인쇄전자기술
21세기 들어 나노기술을 이용한 다양한 기능성 잉크가 개발되면서 인쇄 시장이 열리게 되었고, 그 중 전기전자 기능을 갖는 잉크를 기반으로 한 프린팅 전자 소자는 전 세계적으로 주목을 받으며 전자 소재 및 부품 분야의 패러다임으로 떠올랐다. 이 제품들은 저가격, 친환경, 유연성, 대면적, 대량 생산, 저온, 단순 공정 등의 장점을 가지고 있다. 초기의 프린팅 전자 소자 시장은 RFID, 메모리, 디스플레이, 전지, 조명, 센서, 유기 트랜지스터 등의 새로운 제품군에서 널리 활용될 것으로 전망되고 20년 후에는 수천억 달러가 넘는, 성장성이 유망한 대규모 산업으로 발전할 것으로 예측된다. 이러한 기술적 배경을 발판으로 2000년대 들어 유럽과 미국을 중심으로 프린팅 설비와 화학 재료 업체 분야의 신규 기업 출현이 급속히 증가하고 있다. 본 보고서에서는 프린팅 전자 소자 산업에 대한 비즈니스, 테크니컬, 제조, 그리고 시장 이슈에 대해 초점에 맞춰 다루고자 한다.
또한 최근 세계적인 주변 환경의 분석, 현재의 기술 상황(기술적 진보와 넘어야 할 장벽), 경쟁 기술의 이해, 그리고 전 세계적 회사들의 현 상황 분석을 통해, 프린팅 전자 소자 시장에 진입하려는 정부 및 관련업체에게 전략적인 시장 진입의 기회를 제공하고자 한다.
자료 제공 : KOSEN(한민족과학기술자네트워크)
www.kosen21.org
글 : 김성한
인쇄 전자(Printed Electronics)란 프린팅 공정기법으로 만들어진 전자 소자 혹은 전자 제품을 의미하며, 고난도로 조절된 클린룸에서 제조되는 기술이 아닌 저가의 기판 위에서 자동화된 공정으로 프린팅 되는 소자를 말한다.
이러한 프린팅 전자 소자 제품으로는 2차원 및 3차원 영상의 프린팅 패턴과 구조체, 이를 기능성 잉크로 프린팅한 도선, 저항, 커패시터, 인덕터 등의 수동소자, TFT 등의 능동 소자가 있으며, 이들의 집합체로 이루어진 RFID 태그, 전자 종이, 솔라 셀, 프린팅 센서 등이 있다.
프린팅 전자 소자 생산의 중요 요소는 생산 기술, 기판, 재료, 공정 등이 핵심 인자로, 그림 2에서처럼 이들 요소들이 모두 유기적으로 연결되어야 발전이 가능하고, 이들 기술을 보유하고 있는 회사들 간의 공동 개발이 가시화되어야만 잠재되어 있는 응용 시장의 폭발적 성장이 가능하다. 이러한 배경 하에서 먼저 프린팅 전자 소자 분야가 곧 개화기에 접어들 것이라고 믿는 7가지 징후들에 대해 살펴보도록 하자. (1) 프린팅 전자 소자의 근간이 되는 기초 과학 기술이 폭넓게 이해되고 급속히 발전되고 있다. 전도성 고분자에 대한 연구가 수십년 전부터 이어져 오고 있으며 현재 사용되는 프린팅 기술의 역사도 유구하다. 메탈 잉크 분야 역시 오래 전부터 연구되어 오고 있다. (2) 안정적인 전자 프린팅 잉크들이 계속 개발되고 있다. (3) 잉크 회사 및 잉크젯 설비 회사들이 추가 투자를 계획하며 새로운 기회를 모색하고 있다. (4) 프린팅 소자의 초기 생산품인 의료 이미지 시스템, RFID 안테나, 플렉서블 디스플레이 등에 이어서 2세대 제품들이 준비 중이다. (5) 보다 간단한 공정에 의해 경제적인 효과를 불러일으킨다. (6) 프린팅 소자는 차세대 유비쿼터스 컴퓨팅을 향한 대세이다. (7) 전자 산업이 응용되는 모든 분야에 적용이 가능하다.
2000년 이후로 프린팅 전자 소자 및 제품에 대한 연구들이 미국, 유럽, 일본을 중심으로 활성화되기 시작했다. 한국의 경우도 OTFT 기술, OLED 기술 등의 디스플레이 분야를 필두로 연구가 시작되고 있지만, 짧은 역사와 주변 인프라 부족으로 많은 기술적인 어려움에 처해 있다. 우선 첫째로는 재료 기술로써, 상온에서 프린팅 공정을 통해 이용할 수 있는 전도성, 반도체성, 절연성 재료들이 아직은 성능이 미흡하고 또 매우 고가이다. 둘째는 공정 장비 기술로써, 프린팅 기술이 시각적인 프린팅 기술에서 전자소자의 프린팅 기술로 아직 전환되어 있지 않다는 점이다. 최대 정밀도 20um급 이하로의 프린팅 기술이 확보되어 있지 않으며, 프린팅 패턴의 균일도 역시 매우 좋지 않다. 따라서 프린팅 전자 소자 및 제품에 적합한 프린팅 공정 장비의 개발을 통해, 정밀도를 10um급 정도 혹은 그 이상으로 올리고, 프린팅 패턴의 반복 균일도 역시 전자 소자에 사용할 수 있도록 하며, 이를 대량 생산할 수 있도록 해야 한다.
전 세계 유기 전자 소자 시장은 2010년 5조원에서 2015년 약 30조원으로 그 규모가 급성장할 것으로 예측되고 있고, 유기 전자 소자의 대부분이 프린팅 공정을 통한 전자 소자화 될 것으로 전문가들은 예측하고 있다. 초기의 프린팅 기술은 상용화 단계에 접어들어 새로운 용도의 저가 전자 소자의 제작에 이용되어 그 가능성을 넓혀 나가다 궁극적으로 오늘날 사용되고 있는 전자제품의 대부분은 가까운 미래에 프린팅 소자화 되어 생산 원가를 획기적으로 낮추어야 하는 상황이 올 것이 자명하다. 프린팅 전자 소자 기술은 제조비용 절감에 크게 기여할 것이며 향후에는 보다 복잡한 응용 분야로 확대될 전망이다. 향후 2010년대의 시대는 유비쿼터스와 고에너지 가격의 시대라는 관점으로 본다면, 반도체 회로, 디스플레이, 조명, RFID 태그, 전자종이, 태양전지, 바이오센서 등의 프린팅 전자 소자 제품군들이 새로운 주역으로 부상할 것이다. 그러므로 프린팅 전자 소자 시장은 기존 시장이 파괴되고 새로 생성되는 기술인 파괴적 기술의 약진이 기대되며 이에 따른 국내의 연구개발 투자가 반드시 필요하다 하겠다. 이에 본 보고서에서는 차세대 기술로 유망한 프린팅 전자 소자 산업에 관한 기술, 생산, 시장을 포함하는 총괄적인 전 세계 현황을 분석하고 나아가야 할 방향을 제시하고자 한다.
