차세대 디스플레이용 유리의 연구개발 동향

PDP용 유리의 연구개발 동향

황 종 희 공학박사 요업(세라믹)기술원 책임연구원

PDP(Plasma Display Panel)는 자발광형 평판디스플레이로서 panel의 대형화가 용이하여 최근 가정용 대형 벽걸이 TV의 대명사로 자리를 잡아가고 있다. 이러한 대형 PDP 생산을 실현시킨 핵심재료 중 하나가 변형점이 높은 PDP전용 기판유리라 할 수 있을 것이다. 1940년대부터 흑백PDP가 개발되고 1980년 말 소형 컬러 PDP가 등장할 때까지만 해도 기판유리로는 일반 창유리와 같은 소다라임실리케이트 기판유리가 사용되어 왔다. 그러나 PDP 제조공정에 있어서 고온소성공정을 여러 번 거치게 되므로 기판유리에 변형이 발생하게 되어 이를 방지할 수 있는 PDP 전용유리가 도입된 것이다. PDP전용유리의 개발이력은 1991년 일본 Asahi glass사 (AGC) 가 일본 내 PDP업체로부터 변형점이 높은 PDP전용유리에 대한 개발 의뢰를 받은 후 처음 시작되었다. 첫 단계에서는 소형 roll out 로에서 샘플을 생산한 후 1995년에 이르러 본격적으로 float법에 의한 PD 200의 개발이 시작되었다. 당시 이미 PD 100~
400 시리즈의 조성이 개발되어 있었으며 그 중 PD 200이 PDP 전용유리로 상품화되어 현재 세계적으로 90% 이상 사용되어지고 있다. 최근에는 대형 평면 TV시장에서 PDP와 LCD의 경쟁이 격심해져 PDP에 대한 단가인하 압력이 거세지면서 재료비중에서 큰 비중을 차지하고 있는 PDP 전용기판유리에 대한 관심이 한층 더 높아지고 있는 상황이다.

1. PDP 전용유리 특성
가. 요구특성
- 높은 변형점
PDP panel의 전면판, 후면판은 기판유리 외 유전체, 격벽재, 전극재 등 여러가지 구성재료로 이루어지며 이들 각 재료들은 약 580℃ 정도의 온도로 소성이 되어지므로 기판유리에도 내열성이 요구된다. 유리는 비정질 물질이라고 하며 일반 세라믹스 재료와 달리 온도에 따라 고상에서 액상까지 연속적으로 변화되는 물질이다. 이러한 유리의 특성은 연화점, 전이점, 변형점 등 특정온도에서의 점도값으로 나타낸다. PDP 제조공정에서 중요시 되는 유리의 특성은 변형점이며 이 변형점에서 유리는 1014.5  dPa·s의 점도값을 갖는다. PDP기판유리가 변형점 이상의 온도에서 기판유리 자체의 하중에 의한 휘어짐 등 여러가지 요인으로 외력을 받게 될 경우 미세한 변형이 일어날 수 있다. 따라서 유전체, 격벽재 등 PDP전, 후면판 구성재료의 소성온도보다 변형점이 낮은 소다라임실리케이트 유리를 PDP 기판유리로 사용할 경우 상, 하판유리의 패턴이 일치하지 않게 되어 고정세 PDP panel 제조가 불가능해진다. 처음 PDP 전용유리가 설계될 당시 주안점은 전, 후면판 부재들의 열팽창 계수가 이미 소다라임실리케이트 유리에 맞추어져 있었으므로 소다라임실리케이트 유리와 동일한 열팽창 계수를 갖게 하면서 변형점을 높이는 방향으로 개발이 이루어졌다.

