SPECIAL ISSUE 기획특집 4 플렉시블디스플레이기술및시장동향 플렉시블디스플레이를위한인쇄공정기술의개발현황 다가오는미래의새로운디스플레이는가볍고깨지지않으며, 어떠한형태의디자인도적용가능할뿐만아니라공간의제약없이휴대가편리하고초대형크기가가능한디스플레이전자소자로발전해가고있다. 차세대의플렉시블디스플레이는두루마리형태로말수있고 (Rollable), 종이처럼접거나구부릴수있다 (Curved, Bendable). 또한외곽디자인이자유롭고기판이유연성 (Flexibility) 을갖고있어서깨지지않는튼튼한디스플레이로정의되고있다. 이러한플렉시블디스플레이의상용화는디스플레이산업의영역을대폭확대시켜새로운성장국면으로전환할수있는획기적인계기가될것으로예상된다. [Flexible Display 의 Road Map] 1)Durable(1세대 ) : 얇고가볍고 (Thin&Light) 깨지지않고질긴디스플레이 [ 가장초기형태 ] 기판만유리에서유연한소재로바뀐형태로제품의두께, 무게, 신뢰성이혁신적으로향상2)Bendable&Conformable(2세대 ) : 휘어지고외형디자인이자유로운디스플레이 [ 자유로운디자인요소 (Form Factor) 가핵심 ] 휘어진형태를유지하고, 디스플레이의외곽디자인을자유롭게하여 Fashion 개념이가미된새로운휴대용제품창출 굴곡진공간이나자투리공간을최대한활용한새 로운설치제품창출 3)Flexible(3세대 ) : 두루마리처럼자유롭게말수있는디스플레이 [ 자유롭게접고말수있는디스플레이 ] 극단적인공간절약형신개념제품의창출4)Disposable(4세대 ) : 종이를대체할수있는극저원가디스플레이 [ 종이에근접된제조원가가핵심 ] Roll-to-Roll 기술, Easy Printing 기술등과같은극저원가기술을기반으로쉽게사고임의로폐기할수있는디스플레이 일반종이프린트물을대체하는신규제품창출플렉시블디스플레이는가볍고얇고깨지지않는다는장점으로인하여휴대폰, PDA, MP3, Tablet PC와같은중소형디스플레이가채용된 Mobile 제품에우선적으로적용될것으로기대되며, 대면적화기술이확보되면기존디스플레이가적용된노트북, 모니터, TV 등의모든분야에대체적용가능하여, IT산업전반에걸쳐크게확산될수있다. 이외에도유연한플라스틱기판이사용돼질기고구부림이자유로워여러디자인의표현이가능하다. 입고다닐수있는의류용은물론의료용진단분야에도확대적용될수있다. 또한 Roll-to-Roll 공정을기반으로한대면적, 저원가기술이실현되면실내 외광고용간판및 wallpaper, 각종장식용용도등새로운수요를창출할수있다. 그림 1. 차세대플렉시블디스플레이 그림 2. 플렉시블디스플레이의 Road Map I 46 I The Photonics Journal
플렉시블디스플레이를위한인쇄공정기술의개발현황 그림 4. 플렉시블디스플레이시장전망 그림 3. 플렉시블디스플레이의발전방향 플렉시블디스플레이시장은초기에는중소형의휴대용스마트기기에적용되겠지만, 중장기적으로는 TV와산업용디스플레이시장에적용되면서급성장할것으로예상되고있다. 시장규모는 2015년 24억 US$, 2020년에는 300억 US$ 로급성장될것으로예측하고있다또한플렉시블디스플레이의생산성을더욱높이기위해서는기존의증착-포토-식각의포토리소그래피 (Photolithography) 공정에서벗어나, 인쇄전자기술을접목한프린팅과 Roll-to-Roll 공정등의새로운공정기술에대한연구가진행되어기존공정대비혁신적인원가절감이가능한공정변화가요구된다. 