제출문 지식경제부장관 귀하 본보고서를정보통신성장기술개발 (IT 우수기술지원) 사업 저소비전력 LCD 구현을위한 색분리광학플레이트개발 ( 개발기간 : 2009. 05. 01. ~ 2010. 04. 30.) 과제의최종보고서 로제출합니다. 2010. 05. 31. 주관기관명 ː 은성디스플레이( 주) ( 대표자) 김은석 ( 인) 총괄책임자 ː 김은석 참여연구원 ː 김민수 참여연구원 ː 정민옥 참여연구원 ː 정준영 참여연구원 ː 하덕규 지식경제기술혁신사업공통운영요령제31조에따라보고서열람에동의합니다. - 1 -
기술개발사업보고서초록 1. 일반현황 사업명정보통신성장기술개발사업기술분류 201005 과제명( 과제번호 ) 저소비전력 LCD 구현을위한색분리광학플레이트개발 (A1300-0901-0050) 제품( 공정) 명색분리필터 (CSF; color separation filter) 주관기관 기관 ( 기업) 명 은성디스플레이( 주) 설립일 2009.04.20. 주소청주시흥덕구개신동 12 충북대학연산 803호 대표자 ( 기관장) 김은석연락처 043-267-2009 홈페이지 - Fax 0505-288-2009 총괄책임자김은석연락처 실무담당자 김은석 연락처 (e-mail) (eskim@esdisplay.com) 기술개발 현황 참여기관해당사항없음. 총사업비 ( 천원) 총개발 기간 정부출연금 현금 민간부담금 현물 합계 149,000 5,000 45,000 199,000 2009. 05. 01. ~ 2010. 04. 30. 기업형태중소기업( ), 대기업( ) 주생산품디스플레이부품소자 기업현황 상시 종업원수 재무상황 ( 단위 : 백만원 ) 년도( 최근 3 개년) 1 자본 총계 부채 총계 연구개발인 총 력 매출액 당기 순이익 2 연구개발 투자액 매출액대비 R&D 투자비율 (%) 2006년 0 0 0 0 0 0 2007년 0 0 0 0 0 0 2008년 0 0 0 0 0 0-2 -
2. 기술개발개요 백라이트유닛(BLU) 에서생성된빛이 LCD 칼라필터로입사되기전단계에서 RGB 칼라필터의 위치에맞춰미리색을분리함으로써각각의칼라필터에해당파장만을통과시켜휘도를향상 시키고, 대역폭을감소시켜색감을향상시키는신개념광학부품개발. - 픽셀단위홀로그램기록시스템개발. - 홀로그램기록용 250nm pitch, 4 layer Fresnel lens 개발. - 2.2 inch LCD 용색분리필터시제품개발. 3. 개발결과요약 키워드 홀로그램/ 칼라필터/ 색분리/ 분산/ 픽셀 핵심기술최종목표개발내용및결과기술개발배경핵심개발기술의의의 LCD 의픽셀크기로홀로그램을기록하고, 유리기판통과후 RGB 칼라필터위치에분리된색상이위치하도록설계및제작 2.2 인치 LCD용색분리필터 - 휘도: 15% 향상. - 대역폭: 5% 감소. - 두께: 1mm 이하. 홀로그램의색분산원리를적용하여픽셀단위로백색광을공간상에 분리하여 RGB 칼라필터에해당파장만을통과시키도록구성된색분 리필터와이에필요한장비및광학소자개발. 투과형 LCD 장치에서칼라필터의투과율은 33% 정도로전체의약 3 분의 1 만이투과된다. 따라서배터리기술을제외하고 LCD의소비전 력을줄일수있는방법의하나로칼라필터의광효율을높이는것이 가장현명한선택일것이다. - 픽셀단위홀로그램기록시스템: 3.5인치제품까지생산가능한설 비로, 향후양산설비개발을위한기본모델. - 홀로그램기록용 Fresnel lens : 색분리를위한픽셀단위홀로그램 기록의핵심기술. 나노소자특화팹센터에서공정개발. 적용분야모든 LCD 제품군 ( 백라이트의광원종류와무관). - 3 -
4. 기술및경제적성과 기술적성과 세계최초픽셀단위홀로그램기록시스템구성. - 3.5 inch LCD 용색분리필터양산시스템개발. - 핵심제조기술 100% 국내개발. - 국내특허 2 건, 해외특허 2 건. - 고휘도 LED 개발에필요한파생제조기술개발. 경제적성과 - 관련매출 48 백만원 5. 파급효과및기대효과 파급효과원천특허/ 기술개발, LCD 휘도개선, 수백 nm급가공기술개발 기대효과 신규시장창출, 수출증대효과, 비용절감효과. 6. 해당기술, 제품의시장현황 국내시장 해외시장 신규사업 신규사업 7. 제품사진 - 4 -
< 연구개발사업주요연구성과> 사업명정보통신성장기술개발 (IT 우수기술지원) 사업 과제명저소비전력 LCD 구현을위한색분리광학플레이트개발 주관기관명 은성디스플레이( 주) 설립일 2009.04.20. 주소청주시흥덕구개신동 12 충북대학연산 803호 대표자( 기관장) 김은석연락처 043-267-2009 총괄책임자김은석 FAX 0505-288-2009 총개발기간 2009. 05. 01. ~ 2010. 04. 30. 총사업비( 백만원) 199 정부출연금 149 민간부담금 50 참여기관 - 참여기관책임자 - 성과지표세부지표성과비고 사업화 성과 기술적 성과 파급효과 기타 매출액 시장 점유율 세계시장 경쟁력 순위 특허 논문발표 고용효과 개발제품 관련제품 개발제품 관련제품 개발후현재까지 향후 0억원 3년간매출 5억원 개발후현재까지 향후 0.5억원 3년간매출 10억원 개발후현재까지 향후 3년간매출 개발후현재까지 향후 3년간매출 현재제품세계시장경쟁력순위 국내 : 0% 국외 : 0% 국내 : 100% 국외 : 100% 국내 : 1% 국외 : 0% 국내 : 5% 국외 : 1% 1위 3년후제품세계시장경쟁력순위 1위 국내 국외 국내 국외 개발전 개발후 출원 등록 출원 등록 2건 0건 2건 0건 0건 0건 2명 1명 선진국대비기술수준 100% 국산화율 50% 표준제개정, 기술이전및수상실적등 - - 5 -
구체적인연구성과 1. 지식재산권 번호종류명칭출원일등록일국명등록번호발생차수 1 특허 이중구조의홀로그래픽 칼라필터와이를이용하는 투과형액정디스플레이 2009.10.14. - 한국 - 1 차년도 2 특허 회절광학소자를적용한고광도발광다이오드의제조방법및이방법을이용하여제조되는고광도발광다이오드 2010.04.27. - 한국 - 1 차년도 3 특허 DUAL LAYER HOLOGRAPHIC COLOR FILTER AND TRANSMISSIVE LIQUID CRYSTAL DISPLAY USING THE SAME 2010.03.03 - 미국 - 1 차년도 4 특허 2 層式ボログラフィックカラーフ ィルタよびこれを使つた透過型液 晶ディスプレ 2010.03.26 - 일본 - 1 차년도 2. 논문게재/ 발표실적: 해당사항없음. 3. 기술이전실적: 해당사항없음. 4. 인증/ 포상실적등 ( 국내및국외): 해당사항없음. - 6 -
5. 사업화계획및매출실적 항목세부항목성과 사업화소요기간년 ( ) 3 소요예산 ( 백만원) 10,000 예상매출규모 ( 억원) 현재까지 3년후 5년후 0.5 10 100 사업화계획 시장점유율 단위 (%) 현재까지 3년후 5년후 국내 - 100 100 국외 - 100 100 향후관련기술, 제품을응용한타모델, 제품개발계획 노트북용색분리필터/ 고광도 LED용소자 무역수지개선효과 ( 단위 : 억원) 현재 3년후 5년후 수입대체 ( 내수) 0 0 0 수출 0 1 10 6. 고용창출 항목세부항목성과 고용효과 개발전 개발후 연구인력생산인력연구인력생산인력 2명 0명 1명 0명 7. 기타성과 파생기술도출 : 회절광학소자를적용한고광도발광다이오드개발중. - 7 -
8. 변경이력 가. 승인사항 변경항목변경전변경후사유승인일 - - - - - 나. 통보사항 변경항목건수변경내용통보일비고 연구인원 2 퇴사/ 충원 퇴사/ 충원 2009.08.25. 2010.02.25. - 8 -
목 차 제 1 장서론 11 제 1 절개발기술의중요성및필요성 11 1. 제품개발의필요성 11 2. 개발제품의개요 12 3. 개발제품의용도 13 4. 개발제품의적용분야 15 제 2 절국내 외관련기술의현황 16 1. 국내기술동향및수준 16 2. 국외기술동향및수준 19 제 3 절기술개발시예상되는기술적 경제적파급효과 21 1. 제품개발의중요성 21 2. 기술적파급효과 22 3. 환경에너지관련파급효과 23 4. 경제 산업적파급효과 25 제 2 장기술개발내용및방법 28 제 1 절최종목표및평가방법 28 1. 최종목표 28 2. 개발기술의평가방법및평가항목 30 제 2 절단계목표및평가방법 31 1. 당해년도개발목표 31 2. 개발내용및범위 31 3. 당해연도제품개발내용 32 제 3 절개발내용및개발범위 34 1. 제 1 홀로그램용마스터제조공정기술 34 2. 사출성형공정기술개발 34 3. 제 2 홀로그램용격자제작기술개발 36-9 -
