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Ⅰ. 서론 으며, 향후 대면적화 기술이 확보되면 기존 디스플레이 가 적용되던 노트북 PC, 모니터, TV 등 거의 모든 분야 플렉서블 디스플레이는 2004년 미국의 E-잉크사가 전자잉크를 기반으로 50dpi(dot per inch, 1인치당 도트 수) 해상도를 가진 전자종이를 공개한 것을 시작으로, 에서 유리기반 디스플레이에 대체 적용된 후 IT산업 전 반에 걸쳐 크게 이용이 확산될 수 있을 것으로 기대된다. 이뿐 아니라 기존의 유리기반 디스플레이로는 적용이 2008년도에 국내의 Softpixel사가 플렉서블 LCD 시계 제한적이거나 불가능했던 새로운 영역의 시장 창출이 를 선보였으며[(그림 1) 참조], 최근에는 동영상 구현이 가능할 것으로 예측된다. 예를 들면, 신문, 잡지, 교과 쉽지 않은 전자잉크 디스플레이를 대신해 LED를 중 서, 서적, 만화와 같은 출판물을 대체할 수 있는 e- 심으로 한 플렉서블 디스플레이가 활발히 개발되고 있 Reader 분야와 디스플레이를 접거나 말아서 가지고 다 다[(그림 2) 참조]. 닐 수 있는 휴대성이 탁월한 초소형 PC, 실시간 정보확 플렉서블 디스플레이의 응용분야를 살펴보면, 가볍 인이 가능한 스마트카드 등 새로운 휴대용 IT제품 구현 고 얇고 깨지지 않는다는 장점을 바탕으로 핸드폰, 태블 이 예상된다. 이외에도 플렉서블 기판의 기계적 특성상 릿 PC와 같은 휴대용 소형제품에 먼저 적용되기 시작했 다양한 디자인을 표현할 수 있는 의류용, 의료용 진단분 야에 까지도 확대 적용될 수 있다. 시장조사기관 HIS에 따르면 2015년 전 세계 플렉서 블 디스플레이 시장매출은 24억 1,200만달러에 그쳤으 나 2016년에는 53억 6,600만달러를 나타내 2배 이상 성장할 것으로 예상된다[1]. 출하량으로만 보면 2015년 플렉서블 디스플레이는 5,700만개였으나 2016년 예상 치는 1억 2,000만개 이상으로 오는 2020년에는 연평균 성장률이 44.8%에 이를 것으로 예측되었다[1]. 2016년 삼성과 LG는 접이식(Foldable, 접을 수 있는) 디스플레 이가 탑재된 스마트폰, 태블릿을 출시할 것으로 발표하 였으며, 플렉서블의 초기단계인 커브드(Curved, 휘어 진) 디스플레이에서 한차원 더 나아간 접이식 기술이 스 마트 기기에 접목된다면 성숙기에 접어든 스마트폰 시 장에서 신규 수요를 낳고 새로운 패러다임을 제시할 것 으로 예측된다[(그림 3) 참조]. 플렉서블 디스플레이를 구현하기 위해서는 <표 1>에 서 나타낸 것처럼 표시부 기술, 구동부 기술, 플렉서블 기판 기술, 공정기술이 요구된다. 이중에서 플렉서블 기 판은 공정성(최대 허용 공정온도, 최대 공정 온도에서 최대 허용 공정시간, 각 공정간 정확도), 열적 특성을 고 려한 디스플레이 패널 해상도, 생산 수율, 이에 따른 패 김기현 / 플렉서블 디스플레이용 고내열 플라스틱 기판 123
기 때문에 별도의 백라이터 광원이 필요없고, LCD와는 달리 한 장의 기판만을 이용하기 때문에 플렉서블 구현 에 최적화된 기술로 평가받고 있다. 전 세계 플렉서블 디스플레이 제조업체 중 양산체계를 갖춘 회사는 한국 널 가격을 결정하는 가장 핵심적인 소재 부품이다. 플렉 업체뿐이며, 삼성디스플레이가 전체 시장을 주도하고 서블 기판을 디스플레이에 적용하기 위해서는 유연성, 있으며, 삼성디스플레이는 2013년 세계 최초로 플렉서 공정성(내열성, 표면 평탄성, 열적 안정성, 공정간 적합 블 LED를 양산해 갤럭시 라운드[(그림 4) 참조]에 적 성), 응용성(장기신뢰성, 낮은 수분 흡수성, 내환경성)이 용하였다[2]. 요구되나 유리 수준의 물리적 화학적 특성을 만족하는 플렉서블 기판은 현재까지 개발되지 못하고 있다. 플렉서블 기판 중에서 플라스틱 기판은 플렉서블 메 탈 호일, 박형 유리에 보다 가격이 저렴하고, 가볍고 깨 플렉서블 디스플레이는 플렉서블 유기발광다이오드 지지 않아서 가공이 용이하고, 전기적으로 절연성을 가 (LED)가 절대적인 비중을 차지하고 있으며, LED는 지고 있어 개발초기부터 산업적 주목을 받았다[3]-[6]. 스스로 빛을 내는 Red, Green, Blue 유기물질을 사용하 플렉서블 기판별 특성은 <표 2>와 같다. 124 전자통신동향분석 제31권 제3호 2016년 6월
