▲ 여러 가지 인쇄법에 의해 형성된 패턴의 해상도와 두께 비교.

HP에서는 SAIL(Self-aligned Imprinting Lithography)이라고 하는 임프린트 기반 R2R 연속공정을 개발하고 있다. 이는 전통적인 인쇄기술로 분류되기에는 무리가 있으나 R2R 연속공정으로 TFT를 제작할 수 있는 유일한 기술이다.

Sony에서는 잉크젯 인쇄법을 이용해 유기반도체 기반 Backplane TFT를 제작해 플렉서블 AMOLED(Active Matrix Organic Light Emitting Diode) 시제품을 시연하고 있다.

Toppan Ink에서는 전극용 금속 잉크소재를 오래전부터 개발해 왔다. 수 년 전부터는 그라비어 옵셋(Gravure Offset)이나 리버스 옵셋(Reverse Offset) 기반의 인쇄 공정을 개발해 SONY와 함께 백플레인(Backplane) TFT를 공동연구하고 있다. 최근 5μm 이하의 선폭을 갖는 Ag 전극을 인쇄하는 공정을 개발 했다.

AIST에서는 마이크로컨텍 프린팅(Microcontact Printing)을 이용해 고해상도 패턴을 형성하거나 E-paper 디스플레이의 백플레인(Backplane) 배선 또는 트랜지스터의 채널을 형성해 TFT 개발을 수행하고 있다.

대만의 국책연구소인 ITRI에서는 Flexible and Printed Electronics 센터를 설립해 연속 공정 기반 스크린 인쇄법으로 제작된 LCD(Liquid Crystal Display) 배너를 시제품으로 시연하는 데 성공했다. 최근 다양한 종류의 E-paper를 인쇄기법을 적용해 제작하고 있다.

UIUC(University of Illinois at Urbana-Champaign)에서는 전이(Transfer) 프린팅 기법을 이용해 우수한 특성의 다양한 종류의 TFT를 보고했다. 유리 기판이나 Si 기판 위에서 우수한 반도체 층을 먼저 제작한 후 스탬프를 이용해 플라스틱 기판으로 전이하는 기술로 작은 기판에 형성된 양질의 소자를 넓은 기판에 옮길 수 있다는 장점이 있다.

국내에서는 삼성전자·삼성종합기술원·삼성SMD·LG디스플레이 등에서 인쇄기법을 활용해 TFT를 제작하는 연구를 다년 간 수행했으며 각종 시제품을 선보인 바 있다. 특히 LG디스플레이의 경우는 리버스 옵셋 인쇄(Reverse Offset Printing)를 활용해 3~5μm급 고해상도 배선 전극 프린팅기술을 보고했다. 이외에도 한국기계연구원에서는 인쇄기술센터가 구축돼 옵셋, 잉크젯 등 다양한 종류의 인쇄 장비와 공정 기술을 연구하고 있고, 한국화학연구원에서는 잉크소재, 한국전자통신연구원에서는 인쇄전자 소자에 대한 연구를 진행 중에 있다.

◇ 인쇄공정 기반 평판디스플레이 구동회로

인쇄기술이 가장 활발히 응용되고 있는 분야 중 하나가 디스플레이 제조공정이다. Seiko-Epson은 LCD용 칼라필터의 제조 공정을 인쇄기술로 대체하는 공정을 개발해 현장에 적용했다.

최근에는 전자종이(E-paper), AMLCD나 AMOLED 등의 화소(Pixel)에 트랜지스터를 하나씩 포함하는 능동형(Active Matrix) 평판 디스플레이의 TFT를 인쇄공정을 통해서 제작하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

플렉서블 전자종이의 구동소자를 인쇄공정으로 제작하는 기술은 이미 많은 부분이 완료돼, 영국의 Plastic Logics나 네덜란드 Polymer Vision, 대만의 ITRI 등에서 시제품을 선보인 바 있다. 국내에서는 ETRI, KETI를 비롯해 삼성전자·삼성SMD·LG디스플레이·LG화학·KIMM·경희대·동아대 등에서 활발히 연구하고 있다.