제 3 장결과및사업화계획 37 제 1 절연구개발최종결과 37 1. 연구개발추진일정 37 2. 연구개발추진실적 38 3. 유형및무형성과 54 제 2 절연구개발추진체계 55 제 3 절시장현황및사업화전망 57 1. 국내외 시장현황 57 2. 국내외 경쟁기관현황 58 3. 국내외 지식재산권현황 59 4. 시장전략및경쟁우위확보전략 61 5. 사업화전망 65 부 록 - 10 -
제 1 장서론 제 1 절개발기술의중요성및필요성 1. 제품개발의필요성 - 디지털기술을기반으로한정보화사회에서디스플레이매체는초기 CRT를시작으로 LCD, PDP, OLED 등으로진화하면서대형화, 평판화라는두가지요구에따라급속히발전하고있 다. - 우리나라는 CRT와 LCD 분야에서세계시장점유율 1 위를차지하고있으며, 지식경제부는 디스 플레이최강국 KOREA' 달성을위해비전과발전전략을마련하고, 2017년까지수출 1천억달 러, 세계시장점유율 45% 달성을목표설정하였다.( 지식경제부 08.5.15) - 특히, 우리의가장큰경쟁국인대만은대형 LCD 시설투자확대를발표하면서 07 년 3~4분기에 는 AUO가삼성을제치고출하량 1위에등극하는등두나라간 LCD 시장석권을위한치열한 접전이예상되고있다. - 이러한세계시장의흐름속에서지속적우위를차기하기위해서는부품의국산화와저소비전 력 LCD 개발이필수적이다. 특히, 지속적우위를차지하고있는 IT용패널을필두로이러한기 술개발이이루어진다면 것이다. IT 강국 과 디스플레이강국 이라는우리나라의위상은지속될수있을 - LCD 산업이풀어야할가장큰과제는저소비전력제품의개발이다. 소비전력의감소는폐배 터리의감소를통한환경개선효과와에너지절약효과를동시에충족시킬수있으며, 이를위해 서는초고용량배터리기술의개발과고효율광학부품의개발이필수적이다. - 투과형 LCD 장치에서투과율은백라이트(BLU; backlight unit) 또는표준광원에서나오는빛의 양을 100이라고가정할때액정은약 98%, 유리및투명전극(ITO) 은 89%, 편광판은 38%, 그리 고칼러필터는 33% 정도로전체의약 11% 만이투과된다. 따라서 TFT에서개구율이 55% 라고 가정할경우총투과효율은약 6% 정도로써액정디스플레이소자의광효율은매우낮다. - 따라서, 배터리기술을제외하고 LCD 의소비전력을줄일수있는방법으로는, 다음그 림에서볼수있듯이편광판과칼라필터의광효율을높이는것이가장현명한선택일 것이다. - 11 -
그림 1. LCD 부품별광효율 색분리광학플레이트는투과형 LCD에서픽셀크기단위로입사된빔의파장을 칼라필터에적합하게공간상으로분리함으로써광효율을개선하는신개념광학부품이다. RGB 2. 개발제품의개요 - 색분리광학플레이트는투과형 LCD 에적합하도록개발되었으며, 합성수지를기판으 로한쌍의홀로그램( 제 1 홀로그램, 제 2 홀로그램) 이비대칭구조로각각의기능을수 행하도록설계되었다. - 제 1 홀로그램은 RGB 칼라필터의기하학적구조에적합하도록파장을분리하기위해 액정의단위픽셀크기에입사된백라이트의백색광원을공간적으로분리하고, 제 2 홀 로그램은분리된파장의각도를백라이트의백색광원과동일하게유지한다. - 백색광원을공간상에분리하는제 1 홀로그램은적용 LCD의칼라필터의크기와요구 되는색상별대역폭에맞춰 CGH(Computer-Generated Hologram) 기법을이용하여설 계되며, 리소그래피공법에의해다층(multi-layer) 구조의스템퍼(stamper) 를만든후 합성수지를사출성형(injection molding) 하여제작된다. - 이렇게제작된제 1 홀로그램판의뒷면에포토폴리머(photopolymer) 를코팅하고, 레이 저와광학계를이용하여원하는방향으로회절되도록격자(grating) 를기록함으로써색 분리광학플레이트가완성된다. - 제작된색분리광학플레이트는백라이트와액정패널사이에위치하여동작하도록 설계되어있으므로, 현재의모든 LCD 제품의제조공정에제약없이사용이가능하다. - 12 -
그림 2. 색분리광학플레이트의동작개념도 그림 3. LCD 패널에서색분리광학플레이트의위치 3. 개발제품의용도 - 본제품을현재의투과형 LCD에적용하면 RGB 색소층에서흡수되던광원을각색소 층의대역폭에맞게선별적으로모아줌으로써칼라필터에서흡수되던 67% 의광원을활 용할수있다. 따라서별도의추가장치없이휘도상승효과를가지며, 궁극적으로는 칼라필터를대체하는소자로사용될수있다. - 백라이트광원과의최적조합으로칼라필터의투과율을증가시킬수있어약 70% 의전 력을소비하는액정패널의전력소모량을 3분의 1 까지줄이는효과를가지며, 따라서 저소비전력 LCD 구현이가능하다. - 13 -
- 또한, 칼라필터의원료인염료 안료는투과대역폭이상대적으로넓고, 각필터간겹치는영역이넓어색재현에한계가있었다. 본개발제품은광원의공간적분리를통해이를해결함으로써인접파장과겹침현상이없는협대역필터구현이가능하며우수한색재현성을갖게된다. 그림 4. 색분리광학플레이트를이용한 LCD 패널의광효율 a) 표준칼라필터의투과대역폭 b) 색분리광학플레이트의투과대역폭 그림 5. 표준칼라필터와색분리광학플레이트의투과대역폭 - 14 -
4. 개발제품의적용분야 - 색분리광학플레이트는모든투과형 LCD 제품에적용가능하며, 크기별소요기술의 발전에맞춰 1, 2, 3 단계로나누어적용제품군이결정된다. - 1 단계 : 6 (12.7cm) 웨이퍼를이용하여설계제작가능한단계로, 250nm급다층구조의 마스터제조공정기술개발과포토폴리머의수급/ 생산, 그리고 hologram writing 장비 개발이완료되는단계이다. 적용제품으로는핸드폰, PDA, 캠코더, 게임기등이있으며, 특히공정장비와개발의어려움을고려하여당해연도에는모바일기기와같은소형이 고화소의크기가비교적크며화질에대한기대치가높지않은분야에서소비전력저 감효과를기대할수있는제품들이그적용대상이다. - 2 단계 : 25 (56cm) 형이하제품개발을위해마스터판의절삭기술, 절삭된마스터판을 어레이로배열하고붙이는기술, 그리고대형마스터제작에필요한균일도확보를위 한공정기술등이개발완료되는단계이다. 적용제품으로는네비게이션, 노트북/PC 모 니터등으로, 광원과의최적의조합을통해자연색에가까운색재현을목표로하는제 품들이그대상이다. - 3 단계 : 32 (80cm) 형이상제품을개발하기위해전공정의안정화와고속화가이루어 지고, 사출성형방식의한계를뛰어넘는 nm 급롤프린팅기술이개발되는단계이다. 적 용제품으로는대형 LCD TV 가있으며, 대형화에따른저소비전력제품들이그대상 이다. 그림 6. 개발단계별적용제품 - 15 -
제 2 절국내 외관련기술의현황 1. 국내기술동향및수준 - 본개발제품과직접관련된기업이나제품이없어핸드헬드제품을중심으로사용시간 연장을위한업체별진행상황과본제품개발을위해요구되는기술, 필요장비, 그리고 소재에대해다룸. 가. 휴대용단말기의사용시간연장을위한기술 1) LCD 용광학부품의고효율화( 능동적): 한계상황 LCD용광학부품원가비중투과율상태비고 BLU Diffuser Plate Diffuser Sheet Prism Sheet 30% 100% 한계 Polarizer 16% 38% 개발중 Color Filter 15% 33% 한계 Glass 10% 100% 한계 하이쎌, 희성정밀, 나노하이텍등. 원가절감, 복합화. CCFL과 LED 경쟁. 에이스디지텍, LG화학 원가절감의이슈에서보상필름과 표면처리등의기술개발이주류를 이룸. 제일모직, LG 화학, 코오롱등. 신뢰성문제로수입제품을주로 사용. 삼성코닝정밀(SCP), 등. 초박형대형화. 한국전기초자 Liquid Crystal 3% 98% 한계독일, 일본제품의존도높음. 개구율 - 55% 개발중누설광차단설계기술개발중. 2) 배터리개발( 능동적): 개발속도느림. 초기원통형전지보다약 2.5배증가한고에너지밀도의리튬이차전지가주도하고 있으며, 고출력특성의한계로안정화, 대형화에주력하고있음. - 16 -
