[특별기획] 평판디스플레이 소재 및 공정기술

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안 경 현

서울대학교 화학생물공학부, [email protected]

화학 산업은 지난 반세기 동안 급속히 성장하여 국가기반산업으로서 국가 발전에 크게 기여하였다.

하지만 최근 전자산업의 급속한 발전과 글로벌 시대의 무한 경쟁이라는 새로운 환경 변화 속에서 화학 산업 은 새로운 패러다임과 새로운 도전을 요구받고 있다. 화학 산업의 지속적인 성장을 위해서는 기존의 전통적 인 화학 산업 외에도 디스플레이, 배터리 등과 같은 새로운 산업 분야에서 새로운 부가가치를 창출하여야 하 겠다. 평판디스플레이 산업은 최근 수년간 눈부신 비약을 거듭하여 국가기간산업으로서의 위상을 높이고 있 다. 반도체와 더불어 전자산업의 총아로 여겨지고 있으나 국가 간 또는 기업 간의 경쟁이 치열하고 발전 속도 가 빨라 기회요인과 위험요인을 동시에 가지고 있기도 하다. 디스플레이 관련 산업기술을 자세히 살펴보면 회로 설계를 제외하고는 수많은 전자재료와 그의 공정으로 이루어진 화학 산업의 새로운 모습에 불과하다는 것을 알 수 있다. 특히 초기 투자에 의한 경쟁단계에서 벗어나 공정기술에 의한 생산성 경쟁이 격화되고 있는 최근의 시장 환경을 고려해 보면 소재 개발과 공정기술 개발이 향후 디스플레이 산업의 성쇠를 쥐고 있는 핵 심임을 알 수 있다. 결국 화학 산업은 디스플레이 산업과 같은 신산업에서 새로운 성장 동력을 찾아야 하고, 또한 디스플레이 산업은 화학 산업의 역량을 흡수하여야 지속적인 성장이 가능할 것이다. 위와 같은 산업 및 기술의 발전 단계를 고려해 볼 때, 디스플레이 산업의 핵심 공정기술을 화학공학의 관점에서 리뷰해 보는 것 은 의미 있는 일일 것이다. 본고에서는 디스플레이 공정의 핵심공정인 코팅 및 패키징 공정에 대해서 살펴보 고, 또한 코팅 공정의 새로운 방법론으로서 최근 급속히 부각되고 있는 잉크젯프린팅 기술에 대해서 알아보 기로 한다.

가령 LCD 판넬 제조 공정에 있어서 color resist의 도포는 과거 스핀코팅 공정을 통하여 쉽게 구현할 수 있 었지만, 소비자의 욕구와 생산성 향상을 위해 점차 판넬의 대형화가 진행되어 더 이상 스핀코팅 공정을 통한 생산이 가능하지 않게 되었다. 수십 kg의 대형 유리판을 수천, 수만 rpm으로 회전시켜 수 마이크론의 두께를 제어하는 것이 경제적으로나 기술적으로 유리하지 않게 된 것은 일면 당연할 것이다. 이에 따라 최근에는 non-spin 코팅공정이 사용되고 있다. non-spin공정은 다양한 이름으로 불리긴 하지만 기본적으로 코팅 공 정의 핵심 개념은 동일하다고 볼 수 있다. Slot이나 slit을 통과하는 코팅액을 유리 기판에 균일하게 도포하여 야 하는데, 이 때 기판의 크기는 현재의 7세대 디스플레이를 기준으로 가로세로 약 2미터이고, 제어되는 코팅

