 있는 롤러블(Rollable) 디스플레이를 공개했다.
2014년부터 개발을 추진한 전략제품으로 크기는 65인치이며 테이블 안에서 대형 화면을 꺼내는 방식으로 선보였다.
롤러블이기 때문에 TV, 영화 등 콘텐츠에 따라 화면크기를 최적화할 수 있으며 사용하지 않을 때에는 말아서 보관할 수 있어 좁은 곳에서도 사용하기 편리한 이점이 있다.
기판은 두께가 0.8mm 이하인 유리를 채용했으나 77인치 PI(Polyimide) 기판을 개발해 2020년까지 양산에 성공하겠다는 목표를 세우고 있다.
반도체, CASE 트렌드로 필수소재 부상
반도체 시장에서 차세대 자동차의 영향력이 높아지고 있다.
자동차 통신에는 지능형 교통 시스템(ITS)이 이용되고 있으나 차세대 자동차는 근거리 전용 통신(DSRC)과 함께 캐리어(Carrier) 통신 적용이 확대될 것으로 예상된다.
캐리어 통신은 4세대 이동통신 기술인 LTE(Long Term Evolution) 활용이 진행되고 있다.
유럽은 신차에 긴급 통보 시스템 eCall 탑재가 의무화됨에 따라 교통사고 등 비상상황이 발생했을 때 자동으로 통신을 실시하는 장치가 도입되고 있다. 다른 지역에서도 유상 서비스로 제공되고 있어 표준적인 탑재에 대한 기대가 높아지고 있다.
eCall 유닛은 독일의 보쉬(Bosch)가, 통신모듈은 인피네온(Infineon)이 공급하고, 일본에서도 교세라(Kyocera), 알프스일렉트릭(Alps Electric)이 통신기기, 덴소(Denso), 스미토모일렉트릭(Sumitomo Electric)이 모듈 개발에 나서고 있다.
5G와 관련해서는 미국 퀄컴(Qualcomm), 이태리 테릿(Telit) 등 캐리어용 디바이스 생산기업들이 통신칩을 개발하고 있다.
기판을 고주파화하기 위해서는 LCP(Liquid Crystal Polymer), 불소수지(Fluororesin) 등 유전율이 낮은 소재 이용이 요구됨에 따라 자동차에 적합한 고기능성 소재도 개발되고 있다.
기존 소재는 기가헤르츠대의 통과성에 문제가 있어 안테나 설치가 필요하기 때문에 아사히글래스(Asahi Glass)는 앞유리를 안테나화하는 기술, 멕트론(Mektron)은 루프를 활용하기 위한 대형 안테나 기판을 개발하고 있다.
주율주행 기술은 브레이크 등을 제어하는 ADAS부터 차선 추적 컨트롤(LTC), 협력·조정형 크루즈 컨트롤(CACC) 등 일부자율화, 완전자율화에 이르기까지 다양한 요소가 있는 것으로 파악되고 있다.
자동차용 반도체는 카메라 및 센서를 통해 얻은 정보를 고도·저지연으로 해석하기 위해 고용량·광대역 메모리 탑재 및 높은 연산성능도 요구되고 있다.
이에 따라 FPGA(Field Programmable Gate Array) 생산기업인 미국 Xilinx, 자동차용 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 생산기업인 Renesas Electronics, GPU(Graphics Processing Unit) 생산기업인 엔비디아(NVIDIA) 등이 디바이스 개발에 박차를 가하고 있다.
AI 기술과 관련해서는 데이터센터 등 계산에 특화한 환경을 활용함으로써 자동차용으로 최적화해 도입하는 움직임이 있어 자동차 뿐만 아니라 데이터센터 등의 계산기술도 밀접하게 관계되는 것으로 파악된다.
카메라는 빛 조건에 강한 촬영이 요구됨에 따라 소니(Sony), ON Semiconductor가 다이나믹 범위가 넓은 이미지 센서를 개발하고 있다.
OKI가 영상을 분석하거나 여러 카메라의 영상을 합성하는 프로그램을 제공하는 등 소프트웨어도 중요해지고 있으며 교세라(Kyocera)가 자동차용 적외선 카메라를 개발하는 등 가시광선 이외의 빛 이용도 증가할 것으로 예상되고 있다.
아울러 최근에는 자동차를 보유하지 않고 지역 및 서비스에 따라 공유하는 모델이 주목받고 있어 자동차 개별식별, 비접촉통신 등 인증수단을 중심으로 새로운 디바이스 도입이 활발해지고 있다.
