PDP 핵심소재 연구개발 동향 및 친환경·저가화 전략
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PDP 핵심소재 연구개발 동향 및 친환경·저가화 전략
  • 김의겸
  • 승인 2007.07.03 00:00
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PDP
서론PDP 수급전망우리나라 차세대 성장동력 산업군의 하나인 디스플레이 산업은 다기능화, 대면적화, 저가격화, 친환경화를 이뤄야만 국제 경쟁력을 가질 수 있다. 국제 경쟁력을 가지면 국내산업의 활성화를 가져올 수 있는데도 불구하고 그에 필요한 소재산업은 크게 발달되지 못했다. 그 이유는 핵심소재의 상당 부분을 아직도 기술선진국인 일본에 수입 의존하고 있기 때문이다.디스플레이 산업 중에서 그 수요가 가장 큰 것은 LCD이지만 40인치 이상의 대면적에서는 PDP가 그 주류를 이루고 있다. PDP 세계시장을 보면 그림 1과 같이 2006년도에 600만대(14조원)에서 20%이상 성장을 계속하여 2010년에 수요가 2,200만 대로 전망되고 있다. 40인치 이상의 경우는 표 1에서처럼 전체 TV시장의 1.5%이던 것이 2006년에 8.4%, 2008년에는 12.5%가 수급될 전망이다. 이는 40인치 이상 TV수요의 7.5%에 해당한다.PDP 생산업체별로 보면 ’06년 1, 2분기에 세계 전체 생산은 40~49인치 PDP가 77.7%로 주류를 이루고 있고, 그 이상의 크기인 50~59인치도 17.6%나 되고 있다. 30~39인치 디스플레이는 국내생산은 없고 일본의 마츠시다나 FHP가 생산판매하고 있다. 향후 LGE가 32인치를 LCD보다 저가로 판매할 계획을 발표한 바 있다. PDP를 생산하는 우리나라 기업으로는 삼성SDI와 LGE가 있는데 LGE는 표 2에서와 같이 세계 출하량의 31.9%를, 삼성은 24.5%마츠시다는 28.6%를 출하하고 있음을 알 수 있다. 중장기 전망(표 3 참조)을 보면 2006년에 13,992천대 생산 능력에서 2010년에는 약 3.6배가 증가한 49,920천대(수요량의 2배 이상)의 생산 능력을 갖게 되는 것을 알 수 있다.현재 국내의 PDP 생산은 일본과 함께 세계적으로 선두 그룹에 있고 모듈은 국내생산이 57% 이상으로 세계 1위이나 PDP 구성소재는 아직도 상당부분 수입하고 있고 품질수준 또한 일본에 비해 낮은 편이다. 그런데도 PDP 전망이나 생산능력으로 보아 향후 세계시장에서 1위를 계속 차지할 것으로 전망된다. 하지만 PDP의 핵심 소재를 수입 가공하여 판매하게 된다면 경쟁력이 낮을 것으로 예측되므로 이에 대한 현황 및 개발동향을 전망해보고자 한다.PDP 소재의 중요성앞에서 언급한 바와 같이 PDP는 현재도 향후에도 세계 1위를 차지할 것으로 전망되나 ’07년 6월 현재에도 상당부분 부품과 소재를 수입하고 있으므로 이에 대한 정확한 이해를 돕고자 PDP핵심 소재는 어떠한 것이 있고, 그 개발 동향은 어떠한가에 대해 언급하고자 한다.PDP용 소재가 PDP 전체 가격에 미치는 영향을 보면 그림 2에서 보는 바와 같이 42인치 HD에서 소재가 차지하는 비율이 40% 이상(페이스트, 형광체, 기판, 기타)으로 핵심적인 역할을 담당하는 것을 확인할 수가 있다. 이러한 핵심소재는 그림 3에서 보는 바와 같이 PDP 구성 전체를 소재가 담당, 즉 유리기판, 투명전극, 버스/어드레스 전극, 스트라이프, 스페이서, 투명/백색 유전체(transparent/white dielectric layer), 배리어립, 고휘도 형광체, 전면 필터 등으로 PDP 전체라고 해도 과언이 아니다. 