TFT-LCD용 차세대 잉크젯 공법

디스플레이 산업의 개요디스플레이는 정보화 시대 및 멀티미디어 시대에 필수적이다. 디스플레이 산업은 LCD, PDP, OLED 등의 디스플레이모듈 제조 산업을 비롯하여, 이의 전방산업인 TV, 노트북, PC 모니터, PDA, 휴대전화 등과 함께, 후방산업인 부품소재 및 제조장비 등의 산업계를 총괄 포함하고 있다. 디스플레이 산업의 특징은 응용제품의 다양성으로 신규시장 창출이 광범위한 산업이고, 대규모 투자가 요구되는 반면, 산업 전후방산업에 미치는 영향력이 매우 큰 산업으로서 우리나라 경제를 견인할 10대 성장동력 사업으로 꼽히고 있다. 최근 평판 디스플레이(FPD, Flat Panel Display)의 비약적인 발전에 힘입어 디스플레이산업의 시장규모는 반도체산업의 시장규모를 추월하는 성장을 보이고 있다.디스플레이의 발전동향을 보면, 경량화, 슬림화, 대형화를 추구하던 1세대에서는 CRT와 FPD가 함께 주축을 이루면서 TV, 데스크톱 모니터, 노트북, PC 모니터 등의 제품이 주축을 이루었다. 2세대에서는 계속 포터블화, 초경량화, 3세대에서는 가상현실화 등의 방향으로 발전하고 있다.한편 평판 디스플레이는 대화면의 물결이 강하게 일어나고 있으며, 최종 목표인 벽걸이 HDTV를 실현하기 위해 LCD, PDP, OLED 등의 패널 방식이 서로 경합을 벌이고 있다. 이 중 LCD는 완성도가 높은 평판 패널로서 PC모니터 및 노트북을 위주로 하여 시장을 급격히 확대시켜 왔다. 전체적인 FPD 시장을 보면, 2004년에 600억 달러를 기록하였고 2010년에 1,000억 불을 예상하고 있어 년 평균 10%의 신장율을 예상하고 있다. LCD의 FPD 시장에서의 역할을 보면, 2004년에 이미 480억 달러(1.3억대)을 달성하였으며, 2010년에는 약 800억 달러를 예상(3.4억대) 하고 있어, LCD의 점유율은 FPD시장에서 이미 80%를 차지하고 있으며, 이를 계속 유지하려는 노력이 진행되고 있다. 한편 TV 시장에서는 아직 CRT가 독주하고 있으나, LCD, PDP, 프로젝션 등의 FPD가 시장 경쟁을 위하여 본격적인 준비하고 있다.TV 시장은 2005년에 1.8억대(총1000억 달러)의 판매를 달성하였고, 2007년에는 2.1억대를 예상하고 있다. TV 시장의 점유율을 보면, 2005년을 기준으로 CRT가 86%를 차지하여 아직까지는 건재함을 보이고 있고, 이에 비하여 PFD의 점유율은 총 14%로서 LCD가 6%, PDP가 3.5%, 프로젝션이 4.5%의 비중을 차지하고 있다. 그러나 업계에서는 야심만만하게 2010년에 LCD가 TV시장에서 전체의 40%를 차지하겠다는 목표와 이를 실천할 강한 의지를 보이고 있다.TFT-LCD의 작동원리 및 구조TFT-LCD는 컬러필터 기판과 TFT기판 사이에 액정이 채워져 있는 구조로 되어 있다. 한 픽셀은 RGB 세 개의 서브 픽셀로 구성되어 있고, 픽셀 수에 따라 해상도(SVGA, XGA 등)가 결정된다. 유리판의 내면에는 각각 나타내고자 하는 상을 표시하기 위한 전극이 형성되어 있고, 이들 전극들은 외부단자에 전기적으로 접속되어 있다. 그림 1과 같이, TFT 기판은 화상신호를 전달하는 데이터 선이 화상신호를 필요한 시기에만 on/off하는 게이트 선이 메트릭스로 배열되어 있다. 서브 픽셀 각각에 위치한 TFT는 픽셀 전극과 컬러필터의 공통전극 사이의 액정에 인가되는 전압의 크기를 조절한다. 