디스플레이 관련 주변 부품에서의 인쇄기술 상용화를 거쳐 머지않은 시점에서 두루마리처럼 말거나 구겨서 반복적으로 접고 늘릴 수 있는, 일회용으로 사용 후 폐기 가능한 수준의 Full-Flexible 디스플레이를 경험할 수 있을 것이다. 이러한 궁극적인 플렉서블 디스플레이는 인쇄 기반 기술 위에서만 가능하다. 얼마나 빠른 시일 안에 full-flexible 디스플레이를 경험할 수 있느냐는 인쇄 기술의 완성에 달려 있다고 할 수 있다.
글: 구재본, 추혜용 / 차세대디스플레이연구단
한국전자통신연구원 / www.etri.re.kr
그림 1. 인쇄전자 공정과 기존 반도체 공정을 비교 설명하는 모식도
인쇄전자 기술 개요
인쇄전자 기술은 기존의 반도체 공정인 노광(photo lithography) 기술을 대체할 수 있는 기술로써 산업용 인쇄기기를 이용하여 기능성 재료(잉크)를 원하는 위치에 패터닝 형상화 하여 전자소자를 제작하는 것이다. 인쇄공정 기술은 저온에서 공정이 가능한 기능성 잉크소재 (절연체/반도체/도체)들의 개발을 통해서 유연한 플라스틱 기판에 전자소자를 제작하는 플렉서블 전자소자, 유연전자소자 기술과 연관되며 향후 연속 생산 공정 (Roll-to-Roll)의 구현이 가능하다. 인쇄전자 기술은 공정 과정의 단순화를 통해 생산성 증가와 노광공정에서 낭비되는 재료비용의 절감을 통한 원가절감으로 제품의 경쟁력 확보가 가능한 초저가 친환경 미래의 전자소자 생산 기술이다.
인쇄전자 기술은 인쇄 방식에 따라 접촉식 인쇄와 비접촉식 인쇄 기술로 나뉘며, 접촉식 인쇄 방식에는 offset 인쇄, flexo 인쇄, gravure 인쇄 등이 있고 비접촉식 인쇄 방식에는 잉크젯 인쇄, 에어로졸, 레이저 이미징 등이 있다. 인쇄전자 기술은 친환경 에너지원인 솔라 셀, 디스플레이, 지능형 센서, RFID(Radio Frequency Identification) 등의 생산에 필요한 요소기술로서 전자 부품 등의 저가화를 위한 노력에서 다양한 응용 분야를 찾을 수 있다.
인쇄전자 기술의 가장 큰 시장은 플렉서블 디스플레이의 백플레인 구동 소자 TFT(Thin Film Transistor)와 저가형 프린티드 RFID 분야이다. 이 두 분야에서 필요로 하는 인쇄전자 소자의 특성은 차이가 있어 플렉서블 디스플레이의 백플렉인 TFT 구동소자의 경우는 인쇄공정을 활용하여 어떻게 하면 균일한 TFT를 대면적으로 제작할 수 있느냐 하는 것이고 프린티드 RFID 분야는 어떻게 높은 이동도 TFT를 고해상도로 제작하여 작동 주파수를 높일 것이냐에 초점이 맞춰진다.
이 두 분야는 인쇄전자 기술의 특징인 저가격/대면적의 장점을 가장 잘 살릴 수 있는 분야이다. 인쇄전자 기술은 전기저항, 커패시터, 인덕터 등과 같은 단순 수동 부품은 상용화 단계에 와 있고, 트랜지스터 및 디스플레이 등 능동부품은 아직 연구 중으로 차세대 소재/소자/공정 기술로 큰 관심이 집중되고 있다. 이 글에서는 인쇄전자 기술들이 플렉서블 디스플레이 개발에서 소재/소자/공정 분야에 어느 정도 수준까지 활용되고 있는지 현 수준을 알아보고 향 후 기술 개발 전망 및 시장 동향 등에 대해 논하고자 한다.
그림 2. 인쇄전자 기술의 다양한 응용 분야 <출처:Wolfgang Mildner, Organic Electronics Association 07, Frankfurt>
플렉서블 디스플레이 개요
디스플레이는 다양한 정보를 인간이 직접 볼 수 있도록 화면으로 구현해 주는 영상표시장치를 통칭하는 것이다. 현재는 평판디스플레이(Flat Panel Display, FPD)의 시대라 할 수 있고 다음 세대는 플렉서블 디스플레이(Flexible Display)가 도래 할 것으로 기대하고 있다. AMOLED(Active Matrix Organic Light Emitting Diode) 이후의 차세대 디스플레이는 기존 디스플레이의 기능에 더하여 슬림화, 경량화, 저 전력화, 그리고 유연성을 통한 모바일 기능이 강화되고, 입체화와 사실화를 통한 인간의 감성을 충족시키는 플렉서블 디스플레이의 개념으로 발전하고 있다.
