인쇄전자기술로 PCB 대체시 FPCB 양/단면 시장 급성장할 듯

최근 전 세계적으로 인쇄전자기술이 주목받으면서 많은 연구 활동이 이루어지고 있는 것으로 보인다.
이에 하이쎌의 최은국 연구소장은 “향후 인쇄전자기술이 PCB를 대체하게 될 것으로 보인다”며,
“만약 인쇄전자기술이 대체하게 되면 FPCB의 양/단면 시장이 급성장할 것”이라고 밝혔다. 세계 인쇄전자시장 내
FPCB는 2013년 1%를 점유하며 부진했지만, 지속적인 발전을 통해 2020년 25%를 점유할 것으로 보인다.

최근 일본, 미국, 유럽 등 전 세계적으로 인쇄전자기술이 뜨거운 감자로 떠오르고 있다. 대부분의 국가에서 범정부 사업으로 진행하고 있으며, 지금까지 미온적인 반응을 보이던 중국도 최근에 들어서는 인쇄전자기술에 관심을 갖고 많은 연구 활동을 하고 있다.
이런 상황에서 국내 인쇄전자 업계를 보면 조금 답답한 부분이 있다.
과거 일본 업체와 조인해 프로젝트를 진행하면서 느낀 부분인데, 일본 같은 경우는 소재, 장비, 공정을 하는 회사들이 별도로 그룹사를 이루어서 진행하는 것이 아니라, 서로 다른 기업들이 모여 작업을 한다.
이처럼 함께 개발하며 특성을 맞추는 등 협력해서 만드는데 국내 같은 경우는 장비, 소재, 공정개발이 모두 따로 이루어지다 보니, 전체적으로 상품의 질은 좋은데 결국 접목시킬 때 보면 소재, 장비, 공정이 모두 따로 노는 문제가 발생한다.
앞으로는 국내 기업들도 서로 협력해 프로젝트를 진행했으면 하는 바람이 있다.

인쇄전자…전자산업에  새로운 바람 일으켜

플렉시블, 투명 디스플레이는 제품군이고 인쇄전자는 공정기술이다. 이 둘은 서로 엄연히 다른데 이 두 부분이 같다고 생각하는 등 인쇄전자에 대해 정확히 이해하지 못하고 있는 업계 관계자들이 많은 것 같다.
지금부터 간단하게 인쇄전자에 대해 소개하려 한다.
개인적으로 인쇄전자를 정의내리자면 기판위에 기능성 소재를 가지고 프린팅을 통해 기능을 부여하는 것이라고 생각한다.
초기에 인쇄전자는 반도체의 포토리소 공정을 대체할 수 있다는 대체 산업으로 시작했다. 하지만 최근에는 PCB의 공정 개선이 목적이 아니라 ‘PCB를 다르게 만들어보자’, 혹은 ‘PCB라는 것을 없애보자’라는 쪽으로 흘러가는 것 같다(그림 1).

그림 1. 인쇄전자 기술의 패러다임 전환

TV를 예로 들어 설명하자면 LED 바가 PCB에 붙어져 디스플레이를 이루는데, PCB 없이 그냥 뒤에 새시(sash)에 전도성 잉크로 프린팅 하는 방식으로 대체하는 것이다.
이런 방식으로 하면 기존보다 두께가 얇아져서 더욱 많은 기능을 임베딩 할 수 있을 것이다.
더불어 인쇄전자기술은 낮은 제조원가, 친환경 기술, 대량 생산능력 등 많은 장점을 갖고 있는데, 이를 살펴보면 다음과 같다.

· 인쇄전자 공정은 기존 식각(Etch-ing) 방식 대신 인쇄 방식을 도입하고 대량 생산에 유리한 Roll to Roll 방식을 도입해 기존 식각 방식 대비 낮은 제조원가로 제품 생산이 가능하다.
· 식각 공정을 거치지 않아 유해물질 사용량이 극히 제한적으로 각국의 환경규제에도 적합하다.
· 정밀한 회로 구현이 가능하고 저온에서도 인쇄할 수 있어 기존 it 부품의 제조 방식을 대체할 수 있다.

이에 대해 자세히 알아보기 위해 그림 2에 기존 식각 방식과 인쇄 방식의 공정을 비교했다.

