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1 인쇄전자의최신기술및시장동향 21 세기들어나노기술을이용한다양한기능성잉크가개발되면서인쇄시장이열리게되었고, 그중전기전자기능을갖는잉크를기반으로한프린팅전자소자는전세계적으로주목을받으며전자소재및부품분야의패러다임으로떠올랐다. 이제품들은저가격, 친환경, 유연성, 대면적, 대량생산, 저온, 단순공정등의장점을가지고있다. 초기의프린팅전자소자시장은 RFID, 메모리, 디스플레이, 전지, 조명, 센서, 유기트랜지스터등의새로운제품군에서널리활용될것으로전망되고 20 년후에는수천억달러가넘는, 성장성이유망한대규모산업으로발전할것으로예측된다. 이러한기술적배경을발판으로 2000년대들어유럽과미국을중심으로프린팅설비와화학재료업체분야의신규기업출현이급속히증가하고있다. 본보고서에서는프린팅전자소자산업에대한비즈니스, 테크니컬, 제조, 그리고시장이슈에대해초점에맞춰다루고자한다. 또한최근세계적인주변환경의분석, 현재의기술상황 ( 기술적진보와넘어야할장벽 ), 경쟁기술의이해, 그리고전세계적회사들의현상황분석을통해, 프린팅전자소자시장에진입하려는정부및관련업체에게전략적인시장진입의기회를제공하고자한다. 자료제공 : KOSEN( 한민족과학기술자네트워크 ) 글 : 김성한인쇄전자 (Printed Electronics) 란프린팅공정기법으로만들어진전자소자혹은전자제품을의미하며, 고난도로조절된클린룸에서제조되는기술이아닌저가의기판위에서자동화된공정으로프린팅되는소자를말한다. 이러한프린팅전자소자제품으로는 2차원및 3차원영상의프린팅패턴과구조체, 이를기능성잉크로프린팅한도선, 저항, 커패시터, 인덕터등의수동소자, TFT 등의능동소자가있으며, 이들의집합체로이루어진 RFID 태그, 전자종이, 솔라셀, 프린팅센서등이있다. 프린팅전자소자생산의중요요소는생산기술, 기판, 재료, 공정등이핵심인자로, 그림 2에서처럼이들요소들이모두유기적으로연결되어야발전이가능하고, 이들기술을보유하고있는회사들간의공동개발이가시화되어야만잠재되어있는응용시장의폭발적성장이가능하다. 이러한배경하에서먼저프린팅전자소자분야가곧개화기에접어들것이라고믿는 7가지징후들에대해살펴보도록하자. (1) 프린팅전자소자의근간이되는기초과학기술이폭넓게이해되고급속히발전되고있다. 전도성고분자에대한연구가수십년전부터이어져오고있으며현재사용되는프린팅기술의역사도유구하다. 메탈잉크분야역시오래전부터연구되어오고있다. (2) 안정적인전자프린팅잉크들이계속개발되고있다. (3) 잉크회사및잉크젯설비회사들이추가투자를계획하며새로운기회를모색하고있다. (4) 프린팅소자의초기생산품인의료이미지시스템, RFID 안테나, 플렉서블디스플레이등에이어서 2세대제품들이준비중이다. (5) 보다간단한공정에의해경제적인효과를불러일으킨다. (6) 프린팅소자는차세대유비쿼터스컴퓨팅을향한대세이다. (7) 전자산업이응용되는모든분야에적용이가능하다. 2000년이후로프린팅전자소자및제품에대한연구들이미국, 유럽, 일본을중심으로활성화되기시작했다. 한국의경우도 OTFT 기술, OLED 기술등의디스플레이분야를필두로연구가시작되고있지만, 짧은역사와주변인프라부족으로많은기술적인어려움에처해있다. 우선첫째로는재료기술로써, 상온에서프린팅공정을통해이용할수있 078

2 인쇄전자의최신기술및시장동향 Printed Electronics are: - Passives electronic components: ㆍ Resistors, capacitors... - Active electronic components: ㆍ Transistors, display materials... - Deposited using low-cost, potentially fully-automated processes: ㆍ Ink Jet, Screen Printing, Gravure, Off-set Lithography... - On a low cost substrate: ㆍ Plastic, Paper, Fabric... Printed Electronics are not: - Deposited in stringently controlled environment: ㆍ highly filtered "clean" or inert 그림 1. 프린팅전자소자의정의 Packaging Paper Chemicals Plastics Electronics Printed and thin electronics Displays, RFID, Smart Packaging, New market creation Printing 상용화단계에접어들어새로운용도의저가전자 소자의제작에이용되어그가능성을넓혀나가다궁극적으로오늘날사용되고있는전자제품의대부분은가까운미래에프린팅소자화되어생산원가를획기적으로낮추어야하는상황이올것이자명하다. 프린팅전자소자기술은제조비용절감에크게기여할것이며향후에는보다복잡한응용분야로확대될전망이다. 향후 2010년대의시대는유비쿼터스와고에너지가격의시대라는관점으로본다면, 반도체회로, 디스플레이, 조명, RFID 태그, 전자종이, 태양전지, 바이오센서등의프린팅전자소자제품군들이새로운주역으로부상할것이다. 그러므로프린팅전자소자시장은기존시장이파괴되고새로생성되는기술인파괴적기술의약진이기대되며이에따른국내의연구개발투자가반드시필요하다하겠다. 이에본보고서에서는차세대기술로유망한프린팅전자소자산업에관한기술, 생산, 시장을포함하는총괄적인전세계현황을분석하고나아가야할방향을제시하고자한다. k 그림 2. 인쇄전자소자산업의기술인자및융합 는전도성, 반도체성, 절연성재료들이아직은성능이미흡하고또매우고가이다. 둘째는공정장비기술로써, 프린팅기술이시각적인프린팅기술에서전자소자의프린팅기술로아직전환되어있지않다는점이다. 최대정밀도 20um급이하로의프린팅기술이확보되어있지않으며, 프린팅패턴의균일도역시매우좋지않다. 따라서프린팅전자소자및제품에적합한프린팅공정장비의개발을통해, 정밀도를 10um급정도혹은그이상으로올리고, 프린팅패턴의반복균일도역시전자소자에사용할수있도록하며, 이를대량생산할수있도록해야한다. 전세계유기전자소자시장은 2010년 5조원에서 2015년약 30 조원으로그규모가급성장할것으로예측되고있고, 유기전자소자의대부분이프린팅공정을통한전자소자화될것으로전문가들은예측하고있다. 초기의프린팅기술은 인쇄전자소자의재료 1. 전자잉크의혁신적인발전행보오늘날 85% 의바코드가인쇄되는방식과같이사물위에곧바로전자기기를인쇄할수있다면지금의전자기기의기판, 케이스, 키보드, 디스플레이관련부품시장과수익성업체들은거의없어질것이다. 앞으로부가가치창출의대부분은거의잉크분야에서발생할것으로보인다. 이러한차세대잉크는동일한무게의금보다수십배고가에판매될수있다. 그렇지만원자몇개의두께에불과한층으로인쇄되기때문에매우낮은저가격디바이스를만들수있다. 트랜지스터, 태양전지, 배터리를비롯한모든전자설계를위한부품을만들기위해서는도체및반도체, 절연, 발광, 프로텍션잉크등이필요하다. 하나의잉크용제는바로아래에놓여있는민감한레이어를파괴하지않도록해야한다. 이들 079