실제관련기업에서는향후 5 10년이내에모바일기기에적용될플랙시블디스플레이패널의상용화가가능할것으로예측하고있다. 플렉시블디스플레이를구현하기위해서는실리콘기판이나금속전극과같이무기재료를기반으로하는전자소자를대체하여유기재료를기반으로하는전자소자, 특히유기박막트랜지스터나인버터와같은유기전자소재의제작이필요하다. 종래의유기트랜지스터와같은유기전자소자는균일한박막의제조가용이하고막의두께를조절할수있어미세화에유리한진공증착이주로사용됐다. 이러한제작방법은불순물의혼입을방지할수있어유기박막트랜지스터의기초물성을연구하는데매우유효한수단이지만, 제조공정에서재료의손실이크고고가의진공장치가필요하며대면적구현이어렵다는단점이있다. 또한전자소자를제작하는데있어재료의미세한패턴특성 자료 : Displaybank, 삼성전자, 유진투자증권 그림 5. 플렉시블디스플레이제조과정 - Batch type 을요구하는경우포토리소그래피 (photolithography) 공정이보편적으로사용되어왔다. 포토리소그래피공정은미세패턴공정이가능하며현재응용분야가널리확보되어있는기술이지만 100nm 이하의미세나노구조물또는패턴을형성하는데는한계에직면하고있는실정이다. 또한포토리소그래피공정은공정단가가상대적으로높고공정단계가복잡하다. 또전사되는표면조건에따른제한을받고공정에사용되는포토레지스터 (photoresist) 재료선택의폭이좁다는치명적인단점이존재한다. 최근전자소자의집적도가높아지고있고이와함께유연성을갖춘유기전자소자를이용한저비용대면적의차세대디스플레이기술개발이활발히이루어지고있는상황에서기존의포토리소그래피공정기술을대체할수있는새로운패턴인쇄기술이요구되고있다. 이러한추세에따라최근개발되고있는패턴인쇄기술의특징은기존의전자제품을생산하는방식과달리신문이나잡지, 포스터등의인쇄물을제작하는데사용하는인쇄기술을전자소자의제조에적용하는것이다. 이러한인쇄기법은기존의방식에비해공정과정이단순 2013. 9 광학세계 I 47 I
SPECIAL ISSUE 기획특집 4 플렉시블디스플레이기술및시장동향 자료 : Displaybank, 제일모직, 유진투자증권 그림 6. 플렉시블디스플레이제조공정과정 - Roll Type 하고비용이낮은장점을갖고있다. 또한연속적인유기재료의패턴공정을확보할수있어대면적에서균일한소자를제작할수있다. 현재개발된인쇄공정중잉크젯프린팅 (inkjet printing), 임프린트리소그래피 (imprint lithography), 그리고오프셋인쇄법 (offset printing) 이집중적으로관심을받고있다. 하지만유기전자소자성능의최적화와플렉시블디스플레이의구현을위한최적의인쇄전자기술의개발은아직많은도전을필요로하고있다. 유기전자재료를패터닝, 코팅하는인쇄전자기술이미래산업에큰파급효과를미칠것으로예측되며유연전자소자들에대한기초기술이현재해외선진국을중심으로적극적으로연구되고있다. 유연전자소자뿐만아니라 LCD/LED TV와같은대면적의전자디바이스와관련해제조공정상에서보다저가의대면적으로구현가능한공정기술이지속적으로연구되고있다. 이는대부분의생산공정이반도체공정중심인진공독립공정기술을포함하고있기때문이다. 따라서최근많은연구자들은반도체공정을대체하기위한새로운방식의인쇄전자기술에대한연구를수행하고있다. 인쇄전자기술 (Printable Electronics Technology) 을쉽게설명하면잉크를사용해우리가원하는패턴과모양을종이나필름과같은곳에전이시키는원리를활용한것이다. 