EV용 고속통신·고도제어기술 개발 활발
xEV는 비접촉충전을 조합함으로써 이용하지 않을 때 자동충전이 가능해지는 이점이 있다.
카셰어링은 렌터카와 같이 시간제로 대여하는데 머무르고 있으나 앞으로 자율주행을 조합한 무인 커뮤니티 자동차 및 버스가 개발되면 따라 면허 없이 저렴하게 이용할 수 있는 이동수단으로 과소지역 및 고령화 사회를 뒷받침하는 인프라로 부상할 가능성이 높아지고 있다.
실용화 측면에서는 비상시 오퍼레이터와 대화하는 기능도 중요하기 때문에 마이크 시스템 등이 도입될 것으로 예상된다.
xEV는 유럽에서 배기가스 조작 문제가 발생한 이후 도입이 가속화되고 있다.
유럽에서는 가솔린(Gasoline) 자동차 판매를 전면 금지하는 방침을 발표한 국가도 있어 플러그인하이브리드 자동차(PHV)를 포함한 xEV가 2030년 신차의 35% 이상에 달할 것이라는 전망이 제기되고 있다.
전동화를 위해서는 케이블, 모터 등 부품 뿐만 아니라 반도체가 맡는 역할도 큰 것으로 파악되고 있다.
반도체 및 센서는 제어에 이용됨에 따라 전동화가 탑재수 증가로 직결되기 때문이다.
닛산(Nissan Motor)은 EV 모델 Leaf에서 모터 제어 주파수의 고주파화를 통한 연비 향상에 성공했다.
이에 따라 제어 정밀화에 따른 고성능화가 기대되고 있으며 전압·전류센서 제어회로와 MCU(Micro Controller Unit)를 일체화하는 움직임도 등장하고 있다.
대전압 제어용 파워반도체는 화합물 반도체가 적용되고 있다.
최대전압 650볼트 이상에서는 SiC(탄화규소)가 우위성을 보유하고 있어 인피네온(Infineon), 롬(Rohm), 미츠비시전자(Mitsubishi Electric) 등이 개발·실용화를 추진하고 있으며, 롬이 장기적으로 공급능력을 10배 이상 확대하겠다는 목표로 세우는 등 주도권 경쟁이 활발해지고 있다.
고전압, 고속제어를 위한 GaN(질화갈륨) 기기 개발도 이루어지고 있다.
다만, 웨이퍼 고품질화 및 대형화가 선결과제로 자리 잡고 있어 SiC는 다우코닝도레이(Dow Corning Toray), 쇼와덴코(Showa Denko), 덴소(Denso)가 직경 150밀리미터 그레이드를 개발하고 있으며 GaN은 스미토모전기가 100밀리미터 그레이드 공급 확대를 추진하고 있다.
파인세라믹스, 전장부품 안전성 향상 필수소재
세계적으로 자동차용 파인세라믹스 개발 경쟁도 치열해지고 있다.
파인세라믹스는 세계시장이 약 70조원으로 추정되고 있으며 친환경 자동차, 자율주행 자동차가 보급됨에 따라 100조원 이상으로 확대될 것으로 예상되고 있다.
최근에는 자동차용 고기능성 적층 콘덴서, 파워반도체 개발에 기여하는 세라믹스에 대한 연구가 활발해지고 있다.
일본에서 무기소재 연구·시험평가를 실시하는 일반재단법인 파인세라믹스센터(JFCC)가 2018년 여름 발표한 질화갈륨(GaN) 결정의 결함을 대면적·비파괴로 검출하는 방법의 개발, GaN 나노와이어 내부의 도판트 분포 관찰의 성공 등 파워디바이스 관련 연구성과가 모두 자동차 분야에 중점을 두고 있다.
JFCC에 따르면, 자동차는 고령자가 가속페달과 브레이크를 착각해 발생하는 사고가 증가함에 따라 앞으로 안전주행을 지원하는 자율주행 시스템이 필수적으로 탑재될 것으로 예상되고 있다.
카메라, 레이더, 센서가 탑재되는 차세대 자동차는 방대한 데이터 처리가 필요함에 따라 스마트폰과 마찬가지로 대량의 콘덴서와 반도체가 투입되나 안전성 등 품질기준은 스마트폰용에 비해 매우 높은 수준이 요구되고 있다.