인쇄기술을 능동형 디스플레이의 백플레인(Backplane) 제조에 응용하기 위해서는 직접 인쇄법을 통해 제작된 TFT의 특성을 만족시켜야 한다. 일례로 240~480Hz 이상의 빠른 응답속도를 갖는 대면적 LCD를 구현하기 위해서는 3cm2/Vs 이상의 높은 전하이동도, 5V 이하의 낮은 문턱전압, 107 이상의 높은 전류 점멸비, 1pA 이하의 낮은 누설전류 등이 필요하다. 또한 이러한 특성의 TFT는 300°C 이하의 낮은 공정온도에서 높은 균일도와 신뢰성, 안정성을 갖도록 구현돼야 한다. 현재 AMOLED의 백플레인(Backplane)에 적용하기 위해 필요한 반도체의 이동도는 대략 5cm2/Vs 이상이다. 따라서 상대적으로 낮은 이동도를 갖는 유기반도체 재료 기반 인쇄공정은 고성능 평판디스플레이에 적용되기 어려울 것으로 보인다. 대신 전자종이나 실내외 광고판 등의 낮은 이동도를 갖는 응용 분야에 한정적으로 적용될 것으로 기대하고 있다.

▲ Sony에서 발표한 유기반도체 기반 AMOLED 디스플레이 시제품((a)플라스틱 2.5인치 Flexible OTFT 구동 AMOLED 디스플레이(2006년), (b)플라스틱 4.1인치 Rollable OTFT 구동 AMOLED 디스플레이(2010년)).

무기반도체 잉크나 탄소기반 반도체 잉크의 개발은 유기반도체 잉크보다 더 높은 이동도와 수명, 신뢰성 확보가 용이해 AMLCD나 AMOLED에서 활용될 것으로 기대된다. 최근 무기반도체 기반 인쇄기술에 대한 관심이 매우 높아지고 있다.

◇ 인쇄공정 기반 RFID Tag

기존의 Si 기반 RFID에 비해 인쇄공정을 적용한 RFID는 태그 제조 단가를 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 기대된다. 현재 시장에서 가장 값싼 Si 기반 RFID 태그는 약 20센트 수준으로, 5센트 이하로 가격을 낮추기 어렵다.

▲ Si RFID와 프린팅 RFID의 공정 및 단가 비교.

개별 물품 당 RFID가 적용돼 물류 혁명을 달성하기 위해서는 태그 하나당 단가가 1센트 혹은 더 낮은 가격으로 달성돼야 한다. Roll-to-Roll 연속 공정을 통한 전공정 인쇄 기반 RFID 만이 1센트의 가격을 만족시킬 수 있다.

인쇄기반 RFID는 가격 경쟁력은 높으나 현재의 기술 수준과 기술 개발 속도를 고려하면 부정적인 측면도 있다. 인쇄기반 RFID의 긍정적인 측면을 살펴보면 안테나와 IC가 동시에 제작된다는 사실, 제품 패키징(Packaging)에 대한 직접 인쇄 가능성, 싼 가격과 다양한 기판 사용 가능성 등을 들 수 있다. 한편 부정적인 측면에서는 현재의 기술 개발 속도 및 기술 수준을 들 수 있다. 동시에 많은 라벨들을 읽어 들일 수 없다는 사실, 수명이 한 달도 안 된다는 사실, 최대 인식 거리가 수 cm라는 사실 등이 큰 문제점으로 지적 될 수 있다.

인쇄공정을 활용한 RFID 분야에서 현재 가장 앞선 기술력을 보유한 곳은 독일의 PolyIC로 현재 세계에서 가장 활발하게 유기물 플라스틱 RFID를 연구하고 있다. PolyIC는 2005년 13.56MHz를 시연했고 이 기술을 바탕으로 2008년에는 간단한 메모리를 부착해 ID 태그로 응용된 PolyID를 발표했다. 2010년 이후부터는 Electronic Product Code(EPC)를 제품화하려는 계획을 가지고 있다. 이 외에도 해외에서는 Organic ID, IMEC, Holst Center가 인쇄 기술 RFID를 연구개발하고 있고 국내의 경우는 순천대, (주)파루, ETRI 등에서 관련 연구를 진행 중이다.