플렉서블 디스플레이는 평판 디스플레이를 넘어서 종이처럼 얇고 유연한 기판을 사용하여 손상 없이 휘거나, 구부리거나, 말 수 있는 디스플레이를 지칭하는데 가볍고, 얇고, 깨지지 않는 외관특성(Form Factor) 뿐만 아니라, 디스플레이로서 화질특성은 현재의 LCD나 OLED와 비교하여 동등 또는 우수한 것을 전제로 한다. 플렉서블 디스플레이는 접거나 구부릴 수 있는 정도에 따라서 Durable, Bendable, Full-Flexible, Disposable 등의 단계로 구분하기도 한다.
Durable 디스플레이는 기존 평판 디스플레이와 큰 차이가 없는 형태로 기존 형태에서 약간 휘어진 곡선 형태의 디스플레이를 말한다. 한번 휘어진 형태로 장착되거나, Rugged 디스플레이라는 개념으로 깨지지 않는 디스플레이가 이 범주에 포함된다. Bendable 디스플레이는 자유롭게 휘어지며 일부는 말 수 있는 형태로 되어 의류 등에 응용이 가능한 상대적으로 자유로운 형태의 디스플레이를 의미한다.
웨어러블(Wearable) 디스플레이도 Bendable 디스플레이에 포함될 수 있다. Full-Flexible 디스플레이는 자유롭게 말거나 접을 수 있는 디스플레이를 지칭하며 두루마리의 형태로 제작이 가능한 신개념 Roll 디스플레이가 가능한 제품을 말한다. Disposable 디스플레이는 궁극적인 형태의 플렉서블 디스플레이를 말하며 기본적으로 Full-Flexible 디스플레이와 기능상으로는 흡사하지만 롤투롤 인쇄 공정을 사용하여 매우 저렴하게 제작이 가능하여 일회용 디스플레이로도 이용이 가능한 제품을 말한다.
그림 3. 플렉서블 디스플레이 발전 단계 <출처:디스플레이뱅크, 신한금융투자>
그림 4. 플렉서블 디스플레이의 기능 발전 단계 예측 <출처: 삼성SDC, 한국디스플레이산업협회, 2012년>
그림 3은 플렉서블 디스플레이의 발전 단계를 설명하는 것으로 4가지의 단계로 구별해 볼 수 있다. 그리고 최근에는 플렉서블 디스플레이의 발전 단계에 Foldable 디스플레이나 스트레쳐블 디스플레이를 포함하는 경향이 있다.
현재 양산이 완벽한 형태로 가능한 제품은 1단계 Durable 디스플레이 제품 정도에 불과하지만 시제품 형태로는 이미 3단계 제품까지 출시가 되고 있는 상황이기 때문에 향후 기술 발전과 원가 경쟁력이 결합되면 빠른 시일 내에 완벽한 형태의 다양한 종류의 플렉서블 디스플레이가 시장에서 출현할 것으로 기대하고 있다.
그림 5. 플렉서블 디스플레이용 기판 및 형태 발전 방향 <출처:삼성SDC, 2012년>
그림 6. 2013년 CES에 전시된 플렉서블 디스플레이 시제품, (a) Curved OLED TV (LGD), (b) Bendable 디스플레이 ("YOUM", 삼성SDC), (c) Rollable 디스플레이, (d) Foldable 디스플레이 <출처:CES 2013>
플렉서블 디스플레이 핵심 기술 개발 동향
플렉서블 디스플레이의 기능 발전 단계는 Unbr eakable -> Unbreakable/ Bendable -> Unbre akable/Rollable -> Unbreakable/Foldable로 구별할 수 있고, Bendable/Foldable 기능이 부가되기 위해서는 국부적으로 스트레쳐블한 특성을 만족해야 하고, 궁극적으로는 전체 디스플레이가 플렉서블 하면서 스트레쳐블한 방향으로 발전할 것으로 예측된다.
