▲ 최주환 전자부품연구원 전북인쇄전자센터 책임연구원.

인쇄전자가 적용되는 분야는 다양하며 이를 구분할 때는 소재, 장비, 공정과 최종적인 소자로 구분한다. 이중 소자의 경우는 부품을 같이 포함하는 경우가 다수이며, 이들은 디스플레이, 에너지, 스마트 IT, 바이오 등으로 분야를 구분할 수 있다.

이들 중에서 중소기업에 적합한 인쇄전자 사업 및 제품에 대해 서술하도록 하겠다.

■ 인쇄형 디스플레이
◇ LCD
몇 년 전 LCD 주요 부품중 하나인 컬러필터를 제조할 때 Epson, 삼성전자 등이 잉크젯 기술 또는 Roll 프린터 등을 이용해 많은 관심을 가졌다. 일부 시제품이 양산됐고, 이를 적용한 TV 등이 전시되기도 했다. 그럼에도 불구하고, 결론적으로 현재는 대기업에 적합한 아이템이면서도 이런 노력이 상용화로 결실을 맺기 어려워 보인다.

◇ TFT 백플레인
정보디스플레이에 사용되는 TFT Backplane의 제조에서 있어 다수의 그룹이 OTFT나 Oxide TFT 공정을 개발을 시도했고 일부 성과를 보이기도 했다. 3M, 인피니온, ORFID, 삼성 등에서는 OxTFT를 이용한 시제품을 전시하기도 했다. 그럼에도 불구하도 상업화를 위한 성능 확보의 어려움 등의 여러 이유로 다수의 그룹에서는 개발을 포기했다.

◇ 디스플레이 부품 및 공정
컬럼스페이서의 제조시나 LCD의 배선 및 전극 제조시에 노광방식을 대체하기 위해 인쇄기술이 적용됐고, LC 배향막을 롤 프린팅이나 잉크젯 프린팅, 슬롯 다이 방식 등이 개발됐다.

◇ PDP
PDP의 신호배선 및 전자파 쉴드를 위한 Ag 도전막 필터 등이 스크린 프린팅 방식을 사용하고 있고, 이를 위한 잉크젯 장비개발 등이 진행됐다. 스크린 프린팅 방식을 이용해 PDP의 다양한 구조를 형성하고 제품양산에 적용됐으나, PDP 시장의 쇠퇴로 오히려 새로운 시장을 찾으려는 노력이 증대되고 있다.

◇ OLED 디스플레이와 조명
Organic light-emitting diode (OLED)를 이용한 Display 공정에 인쇄전자 기술이 다수 적용될 것으로 예측된다. 특히 고분자 방식의 OLED(P-OLED)의 경우 용액공정을 필수로 하고 있으며, 현재는 저분자 방식에서도 용액공정의 활용을 검토, 연구 중이다. 인쇄형 OLED 기술을 도입하는 가장 궁극적 목표는 제품을 생산하는데 있어서 연속생산 공정을 사용하는 것이다. 고분자 기반 제품은 잉크젯 프린팅이나 롤투롤 프린팅, 노즐젯 프린팅 기술을 이용함으로써 투명전극층을 비롯해, 정공전달층, 발광층 등 여러 층을 형성할 때 얇은 박막의 형태로 물질을 패턴할 수 있다. 일단 인쇄공정이 완성돼 단가를 낮추게 되면 인쇄형 OLED는 평판 디스플레이, 빌보드, 일반조명 등의 폭넓은 응용에서 기존 기술들을 대체해 나갈 것이다. 그럼에도 이런 제품은 대기업에 적합한 분야로 중소기업은 여기에 들어가는 부품에 집중하는 것이 적합할 것으로 보인다.

◇ 전자종이
전자종이 기술의 하나인 EPD(electro printed disply)는 유연하고 대면적으로 유연 OLED나 ECD와 유사한 수명과 제조단가를 가지면서 thermochromic이나 ECD에 비해 큰 시장을 형성하고 있다. EPD는 전자책, 전자신문, 슈퍼마켓이나 공항의 사이니지 등에 있어 성장 가능성을 보이고 있으며, 플라스틱 필름과 같이 낮은 설치비용과 공간절략이 가능하다. 공항 등에서 단순한 정보의 표현을 위한 크고 무겁고 비싼 표시소자의 사용은 낭비다. EPD의 생산에 있어 컬러필터를 적용할 때, 컬러 e-book의 개발에 있어 컬러필터 방식을 이용한 경우, 인쇄전자 기술을 이용해 제조하는 노력도 있었다. 그러나 개발비용이 크게 소요돼 일부 중소기업을 제외하고는 대기업에서 연구개발 형태로 진행됐으며, 상용화는 쉽지 않을 것으로 보인다.