업체명체적당에너지밀도개발방향 삼성 SDI, LG화학 300~350(Wh/L) 고용량화, 고안전성화, 고출력화를 위한연구가진행됨. 3) 디스플레이시간지정( 수동적): 사용자불편초래. 나. 제품개발을위한필요기술및수준 공정적용기술장비( 모델명/ 메이커) 수준요구수준활용 E-beam lithography E-beam lithography I (JBX9300FS/JEOL) 20nm(2-layer) Size: ~6" 240nm 제1홀로그램 (4-layer) Photo lithography KrF Stepper (PAS5500/300C/ASML) 250µm(2level) Size: ~6" Size: 5" 제2홀로그램 Dot printing Dot Matrix Printer (HoloMaker III/SVG) 60µm 140µm Size: 620x800mm 2 Size: 8in.x8in. 포토폴리머 - 연세대 ( 개발중) 효율 : 40% 투과율 : 96% 효율 : 95% 투과율 : 97% X Injection molding UV embossing M/C (UV-NIL/SET) 폭 160nm, 높이 100nm 양산 60nm(Multi) Nano imprinting 한국기계연구원 (KIMM) 50nm - 17 -
다. 당업체의기술및기술수준 보유기술 기술수준 국내특허출원 - - 투과형액정디스플레이용색분리광학소자및이소자를이용하는액정 디스플레이( 출원번호: 10-2009-0002501). 액정디스플레이장치용홀로그래픽반사형칼라필터및그의제조방법 ( 등록번호: 0426017). - 입체영상구현방법및이를수행하기위한시스템( 등록번호: 0239223). 설계기술 CGH(computer-generated hologram) 설계기술보유. 제작기술 - nm급 2-layer pattern 제작기술보유. - Multi-layer pattern 제작기술보유. - 광메모리시스템, 광통신소자, Holographic Screen, BLU 용확산판제작, 포토폴리머의특성실험. BLU용확산판 Nano-scale CGH pattern Multi-layer pattern 광메모리시스템 - 18 -
2. 국외기술동향및수준 - - 국외기술역시본제품과직접관련되어개발진행중인부분이없으므로각광학부품별최고기업이기술수준을중심으로그성능을표시함. 특별히수급에어려움이있을것으로예상되는재료인포토폴리머는제조가능업체와수급가능성을별도로나타냄. 가. 세계 LCD용광학부품별최고기업과그기술수준 LCD용광학부품기업비고 Diffuser Plate, Diffuser Sheet Tsuijiden, Keiwa Kimoto - 투과율 100%, 한계도달. - 대부분일본업체가시장을점유하고있으며, 대만과미국이가세하기시작함. BLU Prism Sheet 3M, 미츠비시레이욘 - BEF(20%), DBEF(40%) 휘도개선. - 3M이 2007년기준시장의 65% 를점유하고있으나, 2006 년특허권의소멸로국내 외기업들의진출확대. Polarizer Nitto Denko, Sumitomo, Sanrits, Optimax 등 - 투과율 38%, 기술개발속도느림. - 일본, 한국, 대만업체를중심으로전체시장을주도. Color Filter Fuji Film Arch, JSR, Toyo Ink, Toray, Mitsubishi, Nissan 등 - 투과율 33%, 염료방식의한계. - 국내칼라필터의기초원부자재인 color resist, Mill base 등대부분일본으로부터수입. Glass AGC, NEG 등 - NEC, TMD, CPT, Mitsubishi 중심으로공급. 등해외업체를 Liquid Crystal Merck, 칫소 - 투과율 100%, 한계도달. - 독일, 일본이세계시장점유. - 19 -
나. 포토폴리머기술동향 업체 성능( 회절효율) 비고활용 Dupont HRF( 투과형): >95% OmiDex( 반사형): >95% - 가장안정적인매질. - 노광량이 120~240mJ/cm 2 으로다소높음. - 재료판매불가정책으로수급어려움. X Bayer BPP( 투과형): >70% - 개발중이며, 안정성에문제있음. - 노광량이 50~60mJ/cm 2 으로우수함. - 수급원으로가능. JAIST 투과형 : >95% - 재료합성만가능. - 노광량이 150~250mJ/cm 2 으로다소높음. - 양산베이스가아니며, 협약후국내제조가능. * 회절효율은레이저격자실험에의한것임. - 20 -
제 3 절기술개발시예상되는기술적 경제적파급효과 1. 제품개발의중요성 가. 원천특허/ 기술개발 미국 3M사는백라이트의효율을약 40% 정도높일수있는반사형필름 DBEF을개발 하여지금까지전세계 1 조원대의시장을독점하여왔다. 가격또한 LCD 모듈에적용되는광학 필름가운데최고가인 32인치제품기준장당 12 달러대를형성하고있다. 이것이원천기술과독 자적인기술개발을가능하게한원천특허의힘이다. 본개발제품역시백라이트광원과의최적 조합에의해최대 300% 의효율개선효과를가져올수있는고부가가치신개념기술로, 독자적인 기술개발과소재의개발을통한원천특허의확보와 다. 3M을롤모델로하는독과점전략이요구된 나. LCD 성능향상 직하형백라이트를사용하는 LCD TV 는대면적에따른소비전력이, Edge형백라이트를 사용하는핸드헬드제품은사용시간과색감의제약등이풀어야할기술적문제로남아있다. 본 개발제품은광원의종류와관계없이 LCD 의밝기를증가시키는광학소자이며, 소비전력감소에 따른에너지절약, 사용시간연장과색재현성향상에의한고화질핸드헬드제품군의개발을가 능하게한다. 다. 부품소재육성사업과부합 세계 LCD 시장규모는 2007년기준 907억불로이중 43.7% 를한국에서생산하고있다. 그러나모듈원가의 60~70% 이상을차지하는부품소재는아직도원재료의생산비중이낮아대 부분일본으로부터수입에의존하고있다.( 디스플레이뱅크, 2008) 본개발제품은현재개발중인 포토폴리머를제외하면, 수지와스템퍼제작및모든장비의국산화가가능하기때문에정부의 부품 소재육성사업과가장잘부합되는사업이다. 또한전세계적으로개발이저조한포토폴리 머의개발환경을조성하고, 제품생산에필요한장비개발을통해장비산업과연계발전이기대된 다. 라. LCD 산업의경쟁력강화 앞에서언급한원천특허기술개발에따른부품소재산업의육성과이로부터도출되는 색분리광학플레이트를적용한 LCD 제품의개발은국가적차원의 LCD 산업경쟁력을강화시 킴과동시에주요수출품목으로성장하게될것이다. 또한, 본개발제품을 LCD 제품에적용하는 데있어현재의생산설비와장치의활용이가능하여추가설비와설비변경에따른비용발생요소 를최소화하고, 대외의존도가없으므로 LCD 강국의입지를유지할수있다. - 21 -
그림 7. 기술개발관련연계도 2. 기술적파급효과 가. 가공기술분야 - 색분리광학플레이트의제 1 홀로그램을제작하기위해서는수백 nm부터수십 nm 까지의다층구조를갖는스템퍼제작이필수이며, 이공정을통해고효율의초정밀블 루레이용픽업헤드와해외의존도가높은광학부품의설계및제작을위한 에칭/ 성형기술확보. nm급다층 - 5 (12.7cm) 형이상의대형스템퍼제작을위한커팅기술과어레이기술개발을통한 nm 급대형광학부품생산기술확보. 나. 장비기술분야 - 액정패널로입사되는빔의각도조정을위해코팅된포토폴리머에픽셀단위격자기 록을위한홀로그램기록광학계와 hologram writing 장비개발. - Hologram writing 장비에있어, 청정도유지를위한이송장비개발과진동흡수장치개 발. 다. 소재산업분야 - 포토폴리머의제조/ 생산기술확보와사업영역확대. - 색분리에적합한백라이트용광원의개발과 RGB LED 산업과의연계개발발전. - 22 -
그림 8. 기술관계도 표 1. 개발기술의적용분야 개발기술 아날로그패턴설계기술 적용분야 초정밀광학부품설계 Multi-layer etching 공정기술 nm급광학부품제작 nm급 multi-layer etching 대형마스터링공정기술 nm급대형 LCD용광학부품제작 µm급커팅및대형 stamper 제작 Hologram writing 기술 위변조방지시스템 3. 환경 에너지관련파급효과 가. 에너지절약효과 - 휴대용기기: 배터리사용시간연장 => 재충전횟수감소 => 수명연장. ( 배터리수명: 500 회충전) - PC monitor/lcd TV: 저소비전력 LCD 제품개발에의한소비전력감소. - 23 -
