디스플레이의 핵심 부품 기술
PDP 핵심 소재의 개발 동향

글 : 김용석 교수 / 홍익대학교 신소재공학과

[출처 : 전자부품]

최근 LCD가 대형 TV 시장 진입에 따라 성장 단계에 있는 PDP 산업은 많은 도전에 직면하고 있다. 현재 이들 두 표시 소자의 기본 성능은 일반 소비자들이 구분하기 곤란한 정도로 발전하였기 때문에, 시장에서의 경쟁은 대부분 가격 경쟁으로 귀결되고 있다. 따라서 PDP의 핵심 소재도 저가격 소재 및 공정 개발 이슈를 중심으로 발전하고 있다. 따라서 본고에서는 PDP 핵심 소재의 개발 동향을 원가 저감의 관점에서 살펴보기로 한다.



PDP의 개요

PDP(plasma display panel)은 단위 방전 셀내에 글로우 방전을 유도하고, 이 방전에서 발생하는 진공자외선이 형광체를 자극하여 가시광을 발생시키는 방법으로 이미지를 구현하는 자체 발광 소자이다. 현재 사용되고 있는 ac-PDP는 1964년에 미국 일리노이대학교 Bitzer 교수와 Slottow 교수가 최초로 개발하였고, 우리나라에서는 2000년에 평판 TV로 대량 생산 체계를 갖추었다.
ac-PDP는 자발광이고, 유전 장벽 미소 방전(dielectric barrier micro-discharge) 원리를 채용하고 있기 때문에 고화질, 디지털 TV의 특성을 가장 잘 구현하기에 적합한 특성을 가진 평판 표시소자이다. 또한 ac-PDP는 구조가 매우 단순하고, 저가의 상압 후막 제조 공정을 채용하기 때문에 경제성이 뛰어난 장점이 있다. 따라서 2006년도에 전 세계의 PDP 생산량은 1,080만대에 도달하였고, 2010년에는 약 4,000만대까지 증가할 것으로 예상되고 있다(그림 1 참조).
그러나 최근 LCD가 대형 TV 시장 진입에 따라 성장 단계에 있는 PDP 산업은 많은 도전에 직면하고 있다. 현재 이들 두 표시 소자의 기본 성능은 일반 소비자들이 구분하기 곤란한 정도로 발전하였기 때문에, 시장에서의 경쟁은 대부분 가격 경쟁으로 귀결되고 있다. 따라서 PDP의 핵심 소재도 저가격 소재 및 공정 개발 이슈를 중심으로 발전하고 있다. 따라서 본고에서는 PDP 핵심 소재의 개발 동향을 원가 저감의 관점에서 살펴보기로 한다.

PDP 핵심 소재의 개발 동향

ac-PDP의 구조를 그림 2에 나타내었다. PDP 패널은 전면/배면 기판 유리, 투명 유전체, 반사 유전체, 격벽, 형광체, ITO 투명 전극, Ag BUS/address 전극, MgO 보호막으로 구성된 매우 단순 구조로 이루어져 있다. 이들의 역할 및 요구 특성을 요약하여 나타내면 표 1과 같다.
이들 PDP 구성 요소에서 제조 원가에 가장 큰 비중을 차지하고 있는 요소가 유기 기판, Ag 전극, MgO 보호막이다. 유리 기판 및 Ag 전극은 원재료 비용 자체가 높은 점이고, MgO는 제조 공정 및 장비비 그리고 싱글 스캔(single scan) 기능에 따른 전자 부품 가격에 관련하여 중요한 역할을 한다. 따라서 본고에서는 이들 3가지 핵심 소재의 발전 방향에 대하여 중점적으로 살펴보고, 기타 관련 소재들의 발전 방향에 대하여 조망하여 보기로 한다.