이들 구성물 등이 차지하는 비중을 가격적인 측면에서 검토해보면 그림 4에처럼 전면필터, 전극, 기판이 89%정도이고 나머지 유전체, 형광체, 보호막, 실링재 등이 10% 정도를 차지한다. 따라서 PDP 핵심소재에 대한 원천기술 확보와 소재를 자급자족 했을 때 명실공히 PDP 세계 1위국임을 내세울 수 있을 것이다.PDP 핵심소재 연구개발 동향PDP핵심소재로는 기판부터 내부의 격벽, 유전체, 전극, 보호막, 전도막, 형광체, 실링재, 그리고 외부에 광학필터 등이 있다.핵심소재 기술개발 동향① 유리 기판○ 현재 국내 PDP에서 사용하고 있는 유리(PD-200)는 성분적으로 SiO2-B2O3-RO(R=Sr, Ba, Mg, Ca)-R2O(R=K, Na)로 구성되어 있어 높은 고왜점과 내알카리성 특성을 갖는 반면에 용융시 점도가 높고 용융온도 또한 소다라임 유리(SiO2-CaO-Na2O)보다 높아 고가이다.○ PD-200은 일본의 아사히 유리가 PDP 전용유리로 개발하여 전세계적으로 대부분을 공급하고 있으며 뒤이어 NEG가 일본시장의 5% 정도를 점유하고 있다. 이 외에 NSG, Saint Gobain, Central Glass 등의 회사가 생산 판매를 함으로서 고왜점 유리 분야에서도 시장경쟁 체제로 진입하고 있다.○ 국내에서는 소다라임 유리(판유리) 제조업체인 KCC와 한국유리가 자체개발 또는 외국 업체와 합작으로 고왜점 유리를 개발하고 있다.○ 연구개발 동향을 보면 대화면화와 8면취 등을 행할 수 있게끔 저가격으로 유연화 및 경량화된 기판유리를 개발하고 있고 저가의 소다라임 유리를 기판으로 사용하려는 연구도 진행되고 있다.② 투명 전극(sustain전극)○ 투명전극으로서는 ITO가 주로 사용되고 있으며, 막의 형성은 ITO 타깃을 스퍼터(sputter)하여 형성하고 있는데, 요구특성은 고투과율을 가지면서 저항이 낮아야 하고 그림 5와 같이 막 형성 후는 전극과의 밀착성과 균일성이 우수해야 한다.○ ITO는 인듐(In)을 주성분(약 90~95%)으로 하고 있기 때문에 고갈이 우려되며, 고가이다. 따라서 이를 대체할만한 투명전극재료에 대한 연구개발이 표 4에서와 같이 활발히 이루어지고 있다.ZnO막, Sb doped SnO2막 또는 CdSnO막 등이 검토 중에 있으나 ITO성능을 능가하는 재료는 아직 개발되지 못하고 있다.③ 버스/어드레스 전극○ 버스 및 어드레스 전극은 전도성 금속분말, Vehicle, 유리프리트로 구성되어 있는데, 국내의 경우 전도성 금속 소재로는 은(Ag)이, vehicle로는 감광성 polymer가, 유리프리트로는 PbO를 주성분으로 한 PbO-B2O3-SiO2계가, 흑색안료로는 Co3O4, RuO2가 주로 사용되고 있고, 일본의 경우는 Cr/Cu/Cr, Cr/Al/Cr 등을 이용한 막을 주로 사용하고 있다.○ 전극특성을 나타내기 위한 요구특성은 저저항화, open/shot 방지를 위한 선폭/간격, 조절이 용이하게끔 쉬운 패터닝 특성을 나타내야하며 유리기판, 유전체와 매칭 특성이 우수해야 한다○ 삼성SDI, LGE는 현재 페이스트 상태로 사용하고 있으나 최근 감광성 그린시트 전극을 동진쎄미켐, 제일모직 등에서 개발하고 있다.○ 일본의 NEC나 파이오니아의 경우 소재업체인 JSR(Japan Synthetic Rubber)과 공동으로 새로운 소재 및 공정을 개발하여 일부 신설 라인에 적용하고 있으며, 또한 페이스트를 그린시트로 대체하기 위해 개발하고 있다.○ 전극과 투명전극사이에 황변현상(2Ag++Sn2→2Ag+Sn4+)으로 은(Ag)이 마이그레이션되어 투과율을 저하시키기 때문에 이에 대한 연구도 진행되고 있다.