PI(Polyimide)가 5G(5세대 이동통신) 시장에서 주목받고 있다.
PI는 주력인 FPC(Flexible Printed Circuit)의 5G 대응제품 채용이 확대될 것으로 예상되면서 필름, 바니시, 접착제 생산기업 등이 적극적으로 공세를 가하고 있다.
전자소재 외에 배터리 등 에너지 분야에서도 응용이 가속화되고 있어 첨단산업에서 중요한 소재로 자리 잡고 있다.
초내열성 EP(엔지니어링 플래스틱)인 PI는 열경화성 수지 가운데 내열성이 가장 뛰어나 전자회로기판 등 섭씨 500도에 달하는 공정에 대응할 수 있으며 내마찰성을 비롯한 물리적 특성, 저유전율 등 전기적 특성이 우수한 것으로 평가되고 있다.
코로나19 침체국면에서도 수요 안정적…
PI는 주로 PMDA(Pyromellitic Dianhydride)와 BPDA(Biphenyltetracarboxylic Dianhydride)를 원료로 생산하며 필름, 바니시, 파우더 등 다양한 형태로 공급되고 있다. 필름 및 바니시는 주로 전자회로기판 절연재로 투입된다.
FPC는 코로나19(신종 코로나바이러스 감염증) 확산에도 불구하고 스마트폰 보급 확대의 영향으로 수요가 안정적으로 증가하고 있으며 PI필름 역시 안정세를 유지하고 있으나 PMDA를 원료로 사용하는 범용필름은 한국, 타이완, 중국기업 사이에 가격경쟁이 치열하게 전개되고 있다.
PI필름이 표준으로 자리 잡고 있는 LCD(Liquid Crystal Display)용 CoF(Chip on Film)는 2020년 글로벌 수요가 약 8% 증가한 것으로 추정되고 있다.
50인치 이상의 대형 TV와 대형 TV에서 주류를 이루고 있는 4K TV에 COF를 탑재하는 수가 증가하고 있는 가운데 코로나19로 TV 교체수요가 활성화되고 재택근무 확대로 PC 판매가 늘어났기 때문이다.
PI필름도 수요가 증가하고 있다.
전자회로기판 분야에서는 플렉서블 OLED(Organic Light Emitting Diode) 디스플레이 기판 소재로 PI바니시가 채용되고 있다.
유리기판에 바니시를 칠한 후 박막 트랜지스터(TFT), LED(Light Emitting Diode) 소자를 형성하고 유리기판을 제거하는 공법이 표준화되고 있으며 중국이 신규 OLED 공장을 잇따라 가동하면서 PI바니시 수요 호조를 견인하고 있다.
최근에는 OLED 기판용으로 부상하고 있다.
바니시 방식은 코팅, 건조, 유리기판 제거 관련설비가 필요해 1개 라인을 통한 대량생산에서는 유리하나 앞으로 OLED가 탑재되는 스마트폰은 크기, 기능 등에 대한 니즈가 세분화됨으로써 1개 라인에서 다양한 기판을 생산할 필요성이 높아지고 있다.
유리기판 크기에 맞춰 공급할 수 있는 PI필름이 사용하기에 더 편리할 것으로 판단되나 비결정성 실리콘 TFT 프로세스는 온도가 300도 이상에 달해 필름에 고내열성, 유리 수준의 평활도가 요구되고 있다.
5G 대응 그레이드 개발 가속화
PI는 5G 시대가 본격화됨과 동시에 새로운 흐름이 나타날 것으로 기대되고 있다.
스마트폰, 스마트워치, 자동차, 드론 등 5G에 대응하는 다양한 에지(Edge) 기기가 등장하고 있기 때문이다.
회로 및 기판, 능동‧수동 부품, 액정, 안테나, 메모리 등 5G 관련 디바이스 시장은 2020년 11조엔에서 2022년 21조엔으로 확대될 것으로 예상되고 있다.
5G는 초고속, 고용량, 초저지연, 초연결 등의 특징을 보유하고 있으며 4G에 비해 고속으로 광범위한 영역을 커버할 수 있어 서브 6 대역(3.6-6GHz)과 초고속통신에 적합한 밀리파 대역(28-300GHz) 주파수를 이용하고 있다. 