디스플레이를 패널의 곡률 반경으로 구별해 볼 수 있는데 1G는 현재의 LCD, OLED로 곡률반경 (Rbending)=∞, 2G는 Unbreakable, Bendable, Rugged 특성으로 Rbending < 10mm, 3G는 Unbre akable, Rollable로 Rbending < 1mm, 4G는 Unbrea kable, Foldable로 Rbending < 1mm~0.1mm로 구분할 수 있겠다. 플렉서블 디스플레이 기술 발전 단계는 외관 상으로 Flat -> Conformable -> Rollable -> Foldable -> Stretchable 경향으로 발전하고 있고 따라서 사용가능한 기판은 Glass -> Metal Foil-> Plastic Sheet/Roll -> Rubber/Elastomer로 발전하고 있다.
플렉서블 디스플레이 중 curved OLED TV나 bendable 디스플레이, rollable 디스플레이는 2013 CES(Consumer Electronics Show)에서 많은 종류의 시제품이 전시되었고 2013년 하반기에 양산 및 시장 출현이 일부 진행되었다. 양산품으로 혹은 시제품 형태로 출시되고 있는 bendable/curved/foldable 디스플레이에서 어떤 인쇄 기술이 활용되고 있는지 그리고 어떤 소재/소자/공정에서 인쇄전자 기술이 고려되고 있는지를 플렉서블 디스플레이를 이루는 핵심 소자/부품별로 나눠 살펴보면 아래와 같다.
표 1. 플렉서블 디스플레이 구동 소자 비교
표 2. 플렉서블 디스플레이 발광 모드 분류 및 특징 < 출처:미래기술 플렉서블디스플레이, 신한금융투자>
플렉서블 디스플레이 백플레인 구동 소자
플렉시블 디스플레이는 유연한 기판 부, 구동 소자 부, 발광 표시 부, 그리고 봉지 부로 구성되며 각 기술들의 조합에 따라 다양한 종류의 디스플레이가 가능하여 디스플레이 크기, 해상도, 성능들도 매우 다양한 기술 분야이다.
백플레인 구동 소자 기술은 LCD, OLED, e-paper 등 디스플레이 발광부 소자를 구동하는 기술이며 TFT(Thin Film Transistor) 소자 및 어레이를 포함하는 것이다. 디스플레이의 픽셀 스위치 소자로는 폴리 실리콘 TFT, 비정질 실리콘 TFT, 산화물 TFT 등 다양한 종류의 TFT가 사용되고 있다.
표 1는 플렉시블 디스플레이 구동 소자로 사용되는 여러 종류의 TFT에 대한 특성들을 요약한 것이다. 유기반도체 TFT (Organic TFT, OTFT)의 경우 AMLCD 평판 디스플레이에서 사용되는 a-Si TFT 구동 소자와 비교하여 이동도 특성이 필적할 만하고, 굽힘 환경에서의 신뢰성이 우수하여 플렉시블 디스플레이를 위한 가장 이상적인 구동 소자로 인정되어 왔으나 아직 수명과 신뢰성에서 개선할 부분이 많다. 플렉시블 디스플레이 구동 소자 개발의 주요 이슈는 플라스틱 기판 위에 공정을 안정적으로 진행하기 위한 저온 공정 개발 및 안정적이고 균일한 이동도 및 문턱전압 특성 확보이다.
표 1의 구동 소자 중 OTFT와 oxide TFT 기술이 궁극적으로는 인쇄 기술로 제작하는 후보로 OTFT의 경우는 지난 십여 년 전부터 인쇄기술로 제작하기 위한 많은 노력이 있었으나 아직도 수명이나 신뢰성 등에 해결해야 할 많은 문제를 안고 있다. 하지만 실험실 수준에서 보고된 이동도의 경우는 a-Si TFT의 이동도 수준을 훨씬 상회하는 좋은 결과를 보고하고 있다. 최근에 진공공정 기반 oxide TFT의 상용화 후에 oxide TFT를 용액공정 인쇄기반으로 개발하고자 하는 것에 관심이 높고 특성이 크게 향상되고 있다.
플렉서블 디스플레이 발광 소자
플라스틱 기판 디스플레이용 구동 소자를 형성하고 그 상부에 발광 소자를 배치하면 플렉시블 디스플레이가 완성된다. 발광 소자 부는 LCD, OLED, EPD(Electrophoretic Display), ECD (Electrochromic Display) 등 발광 방식에 따라 다양한 종류의 디스플레이가 가능하다. 크게 보면 플렉서블 디스플레이의 모드는 LCD, OLED, e-paper 형태로 나눌 수 있으며 각각의 장단점이 존재한다.
플렉서블 LCD는 구동방식이나 제조가 비교적 간단하며, 수분, 산소에 덜 민감하기 때문에 상용화가 비교적 쉽지만, 셀 갭 유지 및 BLU(Back Light Unit) 부품 등으로 인해 완전하게 유연하게 구현하기는 어려운 단점이 있어, 플라스틱 기판에 LCD를 제작하는 것은 플렉서블 디스플레이 개념보다는 깨지지 않는 디스플레이 개발 측면에서 연구 개발이 추진되고 있다.
