Hot Tech - 인쇄전자기술과 플렉시블의 융합, “IT의 기술 혁명” 이룬다
플렉시블 디스플레이를 조기 상용화하기 위해 인쇄전자(프린팅) 기술과의 융합을 통한 생산기술 혁명이 시작됐다.
인쇄전자는 면적에 상관없이 저렴한 비용으로 디스플레이를 생산할 수 있는 기술이다.
프린팅 공정기법으로 유연 기판에 회로를 적용하는 방식인 인쇄전자기술은 플렉시블(구부릴 수 있는) 전자소자를 만들 수 있을 뿐 아니라, 식각 · 노광 공정을 여러 번 거쳐야 하는 현재 포토 리소그래피 공정에 비해 친환경적으로 대면적 전자소자를 제작할 수 있다는 장점이 있다.
플렉시블 디스플레이를 위한 인쇄공정기술의 개발
차세대의 플렉시블 디스플레이는 두루마리 형태로 말 수 있고(Rollable), 종이처럼 접거나 구부릴 수 있다(Curved, Bendable).
또한 외곽 디자인이 자유롭고 기판이 유연성(Flexibility)을 갖고 있어서 깨지지 않는 튼튼한 디스플레이로 정의되고 있다.
플렉시블 디스플레이의 생산성을 더욱 높이기 위해서는 기존의 증착-포토-식각의 포토리소그래피(Photolithography) 공정에서 벗어나, 인쇄전자기술을 접목한 프린팅과 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정 등의 새로운 공정 기술에 대한 연구가 진행되어 기존 공정 대비 혁신적인 원가절감이 가능한 공정 변화가 요구된다.
최근 개발되고 있는 패턴인쇄기술의 특징은 기존의 전자제품을 생산하는 증착-포토-식각의 포토리소그래피 방식과 달리 신문이나 잡지, 포스터 등의 인쇄물을 제작하는데 사용하는 인쇄기술을 전자소자의 제조에 적용하는 것이다.
이러한 인쇄기법은 기존의 방식에 비해 공정이 단순하고 비용이 낮은 장점을 갖고 있다.
또한 연속적인 유기재료의 패턴공정을 확보할 수 있어 대면적에서 균일한 소자를 제작할 수 있다.
현재 개발된 인쇄공정 중 잉크젯 프린팅(Inkjet Printing), 그라바아 프린팅(Gravure Printing), 임프린트 리소그래피(Imprint Lithography), 그리고 오프셋 인쇄법(Offset Printing)이 집중적으로 관심을 받고 있다.
하지만 유기전자소자 성능의 최적화와 플렉시블 디스플레이의 구현을 위한 최적의 인쇄전자기술의 개발은 아직 많은 도전을 필요로 한다.
제4의 산업혁명, 인쇄전자기술의 정의와 시장 현황
1) 인쇄전자 기술(Printable Electronics Technology)이란?
인쇄전자기술(Printable Electronics Technology)을 쉽게 설명하면 기능성 잉크 또는 페이스트를 사용해 우리가 원하는 패턴과 모양을 종이나 필름과 같은 곳에 전이시키는 원리를 활용한 것이다.
최근에는 이를 더욱 확대하여 인쇄 장비기술을 사용해 유기 전자재료를 패터닝, 코팅하는 인쇄전자기술이 미래 선도 기술로서 이슈가 되고 있으며, 국내에서도 미래산업 선도기술 개발사업의 일환으로 인쇄형 OLED 조명, Digital Signage, Active Wallpaper, FPCB 등의 연구 개발이 활발히 진행 중이다.
인쇄전자기술은 과거 신문, 잡지 등을 인쇄하듯이 연속 인쇄 생산 시스템을 기반으로 유기 전자재료를 중첩 인쇄함으로써 다양한 전자소자를 생산하는 것이다.
과거의 미디어 인쇄기법에서는 단지 글자의 가독성과 그래픽 구현성이 시스템의 정밀도를 좌우했기 때문에 저해상도 혹은 중해상도 수준의 인쇄성만 갖춘 시스템으로 제작이 가능했다.
하지만 인쇄전자기술에서는 이러한 패터닝 혹은 코팅의 작은 오차가 전자소자의 성능과 동작유무에 직접적인 영향을 미칠 수 있기 때문에 아주 높은 정밀도를 요구하는 시스템으로 구현돼야 한다.