인쇄 전자 소자의 재료
1. 전자 잉크의 혁신적인 발전 행보
오늘날 85%의 바코드가 인쇄되는 방식과 같이 사물 위에 곧바로 전자기기를 인쇄할 수 있다면 지금의 전자기기의 기판, 케이스, 키보드, 디스플레이 관련 부품 시장과 수익성 업체들은 거의 없어질 것이다. 앞으로 부가가치 창출의 대부분은 거의 잉크 분야에서 발생할 것으로 보인다. 이러한 차세대 잉크는 동일한 무게의 금보다 수십 배 고가에 판매될 수 있다. 그렇지만 원자 몇 개의 두께에 불과한 층으로 인쇄되기 때문에 매우 낮은 저가격 디바이스를 만들 수 있다. 트랜지스터, 태양전지, 배터리를 비롯한 모든 전자 설계를 위한 부품을 만들기 위해서는 도체 및 반도체, 절연, 발광, 프로텍션 잉크 등이 필요하다. 하나의 잉크 용제는 바로 아래에 놓여 있는 민감한 레이어를 파괴하지 않도록 해야 한다. 이들 잉크는 아주 저렴한 가격의 플라스틱 필름을 이용하거나 사람의 피부에 인쇄할 수 있도록 충분히 낮은 온도로 경화되어야 한다. 군사용 애플리케이션 분야에 있어서 미국 육군은 병사들이 휴대하는 장비를 지금과 비교해 수년 이내에 70%까지 줄이면서도 병사들의 능력을 향상시키기 위한 프로그램을 진행하고 있다. 이는 첨단 인쇄 기술을 이용한 전자 의복, 인쇄 배터리, 인쇄 광전지, 인체 센서로 달성할 수 있을 것이다. 특히 유기 화학자들은 이러한 모든 인쇄 전자기기는 결국 유기 잉크를 바탕으로 이뤄질 것이라고 목소리를 높여 왔다. 전문가들도 이와 의견을 같이 하고 있으며, 유럽 위원회의 상당한 연구 자금 또한 폴리어플라이(Polyapply)나 폴리(Poly)라는 이름하에 제공되고 있다. 플라스틱 로직과 폴리머 비전 등의 회사들이 등장했고 독일에서는 OEA (Organic Electronics Association)가 설립되었다. 또한 플라스틱 일렉트로닉스 및 유기 일렉트로닉스 등과 같은 관련 컨퍼런스들이 개최되고 있다. 하지만 현재까지는 확실한 방향을 제시하지 못하고 있는 실정이다. 문제는 어떠한 것이 보다 효과적이고 안전하고 합당한 가격대를 구현할 수 있는가에 달려있다. 프린팅 재료 즉, 전자 잉크를 분류하면, 금속(은, 금, 구리, 니켈) 잉크, 유기(고분자, 저분자, 올리고머, 덴드리머) 잉크, 무기(카본 나노튜브, 나노 와이어, 실리콘, 산화금속) 잉크 등으로 나뉘어 진다. 다수의 흥미로운 유기 반도체 및 유전체 잉크들이 생산되고 있기는 하지만 대다수 인쇄 전자기기는 유기 및 무기 잉크를 모두 채택하고 있다. 갈수록 더 많은 인쇄 전자기기들이 한 잉크에 유기 및 무기 소재를 결합하거나 원소 탄소와 유기 화합물을 결합한 층이 최소한 하나 이상으로 이루어지고 있다.
프린팅 전자 산업에 사용되는 전자 잉크의 시장은 프린팅 전자 소자의 개발과 더불어 급속히 성장하리라 생각된다. 그림 3은 2010년의 잉크 시장을 추정하고 있다. 한 예로 전도성 잉크 시장은 2015년에 43억 달러의 가장 큰 재료 시장을 차지할 것으로 예측되며 이중 전도성 유기 잉크는 13억 달러를 점유하리라 본다. 또한 디스플레이와 조명 시장을 겨냥한 OLED를 위한 반도체 잉크는 2015년에 3억7천만 달러의 시장에 달할 것으로 보인다. 태양전지 등에 사용되는 프린팅 광전자 소자는 2015년경 4억 달러의 반도체 잉크 재료를 소비할 것으로 예상된다. 전자 산업에 이용되는 절연체들을 위해서도 2015년에 7억 달러의 프린팅 잉크가 소비될 것이다.
부분 인쇄 박막 연료 전지, 액추에이터, 마이크로폰, 라우드 스피커, 레이저 등이 진화하고 있을 뿐더러 유기 또는 무기 화학물질 단독으로 이들 모든 기기들을 해결할 수 있을 것이라고 생각하는 것은 현실적이지 않다. 실제로 투명 전자기기는 일반적으로 잉크의 유기 화합물을 기반으로 하며, 다수의 연구 주제로서 광전지에 관한 대부분의 연구는 실리콘에 대한 무기물 대안에 관한 것이다. 인쇄 반도체를 생각해 보자. 인쇄 반도체는 전계 발광 기능이 예를 들어 C60 탄소 버키볼(buckyball)에 의해 억제되는 특수한 형태의 광전지에 사용되거나 이와 반대의 경우 디스플레이에 이용된다. 인쇄 트랜지스터만 해도 고주파 동작에서부터 낮은 전력 소비, 고전력을 핸들링하기 위한 투명성, 광 방출 등 여러 요구 조건을 가지고 있다. 아주 단순화해서 말하면 트랜지스터의 최대 동작 주파수가 높을수록 더 많은 기기를 제작하고 판매할 수 있다. 트랜지스터를 만들기 위해 주입되는 반도체 잉크의 중요한 특징 중 하나는 결과가 나타나는 층의 전하 운반체 이동성이다. 이 이동성이 최대 동작 주파수에 영향을 미치기 때문이다. 유기 잉크는 이 측면에서 점차적으로 향상되고 있기는 하지만 이동성이 매우 낮다. 연구자들은 이동성이 100배 높은 특정한 무기 화합물을 박막 층으로 주입할 수 있다는 것을 발견했지만 이를 높은 속도로 릴-투-릴 인쇄로 경화시키는 것은 불가능했었다. 하지만 이제 이 모든 것이 가능하게 되었다. 도쿄 공과대학과 토판 프린팅은 파트너십을 기반으로 InGaZnO 반도체를 이용해 이를 수행하고 있다. 경화 시에는 유기 운반체가 파괴된다. 또한 코비오는 바로 최근에 유기 반도체보다 이동성이 1,000배에 달하고 훨씬 더 소형의 트랜지스터를 인쇄할 수 있는 나노 실리콘 잉크를 선보였다. 이를 통해 이전 방식의 실리콘 칩이 차지하던 면적에 수천 개의 트랜지스터를 증착할 수 있게 되었다. 이와 비교해 유기 트랜지스터 어레이는 기차표처럼 보인다. 조만간 코비오는 독자적으로 RFID의 주요 사양을 충족하고 라벨용 실리콘 칩을 인쇄 형태로 대체할 것이다. 초기에는 80% 더 저렴하게, 그리고 향후에는 90% 더 저렴한 가격으로 칩을 교체할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이제 연간 수백 조의 바코드를 좀 더 믿을 수 있고 범용성이 뛰어난 제품으로 교체하는 것을 실질적으로 고려할 수 있게 되었다. 실리콘 태양열 전지는 무겁고, 깨지기 쉽고, 비효율적이며, 비싸다. 이들 대부분은 공급업체나 사용자가 어떠한 방식으로든 정부로부터 보조금을 받고 있기 때문에 판매될 뿐이다. 이제는 저가형 플렉서블 기판 상의 카드뮴 텔루르 (Cadmium Telluride) 박막이 실리콘보다 구입 및 설치, 유지가 더 저렴한 것으로 밝혀지고 있으며, 최근에 15억 달러 수주가 이루어짐으로써 이를 입증하고 있다. 그러나 아직 누구도 이를 어떻게 인쇄할지 알아내지 못하고 있다. 하지만 이산화 티타늄 나노입자와 CIGS (Copper Indium Gallium Diselenide) 상에 루테늄(Ruthenium) 기반 유기 안료를 이용한 안료 감광성 태양열 전지가 연구되고 있다. 공장에서는 이제 릴-투-릴로 저가형 폴리머 기판 상에 잉크젯 인쇄가 이용되고 있다. 대표적인 예로서 영국의 G24 이노베이션스와 미국 및 독일의 나노솔라를 들 수 있다. DSSC는 열과 빛으로부터 전기를 발생(열광전지)시키며, 특별히 낮은 입사 각도의 광 및 반사에 의한 편광까지도 허용할 수 있다. CIGS는 빛을 전기로 변환하기 위해서는 매우 효율적이지만 면적보다 가격에 매우 민감한 경우에는 계속해서 인쇄 유기 광전지를 이용할 수 있다. 인쇄 전자기기, 특히 컨덕터에 있어서 이들 대부분의 프로젝트는 수십 나노미터의 입자 또는 박막 두께에 관한 것이다. 그러므로 흔히 많은 수량의 라벨이나 컬러 영상 등을 제공하는 넓은 면적의 전광판, 태양열 패널 등을 생산하는 곳에도 은과 같은 매우 비싼 소재를 채택한다. 엔터 나노마스 테크놀로지는 잉크로 일관된 3마이크론은 입자를 생성함으로써 용융점을 1/10로 낮췄다. 펜을 검정색 잉크에 담그고, 아세테이트 필름에 쓴 다음, 필름을 왜곡하지 않으면서 입자들을 녹이고, 아주 적은 물질을 이용해 벌크 은에 근접한 전기 전도성을 가진 거울과 같은 층을 생성할 수 있다. 이것은 정말로 마법과 같은 것이며, 은에 한정되는 것은 아니다. 인쇄 전자기기의 연구 및 시제품 개발을 위한 가장 일반적인 인쇄 기술은 스크린 인쇄이며, 본격적인 생산에 주로 이용되는 기술은 플라스틱 로직 플렉서블 디스플레이와 이의 백플레인 트랜지스터 어레이를 포함하는 잉크젯 인쇄이다. 하지만 플렉소, 그라비어, 노광, 기타 옵션, 혹은 각각의 층에 이들의 조합을 채택한 다수의 프로젝트들이 진행되고 있으며, 흔히 각각의 층에 중간적 단계로서 일부 스핀 코팅, 화학 증착, 또는 스퍼터링을 이용하기도 한다.