PDP용 유리 기판
현재 ac-PDP에서 사용되는 유리 기판은 아사히 글래스사에서 제조하여 공급하는 PD-200이다. 본 유리 기판은 straining point가 570℃ 정도로 높아서 600℃정도의 고온 소성 조건에서 유리 기판의 변형이 거의 없으며, 알칼리 산화물을 거의 포함하지 않기 때문에 BUS 전극과의 반응성이 작은 장점이 있기 때문에, 대부분의 PDP 제조업체에서 사용하고 있다. 이에 따라 현재 사용되고 있는 유전체, 전극, 격벽 재료의 열팽창 계수, 계면 반응성, 소성 온도등이 이 PD-200 유리 기판에 융화하도록 개발/사용되고 있다. 이에 따라 ac-PDP 유리 기판은 독점적인 위치를 갖게 되고, 다른 구성 요소에 비하여 가격 절감 속도가 낮아 PDP의 원가 절감에 장애로 작용하고 있다.
PDP 유리 기판 가격을 저하시키기 위한 노력은 크게 2가지의 방향으로 전개되고 있다. 첫째는 기판의 두께를 감소시키는 것이다. 현재 PDP에는 2.8mm 두께의 기판이 사용되고 있으나, 이를 1.8mm로 감소시켜, 가격을 절감하는 것과 동시에 패널의 무게를 감소시키는 것이다.
두 번째 방법은 기존의 PD-200 유리 기판을 일반 창유리 재질로 사용되는 soda-lime 유리 기판으로 대체하는 것이다. Soda-lime 유리 기판은 범용 재료로서 가격이 저렴한 장점이 있기 때문에, 미국의 Plasmaco사에서 적용 가능성을 이미 검증하였다(그림 3). 그러나 soda-lime 유리 기판은 straining point가 PD-200에 비하여 약 60℃정도 낮고, 알칼리 계열의 산화물이 포함되어 있다.
따라서 Soda-lime 유리 기판이 사용되기 위해서는 소성 온도가 현재 보다 60℃정도 낮은 유전체, 격벽, 전극 재료의 개발이 선행되어야 하고, Ag 전극과의 반응성을 제어할 수 있는 방법이 개발되어야 한다. 이와 더불어 최근 환경오염을 예방하고자 하는 국제적 노력에 발맞추어 유전체, 격벽 유리 재료가 Pb-free 조성이 요구됨에 따라 이들 재료의 성분 변화뿐만이 아니라 소성 온도를 낮추어야 soda-lime 유리 기판을 적용할 수 있을 것으로 예상된다.

Ag 전극
Ag 전극 재료는 전면 기판의 BUS 전극 재료 및 배면 기판의 어드레스(address) 전극 재료로서 주로 사용되고 있다. Ag 금속은 원재료 가격이 매우 높기 때문에, PDP 패널 제조 원가의 상당 부분을 차지하고 있다. 이러한 Ag 전극의 원가를 절감하기위한 다양한 연구 개발 노력이 경주되어 왔다. 첫째는 Ag 전극의 형성 공정을 기존의 에칭 공정(subtractive)에서 빌드업(build-up) 공정으로 변화시키는 것이다. Ag 전극는 먼저 감광성 균일 후막을 인쇄 또는 라미네이션법으로 도포한 후, 이를 전극 패턴 형상으로 노광, 현상하는 방법이 주로 사용되어 왔는데, 이 공정에 의하면 70% 정도 이상의 Ag 금속이 폐기된다. 따라서 전극을 잉크제트 또는 그라비아 인쇄 등의 방법으로 전극 형상을 인쇄하는 방법에 대한 연구가 활발하게 진행되었다. 잉크제트 인쇄법은 2002년도에 Seiko Epson사에서 개발 결과를 발표하였으나(그림 4 참조), 사용된 Ag 나노 잉크의 가격이 상대적으로 높기 때문에 상용화의 제약요건으로 작용하였다. 그림 5은 그라비아법으로 전극을 인쇄하는 공정을 모식적으로 나타낸 것인데, 이와 같은 방법에 의하면 Ag의 사용량을 감소시키는 것이 가능하여 제조 원가를 줄이는 것이 가능하여 차세대 ac-PDP에서는 주로 사용될 것으로 예상되고 있다.
Ag BUS 및 어드레스 전극의 가격을 저하시키는 두 번째 접근 방법은 저가의 도전성 재료를 사용하는 것이다. 즉 Ag 분말을 Al 분말로 대체하거나, Ag coated Ni 분말과 같은 복합 분말을 대체하거나, 도금법을 이용하여 성막하는 방법이다. Al 분말을 적용하는 것은 미세한 Al 분말이 산화 반응에 의한 폭발 위험성이 있고, 소성 과정에서 산화가 발생하는 문제가 있기 때문에 원가 절감의 효과가 비교적 크지 않은 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결할 수 있는 또 한가지 방법으로 제안된 것이 Ag가 코팅된 복합 분말을 이용하는 것이다. 즉 graphite, Cu, Ni등을 core로 사용하고, 그의 표면에 전기 전도도가 우수한 Ag를 코팅한 분말을 사용하는 것이다. 그러나 이 재료가 사용되기 위해서는 형상 및 계면 반응성의 조절이 난제로 남아 있다.