최근에는이를더욱확대하여인쇄장비기술을사용해유기전자재료를패터닝, 코팅하는인쇄전자기술이미래선도기술로서이슈가되고있다. 인쇄전자기술은과거신문, 잡지등을인쇄하듯이연속인쇄생산 시스템을기반으로유기전자재료를중첩인쇄함으로써다양한전자소자를생산하는것이다. 과거의미디어인쇄기법에서는단지글자의가독성과그래픽구현성이시스템의정밀도를좌우했기때문에저해상도혹은중해상도수준의인쇄성만갖춘시스템으로제작이가능했다. 하지만인쇄전자기술에서는이러한패터닝혹은코팅의작은오차가전자소자의성능과동작유무에직접적인영향을미칠수있기때문에아주높은정밀도를요구하는시스템으로구현돼야한다. 더불어인쇄전자용초정밀연속생산시스템은이전의반도체중심의생산공정을대체하고자하는최신의청정생산공정이므로그정밀도는반도체소자에적용가능한고해상도가기본적으로이용될수있어야하며, 동시에반도체공정과는다르게상온, 상압, 연속의세가지요소를모두만족시켜야하는어려움을갖는다. 현재이러한시스템은이전부터미디어인쇄시스템을주도해온독일을중심으로핀란드, 덴마크등의유럽선진국에서기술개발을추진중이며미국, 일본등도기술개발에더욱박차를가하고있다. 인쇄전자연속생산기술에서는장비 ( 소자 ) 공정 재료 ( 소재 ) 의매칭이핵심요소이므로인쇄전자의산업화를위해서는소자생산에따른전체적인솔루션이필수적이다. 이기술범위는소자설계와공정기술, 핵심장비기술, 기능성소재양산화기술로폭넓게구성된다. 특히인쇄전자소자의초저가대량생산이가능한초정밀연속생산장비기술로서주요공정을대체할수있는 3가지종류의장비기술은다음과같다. 1기존노광 (Photholithography), 스태퍼 (Stepper), 식각공정을대체할수있는초정밀복합접촉식, 비접촉식롤프린팅장비기술. 2기존스핀코팅및증착 (Deposition, thermal evaporation, sputtering) 공정을대체할수있는나노박막코팅장비기술. 3기존고온진공기반의반도체 /MEMS 공정을대체할수있는저온상압롤기반고집적패터닝장비기술. 이러한생산시스템의혁신으로인쇄전자는초저가대량 I 48 I The Photonics Journal
플렉시블디스플레이를위한인쇄공정기술의개발현황 그림7. Printed electronics 응용분야그림8. 세계인쇄전자시장전망및시장점유율 생산을가능하게하는등시장성 경쟁성 전략성이매우우수해오는 2025년매출 77조원, 수출 450억달러, 고용 6만 4,000명, 투자유발효과 17조 4,000억원에달할것으로정부는기대하고있다. 또한 2013년디스플레이뱅크자료에따르면 FPCB와 TSP 인쇄전자시장이급성장할것으로전망하고있다. 인쇄전자기술을활용한 FPCB의시장은얇고가벼운스마트기기들의수요증가와함께시장이점점커지는추세이기때문이다. 성장기로접어드는 2015년 6,000 억원에서 2020년 2.5조원의시장을예측하고있으며, 2020년에는전체 FPCB 시장의 25% 가량을인쇄전자기술적용제품이시장을점유할것으로보고있다. < 인쇄전자공정및장비에대한연구개발은세계적으로원천기술확보를위한연구진행단계에머물러있다. 우리나라도원천기술개발에뛰어든상태다. 아직상용화기술이개발되지않아우리나라입장에선시장에대한진입장벽이없다. 따라서인쇄전자소자생산에적합한초정밀롤프린팅장비등원천기술을선점하면미래신산업인인쇄전자산업을국내기업이선도하는기회를 얻게된다. 즉글로벌시장의주도권확보가가능하다는것이다. 인쇄전자생산시스템의토털솔루션을제공하기위해서는소자 장비 소재의매칭이필수다. 먼저상용화할소자를선정하고이를최적공정에서경제적으로생산하기위한장비및소재를개발해야한다. 