2. 인쇄 전자 소자 재료의 응용 시장 기회 분석
표 1은 프린팅 소자의 다양한 응용 분야에 대해 재료 회사들의 시장 진입 기회 요소들을 분석한 내용의 요약이다.
프린팅 전자 소자에 이용되는 대부분의 잉크 재료는 은 잉크와 고분자 잉크이다. 이 중에서 은 잉크가 좀 더 성숙되어 있고 이는 RFID 안테나 혹은 디스플레이 백플레인의 초기 상품화에 기여하고 있다. 은 잉크 시장은 2013년에 12억 달러에 이를 것으로 추정된다. 대표적인 실버 잉크 회사는 캐봇으로 높은 품질의 잉크를 제공하고 있으며 그 외의 회사로서 어드밴스트 나노 프로덕트, 시마 나노테크, 아체슨, 크리에이티브 메터리얼스, 다우코닝, 듀폰 메텍, 하리마 케미컬, 파라렉, 프레시시아, 엑스잉크, 미쓰비시, 페로 등이 있다. 고분자 잉크 분야는 합성 화학 분야의 발전과 더불어 성능이 대폭 향상될 것으로 기대되며 2013년에는 17억 달러에 이를 것으로 추정된다. 프린팅 전자 소자 분야의 대표적인 유기물 잉크 공급 업체로는 머크, 듀폰, H.C 스탁, 플렉스트로닉스, BASF, 다우코닝, 사토머, 선 케미컬, 스미토모, T-ink, 제록스 등이 있으나 은 잉크 분야의 캐봇처럼 시장을 지배하고 있는 유기 잉크 회사는 아직 등장하지 않고 있는데, 이는 시장이 덜 성숙되어 있다는 반증이며 향후 개발의 여지가 많다는 의미이기도 하다. 현재 프린팅 OLED의 잉크 재료는 가격이 g당 1,000~2,000달러의 고가로, 시장에 생산품으로 진입하기 위해서는 300달러 이하로 내려가야 할 것이다. 프린팅 전자 소자 기판을 주요 연구 기회로 삼고 있는 회사 중에서 현재 두각을 나타내고 있는 회사는 듀폰-테이진으로 PET과 PEN을 주력 상품으로 개발 중이며, 제너럴 아토믹, 코베메, 바이텍스 시스템스, 3M, 사이모픽스에 주로 납품 중이다. 이들 회사는 플라스틱 기판 위에 배리어 코팅을 추가하여 프린팅 소자 업체에 공급한다. 그 다음으로 플라스틱 기판 시장을 예의 주시하며 성장의 잠재력을 보유하고 있는 회사는 3M과 다우코닝이다. 그 밖에 이들 기판 연구에 중요한 역할을 하리라 예상되는 회사로 코베메와 바이텍스가 있다. 프린팅 전자 소자의 기판 시장을 예측해 보면 다음과 같다.
인쇄 전자 소자를 위한 공정의 종류 및 특성
표 2는 전자 소자 제조에 가능한 프린팅 공정을 분류하고 있다.
1. 잉크젯 프린팅
잉크젯 프린팅법은 헤드로부터 미세한 잉크 방울(직경 30um 이하)을 토출시켜 원하는 위치에 패터닝하는 공정 기술이다. 이 기술은 비접촉식 방식으로 작은 체적에 복잡한 형상을 구현할 수 있는 적합한 공정 기술로 알려져 있다. 이 기술의 응용 분야는 사무실과 집에서의 컴퓨터로부터 상업 인쇄, 공업 인쇄, 디스플레이나 전자 회로 분야 및 바이오 칩 등으로 크게 확대되고 있다. 잉크젯 기술의 장점을 살펴보면, 기존의 포토 공정이 수십 단계에 이르는 복잡한 공정이 필요한 반면 잉크젯의 경우 원하는 곳에 필요한 물질을 패터닝할 수 있는 'Pattern on Demand' 공정이 가능하므로 극히 단순한 공정으로 패터닝을 완성할 수 있다. 포토 공정의 스핀 코팅 시에는 버리는 재료가 90% 이상이 되어 고가 재료의 이용 효율이 극히 낮다. 반면에 잉크젯은 필요한 부분만 재료를 도포하므로 재료 효율이 거의 100%에 가까우며 결과적으로 폐기물이 없는 친환경 공정 실현이 가능하다. 또한 잉크젯 도포는 원리적으로 타 공정에 비해 기판 사이즈 증가에 대한 대응이 자유롭다. 멀티헤드 부착으로 대형 기판 대응과 양산성 확보도 가능하다. 기존의 포토 공정처럼 많은 장비가 소요되지 않으므로 클린룸 소요 면적이 감소되고 러닝 크스트가 줄어든다. 그리고 재료비, 장비 투자비, 클린룸 운영비, 인건비 등의 대폭 감소에 의한 제품 가격 경쟁력의 창출이 가능하다.
잉크젯 기술의 전개 가능성 및 한계를 생각해 보면, 현재까지는 수십~수백 um의 패턴을 포토 공정 대신에 다이렉트 패터닝 할 수 있는 점이 잉크젯 공정의 장점으로 인식되고 있다. 하지만 잉크젯 기술은 수 um의 미세패턴을 형성하는 데에는 부적합한 공정이다. 잉크젯 공정을 적용하는 데 선행되어야 할 기술적인 요인을 정리해 보면 다음과 같다. 잉크젯 도포에 필요한 스테이지 이동은 현실적으로 2~3um 이상의 에러는 항상 포함하고 있으며 잉크가 여러 가지 요인에 의해 탄도가 변하는 정도는 약 3~5um 정도로 보고 있다. 기타 정렬 공차, 뱅크 형성 오차, 노즐 크기 오차 등의 요인에 의한 에러를 감안하면 통상 12~15um의 랜딩 에러를 기본적으로 갖고 있다고 보는 것이 일반적이다. 따라서 20um 이하의 패터닝은 실용적으로 어려우며 30~60um 패터닝도 상당히 고도의 공정, 재료, 장비 관리가 필요할 것이다. 잉크젯에 의해 원활히 분사가 될 수 있는 잉크의 특성을 확보하는 것이 중요하다. 용매의 증발에 의한 점도 변화, 잉크 찌꺼기에 의한 노즐 막힘, 탄도 변화 등의 심각한 프린팅 에러를 야기할 수 있다. 잉크유로와 노즐 등에 잉크와의 정합성을 위해 표면 개질에 대한 연구가 필요하다. 잉크방울의 크기가 10μm 이하로 작아지면 표면에너지가 커져 잉크방울이 비산되어 적절한 탄식군이 형성되기 어려우며 100μm 이상으로 커지면 운동에너지가 커져서 기판 상에 충돌에 의한 분산성이 커진다. 또한 잉크점도가 10cps 이상 되면 분사속도가 저하되는 문제가 발생한다. 통상 10cps 정도의 점도에서는 10kHz정도의 분사가 가능하다고 보고되고 있다. 기판 상에 잉크가 안착되는 부분과 각 픽셀을 분리하는 뱅크가 잉크와 서로 다른 상생관계를 필요로 할 때가 많다. 일례로 OLED의 경우 뱅크 재료인 폴리이미드는 잉크를 밀어내는 성질이 필요하고 ITO기판은 잉크를 고착시키는 표면특성이 필요하다. 이를 위해서 인위적으로 표면에 다른 버퍼층을 형성해 주는 방법도 있으며 또는 플라즈마에 의한 표면개질도 유효한 것으로 알려져 있다.