더불어 인쇄전자용 초정밀 연속 생산 시스템은 이전의 반도체 중심의 생산 공정을 대체하고자 하는 최신의 청정 생산 공정이므로 그 정밀도는 반도체 소자에 적용 가능한 고해상도가 기본적으로 이용될 수 있어야 하며, 동시에 반도체 공정과는 다르게 상온, 상압, 연속의 세 가지 요소를 모두 만족시켜야하는 어려움을 갖는다.
현재 이러한 시스템은 전통적으로 인쇄기술이 발달한 유럽이 이전부터 미디어 인쇄 시스템을 주도해 온 독일을 중심으로 핀란드, 덴마크 등의 유럽 선진국에서 기술 개발을 추진 중이며, 정부주도의 R&D가 활발한 미국, 일본, 그리고 거대한 내수시장을 보유한 중국, IEC TC119 기술위원회 설립을 주도한 한국 등이 전 세계 인쇄전자 시장을 주도하면서 기술 개발에 더욱 박차를 가하고 있다
2) 인쇄전자 시장 현황
이러한 생산시스템의 혁신으로 인쇄전자는 초저가 대량 생산을 가능하게 하는 등 시장성 · 경쟁성 · 전략성이 매우 우수하기 때문에, 전 세계 인쇄전자 시장규모는 2011년 32억 달러에서 2020년 661억 달러로 20배 성장을 전망하고 있다.
오는 2025년 인쇄전자 관련 산업의 매출액은 77조 원, 수출액 450억 달러, 고용효과 6.4만 명, 투자유발효과 17.4조 원 등 국내 경제에 미치는 영향도 크게 증가할 것으로 전망하고 있다.
또한 2013년 디스플레이뱅크 자료에 따르면 FPCB(연성인쇄회로기판)와 TSP(터치스크린패널) 인쇄전자 시장도 급성장할 것으로 전망하고 있다.
인쇄전자기술을 활용한 FPCB의 시장은 얇고 가벼운 스마트기기들의 수요 증가와 함께 시장이 점점 커지는 추세이기 때문이다.
성장기로 접어드는 2015년 6,000억 원에서 2020년 2.5조 원의 시장을 예측하고 있으며, 2020년에는 전체 FPCB 시장의 25% 가량을 인쇄전자기술 적용 제품이 점유할 것으로 보고 있다.
롤투롤(Roll-to-Roll) 프린팅 기술
1) 인쇄전자기술 개발 현황
인쇄전자 공정 및 장비에 대한 연구 개발은 세계적으로 원천기술 확보를 위한 연구 진행 단계에 머물러 있다.
우리나라도 원천기술에 대한 연구 개발에 뛰어든 상태다.
아직 상용화 기술이 개발되지 않아 우리나라 입장에서 볼 때, 관련 시장에 대한 진입 장벽이 거의 없다고 할 수 있다.
따라서 인쇄전자 소자 생산에 적합한 초정밀 롤 프린팅 장비, (소자)공정, 재료(소재)등의 원천기술을 선점하면 미래 신산업인 인쇄전자 산업을 국내 기업이 선도할 수 있는 기회를 얻게 될 것이며, 글로벌 시장의 주도권 확보도 가능할 것이다.
인쇄전자 생산시스템의 토털 솔루션을 제공하기 위해서는 장비 · (소자)공정 · 재료(소재)의 매칭이 필수적이다.
먼저 상용화할 소자를 선정하고 이를 최적 공정에서 생산하기 위한 장비 및 소자 특성에 맞는 소재를 개발해야 한다.
롤투롤(Roll-to-Roll) 프린팅 장비는 기능성 페이스트 또는 잉크를 이용해 전자소자에 필요한 미세 패턴을 프린팅하여 기존 반도체공정의 노광 · 식각 장비를 대체하는 것이다.
낮은 비용으로 인쇄전자소자를 대량 생산하기 위해서는 고속의 롤투롤(Roll-to-Roll) 연속 프린팅 장비를 개발해야 한다.
기본적으로 반도체 공정(포토리소그래피, Phothlithography)에 비해 저온 상압 공정을 기반으로 하며, 유연기판에 대면적 고속 연속생산이 가능하므로 기존 반도체 공정과 비교해 공정 장비 및 시설 투자비용이 매우 저렴한 장점을 갖는다.
