글: 박성진(과제 책임자), 홍남철(공동 연구원)
자료 협조: KOSEN(한민족과학기술자 네트워크) / www.kosen21.org
서론
사업의 목적 및 필요성
LCD(액정화면표시기기), OLED(유기발광다이오드 화편표시기기) 등 평판디스플레이가 사용되는 소비자용 IT 단말기의 핵심 경쟁요소가 `경박단소(輕薄短小)`이다. 이를 위해 제품을 구현하는 모든 부품에서 심층적인 노력이 이어지고 있으며 기술 및 제품개발도 이러한 방향으로 진행되고 있다
한편, 평판디스플레이에서 보다 얇고 가벼움을 확보하기 위해서는 기판의 두께를 줄여 무게를 줄이는 것이 가장 효과적이다. 그러나, 디스플레이용 유리기판의 원판 자체를 얇게 하여 제작을 진행하는 것은 현재 공정상 많은 어려움이 있기 때문에 디스플레이 패널(panel) 제작이 완료된 시점에 기판을 슬리밍(slimming) 하는 것이 필수적이다. 그러나, 이러한 슬리밍 기술은 몇몇 대형 업체들 위주로 정보가 공유되고 있기 때문에 중소 장비/재료 업체는 이에 대한 자료가 부족한 실정이다.
따라서, 본 사업의 목적은 관련 업계 경쟁력 향상을 위해, 기술동향 및 시장 현황에 대한 양질의 정보를 담은 체계적인 정보 보고서를 작성 공유하는 것이다.
평판 디스플레이 산업 및 시장 전망
평판 디스플레이 산업 전망
세계 경제 위기에 따른 전반적인 수요 침체 및 중국 LCD 제조사의 공격적인 투자에 기인한 공급과잉으로 인해 LCD 중심의 평판디스플레이 산업은 더 이상 고성장 기조를 이어가기 어려울 것으로 전망된다.
대형 TV 제품 중심으로 공급 과잉이 지속되고 있으나, 모바일 (mobile) 응용 제품의 증가로 인해 전체 디스플레이 응용 제품의 수량으로 볼 때, 완만하고 지속적인 성장은 가능할 것으로 판단된다.
그림 1. 중장기 디스플레이 수요 전망
(DisplaySearch, DisplayBank, 각 증권사 전망 종합)
그림 2. 제품가격 하락에 따른 소비자의 구매여력 발생
특히, 휴대용 단말기의 스마트화와 자유로운 인터넷 사용을 지원하는 통신, 데이터 기술의 발전 및 인프라 확대로 인해 모바일 기기의 수요는 향후, 디스플레이 산업 및 ICT (Information & Communication Technology) 산업을 이끌 것으로 보인다.
스마트폰 / 스마트패드 등 신규 모바일 응용제품의 증가는 LCD 등 디스플레이 제조사의 경쟁 구도를 '양적 생산성' 위주에서 '질적 제품특성' 위주로 변화시키고 있다. 이 같은 경쟁 구도의 변화는 제품 차별화를 위한 고성능화와 AMOLED (유기발광다이오드 디스플레이) 및 플렉시블 디스플레이 등 차세대 디스플레이의 시장 진입을 가속화 하고 있으며 디스플레이 산업의 신 성장동력을 자리매김될 것으로 보인다.
그림 3. 모드별 스마트폰용 디스플레이 수요 전망(각 증권사 전망 종합)
그림 4. 모드별 태블릿용 디스플레이 수요 전망(각 증권사 전망 종합)
한편, 제조사들이 수요침체를 극복하기 위한 수단으로 생산성 향상 및 원가절감을 내세워 기존 디스플레이 응용제품(TV, 모니터 등)의 판매가격을 대폭 축소 시킬 것으로 전망되며 소비자의 구매예산 측면에서 볼 때 가용 구매 예산 내에서 신규 제품(모바일 스마트 제품)에 대한 추가 구매 여력이 발생 할 것으로 예상된다.
중소형 모바일 제품용 디스플레이 수요 전망
모바일폰은 스마트폰 위주로 시장 성장이 전망되며, 2015년의 스마트폰의 시장점유율은 53%로 예상된다.
