액정패널용 플라스틱 기판 재료의 기술현황

* 자료출처 : 화학소재정보은행

<편집자 주>
디스플레이 산업은 LCD, PDP, OLED 및 차세대 디스플레이를 중심으로 지속적인 성장이 예상되는 산업이며 향후에도 반도체, 휴대폰과 더불어 한국의 경제 성장을 견인할 핵심 산업분야이다. 특히, 한국의 디스플레이 산업분야의 시장 점유율은 약 50% 가까이로 현재 세계 1위의 경쟁력을 가지고 있으며, 미래의 디스플레이 기술은 소재와 공정이 접목되는 형태의 기술개발이 매우 중요해질 것으로 예상된다.

1. 서론

디스플레이용 소재개발의 필요성

디스플레이 기술은 생산가격, 화질의 선명도, 화면 크기, 경량화, 휴대성, 공정의 단순화, 소요 전력 등에서 서로 다른 장단점을 갖고 있어 선택적으로 적용됨과 동시에 기술적인 보완을 위한 적극적인 기술투자가 진행되고 있다. 이러한 기술경쟁의 기반이 되는 소재가 투명 플라스틱 재료이다.
디스플레이용 투명 플라스틱 재료는 광학기능을 기본으로 하는 디스플레이 제품의 제조 과정에서 투명한 시트, 필름, 코팅 형태로 성형됨과 동시에 초정밀 가공 공정을 거쳐 디스플레이에 필요한 특정 기능을 발현한다. 투명 플라스틱 재료는 편광기능, 색 순도 향상 기능, 반사방지 기능, 전자파 차단기능, 적외선 차단 기능, 보호막 기능 등 부품과 유사한 기능까지도 함께 갖는 기능성 소재라는 특성이 있다. 또한 새로운 기능을 갖는 소재 개발은 새로운 디스플레이 제품 개발과 직결되어 있으며 새롭게 출현하고 있는 OLED나 Flexible Display의 성패가 새로운 기능의 투명 플라스틱 재료 개발에 깊이 연관되어 있다.
디스플레이의 제조에 사용되는 주요 투명 플라스틱 재료는 PC, PET, PMMA, PES, PVA, PE, PI 등으로 다양하며 재료를 그대로 사용하기 보다는 제품별로 적합한 특수 정밀 가공에 의해 기능성을 부여하는 형태로 사용되고 있다. 이러한 플라스틱 재료는 대부분이 일본에서 거의 독점 형태로 공급하고 있으며, PVA, PC, PO, TAC 등의 수지는 일본에서 완전 독점 공급하고 있다. 이러한 현상은 부품?소재 분야에 있어 대일 무역 역조가 과거 40년 간 지속?증폭되어 온 단면을 보여준다.
디스플레이에 사용되는 투명 플라스틱 재료를 일본이 거의 독점 공급해온 이유는 그 첫째로 매우 R&D에 집중되어 높은 기술력이 필요하지만 단일 품목의 시장은 그리 크지 않아 중견 기업용 품목이다. 이는 한편으로는 장기적이고 지속적인 R&D 투자를 필요로 하나 다른 한 편으로는 디스플레이 산업의 존속과 신제품 개발을 위해 필수적인 기초 기술이라는 측면에서 국가차원의 지원 하에 추진됨이 필요하다는 의미이다.
두 번째로는 기술융합 성격이 강해 이종 기술이나 기업 간의 협력이 필수적이라는 점이다. 디스플레이용 투명 플라스틱 재료 기술은 화학기술과 전자 및 IT 기술의 경계 영역에 존재하기 때문에 개발은 화학 산업이 주도해야 하나 IT 및 전자 산업과의 협력이 필수적이다. 이러한 조건은 우리나라나 미국 및 유럽의 기업계에서는 수용하기 쉽지 않은 조건이나 일본에서는 기업 간 또는 산학관 간의 유기적 협력 체제가 이루어지기 쉬운 풍토가 존재하기 때문에 일본이 독점 체제를 갖추기에 안성맞춤이라 할 수 있다.
디스플레이 분야의 소재는 일본이 소재기술 및 공급을 70% 이상을 차지하고 있으며, 더욱이 핵심 기능성 소재의 경우는 일본이 전 세계시장의 90% 이상을 차지하고 있다.
특히, 현재 편광필름에 사용되는 소재는 전량 100% 일본에서 수입을 하고 있는 현실이다. 일본과 한국과의 소재기술의 차이가 15년 정도이며, 최근 일본은 소재 기술에 대한 기술개발을 더 강화하고 있는 추세이다. 이에 따라 한국의 소재 기술 개발이 정부의 주도하에 적극적으로 이루어지지 않는다면, 향후에 있어서 한국의 FPD 산업은 국가적으로 위기에 봉착 할 것으로 예상된다. 이와 같은 산업 구조 하에서 디스플레이 핵심소재의 대부분을 수입에 의존하는 한국이 소재의 극심한 특히 대일의존성을 탈피하지 않고는 한국의 디스플레이 산업의 미래는 확고히 정착할 수 없다.