이러한 인가전압의 변화는 배향된 액정분자의 방향이 변화시킨다. 또한 편광판에 의해 편광된 빛은 액정분자의 방향에 따라 투과율이 변화되어 화상이 구현된다. 디스플레이에 요구되는 표시성능에는 높은 콘트라스트(Contrast) 비, 고휘도, 고해상도, 색표시성, 고속응답성, 광시야각 등이 있다.TFT-LCD 는 그림 1과 같이 크게 3개의 Unit으로 나눌 수 있다. 첫째, 기판과 기판 사이에 액정이 주입된 패널; 둘째, 패널을 구동하기 위한 드라이버 LSI 및 각종 회로 소자가 부착된 PCB(Printed Circuit board)를 포함한 구동 회로부; 셋째, 백라이트를 포함한 구조물로 나눌 수 있다. 이들로 구성된 조립품들을 통상적으로 TFT-LCD 모듈이라고 한다. TFT-LCD 모듈은 노트북 PC, TV, 모니터, 멀티비전과 같은 시스템에서 디스플레이 기능을 담당하는 하나의 서브 시스템으로서 아래와 같은 구성과 기능을 가진다.1) 패널: 백라이트 유닛에서 입사된 백색 평면관을 구동 회로 유닛으로부터 입력된 개별 화소의 신호전압에 따라 화소에 투과되는 빛을 제어하여 컬러 영상을 표현하는 역할을 한다.2) 블랙 매트릭스: 컬러필터의 픽셀 사이에 형성되어 RGB 각 화소에서 나온 빛들이 서로 간섭을 하지 않도록 차단해주고 외부에서 들어온 빛이 반사되지 않도록 흡수하는 역할을 한다.3) 컬러필터: 세 가지 기본색(R,G,B)의 염료나 안료를 포함하는 수지 필름으로서 결국 액정을 통과한 빛이 색깔을 갖도록 하는 역할을 한다.TFT-LCD의 제조원가는 디지털 HDTV용 TFT-LCD 30"~40"급 기준으로 보면 가까운 장래에 인치당 10달러 이하로 설정되어야 할 것이고, 이를 위하여 업계에서는 잉크젯(Inkjet) 관련 핵심 재료/장비 및 공정기술이 개발 되어야 한다고 의견을 모으고 있다. 이와 관련하여 TFT-LCD 업계에서는 컬러필터를 최우선적으로 잉크젯 기법으로 제조하고자 하는 움직임이 활발하다.그림 2에서와 같이, 기존의 상업적인 컬러필터 생산방식은 ‘포토리소그래피 (photolithography) 공정’으로 유리기판 소재 표면에 B/M 패턴을 만들고 다시 ‘포토리소그래피공정’으로 RGB 색상의 필터 부분을 제작하는 방식으로 이루어진다. 포토리소그래피 공정은 B/M 및 컬러필터 포토레지스터를 도포한 후에 노광 및 현상과 세정공정을 이용해서 유리 소재표면에 B/M 패턴과 RGB 패턴을 만드는 공정에 사용된다. 뱅크 형태의 B/M 패턴은 RGB 색상의 혼합 및 간섭을 방지하여 삼원색인 RGB 색상을 뚜렷하게 한다. 이상과 같이, 유리소재 표면에 감광막을 입히고 패턴을 만드는 약 20단계의 과정이 복잡하면서 비용과 환경 부담이 매우 큰 것이 사실이다. 이런 이유 때문에 많은 연구자들은 스핀코팅이나 잉크젯 프린팅처럼 단순한 공정으로도 컬러필터를 제조할 수 있기를 바라고 있다. 이상의 잉크젯 방식은 표면세정, 프린팅, 열처리의 3단계 공정으로 단순화시킴으로써 에너지 소비 및 공정 시간을 대폭 단축시켜서, 결국 TFT-LCD 제품의 생산 단가를 낮출 수 있을 것으로 기대하고 있다.잉크젯 공법의 개요잉크젯 기술은 그림 3 과 같이, 미세노즐을 통해 용액이나 현탁액을 수~수십 ρℓ(pico liter)의 방울로 분사하는 매우 유용한 비접촉식 패터닝 기술이다.