KRICT 랩투어

화학소재 산업의 디지털 전환

‘비커 없는 실험실’이 앞장선다

수많은 물질을 다루는 화학 분야에서 최적의 소재 물질을 도출하고 효율적인 공정을 설계하는 것은 산업 경쟁력의 가장 중요한 요소들이라 할 수 있습니다. 화학연은 국내 화학산업의 글로벌 경쟁력 확보를 위해 관련 데이터에 대한 산업계의 활용도와 접근성을 높이려는 노력을 해왔습니다. 또한 막대한 사업화 비용과 시간의 절감에 필요한 원스톱 솔루션을 제공하는 데 심혈을 기울이고 있는데요. 초정밀 롤투롤 파일럿 코팅공정부터 화학소재 디지털 전환 기술 개발까지, 원천기술을 신속하게 사업화할 수 있는 전주기적 인프라 구축에 구슬땀을 쏟고 있는 화학소재솔루션센터가 대표적인 사례입니다.

세계 최고 수준의 코팅 테스트베드

화학소재솔루션센터는 지난 2011년 설립 이래 화학소재 특성 정보 및 기술 정보 데이터베이스 구축과 사용자 제공을 위한 화학소재정보은행, 시뮬레이션 및 인공지능 기술을 적용한 소재 물성 예측과 부품·모듈의 성능예측을 할 수 있는 디지털전환 플랫폼, 기능성 코팅소재의 공정 적합성 평가 및 기능성 필름 양산성 평가를 위한 화학소재 코팅 테스트베드(Coating Test-bed)의 구축에 노력해 왔습니다.

앞서 2007년부터 구축이 시작된 화학소재정보은행(Chemical Materials Information Bank, CMiB)은 화학소재 물성과 응용 데이터베이스 구축 및 보급, 첨단 화학소재정보 확보에 필요한 국내외 협력망 구축, 화학소재 최신 기술동향 정보 및 심층보고서 제공과 맞춤형 기술 컨설팅 등의 임무를 수행하고 있습니다. 그간 화학소재정보은행을 기반으로 화학소재솔루션센터가 구축한 소재 물성 및 응용 데이터는 고기능성 복합재료, 기능성 코팅필름, 페로브스카이트 등 분야별로 100만 종 이상에 달하며 1,000여 곳의 회원사와 연구자들에게 제공되는 물성 정보와 기술 동향 등은 한해 약 93만 건에 이를 만큼 방대합니다.

세계 최고 수준으로 평가받고 있는 화학소재솔루션센터의 코팅 테스트베드는 첨단 정보통신 디바이스와 미래 모빌리티 등에 적용되는 디스플레이, 터치패널, 이차전지, 태양전지, 스마트윈도우 필름 등의 고기능성 필름 소재의 개발을 지원하는 시설입니다. 이를 위해 필름·코팅 등 매우 높은 수준의 청정 환경을 요구하는 공정에서 공기 중 입자의 농도, 온도 및 습도를 제어하며 일정한 청정도를 유지하는 공정시설인 클린룸(1,000㎡)과 준클린룸(230㎡)을 갖추고 습식코터, 스퍼터, 화학기상증착장비 등 6종의 파일럿 습식 및 건식 코팅 공정장비, 롤투롤 레이저패터닝 장비와 평가·측정 장비, 용액제조 부대장비 등 특수 코팅 인프라 구축을 계속해왔습니다.

연구개발 성과의 상용화를 촉진하기 위해 추진된 코팅 테스트베드의 대표적인 성공 사례로는 2016년 세계 최초로 대면적 상용화에 적합한 새로운 불소계 고분자 나노복합박막 기술을 개발해 국내 코팅 소재 기업에 이전한 것을 들 수 있습니다. 스마트폰과 플렉서블 디스플레이 등의 표면은 여러 겹의 필름층으로 구성돼 있습니다. 또한 눈에 보이지 않는 작은 기능성 입자와 소재들이 정밀하게 코팅돼 지문방지, 오염방지, 발수 등의 기능을 제공합니다. 그간 이런 기능을 구현하기 위해서는 주로 불소계 소재 용액을 코팅하는 습식용액공정이 이용됐습니다. 하지만 이런 방식은 유기용매를 사용해야 하므로 친환경적이지 않고 복합적인 기능 구현에 어려움이 많았습니다. 이를 극복하기 위해 용액을 사용하지 않고 대기 또는 진공 상태에서 코팅하는 건식 코팅 기술이 세계적으로 많이 연구되고 있었지만 대면적 상용화에는 한계가 있던 상황이었지요.

이에 따라 화학소재솔루션센터 연구진은 코팅 테스트베드를 기반으로 기능성 건식 코팅 소재를 연구한 끝에 새로운 불소계 고분자 박막 소재와 이를 대면적 롤투롤 스퍼터 공정으로 제조할 수 있는 기술 개발에 성공합니다. 롤투롤(role-to-role) 공정은 롤로 감은 필름을 풀면서 표면을 가공하여 특정 기능 및 구조를 부여한 후 다시 롤 형태로 감는 연속 생산 공정입니다. 새로운 소재는 발수성, 내지문성에 더해 고유연성, 고경도성, 반사방지, 유기 전자소자를 보호하는 수분 배리어 등의 기술적 진보와 함께 발수코팅, 오염방지 코팅, 반사코팅, 고기능성 발수 섬유코팅, 지문방지 코팅, 전기전도 코팅, 전기변색 코팅, 고경도 및 내마모 코팅, 발유코팅, 고투과 코팅 등 다양한 제품군에서 롤투롤 공정의 대량생산이 가능해 상용화에 유리한 강점을 두루 갖추고 있었습니다.