플렉서블 디스플레이 시장은 유연성 이외에 유리기반 2000년대 중반부터 정부/산업주도로 진행된 국내의 디스플레이 수준의 고해상도 이미지 특성이 요구되는 플렉서블 기판 개발 프로젝터의 동향을 살펴보면 응용 고품위(high-end) 제품군과 유연성 이외에 고해상도 제품군이 고품위(high-end)용에 국한되어 진행되어 왔 칼라 이미지 특성보다는 저가격/단색시인성 등이 요구 다. 플렉서블 기판 기술개발을 위해서는 소재 성형 장비 되는 저품위(low-end) 제품군으로 나누어볼 수 있다. 수요업체와의 협력체계 구축 및 산-학-연의 목표의식 이중에서 저품위 제품군의 경우 고온 공정이 요구되는 공유를 전제로 한 기술융합 전략이 절실히 필요하나 국 박막트랜지스터(Thin Film Transistor: TFT) 혹은 칼라 내 산업구조상 기업 간 혹은 산-학-연 간 협력이 용이 특성을 부여하는 칼라필터(Color Filter: CF) 형성 공정 하지 않고, 관련업체의 기술력 부족으로 10여 년의 기 이 별도로 요구되지 않아 상대적으로 낮은 공정온도를 술개발에도 불구하고 유리 수준의 물성을 달성한 플렉 이용할 수 있어 플렉서블 기판의 요구 특성이 <표 3>처 서블 기판은 현재에도 없으며, 향후에도 불가능할 것으 럼 차이를 보인다[3]-[6]. 로 예측된다. 많은 광학용 플라스틱 기판중에서는 폴리이미드 기 판만 유리 수준의 열적 특성을 보여주기 때문에 현재 플 렉서블 LED 기판으로서 상업적으로 이용되고 있다. 그러나 폴리이미드 기판의 가격이 유리에 비해 높고(공 정비용까지 포함) 필름 성형 시 표면에 결함(pinhole, crack, scratch, bubble 등)이 위치별, 필름별, 그리고 크 기에 따라 다양하게 분포해 표면 특성을 예측하기 어렵 다는 단점이 있다. Ⅱ. 투명 플라스틱 기판 전 세계적으로 1990년 후반부터 고내열 수지업체, 광 학 필름 전문 기업을 중심으로 플렉서블 디스플레이용 기판의 사업화 검토 및 시생산 수준의 R&D 연구개발이 진행되었다. 그러나 유리기판 수준의 물성(열적, 광학 적, 화학적 특성)과 플라스틱의 기계적 유연성, 저가격 을 동시에 만족하는 기판은 현재까지 개발되지 못하고 있다. 플렉서블 기판 개발초기에는 단순히 플렉서블 기판을 유리 기판의 대체 기판으로만 고려해 유리 기판이 가지 고 있는 우수한 광학 특성과 유사한 광 특성을 보이는 PC, Polyacrylate, PES, Cyclic lefin Copolymer(CC) 와 같은 무정형 고분자(amorphous polymer) 혹은 김기현 / 플렉서블 디스플레이용 고내열 플라스틱 기판 125
PET, PEN, PEEK와 같은 열가소성 세미 결정성 고분 자가(thermoplastic semicrystalline polymer) 우선 적용 검토되었다. 플라스틱 기판별 장단점은 <표 4>와 같다. 유리는 유리전이온도가 690 o C 이지만, 폴리이미드를 제외한 투명 고분자의 유리전이온도는 세미 결정성 고분 자가 70~120 o C, 고내열 무정형 고분자가 150~325 o C로 유리대비 1/2~1/9에 불과해 개발초기에는 신규 저온공 정을 개발하거나, 저온형성 소재를 개발해 플라스틱 기 판의 열이력 변화(thermal expansion & shrinkage)를 최소화하는 방법이 산업적/학문적으로 많은 주목을 받 았다[3]-[6]. 그러나 공정 온도를 낮춰 형성한 유기 혹은 무기박막 의 전기적 물리적 화학적 특성이 고온에서 형성된 박막 에 비해 열악하고 이를 개선하기 위한 R&D가 어려움을 겪자 2000년 중반부터 투명 고분자 중에서 유리전이온 도가 300 o C가 넘는 고내열 무정형 고분자인 AryLite, Colorless PI와 고분자를 복합화해 열적 안정성을 확보 한 복합 기판을 중심으로 플렉서블 디스플레이 개발방 향이 변화하였다. 