이러한 장점은 유연 인쇄전자소자의 초저가 대량생산을 가능하게 해 다품종 대량 생산에 가장 적합한 형태라고 볼 수 있다.
공정적인 측면에서는 필요한 부위만 패터닝하는 에디티브 공정이 이용되므로 재료 소모가 적고 오염 물질배출을 크게 감소시키는 친환경 공정의 요소도 포함하고 있다.
2) 롤투롤(Roll-to-Roll) 프린팅 기술
롤투롤(Roll-to-Roll) 프린팅 장비 기술에 적용 가능한 기술 크게 접촉식과 비접촉식 프린팅 기술로 구분할 수 있으며, 이를 복합적으로 접목한 하이브리드 방식도 존재한다.
(1) 접촉식 롤투롤(Roll-to-Roll) 프린팅 기술
접촉식 롤투롤(Roll-to-Roll) 프린팅 기술에는 여러 가지가 존재한다.
Roll-to-Roll printing(Gravure, Gravure offset, Flexo, Reverse offset), Roll-to-plate printing, Screen printing, Thermal-roll imprinting 등이 있으며, 이 중 대표적인 세 가지 프린팅 기술로 그라비어(Gravure) 프린팅, 플렉소(Flexo) 프린팅, 그라비어 옵셋(Gravure offset) 프린팅 기술을 꼽을 수 있다.
제판 롤이 오목으로 각인되어 전이되는 기술이 그라비어(Gravure) 프린팅 기술이며, 볼록으로 각인되어 전이되는 기술은 플렉소(Flexo) 프린팅 기술이라고 부른다.
또한 오목 제판을 실리콘 혹은 러버 등의 재질로 구성된 블랑켓 롤에 전이 시킨 후 다시 기판으로 전이하는 방식을 그라비어 옵셋(Gravure offset) 프린팅 기술이라고 한다.
각각의 인쇄기술은 장단점을 포함하고 있지만, 이 중 박막 코팅과 패터닝 그리고 미세 패턴 형성에서 좋은 인쇄결과물을 얻을 수 있는 그라비어 옵셋 인쇄기술이 인쇄전자분야에서 보다 좋은 결과를 나타내고 있다.
최근에는 LCD 컬러필터 등 디스플레이 및 전자 회로에 응용되고 있다.
하지만 블랑켓(Blanket) 롤로 전이된 잉크를 다시 기판으로 전이시키는 과정에서 직접적으로 패턴롤로부터 전이되는 그라비어 방식이나 플렉소 방식에 비해 제어가 어렵다는 단점이 있다.
또한 인쇄하고자 하는 잉크, 다시 말해서 기능성 인쇄 재료에 대한 인쇄 영향력이 높기 때문에, 블랑켓 성질을 고려한 잉크의 선정이 어렵다는 점과 블랑켓 수명이 수십~수백 회 밖에 되지 않는다는 단점을 가지고 있다.
그라비어 인쇄기술은 높은 생산성을 지니고 있으나 유연기판에만 적용 가능하다.
또한 다른 인쇄 방법에 비해 상대적으로 저해상도를 지니며 낮은 인쇄 두께를 갖는다는 단점이 있다.
현재 국외에서는 인쇄전자 분야에 대부분 그라비어 프린팅이 적용되고 있으며, 이에 따라 보다 미세한 선폭 인쇄에 한계를 갖게 되면서 접촉식 프린팅 기술에서의 지속적인 장비 및 재료 개발이 요구되고 있다.
또한 다이니폰 프린팅사나 토판 프린팅사 등의 일본 업체들은 그라비아 인쇄를 스크린 인쇄법과 함께 플렉시블 유기전자소자의 중요한 제작 공정으로 검토하고 있으며 특히 인쇄회로 형성에 유력할 것으로 기대하고 있다.
(2) 비접촉식 롤투롤(Roll-to-Roll) 프린팅 기술
비접촉식 롤 프린팅 기술은 기본적으로 비접촉식의 박막 코팅 패터닝 공정이 포함된 롤 프린팅 장비기술을 가리킨다.
비접촉식의 가장 대표적인 기술로는 잉크젯(Inkjet)을 들 수가 있다.
잉크젯은 과거부터 지속적인 발전을 보였고, 최근에는 다양한 산업 분야에도 적용돼 현재 비접촉식 방식 중에서 가장 기술적으로 쉽게 적용 가능한 기술로 판단된다.