롤투롤 (Roll-to-Roll) 프린팅장비는기능성페이스트또는잉크를이용해전자소자에필요한미세패턴을프린팅하여기존반도체공정의노광 식각장비를대체하는것이다. 낮은비용으로인쇄전자소자를대량생산하기위해서는고속의롤투롤 (Roll-to-Roll) 연속프린팅장비를개발해야한다. 기본적으로반도체공정에비해저온상압공정을기반으로하며, 유연기판에대면적고속연속생산이가능하므로기존반도체공정과비교해공정장비및시설투자비용이매우저렴한장점을갖는다. 이러한장점은유연인쇄전자소자의초저가대량생산을가능하게해다품종대량생산에가장적합한형태라고볼수있다. 공정적인측면에서는필요한부위만패터닝하는에디티브공정이이용되므로재료소모가적고오염물질배출을크게감소시키는친환경공정의요소도포함하고있다. 롤투롤 (Roll-to-Roll) 프린팅장비기술에적용가능한기술은크게접촉식과비접촉식프린팅기술로구분할수있으며, 이를복합적으로접목한하이브리드방식도존재한다. 접촉식롤투롤 (Roll-to-Roll) 프린팅기술에는여러가지가존재한다. Roll-to-Roll printing(gravure, gravure offset, flexo, Reverse offset), Roll-to-plate 그림 9. Batch process 와 Printing Process 비교 2013. 9 광학세계 I 49 I
SPECIAL ISSUE 기획특집 4 플렉시블디스플레이기술및시장동향 그림 11. 비접촉식프린팅기술 그림 10. 접촉식 Roll to Roll 프린팅기술 printing, Screen printing, Thermal-roll imprinting 등이있으며, 이중대표적인세가지프린팅기술로그라비어 (gravure) 프린팅, 플렉소 (flexo) 프린팅, 그라비어옵셋 (gravure offset) 프린팅기술을꼽을수있다. 이중제판롤이오목으로각인되어전이되는기술이그라비어 (gravure) 프린팅기술이며, 볼록으로각인되어전이되는기술은플렉소 (flexo) 프린팅기술이라고부른다. 또한오목제판을실리콘혹은러버등의재질로구성된블랑켓롤에전이시킨후다시기판으로전이하는방식을그라비어옵셋 (gravure offset) 프린팅기술이라고한다. 각각의인쇄기술은장단점을포함하고있지만, 이중박막코팅과패터닝그리고미세패턴형성에서좋은인쇄결과물을얻을수있는그라비어옵셋 (gravure offset) 인쇄기술이인쇄전자분야에서보다좋은결과를나타내고있다. 하지만블랑켓 (blanket) 롤로전이된잉크를다시기판으로전이시키는과정에서직접적으로제판으로부터전이되는그라비어방식이나플렉소 (flexo) 방식에비해제어가어렵고인쇄하고자하는잉크즉, 기능성인쇄재료에대한인쇄영향력이높은것과블랑켓 (blanket) 수명이수백회만사용가능하다는단점이있다. 그라비어 (gravure) 인쇄기술은높은생산성을지니고있으나유연기판에만적용가능하다. 또한다른인쇄방법에비해상대적으로저해상도를지니며낮은인쇄두께등의단점이있다. 현재국외에서는인쇄전자분야에대부분그라비어 (gravure) 프린팅기술을적용되고있으며, 이에따라보다미세한선폭인쇄에한계를갖게되 면서접촉식프린팅기술에서의지속적인장비및재료개발이요구되고있다. 비접촉식롤프린팅기술은기본적으로비접촉식의박막코팅패터닝공정이포함된롤프린팅장비기술을가리킨다. 비접촉식의가장대표적인기술로는잉크젯을들수가있다. 잉크젯 (inkjet) 은과거부터지속적인발전을보였고, 최근에는다양한산업분야에도적용돼현재비접촉식방식중에서가장기술적으로쉽게적용가능한기술로판단된다. 