복합재료는 두 가지 이상의 재료를 물리적, 화학적으 로 혼합해 서로 다른 상을 형성하면서 원래 물질보다 기 능 혹은 성능이 향상된 소재를 의미하며, 플렉서블 디스 플레이에 적합한 공정 및 응용성을 가진 플라스틱 기판 을 생산하기 위해서 투명고분자에 유리섬유 혹은 탄소 섬유를 강화재료로 많이 사용하였다. 일반적으로 유리섬유강화플라스틱을 Fiber Reinforced Plastic(FRP)라고 하지만, 탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic: CFRP)과 구별할 때는 Glass Fiber Reinforced Plastic(GFRP)이라고도 표현한다. 고 분자에 유리섬유를 보강재로 사용한 FRP는 고분자의 투명성에 유리가 가진 내열성을 함께 구현할 수 있어 산 업적 주목을 받았다. 일본의 Sumitomo Bakelite사가 2003년 고분자에 유리섬유를 용융-압출방식으로 생산 한 FRP를 발표하였으며[7], 2010년 Sumi Lite-TTR이 라는 상품명으로 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion: CTE) 9-11 ppm/ o C, 유리전이온도, 250 o C를 가진 플렉서블 디스플레이용 기판을 보고하였다[(그림 5), <표 5> 참조]. 그러나 복합기판은 유리와 유사한 굴절률을 가진 투 명 고분자를 혼합해 투과성은 우수하나 유리 섬유의 특 성상 직조구조에 단차가 있고, 유리섬유사 직조된 x-y 방향과 이에 수직인 z축의 열팽창계수(CTE) 및 치수안 정성이 상이한 단점이 있다. 또한, x-y 방향의 열팽창 계수도 LCD 혹은 LED에 사용하는 유리에 비해서는 126 전자통신동향분석 제31권 제3호 2016년 6월
IC package, 전선 피폭제, 고내열 tape, adhesive bearing, fuel cell membrane, gas separator member, LCD 분야 (배향막)에 이용되고 있다. 디아민(diamine)과 디안하이드라이드(dianhydride)의 반응에 의해 형성되는 폴리이미드 반복단위는 녹지 않 고, 분해되지 않기 때문에 보통의 필름 성형공정으로는 폴리이미드를 프로세스 하는 것이 불가능하기 때문에 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산(PAA, Poly(amic acid))를 먼저 합성 한 후 이를 필름성형하고 (그림 5) 및 3배 정도 커서 고품위 플렉서블 디스플레이용 기판으로 서는 열적특성이 열악해 최근에는 이에 관한 R&D 연구 가 거의 진행되지 않고 있다. Ⅲ. 폴리이미드 기판 (그림 6)에서 보여지는 것처럼 열 혹은 화학처리를 통해 탈수화 반응을 유도해 이미드화한다[(그림 7, 8) 참조]. 이 같은 폴리이미드 필름의 공정 특성상 디스플레이 세트업체에서는 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산을 소재업체부터 제공받은 후 이를 캐리어(carrier) 기판(주 로 유리기판을 사용)상에 폴리아믹산을 코팅한 후 이를 폴리이미드는 유리전이온도가 대부분 300oC 이상을 경화화해 폴리이미드 필름을 형성하고 이어서 디스플레 가지는 고내열 엔지니어링 플라스틱으로서, 1950년대 이 표시부 및 구동부를 형성한다. 이때 폴리이미드 필름 DuPont이 폴리이미드 소재 및 필름을 개발하기 시작한 은 단층으로 형성하지 않고 폴리이미드와 베리어를 혼 이래 전자재료로서 주목받았다[(그림 6) 참조]. 합한 다층막으로 형성하는 것이 일반적이다. 마지막으 DuPont사가 1965년 Kapton 필름으로 폴리이미드 를 상업화한 이후 우수한 열적 안정성 이외에 우수한 화 학적 안정성, 절연성(높은 절연파괴 전압), 높은 기계적 안정성으로 인해 Flexible Printed Circuit Board(FPCB), 로 폴리이미드 기판상에 플렉서블 디스플레이를 형성한 + H 2N NH 2 Diamine Dianhy dride N H HC N H CH Poly (amic acid) N N + H 2 Poly imide 김기현 / 플렉서블 디스플레이용 고내열 플라스틱 기판 127