▲ 미래 IT기기 발전방향에 따른 인쇄형 디스플레이 발전전망.

■ 스마트 IT 분야
◇ 전자파 차폐 등
다수의 전자기기 사용으로 기기간 전자기적 상호작용이 이슈로 나타난다. 이 부분을 억제하기 위해 전자파 차폐 소자가 인쇄전자 방식을 도입하려고 한다. 이때 다양한 응용에 대한 연구를 동반해 중소기업이 접근하기에는 적합한 분야로 예측된다.

◇터치패널
터치스크린은 센서의 일종으로써 최근 스마트폰 등 모바일 기기의 급속한 성장으로 인한 터치패널 시장은 급속하게 발전하고 있다. 현재 100여개 이상의 업체에서 터치패널을 만들고 있어 경쟁이 심각하다. 터치패널의 저항막 방식은 점차 정전용량 방식에 밀리고 있는 실정이지만 한동안은 그 규모를 유지할 것으로 보인다. 대다수의 업체는 아시아에 위치하고 있으며 일본, 대만, 중국, 한국 등에 나열 순으로 분포하고 있다. 그외 미국 40여 업체와 유럽에 분포한다.
치열한 경쟁 속에서 주요 이슈는 멀티터치다. 시장 분석에 따르면 2015년에는 50% 가까이가 이를 지원할 것으로 보인다. 일반적으로 정전용량 방식이 저항막의 두배 정도로 가격이 비싼 편이다. 이런 이슈들의 해결 방안으로 인쇄전자 기술이 대두되고 있으며, 베젤의 프린팅에 대해 많은 기업에서 이미 제품화 단계에 도달했고, 패널 내부의 투명 전극을 대체하는 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 이 분야는 중소기업에 적합한 아이템이나 수요 대기업과의 연계가 없이는 쉽게 접근하기 어려울 것으로 보인다.

◇ RFID
칩이 사용되지 않는(chipless) RFID는 태그에 실리콘 칩을 사용하지 않음으로써 가격을 절감하고, 거기에 더해 사용되는 기술의 방식에 따라서 부수적인 장점을 제공한다. 일부 칩을 사용하지 않는 방식은 인쇄가 가능하고, 이들은 보다 더 얇은 RFID 라벨 등이 종이 등의 기판위에서 가능하게 될 것이다. Chipless RFID 기술은 RFID 태그 산업에 다양한 방식으로 점유율을 높여갈 것이며, 인쇄 TFT를 이용한 RFID는 가장 유망한 방식이 될 것이다.
인쇄전자 기술은 실리콘 기술 대비해 수십 수백 수천배로 저렴하다. 가장 중요한 점은 이 기술이 게임기, 전자책, 광고판, 컴퓨터 등을 포함한 다양한 소비재에 적용될 수 있다는 것이다. 이 기술의 소비재에 적용 가능성은 기업들에게 RFID 기술을 지속적으로 개발하도록 자극할 것이다.
패키징 업체는 인쇄형 RFID를 처음으로 시도할 업체 중에 하나가 될 것이다. 만약 3개층의 잉크만이 필요할 경우, 현재의 인쇄기로도 충분히 많은 양의 RFID 태그를 생산할 수 있다. 현재의 인쇄기는 8개 이상의 인쇄를 별도호 할 수 있으나 registration(한 층과 다음 층으로 움직일때의 기재의 정열)이 중요한 이슈가 되고 있다. 또한 인쇄 RFID는 위조 가능성이 충분하고 반도체 칩 생산라인을 필요로 하지 않는다.

인쇄전자, 다품종 소량 생산산업 적합

디스플레이·IT·에너지 산업분야 적용

◇ 스마트 패키징
오랜 동안 소비자의 구매욕을 유발하기 위해 포장은 중요한 부분을 차지해왔다. 다양한 제품을 선명한 색상, 화려한 장식과 포장으로 꾸민 이유다.