해당 주파수 영역에서는 신호 전송손실을 줄이기 위해 유전율이 낮은 FPC 소재가 필수적으로 요구되고 있다.
이에 따라 PI필름 생산기업들은 5G 대응 그레이드 개발에 박차를 가하고 있다.
또 필름을 단독으로 사용하지 않고 불소수지(Fluororesin)와 조합해 유전율을 낮추기 어려운 문제점을 극복하는 복합소재를 개발하고 있다.
필름 외에는 FPC 전송손실을 줄일 수 있는 5G 대응 FPC의 접착제용으로 유전율이 낮고 접착성이 뛰어난 PI수지가 출시됐다.
PI 생산기업들은 5G 대응에 이어 투명화 기술 개발에 힘을 기울이고 있다.
내열수지는 일반적으로 내열성과 투명성을 양립하기 어려우며 PI필름은 황색에서 적갈색으로 착색되는 것으로 파악되고 있다. 전자회로기판에서는 착색이 문제시되지 않으나 디스플레이 커버윈도우용은 투명성이 필수적으로 요구되고 있다.
플렉서블 OLED의 커버윈도우용 유리소재는 폴딩을 반복하면서 파손될 가능성이 있어 수지필름을 적용하는 방안이 검토되고 있다. 한국 및 일본 PI필름 생산기업은 이미 투명필름 개발을 완료하고 커버윈도우용으로 표준화를 추진하고 있다.
PI는 LiB(리튬이온전지) 등 에너지 분야에서도 신규 수요가 발생하고 있다.
실리콘 음극재의 바인더 소재로 PI바니시 등이 채용되고 있다. 실리콘은 흑연에 비해 방전용량이 뛰어나나 방전 중에 부피 변화가 커 부피 변화에 추종하는 PI를 바인더로 사용함으로써 음극재 파손을 방지하는 것으로 파악되고 있다.
LiB는 발화 등을 일으키는 열폭주를 방지하기 위해 수지 분리막을 투입하고 있으나 전극 표면에 PI를 코팅해 내열성 보호막을 형성하는 방법이 개발되고 있다.
우베코산, 안정공급체제 강화에 주력
우베코산(Ube Kosan)은 PI 원료 생산능력 확대, 바니시 등 신규 그레이드 개발을 통해 PI 사업을 강화하는 전략을 추진하고 있다.
PI는 주원료인 BPDA부터 수직계열화해 필름, 바니시, 파우더 등 다양한 형태로 공급하고 있으며 삼성디스플레이와 합작으로 설립한 에스유머티리얼스와 함께 세계 CoF용 필름 및 OLED용 바니시 시장을 70% 이상 장악하고 있다.
Upilex 브랜드로 공급하고 있는 PI필름은 CoF용 베이스필름으로 채용되고 있으며 탑재개수가 많은 대형TV, 4K 등 고화질 TV 판매 증가로 수요가 확대되고 있다.
PI바니시 브랜드인 Upia는 OLED 등에 탑재하는 TFT 기판 등에 투입되고 있으며 중국의 OLED 수요 증가에 따라 안정세를 유지하고 있다.
반도체 제조장치 부품용이 주류인 파우더제품은 반도체 호황에 따라 수요가 증가하고 있다.
우베코산은 PI 수요 증가에 대응해 2019년 사카이(Sakai) 공장의 필름 생산라인을 재가동한데 이어 2020년 Ube Chemical 공장의 바니시 생산능력을 확대했다.
원료인 BPDA도 보틀넥 해소를 통해 생산을 확대했으나 앞으로 5G에 대응하는 전자소재용 등으로 PI 수요가 늘어날 것으로 예상됨에 따라 자가소비 확대에 대한 대응, 상업판매용 안정공급을 위해 Ube Chemical 공장에서 추가 증설을 추진하고 있다. 생산능력은 60% 확대할 계획이며 2023년 하반기 가동을 목표로 하고 있다.
아울러 신규수요를 개척하기 위해 연구개발(R&D)을 적극 강화하고 있다.
바니시는 환경보전에 대응한 그레이드 Upia NF를 개발하고 있다.
NMP(N-Methyl-2-Pyrollidone) 용제를 사용하지 않는 수계 바니시로 기존 전자소재 및 심리스(Seamless) 벨트 등 기계부품 뿐만 아니라 페인트 분야에 새롭게 투입하기 위해 일본 및 유럽에서 평가를 진행하고 있다.
