전해액은 전고체 전지에서 액체에서 고체로 가장 큰 물성의 변화가 일어날것으로, 기존 전해액 밸류체인 업체들의 기술 개발을 통해 대응 할 것으로 가장 급격한 기술 발전의 가능성이 남아있다. 국내 전해액 밸류체인 기업들은 전고체전지 전해액 소재 개발 및 양산을 위한 면밀한 대응을 진행하고 있다.

2차전지 4대 소재중 가장 큰 변화가 일어나는 전해액은 ①고체전지의 계면 저항에 따른 낮은 이온전도를 높이기 위한 고체 전해질 배합 기술의 부가가치가 더욱 커질 것이다. ②높은 이온 전도도와 우수한 전기 화학적 안정성 및 기계적 강도를 갖춘 고분자 전해질의 개발은 중대형 2차전지의 개발 가속화 및 차세대 2차전지의 전해질의 중요한 역할을 담당하게 될 것으로 전망된다

‘전해액(Electrolyte)’은 2차전지의 원가구성의 14%를 차지하며 전해질염, 첨가제, 유기용매로 구성된다. 양극와 음극으로 전자가 이동하는 통로의 역할을 하며 에너지 밀도, 수명, 안전성에 영향을 미치며 전지의 성능을 좌우한다. 전해액은 순도가 떨어지거나 금속성 불순물, 극소량의 수분 등이 함유되면 전해액은 전지의 변형이나 화재 폭발 등을 일으키게 된다. 따라서 높은 이온 전도도, 전기화학적 안정성, 전극과의 상용성, 낮은 응고점, 적절한 리튬염의 농도의 기술력을 요구한다.

① 전해질 염(Lithium Salts): 전해질은 리튬염이라 불리우며 전해액 원가비중 40%를차지한다. 액상에서 이동통로의 역할을 하기 때문에 높은 이온전도도와 전기 화학적 안정성이 중요한 요소로 작용한다. 현재 리튬이온전지에 사용되는 주된 전해질은 육불화인산리튬(LiPF6)이 범용소재로 사용되고 있으나 최근 단점을 보완하는 리튬염의 생산이 확대되고 있다.

② 첨가제(Additives): 첨가제는 전해액 원가비중 30%를 차지하며 중대형 전기의 성능 및 원가에 영향을 미치며 전지의 수명, 안정성 등을 위해 소량 첨가되는 물질로 에너지 출력 밀도, 수명, 안정성 등 에너지 성능을 좌우한다. 양극/음극 소재뿐만 아니라 서로 격리되어 있는 두전극 소재들 사이에서 이온의 흐름을 담당하는 전해액의 기능적 역할도 그 중요성이 함께 강조되고 있다. 열화현상을 막기 위해 고온에 강한 전해액을 만들기 위한 첨가제, 화재에 강한 난연성 전해액 개발을 위한 첨가제, 안정적으로 고출력 및 고속충전을 가능하게 하는 첨가제적용이 확대되고 있다.

③ 유기용매(Solvent): 유기용매는 전해액 원가비중 30%를 차지하며 염을 용해시키기 위해 사용되는 유기액체로 염의 용해와 리튬이온의 이동을 위한 낮은 점도의 특성을 갖추어야 한다. 대체적으로 점도와 어는점이 낮고, 유전율과 끓는점이 높을수록 우수하나 용매마다 장단점이 있어 전지의 성능에 맞추어 혼합하여 사용된다

<트랜지스터> 

트랜지스터는 동작 방식에 따라 전류 이용 방식(BJT), 전압 이용 방식(FET)으로 나뉜다. 현재 사용되고 있는 방식은 FET 구조이다. FET 구조에서 트랜지스터 단자는 게이트, 소스, 드레인으로 구성 되며, 소스와 드레인 사이 연결 통로를 채널(Channel)이라 한다. 전압 이용 방식(FET)에서는 절연을 통해 단자들간의 전자이동을 막는 것이 필요하다. 게이트와 아래 채널간 전자가 이동하지 않도록 해주는 절연막 이 게이트 옥사이드(Gate Oxide)다. 때문에 게이트 옥사이드는 두꺼울수록 절연성이 높아 유리했다.

그러나 공정 미세화 과정에서 트랜지스터 크기, 선폭은 줄어들고, 이에 동반하여 게이트 옥사이드의 두께도 줄 어들게 된다. 두께가 줄어들 때 발생하는 문제점은 절연성이 낮아 진다는 것이다. 두께는 줄이면서 동시에 절연성 을 높이기 위한 방법으로, 유전율(K)이 높은 High-K 물질을 게이트 옥사이드 층에 사용하게 됐다. 이를 HKMG(High-K, Metal Gate)라 부른다. 25nm에 접어들면서 적용 되기 시작했다.