Flexible e-paper 기술은 소비전력이 적고 상용화가 쉬우며 소비자가 느끼는 눈의 피로감도가 가장 적기 때문에 각광 받고 있지만, Full Color 구현, 동영상 구현, 색재현율 구현 등이 어려워 응용 범위가 한정적이다. 플렉서블 OLED는 Full 플렉서블 형태로의 구현은 비교적 자유롭지만 수분이나 산소에 민감하여 대면적 구현이 어려운 점 등의 기술적인 한계가 있어 활발히 연구 개발 중이다.
플렉서블 디스플레이의 가장 이상적인 모습인 플렉서블 OLED 디스플레이를 고려할 때 OLED 발광소자 제작에서도 노즐 프린팅, 잉크젯, 옵셋 프린팅을 활용하여 RGB 발광층을 인쇄하는 기술이 개발되고 있다. Duppot 사에서는 Nozzle printing을 이용하여 고속으로 대면적 OLED 프린팅 기술을 개발하고 있고 , Epson에서는 잉크젯 프린팅을 OLED 발광소자 형성에 활용하고 있으며, DNP에서는 offset 프린팅 기술을 발광층 형성에 적용하고 있으나 아직 상용화를 위해서는 해결해야 할 많은 문제를 안고 있다.
그림 7. Sony에서 발표한 OTFT 기반 플렉서블 AMOLED 시제품 (a) 플라스틱 2.5인치 Flexible OTFT 구동 AMOLED 디스플레이 (2006년) (b) 플라스틱 4.1인치 Rollable OTFT 구동 AMOLED 디스플레이 (2010년) <출처:SID, Sony>
플렉서블 디스플레이 기판/패시베이션
플렉서블 디스플레이를 구현하기 위해 가장 중요한 것이 기판이라고 할 수 있다. 플렉서블 디스플레이의 완벽한 구현을 위해서는 결국 현재 Glass 형태의 단단한 기판을 Plastic, Metal Foil, 초박형 유리 등의 유연한 소재로 바꾸면서도 현재 LCD나 OLED와 동등한 화질을 구현하는 것이 필수적이다.
플렉서블 디스플레이 기판에서 고려되어야 할 특성은 열팽창계수, 열안정성, 표면 거칠기, 투명도, Birefringence, 그리고 산소수분투과도 등이다. 일본과 미국 등의 선진국에서 Polyimide와 FRP(Fiber Reinforced Plasti) 등이 활발하게 연구되고 있고, 플렉서블 OLED는 향후 플렉서블 디스플레이의 대부분을 차지할 기술인데 플렉서블 OLED의 기판은 현재 PI 계열로 거의 확정되어가고 있다.
기존의 AMOLED 공정을 그대로 활용하고 PI를 carrier glass에 부착하고 그 상부에 패시베이션 막을 형성한 후 TFT와 OLED 공정을 모두 진행하고 하부의 glass를 레이저, 열, 화학적 박리 등의 방법으로 떼어내는 기술을 사용하고 있다. 플렉서블 기판에 제작된 OLED 디스플레이는 산소 수분 투과를 효과적으로 막을 수 있는 박막 패시베이션 기술이 필요하다. 박막 패시베이션은 현재로는 다층 유/무기 복합막을 적용하고 있다. 유/무기 복합막 개발에서 일부 인쇄공정 혹은 R2R 연속 공정 기술의 개념이 도입되어 연구 개발되고 있으나 아직은 인쇄공정기술을 전반적으로 확대 적용하기는 어려운 상황이다.
인쇄전자 기반 플렉시블 디스플레이 개발 동향
현재 상용화가 진행되어 시장에 선보이고 있는 삼성/LG의 curved 모바일 폰 형태의 플렉서블 디스플레이 개발에 인쇄전자 기술이 포함된 것은 거의 미미한 수준이다. 현재의 플렉서블 OLED 기술은 기존 glass 기반의 평판 OLED 기술을 기반으로 glass 위에 PI 계열의 플라스틱 필름을 코팅하고 그 위에 기존 진공 공정에서 제조공정 조건을 미세하게 변경하여 디스플레이를 제작하고 맨 마지막에 하부 glass carrier 기판을 떼어내는 기술에 바탕을 두고 있다.
