질화붕소, 비늘형 한계 넘어 잠재력 발굴 박차
질화붕소(BN)는 알루미나(Alumina), 산화마그네슘보다 방열성이 높다는 점에서 5G(5세대 이동통신)용 방열필러 개발 경쟁이 치열하게 벌어지고 있다.
그러나 유동성, 이방성 문제가 있고 비늘형이어서 수요기업들이 사용하기 어렵다는 과제가 있어 현재 진행되고 있는 개발 프로젝트들이 성과를 거두기까지 시간이 소요될 것으로 예상된다.
질화붕소는 흑연과 비슷한 비늘형 결정 구조를 보유한 백색 필러로 비늘 모양의 층을 따라 높은 윤활성을 나타내기 때문에 화장품 안료 등에서 널리 사용되고 있다.
높은 방열성을 갖추고 있어 5G 방열 용도로 투입량이 늘어날 것으로 기대를 모았으나 비늘형이어서 유동성 문제가 있고 방열 방향에 이방성이 있어 원하는 방향으로 방열시키기 위해서는 높은 수준의 배합 기술이 필요한 것으로 나타나고 있다.
유동성과 관계없이 소량 첨가하는 용도에서는 이미 시트, 그리스 등으로 채용이 시작됐으나 5G 분야는 고충진화가 필수적인 것으로 파악되고 있다.
현재 상태로는 질화붕소를 시트 등으로 제조했을 때 잠재력을 발휘하기 어려운 것으로 판단되고 있다.
그러나 생산기업들은 질화붕소가 높은 방열성 뿐만 아니라 저유전율 등 다른 특징도 보유하고 있어 5G 고주파에 대응할 수 있다는 점에 주목하면서 개발에 박차를 가하고 있다.
질화붕소를 필러로 제조했을 때 산화마그네슘과 동일하게 부드럽다는 특징도 5G 분야에서 강점이 되고 있다.
쇼와덴코(Showa Denko)는 비늘형 외에 충진율을 높이기 쉬운 과립형 질화붕소도 공급하고 있다.
이미 과립형으로 파워기기 용도에서 판매실적을 거둔 바 있으며 5G 분야에서도 판매량을 확대해나갈 계획이다.
비늘형은 방열 이방성이 한계이나 과립형은 전방위로 방열이 가능하다는 강점을 활용하고 있다.
라인업을 풍부하게 갖추고 있는 덴카 역시 질화붕소 필러를 공급하고 있으며 차별제품인 나노 사이즈를 공급하면서 5G 분야나 특수 분야를 공략하고 있다.
최고 밀집충진 구조를 만들 때도 질화붕소 미립 필러가 틈을 막아버려 충진율을 높이기 쉽다고 강조하고 있다.
미츠비시케미칼(Mitsubishi Chemical)은 3차원 연결 구조를 보유한 응집체 구형 질화붕소를 생산하고 있다.
3차원으로 결합돼 있어 기존 구형 질화붕소와 달리 형상 유지성이 뛰어나며 열전도 패스를 확보할 수 있어 방열성을 높일 수 있는 것으로 알려졌다.
앞으로 시트도 생산해 사업화할 방침이다.
아데카(Adeka)는 박층 질화붕소 필러를 개발함으로써 경쟁기업과의 차별화에 총력을 기울이고 있다.
육방정 질화붕소에서 박리시켜 얻을 수 있는 박층 박리 질화붕소는 조금만 첨가해도 열전도율을 크게 높일 수 있는 것으로 알려졌다.
유일하게 환원질화공법으로 질화붕소를 생산하고 있는 도쿠야마(Tokuyama)는 수지에 대한 충진성이 우수한 판형 질화붕소로 차별화를 도모하고 있다.
JFE Steel 그룹의 미즈시마합금철(Mizushima Ferroalloy)도 형상과 응집 입자 사이즈 제어 기술을 활용해 질화붕소 판매를 확대하고 있다.
질화알루미늄‧탄소섬유, 고방열 분야 개발 본격화
질화알루미늄(AlN)은 질화붕소보다 열전도성이 뛰어난 것으로 평가받고 있다.
저유전율, 열전도성이 뛰어난 질화붕소와 비교했을 때 방열성이 더 우수하며 알루미나와 마찬가지로 구형으로 만들기 쉽다는 강점을 갖추고 있어 5G 시대에는 데이터센터, 기지국 용도 수요가 증가할 것으로 기대되고 있다.
절연성을 무시할 수 있고 다른 소재로 보충이 가능한 분야에서는 탄소섬유(Carbon Fiber)에 대한 니즈가 확대되고 있다.
요구 성능, 코스트, 방열에 할당된 공간까지 여러 조건을 맞추었을 때 최적화된 방열 설계로 선택되고 있다. 
그러나 비늘형 질화붕소는 방열방향에 이방성이 있고 양방향 방열성은 질화알루미늄과 동등 이상의 성능을 발휘할 수 있으나 두께 방향은 방열성이 떨어지는 과제가 남아 있다.
다만, 질화알루미늄은 이방성이 없고 구형으로 제조하기 쉬우나 흡수성이 높다는 과제가 있어 관련기업들이 개선에 박차를 가하고 있다.
질화알루미늄 분야에서 글로벌 시장점유율 70%를 확보한 도쿠야마는 질화알루미늄과 질화붕소를 공급하고 있으며 질화규소까지 개발함으로써 알루미나 등 산화물계 범용시장이 아닌 특수한 질화물계로 차별화를 도모하고 있다.
