차세대 디스플레이용 유리의 연구개발 동향

LCD 용 유리의 연구개발 동향

김 용 환 공학박사 한국과학기술정보연구원 전문위원

1. 서언
21세기 들어 고도 정보화 사회를 맞이하여 우리는 매일 많은 정보를 접하게 된다. 이러한 정보를 우리에게 전달하여 생활을 편리하게 하며 새로운 문화를 전달해 주는 매체로 디스플레이 역할은 매우 크다.
디스플레이는 디지털 TV, PDA, 노트북 PC, DVD, 게임기, 전화와 항공, 교통, 우주, 군사분야에 광범위하게 응용되고 최근에는 입체 영상 TV까지 등장하고 있다.
평판 디스플레이는 CRT의 뒤를 이어 1990년대 이후 기술이 급속히 진전되면서 LCD, PDP가 기존의 CRT 시장을 이어 받고 있으며 2000년대는 LCD, PDP가 대형화에 성공하고 D-TV 시장에 진출하면서 서로간의 시장 경쟁이 치열하게 되었다.
평판디스플레이는 많은 재료로 구성되어 있으나 그중에서 기판(substrates)은 중요한 부분 중의 하나로 현재는 유리, wafer, plastic 등이 LCD에 사용된다. 그러나 광학적 특성, 기계적, 열적성질, 경제성과 공정 특성상 유리가 가장 많이 사용되고 있다.
본고에서는 평판 디스플레이 시장의 80% 이상을 점유하고 있는 LCD와 이의 제조에 필요한 기판유리에 대하여 살펴보고 업계의 중요한 기술개발과제에 대하여 기술한다.

2. 현황
가. 시장 현황
평판 디스플레이 세계 시장은 04~08년까지 10% 이상의 성장이 예상되며 대형의 경우 주요 사용분야가 PC 모니터에서 디지털 TV로 전환되고 있다. 소형의 경우 WCDMA 등 광대역화가 진행되면서 휴대폰을 중심으로 고화질 시장의 중요성이 커지고 있다. 현재는 LCD가 가장 큰 시장을 형성하면서 지속적인 대규모 투자가 진행되고 이 시장에서 한국, 일본, 대만 업체 간에 치열한 경쟁이 전개되고 있다.
디스플레이 제품의 성능을 평가하는 주요 특성으로 크기, 동작전압, 소비전력, 응답시간, 휘도/밝기, 시야각, 색체현상, 수명 등이 있는데 현재 모든 특성에서 우수한 기술은 없으며 각각 차별화된 성능 특성을 가지고 있다. TFT-LCD 경우 동작 전압, 소비전력이 낮고 색체현상이 우수하나 응답시간이 길고(20~60㎲) 시야각이 좁은 단점이 있다. PDP는 동작전압 및 소비전력이 높으나 응답속도가 짧고 시야각이 넓으며 대형화에 용이한 장점이 있다.
현재 TFT LCD 유리는 LCD 관련 부품 시장의 30% 이상을 점유하며, 세계에서 4개 회사가 주로 생산하고 있다. 2005년 1분기 유리기판 생산능력은 1,621만m2을 보이고 있다. 제조사별 시장 점유율은 코닝이 전체의 57.1%, 일본 아사히글라스(AGC)가 16.5%, 일본전기초자(NEG) 16.1%, NHT가 7.8% 순이다. 국내는 삼성코닝정밀유리가 기판유리를 직접 생산하고 있으며 일본의 NEG, AGE, NHT 진출하였고, 독일의 Shott사도 투자를 시도하고 있다.

나. 기판유리제조
LCD에 이용되는 기판은 유리 성분상 3종류가 있으며 다음과 같이 이용된다. 특히 TFT LCD(AM-LCD)는 유리 표면에 알카리 성분이 용출되면서 액정과 반응하여 액정비저항이 저하되어 표시 특성이 변하고, Seal 부분에서 sealant glass의 부착력을 저하시켜 TFT의 동작에 영향을 주기 때문에 주로 무알카리 유리 조성의 기판이 사용된다. 본고에서는 AM-LCD용 유리에 대하여 기술한다.
1) 유리 조성
코닝사의 유리조성은 처음 BaO나 SrO-Al2O3-SiO2계 였으며 이와 관련한 특허는 USP 4,636,683, 4,634,684(1989년)와 4,824,808(1989년)에 나와있다. 이 조성은 유리 망목구성 산화물 함량이 높고 스트레인 온도를 높이기 위하여 알카리토류 산화물을 도입하였다.
USP 5,116,787, 5,116,789(1992년)와 5,342,426(19
94년)의 특허에서는 B2O3 도입으로 조성이 변하였다. 또한 CaO와 BaO가 중요한 역할을 하고 있다. 특허의 조성은 63~68 SiO2, 7.5~11 Al2O3, 9.5~16 CaO, 0~5 SrO, 4.5~10 BaO, 1~7 B2O3이다.
2) 용융
유리 용융은 유리의 조성과 그 품질 수준에 따라 용융 온도와 생산성이 좌우된다. LCD용 유리는 붕규산 유리에 속하는 알카리토류 알루미나붕규산 유리이며 무알카리이기 때문에 용융 온도가 높다. 이는 유리 점도가 높으며 청징이 어렵고 B2O3가 함유한 경우 이의 휘발 때문에 조성 관리가 중요하다.
청등제로 고온에서 청등 작용을 하는 아비산을 대부분 사용하고 있으나 이는 환경과 성형시 금속제 내화물과 반응하여 기포 발생의 문제를 발생한다. 아비산 대신 SnO2와 CeO2를 함께 사용하는 것이 좋은 결과를 가져오는 것으로 알려지고 As2O3사, Sb2O3, Cl-, F-와 SO4 등을 혼합한 청등제도 검토되고 있다.
3) 성형
LCD용 기판 유리 성형은 down draw 공법과 float 공법이 이용되고 있다. down draw 공법에는 코닝사의 fusion over flow down draw(FODDP)나 slot down draw 공법이 있다. 이 공법은 pull의 변동, 온도관리, 운전과 문제 발생시 유지 관리에 주의하여야 한다. float 공법은 1959년 Pilkington의 발명이후 오랫동안 판유리 제조에 사용되어 비교적 안정적인 공법이다. 그러나 생산시 금속 조에 접한 유리표면은 연마를 하여야 하는 문제가 있다.