○ 전극 재료의 저가화로 고가의 은을 저가화 할 수 있는 은, 또는 저가 금속 형태에 대해서도 개발 중에 있다.④ 투명 유전체○ 투명 유전체 구성소재는 PbO-B2O3-SiO2계 저융점 유리프리트, 필러(Al2O3) 및 유기 매개물(EC, Terpineol, BCA)로 되어 있다.○ 투명유전체는 가시광투과율이 80% 이상이어야 하고, 기포가 적어야 하며, (빈도 0.03nm/nm2) 높은 절연파괴 강도(내전압 9kW이상)를 가져야 하며 유전율은 8이하(PbO계)여야 한다. 사용형태는 통상적으로 페이스트상태였는데, 최근에 42인치 이상 대면적화 되면서 그린시트로 사용하려고 개발하고 있으며, 국내에서 상당부분 생산하고 있다.○ 저융점 유리 분말로는 PbO 함유 유리 프리트가 대부분 사용되고 있으나 최근 환경오염문제가 있어, PbO대신 Bi2O3계를 중심으로 PbO free 프리트를 개발하고 있고, 또한 소다라임 유리기판 사용에 대비해 현재 사용온도보다 60℃이하인 PbO free 프리트를 개발하고 있다.○ AGC, 노리타케 등은 Bi2O3계, B2O3계 무연 제품을 개발하여 국내에 판매하고 있다.⑤ 백색 유전체○ 형광체에서 발생하는 가시광선을 정면으로 반사시키기 위해 백색 재료를 선호하는 유전체로서 가시광의 반사율이 70% 이상이어야 한다.○ 구성은 PbO-B2O3-SiO2계를 주로 하는 유리 프리트, 필러(TiO2)및 유기 vehicle(셀룰로오스계 폴리머 또는 EC, Terpineol, BCA, BHT)로 구성되어 있다.○ 개발동향은 현재 PbO를 포함하는 유리 프리트 조성을 PbO-free 조성으로 대체하는 기술과 통상 사용되었던 페이스트를 시트로 대체하는 기술을 개발하고 있다.○ 국외에서는 PbO계를 대체하는 조성으로 Bi2O3 또는 B2O3계로 무연화시켜 국내에 판매하고 있다.⑥ 격벽재○ 격벽은 PDP 배면의 중요한 소재로서 유리프리트, 유기 매개물(Acrylic resin, 셀룰로오스계 폴리머, 또는 EC, Terpineol, MEK, EA, Toluene, 가소재, 분산제), 필러(Al2O3), 안료로 구성되어 있다. 유리프리트의 경우 에칭용은 PbO-B2O3-SiO2계가 주로 사용되고 있다○ 격벽용 유리프리트의 경우 PbO 대체조성으로 Bi2O3계, B2O3-ZnO계가 매개물의 경우 감광성을 갖는 소재가 개발되고 있다.○ 요구특성으로는 치수의 균일성, 높은 외형비율, 충분한 기계적 강도, 고반사율, 유전체와 매칭 및 쉬운 패터닝 성질(선폭/탭 조절용이)을 갖추어야 하며, 또한 외관의 결함은 롤당 5개 이하여야 하며, 그린시트 잔류용제량이 0.8 이하여야 한다.○ 격벽은 배면의 유리기판위에 200~300㎛마다 반복되는 높이 약 150㎛로 격벽을 형성하여 형광체를 감지하고 있다.○ PDP의 효율 및 해상도 향상을 위한 구조로는 그림 7에서 나타낸 바와 같이 현재의 스트라이프 타입에서 well이나 와플 타입으로 변경하려는 노력이 진행되고 있고, 또한 대면적의 경우 격벽형성 공정으로 잉크젯 방법도 개발되고 있다.⑦ 실링재○ 실링재의 구성은 유리프리트, 필러, 유기 매개물, 안료로 구성되어 있는데 유리프리트는 PbO함량이 매우 높은 PbO-B2O3계가, 필러는 PbTiO3가, 유기매개물은 NC, Terpineol, BCA가, 안료로는 Co3O4등이 사용된다.○ 국내에서는 이그잭스, 세라에서 일부 개발하여 사용 중인데, 이그잭스의 경우 유리프리트는 일본 등에서 수입하여 페이스트 상태로 판매하고 있고 세라는 유리프리트를 자체 생산하여 페이스트상태로 판매하고 있다.○ 실링재는 낮은 온도에서 유리기판과 젖음성(부착성)이 양호해야 하고, 실링했을 때 도포폭과 높이가 균일해야 하며 응력도 적어야 한다. 