엔비디아의 PTFE 추진, AI 회로기판 소재 경쟁 촉발

익숙한 논스틱 소재, AI 하드웨어 경쟁에 뛰어들다

AI 시스템 내부의 연결 속도를 높이려는 엔비디아의 움직임에 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 주목받고 있다. 테플론이라는 브랜드로 가장 잘 알려진 소재다. PTFE의 강점은 전기적 특성이다. 기존 절연재보다 에너지 손실을 줄이면서 회로기판을 통해 신호가 전달되도록 돕는다.

과제는 이런 이점을 수십 개 층으로 이뤄진 안정적인 기판으로 구현하는 것이다. PTFE는 다른 소재와 잘 붙지 않고 비교적 부드러우며 가공도 까다롭다. 이 때문에 제조업체들의 대응은 신중론과 투자로 나뉘고 있다. 중국 공급업체들은 기회를 모색하고 있으며, 대만 업체들은 대체 소재와 제조 비용을 저울질하고 있다.

업계 관계자들은 엔비디아가 10월 초 오픈 컴퓨트 프로젝트 서밋에서 공개한 새 NV링크 스위치 보드에 PTFE가 사용됐을 가능성이 있다고 보고 있다. 잠재적 적용처로는 루빈 울트라용 스위치와 향후 직교 미드플레인이 꼽힌다. 직교 미드플레인은 서로 직각으로 배치된 다른 기판들을 연결하는 연결 보드다. 확정된 생산 일정과 최종 소재 사양은 공개되지 않았다.

경쟁 대상은 단일 수지에 그치지 않는다. AI 서버에 더 복잡한 기판이 필요해지면서 동박, 유리섬유 직물, 프레스 장비와 공장 생산능력에도 부담이 커지고 있다. 고객들은 2027년부터 2030년까지 생산능력을 확보하기 위한 약정을 요구하고 있으며, 일부 장비의 납품에는 30개월이 걸릴 수 있다.

엔비디아가 더 먼 거리까지 신호를 보내려는 이유

AI 프로세서가 함께 작동하려면 막대한 양의 정보를 주고받아야 한다. 인쇄회로기판(PCB)은 부품을 탑재하고 전기 신호와 전력이 흐르는 경로를 제공한다. 레인당 전송 속도가 초당 200기가비트에 가까워질수록 신호를 온전히 유지하기가 점점 어려워진다.

PTFE는 유전 손실이 매우 낮다. 이는 구리 배선 주위의 절연재에 흡수되는 신호 에너지가 적다는 뜻이다. PTFE는 이미 군용 레이더, 위성, 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)에 쓰이는 레이더 등 고난도 분야에 사용되고 있다. 이를 복잡한 AI 서버 기판에 적용하면 전기적 이점을 훨씬 큰 제조 과제에 접목하게 된다.

업계 관계자들의 설명에 따르면 엔비디아는 기판 사이에서 직접 빠르게 신호를 주고받을 수 있도록 해 일부 복잡한 구리 케이블 연결을 대체하려 한다. 구리 배선이 길어질수록 신호가 이동하는 동안 손실이 누적되므로 주변 소재에 더 높은 성능이 요구된다.

컴퓨팅 또는 스위칭 칩 가까이에 광 연결을 배치하는 공동 패키징 광학 기술도 통신 속도를 높이는 또 다른 방법이다. 이 기술이 논의 중인 용도에 적용될 준비를 마치기 전까지는 기판 소재를 개선하는 것이 더 신속하게 선택할 수 있는 설계 방안이다. 실질적인 관건은 제조업체들이 필요한 전기적 성능을 적정 비용과 생산량으로 구현할 수 있느냐다.

프라이팬에서는 장점인 특성이 기판에서는 난제가 된다

동박적층판(CCL)은 회로기판의 기본 소재다. 일반적으로 동박에 수지와 유리섬유 보강재를 결합해 만든다. 제조업체들은 이들 소재를 가공하고 접합해 서버의 전기 연결을 전달하는 다층 구조를 만든다.

에폭시, 폴리페닐렌옥사이드, 탄화수소 수지 등 기존 수지 시스템은 가열 과정에서 서로 접합되고 경화 후에는 단단해질 수 있다. 덕분에 이후 드릴링, 도금, 조립 공정을 비교적 수월하게 진행할 수 있다. PTFE는 잘 달라붙지 않아 제조와 사용 과정 내내 층을 단단히 접합해야 하는 더 어려운 과제를 안긴다.