대전압·대전류에 대응할 뿐만 아니라 고온 등 가혹한 환경에서도 확실하게 작동해야 하기 때문이다.
파인세라믹스는 높은 기술장벽을 극복하는데 필수적인 요소로 세계적인 개발경쟁이 치열해질 것으로 예상되고 있다.
일본 파인세라믹스 관련기업들은 약전 및 자동차 분야에서 두각을 드러내고 있으나 항공·우주, 의료·건강, 환경 영역은 미국기업 등이 선행하고 있다.
이에 따라 일본은 국가 주도로 다양한 연구개발 프로젝트를 진행하고 있다.
최근에는 JFCC를 중심으로 항공기 엔진 연비의 비약적인 향상을 기대할 수 있는 내열성 경량 세라믹스 복합소재의 내구성 향상에 필수적인 코팅기술을 개발해 실용화를 앞두고 있으며, 레이저 조사에 따라 세라믹스 소재를 소결·형성할 수 있는 3D프린터 기술을 확립해 실용화를 위한 컨소시엄 형성을 추진하고 있다.
이밖에 세라믹스로 피복한 집열파이프를 이용해 태양광으로부터 고온열원을 생성한 후 수소를 암모니아(Ammonia)로 변환해 소비지까지 효율적으로 운반하는 에너지 캐리어를 수소사회의 기반으로 삼기 위한 공동연구도 진행하고 있다.
전고체전지 실용화 연구개발도 강화
파인세라믹스는 콘덴서 등 전장부품 뿐만 아니라 친환경 자동차 고도화의 열쇠가 되는 축전지, LiB(리튬이온전지) 기술 혁신에도 중요한 요소로 자리 잡고 있다.
기존 LiB에 채용되고 있는 액상 전해질은 발화 등을 일으키는 원인으로 작용해 최근 휴대폰, 컴퓨터 배터리가 폭발하는 사고가 잇따르고 있다.
자동차용은 고도기술을 투입해 다양한 기술적인 과제를 극복함으로써 안전성을 확보하고 있으나 코스트가 상승해 EV 저가격화에 걸림돌로 작용하고 있다.
도요타(Toyota Motor)가 파나소닉(Panasonic)과 공동으로 실용화를 추진하고 있는 차세대 LiB는 전해질을 고체화한 전고체전지로 축전지 성능 향상과 동시에 안전성 확보를 목표로 하고 있으며 전해질 소재로 세라믹스를 유력하게 검토하고 있는 것으로 알려졌다.
JFCC는 배터리 소재 전문 해석그룹을 설치해 전해질, 전극을 이동하는 리튬이온의 거동해석 등에 힘을 기울이고 있다.
최근에는 파나소닉, 나고야대학과 공동으로 전고체 LiB 충방전 중 배터리 내부에서 이루어지는 리튬이온 거동의 가시화에 대한 연구를 진행해 성공적인 성과를 얻은 것으로 알려졌다.
초고성능 전자현미경, 컴퓨터를 활용하는 계산과학 전문가들이 크게 기여했으며 앞으로도 해석 영역에서 차세대 축전지 실용화에 기여할 방침이다.
JFCC는 2019년 봄 계산과학에 종사하는 연구원을 5명에서 7명으로 늘려 전자 규모의 해석에 대응할 수 있는 기존 제1원리 계산법에 이어 상위인 원자 규모의 몬테카를로법, 매크로 규모의 유한요소법에 따른 해석까지 가능한 체제를 구축할 계획이다.
페인트, 자동차 고도화 대응 본격화
오리진전기(Origin Electric)는 자동차 고도화에 대응한 페인트를 본격 공급한다.
자회사 도호카켄(Toho Kaken)은 첨단 운전자 지원 시스템 ADAS 보급 확대에 대응해 밀리파 레이더 투과 페인트를 개발했다.
2019년 여름 사업화를 목표로 1차 하청기업 등을 대상으로 제안하고 있으며 자동차 생산기업의 승인 취득을 위한 작업을 가속화하고 있다.
도호카켄은 몇 년 전 인듐 진공증착용 언더코팅제와 탑코팅제를 개발했다. 인듐은 알루미늄 피막과 달리 불연속 피막을 형성함에 따라 밀리파 등 고주파 투과에 적합한 것으로 파악되고 있다.