2. 본론

액정패널의 구조

LCD에 사용되는 투명 플라스틱의 재료는 크게 액정패널(액정셀 및 편광판)에 사용되는 투명 플라스틱 재료와 백라이트유닛(Backlight Unit)에 사용되는 투명 플라스틱 재료로 분류할 수 있다.
한편, 액정 패널의 기판은 박막 트랜지스터(TFT: Thin Film Transistor), 액정(Liquid Crystal), 칼라필터, Black Matrix, Spacer Ball 등 액정패널의 모든 부품을 탑재하는 투명지지 기판으로 전, 후(또는 상, 하) 두 개의 투명판으로 구성된다.
백라이트유닛에 의해 면광원 형태로 변화된 광선은 액정패널의 뒷면으로부터 입사하여 후면의 기판을 통하여 액정패널에 입사한다. 입사된 광은 TFT, 액정 층, 칼라필터, 투명전극 등을 통과하는 과정에서 화상으로 되고 전면의 기판을 통과하여 외부로 투영된다.

액정패널 기판용 투명 플라스틱의 종류와 특성

액정 패널의 기판재료는 일반적으로 얇은(두께 약 0.12~3.0㎜) 유리판이 사용되나 경량화, 박형화의 추세에 따라 STN 및 MIM 형의 Passive Matrix 방식의 소형(1.3인치 급)의 LCD 용도에서부터 PC, PES 등의 플라스틱 필름을 재료로 하는 액정패널 기판이 1990년대 중반부터 모바일용에 상용화되기 시작했다.
모바일용 LCD 용도로는 손목시계, 포켓전자계산기, PDA(Personal Digital Assistant), 휴대전화, 디지털카메라, 소형 노트북PC 등이다.
플라스틱 기판은 유리 기판에 비해 경량화, 박형화에 유리하고, 유리에 비해 월등한 내충격성, 곡면가공의 용이성 등 휴대용 기기용으로 매우 바람직한 장점을 가지고 있다. 일례로 PDA용의 3.8인치 TFT 액정패널에서 유리 기판 패널은 무게 15g, 두께 0.5~0.7㎜지만 플라스틱 기판 패널은 무게 3그램, 두께 0.2㎜로 줄일 수 있다. 그러나 플라스틱 기판 액정 패널의 상용화 속도는 기술 문제에 봉착하여 발전 속도가 기대하는 바에 미치지 못하고 있다.
액정패널 기판으로 사용되는 플라스틱이 갖추어야 할 기본적인 특성은 무색·투명하고(투과율 85% 이상, 550㎚ 파장), 내열성(200℃ 이상), 치수 안정성(0.01% 이하), 내화학성, 내습성 등이 우수하고, 광학적 성질이 양호해야 한다. 이중 내열성은 특히 중요하여 200℃ 이상이 필요하다.
액정패널용 기판으로 개발된 고분자로는 PC, PI, PES, PAc, PEN, PET, PEEK, PEI, COC 등이 있다. 이중에서는 PI, PEEK, PEI 등은 200℃ 이상의 내열성과 우수한 내화학성 및 광학 특성을 갖고 있지만 수지 자체에 옅은 착색이 있어 디스플레이용으로는 한계가 있다.
200℃ 이상의 내열성을 갖는 고분자 중에는 PES가 적합한 특성을 갖고 있으며 PC, PEN, PET 등은 광학특성은 우수하나 내열성이 낮아 고온공정에서는 사용이 불가능 하다. PES의 경우에는 230℃ 공정이 가능하다. TN형 LCD에서는 내열성이 높은 PES가 사용가능하며,   STN형 LCD에서는 내열성은 낮으나 광학 특성이 우수한 PC를 사용할 수 있다.
플라스틱 기판은 광학적 등방성이 유리에 비해 떨어지고, 가스 차단 성능이 떨어진다는 단점이 있다. 공기가 액정에 침투하면 과포화 상태의 기포가 발생하여 화면에 흑점으로 나타나는 결함이 발생하며 이는 전반적인 디스플레이의 화소 구현에 이러한 단점을 보완하기 위하여 플라스틱 기판 필름 양면에 대한 가스투과 방지막(Gas Barrier)의 개발이 활발히 추진되고 있다.
액정 패널 기판에 요구되는 기타 조건은 투명도전막과의 밀착성이 양호해야 하며 표면 평활성이 양호해야 한다. STN-LCD 기판의 경우 1만분의 1㎜ 수준의 Gap을 제어하는 수준의 정밀한 평활도를 요구한다. 유리 기판에서는 표면을 연마하여 평활도를 높이는 것이 일반적이지만 플라스틱 기판의 경우 연마는 거의 불가능함으로 정밀도장 기술, 적층 등을 복합적으로 활용된다.