그림 2. 식각 방식과 인쇄 방식의 공정 비교

그림에서 알 수 있듯이, 인쇄전자 방식의 FPCB 공정은 기존 식각 방식의 FPCB 제작 공정보다 Cover lay 이전 4개 공정을 제거했다.
또한 User 사양에 따른 공정 변화로 모델 변화에 따라 원가 절감 또는 생산성을 향상할 수 있다.
더불어 식각 공정을 거치지 않아 불량률이 적고 까다로운 식각 약품 취급 기 술이 필요하지 않으며, FPCB 특성상 원자재 손실률이 높으나 인쇄 타입을 적용할 시 특성상 FCCL을 사용하지 않아 원가 차원에서 경쟁력이 우수하다.

FPCB 시장…양/단면 시대  열릴까?

KPCA의 국내 시장 전망 자료를 보면, 2013년도 기준 FPCB 시장은 생산액 기준 3조 원가량, 그리고 생산량 기준 7,081㎢의 규모를 갖고 있는 것으로 나타났다(표 1).

표 1. 국내 전자회로기판 생산액 현황(위 : 생산액, 아래 : 생산량)

표 1의 양/단면 란을 보면 알 수 있지만, 조만간 인쇄전자로 PCB를 대체할 수 있다고 한다면 인쇄전자 시장이 양/단면 시장 위주로 가지 않을까 싶다.
그 이유는 멀티로 넘어가거나 플렉시블 같은 경우에는 Roll to Roll 공정이 필요해 PCB로 구현하기는 어렵기 때문이다.
그림 3에는 Display bank가 세계 인쇄전자 시장을 전망한 자료를 나타냈다.

그림 3. 세계 인쇄전자시장 전망

이 그림을 보면 터치 패널과 FPCB의 2020년까지의 트렌드를 보여주는데 좌측은 매출액, 우측은 점유율을 나타내고 있다.
Printed FPCB와 TSP 모두 매출액과 점유율 면에서 상당히 많은 증가세를 보이지만, TSP의 매출액 증가분 대비 점유율이 상당히 낮다는 것을 확인할 수 있다.
이는 TSP와 같은 부분은 총생산량이 많아지면서 매출이 증가하는 트렌드에 있다 보니 점유율이 5% 내외에서 미미하게 나타나는 것으로 보인다.
FPCB 같은 경우에는 2020년도에는 25%정도 점유할 것으로 보인다. 이를 봤을 때, 아까 언급했던 양/단면 시장의 거의 반 정도를 인쇄전자가 대체할 것으로 보인다.
사실 지금도 단면같은 경우는 인쇄전자로 구현하는 것이 어렵지 않다. 하지만 양면을 인쇄전자로 구현하는 부분에서 애로사항이 있다.
이번에는 NFC쪽을 보려 한다. 통신거리가 짧기 때문에 상대적으로 보안이 우수하고 가격이 저렴해 주목받는 차세대 근거리 통신 기술이다.
데이터 읽기와 쓰기 기능을 모두 사용할 수 있기 때문에 기존에 RFID 사용을 위해 필요했던 동글(리더)이 필요하지 않다.
현재 핸드폰 케이스나 배터리를 보면 NFC, GPS, Wifi의 안테나가 심플하게 들어가 있는데, 향후 이런 부분들또한 인쇄전자로 대체가 가능하다고 본다.
이 시장의 단말기와 응용 서비스를 포함한 NFC 시장규모는 2012년 13.75억 달러에서 2015년에는 26% 증가한 17.38억 달러 규모를 기록할 것으로 보인다.
또한 NFC를 탑재한 스마트폰 시장을 전망하면, 2012년 1억 2천만대에서 2013년 2억 7천5만대로 전년대비 128% 증가한 추세를 볼 때 2014년 4억 1600만대가 될 것으로 예측하고 있으며, 2018년에는 12억대를 기록할 것으로 보인다(그림 4).