잉크젯 방식은 연속적으로 액적을 토출시키는 컨티뉴어스 방식과 선택적으로 액적을 토출시키는 온 디맨드 방식의 두 가지 방식으로 나뉜다. 컨티뉴어스 방식은 일반적으로 장치가 대형이고 인쇄 품위가 낮아 컬러화에 적절하지 않기 때문에, 주로 저해상도의 마킹에 사용되고 있다. 고해상도의 패터닝 목적으로는 온 디맨드 방식이 대상이 된다. 온 디맨드 방식 잉크젯 인쇄로는 현재 피에조 방식과 버블젯 방식(Thermal 방식)이 많이 이용되고 있다. 피에조 방식은 잉크실을 압전소자(전압을 인가하면 변형하는 소자)로 바꿔 체적을 변화시켜, 잉크실 안의 잉크에 압력을 주면 노즐을 통해 토출되는 것이고, 버블젯 방식은 잉크에 압력을 주면 노즐을 통해 토출되는 것이며, 버블젯 방식은 잉크에 열을 가해 순간적으로 기포를 발생시켜 그 압력으로 잉크가 토출되는 것이다. 버블 방식은 소형화, 고밀도화 하기 쉽고 헤드의 비용도 저렴하기 때문에 오피스용으로 가장 적합한 방식이다. 다만, 열이 가해지기 때문에 헤드의 내구 수명이 짧고, 용매의 비등점 영향이나 잉크 재료로의 열 손상을 피할 수 없기 때문에 사용할 수 있는 잉크가 한정된다는 문제점이 있다. 이에 비해 피에조 방식은 고밀도화와 헤드 비용의 측면에서는 버블 방식보다 떨어지지만, 잉크에 열을 가하지 않기 때문에 헤드의 수명, 잉크의 플렉서블리티의 측면에서는 뛰어나 오피스용 이외의 상업 인쇄나 공업 인쇄, 디바이스 제작에는 더 적합한 방식이라고 할 수 있다.
잉크는 기본적으로 물과 비슷해야 하고 노즐 근방에서 젖지 않도록 하기 위해서는 표면 장력이 35mNm-1 이상이어야 한다. 잉크의 점도는 4~20mPas가 되어야 한다. 잉크에서는 습윤제라고 하는 수분을 일정하게 하는 성분을 섞어서 노즐에서의 막힘을 없앤다. 잉크젯에서 색을 나타내기 위해 색소를 잉크에 녹이지 않고 안료를 사용하는데 그 크기는 100~400nm 이다. 최근에는 그 기술이 발전하여 거의 모든 재료를 잉크젯으로 도포한다. 세라믹 파우더, 지르코니아, 티타니아 바륨 스트론튬 티탄산염, 솔-젤 세라믹, 강유전체 박막 필름, 마그네틱 파티클, 초전도 산화물을 잉크젯으로 만들 수 있고 세라믹은 45볼륨% 까지 가능하다. 금속으로는 무전해 도금을 이용하거나 금, 은, 동 같이 열을 가하여 액체로 만든 다음 분사하여 금속을 프린팅 하는 것도 가능하다. 생물학적으로도 가능하여 효소 멤브레인을 잉크젯하여 바이오센서를 만들거나 단백질, 세포, DNA, 박테리아 같은 것을 잉크젯하여 바이오 분석에 응용할 수 있다. 잉크젯을 이용하면 전도성 고분자나 자가 결합 모노레이어 등을 이용하여 100micron의 정확도로 잉크젯화 할 수 있다. 최근에는 교통카드에 사용되는 RFID마저도 잉크젯을 사용하여 저렴하게 대량으로 만들려고 한다. LCD 업체에서 잉크젯 공정을 컬러필터에 적용하여 양산을 준비 중이며 플라스틱 로직사는 전자 종이 및 RFID 태그 양산을 할 예정이고, 도시바, 엡손, 듀폰 등은 고분자 디스플레이에 적용한 바 있다. PARC(Palo Alto Research Center) 등 많은 연구 그룹에서 유기 박막 트랜지스터를 잉크젯 프린팅법으로 구현하고자 연구를 진행 중이다.
잉크젯 프린팅 기술을 활용한 저가형 LCD TV 컬러 필터 제조 방법이 개발되어 양산 준비 중이다. 레드, 그린, 블루 컬러는 일반적으로 포토리소그래피 기술을 이용해 만들어지는데, 이러한 기술 대신 잉크젯 기술로 전환하면 비용을 절감할 수 있다. 이는 새로운 기법이 재료 사용률을 높이고 포토마스크나 포토레지스트와 같은 것들을 필요로 하지 않기 때문이다.
일례로 RGB 염료 소비가 10% 까지 줄어들었다. 또한 어떠한 노출이나 개발 과정이 불필요해 장비를 단순화할 수 있기 때문에 초기 투자비용 또한 훨씬 적게 든다. 일본 DNP의 설비 투자비용은 약 250억엔 정도로, 이는 기존의 기술을 사용하는 비슷한 규모의 공장에 비해 60% 밖에 안 되는 수준이다. 46인치 LCD 패널의 경우 부품이 총 비용의 65%를 차지하고, 그 중 30%는 컬러 필터가 차지하는 것으로 나타났다. 컬러 필터는 총 패널 비용의 20%를 차지한다. DNP가 20%의 비용을 절감할 수 있다고 하는 것이 정확하다면 결과적으로 총 패널 비용을 4% 가량 줄일 수 있게 된다. 잉크젯 기술을 이용하면 단순한 비용 절감을 넘어 성능 향상이라는 이점도 함께 얻을 수 있다. 투과도가 향상되어 백색광을 5% 가량 증가시킬 수 있다. 또한 기존의 포토리소그래피에서는 블루파장을 흡수하기 위해 감광성 재료를 추가해야 했지만 이제는 그럴 필요가 없어졌다. DNP는 잉크젯 기술의 적용 대상을 컬러 필터 외에 OLED 패널에도 적용하기 위해 연구 개발 중이다. 그러나 컬러 필터 제조에서 획득한 기술 노하우를 OLED 패널 제조에 곧바로 적용할 수는 없다. 사용하는 재료부터가 완전히 다르고 컬러 필터는 두께가 1.5-2um인 반면 OLED는 나노미터 수준이기 때문이다. 따라서 잉크 용매, 헤드 디자인 및 건조와 같은 부분에서 완벽한 검토가 이루어져야 한다.
일본의 세이코 엡손과 JSR은 잉크젯 기술을 이용한 저온폴리실리콘 TFT 생산에 성공했다. 이는 차세대 실리콘 TFT 기술로 많은 주목을 박고 있는 유기 TFT의 모든 장점을 폴리실리콘 TFT가 제공한다는 점에서 업계의 관심을 얻고 있다. LCD 패널과 기타 용도에 사용되는 실리콘 TFT는 현재 진공펌프나 무균실 등 고가의 장비가 요구되는 포토리소그래피 공정을 통해 생산되고 있다. 이 공정은 처리 시간이 오래 걸리고 재료 활용 효율성이 떨어지기 때문에 결과적으로 생산 비용이 올라가게 된다. 반면에 유기 TFT는 잉크젯 및 기타 프린팅 기술을 활용하므로 생산 비용을 절감할 수 있지만 실리콘이 아닌 다른 재료를 사용하기 때문에 낮은 전자 이동도 등, 성능 결과는 그리 만족스럽지 못한 편이다. 잉크젯 기술로 실리콘 TFT 생산이 가능한 액정 실리콘 소재를 개발하여 지금보다 저렴한 가격으로 LCD 패널이나 OLED 패널을 구동하기에 충분한 성능을 지닌 TFT가 될 가능성이 있다.
개발된 액정의 주성분은 일반 사슬로 연결된 SiH2 염기인 폴리실란(polysilane)이다. 유리 기판을 폴리실란으로 코팅한 후 약 540℃에서 소결해 H2를 연소 제거하면 실리콘만 남는다. 폴리실란은 1920년대 이후부터 알려졌으나 액정 상태로 사용된 적은 없었다. 그 이유는 유기 용매에 녹지 않기 때문이었다. 엡손과 JSR은 폴리실란이 유기 용매에서 용해되도록 폴리실란을 중합시킨 욤기 CPS를 혼합했다. CPS의 끓는점은 약 1,290℃이고 유기 용매로 사용하는 톨루엔의 끓는점은 약 110℃이므로 약 540℃의 소결 과정 중에 CPS와 톨루엔은 모두 증발한다. 양사는 이 기술을 앞으로 5~6년 내에 상용화할 예정이다.
잉크젯 기술을 산업 응용 분야에 적용하려는 움직임이 점점 늘어나고 있는 가운데 SIJ 테크놀로지는 잉크젯 기술을 PCB 패턴에 적용하고자 하는 기업을 대상으로 프로토타입 제작 및 잉크 평가 서비스를 제공하기 시작했다. SIJ 테크놀로지가 보유한 잉크젯 기술은 잉크 방출액이 겨우 1fℓ(펨토리터)인 것이 특징인데, 이는 표준 시스템의 1000분의 1 이하이다. 이 수치는 0.5μm의 물방울 지름과 맞먹는다. 따라서 기존 잉크젯 기술로 구현이 불가능했던 매우 정교한 패턴 및 3D 구조를 이제는 잉크젯 기술로 처리할 수 있게 됐다. 기존 기술로는 선폭을 겨우 50μm 까지 밖에 처리할 수 없었지만, 이 기술로는 약 3μm까지 가능하다. 이 기술은 지름이 아주 작은 물방울 정도에 해당하기 때문에 닿자마자 말라 버리므로 3D 구조를 형성하는 데 유용하다. 이 기술이 확립되면 비용 면에서 가장 큰 이점을 누릴 수 있으며, 새로운 타입의 실장 및 애플리케이션이 생겨날 것으로 기대된다.