그림 9. 주요핸드헬드제품및 LCD TV의에너지절약효과 나. 환경개선효과 - 재충전횟수감소에의한배터리수명연장으로환경유해물질배출감소. - 개발제품의최종목표인칼라필터대체구현의경우염료 안료형칼라필터의 3단계제조공정 에서사용되는화학약품의사용억제효과. - 24 -
4. 경제산업적파급효과 가. 시장창출효과 - 본개발제품은기존의 LCD용광학부품들과경쟁을필요로하지않는새로운제품으로써신규시장이창출될것임. - 개발제품의생산초기에형성될신규시장은저소비전력과색재현성문제해결에대한욕구가 강한휴대폰시장이될것임. 시장규모는휴대폰의생산량과동일할것으로예측되며, 3M사의 BEF/DBEF 와같은독과점형태의시장점유가가능할것으로예상됨. 표 2. 국내외휴대폰출하량및시장규모 시장구분 2009 2010 2011 2012 2013 단위 세계 출하량 1,350 1,460 1,580 1,710 1,850 백만대 시장규모 810 876 948 1,026 1,110 백만달러 국내 출하량 328 355 384 416 450 백만대 시장규모 196.8 213 203.4 249.6 270 백만달러 * 자료: 산은경제연구소 2008 년휴대폰산업동향및향후전망, 2008.10.02 (2011년부터성장률 8.1% 로계산) * 국내휴대폰출하량: 세계핸드폰출하량 x 국내업체점유율( 삼성전자(16.0%) + LG 전자(8.3%)) * 시장규모: 2.2 (5.6cm) 기준개당가격 0.6$ 로산정 나. 고용창출효과 - 제품개발후 5in. x 5in. 스템퍼를이용하여 86,400 개/ 월생산가능한시제품양산단계, 그리고 8in. x 8in. 스템퍼를이용하여 291,600 개/ 월생산가능한양산라인을순차적으로증설하는양산 단계를통해다음과같은신규고용창출효과가가예상됨. - 25 -
표 3. 연도별고용창출효과 연도 단계 생산량 개/ 월 소요인원( 명) 연구/ 개발생산/ 관리기타( 사무/ 영업) 합계( 명) 2009 개발 0 0 0 0 0 2010 2011 시제품양산 86,400 3 12 2 17 378,000 1 24 2 27 2012 양산 669,600 0 24 2 26 2013 1,252,800 0 48 5 53 총계 4 108 11 123 * 시제품양산단계: 5in. x 5in. stamper (4ea./stamper) * 양산단계: 5in. x 5in. stamper (4ea./stamper) + 8in. x 8in. stamper (12ea./stamper) 다. 수입대체효과 - 칼라필터는 LCD 모듈재료비의약 15% 를차지하는고가의부품이며, 국산화가많이진행된것 처럼보이지만성능에영향을미치는핵심소재및원재료는거의일본에서수입하는실정임. - 색분리광학플레이트를이용하여궁극적목표인칼라필터대체를실현할경우국내생산중인 칼라필터의핵심소재및원재료의수입대체효과가발생가능하며, 그경제적가치는다음과 같음. 표 4. 국내외칼라필터시장규모 구분 2009 2010 2011 2012 2013 단위 세계칼라필터시장규모 7,000 7,567 8,180 8,842 9,959 백만달러 국내칼라필터시장규모 3,059 3,307 3,575 3,864 4,352 백만달러 * 자료: Large TFT-LCD Key Component Industry Trend, DisplayBank (2011년부터성장률 8.1% 로계산) * 국내칼라필터시장규모: 세계시장규모 x 국내업체 LCD 시장점율(43.7%) - 26 -
라. 수출증대효과 - 모든휴대폰에적용가능함으로해외메이저업체의휴대폰생산량이정량적인수출기대치가 됨. 표 5. 해외휴대폰출하량및시장규모 구분 2009 2010 2011 2012 2013 단위 해외휴대폰출하량 1,022 1,105 1,196 1,294 1,400 백만대 수출시장규모 613.2 663 717.6 776.4 840 백만달러 * 자료: 산은경제연구소 2008 년휴대폰산업동향및향후전망, 2008.10.02 (2011년부터성장률 8.1% 로계산) * 해외휴대폰출하량: 세계휴대폰출하량 - ( 삼성전자(16.0%) + LG 전자(8.3%)) * 수출시장규모: 2.2 (5.6cm) 기준개당가격 0.6$ 로산정 마. 비용절감효과 - 부품의대체품목이아니며, 저소비전력과색재현성향상에따른칼라필터제조공정의원부자 재, 약품, 인건비등의비용절감효과는예상되나구체적으로정량화하기는어려움. 원천기술확보와독과점시장형성을통한마케팅가능. LCD 관련산업과중복되지않는새로운시장창출이가능하며, 신속한개발을통해기술적우위 를유지해야할필요성이높음. - 27 -
제 2 장기술개발내용및방법 제 1 절최종목표및평가방법 1. 최종목표 - 본연구개발과제에서는 2010년 4 (10cm) 형이하의핸드헬드제품에적합한색분리 광학플레이트를양산하기위한전단계로, 2.2 (5.6cm) 형휴대폰에적합한시제품을개 발하고자함. - 상용화제품을위해서는제 1홀로그램과제 2홀로그램제조에필요한기반기술의안정 화가선행되어야하며, 수급계약을달성하고자함. 기술개발과사업성을확보하여해외로부터의안정적인원자재 칼라필터용마스터설계기술개발. 제 제 1 홀로그램용마스터제작. 2 홀로그램용포토폴리머를이용한격자제작. 픽셀매칭을위한 원자재( 포토폴리머) 공급원확보. 국내외특허출원. UV embossing 과정에서의두께조절기술개발. - 현재국내휴대폰 3 사( 삼성, LG, 스카이) 의제품 90여종을조사한결과 2.2 (5.6cm) 형이 30% 이상을점유하고있고, 이들제품에사용되는삼성전자와 LG디스플레이의액정 픽셀크기에맞춰최종목표를선정하였음. ( 과제수행중필요에의해모델변경이있 을수있음.) 2.2 (5.6cm) 형휴대폰용색분리광학플레이트시제품개발. 액정패널의휘도 15% 개선. 칼라필터의색상별대역폭 두께 1mm 이하. 5% 감소. - 28 -
그림 10. 최종결과물의활용처및구조도 색분리광학플레이트는수지(resin) 을기판으로, 백라이트쪽에픽셀크기의제 1 홀로그램을 CGH 기법과 e-beam lithography 공정을통해 240nm 간격의 4층구조의 스템퍼를이용하여제작한다. 리소공정에서는패턴정밀도를 78% 이상으로유지함으로써 설계패턴의효율저하를최소화한다. 제 2 홀로그램은레이저를이용한홀로그래픽광학 계를구성하여제작한다. 액정방향으로의수직입사를위해비대칭격자구조를가지며, 여 기서발생하는회절효율의저하는특성실험과제작공정의최적화를통해보상한다. 본과제를통해개발되는 2.2 형 QVGA급색분리광학플레이트에는 3.2 형까지대응 가능한설계, 공정기술, 소재확보를포함하고있다. 개발성공을통한제품은다음과같은성능을 가지며, 각각의특성은 2010년홀로그램기록장비의개발완료와함께양산을위한자료로활용한 다. 그림 11. 연도별개발목표 - 29 -
본기술개발과제를통해개발되는색분리광학플레이트는홀로그램기록장비의개발 과동시에 2010 년양산가능하며, 시제품개발완료후주요핸드폰생산업체인삼성, LG, 팬텍과 공동으로신제품개발을진행할계획임. 2. 개발기술의평가방법및평가항목 평가항목 ( 주요성능 Spec 1) ) 단위 전체항목에서차지하는비중 2) (%) 세계최고수준보유국/ 보유기업 ( / ) 성능수준 연구개발전 국내수준 개발목표치 평가방법 3) 성능수준 1. 패턴설계 O,X 20 - - O 설계여부 2. 휘도 % 30 100 ( 한국/ 휴대폰) 100 115 BM7이용정면휘도비교측정 3. 대역폭 % 10 100 ( 한국/ 휴대폰) 100 95 Spectrum 분석기이용 4. 크기 cm 10 - - 5.6 5. 두께 mm 10 - - 1.0 Vernier Calipers 이용 Vernier Calipers 이용 6. 특허건 20 - - 국제2, 국내2 - * 휘도평가시환경적요소( 주변밝기, 백라이트광량등) 는동일한조건하에서세계최고수준기업의제품과상대적비교를함. - 30 -