3 The Printable Electronics Ink Market (Millions) Organic Inks Metallic Inks Other 쇄전자기기는유기및무기잉크를모두채택하고있다. 갈수록더많은인쇄전자기기들이한잉크에유기및무기소재를결합하거나원소탄소와유기화합물을결합한층이최소한하나이상으로이루어지고있다. 프린팅전자산업에사용되는전자잉크의시장은프린팅전자소자의개발과더불어급속히성장하리라생각된다. 그림 3은 2010년의잉크시장을추정하고있다. 한예로전도성잉크시장은 2015년에 43억달러의가장큰재료시장을차지할것으로예측되며이중전도성유기잉크는 13억달러를점유하리라본다. 또한디스플레이와조명시장을겨냥한 그림 3. 프린팅전자소자의잉크시장 OLED 를위한반도체잉크는 2015 년에 3 억 7 천만달러의시 장에달할것으로보인다. 태양전지등에사용되는프린팅 잉크는아주저렴한가격의플라스틱필름을이용하거나사람의피부에인쇄할수있도록충분히낮은온도로경화되어야한다. 군사용애플리케이션분야에있어서미국육군은병사들이휴대하는장비를지금과비교해수년이내에 70% 까지줄이면서도병사들의능력을향상시키기위한프로그램을진행하고있다. 이는첨단인쇄기술을이용한전자의복, 인쇄배터리, 인쇄광전지, 인체센서로달성할수있을것이다. 특히유기화학자들은이러한모든인쇄전자기기는결국유기잉크를바탕으로이뤄질것이라고목소리를높여왔다. 전문가들도이와의견을같이하고있으며, 유럽위원회의상당한연구자금또한폴리어플라이 (Polyapply) 나폴리 (Poly) 라는이름하에제공되고있다. 플라스틱로직과폴리머비전등의회사들이등장했고독일에서는 OEA (Organic Electronics Association) 가설립되었다. 또한플라스틱일렉트로닉스및유기일렉트로닉스등과같은관련컨퍼런스들이개최되고있다. 하지만현재까지는확실한방향을제시하지못하고있는실정이다. 문제는어떠한것이보다효과적이고안전하고합당한가격대를구현할수있는가에달려있다. 프린팅재료즉, 전자잉크를분류하면, 금속 ( 은, 금, 구리, 니켈 ) 잉크, 유기 ( 고분자, 저분자, 올리고머, 덴드리머 ) 잉크, 무기 ( 카본나노튜브, 나노와이어, 실리콘, 산화금속 ) 잉크등으로나뉘어진다. 다수의흥미로운유기반도체및유전체잉크들이생산되고있기는하지만대다수인 광전자소자는 2015년경 4억달러의반도체잉크재료를소비할것으로예상된다. 전자산업에이용되는절연체들을위해서도 2015년에 7억달러의프린팅잉크가소비될것이다. 부분인쇄박막연료전지, 액추에이터, 마이크로폰, 라우드스피커, 레이저등이진화하고있을뿐더러유기또는무기화학물질단독으로이들모든기기들을해결할수있을것이라고생각하는것은현실적이지않다. 실제로투명전자기기는일반적으로잉크의유기화합물을기반으로하며, 다수의연구주제로서광전지에관한대부분의연구는실리콘에대한무기물대안에관한것이다. 인쇄반도체를생각해보자. 인쇄반도체는전계발광기능이예를들어 C60 탄소버키볼 (buckyball) 에의해억제되는특수한형태의광전지에사용되거나이와반대의경우디스플레이에이용된다. 인쇄트랜지스터만해도고주파동작에서부터낮은전력소비, 고전력을핸들링하기위한투명성, 광방출등여러요구조건을가지고있다. 아주단순화해서말하면트랜지스터의최대동작주파수가높을수록더많은기기를제작하고판매할수있다. 트랜지스터를만들기위해주입되는반도체잉크의중요한특징중하나는결과가나타나는층의전하운반체이동성이다. 이이동성이최대동작주파수에영향을미치기때문이다. 유기잉크는이측면에서점차적으로향상되고있기는하지만이동성이매우낮다. 연구자들은이동성이 100 배높은특정한무기화합물을박막층으로주입할수있다 080

4 인쇄전자의최신기술및시장동향 는것을발견했지만이를높은속도로릴-투-릴인쇄로경화시키는것은불가능했었다. 하지만이제이모든것이가능하게되었다. 도쿄공과대학과토판프린팅은파트너십을기반으로 InGaZnO 반도체를이용해이를수행하고있다. 경화시에는유기운반체가파괴된다. 또한코비오는바로최근에유기반도체보다이동성이 1,000배에달하고훨씬더소형의트랜지스터를인쇄할수있는나노실리콘잉크를선보였다. 이를통해이전방식의실리콘칩이차지하던면적에수천개의트랜지스터를증착할수있게되었다. 이와비교해유기트랜지스터어레이는기차표처럼보인다. 조만간코비오는독자적으로 RFID의주요사양을충족하고라벨용실리콘칩을인쇄형태로대체할것이다. 초기에는 80% 더저렴하게, 그리고향후에는 90% 더저렴한가격으로칩을교체할수있을것으로기대하고있다. 이제연간수백조의바코드를좀더믿을수있고범용성이뛰어난제품으로교체하는것을실질적으로고려할수있게되었다. 실리콘태양열전지는무겁고, 깨지기쉽고, 비효율적이며, 비싸다. 이들대부분은공급업체나사용자가어떠한방식으로든정부로부터보조금을받고있기때문에판매될뿐이다. 이제는저가형플렉서블기판상의카드뮴텔루르 (Cadmium Telluride) 박막이실리콘보다구입및설치, 유지가더저렴한것으로밝혀지고있으며, 최근에 15억달러수주가이루어짐으로써이를입증하고있다. 그러나아직누구도이를어떻게인쇄할지알아내지못하고있다. 하지만이산화티타늄나노입자와 CIGS (Copper Indium Gallium Diselenide) 상에루테늄 (Ruthenium) 기반유기안료를이용한안료감광성태양열전지가연구되고있다. 공장에서는이제릴-투-릴로저가형폴리머기판상에잉크젯인쇄가이용되고있다. 대표적인예로서영국의 G24 이노베이션스와미국및독일의나노솔라를들수있다. DSSC는열과빛으로부터전기를발생 ( 열광전지 ) 시키며, 특별히낮은입사각도의광및반사에의한편광까지도허용할수있다. CIGS는빛을전기로변환하기위해서는매우효율적이지만면적보다가격에매우민감한경우에는계속해서인쇄유기광전지를이용할수있다. 인쇄전자기기, 특히컨덕터에있어서이들대부분의프로젝 트는수십나노미터의입자또는박막두께에관한것이다. 그러므로흔히많은수량의라벨이나컬러영상등을제공하는넓은면적의전광판, 태양열패널등을생산하는곳에도은과같은매우비싼소재를채택한다. 엔터나노마스테크놀로지는잉크로일관된 3마이크론은입자를생성함으로써용융점을 1/10로낮췄다. 펜을검정색잉크에담그고, 아세테이트필름에쓴다음, 필름을왜곡하지않으면서입자들을녹이고, 아주적은물질을이용해벌크은에근접한전기전도성을가진거울과같은층을생성할수있다. 이것은정말로마법과같은것이며, 은에한정되는것은아니다. 인쇄전자기기의연구및시제품개발을위한가장일반적인인쇄기술은스크린인쇄이며, 본격적인생산에주로이용되는기술은플라스틱로직플렉서블디스플레이와이의백플레인트랜지스터어레이를포함하는잉크젯인쇄이다. 하지만플렉소, 그라비어, 노광, 기타옵션, 혹은각각의층에이들의조합을채택한다수의프로젝트들이진행되고있으며, 흔히각각의층에중간적단계로서일부스핀코팅, 화학증착, 또는스퍼터링을이용하기도한다. 2. 인쇄전자소자재료의응용시장기회분석표1은프린팅소자의다양한응용분야에대해재료회사들의시장진입기회요소들을분석한내용의요약이다. 프린팅전자소자에이용되는대부분의잉크재료는은잉크와고분자잉크이다. 이중에서은잉크가좀더성숙되어있고이는 RFID 안테나혹은디스플레이백플레인의초기상품화에기여하고있다. 은잉크시장은 2013년에 12억달러에이를것으로추정된다. 대표적인실버잉크회사는캐봇으로높은품질의잉크를제공하고있으며그외의회사로서어드밴스트나노프로덕트, 시마나노테크, 아체슨, 크리에이티브메터리얼스, 다우코닝, 듀폰메텍, 하리마케미컬, 파라렉, 프레시시아, 엑스잉크, 미쓰비시, 페로등이있다. 고분자잉크분야는합성화학분야의발전과더불어성능이대폭향상될것으로기대되며 2013년에는 17억달러에이를것으로추정된다. 프린팅전자소자분야의대표적인유기물잉크공급업체로는머크, 듀폰, H.C 스탁, 플렉스트로닉스, BASF, 다 081