언더코팅제가 인듐 피막을 담지해 밑바탕인 수지소재와 접합하고 탑코팅제로 표면을 보호하는 방식으로 오리진전기가 공급하고 있는 도금부품용 2액형 아크릴우레탄 페인트 Origin Plate Z 등과 조합해 내후성을 유지하는 것으로 알려졌다.
해당제품은 일본 자동차 생산기업이 진출한 자사 해외거점에 이미 지원체제를 구축했으며 장기적으로는 1차 하청기업이 소재 및 부품을 제공하는 유럽 및 미국 자동차기업에 대한 채용을 목표로 판매를 확대할 방침이다.
밀리파 레이더는 전방용 측거에 활용되며 주파수가 높은 전파를 조사해 장애물과의 거리 및 상대속도를 산출하는 기능을 보유하고 있다.
77기가헤르츠대인 밀리파는 빛보다 파장이 길고 직진성이 뛰어나 비, 눈 등 기후의 영향을 잘 받지 않는 특징이 있어 스마트카메라 등 광학식에 이어 보급이 이루어지고 있다.
송수신부는 일반적으로 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 베이스 엠블럼 등 수지소재 뒤쪽에 배치되나 알루미늄(Aluminium) 증착막이 밀리파를 차단하는 문제점이 있다.
이에 따라 최근에는 고주파를 투과하는 인듐 증착막이 주류로 부상하고 있다.
도호카켄은 화장품 용기에 사용하는 진공증착용 페인트를 주력으로 공급하는 플래스틱 코팅제 생산기업으로 2011년 오리진이 자회사로 편입했고 2017년에는 생산능력을 1.5배로 확대했다.
오리진은 고의장성 내장 페인트에 주력하고 있는 가운데 센서 보급 등 자동차 고도화에 대응해 고기능성 페인트 라인업을 확충함과 동시에 솔루션 제공능력을 강화하는데 힘을 기울이고 있다.
간사이, 전파흡수·LiDAR용 소재 개발
간사이페인트(Kansai Paint)도 자동차 고도화에 대한 대응을 강화하고 있다.
자동차산업이 CASE를 중심으로 100년만에 대대적인 변혁기를 맞고 있기 때문으로, 간사이페인트는 2018년 12월 밀리파 레이더의 검출 정밀도를 향상시키는 전파흡수 시트 라인업을 확충한데 이어 LiDAR(Light Detection And Ranging)에 대응할 수 있는 소재 개발을 추진하고 있다.
현재는 자동차용 페인트가 전체 매출의 약 30%를 차지하고 있으며 2019년에는 자동차 고도화 대응 등 신규영역을 확대함으로써 매출비중을 더욱 끌어올릴 방침이다.
ADAS는 스마트카메라 등 광학식 센서가 기술적으로 선행한데 이어 밀리파 레이더가 뒤를 이었으며 최근에는 근적외선을 조사하는 LiDAR이 개발되고 있다.
4단계 이상의 자율주행 시스템은 개발 센싱기술의 약점을 커버하기 위해 자동차 내부에 각종 센서를 복수 탑재하는 방향으로 검토가 이루어지고 있으며 아직 다양한 과제가 산재하고 있다.
그러나 간사이페인트는 2020년 이후 실현이 가능할 것으로 예상하고 대책을 강화하고 있으며, 전자파와 관련해서는 흡수, 반사, 투과를 중심으로 각종 소재 개발을 가속화하고 있다.
전파흡수 시트는 2002년 출시한 ETC용 판상 흡수체가 모체로 2018년 3월 전방 레이더로 사용하는 주파수대역 대응제품을 발표했고 터널 내부 등에 부착해 차간거리 오인식 및 허상 방지용에 대한 적용을 기대하고 있다.
12월에는 측면·후방용 레이더 대응제품을 추가했다. 측면·후방용은 일본에서 준밀리파인 24기가헤르츠 대역이 사용되고 있으나 신제품은 장기적으로 더욱 고성능화가 기대되는 79기가헤르츠 대역에 대응하고 있으며 일본에서도 몇 년 이내에 보급될 것으로 예상하고 있다.
앞으로는 주행차량 사이의 통신을 포함한 5단계 완전자율주행 실용화에 대비해 5G(5세대 이동통신)에 대응하는 흡수체 개발을 가속화할 방침이다.
간사이페인트는 자동차 시장이 급속도로 변화하고 있는 가운데 장기간 축적한 비즈니스 노하우를 바탕으로 환경 및 하이테크놀로지 분야에 도전하겠다는 목표를 세우고 있다.