- 열변형 안정성
PDP전용기판유리도 변형점을 높여 panel 제조공정에서도 열변형을 방지할 수 있도록 설계되었지만 공정온도가 변형점 근처까지 올라가기 때문에 구조완화에 기인하는 열수축 현상이 생기게 된다. 결과적으로 이 열수축량의 제어가 고효율 PDP의 생산을 실현하는 기술로 볼 수 있다. 그림 1에 나타난 바와 같이 PDP 제조공정 온도인 580℃에서 기판유리를 일정시간 유지시킬 경우 소다라임실리케이트 유리와 PD 200 모두 약 300 ppm의 열수축을 보여준다. 그러나 소다라임실리케이트 유리와 달리 PD 200의 열수축은 선형적인 거동을 보이며 온도에 따른 수축량을 예측할 수 있어 cell pattern을 설계할 수가 있다. 더욱이 열수축을 제어하기 위해 1차 열처리된 유리를 2차로 열처리를 하는 경우 PD 200은 소다라임실리케이트유리에 비해 아주 우월한 열수축 특성을 보여준다. 그림 2에 나타난 바와 같이 PD 200은 수축률의 작은 편차만을 보여주지만 소다라임실리케이트 유리의 경우 그림 1의 1차 열처리한 경우와 거의 유사한 불규칙적인 수축거동을 보여준다. 이는 유리의 열수축 거동에 있어 변곡점에 해당하는 소다라임실리케이트 유리의 전이점이 PDP 제조공정에서의 열처리 온도와 유사하기 때문이다. 

- 높은 전기저항
소다라임실리케이트 유리는 그 이름에서 알 수 있는 것처럼 13% 정도의 Na2O를 함유하고 있어 Na+ 이온의 마이그레이션에 의한 낮은 전기저항, 전극의 황변발생 등 많은 문제점을 가지고 있다.
PD 200의 Na+ 이온 함량은 소다라임실리케이트 유리의 1/3 수준이며 K+ 이온을 동시에 함유하고 있어 Na+ 함량감소에 의한 효과뿐 아니라 혼합알카리 효과에 의한 낮은 전기전도 특성을 기대할 수 있다. 표.1에 보인 바와 같이 PD 200의 bulk 저항은 소다라임실리케이트 유리보다 매우 낮은 값을 보이고 있다.  

나. 기술개발 방향
- 대형화
PDP 기판유리의 대형화는 두 가지 관점에서 지속적으로 요구되어지고 있다. 첫째는 하나의 유리기판에서 여러 set의 PDP를 생산하는 다면취 기술의 발전이며 두번째는 TFT-LCD와의 치열한 가격경쟁으로 대형화에 유리한 PDP의 장점을 더욱 부각시켜 나가야 하기 때문이다. 그림 3에서 보이는 바와 같이 PDP 기판유리의 대형화는 급속하게 진행되어가고 있고 TFT-LCD의 7세대에 해당하는, 42” PDP 8장을 동시에 생산할 수 있는 장변의 길이가 2m이상의 기판유리도 내년부터는 사용되어 질 전망이다. 그러나 기판유리의 대형화에는 여러가지 극복해야할 과제가 따른다. 기판유리의 크기가 커질수록 자체하중에 의한 변형의 크기가 증가하므로 취급과정에서 파손될 확률이 높아진다. 또한 열처리과정에서 로내 온도구배가 균일하지 않으면 국부적인 온도구배에 의한 열충격 파괴의 가능성도 그만큼 높아진다. 또한 대형화에 따라 두께 균일성 및 열수축 균일성 등은 물론이지만 가장 큰 문제점은 그림 4에서 보이는 바와 같이 기판크기가 증가함에 따라 양품률이 급격히 떨어질 수 밖에 없다는 점이다. 동일면적의 원판유리에서 얻어지는 양품의 수가 기판크기가 작을 경우에 비해 기판크기가 커졌을 경우 기하급수적으로 감소할 수 밖에 없어 불량을 감소시키는 생산기술이 뒷받침되지 않으면 대형화는 가능할 수 있어도 PDP의 가격 경쟁력에는 한계가 따를 수 있을 것이다.

- 경량화
현재 기판유리의 두께가 2.8mm로 표준화되어 있으나 80” PDP의 중량은 약 80Kg에 이르고 그 중 유리기판이 차지할 중량은 40Kg에 육박할 전망이다. 따라서 경량화 요구에 대응하여 두께 1.8mm 제품이 개발되어 있고 박판화에 따라 취성 증가, 파손방지를 위해 유리조성의 개선도 이루어지고 있다. 더불어 저밀도 조성개발에 의한 경량화에 대한 개발도 요구되어지고 있다.