5 Impact of Printable Electronics Material Content/Materials used Overall Assessment of Materials Opportunity Displays Large low-cost OLED FPDs Currently based on polymer inks on Several films and materials are becoming entrenched in this plastic substrates space. However, volume production lies a few years away and there is room for improvement in both inks(ability to create high video performance)and substrates(flexibility or paperlike qualities) Backplanes Printed ITO replacement Currently based on nanoparticle Near term opportunity with reasonably established supplies. silver inks But possible entry with novel inks, including inks based on conventional semiconductors or - even more likely-polymers RFID antennas Printed antennas Currently based on silver inks on Printed RFID antennas already in production, but likely to be plastic substrate eclipsed by printing of complete tags, so short-term opportunity only. RFID tags Completely printable tags Both polymer and metallic inks are Opportunity is some way off, so materials used are in flux. being proposed Given that RFIDs are being proposed as a substitute for barcodes, printability on a paper substrate would be welcome Photovoltaics Printed by cell arrays Various materials being proposed Choice of inks will be made on PV efficiency and ability to for inks provide energy in less than peak light environments, so lots of potential for new inks using traditional semiconductors, etc. Supplies currently rather secretive about materials being used. Memory Printed computer memory for use Various possibilities Although polymer memories have been proposed they seem in disposable electronics, sensor to be quite a long way from being commercialized and none arrays, novelties, etc. proposed to date have been explicitly designed to be printed. Materials are really at the R&D stage for thin application Sensors Printed sensors for use in smart Interesting materials consequences, Surprisingly under-researched area, with few if any products packaging, wearable computing since specialized inks may be at the present time. Nonetheless printable sensor arrays required to create sensing functionality. would seem to be required for smart packaging and ubiquitous Applications also imply a broad computing applications. range of substrages will be used. Greeting cards, Novelty, talking, lighting, memory Mostly disposable products with simple This application is already in existence, which makes it a toys and features, etc. can be created circuitry, so relatively low grade inks proverbial "low-hanging fruit." However, volumes of individual novelties may be used. However, there appears products are likely to be relatively low and this application to be a need for paper substrates to be may use inexpensive materials for the most part. supported. Alternative adhesives may be used to attach plastic substrates. Smart cards Smart cards can be created by Some sectors of this market will be If the business case for this application can be established, and ticketing a totally inline process. Economics disposable products that can utilize low it could be a significant userof materials of all kinds, but of "intelligent" tickets sold in small quality materials. However, the credit especially polymer inks and plastic substrates. volumes may improve card end of the market will be looking for more durability. 표 1. 인쇄전자소자재료의시장기회분석 우코닝, 사토머, 선케미컬, 스미토모, T-ink, 제록스등이있으나은잉크분야의캐봇처럼시장을지배하고있는유기잉크회사는아직등장하지않고있는데, 이는시장이덜성숙되어있다는반증이며향후개발의여지가많다는의미이기도하다. 현재프린팅 OLED의잉크재료는가격이 g당 1,000~2,000달러의고가로, 시장에생산품으로진입하기위해서는 300달러이하로내려가야할것이다. 프린팅전자소자기판을주요연구기회로삼고있는회사중에서현재두 각을나타내고있는회사는듀폰-테이진으로 PET과 PEN을주력상품으로개발중이며, 제너럴아토믹, 코베메, 바이텍스시스템스, 3M, 사이모픽스에주로납품중이다. 이들회사는플라스틱기판위에배리어코팅을추가하여프린팅소자업체에공급한다. 그다음으로플라스틱기판시장을예의주시하며성장의잠재력을보유하고있는회사는 3M과다우코닝이다. 그밖에이들기판연구에중요한역할을하리라예상되는회사로코베메와바이텍스가있다. 프린팅전자소자 082

6 인쇄전자의최신기술및시장동향 $ Millions 그림 4. 인쇄전자소자의기판시장 Printing Processes Available for Electronic Device Manufacture Physical Phenomena Printing Processes Relief Flexography, Letterpress, Gravure, Pad, Soft lithography Surface energy Masking Dispensing Material removal Energy/ force assisted transfer 표 2. 프린팅공정의종류 Printable Electronics Substrate Markets 의기판시장을예측해보면다음과같다. Offset lithography, Dewetting, Patterned coating Screen, Stencil Ink-jet, Micropen, Dip Pen Nanolithography(DPN) Laser ablation, Embossing, Imprinting, Nano Imprint Lithography(NIL) Laser transfer, Electrophotography 인쇄전자소자를위한공정의종류및특성 표2는전자소자제조에가능한프린팅공정을분류하고있다. 1. 잉크젯프린팅잉크젯프린팅법은헤드로부터미세한잉크방울 ( 직경 30um 이하 ) 을토출시켜원하는위치에패터닝하는공정기술이다. 이기술은비접촉식방식으로작은체적에복잡한형상을구현할수있는적합한공정기술로알려져있다. 이기술의응용분야는사무실과집에서의컴퓨터로부터상업인쇄, 공업인쇄, 디스플레이나전자회로분야및바이오칩등으로크게확대되고있다. 잉크젯기술의장점을살펴보면, 기존의 포토공정이수십단계에이르는복잡한공정이필요한반면잉크젯의경우원하는곳에필요한물질을패터닝할수있는 Pattern on Demand 공정이가능하므로극히단순한공정으로패터닝을완성할수있다. 포토공정의스핀코팅시에는버리는재료가 90% 이상이되어고가재료의이용효율이극히낮다. 반면에잉크젯은필요한부분만재료를도포하므로재료효율이거의 100% 에가까우며결과적으로폐기물이없는친환경공정실현이가능하다. 또한잉크젯도포는원리적으로타공정에비해기판사이즈증가에대한대응이자유롭다. 멀티헤드부착으로대형기판대응과양산성확보도가능하다. 기존의포토공정처럼많은장비가소요되지않으므로클린룸소요면적이감소되고러닝크스트가줄어든다. 그리고재료비, 장비투자비, 클린룸운영비, 인건비등의대폭감소에의한제품가격경쟁력의창출이가능하다. 잉크젯기술의전개가능성및한계를생각해보면, 현재까지는수십 ~ 수백 um의패턴을포토공정대신에다이렉트패터닝할수있는점이잉크젯공정의장점으로인식되고있다. 하지만잉크젯기술은수 um 의미세패턴을형성하는데에는부적합한공정이다. 잉크젯공정을적용하는데선행되어야할기술적인요인을정리해보면다음과같다. 잉크젯도포에필요한스테이지이동은현실적으로 2~3um 이상의에러는항상포함하고있으며잉크가여러가지요인에의해탄도가변하는정도는약 3~5um 정도로보고있다. 기타정렬공차, 뱅크형성오차, 노즐크기오차등의요인에의한에러를감안하면통상 12~15um의랜딩에러를기본적으로갖고있다고보는것이일반적이다. 따라서 20um 이하의패터닝은실용적으로어려우며 30~60um 패터닝도상당히고도의공정, 재료, 장비관리가필요할것이다. 잉크젯에의해원활히분사가될수있는잉크의특성을확보하는것이 Other Plastic substrates 083

7 중요하다. 용매의증발에의한점도변화, 잉크찌꺼기에의한노즐막힘, 탄도변화등의심각한프린팅에러를야기할수있다. 잉크유로와노즐등에잉크와의정합성을위해표면개질에대한연구가필요하다. 잉크방울의크기가 10μm 이하로작아지면표면에너지가커져잉크방울이비산되어적절한탄식군이형성되기어려우며 100μm 이상으로커지면운동에너지가커져서기판상에충돌에의한분산성이커진다. 또한잉크점도가 10cps 이상되면분사속도가저하되는문제가발생한다. 통상 10cps 정도의점도에서는 10kHz정도의분사가가능하다고보고되고있다. 기판상에잉크가안착되는부분과각픽셀을분리하는뱅크가잉크와서로다른상생관계를필요로할때가많다. 일례로 OLED의경우뱅크재료인폴리이미드는잉크를밀어내는성질이필요하고 ITO기판은잉크를고착시키는표면특성이필요하다. 이를위해서인위적으로표면에다른버퍼층을형성해주는방법도있으며또는플라즈마에의한표면개질도유효한것으로알려져있다. 잉크젯방식은연속적으로액적을토출시키는컨티뉴어스방식과선택적으로액적을토출시키는온디맨드방식의두가지방식으로나뉜다. 컨티뉴어스방식은일반적으로장치가대형이고인쇄품위가낮아컬러화에적절하지않기때문에, 주로저해상도의마킹에사용되고있다. 고해상도의패터닝목적으로는온디맨드방식이대상이된다. 온디맨드방식잉크젯인쇄로는현재피에조방식과버블젯방식 (Thermal 방식 ) 이많이이용되고있다. 피에조방식은잉크실을압전소자 ( 전압을인가하면변형하는소자 ) 로바꿔체적을변화시켜, 잉크실안의잉크에압력을주면노즐을통해토출되는것이고, 버블젯방식은잉크에압력을주면노즐을통해토출되는것이며, 버블젯방식은잉크에열을가해순간적으로기포를발생시켜그압력으로잉크가토출되는것이다. 버블방식은소형화, 고밀도화하기쉽고헤드의비용도저렴하기때문에오피스용으로가장적합한방식이다. 다만, 열이가해지기때문에헤드의내구수명이짧고, 용매의비등점영향이나잉크재료로의열손상을피할수없기때문에사용할수있는잉크가한정된다는문제점이있다. 이에비해피에조방식은고밀도화와헤드비용의측면에서는 버블방식보다떨어지지만, 잉크에열을가하지않기때문에헤드의수명, 잉크의플렉서블리티의측면에서는뛰어나오피스용이외의상업인쇄나공업인쇄, 디바이스제작에는더적합한방식이라고할수있다. 잉크는기본적으로물과비슷해야하고노즐근방에서젖지않도록하기위해서는표면장력이 35mNm -1 이상이어야한다. 잉크의점도는 4~20mPas가되어야한다. 잉크에서는습윤제라고하는수분을일정하게하는성분을섞어서노즐에서의막힘을없앤다. 잉크젯에서색을나타내기위해색소를잉크에녹이지않고안료를사용하는데그크기는 100~400nm 이다. 최근에는그기술이발전하여거의모든재료를잉크젯으로도포한다. 세라믹파우더, 지르코니아, 티타니아바륨스트론튬티탄산염, 솔-젤세라믹, 강유전체박막필름, 마그네틱파티클, 초전도산화물을잉크젯으로만들수있고세라믹은 45볼륨 % 까지가능하다. 금속으로는무전해도금을이용하거나금, 은, 동같이열을가하여액체로만든다음분사하여금속을프린팅하는것도가능하다. 생물학적으로도가능하여효소멤브레인을잉크젯하여바이오센서를만들거나단백질, 세포, DNA, 박테리아같은것을잉크젯하여바이오분석에응용할수있다. 잉크젯을이용하면전도성고분자나자가결합모노레이어등을이용하여 100micron 의정확도로잉크젯화할수있다. 최근에는교통카드에사용되는 RFID마저도잉크젯을사용하여저렴하게대량으로만들려고한다. LCD 업체에서잉크젯공정을컬러필터에적용하여양산을준비중이며플라스틱로직사는전자종이및 RFID 태그양산을할예정이고, 도시바, 엡손, 듀폰등은고분자디스플레이에적용한바있다. PARC(Palo Alto Research Center) 등많은연구그룹에서유기박막트랜지스터를잉크젯프린팅법으로구현하고자연구를진행중이다. 잉크젯프린팅기술을활용한저가형 LCD TV 컬러필터제조방법이개발되어양산준비중이다. 레드, 그린, 블루컬러는일반적으로포토리소그래피기술을이용해만들어지는데, 이러한기술대신잉크젯기술로전환하면비용을절감할수있다. 이는새로운기법이재료사용률을높이고포토마스크나포토레지스트와같은것들을필요로하지않기때문이다. 084