2. 스크린 프린팅
스크린 인쇄법은 강한 장력으로 당겨진 스크린 위에 잉크 페이스트를 올려 스퀴지 (Squeegee, 주걱 모양의 우레탄 재질)를 내리 누르면서 이동시켜 페이스트를 스크린의 메시를 통해 피인쇄물 표면으로 밀어내 전사하는 공정이다. 잉크젯 프린팅과 마찬가지로 재료의 손실이 적은 부가적인 공정으로서 PDP 등의 디스플레이 제조를 위한 연구가 진행 중이다. 사용되는 페이스트는 적당한 점도가 필요하므로 금속 분말이나 반도체 등의 기본 재료에 수지나 용제 등이 분산되어 사용한다. 스크린 인쇄는 스크린과 기판 사이에 수 mm의 간격을 유지하다가 스퀴지가 통과하는 순간에 스크린이 기판과 접촉하여 페이스트를 전사하는 방식으로 접촉형 인쇄 방식이긴 하지만, 접촉을 통한 기판의 영향은 거의 없다고 본다. 인쇄 시 막의 두께는 스크린의 메시 두께와 개구율의 곱인 토출량으로 결정되며, 화상의 정밀도는 메시의 세밀함에 의존한다. 판 분리를 빨리 하기 위해 스크린은 강한 장력으로 당겨질 필요가 있는데 얇은 메시 스크린을 이용하여 미세한 패터닝을 할 경우, 메시 스크린이 견딜 수 있는 치수 안정성의 한계를 넘어갈 수 있지만, 대략 16um의 와이어를 사용한 스크린을 이용하면 20um의 최소 선폭의 패터닝도 가능하다.
3. 그라비아(Gravure) 및 그라비아 오프셋(Gravure-Offset)
그라비아 인쇄는 요판 인쇄의 일종으로서, 요철을 형성한 원통형판에 잉크를 묻혀 볼록한 부문에 묻는 잉크를 긁어낸 후, 오목한 부분에 들어간 잉크를 피인쇄물에 전사하는 방법이다. 이 인쇄법과 오프셋 인쇄법을 결합한 그라비아 오프셋 인쇄법은 최근에 LCD 컬러필터 등 디스플레이 및 전자 회로에 응용되고 있다. 그라비아 오프셋 인쇄법은 잉크를 인쇄판에서 고무 블랑켓에 전사하고, 그 블랑켓의 잉크를 다시 기판에 전사하여 인쇄하는 오프셋 인쇄법과 이 인쇄법의 인쇄판을 그라비아 인쇄법에서 쓰이는 인쇄판으로 대체하는 인쇄법이다. 다이니폰 프린팅사나 토판 프린팅사 등의 일본 업체들은 그라비아 인쇄를 스크린 인쇄법과 함께 플렉서블 유기 전자 소자의 중요한 제작 공정으로 검토하고 있으며, 특히 인쇄 회로 형성에 유력할 것으로 기대되고 있다.
4. 플렉소그래피(플렉소 인쇄법)
유연성을 가진 패터닝된 수지판을 이용하는 인쇄법으로 도포된 잉크를 균일한 격자를 갖는 아니록스 롤러(Anilox roller) 위에 도포하고, 닥터블레이드를 이용해 롤 표면에 균일하게 펼친 다음 인쇄롤의 유연성 수지판 위에 양각된 패턴으로 전사한 후, 기판 표면에 프린팅 된다. 이러한 방법은 기판 위에 인쇄되는 잉크의 두께를 아니록스 롤러의 기공 크기와 밀도에 의해 조절할 수 있어 균일한 박막의 형성이 가능한 장점이 있다.
또한 패터닝된 형상을 바꾸면 도포되는 위치나 범위를 정밀하게 조절할 수 있어 플렉서블 기판을 이용한 인쇄에도 적용이 가능한 장점이 있다. 이 인쇄법은 LCD의 배향막을 도포하는 수단으로 이용되는데, 플렉소 인쇄를 통해 균일한 두께의 폴리이미드 배향막을 형성하고 루빙하는 방법을 이용하고 있다. 또한 기판 크기가 대형화됨으로써 제 6세대 이후의 기판에서는 인쇄롤이 이동하는 형태로 변경되어 이용되고 있다.
마지막으로 인쇄소자용 공정들을 간략하게 정리 비교해 보면 다음과 같다.
5. 롤 투 롤 프린팅
롤 투 롤 프린팅 공정은 잉크로는 전도성 잉크, 유기 박막 재료, 폴리머 등이 사용되고, 기판으로는 종이나 플라스틱을 사용한다.
또, 기판의 공급은 대량 생산에 유리한 롤 투 롤 연속 공급 방식을 사용하며, 공정은 스크린, 플렉소, 그라비아, 잉크젯 등의 저가 상온 프린팅 공정을 사용하여 저가/대량 생산화를 동시에 만족시킬 수 있는 공정이다.
하지만 기존의 프린팅 장비들은 사람들의 눈에 보이는 신문, 잡지 등의 인쇄물들을 프린팅해 왔기 때문에 정밀도가 사람의 눈 해상도 이상으로 발전하지 않았으며, 정밀도 20um 이상의 편차는 몇 퍼센트가 나도 상관없는 정도에서 그 기술의 발전이 멈추어져 왔었다. 하지만 이러한 프린팅 장비들이 전자 소자를 대량으로 제작하는 데 이용되기 위해서는 정밀도가 더 좋아져야 하며, 프린팅의 반복 패턴 형성 정밀도도 향상되어야 한다.
인쇄 전자 분야의 구성 기술 및 요구 특성
인쇄전자 기술은 지난 수년 동안 광범위한 부품 개발 분야에서 혁신적인 잠재 기술로서 많은 관심을 받아왔다. 이 기술을 활용하면 부품의 제조비용과 무게를 90% 이상 줄이고 기계적 유연성도 높일 수 있을 것으로 기대되기 때문이다. 하지만 이 기술은 IC와 디스플레이 등 반도체 기술에 기반한 제품에 비해 상대적으로 단순한 회로만 구성할 수 있고 전기 특성도 약하다는 문제점이 제기돼 왔다. 또한 디바이스 수명이 일반적으로 수천 시간에 불과하고, 일부 제품 중 비교적 수명이 긴 디바이스라고 해도 겨우 2년을 넘지 못했다. 따라서 업계 대부분의 사람들은 이 시장이 실제로 형성되는 데는 수년이 걸릴 것으로 예상했었다. 하지만 모든 게 달라졌다. 비록 성능이 조금 떨어지긴 하지만 이 기술이 특정 애플리케이션용으로 이미 상용화 단계에 접어든 것이다. 프린티드 시스템즈의 ID 카드에 내장된 메모리 디바이스는 실제로는 전도막·절연막과 고분자 물질로 만든 커패시터이며, TFT를 사용하지 않는다. 폴리IC가 출시한 RFID 태그는 겨우 수천 개의 유기 TFT와 8비트 ROM을 데이터용으로 사용한다. 이들 애플리케이션은 극소량 정도의 데이터 밖에 처리하지 못하지만 제한적인 애플리케이션용 ID 카드로는 충분하다. 평가 중인 다이니폰의 OLED 패널 시제품은 영상의 배열 표현을 디스플레이하지 못한다. 휘도 수명은 짧지만 성능은 포스터 애플리케이션용으로 사용하기에 충분하고 적절한 가격을 정하는 일만 남았다고 전해진다. DSSC의 변환 효율은 겨우 5~6%이지만 사용수명이 3년만 돼도 상업용 제품에 이를 사용하겠다는 고객이 있다고 한다. 인쇄전자 기술로 제작된 부품은 다양한 고도의 개별 특성을 나타낸다. 인쇄형 커패시터로 만든 ID 카드는 바코드보다 복제하기가 훨씬 어렵다. IC 칩에 비해 ID 카드와 RFID 태그 등의 제품들은 쉽고 저렴하게 생산할 수 있다.
