플렉서블 인쇄전자, 킬러 애플리케이션을 찾아라
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플렉서블 인쇄전자, 킬러 애플리케이션을 찾아라
  • 온라인 뉴스팀
  • 승인 2015.05.06 11:20
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플렉서블 & 프린티드 일렉트로닉스 2015 학회 & 전시회 보고서

본 학회 및 전시회는 Flextech Alliance에서 주최하는 플렉서블 & 프린티드 일렉트로닉스 관련한 것으로, 2015년 2월 23일~26일 사이에 미국 캘리포니아 주 몬트레이에서 개최되었다. 2015 FLEX는 플렉서블 일렉트로닉스 및 프린팅 기술에 관한 소재/소자/장비 제품 관련 세계 최고 수준의 학회인데, 이번이 14회째로 매년 2월 애리조나 피닉스에서 열렸던 Flexible Electronics 전문 학회이다. 규모와 전문성에서 이 분야에서 가장 우수하다고 정평이 나 있는데, 올해는 몬트레이로 장소를 변경하여 개최되었다. 

유연 인쇄전자(Flexible & Printed Electronics) 기술은 세계에서 가장 급성장하고 있는 기술 중 하나로 그 응용 범위가 소비재, 의료, 디스플레이, 반도체, 항공우주, 일렉트로닉스, 미디어 및 수송 등 다양한 산업으로 확대되고 있다. 
플렉서블 및 인쇄전자 산업의 세계 최대 이벤트인 이번 행사는 업계 최신 동향을 파악하고, 새로운 비즈니스 사업 모델을 창출을 위해 약 500명의 산학연 업계 관계자가 참석하였다. 세계 최대 사용자(user) 기업이 인쇄전자에 관련된 요구 사항과 경험에 대해 발표하고, 기술 응용 및 상용화를 위한 논의가 활발히 진행되었다.

글 : 구재본 / 웨어러블소자연구실
한국전자통신연구원(ETRI) 정보통신부품소재연구소 
자료협약 및 제공 : KOSEN(한민족과학기술자 네트워크) / www.kosen21.org

학회 프로그램 소개

본 학회 첫째 날은 플렉서블과 인쇄 기술과 관련하여 4개의 단기 코스(short course) 강연이 있었고, 둘째 셋째 넷째 날은 기업의 CEO나 CTO들이 프린티드 일렉트로닉스를 바라보는 기업의 시각과 현재까지의 활동에 대한 플래너리 세션(Plenary session)과 테크니컬 세션(technical session)이 있었으며, 구두 발표는 총 25개의 세션에서 113여 편이 있었고 포스터 세션(poster session)은 전시회장에서 간단히 13편의 발표가 있었다. 마지막 날은 excursion으로 UC Berkeley EECS Lab에 있는 Ceradrop MGI Group의 Precision X-Series System의 투어와 데모가 진행되었다.

•Short Courses 프로그램
#1 Course: Introducing Printed Electronics-All of the basics and more : 연사로는 California Tech의 Dr. Malcolm Keif, Western Michigan Univ.의 Dr. Margaret Joyce, Imprint Energy Inc.의 Dr. J. Devin Mackenzie, 그리고 Clemson Univ.의 Dr. Bruce Kahn이었고 주요 내용은 인쇄전자공학의 개요, 인쇄 기법(Screen Printing, Gravure Printing, Flexo Printing 등)의 원리와 유의점, R2R 공정 기술, 프린팅 기술로 만든 플렉서블 제품 소개 등이 진행되었다.

#2 Course: Large, High-Speed R2R Optical Inspection Methods for Flex Electronics & Functional Coating Appl. : 직접 참석하지 않아 연사와 발표 내용에 대한 정확한 정보는 알 수 없으나, 주요 내용은 R2R 공정 기술의 개요, R2R 공정 기술에서 optical & interferometric 고해상도 검사 방법, 이들을 R2R 자동 시스템 플랫폼에 탑재하는 방법 등에 대한 기술 소개가 진행되었다.

#3 Course: The FleXformTM Platform for Designing Hybrid Electronics Systems & Products : 본 코스에서는 플렉서블 하이브리드 시스템 집적화를 설명하였고, flexible & printed sensor를 개발하였다면 어떻게 이를 제품으로 구현할 수 있는가에 대해서 설명하였다.

주요 토픽은 아래와 같은 것이었다.

① Flexible Hybrid System Development and Prototyping with FleXform, ②Electrical Integration: Printed Sensors with Digital Systems, ③ Physical Integration: Connecting Your Sensor to FleXform, ④System Integration: Retrieving and Processing Your Digital Sensor Data, ⑤Product Integration: Moving from Prototypes to Production.