인쇄전자 기술을 활용해 RFID Tag를 개발할 때 가장 큰 기술적 이슈는 인쇄공정으로 제작한 회로의 속도가 13.56MHz HF급을 만족시키지 못한다는 점이다. 회로의 속도 향상을 위해서는 소자의 이동도를 높이고 소자의 크기를 작게 만들어야 한다. 최근에는 유기반도체 잉크에 집중하던 초기의 연구에서 탈피해 무기반도체 잉크를 적용하는 시도와 소자의 집적도를 높이기 위한 고해상도 인쇄기법에 대한 연구 개발이 활발히 진행 중이다.

■ 기술개발의 주요이슈

◇ 인쇄전자 소자의 특성 향상

인쇄전자 회로의 동작 속도는 전하이동도, 인가되는 전압, 채널길이 등에 의해 좌우된다. 13.56MHz 이상의 높은 주파수에서 구동하는 인쇄전자 회로를 얻기 위해서는 고이동도를 갖는 인쇄공정용 반도체 재료 개발, 인쇄공정을 통한 서브마이크론(Sub-micron) 사이즈의 짧은 채널 길이 구현이 우선적으로 요구된다. 또한 중첩기생 충전 용량(Overlap Parasitic Capacitance)을 최소화하기 위한 자기 정렬 인쇄(Self-align Printing)법 등이 요구된다.

◇ 인쇄 소재 개발 필요

인쇄전자 소자의 주요 반도체 소재로 저분자 혹은 고분자 기반의 유기반도체 잉크소재를 주로 활용했으나 관련 연구 개발 속도가 느리고 이동도 향상 수준이 포화 상태에 도달했다. 최근에는 산화물 기반의 용액 공정을 인쇄전자에 활용하기 위한 소재 개발 요구가 높아지고 있으며 인쇄전자 기술에서 가장 먼저 상용화 가능한 분야인 금속 배선 전극, 투명 전극에서도 더욱 우수한 특성의 잉크소재 확보가 시급하다.

2014년 84억불 시장서 2020년 550억달러로 급성장 예상

원천기술 확보 위한 産·學·官 지속적인 연구 지원 필요

■ 국가별 동향

인쇄전자 기술을 적용할 수 있는 다양한 분야 중 디스플레이 분야가 가장 시장 규모가 크다. 플렉서블 디스플레이의 핵심 요소기술인 Backplane을 제조하기 위한 인쇄기술 및 유기박막 트랜지스터에 대한 연구는 디스플레이 분야의 선진국인 미국·일본·유럽 등에서 진행되고 있다.

◇ 미국

○ 연구개발 현황

미국의 Flexible and Printed Electronics 분야에서 가장 큰 프로젝트는 Flexible Display Center(FDC)에서 진행되고 있다. 2004년 미 국방성으로부터 5년간 4,730만달러의 초기 자금을 지원받았으며 추가로 5,000만달러가 Phase II에 투자됐다. 미국은 이 센터를 통해 인쇄 기술을 차세대 디스플레이에 접목시키는 연구를 활발히 진행 중이다.

미국에 있는 Flexible and Printed Electronics 관련 정부 출연 센터는 3개가 있다. △Flexible Display Center(FDC) at Arizona State University △Center for Advanced Microelectronics Manufacturing (CAMM) at Binghamton University △Sonoco Institute at Clemson University 이렇게 3개 센터는 인쇄전자산업 응용 연구개발을 자극하기 위한 의도 뿐 아니라 기본적인 학문적 이슈를 해결하기 위해 설립됐다. 2004년에서 2013년의 10년간 총 1억1,400만달러가 3개의 센터에 지원됐다. 9,730만달러는 FDC에 투자됐고, 1,000만달러는 CAMM에, 나머지는 Sonoco Institute에 투자됐다.

○ 선도연구기관

University of Illinois at Urbana-Champaign(UIUC, John Rogers)에서는 Transfer Printing, Contact Molding 등의 인쇄기법을 개발해 나노 전자 소자 분야 핵심 원천 기술을 다수 확보했다. Motorola(Advanced Technology Center, Daniel Gamota)에서는 탄소 나노 튜브 TFT, 유기 분자 합성, 프린팅 공정 기술을 연구하고 있다. University of Cal. Berkley(Vivek Subramania)에서는 금속 나노 복합소재 합성(나노 잉크) 및 잉크젯 공정 기술을 다수 확보하고 있으며, 인쇄 RFID, 인쇄 센서 등의 응용 분야 연구를 진행하고 있다.

▲ 인쇄전자 - 해외 선도 연구기관 미국.