하지만 플렉서블 디스플레이 발전 단계 중 3,4 단계인 Full Flexible이나 Disposable 디스플레이 구현을 위해서는 인쇄 공정 기술의 적용이 필수적이다. 특히 생산 단가 측면에서는 Roll-to-Roll 인쇄 공정까지 진화되어야 한다. 따라서 인쇄공정 기술에 대한 관심과 중요도는 플렉서블 디스플레이의 모습이 진화 할수록 더운 높아지라 판단된다.
그림 8. HP 사의 SAIL 프로세스에 의한 R2R TFT 제작도 및 특성 <출처:HP, 김한준, IMID 2010>
인쇄 공정 기술은 기존의 반도체 공정인 노광(Photo lithography) 기술을 대체할 수 있는 기술로서 기능성 재료(잉크)를 원하는 위치에 형상화(패터닝)하는 기술로 초저가이며 플렉서블한 전자소자 제작에 적합한 친환경 기술이다. 저온에서 공정이 가능한 기능성 잉크소재 (절연체/반도체/도체)들의 개발을 통해 플렉서블한 기판에 TFT 전자소자를 제작할 수 있다.
궁극적으로 인쇄 공정 기술은 공정 과정의 단순화를 통해 생산성 증가와 노광공정에서 낭비되는 재료비용의 절감을 통한 원가절감으로 disposable 디스플레이 구현을 가능케 할 수 있다. 일반적으로 인쇄 공정은 플레이트(Plate) 타입의 배치(Batch) 공정과 연속 웹(Web) 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정 모두에 적용가능하나 웹 기반의 롤투롤 공정은 비교적 빠른 공정속도와 저가격의 장점이 있으나 층간 얼라인먼트(Alignment), 해상도(Resolution) 등에 한계가 있다.
현재까지 TFT의 반도체 층 인쇄에는 특성 변화 및 잉크 사용을 최소화 할 수 있는 비접촉식 잉크젯 프린팅 기술, TFT의 S/D이나 Gate 전극 인쇄에는 접촉식으로 고해상도가 가능한 Gravure-Offset, Reverse-Offset, Nano-Imprint Lithogra phy 기술이 활용되고 있다. 또한 TFT의 절연체층 인쇄는 스크린 프린팅이나 스핀 코팅 같은 전면 인쇄 기법들이 사용되고 있다. 인쇄 TFT 제작에서는 어떤 층에 어떤 종류의 잉크를 어떤 방식의 인쇄 기술을 적용하느냐에 따라 다양한 특성이 얻어 지고 플렉서블 디스플레이의 용도 및 특성(해상도, 구동방식 등)에 따라 TFT 요구 특성도 다양하다.
인쇄기술을 플렉서블 디스플레이의 백플레인 TFT 제조에 응용하기 위해서는 우선 인쇄 공정으로 제작된 TFT의 특성이 중요하다. 일례로 240~480Hz 이상의 빠른 응답속도를 갖는 대면적 LCD를 구현하기 위해서는 3cm2/Vs 이상의 높은 전하이동도, 5V 이하의 낮은 문턱전압, 107이상의 높은 전류 점멸비, 1pA 이하의 낮은 누설전류 등이 필요하다.
또한 이러한 특성의 TFT가 PI 기판을 사용한다고 가정할 때 300˚C 이하의 공정온도에서 높은 균일도와 신뢰성, 안정성을 갖도록 구현하여야 한다. 현재 AMOLED의 백플레인 TFT에 적용하기 위해 필요한 반도체의 이동도는 대략 5cm2/Vs 수준으로 여겨지며, 따라서 상대적으로 낮은 이동도를 갖는 유기반도체 기반 인쇄공정은 고성능 플렉서블 디스플레이에 적용되기는 어려워 보인다.
대신 e-paper나 광고용 등과 같은 낮은 이동도 하에서도 요건을 충족시켜 줄 수 있는 응용 분야에 한정적으로 적용될 것으로 보인다. 무기 산화물 반도체잉크나 탄소 기반 반도체 잉크를 인쇄 공정으로 제작하는 것은 궁극적으로 유기반도체 잉크보다 더 높은 이동도와 수명, 신뢰성 확보가 가능하여 플렉서블 AMOLED 디스플레이에 활용 될 것으로 기대되어 현재는 산화물반도체 잉크 소재 개발 및 산화물 반도체 TFT 인쇄 공정 기술 개발에 관심이 집중되고 있다.