#4 Course: Understanding Flexible OLED Technology : 분석자가 직접 참석한 short course로, UDC(Universal Display Corporation)의 Ruiqing Ma 박사가 강연하였고, Introduction, OLED Basic, Flexible AMOLED Displays, Flexible OLED Lighting의 순으로 전개되었다. Flexible AMOLED의 기초적인 내용으로 국내 학회나 국내 전문가들에게서도 쉽게 접할 수 있는 평이한 수준의 강의였다.

결론적으로 Flexible AMOLED 디스플레이 기술은 기술적으로는 성숙 단계에 도달하고 있고, 새로운 제품과 응용이 시작될 것이라고 하였으며, Flexible OLED Lighting은 높은 효율 달성, 고휘도에서의 수명 보장, 낮은 제조 단가를 해결하면 시장 진입이 가능하다고 하였다.

전시회 관련 정리

전시회 관련해서는 총 54개 업체가 참여하였고, E-ink가 프리미엄 스폰서였으며, Applied Materials, Califonia Polytechnic State University, Cambridge Display Technology Limited, Dupont Microcircuit Materials, Dupont Teijin Films, MicroChem Corp., NovaCentrix, Sartomer Americas, Thin Film Electronics USA 등 총 9개 기업이 스폰서였다.

전시회에서는 다양한 종류의 플렉서블 전자소자를 구현하기 위한 부품 소재 기술 관련 기업이 많았고, 인쇄 공정 관련 몇몇 장비 기업도 있었다. 전시회는 24~25일 이틀간 진행되었고, 플렉서블 테크놀로지를 사용하여 엔드 유저들이 사업화를 모색하는 다양한 종류의 이벤트와 토론이 있었다.

대표적인 기업들의 비즈니스 영역

•NovaCentrix
Printed Electronics의 제품 생산에 집중하고 있는데, 특히 PulseForge photonic curing tool은 저온 기판에 고온 소재를 가공하는 것이 가능하게 해주는 것으로 NovaCentrix의 대표적인 아이템임.

•Thin Film Electronics
Thin Film Electronics(Thin Film)은 오슬로에 본사가 있고 스웨덴 Link?ping에 제품 개발 연구소가 있는 기업으로, fully-printed non-volatile, rewritable memory를 개발하여 장난감, 게임기, 센서, RFID에 장착하는 것을 목표로 하는 업체임.

•Soligie
PET나 종이 혹은 포일 위에 도체, 유전체 등 다양한 잉크로 프린팅 소자를 만드는 종합 인쇄전자 기업임. Soligie는 현재 메디컬 디바이스, 스마트 패킹, RFID, 그리고 유연 인터커넥션 제품들을 제공하고 있음.

•PST Sensors

종이, 섬유, 폴리머 필름 위에 실리콘 나노입자 기반 NTC thermistor 온도 센싱 시스템을 만들어 판매하는 유연 인쇄전자 관련 스타트업 기업임.

•MicroChem
MEMS나 마이크로 일렉트로닉스 분야에서 20년 동안 전자 소재를 판매한 회사로, SU-8 기반의 포토 패터너블 epoxy resist를 소개하고 있었고, 플라스틱 필름 등 다양한 기판에 공정 가능한 PR 소재 기술이 뛰어났음.

•E ink
MIT 미디어 랩에서 1997년 스핀 오프(spin-off)한 기업으로, EPD 디스플레이의 대표적인 기업이기도 함. 전기영동 E-ink 기술을 이용하여 멀티 컬러 전자종이 및 색 변환 식탁 및 건축 자재에 대한 시제품을 소개함.

컨퍼런스 관련 정리

2개의 플레너리 세션과 23개의 테크니컬 세션의 모든 발표 제목과 발표자를 정리하였다. 그리고 대표적인 발표에 대해 상세 발표 내용을 다음에 정리하였다.

이 컨퍼런스의 의장은 PARC(Palo Alto Research Center)의 Ross Bringans, PL Industries의 Mike J. Idacavage 박사, Coatema Coating Machinery GmbH의 Thomas Kolbusch, Chasm Technologies의 Bob Praino였다. Conference advisor는 산학연 전문가 27명으로 구성되었으며, 그중 한국인으로는 KAIST의 윤춘섭 교수가 포함되어 있었다.