투명 플라스틱 기판의 개발 현황과 산업 동향

초창기에는 플라스틱 기판 LCD가 유리 기판에 비해 3~5배의 고가라는 문제가 있었으나 2002년까지는 유리 기판의 LCD에 비해 2배 정도까지 하락했다. 플라스틱 기판 LCD의 가격 문제는 재질 자체의 가격 문제라기 보다는 플라스틱 기판 위에 TFT를 가공하는 공정의 복잡성에 기인하는 것이다. 이러한 문제로 용도개척이 여의치 않아 부진한 상태를 지속하다가 최근 휴대전화의 급격한 보급 확대에 따라 가볍고 깨어지지 않는 LCD가 강력히 요구되고 있어, 플라스틱 기판 LCD의 연구개발이 급격히 활성화되어 최근에는 휴대전화와 PHS(Personal Handyphone System)에도 사용되기 시작했다.
플라스틱 기판 LCD의 가격 문제를 해결하기 위해서는 앞서 언급한 바와 같이 TFT 공정 온도를 낮추거나 플라스틱의 내열성을 높여야 한다.
현재까지의 추세는 TFT 공정온도를 낮추는 방향으로 추진되고 있다. 2002년 발표된 Sharp사의 4인치 급 플라스틱 기판을 사용한 Active Matrix 방식의 반사형 칼라 a-Si TFT-LCD의 경우에는 TFT 공정을 150℃ 이하에서 처리 가능한 직접법이라는 제조 공정을 개발했다. 또한 2005년 1월 발표된 삼성의 5인치 급 플라스틱 기판 LCD의 경우에도 저온 TFT 공정을 개발한 것으로 알려졌다. 그러나 이들 양사의 LCD 제조에는 아몰포스 실리콘이 TFT 재질로 사용되었다는 단점을 갖는다.
아몰퍼스(Amorphous) 실리콘은 결정성이 아니기 때문에 재질 구조의 균일성이 부족하고, 전기 저항이 높으며, 전자 이동도가 낮아 화질과 동영상의 응답속도 문제가 발생하여 디지털 모바일 통신의 주역이 될 휴대전화용으로는 만족스럽지 않은 문제가 남게 된다.
이러한 문제의 해결 방향으로 가능성이 제시된 것은 플라스틱 기판에 저온 폴리실리콘 TFT를 가공하는 것이지만 가공 비용 문제를 아직 해결하지 못한 상태이다.
저온 폴리실리콘 TFT는 저온에서 결정성의 실리콘을 기판 위에 가공하여 TFT를 형성하는 공정이라는 의미이나 저온이라 해도 아직은 500℃ 정도의 온도를 필요로 하여 유리 기판에는 적용이 가능하나 플라스틱 기판에 직접 가공하는 것은 불가능한 상태이다.