◇ 일본

○ 연구개발 현황

인쇄전자산업의 가장 큰 시장으로 기대되는 차세대 디스플레이산업 육성은 경제산업성이 주도하고 있다. 경제산업성은 2004년 5월 ‘신사업육성전략’을 발표해 차세대 디스플레이산업을 미래 유망산업 분야로 선정하고 주로 기초 부품 및 소재 개발에 힘을 쏟고 있다.

일본의 경우 경제산업성 산하의 연구기관인 NEDO를 통해 R&D 활동을 관리·지원하고 있다. 인쇄기술과 관련해 디스플레이 개발 업체 간 민간협력도 활발하다. 산·학·연이 함께 기초 부품 및 소재 개발을 위해 공동연구개발 형태로 프로젝트를 진행하고 공동연구센터를 운영하고 있다. TRADIM(Technology Research Association for Advanced Display Materials), NHK Science & Technical Research Laboratory 등을 중심으로 프린팅 기술에 기반한 차세대 디스플레이의 연구 개발이 진행 중이다.

○ 선도연구기관

Toppan Ink에서는 전극용 금속 잉크소재에 대한 연구를 수행하고 있으며, 잉크소재 분야에서 높은 기술력과 노하우를 지니고 있다. 수 년 전부터 Gravure Offset/Reverse Offset 프린팅 인쇄법을 이용한 초고해상도 패턴 형성을 SONY와 함께 연구하고 있다.

동경대학 T. Someya 그룹에서는 사람이 착용할 수 있거나 로봇 외면을 둘러싸서 감지 기능을 부여할 수 있는 고신축성 대면적 압력센서 어레이 및 신축성 전극에 대한 연구를 수행하고 있다. 고신축성 유연 대면적 전극을 제조하기 위해 SWNT/고분자 복합재료 중 SWNT의 밀도비를 20wt.%로 증가시키는 제조 공정에 대한 연구를 수행한 결과 400cm2 크기를 갖는 유연한 모재에 134%의 신축성, 20 mΩ·cm의 비저항을 갖는 신축성 전극 어레이를 제조하고 시제품을 보고했다.

▲ 인쇄전자 - 해외 선도 연구기관 일본.

◇ EU

○ 연구개발 현황

유럽의 경우 Flexible and Printed Electronics 분야의 R&D 프로젝트에 총 7억 1,900만달러를 지원하고 있다. EU는 European Research Council(ERC)의 Framework 6(2002~2007)를 통해 Micro/Nano Based Subsystems and Advanced Display 연구를 지원했다. 현재는 Framework 7(‘FP 7’)이 진행 중이며 총 1억 7,600만달러 규모의 지원이 이루어지고 있다. ‘FP 7’은 Organic Electronics and Large-area Electronics and Display System에 초점을 맞추고 있으며 2013년까지 진행될 예정이다.

5개의 EU 국가(독일, 영국, 네덜란드, 스웨덴 그리고 핀란드)가 ‘FP 7’ 하에서 Flexible and Printed Electronics R&D에 투자하고 있다. 독일과 영국이 Flexible and Printed Electronics R&D에 투자하는 규모는 EU 전체 투자액의 절반이 넘는 규모이다.

▲ 인쇄전자 - 해외 선도 연구기관 EU.

◇ 한국

○ 연구개발 현황

2007년 이후 산업통상자원부(구 지식경제부)를 중심으로 인쇄전자소자용 소재, 공정 및 장비 관련 국책과제 지원이 진행됐다. 산업통상자원부에서는 한국화학연구원 및 한국기계연구원을 중심으로 인쇄전자용 소재 및 인쇄공정 장비 연구를 지원했다.

관련 프로그램으로는 △공동기반구축사업·핵심소재경쟁력 강화사업 △지식서비스산업 원천기술 개발사업 △청정제조기반 산업원천기술 개발사업 △출연연 일반사업 등이 있다. 프로그램 당 연구비 규모는 연간 평균 150억원 내외다.

미래창조과학부에서도 WCU 사업을 통해 국립순천대학교에 인쇄기반 차세대 공정기술 관련 연 25억원 규모의 예산을 배정했으며 2008년에서 2013년까지 세계 수준의 연구중심대학 육성 사업을 진행하고 있다.