플래너리 세션 프로그램

플래너리 세션은 23일 첫째 날 오전에 2개의 세션으로, 시리즈로 진행되었다. 첫 번째 세션인 “Flexible Display Markets & Technology”에서는 GE에서 플렉서블 일렉트로닉스에 대한 전망과 계획에서 대해서 발표하였고, 그 다음은 UC Berkeley의 Vivek Subramanian 교수가 새로운 응용을 가능하게 하는 인쇄 전자의 진보된 기술들로 바이오 센서 기술에 대해 설명하였다.

성균관대 정호균 교수는 삼성 디스플레이에서 세계 최초로 AMOLED를 상용화한 경험을 바탕으로 Plastic Revolution이란 주제로 강연하였다. ITRI에서도 flexible & printed electronics에 대한 기관의 연구 개발 결과들과 계획에 대해 설명하였다. 마지막으로 미 공군에서는 공군 분야 응용이 가능한 flexible & hybrid electronics에 대해 소개하였다.

두 번째 플래너리 세션인 “Flexible Wearables & Related Technologies”에서는 Cleveland 병원의 Frank Papay 의사가 플렉서블 웨어러블 기술이 헬스케어에서 어떻게 활용 가능한지를 소개하였고, Dublin City University에서는 바이오 마커 모니터링을 위한 웨어러블 플랫폼 기술을 소개했다.

그리고 FlexEnable은 기존의 Plastic Logics에서 만들어진 신생 기업으로, 플렉서블 일렉트로닉스에 관해 기업이 확보한 기술과 산업화를 위한 플랫폼에 대해 소개하였다.

테크니컬 세션 프로그램

첫째 날 오후부터는 각 개별 기술 단위로 테크니컬 세션이 진행되었다. 첫째 날은 세션이 병렬로 진행되지 않았지만, 둘째 날과 셋째 날에는 세션이 병렬로 동시에 진행되었다. 방대한 발표들을 모두 정리할 수는 없었지만 특별히 관심이 높았고 참석자가 많았던 세션의 발표 위주로 내용들을 다음에 정리하였다.

주제들은 flexible & printed electronics가 목표로 하고 있는 응용 분야인 디스플레이, 태양전지, 센서, 나노바이오, 웨어러블, 스마트 패키징 등에 대해서 주로 발표되었고, 이런 다양한 분야의 응용에서 공통으로 필요한 접착제, Encapsulation 소재, 도체 소재, 에너지 하베스팅 소재, 반도체 소재, 기판 소재 등에 대해서도 세션 별로 심도 있게 토론되었다.

Perspective and Plans for Flexible Electronics (Anil R. Duggal, GE Global Research)
첫 번째 기조 강연에서 GE는 printed & flexible electronics에 대한 전망과 계획에 대해서 발표하였다.

▲ 그림 1. GE의 Flexible OLED 시제품

GE는 벌써 2000년에 OLED 개발 비전을 제시하면서 lighting wallpaper 개념을 세워 OLED 조명 개발 연구를 수행해 Energy efficient가 좋고 가격이 낮은 얇고 가벼운 OLED 조명 시제품을 개발했고, 2003년에서 2007년 사이에는 R2R 공정으로 ultra-high barrier 공정을 가능하게 하여 OLED 조명을 R2R로 제작하였다.

▲ 그림 2. GE의 산소 농도계 센서 개념도 및 시제품

2008년부터 2011년에는 성능과 수명을 향상시켜 상업화가 가능한 수준까지 끌어올렸다. 현재는 GE는 유연 소자에 기반 한 디지털 X-ray 디텍터를 생산하기 위한 기술을 개발하고 있으며, 이 기술은 애리조나 주립대학과 미 국방부와의 협력으로 수행되고 있다고 보고하였다.

또한 GE는 유연 소자 기반의 산소 농도계를 개발 중이며, 부착 가능한 땀 센서를 개발하기도 하였다.

▲ 그림 3. GE의 웨어러블 땀 센서 개념도 및 시제품

이 땀 센서는 부착 시 발생하는 임피던스의 변화를 측정하고 그 측정치를 RF로 송신함으로써 실시간으로 센서를 부착한 소비자의 건강 상태를 측정할 수 있도록 고안된 것이라고 할 수 있다.

GE가 플렉서블 일렉트로닉스에 대해 바라보는 시각은 “Technology Push” is hard!, Where is “Market Pull”?이다. 기술은 성숙되어 있는데 시장이 잘 형성되지 않는다고 주장하였다.

Plastic Revolution (Ho Kyoon Chung, Sungkyunwan University) 

성균관대 정호균 교수는 플라스틱 혁명이라는 주제로 플래너리 강연을 하였다.