제 2 절단계목표및평가방법 1. 당해년도개발목표 본과제는 1 년종료과제로최종목표와당해년도개발목표가동일함. 2. 개발내용및범위 - 본개발과제에서는 2.2 (5.6cm) 형휴대폰용색분리광학플레이트개발을추진하며, 이 를위한원천기술, 공정기술, 장비기술분야에서각기독립적인연구를수행함. - 각분야의연구결과물은 Hologram writing M/C 개발과연계하여 2010년상용화제품 양산을목표로하고있으며, 각분야별연구결과에따른목표를명확히설정함으로서 성공적개발을추진. 그림 12. 개발내용및범위 - 31 -
- 위그림에서보듯이, 원천기술분야에서는색분리광학플레이트의상용화기술개발에 따른특허출원과포토폴리머의장기사용계약으로재료수급의문제를해결한다. 공정 기술분야에서는 nm급 4-layer 에칭공정, 이형공정, 포토폴리머코팅공정개발을통해 마스터를제작한다. 장비기술분야는 UV embossing M/C의두께조절기능추가와홀 로그램기록광학계를준비하여장비간오차를최소화함으로써우수한성능의색분 리광학소자를양산하기위한토대를마련하고상용시제품을제작한다. - 또한, 추후두께조절기능이추가된 UV embossing M/C과 Hologram writing M/C의 개발을통해2010년2.2 (5.6cm) 형색분리광학플레이트의상용화를추진한다. 3. 당해연도제품개발내용 제 1 홀로그램제작 CGH pattern 설계 E-beam lithography UV embossing 광원데이터확보/ 측정 목표대역폭결정 240nm 급패턴설계 CAD pitch depth 데이터제작 오차분석 오차분석 오차보정프로그램개발 patterning coating 4-level 재료결정 재료결정 최적공정개발 피치오차측정 길이오차측정 최적피치결정 최적깊이결정 신규공정/ 장비발굴 사출성형재료결정 수지이형성분석 이형공정개발 기판두께조절기술개발 사출장비업체발굴 제 2 홀로그램제작 - 32 -
Photopolymer 수급 Photopolymer spin-coating 격자제작 JAIST sample 수급 JAIST 사용권취득 BYAER 제품구매타진 DuPont 제품구매타진 spin-coater 구매 spin-coating 공정개발 Hardening 공정개발 최적두께결정 홀로그램광학계구성 목표제품최적공정개발 기타제품의공정데이터확보 데모키트구성/ 성능평가 키트구성성능평가목표성능 휘도: >15% 대역폭: 5% 개선 감소 2.2 (5.6cm) QVGA급 휘도: >15% 개선 대역폭: 5% 감소 15% 휘도향상을위한 2.2 형휴대폰용색분리광학플레이트개발완료 - 33 -
제 3 절개발내용및개발범위 본시제품개발을위해서는크게마스터제조공정, 사출성형, 격자제작기술로 나누어보완개발되어야한다. 각기술별활용장비가고가임으로유관기관과협력업체의 장비를활용한개발진행이필요하다. 본과제의목표수행을위한분야별추진방법및개 발범위는다음과같다. 1. 제 1 홀로그램용마스터제조공정기술 - 약 240nm 피치를갖는 4-layer metal mask를제작하기위해서는 e-beam lithography 장비가필수적이다. 현재국내에서이수준의공정을수행할수있는장비를보유한기 관이나업체는매우제한적이며, 사용료역이고가이어서최단시간내에제조공정기술 을개발이중요하다. - 현재국내최고의장비를보유하고있는기관에서 2-layer 560nm 공정의샘플제작경 험과기존의 multi-layer photo lithography 공정에사용된데이터를토대로 e-beam 장 비를이용한 4-layer metal mask 제조공정에서도출될수있는문제를사전에대비함으 로써시행오차를최소화하며, 공정기술확보를위해장비보유기관의교육프로그램에 참가한다. - 또한, 제품의재현성(repeatability) 을위해각단계별사용재료, 공정조건, 장비조건등 의제조공정데이터를확보함으로써테스트시간을줄이고, 안정적인제조기술을확보 한다. 2. 사출성형공정기술개발 - 국내최고의사출성형기술보유업체의전사율은수십 µm 형상에대해약 99.5% 이상 이며, 협력업체와 560nm 이형공정테스트결과약 75% 정도의전사율이측정되었다. 이결과는 nm 급사출성형에대한최적공정이적용되지않은것으로, 온도와압출시간 의조절을통해공정안정화를구축한다면 250nm급에서전사율 65% 이상이달성될것 임. - 현재대부분의사출업체에서사용되는 UV embossing M/C의두께조절능력은수십 µm 단위로 RGB 칼라필터에정확한대역폭을분배하기위해서는수 µm 이내의두께 조절기능이요구된다. 이단계는본과제에서장비구매가포함되지않으므로, 사출성 형후반도체나액정재료의 polishing 가공기술을이용하여해결하기로한다. - 34 -
1 차년도 (2009 년) 그림 13. 시제품개발체계도 - 35 -
3. 제 2 홀로그램용격자제작기술개발 - 회절효율 95% 이상의상용포토폴리머제품을생산하는곳은전세계적으로매우국한 되어있다. 국내포토폴리머의제조기술은아직안정화단계에도달하지못하여상업적 활용가능성이매우낮으며, DuPont과 Bayer 등의외국기업의제품은공급제한문제 를갖고있다. 따라서현재공동연구를통해효율과안정성면에서이들기업들의제품 과동등하고, 지속적인샘플제공을보장받고있는해외대학연구소제품을사용하기 로하며, 추후장기사용계약을통해안정적인재료수급문제를해결한다. - 광학계구성역시레이저와광학테이블, 그리고기타광학소자와장비가고가이나, 현 재지속적으로공동연구를수행중인국내대학의실험실장비를임대하여활용하는데 는문제가없으며, 개발한다. 홀로그램기록장비의개발은본과제의결과를기초하여추후연계 - 36 -
제 3 장결과및사업화계획 제 1 절연구개발최종결과 1. 연구개발추진일정 개발내용 추진일정 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 기간 ( 월) 1. 휴대폰선정/ 스펙조사 1 2. CGH 설계도면작성 1 3. 스템퍼제작 3 4. 이형공정분석 1 5. 홀로그램기록장비구성 3 6. Fresnel lens 제작 2 7. 제 1홀로그램제작 1 8. 제 2홀로그램광학계구성 1 9. 제 2 홀로그램제작 1 10. 시제품제작 1 참여인력 3 3 3 3 3(2.7 (M/ Y) (0.675M/ Y) (0.675M/ Y) (0.675M/ Y) (0.675M/ Y) M/ Y) 주요개발결과 -목표폰사양시트 -포토마스크 -광원스펙트럼 -에칭웨이퍼 -CGH패턴도 -스템퍼 -스템퍼설계도 -장비구성도 -장비목록 -기록장비 -Fresnel lens -분석표 -H1샘플 -H2광학계 -H2샘플 -시제품 -최종보고서 개발진도 (%) 20 30 40 10 예산집행계획 30% 20% 40% 10% - 37 -
2. 연구개발추진실적 가. 2.2 급시제품개발 구분내용비고 명칭 스펙 색분리필터 (CSF; color separation filter) 크기: 2.2" 급(56mm) 두께 : 0.7mm 휘도개선율 : 22.5% 대역폭감소율 : 11.25% 부록I 참조 부록I 참조 형태 색분리필터앞면 색분리필터뒷면 - 38 -
1) 제 1 홀로그램 (H1) a) Blue diffraction 미세각도의변화에따라각픽셀별로서로다른파장의빛이투과됨을보여주고있다. 이는백라이트에서들어오는백색광의 RGB 파장이서로다른각도로분리되어진행됨을나타낸다. b) Green diffraction 회절효율은측정결과약 18% 정도로낮게나타났으며, 이는 Fresnel lens 제작에서발생한공정 오차에의해약한결합력을갖기때 문으로판단된다. c) Red diffraction - 39 -
2) 제 2 홀로그램 (H2) a) Blue diffraction H1과동일하게미세각도의변화에따라각각다른파장을회절시키고있으나, H1과결합할경우해당파장만을수직방향으로보내주는역할을수행하게된다. b) Green diffraction 회절효율은약 60% 로대면적기 록에따른장시간노출과정에서진 동등의요인에의해결합력이약해 진것으로판단된다. c) Red diffraction - 40 -
나. 제작순서도 그림 14. 색분리필터제가흐름도 - 41 -