아이패드로 대변되는 태블릿 수요는 지속 성장하여 2015년에 2억대 수준에 도달할 것으로 전망된다. 한편, 2011년 스마트폰에 적용되기 시작한 AMOLED는 지속적으로 성장하며 침투율을 높일 것으로 전망되며 태블릿으로의 적용은 2012년부터 의미 있는 점유율을 보일 것으로 전망된다.
그림 5. 슬리밍 수요와 공급 전망(DisplaySearch)
기판 슬리밍(slimming 또는 thinning)이 필요한 제품 수요 전망
전기한 대로, 모바일용 스마트 기기(스마트폰 및 태블릿) 제품의 급성장에 따른 ICT 제품용 패널의 수요는 지속 성장할 것으로 예상된다. 모바일용 스마트 기기 제품에서 가장 강조되는 특성이 휴대성이며, 이를 위해 보다 얇고 가벼운 디스플레이를 요구한다.
한편, 하이엔드급 노트북에서 보다 선명한 화질을 확보하기 위해 슬리밍이 적용된 디스플레이 패널을 사용한다. 얇은 디스플레이 패널을 만들기 위해서는 유리기판 원판 자체가 얇은 것을 사용하거나 슬리밍을 통해 기판의 두께를 줄이는 방법을 사용하는데 공정기술 상의 이유로 현재는 슬리밍 방법이 유일하다.
한편, 면적기준으로 볼 때 2015년 슬리밍이 필요한 제품 수요에 따른 슬리밍 수요는 22,388Km2로 디스플레이 패널제조 업체는 이 같은 수요에 대응하기 위해 슬리밍 관련 시절 및 설비투자를 늘려가고 있다.
그림 6. 슬리밍 전후 LCD 패널 두께 비교(ECONY 외부 발표자료)
슬리밍(Slimming) 기술 동향 및 발전전망
슬리밍이란 ?
평판디스플레이용 표시소자인 LCD, AMOLED에 사용되는 유리 기판의 두께를 줄이는 것으로, 원판으로 된 유리기판에 패널 표시소자까지의 공정을 끝낸 후 유리 기판의 화학적 연마(에칭, etching)를 통해 보다 얇은 표시소자를 얻는 공정을 일컫는다.
그림 7. 슬리밍 공정 진행 개략도(FNS Tech. 발표자료)
현재 기술 수준으로 평판디스플레이 패널에 사용되는 기판을 0.2mm 급으로 구현할 수 있는 유일한 기술(0.5mm 기판 2장으로 이루어진 디스플레이 패널의 경우, 40%~60% 식각을 통해 0.4~0.6mm 두께의 패널을 구현할 수 있다).
슬리밍의 필요성
휴대성 강화를 위해 보다 얇고, 보다 가벼운 모바일 단말기를 선호하는 시장의 요구가 하이엔드급 스마트 모바일기기에 사용되는 부품들의 박형화, 경량화를 이끌고 있으며 표시소자인 LCD와 AMOLED 모듈의 슬림화도 이 같은 요구에 직면했다.
이러한 부품가운데, 회로 및 기타 부품소재의 박형화는 거의 한계에 접근하였기에 모듈에서의 박형화를 이루기 위해서는 유리기판 자체를 얇게 하는 것이 필수적이다.
또한, 디스플레이 패널에 사용되는 유리가 얇아지면, 유리의 굴절률이 낮아져 화면 선명도에서 유리한 특성을 가질 수 있다. 한편, TV 등 대형 평판디스플레이에서도 디자인이 강조된 프리미엄 제품군에 경량화, 박형화의 특성이 요구되기 때문에 유리기판 자체를 얇게 만드는 슬리밍 기술의 적용이 필수적이다.
그림 8. 불산을 이용한 유리기판 식각 모식도(STI 외부 발표자료).