다. 유리 품질 특성
대표적인 유리 기판의 종류별 특성은 표 4와 같으며 LCD 제품의 대형화, 경량화에 따라서 유리기판도 대형화가 진행되고 1매의 유리기판에서 다면 패널 제조를 실시하고 있다.
1) 두께
현재 많이 사용하는 것은 1.1mm와 0.7mm이며 통신기기용으로 0.5, 0.4mm 등이 사용되고 있으며, 두께는 LCD 소자의 무게와 부피에 영향을 주기 때문에 계속적으로 얇은 기판을 사용하려고 한다.
 2) 표면상태
유리기판 표면은 LCD cell에 영향을 주기 때문에 대형화가 될 수록 표면 상태의 균질성이 요구된다.
 - 표면조도(Roughness)
1~2mm이하의 범위에서 반복되어 나타나는 요철을 의미하며 막의 특성, 액성의 배향에 영향을 미친다.
- 요철(waveness)
5~20mm의 주기를 가지고 있으며 cell gap 변화로 색차 불량 발생 우려가 있다.
- 휨
기판내 1~2 개소에 나타나는 요철로 공정 중에서 plate에 기판이 잘 흡착되지 않는 불량을 발생시킨다.
3) 열적성질
- 내열성
내열성은 열팽창계수와 관련하며, AM-LCD 제조공정은 300~350℃에서 실시되고, Si-TFT-LCD는 400~600℃에서 열처리된다.
- 열수축성
고온에서 열처리 중에 유리기판은 구조가 완화되면 열수축이 일어나 치수의 변화를 가져온다. AM-LCD용 기판은 제조공정에서 열수축이 10~20ppm 이하가 요구되며 스트레인 온도가 높은 유리는 유리의 열수축이 작으므로 AM-LCD용 유리로 스트레인 온도 650℃ 이상인 제품이 사용된다.
4) 내약품성
AM-LCD 제조공정에서 유리기판은 산, 알카리, 불산계 등의 약품처리를 받게 되는데 이러한 약품에 대하여 내구성을 가져야 한다. 기판이 약품에 침식을 받으면 광 투과성이 저하되고, 유리성분이 용출되면 약품을 오염시킨다. 특히 BHF(HF+NH4F) 등의 불산 용액은 유리를 침식시키므로 주의하여야 한다.
 5) 광투과율
LCD는 비 발광형 디스플레이이므로 backlight 광률이 중요하며 가시광 전역에서 광 투과율이 높아야 한다. 유리의 광 투과율은 유리 성분의 불순물에 영향을 받으며 특히 원료 중 철분의 함량을 최소화시켜야 한다.