그림 4. 세계 NFC 시장(좌)과 세계 NFC 탑재폰 생산량(우) 전망

각 상황에 맞는 프린팅 기법  선택이 중요

인쇄전자 내 프린팅 기술에 대해 간략히 설명하려 한다.
프린팅 방법은 크게 기판에 접촉해 전사시키는 접촉식 Roll to Roll 방법과 가정에서 많이 사용하는 잉크젯 프린터와 같은 비접촉식 Roll to Roll 방법으로 나눌 수 있다.
접촉식 Roll to Roll 방식은 대표적으로 그라비어(gravure), 플렉소(flexo), 그라비어 옵셋(gravure offset) 프린팅 기술을 꼽을 수 있다.
이 중 제판 롤이 오목하게 각인돼 전이되는 기술이 그라비어 프린팅 기술이며, 볼록하게 각인돼 전이되는 기술은 플렉소 프린팅 기술이라 한다.
또한 오목제판을 실리콘 혹은 러버 등의 재질로 구성된 블랑켓 롤에 전이한 후 다시 기판으로 전이하는 방식을 그라비어 옵셋 프린팅 기술이라고 한다.
비접촉식 Roll to Roll 방식의 대표적인 방식으로는 잉크젯을 들 수 있다. 잉크젯은 과거부터 지속적인 발전을 보였고, 최근에는 다양한 산업 분야에도 적용돼 현재 비접촉식 방식 중에서 가장 기술적으로 쉽게 적용할 수 있는 기술로 판단된다.
하지만 잉크젯 기술은 태생적으로 공정이 지닌 노즐 막힘 현상이나 박막 코팅에 대한 어려움이 있기 때문에 인쇄전자 기술에는 스프레이 방식이나 다른 비접촉식 공정기술이 연구되고 있다.
현재 인쇄공정은 접촉식 비접촉식을 통틀어 다양하게 존재한다. 하지만 현장에서 직접 사용해본 결과 무엇을 만들 것인지, 아니면 어떤 특성을 가져야 하는지에 따라 인쇄법이 달라지기 때문에, 각 상황에 맞는 방식을 선택해 사용해야 할 것으로 보인다.
따라서 아래 인쇄방법에 대해 정리했다(그림 5).

그림 5. 다양한 인쇄공정 특성비교

해외 기술개발 현황 및 주요국 현황

현재 Head, System, 재료 등 다양한 분야에서 많은 기술개발이 진행됐으며, 이와 함께 다양한 응용에 대한 연구개발이 진행되고 있다.
이미 관련 선도 기업들은 인쇄전자기술을 적용한 다양한 제품과 기술들을 발표하고 있다. 지금부터 일본, 미국, 유럽 등 주요 국가의 기술개발 현황을 알아본다.

1. 일본
전통적으로 Toray, Dainippon Printing, Sumitomo 등 소재 기업을 중심으로 톺은 기술력을 보유하고 있으며, 현재 연구 컨소시엄 iNEMI(In-ternational Electronics Manu-facturing Initiative)를 중심으로 기존의 우수한 인쇄기술을 기반으로해 고정밀 R2R 전자소자 인쇄 시스템을 개발했다.
또한 산·관·학 국책 연구 프로젝트인 ‘퓨러비전’ 사업을 통해 인쇄전자기술을 개발하고 있으며, 인쇄전자 관련 기술 및 특허 등 해외 유출을 금지하고 있다.
인쇄전자 관련 주요 기업으로는 Sharp, Dai Nippon Printing, Topan Printing, 스미토모, Seiko-Epson, NEDO 등이 있다.

2. 미국
Dupont, Corning, Dow Chemical 등 다국적 기업을 보유하고 있으며, 2000년 초기 집중 투자로 인해 글로벌 시장 리더로 성장했다.
대형 연구소와 중소기업을 중심으로 태양전지, 디스플레이 등의 분야에서 원천기술을 확보했으며, 국방성의 지원 하에 플라스틱 전자 소자 상용화 센터를 운영하고 있다. 또한 Kovio 사에서는 실리콘 잉크로 인쇄하는 저가 RFID 태그를 양산할 것을 발표했다.
인쇄전자 관련 주요 기업으로는 Litrex, Microfab, Optomec, nScr-ypt, Dimatix, Cabot, NanoMas Technologies, Cima NanoTech, OrganicID, Thin Battery Tech-nologies, Aveso, NanoSolar 등이 있다.

3. 유럽
전통적으로 인쇄기술이 발달한 유럽은 인쇄산업을 이끌던 기간들과 반도체 공정 관련 기업이 인쇄 시스템에 관한 연구를 활발히 진행하고 있으며, 장비, 공정, 재료 업체가 컨소시엄을 구성해 기업이나 정부의 재정적인 지원 하에 연구되고 있어 시너지 효과를 극대화하고 있다.
주로 대형 컨소시엄을 통한 연구 개발 투자와 PETEC, VTT, Fraun-hofer, COMEDO 등 연구소 중심의 소재 연구를 주로 한다.
현재 인쇄소자 분야는 유럽이 가장 앞서고 있으며, 독일에서는 최초로 OE-A라는 협회가 구성돼 65개사 이상 참여해 유기전자 기반 연구에 협력하고 있다. 더불어 인쇄공정으로 RFID, OLED, OPV 등을 연구·생산했다.
한편 현재 스웨덴에서는 국내 인쇄전자 전문가 그룹과의 공동연구 활동 및 대규모 투자를 계획하고 있다.

임재덕 기자(smted@hellot.net)