<캐패시터> 

캐패시터의 정전용량(Capacitance)은 전자를 담아두는 공간이다. 공정 미세화 과정에서 간섭현상이 심해지고 정전용량을 높여주는 것이 필요하다. 이를 위한 방법은 1) 면적 확대, 2) 거리 축소, 3) 유전상수가 높은 물질 사용 등이 있다. 이중 1)과 2)는 이미 더 이상 진행하기에 구조적으로 한계에 다다랐다. 거리를 좁히면서 면적을 높이기 위해서는 종횡비를 높여야 하는데, 캐패시터의 종횡비는 이미 100에 가까운 수준이다. 결국 소재의 변화를 통해 정전용량을 높일 수밖에 없다. 사용되는 소재도 변화 중이다. 소재별 조합을 통해 좀 더 유전상수 값을 높이고 있다.

→ 증착 장비: 고단화 될수록 하중이 커지면서 하부층이 휘어질 수 있다. 또한 두께가 높아 위아래 높이가 높아지면 전력 소모 역시 크게 발생한다. 그래서 막의 두께를 얇게하고 전체 높이를 최소화할 필요가 있다. 얇고 균일하게 증착할 수 있는 ALD 사용 비중이 늘게된다.

→ 식각 장비: 적층수 고단화로 인한 수혜가 가장 큰 공정이다. NAND 홀(Hole)의 종횡비가 커진다. 에칭해야 하는 깊이가 깊어질수록 고스펙(ASP↑↑) 장비가 필요하다. 또한 Double Stack으로 할 경우, 홀(Hole)에 대한 식각은 2번 필요하다.

→ 세정 장비: 고단화 과정에서 큰 수혜가 확인된다. 한 층의 공정이 끝날 때마다 세정 작업이 필요하다. 단층 수가 확대될수록 세정 공정에 대한 수요가 증가한다. 더불어 홀(Hole)의 종횡비 가 증가하면서 세정 난이도 증가로 습식보다 건식 세정 사용 비중이 증가한다.

→ 증착 장비: 공정 미세화로 DRAM의 캐패시터 등 구조물의 종횡비(Aspect Ratio)가 커진다. 종횡비가 커질수록 미세한 증착이 요구된다. 절연막 두께를 1나노 이하 수준으로 얇게 만들어야 하는데, 이를 위해서 ALD 방식의 증착이 필요하다.

→ 식각 장비: 패턴이 미세화되면서 멀티 패터닝(2회 이상)이 요구된다. 이전 대비 식각 공정의 차지 비중이 증가함에 따라 장비 사용 대수도 증가한다. 또한 정교한 식각을 위해 습식(Wet)식각 보다 건식(Dry) 식각 위주로 전환됐다. 습식 식각은 가로, 세로 방향 모두에 영향을 끼치기 때문에 깊이 뿐 아니라 넓이에도 영향을 미친다. 이는 얇고 깊게 파야하는 미세화 측면에서 적합하지 않다. 반면 건식 식각은 한 방향으로만 영향을 미치기 때문에 습식 방식보다 적합하다.

→ 세정 장비: 멀티 패터닝으로 식각 공정 스텝수가 증가하면, 세정 공정의 스텝수 증가로 이어진다. 더불어 식각과 마찬가지로 습식(화학 용액 사용) 보다 건식(플라즈마 등) 방식으로 전환이 확대 됐다. 구조물의 종횡비가 높아 질수록 화학용액이 깊은 곳까지 닿기 어려워진다. 건식 세정이 유리한 상황이 전개된다.

→ 클린룸 장비: 공정이 미세화 될수록, 공정 중 파티클이 많이 발생하게 된다. 클린룸 장비에 대한 요구 스펙과 대수가 모두 증가한다. 스펙 증가는 ASP 상승효과로 이어진다.

→ 스크러버 장비: 공정 내 발생 온도가 상승 한다. 기존 액화 물질이 기화하면서 유해 가스 발생량이 증가한다. 가스를 정화시키는 장비가 스크러버다. 스크러버가 필요한 공정이 늘어나고 있다. 더불어 ESG 트렌드 확대에 따른 친환경 방식(플라즈마 등)의 장비 수요가 지속적으로 확대될 것으로 예상된다. 이미 주요 생산업체 들은 에칭 공정 내에 플라즈마 스크러버 채택 을 확대시키고 있다.