그림 9. 에천트 농도와 식각 속도가 생산정과 품질에 미치는 영향
슬리밍 기술 개요
슬리밍 기술 방식 및 발전 동향
■딥방식 (Dip)
-장점-
I. 한번에 여러 장의 기판을 수용할 수 있는 카세트를 이용한 배치(batch) 방식으로 대량생산에 용이
ii. 처리하는 수량이 많을수록 가격 경쟁력 높아짐
iii. 카세트를 이용한 방식이기에 자동화에 용이
iv. 대면적 기판(대형 유리기판) 적용 용이
-단점-
v. 한번에 여러 장을 처리함으로, 공정에러 발생시 대량의 품질 사고 발생가능성 존재
vi. 대면적 기판(대형 유리기판) 적용 가능하나, 원판 기준 6세대 (1500*1800 mm2)이상에서 '자동화 적용' 어려움.
vii. 식각액 소모량이 큼
viii. Dip Bath 내에서 sludge 유착에 의한 불량 다수발생(bubble 등 유체 흐름으로 해결책 강구)
■측면 수직 분사 방식(Side Spray 또는 Spray로 불리움)
-장점-
I. 대면적 (대형) 기판 적용 용이
ii. 설비구조가 간단함
iii. 기존 LCD 공장 내에 자동화 설비 구성 용이
-단점-
iv. 한번에 처리 가능한 매수가 2~3장으로 대량생산에 부적합.
v. 유리기판 표면에 전면 분사하는 방식이므로, 외력을 크게 받음.
vi. Fume 발생이 큼
vii. 현재 다수 업체에서 Side Spray와 Spray down 방식을 혼용하고 있음
그림 10. Dip 방식 슬리밍 장비와 Bath 모식도
그림 11. Side Spray 방식의 설비와 Bath 내부 모식도
■수평 분사 방식 (Spray down 또는 Shower로 불리움).
-장점-
I. 카세트 방식으로 대량생산 가능
ii. 독립운용설비(stand-alone type)로 운영에 적합
iii. 두께 조절이 용이하고 모니터링 가능
-단점-
iv. 대면적 (대형).기판 적용시 유리기판 내부에서 균일도 차이 발생
v. 식각속도가 느려 공정시간이 오래 걸림.
vi. Fume 발생이 큼
■슬리밍 기술 비교.
상기 언급한 방식을 비교할 때, 품질, 제조원가 및 운영의 난이도 등을 고려하면, 수평 분사(spray down) 방식이 여타의 방식대비 비교우위에 있다고 볼 수 있다.
■슬리밍 기술 발전 동향.
생산성을 우선으로 한 Dip 방식에서, 품질이 우선되는 측면 수직 분사 방식(side spray)으로 진화했다. 최근 기술 발전 방향은 생산성과 품질의 병행 확보; spray down 방식과 blade down 방식이 도입된다.
핵심 특허분석을 통해 본 국가별 슬리밍 기술수준
평판디스플레이용 유리기판의 초슬리밍 가공기술 분야에서, 핵심특허 수에 있어서 한국이 선도적인 위치에 있고, 특히 유리의 식각(에칭)장치 또는 식각(에칭)방법에 있어서는 한국특허가 가장 많으며 핵심특허도 한국특허가 가장 많다.
이 분야에서는 실제로 유리의 식각(에칭) 작업을 하고 있는 업체에 의한 출원이 많고 보유 기술도 많은 바, 기술개발 등에 있어서 한국이 유리한 상황이다.
평판디스플레이용 유리기판의 초슬리밍 가공기술 분야에서는 한국이 선도적인 위치에 있다고 볼 수 있는데 특히 가공기술 즉 에칭기술과 에칭장비 측면에서는 한국기업의 기술축적량 측면에서 경쟁력이 있다고 보여진다.
한국의 기술(특허)들은 주로 식각장치에 편중되어 있는 점에서 기술편중이 우려되는데, 특히 유리 조성물의 경우에는 코닝 등을 보유한 미국이나 일본의 기술이 많다.
디스플레이용 유리를 박형화하는 기술이 오래된 기술이 아니기 때문에 상대적으로 기술축적량도 많지 않고 또한 기술 장벽도 높지 않은 것으로 판단되며, 핵심적인 기술을 포함하는 특허는 국내에 많으므로 이를 기초로 적극적인 해외출원을 할 필요가 있다.
슬리밍 기술 특허장벽 분석 (핵심 특허분석)
2009년 11월 발간된 지식경제부 산업원천기술개발사업 중, 평판디스플레이용 유리기판의 초슬리밍 가공기술의 연구기획시 특허동향조사의 최종보고서(특허청 발간)에 의하면, 슬리밍 기술 분야에서의 핵심기술은 크게 두 가지로 나눌 수 있다;
1) 유리의 박형화 기술, 2) 유리 슬러지용 필터링 시스템.