8 인쇄전자의최신기술및시장동향 a) 컬러필터제조공정 기존방법 새로운방법 블록메트릭스제조 b) 잉크젯기술의탁월한효과 포토리소그래피포토리소그래피스퍼터링등포토리소그래피 잉크젯기술의이점 부품비용절감 초기비용절감 성능개선 그림 5. 컬러필터제조공정및잉크젯기술 폴리실리콘박막 그림 6. 잉크젯기술에의한실리콘 TFT 컬러링 ( 착색 ) 잉크젯 컬러링공정에서약 40% 의비용절감 목표한규모의제조시스템을약 60% 의자본투자로구축가능 착색휘도에서 5% 의성능향상 게이트전압 CVD 처리한실리콘박막 ( 전자이동도 142cm2/Vs) 스핀코팅처리한실리콘박막 ( 전자이동도 106cm2/Vs) 잉크젯프린팅처리한실리콘박막 ( 전자이동도 6.5cm2/Vs) 일례로 RGB 염료소비가 10% 까지줄어들었다. 또한어떠한노출이나개발과정이불필요해장비를단순화할수있기때문에초기투자비용또한훨씬적게든다. 일본 DNP의설비투자비용은약 250억엔정도로, 이는기존의기술을사용하는비슷한규모의공장에비해 60% 밖에안되는수준이다. 46인치 LCD 패널의경우부품이총비용의 65% 를차지 드레인전류 보호막 / 투명전극제조 이러한애플리케이션에서의탁월한효과 a) 프로토타입 TFT 이미지 b) 프로토타입 TFT 의특성 스페이서제조 컬러링공정에서염료소비량을약 10% 절감 컬러링공정에서포토마스크가전혀불필요 리소그래피및개발공정이불필요, 시스템단순화 블루파장을흡수하는특수감광제가더이상불필요 실리콘액정 TFT 잉크젯기술로생산한 TFT 의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지와스핀코팅으로생산한폴리실리콘박막의 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지 (a). 스핀코팅된 TFT 는표준저온폴리실리콘 TFT 와동일한점멸 (On/Off) 특성이있다 (b). 하고, 그중 30% 는컬러필터가차지하는것으로나타났다. 컬러필터는총패널비용의 20% 를차지한다. DNP가 20% 의비용을절감할수있다고하는것이정확하다면결과적으로총패널비용을 4% 가량줄일수있게된다. 잉크젯기술을이용하면단순한비용절감을넘어성능향상이라는이점도함께얻을수있다. 투과도가향상되어백색광을 5% 가량증가시킬수있다. 또한기존의포토리소그래피에서는블루파장을흡수하기위해감광성재료를추가해야했지만이제는그럴필요가없어졌다. DNP는잉크젯기술의적용대상을컬러필터외에 OLED 패널에도적용하기위해연구개발중이다. 그러나컬러필터제조에서획득한기술노하우를 OLED 패널제조에곧바로적용할수는없다. 사용하는재료부터가완전히다르고컬러필터는두께가 1.5-2um 인반면 OLED는나노미터수준이기때문이다. 따라서잉크용매, 헤드디자인및건조와같은부분에서완벽한검토가이루어져야한다. 일본의세이코엡손과 JSR은잉크젯기술을이용한저온폴리실리콘 TFT 생산에성공했다. 이는차세대실리콘 TFT 기술로많은주목을박고있는유기TFT의모든장점을폴리실리콘 TFT가제공한다는점에서업계의관심을얻고있다. LCD 패널과기타용도에사용되는실리콘 TFT는현재진공펌프나무균실등고가의장비가요구되는포토리소그래피공정을통해생산되고있다. 이공정은처리시간이오래걸리고재료활용효율성이떨어지기때문에결과적으로생산비용이올라가게된다. 반면에유기 TFT는잉크젯및기타프린팅기술을활용하므로생산비용을절감할수있지만실리콘이아닌다른재료를사용하기때문에낮은전자 085

9 이동도등, 성능결과는그리만족스럽지못한편이다. 잉크젯기술로실리콘 TFT 생산이가능한액정실리콘소재를개발하여지금보다저렴한가격으로 LCD 패널이나 OLED 패널을구동하기에충분한성능을지닌 TFT가될가능성이있다. 개발된액정의주성분은일반사슬로연결된 SiH2 염기인폴리실란 (polysilane) 이다. 유리기판을폴리실란으로코팅한후약 540 에서소결해 H2를연소제거하면실리콘만남는다. 폴리실란은 1920년대이후부터알려졌으나액정상태로사용된적은없었다. 그이유는유기용매에녹지않기때문이었다. 엡손과 JSR은폴리실란이유기용매에서용해되도록폴리실란을중합시킨욤기 CPS를혼합했다. CPS의끓는점은약 1,290 이고유기용매로사용하는톨루엔의끓는점은약 110 이므로약 540 의소결과정중에 CPS와톨루엔은모두증발한다. 양사는이기술을앞으로 5~6년내에상용화할예정이다. 잉크젯기술을산업응용분야에적용하려는움직임이점점늘어나고있는가운데 SIJ 테크놀로지는잉크젯기술을 PCB 패턴에적용하고자하는기업을대상으로프로토타입제작및잉크평가서비스를제공하기시작했다. SIJ 테크놀로지가보유한잉크젯기술은잉크방출액이겨우 1fl( 펨토리터 ) 인것이특징인데, 이는표준시스템의 1000분의 1 이하이다. 이수치는 0.5μm 의물방울지름과맞먹는다. 따라서기존잉크젯기술로구현이불가능했던매우정교한패턴및 3D 구조를이제는잉크젯기술로처리할수있게됐다. 기존기술로는선폭을겨우 50μm 까지밖에처리할수없었지만, 이기술로는약 3μm 까지가능하다. 이기술은지름이아주작은물방울정도에해당하기때문에닿자마자말라버리므로 3D 구조를형성하는데유용하다. 이기술이확립되면비용면에서가장큰이점을누릴수있으며, 새로운타입의실장및애플리케이션이생겨날것으로기대된다. 2. 스크린프린팅스크린인쇄법은강한장력으로당겨진스크린위에잉크페이스트를올려스퀴지 (Squeegee, 주걱모양의우레탄재 질 ) 를내리누르면서이동시켜페이스트를스크린의메시를통해피인쇄물표면으로밀어내전사하는공정이다. 잉크젯프린팅과마찬가지로재료의손실이적은부가적인공정으로서 PDP 등의디스플레이제조를위한연구가진행중이다. 사용되는페이스트는적당한점도가필요하므로금속분말이나반도체등의기본재료에수지나용제등이분산되어사용한다. 스크린인쇄는스크린과기판사이에수 mm 의간격을유지하다가스퀴지가통과하는순간에스크린이기판과접촉하여페이스트를전사하는방식으로접촉형인쇄방식이긴하지만, 접촉을통한기판의영향은거의없다고본다. 인쇄시막의두께는스크린의메시두께와개구율의곱인토출량으로결정되며, 화상의정밀도는메시의세밀함에의존한다. 판분리를빨리하기위해스크린은강한장력으로당겨질필요가있는데얇은메시스크린을이용하여미세한패터닝을할경우, 메시스크린이견딜수있는치수안정성의한계를넘어갈수있지만, 대략 16um의와이어를사용한스크린을이용하면 20um의최소선폭의패터닝도가능하다. 3. 그라비아 (Gravure) 및그라비아오프셋 (Gravure-Offset) 그라비아인쇄는요판인쇄의일종으로서, 요철을형성한원통형판에잉크를묻혀볼록한부문에묻는잉크를긁어낸후, 오목한부분에들어간잉크를피인쇄물에전사하는방법이다. 이인쇄법과오프셋인쇄법을결합한그라비아오프셋인쇄법은최근에 LCD 컬러필터등디스플레이및전자회로에응용되고있다. 그라비아오프셋인쇄법은잉크를인쇄판에서고무블랑켓에전사하고, 그블랑켓의잉크를다시기판에전사하여인쇄하는오프셋인쇄법과이인쇄법의인쇄판을그라비아인쇄법에서쓰이는인쇄판으로대체하는인쇄법이다. 다이니폰프린팅사나토판프린팅사등의일본업체들은그라비아인쇄를스크린인쇄법과함께플렉서블유기전자소자의중요한제작공정으로검토하고있으며, 특히인쇄회로형성에유력할것으로기대되고있다. 4. 플렉소그래피 ( 플렉소인쇄법 ) 유연성을가진패터닝된수지판을이용하는인쇄법으로 086