다. 요소기술 1) 설계 가) 고려사항 : LCD 피치, 유리두께 ( 렌즈용, 색분리필터용), 렌즈의초점거리 (objective, reference), 렌즈의크기등. 나) 패턴생성 1 Reference beam 용렌즈패턴 a) 4-layer b) First layer c) Second layer d) Third layer - 42 -
2 Objective beam 용렌즈패턴 a) 4-layer b) First layer c) Second layer d) Third layer - 43 -
다) 패터닝용 6 포토마스크 a) 포토마스크외관 b) 렌즈패턴 - 44 -
2) Master 제작 가) 프로세스 Step Process KANC equipment Si-etch 1장3회 Pyrex Si-etch 1장3회 Bonding BARC Coating Track ii PR Coating Exposure Develop BARC Ashing Si Etch PR Remove Metal SiO2 증착 증착 PR Coating Exposure Develop Descum SiO2 Etch Metal Etch PR Strip & SiO2 remove Track ii KrF Stepper Track ii Microwave Asher Deep Etcher(R&D) Microwave Asher E-Beam Evapo. PECVD II( 산업화) Track ii KrF Stepper Track ii Microwave Asher ICP Etcher II( 산업화) ICP Etcher III( 산업화) Wet Station BARC Coating Track ii PR Coating Exposure Develop BARC Ashing Track ii KrF Stepper Track ii Microwave Asher Si Etch Deep Etcher(R&D) PR Remove Metal 증착 PR Coating Exposure Develop Metal Wet Etch&PR Remove PR Coating Exposure Develop Metal Wet Etch&PR Remove Microwave Asher E-Beam Evapo. Track iii Contact Aligner i(mannual) Track iii Wet Station Track iii Contact Aligner i(mannual) Track iii Wet Station - 45 -
나) 결과물 1 고려사항 - 목표시제품의크기표시. - 2중에칭에서 align marker 보기위한 aperture. - CSF glass와 algin을위한 marker. 2 설계자료 a) Fresnel lens side b) Fresnel lens array pattern - 46 -
c) Aperture side d) Aperture array pattern - 47 -
3 Master wafer 제작 a) Fresnel lens side master wafer b) Fresnel lens 확대사진 - 48 -
c) Aperture side master wafer d) Aperture 확대사진 - 49 -
4 Master 측정자료 Top view - 50 -
Side view - 51 -
3) 제 1 홀로그램 (H1) 기록장비 가) 외관및내부 : 1650mmm x 930mm x 670mm a) 홀로그램기록장비 b) 기록장비내부 - 52 -
나 ) 구성부품 - Rotation stage - X-Y motorized linear stage - Vacuum chuck - Laser - Optics - Vision system - etc. 나) 구동프로그램 - Motorized linear stage와 electric shutter - Program : Visual C++ - 자체제작 연동 - 53 -
4) 제 2 홀로그램 (H2) 기록시스템 3. 유형및무형성과 번호종류명칭출원일국명 1 특허 2 특허 3 특허 4 특허 * 부록II 증빙자료첨부 이중구조의홀로그래픽칼라필터와 이를이용하는투과형액정디스플레이 회절광학소자를적용한고광도 발광다이오드의제조방법및이방법을 이용하여제조되는고광도 발광다이오드 DUAL LAYER HOLOGRAPHIC COLOR FILTER AND TRANSMISSIVE LIQUID CRYSTAL DISPLAY USING THE SAME 2 層式ボログラフィックカラーフィルタ よびこれを使つた透過型液晶ディスプレ 2009.10.14. 한국 2010.04.27. 한국 2010.03.03 미국 2010.03.26 일본 - 54 -
제 2 절연구개발추진체계 본과제의당해연도목표달성을위해서다음과같이유관기관및연구소와연계 하여기술개발을추진하며, 세부적인개발내용은다음과같다. 그림 13. 연구개발추진체계도 은성디스플레이( 주) - 패턴설계: 목표제품의스펙을분석하여패턴을설계하며, 테스트과정을반복수행함으 로써장비의특성을확인하고, 성. 이데이터를패턴설계에적용하여최적의설계도면작 - 효율개선기술개발: 광원의입사각도의변화에의한효율저하문제를홀로그래픽확산 판기술을응용하여해결하고, 10% 이상의효율을갖는패턴설계기술개발. - 홀로그램기록장비구성: 며, 양산장비개발기반확보. 픽셀단위홀로그램기록장비를구성하여시제품을제작하 - 55 -
나노소자특화팹센터 - 마스터제조공정안정화 : 4layer 에칭기술을확보하여색분리광학필터의기본마스 터제작이가능하도록공정을안정화하며, 2중에칭등에필요한 align 기술및기타 공정안정화. - Imprinting 공정안정화: nm급 imprinting에서전사율 65% 이상을확보하기위한공정 을개발하고, 공정기술공유. 충북대학교 - 홀로그램기록광학계구성: 대학의광학장비와레이저를이용하여포토폴리머용격자 제작과기록구조의변화에따른특성분석을통해최적기록구조도출. - 은성디스플레이( 주) 의장비활용공간제공. - 기술자문. JAIST - 원자재공급확보및특성분석: 대학에서개발된포토폴리머의기록구조변화에따른특성실험을통해최적조건을도출하고, 포토폴리머의개발방향을공유함으로써안정적원자재공급원확보. ( 주) 엘엠에스 - Imprinting 용원자재(resin) 공급. - 보유장비활용. - UV embossing 기술과제품성능평가기술보유. - 56 -
제 3 절시장현황및사업화전망 1. 국내 외시장현황 가. 국내 외시장규모및수출 입현황 ( 단위 : 백만원) 년도 (2009 년) 현재년도 (2010 년) 개발종료후 1년 (2012 년) 개발종료후 세계시장규모 10,530 11,388 13,338 한국시장규모 2,558 2,769 3,245 * 자료 : 산은경제연구소 2008 년휴대폰산업동향및향후전망, 2008.10.02 (2011년부터성장률 8.1% 로계산) ( 환율 1$= 1,300, 2.2 (5.6cm) 기준개당가격 0.6$ 로산정) 3년 나. 국내외 주요수요처현황 수요처국명수요량관련제품 노키아핀란드 450백만대휴대폰 모토로라미국 305백만대휴대폰 삼성한국 149백만대휴대폰 소니에릭슨 일본, 스웨덴 108백만대휴대폰 LG 한국 89백만대휴대폰 * 자료 : 전자부품연구원리포트 휴대폰산업동향 2008.03.26 다. 목표시장과고객 구분내용특성 1 단계 2 단계 3 단계 Handheld 제품 - 휴대폰, PDA, 게임기, 켐코더중형 LCD 제품 - 네비게이션, PC 모니터, 노트북대형 LCD 제품 - LCD TV - 4 (10cm) 형이하 LCD. - Mastering 후양산. - 1 회충전사용시간연장. - 22 (56cm) 형이하 LCD. - Array 기술필요. - 사용시간연장과색재현성향상. - 32"(80cm) 형이상 LCD. - 대면적가공기술필요. - 저소비전력. - 57 -