그렇기 때문에 PbO의 함량이 가장 높은 조성계를 사용하므로 친환경화가 이루어져야 한다.○ 최근 개발동향을 보면 2000년 이후 일본회사가 갖는 무연조성의 특허 청구범위는 P2O5계, Bi2O3계, B2O3계로 매우 넓게 청구하고 있어 Bi2O3계, P2O5계를 개발 중이나 국내업체에서는 개발의 어려움이 수반되고 있다.○ 2002년부터 미국, 일본 등에서 무연제품을 개발하여 삼성SDI나 LGE에 샘플로 공급하고 있다.⑧ 배기소자○ 배기소자는 그림 8과 같이 팁관과 프리트 링으로 구성되어 있으며, 팁관은 소다라임을 주성분으로 하는 유리관이 사용되고, 프리트 링은 실링재와 유사한 PbO-B2O3계의 유리프리트와 유기 매개물로 PVA계 또는 EC계 바인더가 주로 사용되고 있다○ 팁관은 정관산업 등의 업체에서 소재를 수입 가공하여 판매하고 있으며, 프리트 링은 센불에서 PbO계 유리프리트를 사용하여 생산중이다.○ 개발동향을 보면 PbO-free 유리프리트에 대해 Bi2O3계, P2O5계의 개발과 소성 방법에 따라 저가화할 수 있게끔 팁관과 프리트 링을 일체화하는 방법을 개발 중에 있다.⑨ 형광체○ 형광체는 CRT나 형광등에 사용되어온 것을 개량한 것으로 현재 청색 형광체의 휘도와 수명, 녹색의 잔광, 적색의 색도 등에 문제점이 있다.○ 기존 형광체들의 특성을 보완하기 위해 다양한 조성의 형광체들이 혼합되어 사용되어지고 있다.○ 형광체 산업은 일본 등의 선진국에 비해 기술이 낙후되어 있어 대부분을 일본에서 수입사용하고 있다(형광체의 경우 대부분이 일본에서 생산되어지고 전 세계적으로 판매되어지고 있다).○ 삼성SDI, LGE는 형광체 제조업체들과 협력하여 직접 형광체를 개발하여 신제품에 적용하고 있다.○ 개발 동향은 저가화, 균일분산, 열화특성보완 등에 대해 검토되고 있다○ 형광체는 고색순도, 고효율 형광체 제조기술, 졸-겔법을 이용한 형광체 합성, 저전압, 장파장 형광체 개발 및 그림 9와 같이 용액법/기상법을 이용한 형광체를 개발하고 있다.⑩ 보호막○ 보호막용 소재로는 Electro-fused MgO, 싱글 크리스탈 MgO, Sintered polycrystalline MgO 가 있으나 단결정의 경우 성분 및 품질 편차, 느린 성막 속도, 늦은 방전속도, 높은 오방전율 등의 문제가 있어 최근에 그림 10에 나타낸 것처럼 다결정을 주로 사용하고 있다.○ 막형성 방법은 스프레이 인 빔(Spray in beam), 스퍼터링(sputtering), 및 솔-겔 코팅(sol-gel coating)을 하고 있다.○ 일본의 경우 다결정 MgO 보호막 재료는 미쯔비시가 제일 먼저 개발하여 PDP에 적용중이며, 국내에서는 C&Chem, 삼화화학 등에서 일부 생산하고 있는 단결정과 다결정을 사용하고 있다.○ 최근 보호막의 방전 특성에 대해 지속적으로 연구를 진행하고 있고, 또한 성능향상을 위해 doped MgO의 개발을 서두르고 있다. 또한 대체소재에 대한 개발도 행하고 있다.⑪ 광학 필러○ 광학 필러의 요구특성으로 아래표의 역할이 필요하다. 리모콘에 의한 오작동 방지, 명실에서의 반사 감소, 굽힘강도, 파괴강도 유지, 전송 곡선 제어, 산란 방지 등이 있다.○ 현재 광학 필러의 경우는 유리를 PET등으로 대체, 블랙 프린티드 에이리어(black printed Area)로는 천연 염료를 사용코자 연구개발을 진행하고 있다.저가화 및 친환경화 전략향후 PDP가 다른 디스플레이와 경쟁을 하기 위해서는 아래와 같이 저가화와 친환경화가 필수적으로 해결되어야 한다.저가격화대형 평면 패널 디스플레이들 간의 경쟁 심화로 인해 경쟁에서 살아남기 위해서는 계속적으로 매년 20%이상을 저가격화 해야 할 것이다. 