디스플레이 분야는 반도체 분야와는 달리 수십 마이크론 크기의 비교적 큰 패턴을 형성하는 경우가 많이 있어 다른 어느 분야보다도 잉크젯 인쇄 공정을 사용할 가능성이 높다. 최근 잉크젯 기술은 PDP, LCD, OLED 등과 같은 디스플레이 분야에서 컬러필터 및 전극형성을 비롯하여 기타의 소재부품 제조 공정에 이용하려는 움직임이 활발히 진행되고 있다. 잉크젯 기술은 포토리소그라피 방법과 스크린 프린팅 방법에 비교하여 다음과 같은 이점이 있다. [1-4](1) 미세라인 형성을 위한 마스크가 필요 없다.(2) 인쇄할 기판의 크기에 영향을 받지 않는다.(3) 인쇄 시간이 짧으며 공정이 간단하다.(4) 폐기물 발생이 거의 없는 친환경적 공정이며 재료의 소모가 적다.잉크젯 기술의 현 위치는 수십 ㎛ 선 폭의 라인을 형성하는 기술로 이용되었던 스크린 프린팅 방법과, 또한 작은 선 폭을 가능하게 하는 포토리소그라피 방법과 비교하면, 제조 단가와 해상도 측면에서 이들의 사이에 들며 나노와 마이크로 분야의 교량 역할을 할 것으로 크게 기대됨과 동시에 부분적으로 이들 기술을 대체할 수 있을 것으로 예상된다.잉크젯 공법에 의한 컬러필터 제조현재 TFT-LCD 컬러필터는 포토리소그라피 방법에 의하여 제조하여 사용하고 있지만, 업계에서는 디스플레이의 단가를 낮추기 위하여 잉크젯 기술의 적용대상으로 강력하게 추진 중이고, 국내의 대기업과 일본의 샤프사는 올해 중으로 잉크젯 공법으로 제조한 컬러필터를 장착한 TFT-LCD를 생산할 계획이다. 컬러필터의 제조 방식에는 3색 발광법, 백색법, 색변화법 등 3가지가 있다.3색 발광법의 경우 OLED에서 사용하고 있으며 RGB가 자체 발광하여 발광효율은 높지만 생산단가가 높다. 백색법의 경우 백색 면광원을 컬러필터를 통하여 RGB를 구현하는 방식으로 백색법에 의한 RGB를 구현하는 방식은 LCD에서 가장 많이 채용하는 방식이고, 경우에 따라서는 OLED분야에서도 백색법을 채용할 가능성이 높다. 한편, 백색법의 다른 대안으로 청색광원을 사용하여 컬러필터에 의한 RGB 색상을 구현하는 색변화법도 예상할 수 있지만, 이 경우는 색변화를 시켜줄 컬러필터의 물질개발이 선행되어야 한다.잉크젯방법으로 컬러필터를 제조하기 위해서는 먼저 잉크의 조성물 중 착색제, 결합제 수지, 그리고 정압에서 비점이 약 245°C 이상인 고비점 용매를 사용한다. 수지 조성물로부터 컬러필터는 수지 조성물을 잉크젯 헤드로부터 B/M뱅크가 그 위에 형성된 투명한 기판표면 위의 투광영역(서브 셀)으로 배출시켜 뱅크에 의해 한정되는 투광영역에 수지 조성물을 저장하고, 투광영역에 저장된 수지 조성물을 건조시켜 화소 패턴을 형성한다[3].한편, 컬러필터의 투과율은 크게 RGB 안료입자의 분산도와 안료의 크기에 영향을 받는다. 안료입자의 분산 정도에 따라 투과율에 영향을 주게 되므로, 분산성 향상을 위한 방안으로서, 안료 페이스트(paste)를 이용한 플러싱(flushing) 방법, 바인더의 설계(block-graft 중합체), 분산제(계면활성제) 등 첨가제를 이용하는 방법 등을 이용하여 안료의 분산성 향상을 꾀하고 있다. 분산된 안료 입자크기를 변화에 따라 투과율을 검증해본 결과 안료입자는 100nm 이하로 제어되면 좋다는 보고가 있다.포토리소그래피 공정을 잉크젯 공법으로 대체하려는 공정개발은 잉크젯 프린팅 방식에 의한 컬러필터 공정기술 개발을 필두로 하여 TFT-LCD 모듈 부품을 모두 개선대상으로 삼고 있다고 해도 과언이 아니다. 