리이미드는 가시광선 영역에서 광투과도가 낮아 광학 기판으로 여러 가지 제약이 있었으나 기존의 유리 기판 수준의 열적안정성을 플라스틱 기판 중에서 유일하게 기대할 수 있어 현재까지 산업적으로 주목받고 있다. 후에는 폴리이미드의 단파장에서의 광흡수 특성을 이용 해 캐리어 기판상에서 분리한다[(그림 9) 참조]. 폴리이미드는 최근 플렉서블 LED용 기판으로 상업 적 주목을 받고 있다. 현재 상업적으로 활용되는 폴리이 폴리이미드는 (그림 10)과 같이 이미드 그룹을 중심으 미드는 반응성 모노머의 구조에 따라 다소 차이는 있으 로 전자수용체(electron acceptor) 및 전자공여체(electron 나 500 C 내외의 유리전이 온도와 유리기판 수준의 낮 donor)가 형성되고 이에 따라 분자 내(intramolecular) 은 열팽창계수(CTE)를 보여주고 있다. 폴리이미드 분자 및 분자 간(intermolecular) 상호작용에 의한 전하이동 골격에 따른 열팽창계수는 (그림 11)과 같다. 복합체 (Charge Transfer Complex: CTC)을 형성된다. 이 같은 폴리이미드의 독특한 전하이동복합체 구조 o 폴리이미드 Kapton 필름의 물리 화학적 특성은 <표 6>으로 요약할 수 있다. 는 우수한 내화학성 및 내열성 이외에 폴리이미드가 최근 폴리이미드 필름의 deep yellow-brown 색상을 deep yellow-brown 색상을 띠는 원인이 되고 있다. 폴 완화하기 위해서 alkyl 그룹, aliphatic 그룹, alicyclic 그 128 전자통신동향분석 제31권 제3호 2016년 6월
룹 이외에 bulky 그룹 (-CF3) 혹은 유연그룹 (S2)을 분자사슬에 도입해 폴리이미드 분자의 전자친화도 (electron affinity)를 감소시키거나, 분자의 공액 (conjugation) 구조를 파괴해 분자 내 혹은 분자 간 전하 이동복합체를 감소시키는 방법으로 투명 폴리이미드 개 발이 진행되고 있다. 그러나 가시광선영역의 광 흡수를 초래한 전하이동복 합체를 폴리이미드 분자의 전자친화도 혹은 공액구조를 감소 혹은 제거하는 방법으로 파괴해 투명성을 확보할 수 있으나, 폴리이미드의 우수한 열적, 화학적 안정성도 함께 저하하기 때문에 우수한 광학 특성에도 불구하고 <표 7>에서 나타낸 것처럼 응용성 확보에 어려움을 겪 고 있다. Ⅵ. 결론 플렉서블 기판 개발초기에는 우수한 열적 특성에도 불구하고, 광학 기판으로서 폴리이미드의 열악한 광특 성으로 인해 적용이 검토되지 않았다. 이후 LED(기판 의 색상이 중요하지 않는 제품군 형성)가 구조적 특성으 로 인해 플렉서블 디스플레이에 가장 적합한 디스플레 이로서 시장에 등장하면서 그때까지 주목을 받지 못하 던 폴리이미드가 플렉서블 LED용 기판으로 산업적 학 문적으로 주목받게 되었다. 폴리이미드를 적용함으로써 유리기판 수준의 열적 특성(열팽창계수, 치수안정서)이 확보되지 못해 고품위 디스플레이 구현에 어려움이 있 던 세트업체로서는 큰 산업적 고민을 해결할 수 있었다 [3]-[6]. 그러나 플렉서블 디스플레이 개발초기 많은 사람이 기대하던 유리대비 휠씬 싼 저가격 플라스틱 적용 및 저 가격의 플라스틱 기판을 R2R(연속공정) 공정으로 플렉 서블 디스플레이를 생산함으로써 기존의 유리기반 디스 플레이에 비해 저가격의 다양한 디스플레이 양산이 가 능할 것으로 기대한 것이, 현재와 같은 방식의 폴리이미 드가 적용됨으로써 초기에 플렉서블 디스플레이에서 기 대하던 장점 중 하나가 사라졌다. 