PTFE는 AI 서버에 쓰이는 두껍고 복잡한 기판 전체를 단독으로 지탱하기에도 충분히 단단하지 않다. 제조업체들은 일반적으로 PTFE와 더 단단한 소재를 결합한 하이브리드 구조를 검토한다. 신호 품질이 가장 중요한 곳에는 손실이 가장 낮은 소재를 배치하면서 다른 부분에서는 기계적 강도를 유지하려는 설계다.

가공을 위해 공장을 대대적으로 바꿔야 할 수도 있다. 업계 추산에 따르면 일부 다층 PTFE 기판의 적층 온도는 약 섭씨 300도에 이른다. 일반 PCB 생산라인에는 적합한 장비가 없을 수 있어 소재를 바꾸려면 새 기계와 공정 조건, 여러 공급업체에 걸친 변경이 필요할 수 있다.

대만의 신중론과 중국의 투자

유니마이크론의 퉁팅위 회장은 엔비디아가 3년 전 회사에 PTFE 개발을 제안했다고 밝혔다. 그의 설명에 따르면 엔비디아의 초기 관심에는 첨단 적층판 부족에 대응하려는 목적이 일부 있었으며, 그는 PTFE가 주류 회로기판 소재가 될지 의문을 제기해 왔다.

궈성증권의 해외 전자·통신 연구 책임자인 푸더위는 다른 견해를 보인다. 그는 제품 설계상 필요한 소재라며, 70층이 넘는 기판에서는 첨단 M9 소재조차 충분한 전송 성능을 내기 어려울 수 있다고 주장한다. 우주 공간에서의 미래 컴퓨팅 응용도 PTFE 수요를 키울 것으로 보고 있다.

업계 관계자들의 설명에 따르면 한 미국 기판 제조업체를 제외하고 엔비디아의 PTFE 작업과 연관된 제조업체들은 대부분 중국 기업이다. 여기에는 적층판 공급업체인 선이테크놀로지와 엔비디아에 공급하기 위한 장비에 대규모 투자에 나선 PCB 제조업체 빅토리 자이언트 테크놀로지가 포함된다.

대만 상장사 가운데는 연성 동박적층판 제조업체 타이플렉스와 연성회로 제조업체 플렉시움이 참여하고 있다. 두 회사 모두 AI 서버 PCB의 주요 공급업체는 아니다. 이들의 참여는 상업적 규모 확보가 여전히 핵심 과제인 가운데, 기회가 기존 경성 서버 기판 제조업체를 넘어 확장되고 있음을 보여준다.

타이플렉스와 E잉크, 생산 진입 경로 마련

타이플렉스 이사회는 10월 28일 PTFE 소재 개발을 위해 E잉크와 양해각서를 체결하는 안을 승인했다. 계획에 따르면 타이플렉스의 소재와 E잉크의 대만 신주·관인 사업장에서 진행할 시험 생산 및 검증을 결합하게 된다.

타이플렉스는 핵심 소재를 제공하고 고속 신호 전송용 PTFE 적층판을 개발할 예정이다. E잉크는 소재 연구, 표면 처리, 제조 관리를 맡는다. 표면 처리는 접합이 어려워 제조가 까다로운 소재의 특성상 특히 중요하다.

타이플렉스의 천융헝 회장은 회사가 PTFE 기술과 제품을 포함해 동박적층판과 첨단 전자 소재에 수년간 투자해 왔다고 밝혔다. 이번 협력안은 그동안의 개발 작업을 제조 공정을 시험할 수 있는 시설과 연결한다.

파트너십은 아직 E잉크 이사회의 검토를 거쳐야 한다. 상업 조건과 실행 세부 사항도 정해지지 않았으며, 향후 위탁 생산 계약은 진행 상황에 달려 있다. 두 사업장은 시험 장소로 계획됐을 뿐 상업용 PTFE 생산 시설로 확정된 것은 아니다.