라. 유리기판의 과제
LCD의 고성능화에 따라 유리기판도 품질 및 특성의 요구사항이 점차 엄격하게 되고 있다.
1) 크기의 대형화
LCD 산업은 유리기판 크기의 변화로 세대를 구분하고 있으며 1990년(제1세대)을 시작으로 2005년에 7세대 라인이 가동 중이며 내년에는 8세대 라인을 설치추진 중에 있어 기판의 대형화가 중요하게 되었다.
예로 6세대 기판은 32인치 패널 8장을 생산할 수 있으나, 7세대 유리기판은 12장의 32인치 패널을 만들 수 있다. 유리기판의 크기가 변함에 따라 라인 설비가 변하게 되며, 대형화의 목적은 생산효율의 향상으로 비용의 절감에 있다. 또한 액정TV 등의 대형화로 큰 기판이 점차 필요하게 되었다.
① 유리기판 두께 0.7mm, 사방크기 2m인 경우 그 무게가 7kg 정도이다. 이 기판 유리에 100㎛ 이상의 기포, 이물 등이 1개라도 있으면 불량이다. 유리 소지 중 기포, 이물이 제로에 가까운 고품위의 유리를 제조하기 위해서는 용해로 설계, 원료의 품질 관리와 높은 용해 기술이 필요하다.
② 유리기판의 휨은 평행하는 두변에서 지지된 유리기판의 자중에 의하여 휘는 양을 나타내며, 대략 길이의 4승에 비례한다. 즉 기판의 크기가 증대되면 휘는 양은 현저하게 증대한다. 이는 제품의 운송이나 공정에서 매우 중요한 사안이다.
2) 경량화
LCD 패널에서 유리 기판이 점유하는 중량비율이 높기 때문에 유리기판의 경량화가 요구되고 있으며 이에 대응하는 방법으로 유리 두께를 줄이거나 유리비중을 줄이는 방법이 있다.  
① 두께의 박판화 - 두께를 줄이는 것은 유리 기판의 무게를 감소시키는데 효과가 크다. 현재 주류는 0.7mm이나 0.63, 0.6, 0.5mm제품도 시장에 공급되고 있다. 동일 크기에서 두께가 0.7mm에서 0.6mm로 감소하면 17%의 기판중량이 감소한다. 기판이 얇아지면 기판의 휨이 커지며, 기판의 강도가 저하되고 파손이 쉽게 되는 문제가 있다. LCD 패널을 화학적으로 에칭하고 연마하여 두께를 줄이는 방법이 있으나 비용이 증가된다. 일본은 정부 주도로 유리기판의 강도향상을 위한 나노연구 프로젝트를 실시하고 있다.
② 저 밀도화 - 유리조성을 변화시켜 밀도를 적게 하는 방법이며, 예로 밀도가 2.5g/cc에서 2.4g/cc로 내리면 4%의 기판중량이 감소한다. 두께 보다는 효과가 적으나, 유리의 휨의 영향이 받지 않아 패널메이커에서 선호할 수 있다.
3) 표면 정밀도와 품질향상
액정모니터나 TV 등에 이용되는 유리기판은 높은 표면 정밀도와 품질이 요구된다.
① 두께편차와 표면 요철 - 유리기판의 두께 편차는 표면처리공정에 영향을 주기 때문에 규격이 엄격하며, 예로 150mm의 범위에서 20㎛이하가 요구된다. 기판 표면의 요철은 LCD기판의 액정 층의 cell gap에 영향을 주어 표시에 문제가 발생한다. 요철은 길이 20mm에서 고저 차를 측정하며 그 값이 0.05㎛이하가 요구된다. 이러한 품질의 대 면적 유리를 제조하기 위하여서는 기판 유리의 성형기술 향상이 필요하다.
② 표면 흠과 이물질 - 유리표면의 흠이나 이물질은 TFT의 구동을 위한 금속 배선 막의 전단이나 쇼트 등으로 표시 결함의 원인이 된다. 표면 흠은 유리 연마에서 발생한다. 표면의 이물질은 미세한 유리가루나, 기타의 유기, 무기의 이물과 연마제가 표면에 부착하는 것이 문제이다.

3. 결언
디스플레이 산업은 성장률이 매우 높으나 각 제품 과 시장에서의 경쟁이 치열하여 가격 하락이 매우 크다. 이에 제품의 원가를 절감하기 위하여 부자재 중 유리기판도 제품의 대형화와 품질의 고급화를 요구받고 있다.
유리 산업에서 원가절감은 원료, 연료, 생산 수율향상이 가장 중요한 항목이다. 특히 수율 향상은 용융과 성형에 크게 좌우된다. 유리의 조성은 크게 변화 시킬 수 없으나, 성형은 각 사가 신 공법 개발에 계속적인 노력을 하고 있는 것으로 보인다.
향후 LCD 메이커와 유리제조 업체가 상호 협력하여  유리 기판에 관한 문제를 해결하는 것이 중요하다고 사료된다.

참고문헌
- 디스플레이 개황 및 TFT-LCD, 전자부품연구원, 2005. 7월
- 액정디스플레이 유리기판 New glass, vol.18.no2 2003 7-11
- Some technical aspects of glass substrates for TFT LCD application Glass technol,. 2003.44(4)148-51
- TFT-LCD 용 유리기판 New glass vol. 12 no.2 1996 21-26
- Advances in the process of floating borosilicate glasses and some recent applications for specialty borosilicate float glasses. Glass tech. 2000.41(6) 177-81
- LCD용 소재 개요. 한국디스플레이 학회지. 2001. 제2권 제1호. 52-69.
- 유리의 강도와 강화법. New glass vol.18 no2 2003 1924
- Corning사의 display technologies 자료(material information 외 7건)

필자약력
·한양대학교 무기재료공학과 학사
·한양대학교 무기재료공학과 석사
·배재대학교 무기재료공학과 박사
·배재대학교 무기재료공학과 겸임교수

<본 사이트에는 표를 생략하였습니다. 원문을 보시려면 월간세라믹스를 참조바람>