특^별기획

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…NICE, 제23권 제5호, 2005

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특·별·기·획

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 23, No. 5, 2005…

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두께는 수십 마이크론 이하, 건조 이후의 최종 두께는 마이크론 수준이니, 이는 축구장을 머리카락 한 겹으로 균일하게 도포하는 정도의 정밀한 작업이 된다. 더욱이 어려운 점은 이들 코팅액이 대부분 100 나노미터 전 후 크기의 입자들과 고분자 및 용매들이 섞여있는 매우 복잡한 미세구조를 갖고 있어, 점성유체나 고분자용 액의 코팅과 달리 유동에 의한 내부 구조를 제어하는 것이 매우 중요하다는 것이다. 이렇듯 복잡한 내부 구조 를 갖는 물질들은 공정 중에 유동으로 인하여 내부 구조가 변하기 때문에 이를 제어하는 것이 매우 중요하며, 이는 품질 및 생산성 향상에 결정적인 한계 기술로 작용하게 된다. 지금까지의 산업 코팅 기술이 장비 및 작 업자에 주로 의존하여 온 것에 반하여, 성숙된 산업에서의 공정기술은 이러한 미세구조를 제어하는 기술 역 량에 의존하게 될 것이며, 여기에 화학공학의 새로운 도전이 기다리고 있는 것이다. 코팅 공정의 또 다른 도 전은 잉크젯 프린팅 기술과 맞물려 있다. Color filter 제조공정은 코팅 및 식각공정을 수차례 반복하므로 이 를 잉크젯 기술을 이용하여 도포한다면 극단적인 생산성 향상을 기할 수 있을 것으로 기대된다. 최근 일본의 S사는 8세대 생산라인을 잉크젯기술을 이용하여 가동시키겠다고 선언한 바 있으며, 이는 기존 경쟁구도를 재 편할 수 있을 정도의 위협적인 것으로서 국내 관련사들의 효율적인 대처가 심히 요구되는 상황이다. 이와 관 련된 핵심기술은 빠른 이동 중에도 마이크론 단위의 길이를 효과적으로 제어할 수 있는 메카트로닉스 기술과 적절한 잉크원료의 개발에 있다. 산업용 잉크젯 기술의 개발과 아울러 나노입자의 분산과 미세구조의 변화를 제어할 수 있는 소재 및 공정기술의 개발이 절실히 요구된다고 하겠다.

한편 디스플레이의 구동을 위해서는 IC chip을 통하여 각각의 화소에 전기신호가 효과적으로 전달되어야 하는데, 이러한 기능은 과거 납땜공정을 거쳐야 했지만 최근에는 비등방성전도성필름(ACF)을 이용하여 간단 히 수행된다. ACF는 경화성 수지에 수 마이크론 크기의 전도성 입자들을 가득 담아 놓은 반경화 필름으로서 유리 기판과 driver chip을 붙여주는 접착제의 역할을 수행하며, 아울러 통전 기능도 수행함으로써 디스플레 이의 구동을 제어하는 중간체로서의 기능을 수행한다. Chip 하단부에는 개별 회선이 연결되는 수많은 bump 가 존재하는 데, 각각의 bump가 효과적으로 기능하기 위해서는 각 bump 하단에 충분한 수의 도전볼이 위치 하여야 한다. 접착과정 중에 입자를 포함한 필름의 빠른 유동이 수반되는데, 이때의 유동 및 입자분포를 제어 하는 것이 공정의 핵심 기술이 된다(가령 1,024×768 해상도라면 1,024×768×3개의 구동회선이 bump를 통 하여 제어되어야 하며, 각 bump 하단에 도전볼이 충분히 위치하지 않으면 바로 화소불량이 됨). 디스플레이 의 크기가 작고 bump의 개수가 상대적으로 작을 때에는 별 문제가 없으나 판넬이 대형화 될수록 chip의 크 기가 커지고 구조가 복잡하게 되어, 유동과 입자의 움직임을 제어하는 것이 어렵게 된다. 이는 COG(Chip On Glass)공정과 같이 접착과정을 in-line에서 단번에 수행하고자 하는 경우 특히 문제가 되며, 이는 바로 생산 성 향상과 직결되는 것이다.

결국 위에서 제시된 코팅 및 패키징 공정의 문제들은 생산성 향상과 경쟁력 유지에 핵심적인 것이며, 모두 입자를 포함한 복잡한 유체들의 흐름 및 내부구조 제어와 관련한 문제들이다. 이는 결국 적절한 소재의 개발 과 이와 관련한 공정기술 개발이라는 전형적인 화학공학의 문제로 귀결되며, 관련 산업의 급박한 시장 환경 을 고려해 볼 때, 화학공학자들의 보다 적극적인 기여와 헌신이 요구된다고 하겠다. 이에 본고에서는 관련 기 술들을 개괄하여 살펴보고자 한다.