Issues of Flexible OLED, Comparison of Substrates and TFT for Flexible OLED, Plastic AMOLED Fabrication Process, Key Challenges of Plastic AMOLED, Productivity Innovation Using R2R 등에 대한 세부 주제를 강연하였는데, 우선 삼성디스플레이에서 2006년 개발한 Flexible OLED on Metal Foil, 그리고 2010년 개발한 Flexible OLED on Plastic에 대해 소개하고 현재 유기 기판에서 플라스틱으로 디스플레이 제조 기술의 혁명이 일어나고 있음을 강조하였다.

▲ 그림 4. 디스플레이 발전 방향 및 응용 분야 확대

2010년 이후로 전기영동을 포함한 다양한 플렉서블 디스플레이가 plastic AMOLED로 단일화되어 최근에는 플렉서블 디스플레이라고 하면 plastic AMOLED를 의미할 정도로 이 분야에 대한 관심이 높다.

plastic AMOLED의 성공을 위해서는 저가(low cost) 박막 encapsulation이 필요하고 밴딩, 특히 cyclic folding 환경에서의 신뢰성 확보가 필요하며, 얇은 폼팩터(form factor)를 유지하기 위해 cover film, polarizer, touch panel부를 어떻게 처리할 것인지에 대한 고민이 필요하다고 하였다.

▲ 그림 5. 플렉서블 디스플레이 개발을 위한 각 부품별 요구 사항 정리

앞의 그림은 Sumitomo Chemical에서 발표한 재료를 재인용한 것인데, 각 부품에서 플렉서블 구현을 위해 필요한 사항들이 잘 정리되어 있다. 발표의 마지막 부분에는 Roll-to-Roll로 ALD oxide와 polymer를 multilayer로 형성하여 박막 Encapsulation하는 기술을 성균관대에서 최근에 연구 개발하여 소개하였다.

성균관대에서는 R2R multilayer 증착 장비를 개발하여 원자층 증착방법(Atomic Layer Deposition, ALD)으로 Al2O3를 형성하고 그 위에 plasma CVD로 폴리머를 형성하였는데 Al2O3(2 cycle) + Plasma polymer(50nm) hybrid multilayer barrier film(20dyads) 구조 박막의 경우 구조 분석과 투습/투산소 분석 결과 우수한 특성을 보여주었다.

제조된 Encapsulation 박막의 경우 2cm의 곡귤 반경에서 10,000회 반복 bending에서도 견딜 수 있었고, 이러한 결과를 바탕으로 플렉서블 디스플레이 혹은 폴더블 디스플레이의 Encapsulation 박막으로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

Printed Electronics: Advanced Technologies Enabling New Applications 

▲ 그림 6. 프린팅 기술을 활용한 센서 응용 분야

UC Berkeley의 Vivek 교수는 프린팅 기술을 활용한 센서 기술에 대해 발표하였다.

인쇄 기술이 가장 잘 접목 가능한 분야가 센서 소자 분야라고 하였고 IOT, IOE 시대의 도래로 저가형 센서의 중요성이 높아지고 있다고 강조하였다. 

▲ 그림 7. DNQ 검출용 트랜지스터 기반 센서 모식도

프린팅 전자소자는 집적화된 하이브리드 시스템으로 발전하고 있으나 아직도 소재, 공정 기술에서 혁신이 필요하고 더 많은 연구가 필요하다고 주장하였다.

Commerization of Emerging Flexible and Printed Electronics (ITRI) 
대만의 ITRI에서는 Roll-to-Roll(R2R) Printed Electronics, Paper Speakers, Flexible Pressure Sensors, Ultra-Thin(50~100um) Glass & other substrates, Fine-Line(3um) printing, ITO Replacement-metal mesh, PEDOT, & others, OLED lighting, R2R Equipment 기술에 대해서 소개하였다.

▲ 그림 8. ITRI의 R2R 분야 투자 규모와 대표적인 결과물

위 그림은 2004년부터 2014년까지 ITRI에서 R2R printing에 투자한 규모를 보여주는데, ITRI는 대만의 정부 출연 연구소로 R2R 공정 기술, 플렉서블 디스플레이 기술에 많은 연구 개발을 집중하고 있음을 볼 수 있었다.

특히 R2R 기술로 만든 paper-thin speaker는 ITRI에서 대표 기술로 자랑하는 것으로, 10m 길이에 1mm 이하의 두께이고 소비재, 자동차, 홈시어터, 전시관 등에서 다양하게 응용될 수 있었다. 그리고 또한 100um thin glass를 이용하여 터치 패널을 R2R로 공정하는 것에 대해서는 상당한 기술력을 보유한 것으로 판단된다.