- 황변방지
PDP용 전극재로는 Ag가 주로 사용되고 있으나 열처리 과정에서 Ag가 이온화되어 기판유리 내에 확산되는 migration 현상이 일어난다. 이렇게 확산된 Ag+ 이온은 유리 내 함유된 Sn 이온에 의해 환원되어 콜로이드화된다.  이렇게 콜로이드화된 Ag는 황색이나 갈색으로 변색되어 소위 황변현상을 나타내므로 이를 방지 또는 최소화할 수 있는 기판유리가 요구되어진다. 

2. 시장전망
최근 PDP가 LCD와 대형 TV시장에 있어서 대대적인 수위경쟁을 벌이고 있지만 40”대를 뛰어넘어 50~60”의 대형 TV가 선호되고 있는 만큼 PDP의 향후 전망은 밝다고 볼 수 있다. PDP 전용유리가 고가인 것은 LCD 유리와 같이 유리자체가 고가유리 때문이라기 보다는 그동안 PDP기판유리 시장이 1개 float 라인에서 1년 내내 생산할 규모에 미치지 못했었기 때문이기도 하다. 지금까지 PDP 기판유리의 시장을 독점해 오던 AGC의 경우도 최근에 이르러서야 일본 kansai공장에서 PDP 유리를 전용으로 생산하고 있다. 향후에는 PDP시장도 급속히 팽창되고 PDP유리공급업체도 다변화 되어감에 따라 PDP 전용유리의 가격도 급속히 하락할 전망이다. 일본NSG에서 전망한 자료에 의하면 2010년도 PDP 전용유리의 수요량은 17만4천톤, 2,490만 m2에 이르러 양적으로는 TFT LCD용 유리의 수요와 가깝게 될 전망이며 소다라임실리케이트 유리와 같은 float 공법으로 생산되고 있지만 품질규격이 훨씬 까다롭기 때문에 PDP전용유리는 생산양이 훨씬 적어 3~5개의 float 공장이 더 필요하게 될 것이다. 그러나 한편에서는 저가의 소다라임실리케이트 기판유리를 적용하려는 움직임도 가시화 되어가고 있다. 대형 벽걸이 TV 시장에서 LCD와의 치열한 경쟁을 이기기 위해 PDP의 저가화 노력은 상식적인 수준을 벗어나 진행되고 있다고 해도 과언이 아니다. PDP전용유리의 높은 단가는 PDP 개발초기부터 set 업체에게 부담이 되어왔고 지속적인 기판유리 단가인하에도 불구하고 아직까지 모듈제조 원가의 3~4% 선을 차지하고 있을 만큼 큰 부담이 되고 있다. 이러한 실정으로 PDP 제조업체에서는 초기부터 내부적으로 소다라임 실리케이트 유리의 사용 가능성에 대해 검토를 진행해 오고 있었다. 더욱이 최근 LCD와의 단가 경쟁이 치열해 짐에 따라 소다라임실리케이트 유리 사용에 대한 관심이 다시 부각되고 있는 상황이다. 이러한 상황에서 최근 국내에서는 변형점이 낮은 소다라임 기판유리를 대형 PDP panel에 적용될 수 있도록 유전체, 격벽재, 실링재 등 PDP 구성 소재의 소성온도를 기존온도보다 50℃ 정도 낮추는 연구개발도 진행되고 있다.