디스플레이 기능을 갖는 포스터 시장은 아예 존재하지도 않는다. 심지어는 에어리어 컬러 디스플레이용으로 사용되는 OLED 패널을 이용해 구현한 것조차도 없다. 지금까지는 벽에 부착하거나, 노트북처럼 휴대하거나 떨어뜨려도 계속 동작하는 태양전지가 없었다. 수많은 제품 아이디어가 실현되지 못한 이유는 사람들이 가능성을 알아보지 못했기 때문이다. 인쇄전자 기술이 상용화 될 수 있었던 것은 성능과 제조 안정성이 눈에 띄게 향상되는 등 몇 가지 기술적 발전이 이뤄졌기 때문이다. 비록 서비스 시간이 아직까지는 수천 시간 정도로 비교적 짧은 편이지만, 이런 특성도 동작 주파수, 집적도, 디바이스 수명 및 기타 요인을 수정하면 점차 향상될 것으로 기대되며, 이를 통해 향후에는 다양한 애플리케이션 분야에 사용될 수 있을 것이다.
인쇄전자 기기의 구성 기술을 개발하는 데에는 중요한 세 가지 요건이 있다. 바로 속도와 해상도, 수명을 개선하는 일이다. 고속 동작의 핵심은 인쇄전자 기술에 사용되는 유기 반도체의 캐리어 이동도(Carrier Mobility)를 1백배 또는 1천배로 높이는 것이다. 이 작업은 TFT의 게이트 길이를 줄이면 된다. 예컨대 10kHz로 동작하는 TFT의 게이트 길이가 100μm이고 캐리어 이동도가 1cm2/Vs(비정질 실리콘과 비슷)이면 게이트 길이를 10μm로 줄이면 필요한 이동도는 겨우 0.01cm2/Vs이면 된다. 하지만 인쇄 기술로 달성 가능한 실제 해상도는 현재로서는 겨우 10~30μm 이다. 이는 미세한 디자인 룰로는 이 문제를 완전히 해결할 수 없음을 의미한다. 캐리어 이동도를 높일 수 있는 방법은 크게 두 가지이다(그림 7). 하나는 프린팅에 쉽게 채택할 수 있는 높은 캐리어 이동도의 유기 반도체를 찾는 것이고, 다른 하나는 예컨대 실리콘이나 산화막 반도체 등 채택 공정에서 캐리어 이동도가 높은 무기 반도체를 사용하는 것이다.
첫 번째 방법의 예로는 일본 미쓰비시 화학그룹 과학기술 연구센터가 개발한 포르피린 전구체(Porphyrin Precursor)를 들 수 있다. 전구체 용액과 200℃에서 만든 포르피린 막으로 기판을 코팅한다. 최대 캐리어 이동도는 1.8cm2/Vs, 유기TFT 임계점 5V, 온/오프비(온/오프 전류비)는 105이다. 온도 50℃, 습도 50%에서 테스트 한 결과, 200시간 후에도 캐리어 이동도는 떨어지지 않았다. 두 번째 방법의 예로는 일본 JSR과 세이코 엡손이 공동 개발한 폴리실란(Polysilane)을 꼽는다. 기판을 폴리실란으로 코팅한 후, 레이저를 조사하여 폴리실리콘을 생성한다. 스핀 코팅에 비해 잉크젯 애플리케이션의 캐리어 이동도는 108cm2/Vs에서 6.5cm2/Vs로 떨어지고 온/오프비도 107에서 103으로 낮아진다. 이 결과는 불완전한 결정화 때문이라고 엡손은 판단하고 있다. 이동도가 낮으면 온(On) 전류의 상승을 방지하여 폴리실리콘/기판 계면 근처의 과잉 불포화 결합이 누설 전류의 상승을 초래한다.
선폭을 1μm까지 줄일 수 있는 일본 SIJ 테크놀로지의 잉크젯 프린터처럼 해상도를 높이기 위한 개발도 진행 중이다. 이 잉크젯 헤드는 기존 잉크젯 헤드의 1천분의 1이하인 1fℓ 잉크를 분사하여 미세한 선을 그릴 수 있다. 동일한 헤드로 최대 20μm 폭의 선을 그릴 수 있다. SIJ 테크놀로지는 기존 방법으로는 불가능한 고해상도 프린팅이 필요한 고객으로부터 이미 수차례 시제품 요청을 받았다고 밝혔다. 디바이스 수명이 수천 시간인 이유는 산소 투과도가 겨우 10-3cc/m2/d인 봉지 필름(Sealing Film)을 이용하는 플렉서블 기판을 사용하기 때문이다. 유리 수준의 산소 투과 성능도 10-6cc/m2/d가 되면 디바이스 수명을 2~3년으로 늘릴 수 있다. 다이니폰은 유리 수준의 봉지 성능을 달성하기 위해 플렉시블 기판 위에 여러 개의 필름으로 이뤄진 다층 구조를 사용하고 있다. 아쉽게도 이 기술은 제조비용이 많이 든다. 디바이스 수명은 유기 반도체, 디바이스 구조 및 기타 요소를 수정하여 늘릴 수 있으며 다이니폰은 필요한 층수를 줄일 수 있는 이 기술을 향상시켜 총비용을 절감하고자 한다.
애플리케이션 기술 개발의 경우, 주요한 기술적 난관으로 분류되는 능동형 디스플레이의 가능한 많은 부분을 인쇄 기술을 이용해 제작하려는 움직임이 매우 활발하게 나타난다. 인쇄형 TFT, 애플리케이션 및 기타 기능으로 생산될 수 있는 회로 유형수를 늘리기 위한 방안으로 비휘발성 메모리 개발도 주목을 받고 있다. 대화면 디스플레이를 벽면이나 마루, 데스크톱 등에 내장하는 것처럼, 인쇄전자 기술이 적합할 것으로 일컬어지는 애플리케이션용으로 많은 시제품이 출시되고 있다. 전자종이가 능동형 디스플레이 분야에서 가장 앞서가는 이유는 비교적 느린 응답 속도가 허용되고, TFT 구동에 높은 캐리어 이동도가 필요치 않기 때문이다. 일본의 토판 프린팅, 엡손 및 기타 업체들은 플렉서블 기판을 사용한 시제품을 발표했다. 토판 프린팅은 전체 TFT 디스플레이를 인쇄하기 위해 여러 가지 인쇄 기술을 결합했다. 2인치 스크린은 80×60픽셀, 해상도 50PPI(Pixel Per Inch)다. 상세한 내용은 공개되지 않았지만 폴리머 기반의 유기 반도체를 사용한다. TFT 게이트 길이는 소스 및 드레인을 형성하는 데 사용된 스크린 프린팅의 정확도에 따라 다르다. 스크린 프린팅은 라인과 공간을 20μm로 줄이기 위해 조정됐으며, 디바이스의 경우 게이트 길이를 80μm에서 20μm로 줄일 수 있다. 세이코 엡손의 전자종이 시제품은 2.4인치 스크린에 120×24 픽셀, 해상도 50ppi이다. 유기 반도체인 F8T2는 잉크젯 기술로 만들며, 채널 길이는 20μm이다.
이 유기 TFT는 1,500시간을 공기 중에 노출한 후에도 106의 온/오프비를 유지한다고 세이코 엡손은 밝혔으며, 몇 달 동안 공기 중에 노출한 이후에도 이 패널에는 동작 저하가 발생하지 않았다. 능동형 플렉서블 LCD와 OLED 패널은 아직까지 인쇄 기술을 사용하여 생산할 수 있을 정도의 수준까지는 이르지 못했다. 첫 번째 단계는 픽셀 트랜지스터 등 픽셀을 유기 반도체로 완벽하게 구현하는 것이다. 일본 소니는160×120픽셀, 해상도 79ppi인 LCD 패널 시제품을 출하했다. 게이트 소스와 드레인 전극은 유기 은(Ag) 혼합물, 게이트 유전막은 OTS(Octadecyltrichlorosilane)를 갖는 PVP(Poly-4-Vinylphenol), 유기 반도체는 펜타신 (Pentacene)이다. 유기 TFT 캐리어 이동도는 0.12cm2/Vs이며, 픽셀 간에 편차가 거의 없다고 소니는 주장한다. 전극 패터닝은 리소그래피 기술로 처리되지만 스핀 코팅은 유기 은막과 게이트 유전막 형성 용액에 사용된다. 소니는 나프타신(Naphthacene) 기반의 유기 반도체로 다양한 솔루션 애플리케이션을 확대하기 위해 연구 중이며, 인쇄 기술을 활용하는 패턴 메이킹 방법을 개발 중이다. OLED 패널의 경우, 개구율(Aperture Ratio)을 높이는 방법처럼 휘도 증가뿐만 아니라 유기물 비율을 향상시키는 방향으로 개발이 계속 진행되고 있다.