LiB 소재인 Upia LB도 개발했다.
실리콘계 음극재 전용 바니시로 LiB 충방전에 대한 실리콘의 부피 변화에 대응하는 것으로 알려졌고, 전고체전지 전극용으로도 제안할 계획이다.
JFE케미칼, 특수제품 용도 개척 박차…
JFE케미칼(JFE Chemical)은 PI 원료부터 바니시까지 라인업을 확충해 신규용도 개척을 가속화하고 있다.
원료는 범용 모노머의 구조를 비대칭으로 만든 그레이드의 마케팅을 강화하고 있고 물리적, 전기적 특성 등을 개선할 수 있는 변성제로 5G, OLED 관련 디바이스에 대한 채용을 추진하고 있다.
바니시는 저유전 등 수요처 니즈에 대응한 성능을 갖춘 특수제품을 상품화해 전자소재를 비롯해 에너지, 페인트용으로 투입할 계획이다.
원료는 범용 모노머인 BPDA, Cardo 타입인 BPAF(Bisphthalic Anhydride Containing Fluorine), 비대칭 구조인 3,4,-DAPE(Diaminodiphenyl Ether) 등을 상품화하고 있는 가운데 최근 비대칭 그레이드에 대한 니즈가 높아짐에 따라 신제품을 적극 개발하고 있다.
폴리머 골격에 비대칭 구조를 도입함으로써 물리, 전기, 광학 등 기본적인 특성을 개선할 수 있으며 유기용제에 대한 용해성을 향상시키고 열가소성도 부여할 수 있어 적용범위가 확대되는 것으로 파악되고 있다.
a-BPDA, a-ODPA(Oxydiphtalic Anhydride) 등을 개발하고 있으며 5G에 대응하는 FPC, OLED 디스플레이 커버 등 전자‧광학소재에 대한 채용을 기대하고 있다.
JFE케미칼은 MI(Materials Informatics)를 도입해 원료 및 합성기술, 개발 노하우 등을 활용한 신규 모노머 개발체제를 구축하고 있다.
PI바니시는 원료부터 생산하고 있는 JIV 시리즈를 복사기용 벨트, 절연피막소재, 전자기판용 등으로 공급하고 있으며 5G, OLED, 전기자동차(EV) 등 성장분야의 수요처 요구에 따라 성능을 개선한 특수제품으로 시장 공략을 강화하고 있다.
저유전 등 전기적 특성, 저팽창성, 저흡수성 등 물리적 특성을 부여한 그레이드, 환경부하 저감 그레이드를 개발하고 있으며 전자기판, 디스플레이, 반도체, 배터리, 페인트 등에 절연재, 코팅제, 첨가제 용도로 샘플 공급을 시작한 것으로 알려졌다.
도요보, 디스플레이‧5G 시장 공세 적극화
도요보(Toyobo)는 고내열성 PI필름을 Xenomax 브랜드로 공급하고 있으며 신규용도 개발에 힘을 기울이고 있다.
폴리머필름은 최고 수준의 내열성, 치수안정성을 활용한 TFT 기판소재용으로 미니 LED 등 차세대 디스플레이 분야에서 채용을 확대하기 위한 전략을 추진하고 있으며 다른 소재와 복합하는 기술을 활용해 5G 대응소재로도 투입할 방침이다.
Xenomax는 내열성이 유기소재 가운데 최고 수준으로 300도 이상에서 탄성률 하락폭이 적고 500도에 달하는 생산 프로세스에서 사용할 수 있는 특징이 있다. 또 저열팽창계수가 광범위하고 형상안정성, TFT 유리기판과 동등한 표면윤활성을 보유하고 있어 TFT 기판 소재로 채용이 증가하고 있다.
TFT 트랜지스터는 실리콘 등을 유리기판 위에 얇게 코팅해 형성하나 플렉서블화, 경량화의 영향으로 500도에 육박하는 프로세스 온도를 견딜 수 있는 필름기판이 유리기판을 대체하는 소재로 주목받고 있다.
Xenomax는 전자종이 TFT 기판소재로 채용이 확대되고 있으며 디지털 사이니지 등에 이용하는 미니 LED용 등으로 신규 수요를 개척하고 있다.