인쇄전자 분야는 기존 리소그래피 공정을 대체하기 위해 소재, 공정 및 장비 기술이 융합된 신기술로서 세부 기술 과제의 대형화 및 집중화가 필요하다.

▲ 인쇄전자 - 해외 선도 연구기관 한국.

▲ 인쇄전자 - 기술격차 및 기술수준.

■ 국내외 주요기업의 생산 활동

현재 기존의 리소그래피 공정을 대체하는 인쇄전자 산업이 급속도로 성장하고 있으며 인쇄전자 산업과 관련된 재료 및 장비를 제작하는 중소기업의 수 또한 증가하고 있다. 인쇄전자 기술은 다양한 산업에 적용할 수 있으며 현재 대기업 중심으로 OLED, LCD, PDP, E-paper, 터치패널, 태양전지 및 기타 전자부품 등의 연구를 중심으로 이루어지고 있다.

▲ 인쇄전자 - 국내외 주요 기업의 생산활동.

■ 시장규모 및 전망

닛케이 일렉트로닉스에서 2007년 보고한 인쇄전자소자의 기술 개발 로드맵을 보면 이동도 및 주파수 특성이 크게 향상되는 2020년 이후에는 인쇄전자회로를 바탕으로 한 플라스틱 CPU가 대부분의 Si 기반 전자 소자를 대체할 것으로 예측하고 있다. 이 시점에는 Wearable 컴퓨터나 접을 수 있는 컴퓨터의 실현이 가능할 것으로 보인다.

▲ 플렉서블 인쇄전자 소자의 기술 개발 로드맵.

인쇄전자 산업은 IDTechEx사의 예측 자료에 의하면 2007년부터 점진적인 성장을 보이다가 기술이 성숙될 2014년에는 84억달러, 2020년에는 550억달러로 급격한 시장 성장이 예측되고 있다.

또 다른 시장 예측 자료인 iSuppli 사와 Nanomarkets사의 자료에 따르면 플렉서블 인쇄 디스플레이 시장 규모는 2012년 약 300억달러에 달할 것으로 보인다. 인쇄 RFID가 45억달러, 전원장치 17억달러, 센서 12억달러, 조명분야 6억달러, 기타 인쇄부품이 10억달러의 시장 규모를 가질 것으로 예측됐으나 시장 형성은 초기예상보다 수년 이상 지연지고 있다.

▲ 인쇄전자기술의 국내외 시장 규모(단위 : 십억 달러).

■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방향

◇ 미래의 연구방향

인쇄전자 기술의 연구 방향은 주로 모듈 및 시스템 제품인 플렉서블 디스플레이나 RFID 등의 제품들을 저가격·대면적·친환경으로 제작하는 데 초점을 두고 진행됐다. 하지만 인쇄전자 기술이 단일 금속층 패턴 수준에 머물러 있기 때문에 다음의 단계별 상용화 전략을 추진해야 한다.

○ 1단계

저가격/단일층 금속전극 패터닝 기술 개발 및 상용화(층간 Align 불필요)
유망 적용분야 : 터치패널 투명/회로 전극, OLED 조명용 보조 전극, 태양전지 Mesh 투명 전극 등

○ 2단계

고특성/다층 전자회로용 (TFT/Circuit) 배선 기술 개발 및 상용화 (층간 Align 필요)
유망 적용분야 : 백플레인 TFT, 인쇄 메모리, 터치스크린 패널 등

○ 3단계

All Printing, 혹은 Roll to Roll 기반의 디바이스 제품 상용화
유망 적용분야 : 플렉서블 디스플레이, RFID, 일회용 센서 등

◇ 국내 산업이 나아갈 길

인쇄전자 관련 원천기술 확보를 위한 기업, 학계, 정부 차원의 강력하고 지속적인 연구 지원이 필요하다. 인쇄전자 기반 산업은 전 세계적으로 산업의 초기에 해당되기 때문에 정부 주도의 강력한 R&D 추진을 통해 시장을 선점하는 효과를 누릴 수 있다. 또한 인쇄전자 기술은 응용 분야가 다양하고 중소기업 위주로 진행되는 신융합산업이기 때문에 연구개발 방향 선정과 원활한 연구 진행이 어려울 수 있다. 따라서 본격적인 기술 개발을 위해 대기업·중소기업, 학계, 정부의 협력에 기반된 인프라 시스템 구축이 필요하다.