인쇄 공정 특히 OTFT 기반 플렉서블 디스플레이 연구는 일본의 Sony에서 가장 활발히 연구하고 있는데 2006년에 OTFT 구동 플렉서블 AMOLED를 2010년에는 OTFT 구동 Rollable AMOLED를 시연한 바 있다. 특히 2010년에는 디스플레이 구동회로인 게이트 드라이브 IC까지 일부 내장한 시제품을 선 보였다. 하지만 인쇄 기반 OTFT 구동 플렉서블 디스플레이는 수율향상, 수명 개선 등 상용화를 위해서는 해결해야 할 문제점이 많다.
수년전부터 플렉서블 디스플레이 구동소자 TFT를 full 인쇄공정으로 제작하고자 하는 많은 연구 결과들이 보고되었다. 그 대표적인 것들을 살펴보면 일본의 AIST에서는 TFT를 구성하는 반도체/절연체/도체 전체 공정을 microcontact printing 기술을 활용하여 구현한 TFT를 발표하였다.
그리고 Toppan printing에서도 offset/Screen/Inkjet 프린팅 기술의 조합을 통해 100% 인쇄된 TFT array를 보고하였다. 특히 gravure-offset 및 reverse-offset 프린팅 잉크 및 인쇄 공정 기술 개발에 노력하여 수 um 더 나아가 sub um 미세 패턴 형성에 성공한 바 있다. 이 외에도 100% 인쇄된 TFT array는 아닐지라도 일부 공정에서 인쇄공정 기술을 도입하여 다양한 특성과 용도의 인쇄 TFT가 국외에서는 대만의 ITRI, 유럽의 PolyIC, 미국의 PARC 등에서 국내에서는 삼성종합기술원/LG디스플레이/한국전자통신연구원/한국화학연구원 등에서 보고하였다.
그림 9. 인쇄전자 기술의 단계별 상용화 전략
그림 10. 세계 플렉서블 디스플레이 시장 전망 출처: 디스플레이뱅크, 2012년>
이러한 노력에 더해 전체 TFT를 R2R 연속공정으로 제작하고자 하는 노력도 있었다. HP는 SAIL(Self-Aligned Imprinting Lithography)이라고 하는 나노 임프린팅 기반 R2R 연속공정 TFT를 개발 보고하였다.
SAIL 공정은 기존에 알려진 나노 임프린팅 공정과 web 기반 연속공정을 접목한 R2R이 가능한 고해상도 패터닝 공정이라고 할 수 있다. 이 기술은 플라스틱 기판이 공정 중에 팽창과 수축으로 인해 층간 align이 어려운 점을 3-D 나노임프린트 기술을 적용하여 임프린트 공정 시 모든 층의 패턴 정보를 한꺼번에 형성하고 순차적으로 에칭하는 방식으로 자기 정렬 시킨 TFT를 제작하는 방식인데 세계 최초의 R2R TFT를 연구 개발한 것이었다.
phase 1에서는 a-Si TFT를 phase 2에서는 oxide TFT를 개발하여 e-paper나 플렉서블 OLED의 백플레인을 제공한 바 있다. 하지만 고해상도/고정렬 특성의 장점에도 불구하여 SAIL공정은 몇가지 단점을 지니고 있는데, 우선 용액공정을 기반으로 하는 연속공정이 아니라 모든 공정이 기존의 진공공정을 기반으로 하고 있어서 실제 공정비용이 저렴하지 않다는 것이다. 이는 연속제조공정이 내세우는 가장 큰 장점인 공정비용의 절감과는 배치되는 특징이라고 할 수 있다.
현재 기술적인 수준으로 층간 중첩 정밀도가 높은 용액공정 기반 연속공정을 완벽하게 구현하는 것은 매우 어려운 일이므로 SAIL공정이나 이와 비슷한 진공공정 기반 혹은 진공공정과 용액 공정이 적절하게 혼합된 연속 공정이 향후 수년간 과도기적 기술로써 각광받을 것으로 예상된다.
인쇄 공정 기술을 플렉서블 디스플레이에 적용하기 위해서는 어느 한 층을 인쇄 기술로 대체하는 것보다는 전체 공정을 인쇄 공정 기술로 대체해야 비로소 제조단가 측면에서 장점이 있으므로 현재의 기술로는 당장 상용화되기는 어렵다.
하지만 인쇄 공정 기술이 가진 궁극적인 장점과 가능성으로 인해 앞으로도 계속 많은 관심과 기술 개발이 이루어질 것으로 보인다.
현재의 인쇄전자 기술 수준 특히 해상도와 층간 정렬 문제 등의 공정 마진으로는 플렉서블 디스플레이 구동 소자 전체를 인쇄 공정으로 대체하는 것은 어렵다. 다만 인쇄 기술은 터치패널의 투명전극 회로 전극 패턴 형성이나 디스플레이 부품의 단일층 금속 패턴 형성 등에서는 현재의 기술로도 당장 상용화가 가능하고 일부 사용되고 있다.