하지만잉크젯기술에는태생적으로공정이지닌노즐막힘현상이나박막코팅에대한어려움이포함되기때문에인쇄전자기술에서는스프레이방식이나다른비접촉식공정기술이연구되고있다. 스프레이방식은과거페인팅처럼임의의면을코팅하는데있어손쉬운구성과적용으로많이사용돼온방법이다. 기본적으로공압을이용한분사방식을채용하며특히인쇄전자분야와같이유기물의박막코팅이다중으로형성되는공정에서는적용이용이한장점을보유하고있어유기박막태양전지분야등에서주로이용되고있다. 하지만기존의공압스프레이코팅방식은코팅박막의정밀두께제어가어렵고좋은표면거칠기를형성할수없다는단점으로인해최근에는고전압을이용한 ESD(Electrostatic Spray Deposition) 박막코팅기술이나 Aerosol jet 등과같은특수한스프레이기술이인쇄전자분야에접목되고있다. 이기술들은일반적인공압스프레이코팅기술에비해아주작은입자의분사가가능하여보다양호하고얇은박막을구현할수있다는장점이있다. 원리는 ESD의경우고전압을노즐에가해유기물입자를잘게쪼개어분사하는방식이며, Aerosol jet은초음파등과같은분무여과기를거쳐올라온작은입자를유도가스를이용해분사하는기술이다. 이와같은박막스프레이공정외에도다이렉트로메탈을녹여패터닝하는메탈젯 (metaljet) 기술과고전압 I 50 I The Photonics Journal
플렉시블디스플레이를위한인쇄공정기술의개발현황 그림 14. 다양한인쇄공정과특징비교 -2 그림12. 인쇄공정개념및핵심기술그림13. 다양한인쇄공정과특징비교-1 ESD 기술을활용하여잉크젯과같이드롭으로토출가능한 EHD(Electro Hydro Dynamic) 패터닝기술도이용되고있다. 인쇄전자장비분야가시장진입단계로접어든것으로보인다. 앞으로플렉시블디스플레이, 플렉시블전자부품등의기반기술을수행하기위해다양한디바이스 ( 소자 ) 의양산에적합한인쇄공정개발과장비의매칭이필요하며, 디바이스특성에맞는소재개발이균형있게개발되어야한다. 인쇄공정에서패턴의인쇄성, 중첩정밀도, 정확도, 미세화, 두께등은중요한요소다. 또한생산성에있어대량양산가능성의재연성과높은수율그리고기존생산공법과의매칭도중요한이슈이다. 인쇄전자는디스플레이, RFID, 조명, 태양전지, 전지 (Battery) 등반도체나소자, 회로등이쓰이는거의모든영역에일대변혁을일으킬수있는잠재력을지녔다. 나아가고성능집적회로 (IC) 까지도기존의실리콘기반의제품을대체할수있는가능성을열어놓고있다. 전자산업뿐아니라보안서비스, 포장및유통, 환경 에너지, 헬스케어산업까지광범위한응용이가능하다. 인쇄전자시장은아직은초기단계에있지만재료및공정기술의발전과수요의고도화에힘입어급팽창할것이다. 인쇄전자는잉크및기판재료기술, 인쇄기술이융합된특성을지니고있기때문에대부분의기업들이단독으로사업을전개하기보다는서로유기적으로협력하고있다. 재료, 장비, 공정은물론제품디자인등의측면에서기존전기 전자산업에미칠인쇄전자의파괴력을고려하여상용화를위한많은연구개발이필요하다. 최은국현재하이쎌 ( 주 ) 에서연구소장으로재직하며인쇄전자기술을개발하고있다. 산업통상자원부주관미래산업선도기술개발사업에서 RTR인쇄기술을이용한 FPCB용연속생산시스템개발 (2012~2018) 및나노융합 2020사업단주관전도성나노 Paste 가융합된인쇄전자기반스마트기기용 5Ω급안테나개발 (2012~2015) 의총괄연구책임자로연구개발을진행하고있다. 또한국제표준화관련 IEC TC119의기술위원으로활동중이다. 2013. 9 광학세계 I 51 I