▲ 그림 9. 페이퍼 기반 박막 스피커 기술 소개

Roll-to-Roll 3um direct printing 기술도 개발하여 기존에 7-step의 photolithography 기반 공정을 1-step fine-line direct printing 기술이 가능하다고 주장하였고, material usage가 5%에서 95%로 증가하였다고 하며, 현재 기업체의 기술 수준은 sheet process로 > 30um이지만 자신들의 공정으로는 roll-to-roll process, 3um 수준이라고 자랑하였다.

▲ 그림 10. Thin Glass 위에 터치 패널을 R2R로 제작하는

장치와 공정 설명 자료

3um 미세 패턴을 가능하게 하는 방법에 대해서는 자세한 발표가 없어 정확히 파악할 수 없었으나 미세 금속 패턴이 간단한 공정으로 가능해져 ITO 대체용 metal mesh로의 응용이 가능할 것으로 기대된다. 3um metal mesh를 50-100um glass, PI-silica hybrid films, 그리고 PET, PI 상에 구현하여 3.5”~21.5”의 다양한 터치 패널 시제품을 제작하였다.

ITRI는 OLED 조명의 상용화에도 상당한 관심을 보이고 있어 OLCA(OLED Lighting Commercialization Alliance)를 다음과 같이 구성하여 상용화 준비를 하고 있었다.

▲ 그림 11. R2R 기반 3um 미세 패터닝 기술 소개

마지막으로 ITRI의 연구 영역과 관심 분야를 정리해보면 Wearable & IoT Sensors, Lighting, 그리고 FPC로 나누어서 핵심 역량 개발에 집중하고 있었다.

Flexible Wearable Technologies in Healthcare (Frank Papay, Cleveland Clinic) 
2번째 플래너리 세션에서 인상 깊은 강연은 클리블랜드 병원에서

▲ 그림 12. OLED 조명 사용화를 위한 ITRI 조직 체계도

봉직하고 있는 현직 의사인 Frank Papay의 강연이었다. 대체로 이번 학회의 주된 관심 분야가 유연 전자소자의 웨어러블 헬스케어 응용으로 집중되었는데, 이 강연은 이러한 방향성과 잘 맞는 강연이었다.

그는 유연 전자소자 자체에 대한 연구를 수행하는 기술 개발자는 아니지만 실제 제작된 소자를 사용하는 소비자의 입장에서 요구 사항과 필요성에 대해서 논의하고 토론하였다. 즉 아래에 나타낸 것과 같이 다양한 분야에서 웨어러블 부착형 소자의 필요성이 크게 대두되고 있다고 강조하였다.

▲ 그림 13. 웨어러블 헬스케어의 가치 및 요구 사항

플렉서블하고 스트레처블(stretchable)한 시스템, 즉 electronics, sensors, microfluidics, 그리고 파워 소스가 집적된 시스템은 개인 의료, 원거리 의료, 그리고 헬스케어 딜리버리 분야에서 큰 영향를 줄 수 있다.

웨어러블이 가능한 퍼스널 헬스 디바이스(personal health devices)

▲ 그림 14. 유연 전자소자 기반 전립선암 검지 센서 시제품

들을 예로 들어보면 blood pressure/pulse monitor, drug delivery systems, telemedical monitor, prostate cancer detection 등이 있을 수 있다.

Truly Flexible Electronics: From Original Science to Proven Industrial Platform and Now Beyond (Intro Mukerjee, FlexEnable)

Platic Logics의 기술과 연구원들을 기반으로 새로 창업한 FlexEnable사의 Intro Mukerjee 사장은 Plastic Logics 시절에는 단지 EPD 연구 개발을 했으나 flexible sensors, smart systems, vido-rate displays로 영역을 확장하고 있었다.

World’s First all-plastic flexible OLED, Flexible OLED thin enough to wrap around a pencil, Development of low-cost mount/demount process, Flexible system-on-plastic, World’s first graphene-based flexible display에 대해 핵심적인 성과를 달성하였다.

▲ 그림 15. FlexEnable 기업의 업무 영역 및 비즈니스 모델 설명

기술 개발과 제조를 분리해서 FlexEnable과 Plastic Logic Germany로 분리하였는데, FlexEnable은 Plastic Logic의 기술직 연구원들로 만들어진 기업이다. FlexEnable은 혁신적인 technology platform을 제공하는 기업으로 FabEnable, ProductEnable, MaterialsEnable 부분으로 나눌 수 있고 각 파트에서 하는 업무는 아래 그림을 통해 볼 수 있다.