당시 E잉크와 그 소재 자회사는 타이플렉스 지분 약 9%를 함께 보유하고 있었다. E잉크의 존슨 리 회장은 타이플렉스 투자가 약 4년 전에 시작됐다고 밝혔다. 두 회사의 운영상 협력 관계는 다음과 같은 단계를 거쳐 발전했다.

• 4월 2일: 천융헝이 타이플렉스 회장에 취임했다.
• 5월 27일: E잉크가 이사 선거에서 타이플렉스 이사 4석을 확보했다.
• 7월 29일: 존슨 리가 타이플렉스 부회장에 취임했다.
• 10월 28일: 타이플렉스 이사회가 PTFE 협력안을 승인했다.

층수가 늘면 주문뿐 아니라 소재 사용량도 증가한다

AI 서버는 기판의 층수가 늘면서 적층판 수요도 증가하고 있다. 기존 서버 기판은 약 16~20층인 반면 AI 서버 기판은 현재 30~40층 이상에 이른다. 20층과 40층을 비교하면 각 기판에 들어가는 층이 두 배로 늘어난다. 다만 실제 소재 사용량은 기판의 크기와 설계에도 좌우된다.

적층판 납기는 대략 2~4주에서 3개월 또는 반년으로 길어졌다. 일부 첨단 유리섬유 직물은 공급 물량이 할당제로 운영돼 개별 고객이 더 많이 주문하려 해도 확보할 수 있는 양이 제한된다.

요구 사양이 높아지면서 유리섬유 생산도 느려지고 있다. 공급업체들은 기존 전자용 유리섬유 직물에서 전기적 특성이 더 우수한 제품으로 생산능력을 전환하고 있다. 업계 추산에 따르면 두꺼운 직물에서 더 얇은 제품으로 바꾸면 생산능력이 50~70% 감소할 수 있다.

모건스탠리는 단기적인 제약 요인으로 PTFE 가공, 빠듯한 박형 E글라스 공급, EPM 적층 프레스의 긴 납기, 상용화까지 2~3년이 더 걸릴 것으로 예상되는 유리 기판 등 네 가지를 꼽았다. 이들 제약은 생산 단계마다 다르게 작용해 완제품 기판 공급을 빠르게 늘리기 어렵게 한다.

PTFE는 더 넓은 소재 경쟁의 한 선택지

모건스탠리에 따르면 대만 적층판 제조업체들은 탄화수소 수지, 탄화수소 수지와 PTFE의 혼합 소재, 벤조사이클로부텐(BCB)을 검토하고 있다. 소재 선택은 전기적 성능, 가공 편의성, 비용, 대량 생산 시 균일한 품질을 낼 수 있는지에 따라 달라진다.

Q글라스로도 불리는 석영 직물은 고사양 용도의 또 다른 후보 소재다. 전기적 특성은 우수하지만 일반 유리섬유 직물보다 가격이 50~70배 비쌀 수 있다. 단단하면서도 잘 깨지는 특성 때문에 드릴링도 까다롭다.

일반 유리섬유 기판에 약 2,000~3,000개의 구멍을 뚫을 수 있는 드릴 비트가 석영 직물 기판에서는 약 200개를 뚫은 뒤 교체해야 할 수 있다. 이는 일반 소재를 쓸 때 드릴 비트 교체 전까지 뚫을 수 있는 구멍이 약 10~15배 많다는 뜻으로, 석영 소재 선택에 상당한 제조 비용을 더한다.

제조업체들은 가공 문제를 해결하기 위해 피코초 레이저와 초음파 드릴링 같은 기술을 도입하고 있다. 고객들은 혼합 소재 설계를 적용해 신호 요구가 높은 층에는 첨단 M9 또는 M10 적층판을 쓰고 다른 부분에는 더 저렴한 소재를 사용할 수도 있다.

엘리트 머티리얼의 퉁팅위 회장은 M9가 이미 양산 중이며 M10은 다음 해 생산량이 늘어날 것으로 예상되고 M11은 개발 중이라고 밝혔다. 동박도 변화하고 있다. 표면이 매끄러울수록 구리 배선을 따라 이동하는 신호의 손실을 줄이는 데 도움이 된다. 따라서 수지 선택은 전기 설계의 한 부분일 뿐이다.