그림 9를 보면 인쇄전자의 플렉서블 디스플레이 분야 상용화는 단계적으로 진행될 것이고 현재는 1단계의 수준이며 2단계의 상용화 즉 플렉서블 디스플레이 분야의 상당부분 인쇄공정 적용을 위한 노력은 앞으로도 수년 혹은 수십 년 이상의 시간이 걸릴 지도 모르는 많은 문제를 안고 있어 추가적이고 계속적인 연구개발과 노력이 필요하다.
그림 11. 플렉서블 디스플레이 용도별 전망 (출하량) <출처: 디스플레이뱅크, 2012년>
그림 12. 플렉서블 디스플레이 기술별 전망(출하량) <출처: 디스플레이뱅크, 2012년>
플렉서블 디스플레이 시장 동향 및 향후 전망
LCD 산업의 성숙 단계 진입 및 주요 경쟁국의 본격 추격화에 따라 고해상도 패널, 고부가 가치를 창출할 수 있는 차세대 플렉서블 디스플레이의 시장 진입이 시급한 상황인데 2012년 디스플레이 패널 생산액은 약 46조원으로 우리나라 GDP의 3.7%를 차지하였고 수출은 349억 달러로 전체 수출의 6.4%를 차지하고 있다. 디스플레이 뱅크에 의하면 2013년도는 플렉시블 디스플레이 상용화의 원년이 될 것으로 보이며, 전 세계적으로 2016년에 40억 달러를 넘어서며 본격적인 시장을 형성할 것으로 전망된다.
플렉서블 디스플레이는 다양한 분야에서 활용이 기대되며, 특히 개인 휴대용 e-reader에서부터 군용 정보기기까지 산업 전반에 파급되어 정보 입출력의 패러다임 변화가 이루어질 것으로 기대되고 있다. 주요 응용 분야는 개인 휴대 단말, 빌딩, 공공디스플레이, 광고, 교육, 군용이 될 것이다.
플렉서블 디스플레이는 2013년부터 본격적인 상용화가 진행되어 2020년에는 300억 달러 규모의 시장으로 성장될 것으로 기대된다. 플렉서블 디스플레이 개발의 초기 단계에는 e-paper 기술이 중심이었으나, 초고해상도/동영상 구현 등의 요구 사항에 의해 삼성SDC와 LG 디스플레이 중심으로 모바일 폰에 Bendable/Foldable 기능을 부여하는 플렉서블 OLED 디스플레이가 2013년 이후에는 크게 성장할 것으로 기대된다.
2020년 이후에는 플렉서블 디스플레이의 50% 이상을 OLED 디스플레이가 차지 할 것으로 예상된다.
닛케이일렉트로닉스에서 2007년 보고한 인쇄 전자소자의 기술 개발 로드맵을 보면 이동도 및 주파수 특성이 크게 향상되는 2020년 이후에는 인쇄전자 회로를 바탕으로 한 플라스틱 CPU가 대부분의 Si 기반 전자 소자를 대체할 것으로 예측하고 있다.
이 시점에는 웨어러블 컴퓨터나 두루마리 컴퓨터의 실제 구현이 가능할 것으로 예상하고 있다. 전체적인 기술 개발 로드맵의 구현 시기는 다소 지연되고 있으나 발전 방향과 전망에는 크게 변화가 없다. 인쇄 전자 산업은 2007년부터 시장이 형성되어 점진적인 성장을 이루다가 기술이 성숙될 2013년에는 170억 달러, 2025년에는 2,759억 달러로 급격한 시장 성장이 예측되고 있다.
그림 13. 플렉서블 인쇄 전자 소자의 기술 개발 로드맵
결론
플렉서블 디스플레이는 최근까지는 e-paper 형태만 존재했다. e-paper는 종이와 같은 느낌을 주는 전자 디스플레이로서 아마존의 킨들 제품이 대표적이다. e-paper는 눈의 피로가 적으며 전력소모가 적고 생산단가가 저렴하기 때문에 시장에 모습을 드러냈다.
하지만 e-paper는 컬러 구현의 한계, 동영상 구현의 어려움 등으로 인해 용도가 제한적이다. 플렉서블 LCD에 대한 연구 개발도 상당기간 수행되었으나, 백라이트를 사용하는 LCD는 플렉서블 디스플레이의 완벽한 구현이 어려워 LCD보다는 자발광을 하는 AMOLED가 완벽한 플렉서블 디스플레이를 구현하는데 적합할 것으로 판단되어 최근에 시장에 진입을 시작했고 시장 점유율을 크게 확대해 나갈 것으로 기대된다.