일본 파이오니아와 지바대학의 쿠도 교수는 픽셀피치 1.8mm, 16×16 픽셀의 OLED 패널 시제품을 공동으로 개발했다(그림 8). 각 픽셀의 발광 수준은 256이다. 발광 OLED 디바이스는 구동 트랜지스터 위에 적층된 수직 구조를 사용한다. 이 구조는 구동 트랜지스터 전압으로 정공을 OLED 층에 주입할 때 제어하기가 더 용이하여 휘도 조절이 간편해진다. 기존에는 OLED 디바이스와 구동 트랜지스터가 한 면에 배열되어 OLED 디바이스 면적 대비 픽셀 면적비(개구율)가 매우 낮았다. 새로운 방법은 개구율을 27%에서 41%로 높였다. 일본의 로옴과 파이오니아, 미쓰비시 화학, 교토대학 등이 참여하고 있는 한 연구그룹은 기존 제품(36%)보다 대략 2배(66%)의 휘도 도메인을 갖는 OLED 패널을 개발 중이다. 이 OLED 패널 픽셀에는 구동 트랜지스터 및 방출층 기능이 있는 유기 TFT가 있다. 소스 전극으로부터 유기 반도체층에 주입된 정공은 빛을 방출하기 위해 드레인에 주입된 전자와 재결합한다. 소스, 드레인 및 기타 전극의 구조는 빗 모양으로 되어 있으며, 전자와 정공 재결합용 면적을 증가시킨다.
비휘발성 메모리의 경우, 유기 TFT 게이트 유전막을 유기 강유전체로 사용하는 1T 메모리 개발이 활발하다. 예컨대 엡손은 플렉서블 기판을 사용하여 FeRAM (Ferroelectric RAM) 시제품을 개발했다. 유기 강유전막 (PVDF/TrFE))과 유기 반도체 (F8T2)에는 스핀 코팅이 적용되고, 게이트 전극에는 잉크젯 인쇄 기술이 사용되는데 둘 다 용액 공정(Solution Processing)을 사용한다. 쓰기/삭제 전압은 하이 ±15V이며, 질소 공기 중에 한 달간 노출한 후에도 '1'과 '0' 데이터에 대응하는 히스테리시스 특성의 커다란 저하가 발생하지 않았다(그림 9). 제조 안정성을 나타내는 로트 간 특성 편차와 기판 내 특성 편차는 최소 수준이었다. 세이코 엡손은 인쇄 기술을 전체 공정에 사용하고자 하는 바람으로, 유기 강유전체를 만들기 위해 잉크젯 프린팅 활용을 테스트 중이다. AIST는 유전층에 전자·정공쌍(엑시톤)을 생성하기 위해 청색광을 활용하여 광학 기록이 가능한 1T FeRAM를 개발했다. 소스, 드레인 전극 등에 알루미늄을 사용할 경우, 유기 반도체와 전극 사이의 계면에 쇼트키 장벽이 발생한다. 게이트 전극, 레이저 방사 등이 정지하여 전하가 충전되면 이 쇼트키 장벽 때문에 정공이 빠져나갈 수 없다. 다시 말해, 비활성 메모리 기능을 하는 셈이다(그림 9). 능동형 LCD 패널의 픽셀 TFT에 이 FeRAM을 사용함으로써, 전자종이처럼 이미지 홀드 기능이 있는 LCD 패널을 생산할 수 있을 것이다.
예컨대 청색광을 방출하는 펜을 LCD 스크린에 사용하여 픽셀 TFT 특성을 접촉 순간에 변경하고 액정의 전기장에 영향을 주어 그려진 이미지를 유지하게 된다. 유기 TFT를 사용하는 인쇄전자 기술의 색다른 애플리케이션으로는 일본 도쿄대 연구 그룹이 개발한 전기공급 시트가 있다. 시트 내부의 코일과 시트 위에 있는 물체 내부 코일 간에 비접촉식으로 전력의 전달이 이뤄진다. 별도의 코일을 사용하여 물체의 존재를 감지하고 물체 아래에 있는 전달 코일에만 전력을 공급한다. 물체는 최대 29.3W/inch2/coil을 얻게 되며, 최대 전달효율은 62.3%다. 유기 반도체를 만드는 데에는 진공 기술이 사용됐지만 금속막은 인쇄됐다.
위에서 예시했듯이 전자소자와 디스플레이 분야에서 고해상도의 필요성은 두말할 나위가 없다. 그림 10은 프린팅 기술에 의한 해상도의 과거 상황과 향후의 발전 기술을 예측해 본 것이다.
인쇄 전자의 응용 분야
인쇄 기술을 활용하여 다양한 전자 부품을 생산하는 인쇄 전자 기술이 제조비용 절감에 크게 기여할 것으로 기대된다. 초기 응용 분야는 프린팅 컨덕터와 같은 단순 기능에 국한되겠지만 향후에는 보다 복잡한 애플리케이션으로 확대될 전망이다. 신문이나 잡지, 포스터 또는 기타 인쇄물을 제작하는 데 사용해 온 인쇄 기술을 전자부품의 제조에 적용하는 '인쇄전자 기술'의 상용화도 임박했다. 일례로 2006년 8월, 독일의 프린티드 시스템즈는 온라인 축구게임에 이용되는 ID 카드의 지속적인 생산을 위해 롤 투 롤 생산 및 인쇄 기술을 사용했다. 온보드 메모리에는 16비트 데이터, 즉 총 6만 5,536 라인의 코드 저장이 가능하며, 각 코드는 특정 팀의 선수에 할당된다. 2008년에는 독일의 폴리IC가 13.56MHz 대역을 사용하는 RFID 태그를 출하하여, 제품 인증을 검증할 수 있는 방법을 제공할 계획이다. OLED 패널과 DSSC(Dye-Sensitized Solar Cell) 등 양산용 애플리케이션도 빠르게 늘어나고 있다. 예컨대, 일본의 다이니폰 프린팅이 생산한 OLED 패널은 현재 개발 중인 인쇄 기술을 이용한 것으로, 포스터 및 유사 애플리케이션용 에어리어 컬러 시트 형태로 만들어져 이미 몇몇 고객에게 샘플이 공급됐다. DSSC 샘플에 대한 평가도 계속되고 있다. 일례로, 여러 장비 제조업체들이 일본 펙셀 테크놀로지의 DSSC 동작을 평가 중이다. 표 4는 프린팅 전자 소자의 주요 여러 가지 생산품 및 해당 기술 그리고 시장에서의 응용 분야를 요약 제시해 준다.
인쇄 전자의 생산 및 설비 전망
프린팅 전자 소자 분야에는 약 300여개의 회사가 연구 개발에 중이고, 프린팅 전자 소자 생산 규모는 현재 360만m2로 조사되고 있다. 그 중 대부분은 PV와 RFID 분야에 제한되어 있고 플라스틱 로직, 폴리머 비전, 나노아이덴트, 나노솔라 등의 회사에 의한 초기 생산 규모와 연관된다. 2013년에는 프린팅 소자 생산 규모가 3억 9,800만m2로 눈부신 성장을 이룰 것으로 예측된다. 프린팅 전자 소자의 대표적인 응용 분야인 프린티드 백플레인, 프린티드 디스플레이, 프린티드 RFID, 프린티드 PV의 생산 규모를 예측해 보면 그림 11과 같다.
프린팅 설비는 약 250대가 2007년까지 납품되었고, 2013년에는 6,300대가 공급될 것으로 추정된다. 이 중 약 15%가 실제 생산에 이용될 것이고, 2013년에는 52%가 생산에 이용될 것이다. 그림 12는 향후 공장과 설비를 포함하는 프린팅 전자 소자 생산에 투자되는 금액을 예상한 도표이다.
인쇄 전자 분야의 해외 현황
최근 프린팅 전자 소자 분야에 많은 회사들이 참여하고 있으며 확인된 회사 및 연구 기관은 약 700여 개로, 그림 13에서 보듯이 여러 응용 분야에 골고루 분포되어 있다.
유럽에서는 독일을 중심으로 화학분야의 산업체들과 프린팅 설비업체들이 활발히 연구개발에 인프라를 확충하고 있고, 영국에서는 캠브리지 대학을 중심으로 한 유기 전자 소자 분야의 연구 결과들이 신생 기업들을 탄생시키고 있다. 이와 더불어 네덜란드의 아인트호벤, 독일의 드레스덴, 스위스의 바젤, 핀란드의 오울루, 스웨덴의 노로코핑/린코핑 등의 지역에서 이 분야의 연구가 활발히 진행되고 있다. 유럽의 대표적인 광전지 분야의 회사로는 잉크젯 프린팅에 의한 DSSC를 생산하는 영국의 G24i와 CIGS을 생산하는 독일의 나노솔라가 있고 조명 분야에 독일의 오스람, 지멘스, 필립스 등이 대표 회사들이다. 여기에 미국의 벤처 캐피탈과 정부 그리고 군대로부터의 막대한 자금이 이 분야로 투자되어 시장 확충의 기폭제가 되고 있다.