10 인쇄전자의최신기술및시장동향 Printing Process Parameter Comparison for Selected Printing Technologies Lat. Res.(μm) Ink thickness(μm) Ink viscosity(mpas) Through put(m 2 /sec.) No Physical Thermal/Ablation 5 <1 N/A Master(Digital, NIP) Ink-Jet ~ 0.1 < No Relief Screen ,000 < 10 Offset Lithography < , , Physical Master Lowered Pad > (Analog) Relief Gravure Raised Soft Lithography 0.03 Monolayer Flexography Deposition method Pattern resolution Ink volume Ink viscosity Advantages Limitations Photolithography < 1μm > 1ml 2-50cp Well understood, industry compatible, Not scaleable, expensive masks, high resolution thin films. Ink Jet > 10μm >1ml 2-25cp Kit readily available, Narrow viscosity window, nozzle +surface ~1μm patterning customisable, wetting of low surface energy treatment solvents, film formation, throughput Gravure > 10μm > 50ml cp High throughput, robust process, Expensive cylinder, availability of lab can handle fluorosolvents scale equipment, high viscosity inks Flex >20μm >50ml cp Compatible with R2R, thick films Resolution, availability of lab scale equipment, high viscosity inks 표 3. 프린팅공정의특성비교 도포된잉크를균일한격자를갖는아니록스롤러 (Anilox roller) 위에도포하고, 닥터블레이드를이용해롤표면에균일하게펼친다음인쇄롤의유연성수지판위에양각된패턴으로전사한후, 기판표면에프린팅된다. 이러한방법은기판위에인쇄되는잉크의두께를아니록스롤러의기공크기와밀도에의해조절할수있어균일한박막의형성이가능한장점이있다. 또한패터닝된형상을바꾸면도포되는위치나범위를정밀하게조절할수있어플렉서블기판을이용한인쇄에도적용이가능한장점이있다. 이인쇄법은 LCD의배향막을도포하는수단으로이용되는데, 플렉소인쇄를통해균일한두께의폴리이미드배향막을형성하고루빙하는방법을이용하고있다. 또한기판크기가대형화됨으로써제 6세대이후의기판에서는인쇄롤이이동하는형태로변경되어이용되고있다. 마지막으로인쇄소자용공정들을간략하게정리비교해보면다음과같다. 5. 롤투롤프린팅롤투롤프린팅공정은잉크로는전도성잉크, 유기박막재료, 폴리머등이사용되고, 기판으로는종이나플라스틱을사용한다. 또, 기판의공급은대량생산에유리한롤투롤연속공급방식을사용하며, 공정은스크린, 플렉소, 그라비아, 잉크젯등의저가상온프린팅공정을사용하여저가 / 대량생산화를동시에만족시킬수있는공정이다. 하지만기존의프린팅장비들은사람들의눈에보이는신문, 잡지등의인쇄물들을프린팅해왔기때문에정밀도가사람의눈해상도이상으로발전하지않았으며, 정밀도 20um 이상의편차는몇퍼센트가나도상관없는정도에서그기술의발전이멈추어져왔었다. 하지만이러한프린팅장비들이전자소자를대량으로제작하는데이용되기위해서는정밀도가더좋아져야하며, 프린팅의반복패턴형성정밀도도향상되어야한다. 087

11 인쇄전자분야의구성기술및요구특성인쇄전자기술은지난수년동안광범위한부품개발분야에서혁신적인잠재기술로서많은관심을받아왔다. 이기술을활용하면부품의제조비용과무게를 90% 이상줄이고기계적유연성도높일수있을것으로기대되기때문이다. 하지만이기술은 IC와디스플레이등반도체기술에기반한제품에비해상대적으로단순한회로만구성할수있고전기특성도약하다는문제점이제기돼왔다. 또한디바이스수명이일반적으로수천시간에불과하고, 일부제품중비교적수명이긴디바이스라고해도겨우 2년을넘지못했다. 따라서업계대부분의사람들은이시장이실제로형성되는데는수년이걸릴것으로예상했었다. 하지만모든게달라졌다. 비록성능이조금떨어지긴하지만이기술이특정애플리케이션용으로이미상용화단계에접어든것이다. 프린티드시스템즈의 ID 카드에내장된메모리디바이스는실제로는전도막 절연막과고분자물질로만든커패시터이며, TFT를사용하지않는다. 폴리IC가출시한 RFID 태그는겨우수천개의유기 TFT와 8비트 ROM을데이터용으로사용한다. 이들애플리케이션은극소량정도의데이터밖에처리하지못하지만제한적인애플리케이션용 ID 카드로는충분하다. 평가중인다이니폰의 OLED 패널시제품은영상의배열표현을디스플레이하지못한다. 휘도수명은짧지만성능은포스터애플리케이션용으로사용하기에충분하고적절한가격을정하는일만남았다고전해진다. DSSC의변환효율은겨우 5~6% 이지만사용수명이 3년만돼도상업용제품에이를사용하겠다는고객이있다고한다. 인쇄전자기술로제작된부품은다양한고도의개별특성을나타낸다. 인쇄형커패시터로만든 ID 카드는바코드보다복제하기가훨씬어렵다. IC 칩에비해 ID 카드와 RFID 태그등의제품들은쉽고저렴하게생산할수있다. 디스플레이기능을갖는포스터시장은아예존재하지도않는다. 심지어는에어리어컬러디스플레이용으로사용되는 OLED 패널을이용해구현한것조차도없다. 지금까지는벽에부착하거나, 노트북처럼휴대하거나떨어뜨려도계속 동작하는태양전지가없었다. 수많은제품아이디어가실현되지못한이유는사람들이가능성을알아보지못했기때문이다. 인쇄전자기술이상용화될수있었던것은성능과제조안정성이눈에띄게향상되는등몇가지기술적발전이이뤄졌기때문이다. 비록서비스시간이아직까지는수천시간정도로비교적짧은편이지만, 이런특성도동작주파수, 집적도, 디바이스수명및기타요인을수정하면점차향상될것으로기대되며, 이를통해향후에는다양한애플리케이션분야에사용될수있을것이다. 인쇄전자기기의구성기술을개발하는데에는중요한세가지요건이있다. 바로속도와해상도, 수명을개선하는일이다. 고속동작의핵심은인쇄전자기술에사용되는유기반도체의캐리어이동도 (Carrier Mobility) 를 1백배또는 1천배로높이는것이다. 이작업은 TFT의게이트길이를줄이면된다. 예컨대 10kHz로동작하는 TFT의게이트길이가 100μm 이고캐리어이동도가 1cm 2 /Vs( 비정질실리콘과비슷 ) 이면게이트길이를 10μm 로줄이면필요한이동도는겨우 0.01cm 2 /Vs이면된다. 하지만인쇄기술로달성가능한실제해상도는현재로서는겨우 10~30μm 이다. 이는미세한디자인룰로는이문제를완전히해결할수없음을의미한다. 캐리어이동도를높일수있는방법은크게두가지이다 ( 그림 7). 하나는프린팅에쉽게채택할수있는높은캐리어이동도의유기반도체를찾는것이고, 다른하나는예컨대실리콘이나산화막반도체등채택공정에서캐리어이동도가높은무기반도체를사용하는것이다. 첫번째방법의예로는일본미쓰비시화학그룹과학기술연구센터가개발한포르피린전구체 (Porphyrin Precursor) 를들수있다. 전구체용액과 200 에서만든포르피린막으로기판을코팅한다. 최대캐리어이동도는 1.8cm 2 /Vs, 유기TFT 임계점 5V, 온 / 오프비 ( 온 / 오프전류비 ) 는 105이다. 온도 50, 습도 50% 에서테스트한결과, 200시간후에도캐리어이동도는떨어지지않았다. 두번째방법의예로는일본 JSR과세이코엡손이공동개발한폴리실란 (Polysilane) 을꼽는다. 기판을폴리실란으로코팅한후, 레이저를조사하여폴리실리콘을생성한다. 스핀코팅에비해 088