하지만 잉크젯 기술에는 태생적으로 공정이 지닌 노즐 막힘 현상이나 박막 코팅에 대한 어려움이 포함되기 때문에 인쇄 전자기술에서는 스프레이 방식이나 다른 비접촉식 공정기술이 연구되고 있다.
스프레이 방식은 과거 페인팅처럼 임의의 면을 코팅하는데 있어 손쉬운 구성과 적용으로 많이 사용돼 온 방법이다.
기본적으로 공압을 이용한 분사방식을 채용하며 특히 인쇄전자분야와 같이 유기물의 박막코팅이 다중으로 형성되는 공정에서는 적용이 용이한 장점을 보유하고 있어 유기 박막 태양전지 분야 등에서 주로 이용되고 있다.
하지만 기존의 공압 스프레이 코팅방식은 코팅박막의 정밀 두께 제어가 어렵고 좋은 표면 거칠기를 형성할 수 없다는 단점으로 인해 최근에는 고전압을 이용한 ESD(Electrostatic Spray Deposition) 박막 코팅기술이나 Aerosol jet 등과 같은 특수한 스프레이 기술이 인쇄전자 분야에 접목되고 있다.
이 기술들은 일반적인 공압 스프레이 코팅기술에 비해 아주 작은 입자의 분사가 가능하여 보다 양호하고 얇은 박막을 구현할 수 있다는 장점을 지닌다.
원리는 ESD의 경우 고전압을 노즐에 가해유기물 입자를 잘게 쪼개어 분사하는 방식이며, Aerosol jet은 초음파 등과 같은 분무 여과기를 거쳐 올라온 작은 입자를 유도 가스를 이용해 분사하는 기술이다.
이와 같은 박막 스프레이 공정 외에도 다이렉트로 메탈을 녹여 패터닝하는 메탈젯(Metaljet)기술과 고전압 ESD 기술을 활용하여 잉크젯과 같이 드롭으로 토출 가능한 EHD(Electro Hydro Dynamic)패터닝 기술도 이용되고 있다.
인쇄전자기술의 향후 전망
인쇄전자 장비 분야가 시장 진입 단계로 접어든 것으로 보인다.
앞으로 플렉시블 디스플레이, 플렉시블 전자부품 등의 기반 기술을 수행하기 위해 다양한 디바이스(소자)의 양산에 적합한 인쇄공정 개발과 장비의 매칭이 필요하며, 디바이스 특성에 맞는 소재가 균형 있게 개발되어야 한다.
인쇄 공정에서 패턴의 인쇄성, 중첩 정밀도, 정확도, 미세화, 두께 등은 중요한 요소다.
또한 생산성에 있어 대량 양산 가능성의 재연성과 높은 수율 그리고 기존 생산 공법과의 매칭도 중요한 이슈이다.
인쇄전자는 디스플레이, RFID, 조명, 태양전지, 전지(Battery) 등 반도체나 소자, 회로 등이 쓰이는 거의 모든 영역에 일대 변혁을 일으킬 수 있는 잠재력을 지녔다.
나아가 고성능 집적회로(IC)까지도 기존의 실리콘 기반의 제품을 대체할 수 있는 가능성을 열어놓고 있다.
전자산업뿐 아니라 보안서비스, 포장 및 유통, 환경 · 에너지, 헬스케어 산업까지 광범위한 응용이 가능하다.
인쇄전자 시장은 아직 초기 단계에 있지만 재료 및 공정 기술의 발전과 수요의 고도화에 힘입어 급팽창할 것이며, 인쇄전자기술은 미래 유망 기술로 각광받고 있다.
인쇄전자는 잉크 및 기판 재료 기술, 인쇄기술이 융합된 특성을 지니고 있기 때문에 대부분의 기업들이 단독으로 사업을 전개하기 보다는 서로 유기적으로 협력하고 있다.
최근 대기업뿐 아니라 중소기업에서도 투자가 확대됨에 따라 향후 인쇄전자기술이 발전할 경우 국내 업계가 일본에 상당 부분 의존하고 있는 소재 · 장비 분야에서 국산화가 이루어질 수 있을 것으로 전망된다.
소재, 장비, 공정은 물론 제품 디자인 등의 측면에서 기존 전기 · 전자 산업에 미칠 인쇄전자의 파괴력을 고려하여 상용화를 위한 많은 연구개발이 필요하다.