3. 업계동향
이제까지 PDP 기판유리 시장을 독점해오던 AGC에 이어 일본 NEG가 PDP전용유리 PP 8C를 일본 PDP의 선두주자인 Matsushita에 공급하게 되면서 세계 시장의 10% 이상을 점유하게 되었다. 그러나 아직 국내시장은 AGC가 PD 200을 100% 공급을 하고 있는 상황이다. Saint-Gobain의 경우 이미 90년대 중반부터 미국 Corning과 공동으로 CS-25라는 전용유리를 개발한 바 있으나 적용에 실패하고 Corning사와 결별 후 최근에는 독자적으로 CS-77을 개발하였다. NEG외 일본의 판유리 업체 NSG, Cen
tral glass등도 각각 반띠안 (VINGT ET UN)과 CP-600V라는 고유의 PDP 전용유리를 개발하였으며, 특히 Central glass의 경우 최근 향후 3년간 100억엔 이상의 투자를 표명한 바 있고 일본 NEDO (신에너지 산업기술종합 개발기구)가 추진하는 국가 프로젝트에 참여하여 표면강화를 통한 초박막 PDP 유리 개발에 힘을 기울이고 있다. 그밖에 영국의Philkington에서도 NPX-7을 개발해 놓고 있다. 이에 AGC도 기존의 kansai공장 외에 자동차용 유리를 생산하던 aichi공장도 PDP전용으로 전환하여 생산능력을 2배로 확대하였다. 국내업체의 경우 판유리 업계의 쌍두마차인 한국유리와 KCC가 본격적으로 PDP 전용기판유리 사업에 뛰어들고 있다. 한국유리가 일본 Central glass, 프랑스 Saint-Gobain과 합작으로 DGA사 (Display Glass Alliance)를 세우고  7200만 달러를 투자해 내년 3월까지 PDP용 기판유리 가공공장을 구미에 건설할 예정이며 장래에는 기판유리를 직접 생산할 계획이다. KCC도 산자부 주관 부품소재기술개발 사업에 참여하여 독자적으로 PDP 전용유리를 개발하고 있다. 일본 AGC의 경우 한욱무역과 합작으로 설립한 한욱 테크노글라스의 자본증자를 통해 3000만 달러 규모를 확보하고 내년 8월부터는 구미공장에서 PDP유리의 절단, 단면처리 및 ITO코팅 등 가공사업 확대를 계획하고 있어 국내에서도 PDP 전용 기판유리의 생산경쟁이 치열해질 전망이다.

4. 맺음말
대형 평판 TV 선점을 위한 LCD의 대대적인 투자와 가격공세는 소비자입장에서는 즐거운 선택을 할 수 있는 기회가 되고 있다. 하지만 아직까지 주위 어느 집을 가보아도 PDP TV를 구경해보기도 힘든 시장진입 단계에 있는 PDP업계로서는 성숙산업단계에 진입해서야 맞이하게 되는 원가 경쟁력 단계에 위치해있는 셈이다. 즉 PDP업계로서는 기술개발과 원가절감이라는 두 마리의 토끼를 한꺼번에 쫓아야 하는 어려운 상황에 직면하고 있다 해도 과언이 아닐 것이다.  그 중에서도 더욱 시급한 것은 가격인하이며 이를 위해서는 무엇보다도 기판유리의 가격인하가 절실한 실정이다. PDP 시장 확대에 따라 PDP 전용유리의 연속생산도 가능해지고 많은 업계들이 시장참여를 앞두고 있어 저가격화가 가속화 될 예정이지만 앞서 밝힌 바와 같이 대형화에 따른 수율 저하 등은 반드시 해결해야 할 과제이다. 한편 소다라임실리케이트 기판유리 적용이 실현된다면 기판유리자체의 가격인하 효과도 중요하겠지만 PDP 구성소재인 저온 소성용 유전체, 격벽재, 실링재가 개발될 경우, PDP 제조공정의 저온화가 가능해져 제조 process상에서 절약되는 에너지, 공정온도 저온화에 따른 공정에 사용되는 치구의 장수명화, 저가격화 등 부가적인 효과도 함께 기대할 수도 있을 것이다.

그림 1. PD 200과 소다라임실리케이트유리의 소성온도에
        따른 수축률 변화

그림 2. 2차 열처리된 PD 200과 소다라임실리케이트유리의
       소성온도에 따른 수축률 변화

그림 3. PDP 기판유리 대형화 동향

그림 4. 기판유리 대형화에 따른 유리수율

필자약력
·연세대학교 세라믹공학과 학사
·연세대학교 세라믹공학과 석사
·연세대학교 세라믹공학과 박사
·삼성코닝 연구소 차장
·현재 요업(세라믹)기술원 책임연구원

<본 사이트에는 일부 표를 생략하였습니다. 원문을 보시려면 월간세라믹스를 참조바람>