즉 비 스퍼팅(Non sputtering) 배선 기술 개발, 비접촉식 배향막 주입 및 배향 공정기술 개발 등을 대상으로 잉크젯 공법을 적용하려는 연구개발이 진행되고 있고 관련업계 연구자들은 기술의 해결을 위하여 혼신의 노력을 기울이고 있다.전자부품 제조에서 잉크젯 공법의 고려사항잉크젯 기술의 한계를 극복하기 위해서는 잉크의 분사성, 잉크젯 장비의 한계성, 잉크와 기판과의 계면특성 등에 대하여 고려하여야 한다[1-12]. 잉크젯 기술은 수 마이크로미터의 미세한 패턴을 형성하기에는 적합하지 않다. 현재 OA용 프린터용으로서는 20μm 이하의 크기로 프린팅이 가능하지만, 양산을 위한 산업용 패터닝 공정용으로서는 50μm 이하의 패턴을 형성하기에는 몇 가지 어려운 문제들이 있다.첫째, 잉크젯에 의해 원활히 분사가 될 수 있는 잉크의 분사성을 확보하는 것이 무엇보다 중요하다. 잉크젯 패턴 형성의 어려움은 대부분 잉크물질의 한계에 기인한다. 즉 도포물질의 입자크기, 용제, 분산제 등의 첨가물 및 잉크의 점도, 표면장력 등 제반 물리화학적 물성에 따라 기판 위의 패턴형성의 양상이 크게 변하기 때문이다.실례로 잉크의 분사성 확보를 위한 레올로지 제어가 선행되어야 한다. 그리고, 용매증발에 의한 노즐 막힘, 분사성의 불균일에 의한 탄도변화 등은 상당한 패턴닝 오차를 유발할 수 있다. 이때 생성되는 액적의 크기도 패터닝 특성에 매우 깊은 관계를 가지고 있고, 이는 잉크의 분산매, 헤드의 직경과 분사속도(frequency)이다. 예를 들면, 잉크액적의 크기가 10μm이하이면 표면 에너지가 커져, 잉크 액적이 비산되어 적절한 탄착군을 형성하기 어려우며, 반대로 100μm 이상이면 운동 에너지가 커져 기판 상에 충돌하면 비산성이 커져 크기분포가 크고 위치제어가 되지 않은 액적이 생기므로, 패터닝 특성은 매우 나빠진다고 보고하고 있다.더욱 잉크의 분사특성과 잉크의 유변 특성과의 관계를 검토하고자 한다. 잉크의 분사특성에 영향을 주는 큰 인자는 유변 특성 중 동점도(dynamic viscosity)이다. 잉크의 유변 특성은 잉크의 분산안정성이 크게 좌우하며, 잉크의 고형분 농도, 잉크의 구성 성분인 바인더의 분자량은 분사 후 생기는 꼬리와 같은 리거먼트(ligament)의 길이, 혹은 드롭 스피드(frequency)에 깊이 관여한다.예를 들면, 잉크의 점도가 같은 경우, 사용되는 바인더의 분자량이 큰 경우에는 리거먼트가 감소하고, 이로 인하여 새털라이트(satellite)의 양이 줄어들어 깨끗한 이미지를 얻을 수 있으나, 잉크의 분사속도는 감소한다. 이는 분자량이 큰 고분자의 경우 엔탠글(entangle), 또는 리코일(recoil) 현상이 강해져, 원래 방울로 돌아오려는 점탄성의 성질이 강해지기 때문이다. 따라서, 잉크의 분사특성은 잉크의 유변학적 특성과 잉크의 조성에 매우 밀접한 관계를 가지고 있음을 알 수 있었다. 즉, 잉크의 유변학적 특성은 입자 분산안정성에 영향을 주는 잉크의 조성 즉, 잉크의 농도와 바인더의 분자량, 잉크 고형분의 크기 및 농도 등이다. 또한, 고형분의 농도는 인쇄 이미지 및 분사된 입자의 패킹에 영향을 주므로 매우 중요한 인자이다.둘째, 잉크젯 패터닝 기술의 한계는 패턴의 위치정밀도를 결정짓는 장비 관련 사항이다. 이는 잉크 액적의 도포안정성과 더불어 스테이지 정밀도 등에 의해 변하게 된다. 