화학소재솔루션센터 연구진은 계속해서 우수한 데이터베이스와 장비 인프라, 전문적인 연구역량을 기반으로 은나노와이어와 ITO 소재 기반의 투명도전성 필름, 플렉서블 디바이스에 필수적으로 요구되는 가스 배리어 필름, 친환경 복합 기능성 유기박막 코팅필름, 대면적 태양전지 등의 개발 지원 연구를 수행하고 있습니다.

화학소재산업 디지털 전환의 첨병

(좌) 대면적 반사방지 코팅 소재를 제조하기 위해 롤투롤 스퍼터링 공정을 진행하는 모습

(우)연구진이 롤투롤로 제작된 대면적 반사방지 필름을 들고 있는 모습

2017년 구축된 시뮬레이션 기반의 가상공학 플랫폼은 연구개발과 사업화 전 단계에 참여하며 국내 첨단 화학산업의 경쟁력 강화를 이끌어온 화학소재솔루션센터가 21세기 산업의 필수 요건인 디지털 전환에 대한 지원 연구를 더욱 본격화하는 계기가 됐습니다. 가상공학 플랫폼은 특히 중소·중견기업의 디지털 전환과 친환경 기술 개발 지원에서 큰 힘을 발휘하고 있습니다.

화학소재솔루션센터는 ‘비커 없는 실험실’로 불리는 시뮬레이션 기반의 가상공학 플랫폼을 기반으로 반도체웨이퍼 세척공정, 전기자동차 배터리용 방열접착제의 열전달 특성 예측, 섬유보강 복합재 적용 자동차 도어 모듈의 사출-구조 연계 해석 등의 해석기술을 지원하며 소재의 설계부터 양산까지 시행착오를 최소화하는 데 주력하고 있습니다. 또한 가상공학 해석의 정확도 향상을 위해 플라스틱 소재 물성 데이터베이스 구축에 더욱 박차를 가하고 있습니다.

화학소재 및 부품기업의 디지털 전환을 지원하기 위한 화학소재솔루션센터의 노력은 2020년 범국가적인 소부장 경쟁력 강화 대책의 거점시설인 국가연구시설(N-Facility) 지정으로 대내외의 인정을 받게 됐습니다. 국가연구시설은 소재·부품·장비 핵심기술의 자립역량 강화를 위한 국가연구인프라(3N) 중 하나로 연구개발 상용화 단계에서 국가전략품목의 연구개발 지원과 테스트베드 제공 역할을 수행하는 연구시설입니다. 이와 함께 산업부가 추진한 디지털 소재혁신 강화 실행계획인 8대 선도프로젝트의 데이터표준기관 선정으로도 이어졌습니다.

한편 산·학·연·관을 대상으로 한 분야별 심층교육과 기술 교류 등을 통해 국내 화학소재 산업의 글로벌화를 지원하는 데도 많은 공을 들여온 화학소재솔루션센터는 2019년 아시아 국가 중 최초로 국제롤투롤산업협회와 함께 전 세계 최대 롤투롤 코팅 학술대회인 롤투롤 컨퍼런스를 개최하는 데도 성공하며 세계적 수준의 롤투롤 전문기관으로서의 입지를 더욱 굳건히 다지게 됐습니다. 화학연이 이처럼 국제적으로 주목받는 롤투롤 허브로 성장한 데는 세계 최고 수준의 롤투롤 장비와 소재, 코팅공정 연구역량과 더불어 미래 산업의 핵심기술인 유연 기능성 코팅 소재와 롤투롤 공정 기술 개발에서 계속해서 세계적인 성과들을 거둬왔기 때문이라 할 수 있습니다.

대표적인 사례가 앞서 2016년 세계 최초의 원천기술 확보 이후 플렉서블 디스플레이, 스마트윈도우, 페로브스카이트 박막 태양전지 등으로 폭넓게 확장되고 있던 스퍼터링 공정 기반의 불소계 고분자 박막(PPFC, Plasma-Polymerized Fluorocarbon) 기술입니다. 화학소재솔루션센터 연구진은 불소계 고분자 박막의 우수한 발수성과 내구성, 낮은 굴절률과 반사방지 효과, 표면 자가세정 특성 등을 활용해 차세대 태양전지인 페로브스카이트 박막 태양전지의 효율 향상에도 기여해왔습니다.

이 같은 성과에 힘입어 2022년 열린 과기부 주관 국가 연구인프라 성과교류회에서 국가연구시설 부문 장관상을 수상한 화학소재솔루션센터는 현재 국제사회의 최대 화두로 떠오른 인공지능(AI)과 디지털 트랜스포메이션(Digital Transformation) 기반의 화학소재 솔루션 플랫폼 구축에 여념이 없습니다.

약 20여 년에 가까운 풍부한 소재 데이터 표준화 경험과 인공지능 기술의 빠른 접목을 통해 이미 AI 기반 물성예측 시스템의 화승케미칼 기술이전, 상용 화학소재 물성 정보의 쓰리세이브 기술이전 등 가시적인 성과를 낳고 있는 화학소재솔루션센터 연구진은 국내 화학소재 산업계의 디지털 전환을 더욱 가속화하기 위해 인공지능을 이용한 물성 예측 시스템, 유저 인터페이스 설계, 시각화 기능 구현 등에 더욱 박차를 가할 계획입니다.