그림 12. Spray Down 방식의 설비 및 슬리밍 공정 모식도
# 모식도
■핵심기술별 유사기술 분석결과
평판디스플레이용 유리기판의 초슬리밍 가공에 있어서, 대부분의 특허들이 특정의 목표값에 해당하는 두께를 달성하기 위한 것이라기보다는 막연하게 유리를 얇게하는 것에 대한 것이라고 볼 수 있다.
두께를 0.2mm 이하로 구체화하여 그 두께 이하의 유리 기판에 대해서 특정하여 권리화하고 있지는 않다. 다만, 미국의 "코닝 인코포레이티드"만이 직접적으로 0.4mm이하의 초박막 유리, 구체적으로 0.1~0.4mm의 기판(초박막 유리)을 포함하는 디스플레이 기판을 청구범위에 포함하고 있는 특허출원을 진행하고 있다.
슬러지 제거기술은 식각(에칭) 공정의 개선 측면에서 연구되고 있는 것으로 보여진다.
슬리밍(Slimming) 업계 동향
주요 LCD 패널 제조사의 슬리밍 운영 현황
스마트 기기용 모바일 제품에 사용되는 패널에는 터치스크린 공정이 필요하기 때문에, 슬리밍 공정을 평판디스플레이 패널 제조사 자체적으로 해결하려는 움직임이 있다.
2011년 5세대 기판 기준 270 K/월 정도의 스마트 기기용 모바일 제품 생산 가능하다.
국내외 주요 슬리밍 업체 현황
■이코니 (ECONY) - Korea
I. 기술 방식 : Spray Down Type (Stand alone)
ii. 5세대 기판 기준 Capacity : 100 K/월
iii. 공정 시간 (Tact time) : 1. 2~3시간/Batch
2. 1Batch=4~50sheets
iv. 식각속도 (etching rate) : 4~5 ㎛/min,,
v. 식각액 (etchant) : HF+혼산 (HF농도 최소화, HF 한자리수 농도)
vi. 세정액 : Slimming 전후 공업용수 세정
vii. 고객사 : LG Display, 삼성전자/SMD
viii. 기타 :
1. 자체 폐기물 처리 가능
2. Slimming Total Solution (건설,설비,Process,Recycle)가능
3. E/R ↓로 품질이 우수하지만, 설비 대수 증가
4. 자동화 난이
■테크노세미켐 (Techno Semichem) - Korea
I. 기술 방식 : Side Spray Type (In-line)
ii. 5세대 기판 기준 Capacity : 80 K/월
iii. 공정 시간 (Tact time) : 1. 2 minute
2. Dual vertical
iv. 식각속도 (etching rate) : 30 ㎛/min,,
v. 식각액 (etchant) : HF+혼산 (혼산의 비율로 E/R 조정)
vi. 세정액 : Slimming 전후 기능수 세정
vii. 고객사 : 삼성전자/SMD, 하이디스
viii. 기타 : 1. 식각속도가 커서 생산성이 좋지만, 품질에서 문제 발생 가능성 있으며, 정밀한 두께 조절이 난이
2. Chemical은 외주가 아닌 자체 공급
■에스티아이 (STI) - Korea
I. 기술 방식 : Dip Type (In-line)
ii. 5세대 기판 기준 Capacity : 80 K/월
iii. 공정 시간 (Tact time) : 1. 35 min/Batch
2. 1 Batch = 25 sheets
iv. 식각속도 (etching rate) : 8 ㎛/min,,
v. 식각액 (etchant) : HF only
vi. 세정액 : Slimming 전후 기능수 세정
vii. 고객사 : CMI (대만)에 장비 납품
viii. 기타 : 1. Dip 방식 + Bubble 기술로 공정 안정성 확보
2. Full automation 방식
■켐트로닉스 (Chemtronics) - Korea
I. 기술 방식 : Sid Spray Type (In-line)
ii. 5세대 기판 기준 Capacity : 60 K/월
iii. 공정 시간 (Tact time) : 1. 2 minute
2. Dual vertical
iv. 식각속도 (etching rate) : 30 ㎛/min,,
v. 식각액 (etchant) : HF+혼산 (혼산의 비율로 E/R조정)
vi. 세정액 : Slimming 전후 rlsmd수 세정
vii. 고객사 : 삼성전자/SMD
viii. 기타 : 1. 테크노세미켐과 동일한 방식
2. 설비는 FNS Tech라는 국내회사에서 제작
■Sino Electronics - China
I. 기술 방식 : Dip Type (Manual)
ii. 4.5세대 기판 기준 Capacity : 100 K/월
iii. 공정 시간 (Tact time) : 1. 2시간/Batch
2. 1 Batch = 16 sheets
iv. 식각속도 (etching rate) : 3 ㎛/min,,
v. 식각액 (etchant) : HF 없이 혼산으로 진행 (공정속도가 더딤)