2013년은 삼성과 LG가 curved 플렉서블 OLED를 선보임으로 플렉서블 디스플레이의 원년이 되었다. Rollable 및 Full Flexible 디스플레이를 위해서는 수년의 연구개발이 더 필요할 수 있지만, Durable, Bendable 수준의 플렉서블 디스플레이는 수율 향상에 힘입어 곧 시장 모습을 드러낼 것이다. 시장도 2011년에는 1000억 원 수준에 불과하던 것이 2020년경에는 약 32조원의 시장으로 급성장할 것이다.
현재는 시작 단계이지만 결국 Full-Flexible 디스플레이의 세계가 열릴 것이다. 현재 개발 중인 플렉서블 AMOLED는 유리 기판에서 FPD AMOLED를 만들던 기술을 PI 기판에 접목하여 제조 조건을 최적화하여 개발한 것이다. 다시 말하면 완벽한 플렉서블을 구현하기 어려운 유연성이 취약한 무기 절연막과 ITO 투명 전극 등을 사용한 것으로 일정 수준의 유연성은 발현이 가능하나 궁극적인 기술로는 볼 수 없다.
Full-Flexible 디스플레이 개발을 위해서는 기판 뿐 만아니라 TFT 구동 소자 및 발광 소자를 구성하는 소재들을 유연한 소재로 사용하고 제조 공정 또한 인쇄 가능 연속 공정으로 개발해야만 될 것이다.
인쇄전자 기술은 최근까지의 연구에서 주로 모듈 및 시스템 제품인 플렉서블 디스플레이나 RFID와 같은 제품들을 저가격/대면적/친환경으로 만드는데 초점을 두고 연구개발이 진행되었다. 하지만 위에서 설명하였듯이 인쇄전자 기술의 수준이 현재는 단일 금속층 패턴 정도에 머물고 있기 때문에 아래와 같은 단계별 상용화 전략으로 제품 기술로 스며드는 것이 바람직하다.
우선 1단계에서는 저가격/단일층 금속 전극 패터닝 기술 개발 및 상용화(층간 align 필요 없는 기술) 2단계에서는 고특성/다층 전자회로용(TFT/Circuit) 배선 기술 개발 및 상용화(층간 align 필요한 기술) 그리고 마지막 3단계에서 All printing, 혹은 Roll to Roll 기반의 디바이스 제품 상용화(플렉서블 디스플레이, RFID 등)이다.
1단계 기술개발에서 가장 가능 있는 분야는 터치패널 투명/회로 전극, OLED 조명용 보조 전극, 그리고 태양전지 Mesh 투명 전극 등이 될 것으로 기대된다. 디스플레이 관련 주변 부품에서의 인쇄기술 상용화를 거쳐 머지않은 시점에서 두루마리처럼 말거나 구겨서 반복적으로 접고 늘릴 수 있는, 일회용으로 사용 후 폐기 가능한 수준의 Full-Flexible 디스플레이를 경험할 수 있을 것이다.
이러한 궁극적인 플렉서블 디스플레이는 인쇄 기반 기술 위에서만 가능하다. 얼마나 빠른 시일 안에 full-flexible 디스플레이를 경험할 수 있느냐는 인쇄 기술의 완성에 달려 있다고 할 수 있다. 인쇄전자관련 원천기술 확보를 위한 기업, 학계, 정부차원의 강력한 그리고 지속적인 연구 및 지원이 필요하다.
저자 소개
구 재 본
1994년 2월 고려대 재료공학과 (학사).
1996년 2월 KAIST 재료공학과 (석사).
2000년 8월 KAIST 재료공학과 (박사).
2000년 9월~2005년 4월 삼성SMD 중앙연구소 책임연구원.
2005년 4월~현재 한국전자통신연구원 융합부품 소재연구부문 차세대디스플레이연구단 유연전자소자연구실 실장
<관심분야> 인쇄공정, 플렉서블 전자 소자, 차세대디스플레이, 유기반도체 TFT 등
추 혜 용
1987년 2월 경희대 물리학과 (학사).
1989년 8월 경희대 물리학과 (석사).
2008년 8월 경희대 정보디스플레이학과 (박사).
1989년 8월 ~ 현재 한국전자통신연구원 융합부품 소재연구부문 차세대디스플레이연구단 단장
<관심분야> 차세대 디스플레이, OLED 조명, 인쇄공정 기술 등
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신윤오 기자
(yoshin@techworld.co.kr)