고객들, 미래 생산능력 확보에 비용 투입

골드만삭스에 따르면 고객들은 장기 계약, 증설 보조금, 선급금 또는 인센티브를 통해 2027~2030년 생산능력 확보를 지원하고 있다. 엘리트 머티리얼, 젠딩 테크놀로지, 동박 제조업체 코테크가 이 같은 요청을 받았다. 일부 공급업체는 제안된 모든 조건을 수용하기보다 유연성을 유지하는 편을 선호한다.

자금 지원은 소재와 장비 모두의 긴 납기를 반영한다. 유니마이크론의 젠산제 회장 겸 최고전략책임자는 장비의 약 80%에서 납기가 길어졌으며 일부 핵심 기계는 최대 30개월이 걸린다고 밝혔다. 그는 2027년 핵심 소재 부족분이 필요량의 20~40%에 이를 수 있다고 추산했다.

엔비디아는 칩 기판 생산능력도 더 많이 확보하려 하고 있다. 칩 기판은 칩과 시스템의 나머지 부분을 연결하는 미세 배선 구조물이다. 엔비디아는 3년 안에 관련 생산능력을 현재의 2.5배로 늘릴 계획이며, 일본 이비덴에 수십억 달러 규모의 생산능력 선급금을 지급한 것으로 알려졌다.

칩 기판과 서버 PCB의 역할은 다르지만, AI 하드웨어 확대로 두 분야 모두 투자가 몰리고 있다. 공장 건설과 장비 설치, 제품 인증에 구매 주문보다 훨씬 오랜 시간이 걸리기 때문에 고객들은 더 이른 시점부터 자금을 투입하고 있다.

새 공장도 인증된 소재가 필요하다

코테크는 말레이시아 공장에 80억~100억 대만달러를 투자해 생산능력 3만 톤을 확보하고 첨단 HVLP4 동박 생산을 목표로 하고 있다. HVLP5 제품도 샘플로 제출했다. 타이완 유니언 테크놀로지가 태국에 짓는 첫 두 단계 공장의 계획 생산능력은 월 120만 장이며, 3단계를 위한 부지도 확보해 두었다.

이러한 증설 계획에도 원자재 부족은 여전히 큰 우려다. ITEQ의 천진차이 회장은 불충분한 소재 공급을 회사의 가장 큰 과제로 꼽았다. 차이신민 총괄매니저는 유리섬유 직물 가격이 거의 매달 오르고 있으며 공급은 2027년 하반기나 2028년에야 완화되기 시작할 수 있다고 밝혔다.

최종 고객들도 소재 선택에 대한 통제력을 강화하고 있다. 소재 인증을 마친 뒤에는 PCB 제조업체에 해당 제품만 사용하도록 요구할 수 있다. 이에 따라 공급업체들은 신호 손실을 최소화하는 것뿐 아니라 안정적인 품질과 반복 가능한 생산 능력으로도 경쟁한다.

엔비디아의 PTFE 추진은 이런 요구를 한데 모은다. 더 빠른 연결을 가능하게 하는 소재는 여러 층에 걸친 적층, 드릴링, 도금, 조립 공정도 견뎌야 한다. 중국의 투자, 대만의 대안 소재, 타이플렉스의 협력은 모두 같은 실질적 과제에 대응하려는 움직임이다. 대량으로 생산해도 일관되게 작동하는 기판을 공급하는 것이다.

핵심 내용

• 엔비디아는 기존 절연재보다 신호 에너지 손실이 적은 PTFE를 고성능 AI 연결용 소재로 검토하고 있다.
• PTFE는 접착이 어렵고 부드러우며 가공 요건이 까다로워 다층 기판 생산을 복잡하게 한다.
• 중국 공급업체들이 투자에 나선 가운데 대만 제조업체들은 PTFE 협력과 대체 소재 개발을 추진하고 있다.
• 타이플렉스와 E잉크의 협력안은 대만 내 두 사업장에서 시험을 진행하는 내용이며, 승인과 상업 조건은 아직 확정되지 않았다.
• 유리섬유, 동박, 장비 공급이 빠듯해지면서 적층판 납기는 3개월 또는 반년까지 길어졌다.
• 고객들은 2027~2030년 생산능력 확보를 지원하고 있으며, 제조업체들은 전기적 성능과 비용, 안정적인 생산 사이에서 균형을 맞춰야 한다.