vi. 세정액 : Slimming 전후 기능수 세정
vii. 고객사 : BOE, Truly, VPT 등 중국업체
viii. 기타 : 1. 중국 광저우 소재
2. Slimming 후 Polishing 진행
3. 현재 G4.5가 최대 사이즈임
4. Slimming 후 이면 ITO 형성을 연계 진행 해서 LCD module 제작회사 또는 SI에 납품
■기타 슬리밍 업체
I. 대만 및 중국: 각 패널 제조사와 연결되어 있는 중소 슬리밍 업체가 난무해 있음 -> 국내 슬리밍 기술 도용사례가 빈번하다.
ii. 일본: 외부 업체가 슬리밍을 맡기 보다는, 중소형 패널을 제작하는 LCD 업체 내부에서 자체적으로 운영하는 것이 빈번하다.
기술 방식은 Dip 방식이 주로 사용되고 있다.
Glass 슬리밍의 SWOT 분석 (vs. Thin Glass)
■Strength
i. 현재 운영중인 LCD 공정에 적용가능 - 기존 Fab 설비 개조 불필요.
ii. 0.2mm이하로 유리 기판의 두께를 줄일 수 있는 유일한 방법
■Weakness
i. 공정단계 증가에 의한 Glass 파손, Pinhole, Mura 등 공정불량으로 인한 Yield 감소
ii. 제조 Cost 증가
iii. HF의 독성/ 환경규제
그림 13. 슬리밍 기술 발전 트렌드
그림 14. 국가별 핵심특허수 비교(특허청 산업원천기술개발사업 보고서, 2009)
결론 및 시사점
■Opportunity
i. 스마트폰 및 태블릿 등 모바일 제품의 두께를 줄이고 무게를 낮춰, 보다 휴대성이 강조된 제품을 소비자가 요구함
ii. 1인 1 제품화가 가속됨-스마트 제품군
iii. 신흥시장의 Smart 제품의 폭발적인 수요 증가
iv. (Thin Glass가 출시되더라도) Thin Glass 공정에 부적합한 기존 설비 - 기존 Fab은 Glass를 Slimming해야 됨
■Threat
i. Flexible Display기술의 진보와 Glass 제조사의 Thin Glass 출시 압박
ii. 가벼운 소재의 Plastic 기판 기술의 발전
iii. 새로운 Fab 설립시 Thin Glass 적용 설비가 가능하므로, 별도의 슬리밍 공정 불필요.
슬리밍 사업 전망 및 제언
통신 및 인터넷 환경의 발달, 모바일 단말기와 연관된 기술의 진보는 스마트폰과 태블릿으로 대변되는 새로운 ICT 제품의 탄생을 가져왔고, 애플과 구글이 구축해 놓은 새로운 ICT 생태계에서 이루어지는 새로운 서비스는 스마트용 모바일 단말기 시장의 급팽창을 이끌고 있다.
이러한 배경하에, 전방 산업인 ICT 관련 제품, 특히 스마트 기기용 모바일 단말기의 수요증가가 급속히 이어진다고 볼 때, 핵심부품인 평판디스플레이의 후방산업인, 슬리밍 산업은 참여기업이 성장과 이익 모두를 누릴 수 있는 분야이다.
현재, 한국, 일본, 대만, 중국을 놓고 볼 때, 슬리밍 기술 및 운영 규모는 한국이 가장 앞서고 있으며, 보다 적극적인 연구개발 및 확보기술의 지적재산권화가 이루어진다면, 이러한 우위를 지속적으로 점할 수 있다.
※이 글은 해외 첨단기술조사사업 사업의 일환으로 지원한 디스플레이 패널의 슬리밍 기술 동향 정보 조사 최종보고서로 한국과학기술정보원에 제출한 보고서입니다.
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