12 인쇄전자의최신기술및시장동향 a) 포르피린막형성공정 코팅 액상전구체전구체막 확대한모습 비정질상태 b) 폴리실란을사용한폴리실리콘 TFT 제조공정과외관 제조공정 스핀코팅 50~100nm 잉크젯 ( 현재 ) 잉크젯 ( 향후 ) 300nm 100nm 이하 코팅시 폴리실란막 레이저조사 레이저조사 완벽한결정화박막레이저조사 그림 7. 용액공정으로캐리어이동도를높인사례 반도체막으로전환 열처리 구운후 완벽한결정화 불완전한내부결정화 폴리크리스탈상태 잉크젯애플리케이션의캐리어이동도는 108cm 2 /Vs에서 6.5cm 2 /Vs로떨어지고온 / 오프비도 107에서 103으로낮아진다. 이결과는불완전한결정화때문이라고엡손은판단하고있다. 이동도가낮으면온 (On) 전류의상승을방지하여폴리실리콘 / 기판계면근처의과잉불포화결합이누설전류의상승을초래한다. 선폭을 1μm 까지줄일수있는일본 SIJ 테크놀로지의잉크젯프린터처럼해상도를높이기위한개발도진행중이다. 이잉크젯헤드는기존잉크젯헤드의 1천분의 1이하인 1fl 잉크를분사하여미세한선을그릴수있다. 동일한헤드로최대 20μm 폭의선을그릴수있다. SIJ 테크놀로지는기존방법으로는불가능한고해상도프린팅이필요한고객으로부 높은캐리어이동도높은온 / 오프비율 높은캐리어이동도낮은온 / 오프비율 높은캐리어이동도높은온 / 오프비율 액상공정 (Liquid Processing) 으로캐리어이동도를높인사례 (a) 미쯔비시화학이개발한유기반도체는최대캐리어이동도가 1.8cm 2 /Vs 다. 이유기반도체는포르피린전구체를사용하여액상공정이가능하다. 포르피린전구체액상을기판에스핀코팅한후포르피린막형성을위해 200 에서굽는다. (b) 액상공정에서폴리실란으로 TFT 를제작하는방법은세이코엡손과 JSR 이개발했다. 폴리실란막을스핀코팅, 잉크젯프링팅등의방법으로만든후, 나중에이를 TFT 채널층으로사용할폴리실리콘막으로변환하기위해레이저광으로열처리한다. 현재로서는잉크젯기술로비교적두꺼운폴리실란층만만들게되는데, 그이유는폴리실리콘막의품질이떨어지기때문이다. 하지만연구자들은폴리실리콘막의품질을향상시키기위해더욱얇은폴리실란층을만드는방법을개발할계획이다.( 그림은미쯔비시화학 (a) 과세이코엡손 (b) 이제공한자료를바탕으로니케이일렉트로닉스가제작 ) 터이미수차례시제품요청을받았다고밝혔다. 디바이스수명이수천시간인이유는산소투과도가겨우 10-3cc/m 2 /d인봉지필름 (Sealing Film) 을이용하는플렉서블기판을사용하기때문이다. 유리수준의산소투과성능도 10-6cc/m 2 /d가되면디바이스수명을 2~3 년으로늘릴수있다. 다이니폰은유리수준의봉지성능을달성하기위해플렉시블기판위에여러개의필름으로이뤄진다층구조를사용하고있다. 아쉽게도이기술은제조비용이많이든다. 디바이스수명은유기반도체, 디바이스구조및기타요소를수정하여늘릴수있으며다이니폰은필요한층수를줄일수있는이기술을향상시켜총비용을절감하고자한다. 애플리케이션기술개발의경우, 주요한기술적난관으로분류되는능동형디스플레이의가능한많은부분을인쇄기술을이용해제작하려는움직임이매우활발하게나타난다. 인쇄형 TFT, 애플리케이션및기타기능으로생산될수있는회로유형수를늘리기위한방안으로비휘발성메모리개발도주목을받고있다. 대화면디스플레이를벽면이나마루, 데스크톱등에내장하는것처럼, 인쇄전자기술이적합할것으로일컬어지는애플리케이션용으로많은시제품이출시되고있다. 전자종이가능동형디스플레이분야에서가장앞서가는이유는비교적느린응답속도가허용되고, TFT 구동에높은캐리어이동도가필요치않기때문이다. 일본의토판프린팅, 엡손및기타업체들은플렉서블기판을사용한시제품을발표했다. 토판프린팅은전체 TFT 디스플레이를인쇄하기위해여러가지인쇄기술을결합했다. 2인치스크린은 80 60픽셀, 해상도 50PPI(Pixel Per Inch) 다. 상세한내용은공개되지않았지만폴리머기반의유기반도체를사용한다. TFT 게이트길이는소스및드레인을형성하는데사용된스크린프린팅의정확도에따라다르다. 스크린프린팅은라인과공간을 20μm 로줄이기위해조정됐으며, 디바 089

13 a) 파이오니어와지바대학이개발한 OLED 패널시제품 OLED 패널의외관 유기TFT로구동되는능동형플렉시블 OLED 패널의사례 (a) 유기 TFT 로구동되는능동형 OLED 패널시제품을파이오니어와지바대학의쿠도교수가개발했다. 이패널은기계적유연성을위해서플라스틱기판을사용하며, 어떠한인쇄기술도적용하지않은채진공증착법과시소그래피로제작됐다. 크기는 16 16픽셀이다. 41% 의개구율을확보하기위해구동TFT와 OLED 디바이스를적층했다. (b) 로옴과파이오니아, 미쓰비시화학, 교토대학교는공동으로유기TFT 구동능동형 OLED 패널을개발했다. TFT 에는구동 TFT 와 OLED 디바이스가집적된다. 정공주입에적합한재료가소스용으로, 전자주입에적합한재료가드레인용으로사용됐으며, 정공과전자는빛을방출하기위해펜타신채널에서재결합한다.( 그림은파이오니아와지바대학교 (a), 그리고로옴 (b) 이제공한자료를바탕으로니케이일렉트로닉스가제작 ) 픽셀의단면 드레인전극 OLED 층충전트랩 TFT 보호막유기반도체 ( 펜타신 /CuPC) 소스전극 ( 금 ) 게이트유전막 (TMR) ITO 유기발광트랜지스터 ( 유기 TFT+ 유기 LED) 기판 유기스위칭트랜지스터 스캔라인 ( 크롬 ) 데이터라인 ( 금 ) b) 로옴그룹이개발한 OLED 의픽셀구조 유기스위칭트랜지스터 알루미늄전극기판 소스전극 ( 정공주입층 ) 발광트랜지스터유기반도체드레인전극 ( 전자주입층 ) 발광 알루미늄전극 기판 알루미늄전극 게이트유전막 소스전극 ( 정공주입층 ) 그림 8. 유기 TFT 로구동되는능동형플렉서블 OLED 패널의사례 이스의경우게이트길이를 80μm 에서 20μm 로줄일수있다. 세이코엡손의전자종이시제품은 2.4인치스크린에 픽셀, 해상도 50ppi이다. 유기반도체인 F8T2는잉크젯기술로만들며, 채널길이는 20μm 이다. 이유기 TFT는 1,500시간을공기중에노출한후에도 106 의온 / 오프비를유지한다고세이코엡손은밝혔으며, 몇달동안공기중에노출한이후에도이패널에는동작저하가발생하지않았다. 능동형플렉서블 LCD와 OLED 패널은아직까지인쇄기술을사용하여생산할수있을정도의수준까지는이르지못했다. 첫번째단계는픽셀트랜지스터등픽셀을유기반도체로완벽하게구현하는것이다. 일본소니는 픽셀, 해상도 79ppi인 LCD 패널시제품을출하했다. 게이트소스와드레인전극은유기은 (Ag) 혼합물, 게이트유전막은 OTS(Octadecyltrichlorosilane) 를갖는 PVP(Poly-4-Vinylphenol), 유기반도체는펜타신 (Pentacene) 이다. 유기 TFT 캐리어이동도는 0.12cm 2 /Vs이며, 픽셀간에편차가거의없다고소니는주장한다. 전극패터닝은리소그래피기술로처리되지만스핀코팅은유기은막과게이트유전막형성용액에사용된다. 소니는나프타신 (Naphthacene) 기반의유기반도체로다양한솔루션애플 리케이션을확대하기위해연구중이며, 인쇄기술을활용하는패턴메이킹방법을개발중이다. OLED 패널의경우, 개구율 (Aperture Ratio) 을높이는방법처럼휘도증가뿐만아니라유기물비율을향상시키는방향으로개발이계속진행되고있다. 일본파이오니아와지바대학의쿠도교수는픽셀피치 1.8mm, 픽셀의 OLED 패널시제품을공동으로개발했다 ( 그림 8). 각픽셀의발광수준은 256이다. 발광 OLED 디바이스는구동트랜지스터위에적층된수직구조를사용한다. 이구조는구동트랜지스터전압으로정공을 OLED 층에주입할때제어하기가더용이하여휘도조절이간편해진다. 기존에는 OLED 디바이스와구동트랜지스터가한면에배열되어 OLED 디바이스면적대비픽셀면적비 ( 개구율 ) 가매우낮았다. 새로운방법은개구율을 27% 에서 41% 로높였다. 일본의로옴과파이오니아, 미쓰비시화학, 교토대학등이참여하고있는한연구그룹은기존제품 (36%) 보다대략 2 배 (66%) 의휘도도메인을갖는 OLED 패널을개발중이다. 이 OLED 패널픽셀에는구동트랜지스터및방출층기능이있는유기 TFT가있다. 소스전극으로부터유기반도체층에주입된정공은빛을방출하기위해드레인에주입된전자와 090