향후 몇 년간 전도성 또는 절연 플리스틱을 이용한 인쇄공정으로 신규 패키지 전시 산업에서 응용될 것으로 기대된다. 인쇄전자 기업들은 용액물질을 포일 등의 포장지위에 인쇄함으로써 스마트 패키징을 만들어 갈 것이다. 이 공정을 통해 최소의 에너지를 소비하는 초박막의 전자회로나 디스플레이를 장착한 패키징을 통해 제품 홍보를 할 수 있다.

제조사는 패키징 이외에도 제품의 수명이나 온도, 이력 등을 표현해 제품의 신선도를 표시하는 것에도 관심을 보이고 있다. 스마트 라벨은 색의 변화를 통해 이것을 구현 하기도 한다. 온도에 민감한 많은 상품들이 온도와 제조일자, 시간 표시로 공급관리에서도 주요한 응용이 예상된다. 또한 생물학적 오염에 대한 검출도 가능하다. 여러 병원균들을 동시에 검출을 할 수 있는 병원균 대항 패키징을 효과적으로 집적해서 만드는 것은 커다란 걸림돌이 될 것이다.

진위증명 또한 음료나 음식뿐만 아니라 화학약품에서 의약품, 화장품 등의 다양한 산업적 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 특히 의약품 산업에서는 약품의 최종 판매나 사용에 다다를 때까지의 중간에 있는 제품의 유통과정 상의 기록과 관리가 필요하다. 가짜 비아그라(Viagra)의 문제로 Pfizer는 2009년 RFID 태크를 제품 포장에 적용할 것이라 했다.

스마트 패키징이 미래에 적용되기 위한 동력은 소비자나 사회활동적 요소에서 기인할 것이라 본다. 소비자는 구매하는 제품내의 성분이나 구성요소 등과 제품이 어떻게 저장됐고 사용됐는지에 대해 알고자하는 경향이 증가하고 있다. 가정용 및 의학용품 등에서 음성으로 동작되는 안전과 폐기에 대한 안내를 통해 소비자가 사용 후 처리에 대한 정보를 제공한다.

가격적인 면에서 스마트 패키징의 조기 도입은 쉽지 않으나 소비재 부분이 아닌 의약품이나 미용관련 품목, 또는 레져 품목 등에서 적용될 것으로 보인다. 스마트 패키징의 확산을 위해서는 소비자들의 패키지 안정성에 대한 교육이나 스마트 기술의 불신과 부정확성에 대한 불안을 덜어주어야 한다. 가까운 시간내 스마트 패키징 기술의 성공적인 도입을 통해 전체 유통시장에서의 이점이 있음을 확신하도록 해야할 것이다.

선도 패키징 업체의 경우 지속적으로 사업을 영위하기 위해 M&A 뿐만 아니라 사업영역을 집중하고 있고, 상표의 국제화 시대에서 다양한 지역에서 소비자를 지원할 수 있고, 규모의 경제를 형성하고, 다양한 패키징 재료와 방식을 제공할 수 있어야 진정한 국제적 패키징 업체로 성장할 수 있다. 그럼에도 시장은 다수의 기업에 의해 분할돼 있으며, 기업간의 각축이 심화되고 있다.

◇ 메모리와 센서
종전 논리소자 등의 반도체 시장은 고성능에서 저성능 제품의 다양한 범위를 포함해 가격과 기능에 따라 다양한 제품이 나온다. 기존의 반도체 기술과 경쟁하기보다는 새로운 논리나 센서 소자들이 RFID, OLED, 스마트 라벨, 태양전지 응용에 포함돼 나올 것이라 본다.

반도체 소자 시장은 일괄 생산공정의 경제적 효과를 바탕으로 성공했다. 부품의 크기를 줄이고 복잡한 구조의 적용을 통해 반도체 시장은 Moore’s Law와 같은 급속한 변화에 적응될 수 있었다. 비록 인쇄전자는 그러한 법칙이 없더라 하더라도 지속적인 생산 공정 기술의 향상과 디자인과 응용의 유연성을 바탕으로 한 저가 소자의 적용 가능성이 시장의 견인력이다고 할 수 있다.