관련기업 가운데 유일하게 환원질화공법으로 고순도 질화물 필러를 제조할 수 있으며 최근에는 알루미나는 방열성이 떨어지고 탄소섬유는 절연성을 관리하기 어렵다는 수요기업을 중심으로 질화알루미늄 제안을 가속화하고 있다.
2020년에는 신규 생산라인 2기를 상업 가동함으로써 고순도 질화알루미늄 분말 생산능력을 40% 확대했다.
그룹기업인 TD Power Material이 생산하고 있는 질화알루미늄 화이트보드용 뿐만 아니라 다양한 니즈에 대응할 방침이다.
나고야(Nagoya)대학에서 출범한 벤처기업인 U-Map은 섬유 형태의 질화알루미늄 위스커(Whisker)를 제안하고 있다. 섬유 구조가 겹치면서 양호한 열전도 패스를 형성하고 높은 방열성을 나타내는 것이 강점이다.
Toyo Aluminium도 질화알루미늄을 공급하고 있다.
최근에는 탄소섬유 타입이 섬유 형태로 보급되고 있다.
세키스이폴리머텍(Sekisui Polymertech)과 덱세리얼즈(Dexerials)가 시장을 양분하고 있으며 양사 모두 시트 두께 방향에 탄소섬유를 배합해 두께 방향의 고방열성을 실현한 것으로 알려졌다.
세키스이폴리머텍은 특수소재를 탄소섬유화함으로써 질화알루미늄의 5배로 알려진 열전도율 1000W/mK 탄소섬유를 실현했다.
5G 분야에서 요구되는 방열성을 충족한 상태로 시트 설계를 개선하거나 전자흡수성을 부여하는 방식으로 개량 작업도 진행하고 있다.
덱세리얼즈는 얇은 탄소섬유 시트를 제조할 수 있어 두꺼운 것을 기피하는 스마트폰 분야에서 채용실적을 쌓아가고 있다.
현재 기지국 용도에서는 두꺼운 타입이 채용되고 있기 때문에 스마트폰용 얇은 타입과 함께 공급하면서 5G 분야에서 수요를 계속 확보해나갈 방침이다.
두꺼운 타입은 노이즈 문제를 해결한 신제품을 샘플 출하하고 있으며 두께를 줄이거나 공정을 단축하는 작업도 추진하고 있다.
질화규소, EV 절연기판 중심 성장세 계속
질화규소는 절연기판용 필러로 주목받고 있다.
방열성과 전기특성을 모두 갖춘 질화붕소와 달리 질화규소는 방열성 뿐만 아니라 기판으로 제조했을 때 내열충격성, 기계적 강도 등도 우수하다는 평을 받고 있다.
기판이 강해 깨지지 않도록 해주기 때문에 전기자동차(EV) 파워모듈 용도에서 수요가 증가하고 있다.
질화규소 기판은 알루미나 기판이나 질화알루미늄 기판보다 고강도, 고인성인 것이 특징이고 금속과 조합한 복합판은 금속이 팽창해도 질화규소 기판을 붙여둔 덕분에 깨지는 것을 막을 수 있는 것으로 알려졌다.
기계적 강도가 높아 기판을 얇게 제조할 수 있어 경량화 효과도 탁월한 것으로 평가되고 있다.
현재는 주로 EV 파워모듈 용도로 투입되고 있고 철도차량이나 로봇 등 산업기기 용도에서도 채용이 늘어나고 있다.
파인세라믹 생산기업인 도시바머터리얼(Toshiba Material)은 앞으로 차세대 자동차용을 중심으로 높은 성장률을 나타낼 것으로 기대하고 생산능력을 2배, 일본파인세라믹(Japan Fine Ceramics)은 10배 확대하고 있다.
덴카(Denka)는 질화규소 분말 분야에서 세계시장 점유율 1위를 장악하고 있고 필러를 외부에 판매할 뿐만 아니라 다운스트림인 질화규소 기판도 자체 생산하고 있다.
질화규소 분말은 조기에 생산능력을 확대할 계획이며 기판은 오무타(Omuta) 공장에서 증설하는 방안을 검토하고 있다.
하이엔드 시장에서 높은 시장점유율을 나타내고 있는 우베코산(Ube Kosan)은 높은 신뢰성이 요구되는 항공기 용도에서 질화규소 분말을 유일하게 공급하고 있다. 질화규소로 제조한 베어링볼이 항공기 제트엔진 용도에서 채용된 바 있다.
우베코산이 제조하는 질화규소는 자체 생산하는 암모니아(Ammonia)를 원료로 독자적인 이미드 열 분해공법으로 제조한 것이며 입도 분포가 좁아 고순도라는 강점을 갖추고 있다.
고품질이라는 강점을 활용하면서 EV 파워모듈 용도를 개척해나갈 방침이다.
질화규소 분말 및 질화규소 기판에서 글로벌 시장 진출을 준비하고 잇는 도쿠야마는 2020년 봄 첨단기술사업화센터를 신설하고 질화규소 사업화를 위한 실증실험에 착수할 방침이다.
유기용제 사용량 감축과 에너지 절감 및 코스트 저감을 목표로 한 기판 제조 프로세스를 확립할 계획이며 후발주자라는 한계를 넘어서 시장 개척에 총력을 기울이고 있다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)