14 인쇄전자의최신기술및시장동향 a) 세이코엡손의시제품 동작원리게이트 1 쓰기소스플렉시블기판 0 쓰기 b) AIST 의비휘발성메모리동작 반도체층 ( 펜타신 ) 유전층 (PVK, TNF 등 ) 엑시톤 소스 정공 드레인 청색광조사 드레인 -Vg +Vg 게이트 전자 형성된장벽 읽기 드레인과다른전류는 '0' 또는 1 의데이터를나타냄 읽기 소스 누적 정공 높은전류 낮은전류 드레인 조사시게이트오프 읽기시드레인전류 (A) 보존 읽기게이트유전막 : 130nm 게이트길이 / 폭 : 35μm/330μm 디바이스저장및측정방법 : 질소댁중에서 0 읽기 k 10k 100k 1M 10M 1시간 1일 1주 1개월 쇼트키장벽이충전가능 메모리효과 보존시간 ( 초 ) 액상공정으로비휘발성메모리를제작하는사례 (a) 강유전특성의유기유전체를게이트유전층으로사용하는세이코엡손의비휘발성메모리시제품. '0' 또는 1 의이진수값을결정하기위해서게이트, 소스및드레인에입력되는 +/- 전압에따라드레인전류가다르다는점을활용한것이다. 데이터유지테스트에서한달이지난후에도신뢰할만한동작을보임에따라데이터유지성능을입증했다. 쓰기전압은 ±15~±75V, 읽기전압은 -1V 다. (b)aist 는삭제시전압입력을사용하며광학적쓰기가가능한비휘발성메모리를개발했다.( 그림은세이코엡손 (a) 과 AIST(b) 가제공한자료를바탕으로니케이일렉트로닉스가제작 ) 그림 9. 용액공정으로비휘발성메모리를제작하는사례 재결합한다. 소스, 드레인및기타전극의구조는빗모양으로되어있으며, 전자와정공재결합용면적을증가시킨다. 비휘발성메모리의경우, 유기 TFT 게이트유전막을유기강유전체로사용하는 1T 메모리개발이활발하다. 예컨대엡손은플렉서블기판을사용하여 FeRAM (Ferroelectric RAM) 시제품을개발했다. 유기강유전막 (PVDF/TrFE)) 과유기반도체 (F8T2) 에는스핀코팅이적용되고, 게이트전극에는잉크젯인쇄기술이사용되는데둘다용액공정 (Solution Processing) 을사용한다. 쓰기 / 삭제전압은하이 ±15V이며, 질소공기중에한달간노출한후에도 1 과 0 데이터에대응하는히스테리시스특성의커다란저하가발생하지않았다 ( 그림 9). 제조안정성을나타내는로트간특성편차와기판내특성편차는최소수준이었다. 세이코엡손은인쇄기술을전체공정에사용하고자하는바람으로, 유기강유전체를만들기위해잉크젯프린팅활용을테스트중이다. AIST는유전층에전자 정공쌍 ( 엑시톤 ) 을생성하기위해청색광을활용하여광학기록이가능한 1T FeRAM를개발했다. 소스, 드레인전극등에알루미늄을사용할경우, 유기반도체와전극사이의계면에쇼트키장벽이발생한다. 게이트전극, 레이저방사등이정지하여전하가충전되면 이쇼트키장벽때문에정공이빠져나갈수없다. 다시말해, 비활성메모리기능을하는셈이다 ( 그림 9). 능동형 LCD 패널의픽셀 TFT에이 FeRAM을사용함으로써, 전자종이처럼이미지홀드기능이있는 LCD 패널을생산할수있을것이다. 예컨대청색광을방출하는펜을 LCD 스크린에사용하여픽셀 TFT 특성을접촉순간에변경하고액정의전기장에영향을주어그려진이미지를유지하게된다. 유기 TFT를사용하는인쇄전자기술의색다른애플리케이션으로는일본도쿄대연구그룹이개발한전기공급시트가있다. 시트내부의코일과시트위에있는물체내부코일간에비접촉식으로전력의전달이이뤄진다. 별도의코일을사용하여물체의존재를감지하고물체아래에있는전달코일에만전력을공급한다. 물체는최대 29.3W/inch 2 /coil을얻게되며, 최대전달효율은 62.3% 다. 유기반도체를만드는데에는진공기술이사용됐지만금속막은인쇄됐다. 위에서예시했듯이전자소자와디스플레이분야에서고해상도의필요성은두말할나위가없다. 그림 10은프린팅기술에의한해상도의과거상황과향후의발전기술을예측해본것이다. 091

15 Fine Line Resolution(um) Printed resolution in Laboratory demonstrations Method Resolution Throughput Investment (μm) (m2/min) ($M) Screen Print Flexo print Ink Jet Thermal Liquid resist < ,000 u-contact <1.0?? Fine line Resolution(um) Projected printed resolution in 2010 R-2-R New Market Print or Imprint Photolithography and Imprint Lithography Method Resolution (μm) Screen print 40 Flexo print 30 Ink Jet 20 Thermal 5-10 Liquid resist <1.0 u-contact < 그림 10. 프린팅기술에의한해상도 Printed products Technologies Markets Displays and e-paper OLEDs Smart packaging, smart textiles, smart cards Electroluminescent and other disposables Cell phones, Electrophoretic PDAs Laptops Televisions Electrochromic PDLC Cholesteric LCD MEMS Electrowetting Signage Same as displays Smart shelving Information signs Advertising displays Lighting OLEDs Toys, textiles, packaging and other Electroluminescent disposables Backlights for displays Vehicle lighting Mood lighting General illumination Audio Various Toys, textiles, packaging and other disposables RFIDs Organic RFIDs Antennas Complete tags Metallic RFIDs Photovoltaics Silicon Mobile devices and bettery chargers Organic Smart textiles RFIDs and smart packaging Other disposable products Building integrated products Membrane keyboards Various Cell phones, PDAs, GPS devices, etc ATMs and kiosks Toys and novelties Sensors Various Smart packaging and textiles Biomedical applications Large-area sensing for security Water testing Art conservation Batteries Lithium chemistries RFIDs and smart packaging Zinc chemistries Other Smart textiles Sensors Small consumer products Mobile communications and computing Memory Organic Flash replacement Silicon RFIDs and other disposables Logic and processors Organic Silicon Smart cards 표 4. 프린팅전자소자의기술및응용분야 인쇄전자의응용분야인쇄기술을활용하여다양한전자부품을생산하는인쇄전자기술이제조비용절감에크게기여할것으로기대된다. 초기응용분야는프린팅컨덕터와같은단순기능에국한되겠지만향후에는보다복잡한애플리케이션으로확대될전망이다. 신문이나잡지, 포스터또는기타인쇄물을제작하는데사용해온인쇄기술을전자부품의제조에적용하는 인쇄전자기술 의상용화도임박했다. 일례로 2006년 8월, 독일의프린티드시스템즈는온라인축구게임에이용되는 ID 카드의지속적인생산을위해롤투롤생산및인쇄기술을사용했다. 온보드메모리에는 16비트데이터, 즉총 6만 5,536 라인의코드저장이가능하며, 각코드는특정팀의선수에할당된다. 2008년에는독일의폴리IC가 13.56MHz 대역을사용하는 RFID 태그를출하하여, 제품인증을검증할수있는방법을제공할계획이다. OLED 패널과 DSSC(Dye- Sensitized Solar Cell) 등양산용애플리케이션도빠르게늘어나고있다. 예컨대, 일본의다이니폰프린팅이생산한 OLED 092

16 인쇄전자의최신기술및시장동향 Printed Backplane Capacity (Square Meters) Printed Display Capacity (Square Meters) E-Paper OLED Printed RFID (Square Meters) Printed PV Capacity (Square Meters) Tags Antennas 그림 11. 프린팅전자소자응용분야들의생산규모 패널은현재개발중인인쇄기술을이용한것으로, 포스터및유사애플리케이션용에어리어컬러시트형태로만들어져이미몇몇고객에게샘플이공급됐다. DSSC 샘플에대한평가도계속되고있다. 일례로, 여러장비제조업체들이일본펙셀테크놀로지의 DSSC 동작을평가중이다. 표4는프린팅전자소자의주요여러가지생산품및해당기술그리고시장에서의응용분야를요약제시해준다. 인쇄전자의생산및설비전망프린팅전자소자분야에는약 300여개의회사가연구개발에중이고, 프린팅전자소자생산규모는현재 360만m 2 로조사되고있다. 그중대부분은 PV와 RFID 분야에제한되어있고플라스틱로직, 폴리머비전, 나노아이덴트, 나노솔라 등의회사에의한초기생산규모와연관된다. 2013년에는프린팅소자생산규모가 3억 9,800만 m 2 로눈부신성장을이룰것으로예측된다. 프린팅전자소자의대표적인응용분야인프린티드백플레인, 프린티드디스플레이, 프린티드 RFID, 프린티드 PV의생산규모를예측해보면그림 11 과같다. 프린팅설비는약 250대가 2007년까지납품되었고, 2013 년에는 6,300대가공급될것으로추정된다. 이중약15% 가실제생산에이용될것이고, 2013년에는 52% 가생산에이용될것이다. 그림 12 는향후공장과설비를포함하는프린팅전자소자생산에투자되는금액을예상한도표이다. 인쇄전자분야의해외현황최근프린팅전자소자분야에많은회사들이참여하고있 093