Solving Integration Challenges for Flexible Hybrid Electronics (Douglas R. Hackler Sr., American Semiconductor) 

▲ 그림 16. 웨어러블 하이브리드 제조 관련 공정 Flow

American Semiconductor사에서는 Wearable Hybrid Commercial Electronics Manufacturing의 개념에 대해 발표하였다.

아래 그림에서 볼 수 있는 것처럼 IC 제작은 Si process를 따르고, Senor는 프린팅 프로세스를

▲ 그림 17. Silicon-on-Polymer(SoP) 기술 개념도

따라 제작하고 하이브리드 타입

으로 통합되는 과정을 보여주고 있다.

특히 American Semiconductor사에서는 Wearable hybrid system을 위한 IC 제작을 위해 SoP(Silicon-on-Polymer)를 고안하여 제시하였다. SoP는 아래 그림과 같은 방식으로 제작되어 플렉서블 IC 칩(flexible IC chip)으로 활용 가능하였다.

High-Performance Digitally Printed Electronic Systems (Gregogry Whiting, PARC, a Xerox Company)

▲ 그림 18. PARC의 광 및 온도 센서 특성

PARC에서는 wireless sensor systems을 위하여 hybrid(mostly-printed) approach를 통해 temperature and light sensor system을 개발하였다. 개발품에 포함된 Printed sensor의 특징은 아래와 같고, BHJ photosensor와 Thermistor PST sensor를 주로 활용하였다.

Architectural and Other New Applications for Electrophoretic Ink Display Technology (Michael McCreary, E-ink) 

E ink corporation의 CTO인 Michael McCreary는 본 발표에서 Electrophoretic displays의 새로운 응용으로 건축용 color changing films의 콘셉트를 발표하였다. eReader인 Kindle은 계속 발전하고 있어 300ppi resolution, Adaptive Frontlight, Pressure sensitive page-turn buttons, Haptic feedback의 성능이 달성되었다.

▲ 그림 19. E-ink의 건축 자재 활용 예

특히 본 발표에서는 E ink가 건축 자재로 colr changing furnitur, 벽지 등에 활용될 수 있고 시장 형성이 가능하다고 주장하였다. 

E ink 사는 마이크로 캡슐(micro capsule)을 이용한 전기영동 방식 전자 종이 재료업체로서, 현재 시판중인 대부분의 전자종이 제품이 이 기술을 채용하고 있다. 백색도, 대비비가 40%, 10:1 이상으로 높으며, 2004년부터 Sony의 전자책에 채택되어 신뢰성이 검증되었다.

2009년 말에 대만의 PVI사가 전체 지분을 인수하여 자회사화 하였는데, 캐나다 벤쿠버에서 개최된 SID Display week 2013에서 색상에 빨간색, 검정색, 흰색이 가능한 전자종이 ‘Spectra’를 발표하였다. ‘Spectra’는 지금까지의 전자종이와 마찬가지로, 낮은 소비 전력, 높은 콘트라스트, 태양광에서의 가독성을 제공하고 소매점에서 상품 정보 표시 등에 이용할 수 있는 기술이다.

▲ 그림 20. E-ink의 색 가변 가구 예

예를 들면 슈퍼 등에서 흑색과 백색 2색의 상품표시보다 빨강색이 가해진 3색에서 선명한 표시가 구매 의욕을 높힐 수 있다고 판단되며, ‘Spectra’는 먼저 소매점 등의 업무용으로 이용된다고 알려지고 있다. 

이 ‘Spectra’ 기술은 기존의 흑백 전자 종이에 이용되고 있는 마이크로 캡슐 방식에서 진보된 바이코로 컵 방식을 도입한 것으로 멀티컬러가 가능한데 본 발표에서는 이러한 멀티컬러 기술을 기존의 전자종이나 가격표시기에 응용하던 것을 건축자재용으로 응용분야를 확대한 것에 대한 향 후 전망과 시장 진입 계획 등에 대한 것이 주를 이루었다. 

▲ 그림 21. OLED 제작용 기판으로서 종이 Cellulose의 특징

OLEDs on Paper and Plastic for Flexible Displays and Diagnostic Sensors (Andrew Steckl, University of Cincinnati)


종이와 플라스틱 위에 OLED를 제작하는 기술에 대해 신시내티 대학의 앤드류(Andrew) 교수가 발표하였다.

 

Flexible Displays: Technology Innovations, Costs and a $21 Billion Market Opportunity (Charles Annis, IHS Global KK)

▲ 그림 22. EPLaR 기반 플렉서블 AMOLED 제조 공정도


플렉서블 디스플레이를 만드는 대표적인 공정인 EPLaR process를 설명하였다. 가급적 기존의 TFT와 AMOLED 제조 공정과 기술을 공유하는 것이 중요한데, 그래야만 플렉서블 AMOLED의 상용화가 빠르고 쉬울 수 있다고 발표하였다.