MgO
ac-PDP의 글로우 방전에 노출된 MgO는 2차 전자 및 exo-electron 을 방출하기 때문에, 방전 전압, 발광 효율, 방전 지연등에 대하여 매우 큰 영향을 미친다. MgO로부터 2차 전자의 방출은 이온 중화 반응 에너지, 고 에너지 광자(photon) 에너지, 준안정 원자의 충돌 에너지 등에 의하여 이루어지는 것으로 알려져 있으나, 대부분의 전자 방출은 이온 중화 반응에 의한 Auger 중화 반응에 의하여 발생하는 것으로 알려져 있다.
Auger 중화 반응에 의한 2차 전자 방출 기구를 모식적으로 나타내면 그림 6과 같다. 그림에서 표시된 바와 같이 MgO는 band gap이 7.8eV 정도로 매우 큰 전형적인 이온 결합형 산화물이다. 글로우 방전에 의하여 방전 공간에 생성된 이온이 MgO의 표면에 근접하게 되면, 양이온과의 인력에 의하여 MgO 재료내의 전자 ‘1’이 터널링(tunnelling) 반응에 의하여 중화 반응이 발생하게 된다. 이때 생성된 중화 반응 에너지는 재료내의 다른 전자 ‘2’를 외부로 방출하는데 사용될 수 있는데 이를 Auger 중화 과정이라고 한다.
이러한 전자 방출 과정은 외부에서 에너지가 공급되는 동안 발생하는 정상 상태(steady state) 방출 기구로 발생할 수도 있고, 지연(delayed) 방출 과정으로 발생하는 것이 가능하다. 이와 같은 방출 과정을 통하여 발생한 전자는 방전셀 내의 방전 공간에서 씨앗 전자(seed electron)로 작용하여 방전 지연시간을 단축시키는 역할을 한다.
즉’ 방전셀 내에 씨앗 전자가 존재하지 않을 경우에는 전극 간에 전압이 인가되어도 바로 방전이 개시되지 않고, 고에너지 우주선 입자와의 충돌에 의하여 씨앗 전자가 생성되어 이들이 전장에 의하여 가속되어야 글로우 방전이 개시된다. 일본의 파이어니어 사는 지연 방출 전자를 이용하여, 그림 7(a)과 같은 CEL(crystal emissive layer) 층을 기존의 MgO 박막 상에 형성하였는데, 실제로는 그림 6(b)와 같이 cubic 형태의 ~200nm 정도 크기의 MgO 분말이 스프레이 코팅된 상태이다. 이와 같이 CEL층을 사용한 패널의 경우에는 방전 지연이 그림 8에 나타낸 것과 같이 획기적으로 단축되는 것을 알 수 있다. 이와 같은 방전 지연 시간의 단축은 HD 또는 FHD 싱글 스캔 구동을 가능하게 하여 PDP의 가격 경쟁력을 제고 하는데 획기적으로 기여하였다. 파이어니어사는 이 개념을 더욱 발전시켜, 방전셀을 어드레싱과 sustaining 셀로 분리하여 방전 전압을 낮추고, 방전 효율을 2.8 lm/watt까지 개선한 결과를 보고하고 있다.
이와 같은 MgO의 특성 개선은 기존의 박막 증착 공정에 기반하여 이루어진 결과이나, 최근에는 MgO 나노 분말을 이용하여 후막 공정으로 MgO 보호막을 제조하려는 시도가 (주)LG 전자에서 보고하고 있다. 그림 9에 볼 수 있듯이 후막 공정을 이용하여 MgO 보호막을 제조함으로써 제조 원가를 절감하고, MgO의 특성을 개선하고자 하는 것이다.