실용 수준에서 잉크젯 장비의 스테이지 이동 오차는 약 10μm, 탄도가 변하는 오차는 약 5 μm전후, 기타 얼라인 공차, 블랭크(blank) 형성 오차, 노즐크기 오차 요인 등을 감안하면 통상 10~15μm의 패턴닝 오차를 가지고 있다고 볼 수 있다(그림 4 참조). 따라서, 20μm 이하의 패터닝은 실용적으로 어려우며, 30~60μm 패터닝도 상당히 고도의 잉크젯 공정, 잉크 재료, 장비관리 등을 요구한다[2].셋째, 인쇄하고자 하는 기판과의 잉크의 계면특성의 변화에 의해 인쇄 패턴의 양상이나 균일성이 크게 바뀌게 된다. 예를 들어, 수계 잉크를 이용할 경우 잉크의 젖음성 특성을 보면 소수성 표면에는 라인을 형성할 수 없고 도트(dot) 형상만을 형성할 수 있다. 이 때 라인을 형성하고자 하면 잉크와 기판 표면의 젖음성을 개선해 주어야 한다.결국 이상의 잉크젯 기술의 한계점을 검토한 결과, 이를 극복하기 위해서는 잉크의 레올로지 제어 및 기판의 젖음성 제어와 함께 잉크젯 헤드관련 장비와 함께 연구개발이 병행되면, 잉크젯 기술의 한계를 극복하는데 시너지적 효과를 거둘 수 있을 것이다.맺음말국내 디스플레이 산업은 전후방산업의 효과가 매우 큰 산업으로 정부가 선정한 차세대 경제신성장동력원으로서 장기적으로 한국을 먹여 살릴 ‘캐시카우(Cash Cow)’임이 틀림이 없다. 그럼에도 불구하고 우리에게는 “디스플레이산업 지금이 위기인가? 아니면 기회인가?”라는 자문이 심심치 않다. 위기라면 무엇이 위기이고, 기회라면 무엇이 기회일까? 내용은 어떻게 보아도 우리가 디스플레이 강국을 계속 유지하려는데 앞으로 대비해야 할 일이 무엇인가라는 것으로 귀착된다고 볼 수 있다. 먼저 이런 기회를 빌어 우리의 디스플레이 산업을 세계 최고의 자리에 올려놓은 관련 업계 분들의 노고에 감사드린다. 앞으로 계속적으로 질적, 양적 성장에 의해 진정한 디스플레이 강국을 유지해 줄 수 있는 원동력을 생각한다면, 지금부터는 산업적 파급효과가 큰 미래의 디스플레이 기술개발에 장기적인 안목을 가지고 산학연이 결속하여 투자와 연구를 집중하는 것이 좋은 대안이라고 피력하고 싶다. 잉크젯 기술은 OA용 잉크젯 인쇄기술을 발판으로 평판 디스플레이 등의 여러 산업계에 응용범위를 넓혀갈 것으로 기대하고 있다. 잉크젯 공법을 이용한 디스플레이 부품의 대형화 및 저가격화를 위하여 잉크젯 관계자들은 많은 노력을 하고 있고, 급속한 기술의 발전으로 많은 문제들이 빠른 속도로 해결되어가고 있다.잉크젯 기술의 조기 실용화를 위해서는 잉크소재합성 및 설계기술, 헤드설계기술, 공정적용기술 개발이 동시에 협력하여 진행되어야 할 것으로 생각되며, 이를 위해서는 디스플레이 제조업체와 장비 업체, 그리고 소재 관련 산학연 간에 보다 긴밀한 협력체계가 형성되어야 할 것이다.감사의 글이 연구논문은 산업자원부 21세기 프론티어연구개발사업인 차세대 정보 디스플레이 기술개발사업단의 연구비지원으로 수행되었습니다. 또한 박한성씨, 변종훈씨, 이영호씨를 비롯하여 본 연구에 헌신적으로 도움을 주셨던 모든 분들께 깊이 감사드립니다.참고문헌[1] M. 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김가희 (webmaster@techworld.co.kr)

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