▲ 그림 23. 킬러 애플리케이션으로서의 폴더블 디스플레이

PI coat/Cure, TFE(Thin Film Encapsulations), LLO(Laser Lift Off) 기술이 플렉서블 AMOLED 기술의 핵심 기술로 분류되었다. 폴더블 디바이스(Foldable Devices) 중 폴더블 디스플레이(foldable display)가 킬러 애플리케이션이 될 가능성이 높은데, 현재 수준은 r=5mm까지는 개발되었다.

OLED in Printed Electronics (IIaria Grizzi, CDT)

▲ 그림 24. CDT의 full printed OLED 기술 소개

CDT에서는 solution processing, air processing, flexible substrate와 compatible한 OLED, OPD, OSC 소재/공정/소자 기술을 개발하고 있었다.

Unique Flexible eWriter: Technology, Manufacturing, and Applications (Asad Khan, KENT Displays) 

▲ 그림 25. KENT 디스플레이의 부기보드 특성 소개

Kent displays에서는 No power LCD Technology를 이용하여 Reflx을 제작하였고, 이를 이용해서 Boogi Board라는 상품을 출시한다고 발표하였다. 아래와 같은 Boogi board 제품이 올해 크리스마스 시즌에 소매로 판매될 예정이다.

▲ 그림 26. KENT 디스플레이의 부기보드 제품 실례

High Uniformity OTFT’s for Scalable Flexible Display and Electronics Manufacture (Julian Carter, SmartKem Ltd) 

SmartKem은 영국 맨체스터에 있는 유기 반도체(organic semiconductor) 소재를 개발하는 업체인데, 직원이 25~30명 규모이고 2014년 Q4에 설립되었다. SmartKem에서는 small molecule, 반도체 oligomer/ polymer formulation으로 high mobility transistor를 제작하였고, negative bias stress stability가 우수하고 r=1mm 10,000회 bending에서 Ids < 5%, Vth < 500mV의 우수한 특성을 보고하였다.

SmartKem의 기술을 구체적으로 살펴보면 유기반도체 TFT (Organic TFT, OTFT)를 이용하여 디스플레이 백플레인 TFT에 활용하는 것인데 이동도, Vth 안정성, On/Off 비, 가격경쟁력, 공정온도, 유연성 모든 측면에서 OTFT가 특성 향상이 많이 되어 경쟁력이 있다고 판단하고 있었다.

Functionalized polyacene material와 Hole transporting polymer를 섞어 formulation한 잉크인 자체 브랜드tru-FLEX를 이용하여 Corbino 구조의 OTFT를 제작하였는데 이동도 5um2/Vs, sub-threshold slope 0.4V/dec, On/Off ratio >108, threshold voltage ~0V의 우수한 특성을 확보하였다. 그리고 추가적으로 Uniformity 분석, Negative bias stress stability 분석, Ultra-flexible device testing 을 통해 tru-FLEX 잉크가 우수함을 증명하였다.

A Flexible High-Resolution, High Sensitivity Active Pixel Sensor for Digital Radiography Application (Sheng-Po Weng, ITRI)
ITRI에서는 glass line을 flexible thin-film line으로 변경 가능하고 coat-release process로 간단하게 만들 수 있는 FlexUP을 제안하였다.

▲ 그림 27. ITRI의 FlexUp 기술 소개

삼성이나 LG 디스플레이에서 플렉서블 디스플레이 제작에 활용하는 LLO(Laser Lift-Off) 공정과는 차별화 되는 기술로 글래스 상부에 de-bonding layer를 형성하고 그 위에 slot die coating으로 PI 필름을 형성한 후 edge를 커팅하고 적당히 온도를 올리고 chemical로 lift-off 하는 방식을 사용하여 플렉서블 터치 패널, 플렉서블 OLED, 플렉서블 박막 태양전지를 제작하여 시제품으로 선보였고, 특히 본 발표에서는 플렉서블 Digital Radiography 센서를 소개하였다.

현재의 방사선 센서는 글래스 위에 만들어져서 무겁고 딱딱한데 최근에는 안정되고 포터블한 방사선 센서에 대한 요구가 크게 증대하고 있어 제품 개발의 필요성이 높아지고 있다.

적용한 구조는 플라스틱 PI 기판 위에 TFT를 만들고 horizontal electric field를 위해 ITO를 패턴하고 vertical electric field를 위해 hole blocking layer를 상부에 두층 형성하였고 그 사이에 a-Se를 삽입하였다. 상부 hole blocking layer 위에는 PEDOT과 Phosphor 층을 형성하여 방사선 센서를 제작하였다.