17 Cumulative Investment in Printable Electronics Plant and Equipment ($ Millions) 그림 12. 프린팅전자소자의생산투자 Sectors Applications & Markets Logic & Memory Photovoltaics & Batteries Sensors & Sound 그림 13. 프린팅전자소자의응용분야및참여업체수 으며확인된회사및연구기관은약 700여개로, 그림 13 에서보듯이여러응용분야에골고루분포되어있다. 유럽에서는독일을중심으로화학분야의산업체들과프린팅설비업체들이활발히연구개발에인프라를확충하고있고, 영국에서는캠브리지대학을중심으로한유기전자소자분야의연구결과들이신생기업들을탄생시키고있다. 이와더불어네덜란드의아인트호벤, 독일의드레스덴, 스위스의바젤, 핀란드의오울루, 스웨덴의노로코핑 / 린코핑등 Displays & Lighting Materials Manufacturing 의지역에서이분야의연구가활발히진행되고있다. 유럽의대표적인광전지분야의회사로는잉크젯프린팅에의한 DSSC를생산하는영국의 G24i와 CIGS을생산하는독일의나노솔라가있고조명분야에독일의오스람, 지멘스, 필립스등이대표회사들이다. 여기에미국의벤처캐피탈과정부그리고군대로부터의막대한자금이이분야로투자되어시장확충의기폭제가되고있다. 대표적인유기태양전지회사로서코나카와플렉스트로닉스가활발히연구개발을진행중이다. 또한프린팅전자소자의가장큰응용분야가디스플레이관련시장이라는사실은아시아의거대제조회사들에게시장에서의큰역할을부여해주고있으며, 소니, 도시바, 미쓰비시, 마츠시타, 캐논, 리코, 아사히, 카세이, 파이오니아, 삼성, 스미토모등의회사들이있다. 한예로지난 9월플라스틱전자소자분야의선두기업인플라스틱로직은세계최초로상품화생산규모의자동화된플라스틱전자소자제조시설가동을시작했다. 이회사는저온공정의플라스틱기판위에고해상도의트랜지스터제조의핵심기술을보유하고있다. 이공정은기존의유리기판위의실리콘공정보다단순하고, 유리기판보다더얇고가볍고유연한능동구동디스플레이를구현해준다. 첫번째생산품은전자책으로, 2009년에시장에등장할것으로예상된다. 플라스틱필름위에프린팅 TFTC(Thin Film Transis ter Circuit) 을구현하는기술은 300여개의회사및연구기관이참여하고있으며, 코비오, 소니, 마츠시타, 캐논, 토판프린팅, 다이니폰프린팅, 필립스, 플라스틱로직, 엡손, 제록스, IBM, 폴리IC, 오르가닉ID, 3M 등이그대표적인회사이다. 폴리IC는 3년간독일정부로부터의자금지원으로 CMOS와유사한유기전자회로기술을완성했다. 이기술로간단한 RFID 응용을구현하는샘플을개발데모하였다. 롤투롤공정에의해두개의다른유기트랜지스터 (n-type과 p-type) 를사용하여오르가닉링오실레이터를제작하였다. 이런연구성과물은 MaDrix 라고하는차세대유기회로의개발과제로이어질것이다. 094

18 인쇄전자의최신기술및시장동향 $ Millions The Vision US$300bn market 15 Total PE Market The Reality US$1.6bn market Toys and novelties Keyboards Smart cards Memory PV Batteries RFIDs Sensors Backplanes Lighting Signage Displays 0.8 플렉서블디스플레이와전지, 솔라셀, 조명, 옥내외대형광고판등다양한응용가능성과저가대량생산, 초박막, 높은유연성등의많은장점을지니고있다. 세계각국의주요업체들이개발과생산에몰두하고있는프린팅전자산업은이들특징을바탕으로현재와는다른새로운응용분야에적용됨으로써향후우리의삶을새롭게바꿔줄첨단산업임에틀림없다. 프린팅전자산업은 2028년에 3000억달러규모의시장을형성하며다양한산업에적용될수있는융합기술로, 현재산업의전분야에걸쳐많은기대를받고있다. 이들분야의핵심기술선점은미래국가경쟁력강화에크게기여할것임에분명하다. Logic Displays PV Other 기대효과및활용방안 그림 14. 프린팅전자소자의응용분야시장전망 인쇄전자의시장전망프린팅분야의응용시장중디스플레이분야가가장큰시장을차지할것으로예측되고있는가운데이중 OLED와 E- Ink 디스플레이가대표적인응용분야로예측되고있으며, 프린팅트랜지스터를중심으로프린팅어레이기판의응용시장은디스플레이, 조명, 사인분야에서두각을나타낼것으로보인다. 그리고센서, 배터리, 광전지 (PV), 메모리, 스마트카드등의시장에대한예측에대한요약을그림 14 에서보여준다. 20년후인 2028년프린팅전자산업의시장은 3000억달러로추정되어거대한시장을형성할것임이틀림없다. 실리콘반도체시대에서탄소반도체시대가열리면서프린팅기술이반도체제조기술로등장하게되었다. 프린팅전자소자는프린팅공정을이용하여전자회로, 센서, 소자, 전자제품등을인쇄하듯만들어내는첨단과학기술산업으로 전자소자분야의대표적인예로, 향후개발될디스플레이공정기술은잉크젯프린팅기술을비롯한프린팅기술로대체될것이라는것이관련전문가들대부분의의견이다. 현재 LCD, LED 등디스플레이분야의선두주자인국내산업이이들기술을준비하고활용해야함은두말할나위없다. 이분야외에도여러가지프린팅기술들이플렉서블디스플레이, 반도체회로, 조명, 센서, 태양전지등무궁무진한분야에적용되는차세대기술로주목받고있음에도국내에는아직관련인프라및기술개발역사가부족하다. 하지만지난 9월한국정부가발표한신성장동력 22개분야산업군에프린팅전자산업이대다수의핵심산업을이루면서프린팅전자소자산업이미래고부가가치핵심산업으로새삼높은관심을받게되었다. 이기술은신성장동력을창출할수있는다양한차세대기술분야에서활용될수있다는점에서그성장가능성이무궁무진하다고할수있다. 또한고유가로인한고효율에너지산업에대한필요성과이산화탄소배출규제와수은및 095

19 유해물질규제로인한그린테크놀로지산업에대한요구하에대체공정기술로서도현재각광받기시작하고있어정부가추진하는녹색성장정책과도부합된다. 정부가 5년동안 99조4천억원을들여집중육성하기로최근발표한 22 개의신성장동력산업군항목은무공해석탄에너지, 해양바이오연료, 태양전지, 이산화탄소회수및자원화, 연료전지발전시스템, 원전플랜트, 그린카, 선박해양시스템, 반도체, 디스플레이, 차세대무선통신, LED 조명, RFID/USN, 로봇, 신소재나노융합, IT 융합시스템, 방통융합미디어, 바이오신약및의료기기, 문화콘텐츠, 소프트웨어, 디자인, 헬스케어등으로프린팅전자기술이활용될수있는분야와많은부분이일치한다. 프린팅전자산업은높은성장성을인식한미국과유럽, 일본등의유력기업들이이미개발에몰두하고있지만, 아직주도하고있는기업이없어전자산업인프라가풍부한한국이뛰어들경우산업을주도할수있을것으로생각된다. 국내시장의경우산업용디지털프린팅시장은아직초기단계에머물러있다. 디지털프린팅소재, 공정용부품, 장비는대부분수입에의존하고있는실정이며국내대기업을중심으로기술개발이이루어지고있지만원천특허확보나핵심기술개발에는선진국에비해한참뒤떨어져있다는평가를받고있다. 이제까지제공한프린팅전자소자의해외첨단기술정보를바탕으로본보고서가국가기술개발연구의기초자료로써활용되기를기대해본다. (1) Printed Electronics Asia 2008 conference proceedings (2) Printed & Organic Electronics Forecasts, Players & Opportunities 2008 by IDTechEX (3) Nikkei Electronics Asia 2007 (4) Developments in Printed Electronics Manufacturing by NanoMarkets Teleconference 2007 (5) Printed Electronics: From R&D to Revenues 2006 by NanoMarkets (6) Printable Electronics: Materials and Processes 2006 by DuPont (7) Printable Electronics 2006 and Beyond by NanoMarkets (8) Materials and substrates for printable electronics: Opportunities and Markets 2006 (9) Encyclopedia of Printed Electronics by IDTechEx 096