기타 소재
ac-PDP에서 가장 개선해야 할 사항으로 지적되어 왔던 특성중의 하나가 명실 대비비(bright room contrast ratio)이었다. 즉 조명이 밝은 쇼룸과 같은 환경에서 PDP는 배면 기판의 격벽 및 형광체로부터 외광 반사가 전면 방향으로 발생하고, 이것이 대비비를 저하시키는 요인으로 작용하기 때문이었다. 이러한 문제를 최근 획기적으로 개선할 수 있는 재료 시스템을 (주)삼성 SDI에서 개발하였는데, 이를 모식적으로 나타내면 그림 10과 같다.
즉 기존 PDP는 투명 유전체와 백색 격벽을 사용하여 형광체로부터 발생하는 가시광선을 최대한 활용하는 구조를 가지고 있는데 비하여, 새로이 개발된 재료 시스템에서는 청색 투명 유전체와 갈색 격벽 재료를 조합함으로써 ac-PDP의 명실 대비비를 400 이상으로 증가시켰다. 이들 유전체와 격벽의 색깔은 상호 보색 관계를 가지고 있어서 외광 반사도를 최소화 시키는 재료 시스템이기 때문에 이렇게 명실 대비비가 향상된 것이다. 특히 ac-PDP의 대비비는 시야각 170 범위에서 거의 일정하게 유지되기 때문에, 이와 같은 특성의 개선은 LCD에 대비하여 획기적인 장점으로 작용할 것으로 예상된다.
ac-PDP에서 기판의 전면에는 글로우 방전에서 발생하는 오렌지색 네온광 및 EMI를 차단하기 위해서 필터가 사용되는 것이 일반적이다. 이러한 필터로서 기존에는 글래스 필터(glass filter) 재료가 주로 사용되었는데, 그림 10(a)에서 볼 수 있듯이 글래스 필터와 전면 유리 기판간의 간극에 의하여 상의 선명도가 떨어지는 문제점이 있었다. 최근 LG 화학에서 유리 기판에 직부착하는 필름 필터(film filter) 재료를 개발하여 제조 원가를 감소시킴과 동시에 filter/기판 간의 산란에 의하여 발생하는 문제점을 해결하여(그림 10(b) 참조), 이미지의 선명도가 개선된 결과를 보고하고 있다. 이와 같은필터 재료의 개발은 향후 PDP의 고급화에 기여할 것으로 기대된다.

향후 전망

ac-PDP가 향후 디스플레이 소자 산업으로 경쟁력을 유지하기 위해서는 기존 핵심 요소 재료 부품의 가격 및 품질 경쟁력을 지속적으로 개선해 나아감과 더불어, TV 산업 이외의 응용 산업 분야를 확보하는 것이 필수적이다. 차세대 PDP가 새로운 분야에 적용되기 위해서는 기존 ac-PDP 구조와는 차별화된 특징을 지녀야 하는데, 이러한 가능성을 보여주는 것의 한 예가 플라즈마 스피어 디스플레이(plasma sphere display)이다. 이 소자는 그림 12에 나타내었는데, PDP의 글로우 방전을 유리 구(sphere)내에서 발생하도록 하여, 소자에 유연성(flexibility) 및 벤딩성(bendability)을 부여하였고, roll-to-roll 제조 공정의 가능성을 보여주었다.
이와 같이 구조적 유연성이 확보되고, 저가인 디스플레이는 광고, 조명등에 사용이 가능하고, 궁극적으로는 rolled-up 디스플레이로 발전할 것으로 기대된다. 이와 같은 차세대 디스플레이의 발전에 있어서 핵심적인 역할을 하는 것은 요구되는 성능을 만족시키며, 신회성이 우수한 재료의 개발이 필수적이다.
ac-PDP는 핵심 소재의 국산화율이 90% 이상이고, 세계 시장 점유율이 60%이어서 향후 우리나라가 세계를 선도할 수 있는 평판 디스플레이 산업의 핵심 산업이다. 특히 ac-PDP는 시야각이 넓고, 동작 속도가 빨라 동영상에서 해상도 감소가 적으며, 장시간 시청할 경우에도 눈의 피로도가 적은 장점이 있어, 차세대 디지털 TV에 가장 적합한 소자이다. 또한 본 산업은 기술적 진입 장벽이 존재하기 때문에 대만이나 중국에서 쉽게 시장에 진입하지 못하는 장점이 있으므로 수익률을 확보가 가능한 산업이다. 따라서 관련 분야의 과학자 및 엔지니어들의 더욱 많은 관심과 노력이 경주되기를 바란다.