2. 국내 외경쟁기관현황 본기술/ 제품과직접적경쟁관계에있는국내외 기관기업 현황 국내 국외 기업명 매출( 국내점유율, %) 기업명매출( 국내점유율, %) 국내에는본개발제품과관련된업체없음 국외에는본개발제품과관련된업체없음 - 본개발제품은아직까지개발사례가없는새로운광학부품으로국내 외에서는본제 품과관련된경쟁업체가없으며, 유사제품의출시사례도없음. - 국내 외특허분석결과프로젝션타입의 LCD에홀로그램을이용한색분리소자가있으나, 적용목적이다르고픽셀단위로색을분리하는기술이아님으로특허에의한분쟁소지없음. - 경쟁관계에있는업체에대한조사보다는앞으로경쟁관계를형성할수있는업체의 기술개발능력을분석함으로써특허침해와기타기술의중복등에대비. - 경쟁가능한기업들의기술능력과인프라를분석하면다음과같다. 업체 E. I. dupont de Nemours and Company SVG DigitOptics. Denso Corporation Ahead Optoelectronics, Inc. Industrial Technology Research Institute 기술/ 인프라 비고 포토폴리머제조관련특허 46 건보유. 포토폴리머의외부공급불가정책을통한독 본개발제품관련가장 과점유지. 유력한경쟁사. Hologram 광학부품 설계 제조 판매망 확 기술과자본력으로단 보. 시간내추월가능. Hologram 관련전문연구인력다수보유. Dot matrix hologram 관련특허 36 건보유. HoloMaker I, II, II 생산판매. 광학계구성과장치분야관련전문연구인력보유. 포토폴리머생산관련특허 5 건보유. DuPont 사의생산라인. 홀로그램복제관련전문연구인력보유. Dot matrix hologram 관련특허 5 건보유. 홀로그램제품생산에주력. Dot matrix hologram 관련특허 1 건보유. MIT 와연계하여기술개발. 홀로그램제품생산에주력. 추가개발이필요한장비와유사한구조를갖고있어제품개발에참고. 포토폴리머수급문제. DuPont 사의포토폴리머를공급받고있으나사업영역의확대에문제. 포토폴리머수급문제. 포토폴리머수급문제. - 58 -
3. 국내 외지식재산권현황 가. 관련기술/ 제품의국내지식재산권( 특허등) 현황 출원/ 등록번호구분발명의명칭내용비고 10-0533611-0000 등록 투영형화상표시장치 색분리를위해필터와마이크로렌즈를사용. 구조적으로프로젝션시스 템에만해당함. 광학계의부피가큼. 투과형 LCD 에부적합. 10-0440958-0000 등록 조명계및이를채용한프로젝터 홀로그램광학소자를이용하여색분리. 구조적으로프로젝션시스 템에만해당함. 광원의제약있음. 픽셀단위설계어려움. 10-2004-7005838 출원 투과형적층홀로그램광학소자및광학소자를이용하는화상표시장치 3장의 홀로그램으 로색분리. 편광선택 특성 이 용. 구조적으로프로젝션시스 템에만해당함. 3 장의홀로그램을기록/ 적 층함으로제작어려움. 10-2003-0042770 출원 칼라분리유닛및이를적용한프로젝션타입화상표시장치 파장별렌즈의굴절각변화를이용한색분리. 구조적으로프로젝션시스 템에만해당함. 광학계의사용으로부피가 커짐-투과형LCD 에부적합. 10-0215679-0000 등록 10-2001-7000329 취하 탈축완전칼라홀로그래픽필터를가진액정디스플레이형상재구성식홀로그래픽광학에기초한투영시스템 세 장의 홀로그램 을이용한색분리. 홀로그램으로 구성 된 칼라필터를 이 용하여 광원의 색 분리. 구조적으로프로젝션시스 템에만해당함. RGB 세파장에대한각각 의홀로그램을제작하여 합치기어려움. 순차적으로 RGB 3색을표 현하기위해홀로그램사 용. 10-2003-7001693 출원 3차원홀로그래픽 LCD 시스템및그제작방법 홀로그램에입사되는영역을렌즈로분리하여좌우입체영상을만듬. 렌즈어레이에의한색분 리영역결정. 입체구현을위한시스템. - 59 -
나. 관련기술/ 제품의국외지식재산권( 특허등) 현황 등록번호구분발명의명칭내용비고 4,255,019 등록 Diffractive color filter 2장의격자와렌즈를이용하여색분리 구조적으로프로젝션시스 템에만해당함. 픽셀매칭이어려움. 6,665,027 등록 Color liquid crystal display having diffractive color separation microlenses 회절격자와렌즈 의조합의광학 계를 이용하여 픽셀별색분리 2가지기능의복합소자제작이어려움. 역상이발생함. Color separation optical 마이크로프리즘 구조적현실화가어려움. 6,104,446 등록 plate for use with LCD 을이용하여색 색분리후중첩현상이발 panels 분리 생하는문제있음. Computer-generated 7,271,957 등록 hologram and its fabrication process, reflector using a computer-generated hologram, and reflective 반사형 서 LCD에 홀로그램을 이용하여색분 리 RGB 3색에대한중첩현상발생. 기능보다제작에중점. liquid crystal display 7,012,661 등록 Display panel and system using a hologram pattern liquid crystal 반사형 서 LCD에 홀로그램을 이용하여색분 리 3층의 RGB 분리용홀로그램사용. 색분리와흡수에의한문제있을것임. 6,473,144 등록 Liquid crystal display apparatus and liquid crystal projection display apparatus which employ hologram color filter 홀로그램의파장 별 분산특성을 이용하여구조적 으로액정과칼 라매칭 색분리후중첩현상이발생하는문제있음. 무지개현상이심하게발생할것임. 5,943,109 등록 Liquid crystal display device formed with a hologram layer having a plurality of patterns 칼라필터대체용 으로홀로그램을 사용 단순매체교체. 광손실보상되지않음. - 60 -
4. 시장전략및경쟁우위확보전략 가. 경쟁우위확보전략 - 설계기술개발단계에서는본개발제품에대한시제품제작을통한공정설계와특성안 정화에초점을맞추고, 생산시스템에대한개념을구축한다. 가장취약한포토폴리머 의수급은공동연구를수행해왔던 JAIST와장기사용계약을맺음으로써문제를해결한 다. 기술개발과관련된모든과정과데이터에대한기밀유지가필요하며, 개발과정에서 도출되는새로운기술을특허출원에추가한다. 개발자금은기술의중요성에의해국책 과제를활용한다. - 공정기술개발단계에서는 hologram writing장비를개발하여생산에대한기술적우위 를확보한다. 장비관련경험이많은엔지니어를영입하여개발기간과비용을단축하고, 유사제품의시장개척경험이있는 CEO의영입으로휴대폰업체와의신제품개발참여 와함께시제품양산에필요한자금을확보한다. 3M사의 BEF/DBEF를롤모델로선정 하고, 특허전문가와공동으로 3M사의시장전략을분석함으로써특허방어전략과독 과점시장형성을위한마스터플랜을세운다. - 지속적인특허방어기술을개발하여후발업체의시장진입을차단하고, 한다. 경쟁우위를확보 그림 14. 개발단계별경쟁우위확보전략도 - 61 -
- 업체와의경쟁관계가형성되기전신속한기술개발과관련특허출원을통한방어전략 이필요함. 각기술별방어전략은다음과같이진행한다. 기술설계기술장비기술소재기술 전략 - Multi-layer에서 analog-layer 로의설계기술개발. - 제 2 홀로그램의효율극대화 : >90%. - E-beam lithography에서 laser lithography 로공정단순화 : 원가절감. - 기밀유지. - Hologram Dot Matrix 기법을응용한 hologram writing 장비개발. - 특허출원으로동일방식의장비개발방어. - 원천특허와병행하여장비개발진행. - Photopolymer 의특성개선을국내대학기관에 위탁하여공동개발. - 국산화및신규특허출원. 나. 사업화전략 1) 제품홍보전략 - 시제품제작이완료되면기술대전과 IMID 전시회에참가하여시연과성능등을알림으로써미래고객사와재품을홍보함과동시에신제품공동개발가능성에대한협의를진행한다. - 전자신문등의언론매체를통한주기적기술개발진행상황과미래시장창출능력등을 홍보함으로써기업의인지도를높인다. - 관심고객사와공동으로각광학부품별최적조합을도출하고, 사용시간과색감표현이 우수한신제품출시를유도함으로써본제품의사용이성능향상의핵심이되도록한다. 2) 판로확보전략 - 홀로그램광학소자의시장개척과사업화경험이있는 CEO를영입함으로써대기업과의직접적인연결통로를확보한다. 납품가격을연구개발에필요한수준으로유지하면서신제품개발사업에참여함으로써샘플베이스판로를확보한다. - 휴대폰공동개발을통한개발제품의적용범위와그성능을규정함으로써타업체에대한신제품개발스펙을제시하고, 공동개발을유도하여샘플베이스판로를확보한다. - 현재 LCD 부품납품업체와협의중에있으며, 이업체의판매망과영업능력을활용함 으로써간접적으로판로를확보한다. - 62 -