디스플레이 이외 분야에서도 용도 개척에 주력하고 있다.
최근에는 Xenomax를 금속박에 부착해 면상발열체로 공급하기 시작했으며 5G 관련 분야에서는 Xenomax와 불소수지를 접합한 신소재를 제안하고 있다.
5G에 사용되는 고주파 영역에서는 비유전율이 작은 불소수지가 적합함에 따라 보강재인 유리섬유를 대체하는 소재로 Xenomax를 투입해 복합소재를 형성함으로써 밀리파를 이용하는 5G 대응 TFT 기판소재용으로 공급하고 있다.
PI첨단소재, 신제품 개발로 영향력 확대
국내에서는 PI첨단소재가 신제품 개발에 속도를 내고 있다.
PI첨단소재는 2008년 코오롱인더스트리와 SKC가 각각 PI필름 사업을 분리해 50대50으로 설립한 합작기업 SKC코오롱PI의 새로운 회사명이다.
코오롱인더스트리와 SKC는 2019년 12월 각각 보유한 SKC코오롱PI의 지분 27.03%를 3040억원에 글랜우드PE가 세운 투자목적기업인 코리아PI홀딩스에게 매각했고, 2020년 3월 코리아PI홀딩스가 SKC코오롱PI의 최대주주로 변경되며 회사명도 PI첨단소재로 바꾸었다.
최근에는 필름이 아닌 용액 형태의 바니시나 분말 형태의 파우더, 감광성(포토센시티브) PI 등 다양한 분야로 영역을 확대해가고 있다.
설립 당시 글로벌 시장에서 3위였으며 이후 생산능력과 판매량을 확대하며 현재 세계 1위를 차지하고 있다.
PI 바니시는 글로벌 자동차기업이 차세대 전기자동차 모델에 PI첨단소재 개발제품을 채용해 주목받고 있다. 생산능력은 600톤으로 전기자동차 모터의 케이블 코팅에 투입되며 2021년부터 매출을 기대하고 있다.
PI첨단소재는 효율적인 재고 관리와 매출채권 관리를 통한 수익성 개선에도 집중하고 있다.
2020년 상반기 영업이익률은 23.2%로 2019년 상반기에 비해 10%포인트 향상됐고 현금창출능력을 나타내는 EBITDA도 32%로 11%포인트 개선됐다.
최근 중국, 북미, 인디아 등 해외시장에서 스마트폰 판매가 살아나면서 연성회로기판(FPCB)용 PI필름 출하량이 다시 증가하고 있다.
코오롱인더스트리, 폴더블 커버윈도우 용도 개척
코오롱인더스트리는 투명 PI필름으로 폴더블(Foldable) 디스플레이의 커버윈도우 용도를 적극 공략하고 있다.
2021년 4월 글로벌 PC 생산기업 레노버(Lenovo)가 출시한 세계 최초의 폴더블 노트북 싱크패드 X1 폴드에 투명 PI필름 브랜드 CPI필름을 커버윈도우용으로 공급하기로 결정했다. X1 폴드는 13.3인치의 화면을 쉽게 접고 펼 수 있는 프리미엄 폴더블 노트북으로, 2020년 말 북미에 출시됐으며 국내에는 2021년 2월부터 판매하고 있다.
박막유리 커버윈도우 대신 투명 PI필름을 적용함으로써 세계 최초로 터치펜 기술을 탑재한 것이 특징이다.
주력 용도인 폴더블 스마트폰에 대한 공세도 강화하고 있다.
5월 샤오미(Xiaomi)의 첫 폴더블 스마트폰인 미믹스폴드(Mi Mix Fold)의 커버윈도우에 탑재됐다고 밝혔다.
코오롱인더스트리 CPI필름은 유리처럼 투명하고 수십만번 접어도 흠집이 나지 않아 폴더블 디스플레이의 커버윈도우용으로 사용되고 있다. 다른 소재들에 비해 온도 변화와 장기간 사용에 대한 내구성이 강하고 다양한 크기와 디자인의 폼팩터에 자유롭게 적용할 수 있는 것이 강점이다.
코오롱인더스트리는 2019년 세계 최초로 투명 PI필름 양산에 성공한 후 다수의 글로벌 디스플레이 생산기업에게 공급하고 있다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)