대부분의 인쇄논리소자는 잉크젯이나 플렉소, 그래비어 등의 인쇄방식에 의해 만들어지나 인쇄방식의 제한으로 인해 Plastic Logic을 포함한 일부는 기존 공정을 같이 적용하는 경우도 있다. 이런 인쇄소자는 기존 시장과는 차별화가 될 것이며, 향후에도 전자 바코드, 전자책, 포스터, 빌보드, 전시장 라벨 등의 기존 인쇄기술을 대체하며 새로운 시장을 형성하게 될 것이다. 그리고 스마트 패키징 시장에서 이런 소자가 적용될 것으로 보이며, 가격적인 측면에서 기존 반도체 소자는 적용되지 않을 것으로 예측된다.

▲ 인쇄전자 기술이 적용된 유기태양전지 발전 동향.

■ 에너지 분야
◇ 유기태양전지
비록 실리콘과 박막 물질이 현재의 태양전지 시장을 점유하고 있다 하더라도 나노물질을 이용한 태양전지가 시장에서 커다란 진보를 촉진하고 있다. 나노물질은 뛰어난 유연성과 내구력을 보이며 종전의 물질보다 효율적으로 에너지를 수집할 수 있도록 한다.

유기 태양전지는 단위 와트당 가격에서 그 가능성이 존재한다. 현재 셀효율 11% 내외의 효율을 보이는 유기 태양전지는 결정질 실리콘 등에 비해 현저히 낮으나, 생산 단가에 있어서는 충분히 장점을 가지고 있다. 이분야의 기업들은 셀 제작에 있어 저온 공정과 패터닝 공정의 롤투롤 시스템에 의해 대량양산이 가능해 가격을 낮출 수 있고 이를 통해 설치단가를 낮출 수 있다고 믿고 있다. 이들은 또한 사용되는 재료의 절감을 통해서 박막 소자를 경제적으로 만들 것으로 본다.

주요 유기태양전지의 경쟁상대로는 좀 더 안정화된 박막 태양전지 기술이다. 실리콘 기반의 공정은 논리소자의 제조에 있어 가격에 효과적인 생산시설의 가동에 의해 꾸준히 가격이 낮아지고 있다. 생산 환경 시스템은 성숙해져서 점차 가격의 절감이 이루어 질 것이며, 좀 더 큰 기판 크기는 소자의 제작을 경제적으로 만들고, 장비는 좀 더 쉽게 저렴하게 구해질 수 있다.

◇ 배터리
박막전지는 일반적으로 Li계열로 이뤄지고 있으며, 인쇄 가능한 배터리의 경우 대부분 ZnMnO2(zinc-manganese dioxide) 계열과 일부 다른 형태도 개발되고 있다. Li계열을 이용한 인쇄배터리의 개발시도도 물론 진행 중이다. 이런 박막전지나 인쇄전지는 대부분 같은 시장을 바라보고 있으며, 제조 방식이 중요한 이슈는 아니다.

RFID분야에 있어서 박막전지의 성장은 어려울 것으로 보인다. 시장의 성공가능성이 낮고, 능동형 태그의 대규모 양산을 통한 가격 경쟁력확보도 어려울 것으로 보이기 때문이다. 이 때문에 박형전지에 대한 장점은 그리 크지 않을 것이며, 전체 인쇄공정을 통한 RFID와 배터리의 제조가 좀 더 시장성이 높아 보인다. 그로인해 시장에 적용되는 시기도 상당부분 뒤로 미루어질 것으로 보인다.

스마트 카드의 개발에 있어 여러 기능적 면에서 인쇄방식의 배터리의 적용가능성이 커지고 있으나, 내열성 등의 문제로 박형이 좀더 적용가능성이 높다. 그럼에도 이부분의 시장규모는 훨씬 클 것으로 보인다.

다양한 센서 제품에 적용되는 배터리의 경우도 대부분 소형이나 박형의 배터리를 요구하지는 않으나, 일부 유연한 센서 어레이나 패키징 등에 적용되는 센서의 경우에는 박형의 유연한 배터리가 요구될 것이다.

