플렉시블 디스플레이용 플라스틱 기판 소재는 LCD와 OLED 등 평판 디스플레이의 유리기판을 대체하는 것으로서 화질의 손상이나 저하없이 휘거나 감을 수 있도록 하는 핵심 기판 소재다.

우리나라의 디스플레이 산업이 이미 세계 1위를 고수하고 있는 상황에서 2020년 50조원에 달할 것으로 예상되는 플렉시블 디스플레이시장에서도 강자로 남으려면 핵심소재 기술을 확보할 필요가 있다.

플라스틱 기판소재는 디스플레이 소자 및 터치패널, PCB, 1회용 센서 시장, 태양전지와 같은 전자기술이 활성화돼, 플렉서블 디스플레이분야 외에도 다른 사업에서 적용되는 비율이 60% 에 이를 것으로 전망되는 등 파급효과가 큰 소재다.

특히 플렉시블 디스플레이용 플라스틱 기판은 세계적으로 아직 요구 물성을 만족시키지 못한 매우 어려운 기술인만큼 성공시 산업경쟁력을 더욱 향상시킬 것으로 기대를 모으고 있다.

현재 고내열, 고투명의 플라스틱 후보 소재로는 패널업체의 공정에 적용할 수 없다. 따라서 플렉서블 디스플레이용 기판소재는 기존 유리 기판과 같이 높은 온도와 산·알칼리 등 약품에 견딜 수 있어야 하며 수분 및 산소 등 가스 침투를 차단할 수 있는 ‘배리어 특성’을 만족해야 한다. 또한 구부릴 수 있는 상태에서도 작동이 원활히 유지되기 위해선 유연한 전극 기판 형태로 만들 수 있어야 한다.

제일모직이 총괄주관을 맡은 플렉시블 디스플레이용 기판소재 사업단은 △플라스틱 소재 및 필름 △배리어 코팅 및 기능성 코팅 소재 △투명전극 소재 등을 개발하고 있다.

사업단은 WPM 1차년도에 세계 최고의 85% 수준인 LCD 및 OLED용 고내열 플라스틱 소재 및 필름을 개발했고 세계 최고 85% 수준의 세라믹 전극소재 개발이라는 성과를 냈다.

그러나 평판디스플레이 시장에서 한국에 밀린 일본은 플렉시블 디스플레이 시장을 선점하기 위해 NEDO 등의 컨소시엄을 통해 높은 수준의 기술을 확보했고 미국, 유럽, 대만 등도 소재업체와 장비업체를 중심으로 협력체계를 갖추고 있어 이를 넘기 위한 기술개발이 절박한 상황이다.

▲ SWOT분석.

■플라스틱 소재 및 필름

사업단이 1세부 과제로 개발하고 있는 플렉시블 디스플레이용 플라스틱 소재 및 필름은 기존 디스플레이 특성의 손실없이 두루마리형태로 변형이 가능하면서 얇고 내충격성을 가지는 등 광학적 물리적 특성이 우수한 디스플레이 소재다.

유리기판과 비교해 플라스틱 기판이 해결해야 할 과제는 크게 산소나 수증기의 기체투과방지, LCD 공정온도에 적합한 플라스틱의 내열성, 공정온도의 변화에 따른 낮은 열팽창계수, 유리기판 수준의 빛투과율, 내마모성, ITO나 SiO2와의 상용성 등이 있으며 새로운 새로운 TFT 배열 기술 개발도 함께 요구되고 있다.

일본 기업은 기판원료 합성기술에서부터 기판화 공정 기술뿐만 아니라, 코팅 기술, 공정 장비 전 분야에서 세계 최고의 경쟁력을 보유하고 있다. 스미토모베이클라이트는 PES에 ITO를 형성한 제품을, 테이진카세이는 PC에 IZO를 형성한 제품으로 시장에 진입 중이다.

국내는 이와 관련한 독자적인 원천 연구 및 원천기술이 거의 없는 것으로 알려져 있다. 제일모직, LG화학, SKC, 코오롱 등 대기업을 중심으로 개발을 진행하고 있으나 실험실 수준이며, 엔지니어링 플라스틱을 기판소재로 그대로 적용하거나 기존 구조에 화학구조를 일부 변경하는 방식으로 접근하고 있다. 아이컴포넌트의경우 BASF로부터 PES를 구입해 기판용 필름 시장 진입을 시도하고 있다.

전문가들은 디스플레이산업이 대규모 자본을 필요로 하는 장치산업으로 투자의 위험성과 기술수준이 높음을 고려할 때 삼성전자, LG디스플레이와 같은 세계적인 수요기업들과 소재기업들이 유기적으로 협력한다면 충분히 개발 가능하다고 기대하고 있다.

■배리어코팅 및 기능성 코팅 소재

배리어코팅 및 기능성 코팅 소재는 플렉시블 디스플레이용 플라스틱 기판에 매우 우수한 표면특성과 수분 및 산소 차단특성을 부여하는 기술소재다. 특히 플렉시블 OLED 및 OLED조명의 경우 유리기판 수준의 수분 및 산소 배리어 특성을 요구한다. 플라스틱 기판 상에 TFT 또는 컬러 필터(Color Filter) 공정을 진행하기 위해 유리 수준의 평탄화와 내화학 코팅 소재/공정 기술이 필요하다.

미국의 비텍스사는 플라스틱에 배리어 코팅을 형성하는 원천기술을 보유하고 있으며 GE도 2006년 고내열성 PC 필름을 이용하여 플렉시블 OLED용 배리어 코팅 기술을 개발했다.