플렉서블 방사선 센서는 2cm 곡률반경까지 10,000회 폴딩 되어도 crack 발생이나 peel-off가 발생하지 않았고, on/off ratio가 6x105으로 여전히 높은 값을 보여 주어 플렉서블/폴더블 환경에서 사용이 가능한 것으로 판단된다.

Developments in Nano & Bio Related Devices (Janos Veres, PARC, a Xerox Company)

▲ 그림 28. Printed Electronics의 다양한 빌딩 블록 예시

두 번째 강연은 PARC의 Janos Veres가 하였는데, 제록스 연구소의 전체적인 나노-바이오 관련 연구를 소개하였으며, 특히 이미 제록스가 확보하고 있는 다양한 헬스케어 관련 기술들에 대해서 설명하였다.

이러한 헬스케어 기술은 군용 장비 및 시스템에도 요구되고 있으며, 이를 실제 접목하여 구현하기 위한 지속적인 노력에 대해서 발표하였다.

Flexible Hybrid Electronics Solutions for Wearable Sensor Systems (Rich Chaney, American Semiconductor)

▲ 그림 29. FHS(Flexible Hybrid System)의 개념도

FHS(Flexible Hybrid System)의 콘셉트에 대해 설명하였다. American Semiconductor에서는 유연 전자소자의 경우 IC 칩, 통신 칩, 신호 처리 칩 등은 플라스틱 기판에 인쇄 공정 기술로 제작이 어려우므로 당분간은 FHS(Flexible Hybrid Electronics System) 콘셉트로 진행될 것이라는 것을 주장하며 아래와 같은 개념도를 소개하였다.

참가 후기 및 결론

2015 FLEX, Flexible & Printed Electronics Conference & Exhibition 학회는 플렉서블 일렉트로닉스 및 프린팅 기술에 관한 소재/소자/장비/제품 관련 세계 최고 수준의 전문 분야 학회였고, 올해로 14회째를 맞이하였다.

참석자는 전년도와 비슷하게 약 500여 명이 참여하였고, 올해는 특히 flexible & printed electronics의 상용화 시기가 다가옴에 따라 “Bringing Technology & Products to Market”이라는 슬로건 하에 산학연의 많은 참여와 관심이 높았다.

본 학회 및 전시회는 세계적으로 flexible & printed electronics 분야에서 가장 전문적이고 규모가 큰 행사로 전 세계적으로 이 기술이 상용화에 근접함에 따라 관심이 증대되고 있는 기술 분야이긴 하지만, 수년간의 연구 개발에도 아직까지 킬러 애플리케이션을 발굴하지 못해 어려움을 겪고 있는 분위기를 느낄 수 있었다.

Flextech Alliance 주최사의 특성상 기업의 상용화에 관련된 것이 주를 이루었는데, 특히 인쇄전자 기술을 기존 응용 제품에 접목하려는 중소 규모의 업체 위주의 행사가 되어 한국/일본/대만/중국 등 디스플레이나 반도체 등을 대량 양산하고 있는 메이저 기업들의 참여는 미흡하였다.

지난 10년에 걸친 기술 개발에도 유연 인쇄전자 기술이 디스플레이나 반도체 메모리 등 시스템 제품의 생산에는 아직도 만족할 만한 성능을 내지 못하고 있다는 것을 반증하는 것이라 생각된다. 따라서 아직 인쇄전자 기술이 해결해야 할 기술적인 문제들이 산적해 있고, 어느 수준까지 인쇄 기술로 극복 가능한지에 대한 기술 분석도 추가적으로 더 진행되어야 할 것이다. 

인쇄전자 기술을 아이디어 상품의 일부 공정(예 단일 층 금속 배선 형성 등)에 적용하여 저가화하는 시도들이 미국/유럽 등에서 많이 시도되고 있었는데, 이는 창의적이고 모험적인 접근을 중요시하는 이들의 연구/개발 문화와도 깊은 관련이 있는 것으로 보이며 국내에서도 보다 더 적극적인 모험적인 연구 개발에 대한 지원이 필요하다고 판단된다.

하지만 기술 개발이 조금 더 진행되고 기술적 장벽을 와해하는 break through 기술이 개발된다면 중소기업 위주의 많은 기업들이 이 분야에서 기술 개발과 상용화에 매진하고 있어 현 정부의 창조경제 실현에도 큰 역할 수행이 가능한 기술 분야로 판단된다. 



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