3) 판매전략 - 신제품개발에있어업체와의협의를통해제품의표준안을마련하고, 도적용함으로써새로운제품에대한시각차를줄인다. 이를타업체에 - 시제품개발단계부터양산장비의셋업과샘플용제품의판매를통해초도시장을창출하고, 단계적으로생산량을증가시킴으로써과잉공급이되지않도록한다. - 초기자본조달과시행착오에의한수율저하의문제는현재우리나라에서빅 3 제조업체의경쟁구조를활용함으로써제품의가격경쟁력을높여해결한다. 휴대폰 그림 15. 사업화전략도 4) 수익창출전략 가) 시제품개발단계에서의수익모델 본과제수행을통한시제품개발단계에서사용되는기술과스템퍼제조공정의안 정화를통해자금유입과양산전까지수익원창출. 수익창출은기술력의검증과펀딩의 기초자료로활용될수있으며, 세부수익모델은다음과같다. - 레이저다이오드(LD) 용패턴설계 : 레이저포인터제조업체. - 도광판(LGP: light guide plate) 설계 : 휴대폰, PDA, 게임기, 노트북용백라이트제조업 체. - 블루레이저 DVD 플레이어용픽업 : 삼성, LG, 대우등 DVD 개발팀과 DVD 픽업제 조업체. - 63 -
- 보안용홀로그램회절패턴생성프로그램 : 선경홀로그램등홀로그램제조업체. 나) 홀로그램기록장비개발단계에서의수익모델 홀로그램기록장비의개발완료는전공정프로세스의완성과공정안전화완료를 의미하며, 휴대폰개발단계에서각액정패널과광원에맞는새로운마스터링제작필요. 마스터링과정에서공정안정화를통한시간절감부분을수입원으로하고, 샘플단위제품 판매를통해추가적인수익창출. 1 차펀딩을통한시제품양산준비완료. - 업체별샘플제작에필요한마스터제작 : 신제품개발업체 - 샘플납품 : 신제품개발업체 - 공정기술안정화를통한광학소자제작 : 대학 기업 연구소등. 다) 양산단계에서의수익모델 - 양산에의한수익창출이궁극적목표임. 양산에필요한장비 설비비용확보를위해부 품소재개발사업참여를통한공장설립비용확보및사업안정화. - 초기생산량의한계성에의한수급업체수제한 : 고부가가치전략유지. - 주요제품에대한선개발을통한경쟁업체대비영업우위확보및안정적수입원의 이탈방지. - 공정자동화및검수장비의개발을통해생산수율의극대화. 그림 16. 단계별수익창출모델 - 64 -
5. 사업화전망 완되어야함. 본과제를통해도출된시제품이사업화되기위해서는다음과같은사항들이보 가. 휘도향상을위한효율개선 문제점 마스터(Fresnel lens) 의낮은효율 홀로그램기록장비의낮은정밀도 제 2 홀로그램(H2) 의낮은효율 색분산문제 - 현공정개선. - 전문제작업체확보. 개선안 - 반도체장비기반의시스템구축. - 전문업체에위탁. - 레이저의파워증대. - 홀로그램기록장비활용. - Fresnel lens 의가공정밀도증대. - 공정오차를적용한설계. 나. 양산성확보를위한과제 홀로그램기록시간단축 양산장비 - 레이저의파워증대. - UV 계열의레이저로대체. - 대형마스터제작. - 기록장비의 array 화. - LCD 장비기반의양산장비개발. 다. 상품성확보를위한과제 비용절감 제품체결공정간소화 - 유리기판제거: LCD 기판에제작. - 포토폴리머코팅장비도입. - 2층구조의고효율 Fresnel lens 개발. - 유리기판절단기구매. - 홀로그램복제기술개발. - 패턴마킹기술개발. - LCD 제조공정에추가가능여부검토. - 특성열화억제를위한처리기술개발. - 65 -
부록 I 본과제를통해제작된시제품제작에는 LCD 제조장비수준의공정이요구되나, 사용장비의성능저하로인하여성능평가를다음과같은방법으로산출하였다. 이값은 조건에따라달라질수있음. 1. 휘도개선율 : 회절된빛은 100% 해당칼라필터를통과하는것으로가정. : 회절되지않은빛은 3분의 1 만해당칼라필터를통과하는것으로가정. 산출방법 - 제 1 홀로그램의회절효율 : 18.0% ( 회절되지않은빛 : 82.0%) - 회절되지않은빛중칼라필터를통과하는양 : 82%/3=27.3% - 포토폴리머에의한흡수 : 4.5% - 각파장별칼라필터투과량 = 제 1 홀로그램투과량 + 회절되지않은빛/3 - 흡수 = 40.8% - 휘도개선율 : 40.8/33.3-1 = 22.5% 2. 대역폭감소율 : 일반칼라필터의평균대역폭(FWHM) : 100nm : RGB LED 의평균대역폭(FWHM) : 50nm 산출방법 - 100% 효율에대해대역폭 50nm 감소한것으로가정. - 효율 22.5% 는 50nm x 0.225 =11.25nm 대역폭감소. - 대역폭감소율 : 11.25/100 = 11.25% - 66 -
부록 II - 67 -
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최종보고서요약서 과제명저소비전력 LCD 구현을위한색분리광학플레이트개발 주관기관 은성디스플레이( 주) 총괄책임자김은석 참여기관 - 참여기관책임자 - 총사업비 ( 천원) 민간부담금 정부출연금 현금 현물 합계 149,000 5,000 45,000 199,000 총개발기간 2009. 05. 01. ~ 2010. 04. 30. 키워드홀로그램 / 칼라필터 / 색분리 / 분산 / 픽셀 개발결과요약사업화계획 최종목표 개발내용및 결과 기대효과 ( 기술적및 경제적효과 ) 적용분야 사업화소요 기간( 년) 소요예산 ( 백만원) 예상매출규모 ( 억원) 백라이트유닛에서생성된백색광을 LCD 칼라필터의위치에해당 파장대역만이도달하도록색을분리시키는신개념광학제품개발. 휘도 15% 향상, 대역폭 5% 감소, 두께 1mm 이하시제품개발. 3.5 까지제작가능한픽셀단위홀로그램기록시스템개발. 초점거리수백 μnm를갖는 4층구조의 Fresnel lens 개발. 이중구조의 mask align 공정개발. 2.2 색분리광학플레이트(CSF; color separation filter) 개발. 국내특허 2 건, 해외특허 2 건출원. 세계최초픽셀단위홀로그램기록시스템개발. 고휘도 LED 를위한광학패턴설계및제조기술개발. 250nm급회절패턴을적용한확산판관련매출 48 백만원. 모든 LCD 제품군 ( 백라이트의광원종류와무관). LED 관련휘도개선공정분야. Beam shaping 제품군. 현재 3 년 10,000 3년후 5년후 0.5 10 100 무역수지 개선효과 ( 단위: 억원) 현재 3년후 5년후 수입대체 0 0 0 수출 0 1 10-71 -
정보통신성장기술개발 (IT 우수기술지원) 사업 수행기관자체평가의견서 과제명저소비전력 LCD 구현을위한색분리광학플레이트개발 총사업기간 2009.05.01.~2010.04.30. 총사업비 199,000천원 주관, 참여기관은성디스플레이( 주) 총괄책임자김은석 과제수행목표의달성여부및정도 과제수행결과의질적수준 목표달성차원의애로요인 과제수행결과의활용방안 ( 사업화추진관점) 색분리필터(CSF; color separation filter) 시제품개발. 크기: 2.2" 급(56mm) 두께: 0.7mm 휘도개선율: 22.5% 대역폭감소율: 11.25% 세계최초픽셀단위홀로그램기록시스템구성. 250nm 급패턴설계및제조공정개발. 고휘도 LED 를위한광학패턴설계및공정기술개발. 6축 μm 급제어용고가장비필요. 장치산업으로대량자금소요. 공정수행중성능평가어려움 - 최종제품평가만가능. 초점거리수백 μm 급, 대면적렌즈어레이제작기술필요. 성능개선을위한기초자료. 양산장비개발을위한기초자료. 상용화제품개발을위한자금조달원 - 펀딩소스. 개발기술적용가능한파생제품군개발자료. 수행기관입장에서본연구결과만족도 아주우수 우수 보통 미흡 아주미흡 상기내용을정보통성장기술개발사업과제수행결과에대한자체평가의견으로제출합니다. 2010년 5월 31일 ( 주관/ 참여) 기관대표 : 김은석 ( 인) 총괄책임자 : 김은석 ( 인) 정보통신산업진흥원장귀하 - 72 -