박막전지 기술은 에너지 저장에서 새로운 혁신적 기술로, 시장에서 보이는 종전 리튬전지와 비교해 5μ 두께 정도로 필름전지가 만들어진다. 그러나 사이즈의 감소에 따라서 나타나는 성능의 감소를 막을 수는 없다. 일반적으로 고체 박막전지의 용량은 수 mAH 정도로 종전의 액체 또는 젤 기반의 전지에 비해 훨씬 적은 용량을 보인다. 그럼에도 불구하고 이런 배터리의 재충전 횟수와 온도범위, 보관수명, 작은 형태 등의 제품 유연성은 니치마켓에서 성공 가능성을 보여준다.

대다수의 현존하는 고체전지는 세라믹이나 플라스틱, 금속, 반도체와 같은 기판위에 만들어 질수 있다. 얇은 금속 포일위에 도포하는 공정은 roll-to-roll과 같은 공정으로 거대한 유연기판의 롤 위에 박막의 배터리를 프린트 할 수 있는 빠른 생산 공정기술의 적용을 요구하고 있다. 이 기술은 유연한 응용에서 생산성과 수율 등이 향상되고 있으며 시장 진출 시기를 기다리고 있다.

박막전지는 인쇄회로기판에 라미네이션 방식으로 적용되기도 했다. 그 결과로 supercapacitor의 대체 가능성과 컴퓨터의 백업파워도 가능할 것이다. 그럼에도 휴대폰이나 노트북 또는 휴대용 전자기기 같은 제품에 적용하기 위해 필요한 수율을 확보하기 위해서는 초소형 전지들은 적층되거나 대형 어레이로 만들어져야 충분한 전류용량을 제공할 수 있다. 시장은 현재 초기 발아기 상태이지만 성장 가능성은 크며 향후 다수의 제조업체들의 관심을 가질 것으로 보인다.

프린팅 방식은 저용량의 망간 이산화아연 배터리의 저가 생산 표준이 될 수 있어도 리튬전지의 경우는 비록 reel to reel 방식으로 생산할 수는 있어도 저가화 방식이 아닐 수 있다. 이렇듯 박형의 전지를 저가로 생산할 수 있다고 한다면 향후 전자책, 전자잡지 등의 거의 모든 전자소자에 적용될 것으로 보이며, 코인셀을 대체하는 수십억 시장이 형성될 것으로 보인다.

◇ CIGS
태양전지 분야에서는 두각을 나타낸 박막태양전지 기술 중의 하나로 copper indium gallium selenide (CIGS)가 많은 제조사들로부터 인기를 얻고 있다. 높은 효율과 CdTe 대비해 환경 친화적인 기술로 다수의 기업에서 저가 양산에 기대를 걸고 있다.

CIGS 등은 R2R 하이브리드로 접근해 용액공정으로 전환하는 접근전략으로 진입할 경우 인쇄전자 기술이 적극적으로 활용될 것으로 보인다.

CIGS의 경우에도 셀들이 몰리브덴이 코팅된 유리 기판 또는 유연 기판위에 인쇄될 수가 있다. 일반적으로 이런 물질들은 기존 다결정질이나 비정질 실리콘 물질보다 가격적인 이슈에 있어 지대한 장점을 가지고 있다. 비록 무기 물질이 높은 효율과 기능성을 가지고 있더라도 인쇄하기에 그들이 용액화 되기 전에 어려운 점이 존재하고, 그 결과로 혼합형의 인쇄전자 기술이 나오게 됐으며, 유기물과 무기물의 합성이 사용되기 시작했다.

그럼에도 불구하고, 태양전지 셀의 제조는 중소기업이 접근하기에 현재의 시장현황으로서는 적합한 분야라고 이야기하기 어렵다. 다만 CIGS에 적용되는 부품 소재분야에 접근하는 것이 가능하리라 본다.

◇ 연료전지
초소형 연료전지는 고출력 초소형 배터리의 역할을 수행하도록 개발되고 있다. 이들은 특별히 급속한 에너지전달이 필요한 곳에 사용되나 비싼 가격이 문제이다. 이때 사용되는 종전 연료전지와는 다르게 일차전지와 같이 일회용이 될 것이다. 일회용 연료전지는 휴대폰 충전용으로 제공되기도 한다. 아직 유연 기판을 사용하지는 않으며 실리콘이나 세라믹 기판위에 양극과 음극, 촉매와 전해질을 인쇄한다. 이런 연료전지 부품 분야는 중소기업이 접근하기 용이한 분야라 할 수 있다.