일본의 경우 스미토모베이클라이드는 PES 필름 소재에서부터 ITO 코팅 필름에 이르는 PES 기반에 대한 원천 기술을 보유하고 있다. 테이진과 미국 듀폰은 공동으로 치수변화특성과 평탄도가 우수한 PET와 PEN를 개발했다.

국내 배리어층 소재 및 공정은 전반적으로 원천 특허와 기술이 부족하다. 국내 기업들은 대부분 국책과제를 통해 관련 기술 확보에 나서고 있다. LG화학은 내화학성이 확보된 보호층과 평탄화 및 배리어 층을 개발했으며 내구성과 내굴 곡성 평가 시 층간 밀착성이 우수한 배리어 필름 관련 핵심 특허를 확보했다. 코오롱은 평탄 고내열 수지에 배리어 코팅을 위한 유무기 하이브리드 재료를 개발 중이다. 한국전자통신연구원은 플라스틱 기판을 기반으로 한 OLED 공정기술과 장수명화 기술을 개발했으며 현재 플라스틱 기판 상에서 컬러 전자잉크를 이용한 다색 전자종이를 개발 중이다.

▲ 사업단 참여기관.

■‘CNT·그래핀’ 투명전극소재로 각광

투명전극소재는 글래스 및 플라스틱 필름 등 투명한 재질의 절연체 표면에 투명성을 유지하면서 도전성을 부여하는 박막 전극이다. 투명 전도성 필름이라고도 불리는 플렉시블 투명전극은 플렉시블 소자용 전극뿐만 아니라 터치패널, 투명 전자파차폐막, 투명발열체, 도전성 유리, 가스센서, 열반사코팅막, 태양전지 등에 응용되고 있으며 투명 정전기 방지막, 통신기기용 안테나, 광학필터로도 응용이 가능한 정보전자 에너지 분야의 핵심 부품소재다.

투명 전도막을 플렉시블 디스플레이에 적용하기 위해서는 기판의 휨에 대한 우수한 유연성과 산성 용액공정에 대한 우수한 화학적 안정성까지 요구하기 때문에 기존의 플렉시블 디스플레이용 투명 전극 보다 더욱 우수한 특성이 요구되고 있다.

현재 디스플레이 투명전극으로 널리 사용 중인 ITO(Indium Tin Oxide)는 진공증착 공정과 포토리소그래피 공정에 의한 높은 제조단가, 환경적 요인, 고온 공정, 낮은 플렉시블 특성, 인듐 확보의 어려움 등의 문제 등으로 플렉시블 디스플레이 투명전극으로서는 적합하지 않은 것으로 알려져있다. 이를 대체할 고투명, 저저항의 투명전극 재료로서 주요 선진국가에서는 이미 전도성 고분자, 금, 은 등의 나노입자 및 탄소나노튜브(CNT)를 이용한 플렉시블 디스플레이용 투명전극 개발에 박차를 가하고 있다.

이에 대해 특히 일본에서 많은 연구성과를 나타내고 있다. 금속 기반 투명전극 소재 기술 개발 관련 대표적인 업체는 미국의 캠브리오스 테크놀로지(Cambrios Technologies Corp.), 시마 나노테크(Cima Nanotech), 일본의 후지필름(Fujifilm), 군제(Gunze), 다이닛폰인쇄(Dai Nippon Printing) 등이 있다.

CNT는 투명 전도성 물질로서 ITO를 대체 할 수 있는 가장 주목받는 소재다. 박막 필름으로 제작했을 때 투명성이 유지되며 전기전도도와 열전도가 우수하고 강도가 철강보다 100배나 뛰어나다는 특징이 있다. 미국과 일본은 CNT 소재개발에 대한 원천특허를 보유하고 있으며 CNT 양산체계와 함께 다양한 응용 제품을 개발 중이다. 일본의 경우 10여개의 업체가 CNT 합성기술을 보유하고 있으며 후지쯔, 히타치와 같은 대기업들이 기술개발에 적극적으로 나서 시장선점을 모색하고 있다.

그래핀(Graphene) 또한 매우 높은 전도도와 광학적 투명성을 동시에 가지고 있어 투명전극 소재로 잠재력이 높다. 이에 IBM 연구소를 비롯한 많은 대학과 연구진들이 반도체 소자로써의 응용을 위한 연구를 활발히 진행 중이며 염료 감응형, 유기박막 태양전지의 투명 전극에 적용한 사례도 발표되고 있다.

또 하나의 후보인 전도성 고분자 물질은 저온 공정이 가능하고 용액 공정이 가능하기 때문에 인쇄방식의 공정을 적용시킬 수 있다는 장점이 있다. 일본은 ITO 필름 수준인 PEDOT계 전도성 고분자 필름을 개발, 터치 패널에 바로 적용할 수 있다고 발표한 바 있다.

국내기업의 경우 삼성SDI, 신안SNP, 재료연구소, 고려대, KAIST, 홍익대 등 대기업, 연구소, 벤처기업에서 플렉시블 투명전도성 박막에 대한 연구개발이 활발히 진행 중이다. 디피아이솔루션스 및 탑나노시스 등 일부 벤쳐기업을 중심으로 전도성 고분자 또는 탄소나노튜브를 응용한 투명전극용 박막 시제품을 발표하며 일부 시판하고 있으나, 플렉시블 디스플레이에 응용되기에는 아직 미흡한 수준이다.

특히 인듐 가격 상승에 따른 수급불균형 및 자원고갈에 대한 문제는 산업계의 큰 고민이나 국내 대부분의 ITO 연구는 박막 제조공정 및 특성평가에 국한돼 투명전극 소재 자체에 대한 연구는 거의 전무한 실정이어서 핵심소재에 대한 연구활성화가 시급하다고 전문가들은 지적하고 있다.