그러나 폴리이미드가 플렉서블 기판으로 적용됨에 따 라 기존 유리기판 디스플레이의 산업구조(유리기판 제 조업체 세트업체의 이원수직구조)에서 세트업체가 폴리이미드 기판제조를 폴리아믹산 코팅, 경화, 필름화 공정을 직접 진행하게되면서 세트업체 입장에서는 수익 창출을 극대화할 수 있는 산업구조가 형성되었다. 폴리이미드는 가격이 가장 높은 플라스틱 소재군에 속할뿐만 아니라 디스플레이 공정중 불균일한 표면특성 으로 수율 및 공정비용이 유리에 비해서는 높아 기존 유 리기반 LED에 비해서 가격경쟁력이 떨어지고 있다. 이 같은 추세는 향후 폴리이미드 기반 디스플레이의 시 장 규모가 급격히 팽창하더라도 산업 구조상 폴리이미 드 기판 가격의 급격한 하락은 기대하기 어렵다. 디스플레이 발전단계를 보면 미래의 디스플레이는 가 격 경쟁력을 바탕으로 초고해상도, 실감 입체영상, 플렉 김기현 / 플렉서블 디스플레이용 고내열 플라스틱 기판 129
서블 디스플레이로 발전할 것으로 예측된다. 가격 경쟁 력을 미래 시장에서도 지속적으로 확보하기 위해서 공 정을 혁신하거나 소재 부품을 통합/단순화해 비용을 절 감하거나 저가격 소재 부품을 적용하고자 하는 노력이 지속적으로 이루어지고 있다. 폴리이미드의 경우에도 최근 기판 단가를 낮추기 위 해서 폴리이미드에 저가의 고내열 소재를 혼합해 복합 화하거나 폴리이미드 분자구조에 다른 저가의 화학구조 를 가진 소재를 공중합체(copolymer)로 형성해 기판 단 가를 낮추려는 R&D가 시작되었다. 아직 폴리이미드 기 판이 플렉서블 디스플레이용 기판으로서 적합한가에 대 한 여러 논의가 있으나, 어떻게 폴리이미드 기판 단가를 낮추어 가격 경쟁력을 확보할 것인가, 표면 물성을 재연 성 있게 관리해 유리수준의 품질관리가 가능할 수 있느 냐가 향후 플렉서블 기판의 미래를 결정하게 될 것으로 보인다. 약어 정리 CF CC CFRP CTC CTE FPCB FRP GFRP IT LCD LED PC PEEK PEN PES PET PI TFT YI Color Filter Cyclic lefin Copolymer Carbon Fiber Reinforced Plastic Charge Transfer Complex Coefficient of Thermal Expansion Flexible Printed Circuit Board Fiber Reinforced Plastic Glass Fiber Reinforced Plastic Information Technology Liquid Crystal Display rganic Light-Eitting Device Polycarbonate Polyetheretherketone Polyethylene Naphthalate Poly(ether sulfone) Polyethylene Terephthalate Polyimide Thin Film Transistor Yellow Index 참고문헌 [1] 디지털데일리, 기세를 높이는 플렉서블 디스플레이 LED 시장 주도할 듯, 2016. 2.18. [2] 연합뉴스, 플렉서블 디스플레이 올해 2배 성장 폴더블이 이 끈다, 2016. 2. 18. [3] 김기현, 서경수, 디스플레이용 플라스틱 기판의 현황, 전자통 신동향분석, 제21권 제5호, 2006. 10, pp. 129-140. [4] 김기현, 송윤호, 디스플레이용 플라스틱 기판의 전망, 제23권 제5호, 2008. 10, pp. 111-123. [5] 김기현, 유연전자소자용 고분자 기판소재, 정밀화학, 계간/통 권 제117호, 2013, pp. 5-14. [6] 김기현, 플렉서블(Flexible) LED용 기판소재, Koita Tech-Issue-Paper, vol. 3-1, 2013, pp. 4-10. [7] T. Nakao, S. Shibahara, and W. ka, High Performance Plastic Substrate for Flat Panel Display, IDW Proc., 2003, pp. 621-624. 130 전자통신동향분석 제31권 제3호 2016년 6월