대표적인 유기 태양 전지 회사로서 코나카와 플렉스트로닉스가 활발히 연구 개발을 진행 중이다. 또한 프린팅 전자 소자의 가장 큰 응용 분야가 디스플레이 관련 시장이라는 사실은 아시아의 거대 제조 회사들에게 시장에서의 큰 역할을 부여해 주고 있으며, 소니, 도시바, 미쓰비시, 마츠시타, 캐논, 리코, 아사히, 카세이, 파이오니아, 삼성, 스미토모 등의 회사들이 있다. 한 예로 지난 9월 플라스틱 전자 소자 분야의 선두 기업인 플라스틱 로직은 세계 최초로 상품화 생산 규모의 자동화된 플라스틱 전자 소자 제조 시설 가동을 시작했다. 이 회사는 저온 공정의 플라스틱 기판 위에 고해상도의 트랜지스터 제조의 핵심 기술을 보유하고 있다. 이 공정은 기존의 유리 기판 위의 실리콘 공정보다 단순하고, 유리 기판보다 더 얇고 가볍고 유연한 능동 구동 디스플레이를 구현해 준다. 첫 번째 생산품은 전자책으로, 2009년에 시장에 등장할 것으로 예상된다.
플라스틱 필름 위에 프린팅 TFTC(Thin Film Transis ter Circuit)을 구현하는 기술은 300여 개의 회사 및 연구 기관이 참여하고 있으며, 코비오, 소니, 마츠시타, 캐논, 토판 프린팅, 다이니폰 프린팅, 필립스, 플라스틱 로직, 엡손, 제록스, IBM, 폴리IC, 오르가닉ID, 3M 등이 그 대표적인 회사이다.
폴리IC는 3년 간 독일 정부로부터의 자금 지원으로 CMOS와 유사한 유기 전자회로 기술을 완성했다. 이 기술로 간단한 RFID 응용을 구현하는 샘플을 개발 데모하였다. 롤 투 롤 공정에 의해 두 개의 다른 유기 트랜지스터(n-type과 p-type)를 사용하여 오르가닉 링 오실레이터를 제작하였다. 이런 연구 성과물은 'MaDrix'라고 하는 차세대 유기 회로의 개발 과제로 이어질 것이다.
인쇄 전자의 시장 전망
프린팅 분야의 응용 시장 중 디스플레이 분야가 가장 큰 시장을 차지할 것으로 예측되고 있는 가운데 이중 OLED와 E-Ink 디스플레이가 대표적인 응용 분야로 예측되고 있으며, 프린팅 트랜지스터를 중심으로 프린팅 어레이 기판의 응용 시장은 디스플레이, 조명, 사인 분야에서 두각을 나타낼 것으로 보인다. 그리고 센서, 배터리, 광전지(PV), 메모리, 스마트카드 등의 시장에 대한 예측에 대한 요약을 그림 14에서 보여준다. 20년 후인 2028년 프린팅 전자 산업의 시장은 3000억 달러로 추정되어 거대한 시장을 형성할 것임이 틀림없다.
실리콘 반도체 시대에서 탄소 반도체 시대가 열리면서 프린팅 기술이 반도체 제조 기술로 등장하게 되었다. 프린팅 전자 소자는 프린팅 공정을 이용하여 전자회로, 센서, 소자, 전자제품 등을 인쇄하듯 만들어 내는 첨단 과학 기술 산업으로 플렉서블 디스플레이와 전지, 솔라셀, 조명, 옥내외 대형 광고판 등 다양한 응용 가능성과 저가 대량생산, 초박막, 높은 유연성 등의 많은 장점을 지니고 있다. 세계 각국의 주요 업체들이 개발과 생산에 몰두하고 있는 프린팅 전자 산업은 이들 특징을 바탕으로 현재와는 다른 새로운 응용 분야에 적용됨으로써 향후 우리의 삶을 새롭게 바꿔 줄 첨단 산업임에 틀림없다. 프린팅 전자 산업은 2028년에 3000억 달러 규모의 시장을 형성하며 다양한 산업에 적용될 수 있는 융합기술로, 현재 산업의 전 분야에 걸쳐 많은 기대를 받고 있다. 이들 분야의 핵심 기술 선점은 미래 국가 경쟁력 강화에 크게 기여할 것임에 분명하다.
기대 효과 및 활용 방안
전자 소자 분야의 대표적인 예로, 향후 개발될 디스플레이 공정 기술은 잉크젯 프린팅 기술을 비롯한 프린팅 기술로 대체될 것이라는 것이 관련 전문가들 대부분의 의견이다. 현재 LCD, LED 등 디스플레이 분야의 선두 주자인 국내 산업이 이들 기술을 준비하고 활용해야 함은 두 말할 나위없다. 이 분야 외에도 여러 가지 프린팅 기술들이 플렉서블 디스플레이, 반도체 회로, 조명, 센서, 태양 전지 등 무궁무진한 분야에 적용되는 차세대 기술로 주목받고 있음에도 국내에는 아직 관련 인프라 및 기술 개발 역사가 부족하다. 하지만 지난 9월 한국 정부가 발표한 신성장동력 22개 분야 산업군에 프린팅 전자 산업이 대다수의 핵심 산업을 이루면서 프린팅 전자 소자 산업이 미래 고부가가치 핵심 산업으로 새삼 높은 관심을 받게 되었다.
이 기술은 신성장동력을 창출할 수 있는 다양한 차세대 기술 분야에서 활용될 수 있다는 점에서 그 성장 가능성이 무궁무진하다고 할 수 있다. 또한 고유가로 인한 고효율 에너지 산업에 대한 필요성과 이산화탄소 배출 규제와 수은 및 유해 물질 규제로 인한 그린 테크놀로지 산업에 대한 요구 하에 대체 공정 기술로서도 현재 각광 받기 시작하고 있어 정부가 추진하는 녹색 성장 정책과도 부합된다. 정부가 5년 동안 99조4천억원을 들여 집중 육성하기로 최근 발표한 22개의 신성장동력 산업군 항목은 무공해 석탄에너지, 해양 바이오 연료, 태양전지, 이산화탄소 회수 및 자원화, 연료전지 발전시스템, 원전플랜트, 그린카, 선박해양시스템, 반도체, 디스플레이, 차세대 무선통신, LED 조명, RFID/USN, 로봇, 신소재 나노융합, IT 융합시스템, 방통 융합미디어, 바이오 신약 및 의료기기, 문화 콘텐츠, 소프트웨어, 디자인, 헬스케어 등으로 프린팅 전자 기술이 활용될 수 있는 분야와 많은 부분이 일치한다. 프린팅 전자 산업은 높은 성장성을 인식한 미국과 유럽, 일본 등의 유력 기업들이 이미 개발에 몰두하고 있지만, 아직 주도하고 있는 기업이 없어 전자 산업 인프라가 풍부한 한국이 뛰어들 경우 산업을 주도할 수 있을 것으로 생각된다.
국내 시장의 경우 산업용 디지털 프린팅 시장은 아직 초기 단계에 머물러 있다. 디지털 프린팅 소재, 공정용 부품, 장비는 대부분 수입에 의존하고 있는 실정이며 국내 대기업을 중심으로 기술 개발이 이루어지고 있지만 원천 특허 확보나 핵심기술 개발에는 선진국에 비해 한참 뒤떨어져 있다는 평가를 받고 있다. 이제까지 제공한 프린팅 전자소자의 해외 첨단 기술 정보를 바탕으로 본 보고서가 국가 기술 개발 연구의 기초 자료로써 활용되기를 기대해 본다.
>>참고문헌
(1) Printed Electronics Asia 2008 conference proceedings
(2) Printed & Organic Electronics Forecasts, Players & Opportunities 2008 by IDTechEX
(3) Nikkei Electronics Asia 2007
(4) Developments in Printed Electronics Manufacturing by NanoMarkets Teleconference 2007
(5) Printed Electronics: From R&D to Revenues 2006 by NanoMarkets
(6) Printable Electronics: Materials and Processes 2006 by DuPont
(7) Printable Electronics 2006 and Beyond by NanoMarkets
(8) Materials and substrates for printable electronics: Opportunities and Markets 2006
(9) Encyclopedia of Printed Electronics by IDTechEx
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