플라스틱 기판은 현재까지 STN-LCD 방식의 단말기에 용도가 집중되고 있었으며 TFT-LCD용은 이제 막 상용화되기 시작한 단계에 있다. TFT-LCD용 플라스틱 기판 개발에 있어서는 300℃ 이상의 내열성을 갖는 플라스틱 개발이 매우 바람직하나 쉽게 해결될 전망은 아니다. 이는 TFT-LCD 제조과정에서 300℃ 정도의 고온처리가 시행되기 때문이다. 이 문제를 해결하기 위하여 유리전이 온도가 높은 COC 수지가 검토되고 있으며, 다우케미컬에서는 350℃까지 견딜 수 있는 기판 수지를 개발하였는데 가격이 매우 고가인 것으로 알려져 있다.
앞으로 플라스틱 기판의 대면적화를 위해서는 내열성 향상에 추가하여, 습식고온 공정에서의 치수안정성 향상, 표면 평활성의 개선 등이 필요하고, 생산성 향상을 위한 투명도전막 가공 공정에 있어서의 성막 속도의 향상 등이 필요하다.

3. 결론

최근 삼성과 애플간의 치열한 특허 소송에서도 알 수 있듯이, 세계 각국의 기업들 간에 사활을 건 우월적 지위를 확보하기 위한 최상의 수단으로써 원천기술에 대한 중요성이 무엇보다 중요한 이슈로 대두되고 있는 실정이다. 이러한 국제여건 하에서 한국이 디스플레이 강국의 입지를 지속적으로 고수하기 위해서는 현 산업 구조에서 매우 취약한 디스플레이 소재 분야에 대한 원천기술 확보가 필요하고 동시에 미래의 신기술에 대한 원천기술 확보에 대한 노력이 꼭 필요하다. 또한 앞으로 도래할 플렉시블 디스플레이 분야를 대응하는 전자종이 구현 기술, 플렉시블 기판용 코팅소재 기술과 신규 광모듈레이터 소재 및 디스플레이 개발에 대한 내용을 포함하여 미래기술에 대한 대응을 적극적으로 진행할 필요가 있다. 이러한 계획적이고 정책적인 투자의 성공으로 인한 파급 효과로는 현재의 디스플레이 시장에서 패널원가의 70%에 달하는 소재부문에 대한 원천기술 확보로 진정한 디스플레이 1위 강국의 위상을 가지게 될 것이고, 지속적으로 성장하는 차세대 디스플레이 부문에 대해서도 시장변화를 가속화 하고 소재에서 제품까지 확고한 기술력 구축으로 최강의 제품 경쟁력을 가지게 할 것이다. 단기적으로는 디스플레이 소재부문 무역수지 개선효과로 인한 경제, 산업적인 효과를 기대할 수 있고 장기적으로는 차세대 디스플레이 부문에서도 기술선도의 밑거름을 마련하여 지속적인 디스플레이 산업의 세계적 강국이 될 것으로 기대한다.