현재까지의 패널가격 추이를 그림 12에서 보면 07 1월에서 5월까지 5개월 동안 42인치 PDP의 경우 110달러가 감소되었으나 LCD는 그 가격에서 더 이상 저가화할 수 없는 상태에 이르렀다. 또한 그림 13에서 재료비와 공정에서의 저가화를 보면 재료비는 계속적으로 가격을 저가화 하여 6년 전보다 25% 수준으로 저가화 시켰으나 공정비용은 50%정도만 저가화할 수 있는데 아래에 언급한 부분을 저가화할 경우 LCD와의 경쟁에서 우위를 차지할 수 있을 것으로 사료된다.○ 저가화를 행할 수 있는 소재로는 형광체, 전극, 보호막, 격벽, 유전체, 실링재 등이 있는데, 우선적으로 저가 원료를 사용하여야 하고 양산제조 공정도 현재의 소량생산 방법보다 대량생산 체제로의 전환이 요구된다.○ 공정에서 보면 다면취 기술과 소성 열처리 횟수를 줄이기 위해 몇 종류 소재를 일체화하여 공정을 단축하는 방법이나 동시소성 할 수 있는 공정의 개발이 필요하다. 또한 초미세 패턴 형성 공정(전극, 형광체), 격벽 형성 공정 등에서 신규공법 등의 개발이 요구된다.친환경화PDP 소재들의 요구 특성 중에 가장 이슈인 것은 유럽 연합(EU)의 RoHS 시행으로 PDP소재의 친환경화이다. 2010년 까지만 유예되어 있기는 하지만 친환경화 없이는 EU 등에 수출이 어렵게 될 것이다. 따라서 PbO계 소재나 Cr등의 금속소재 등이 친환경 소재로 대체할 수 있게끔 새로운 소재의 개발이 필요하다. 표 5는 친환경화가 필요한 소재를 나타낸 것이다. 대부분이 PbO를 포함하고 있는 소재들이고, 전극에서는 Cr등이 포함되어 있어, 소재 일부가 친환경화 할 필요가 있다.표 6에서 보면 42인치 PDP 내에 PbO가 함유되어 있는 소재 부분이 어느 정도인가를 나타내었다. 유리군 소재에 속하는 유전체, 격벽, 실링재, 배기소자 등에서 1년에 1,158ton 정도가 사용(2006년 수요가 600백만 대)되고 있으므로 이의 대체가 시급히 요청되고 있다.표 7은 현재 PbO 대체 가능 소재로 개발 중인 소재로서 Bi2O3계, BaO-B2O3계 P2O5계가 있다. 그러나 기존의 PbO를 대체하는 데는 장점과 단점이 존재하므로 이들 단점은 최소한의 시일 안에 극복해야 하며 또한 특성도 기존 PbO에 동등 수준으로 개선할 필요가 있다.따라서 현 PbO를 대체하는 친환경화 연구와 저가화 연구는 차세대 성장동력 과제로 15개 산학연이 참여하여 소다라임 유리기판에 적용은 물론 현재 PD-200에 적용할 수 있는 핵심 소재를 개발하고 있다.결언20세기에 우리나라에서 가장 괄목할 만한 성장을 이룩한 분야는 디지털 분야이고 그중에 하나가 디스플레이 산업이다. 이러한 산업은 국내에서 국가의 성장을 이끌어 내고 글로벌에서는 경쟁의 우위를 점해야 한다. 따라서 세계 1위인 PDP 산업이 다른 디스플레이와 경쟁을 하기 위해서는 PDP의 핵심 소재를 친환경화, 저가격화, 경량화 해야 한다.핵심소재의 친환경화, 저가화를 위해서는 새로운 재료의 개발이 필수적으로 이루어져야 하는데 2000년대에 PDP 소재를 수입하여 가공 및 생산하기 시작했으나 핵심 소재는 2003년부터 생산되기 시작했다. 아직도 소재의 경우 완전히 시장 경쟁력을 확보했다고 할 수는 없다. 또한 2010년경에는 후발국인 중국 등의 등장이 예측되므로 빠른 시일 안에 모든 PDP 개발 관련 산학연이 필요기술을 개발할 필요가 있으며 수요업체에서는 모든 핵심 소재의 국산화를 위해 핵심소재 생산 중소기업을 지원할 필요가 있고 국산화된 소재는 가격적인 면을 고려해 가급적 채택 사용해야 할 것이다.

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