친환경 저가 PDP용 소재개발 현황과 전망
저가 Ag계 잉크 소재 기술 개발동향
문주호 공학박사 연세대학교 신소재공학부 교수

1. 잉크젯 프린팅 기술의 개요
잉크젯 프린팅 기술은 퍼스널 컴퓨터 (PC)의 문서출력용 프린터 목적으로 개발된 기술로, 기존의 고소음 충격식 접촉인쇄방식의 Dot Matrix 프린터 이후에 혁신적인 전환을 가져온 인쇄기술로, 프린터 헤드 내의 노즐을 통하여 잉크 형태의 유체를 미세 액적 형상으로 고속 분사하여 기판에 이미지를 형성하는 기술이다. 극미량의 유체가 디지털 신호에 의하여 원하는 시점과 공간 위에 분사되어지기 때문에 컴퓨터의 가상공간에서 디자인 된 다양한 형상을 자유롭게 직접 묘화 (Direct-Write) 할 수 있는 장점을 갖고 있으며, 또한 유체의 인쇄방식이 기판으로부터 비 접촉방식으로 증착되기 때문에 종이를 비롯하여 직물, 금속, 세라믹, 폴리머 등 다양한 기판 위에 자유로운 형상을 인쇄할 수 있고 수 십 ㎛ 크기부터 수 평방미터 이상의 대면적까지 인쇄가 가능한 특징을 가지고 있다. 
특히 원하는 곳에 필요한 물질을 패턴닝 할 수 있는 소위 패턴 온 디맨드 (Pattern on Demand) 공정이 가능하므로 극히 단순한 공정으로 미세패턴을 제작할 수 있으며, 이에 따라 고가의 재료 이용 효율이 100%에 가깝고, 폐기물이 없는 친환경 공정 실현이 가능하며, 고가의 진공장비가 소요되지 않아 비용 절감에 따른 제품 가격 경쟁력 창출에 매우 효과적이다. (그림 1) 이런 점에서 현재 일본과 유럽, 미국 등 세계 유수 기업 및 연구소에서 잉크젯 프린팅 기술을 이용하여 정보/전자 부품 제작 및 조립을 하는 프린터블 전자소자 (Printable Electronics)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
 특히, 잉크젯 프린팅용 소재 및 제반 공정기술은 현재 국가성장동력 산업분야인 PDP, LCD, OLED 패널 제작에 직접 활용될 수 있으며 향후 전자종이, 플렉시블 디스플레이, 초대형 디스플레이 등 새로운 정보통신기기 구현을 가능하게 할 핵심기술이 될 뿐만 아니라 BT/NT/ET 등 다양한 기술 패러다임이 융합된 새로운 응용분야 창출의 원천기술이 될 수 있으며 다음과 같은 다양한 산업분야별로 활용성을 갖고 있다.
잉크젯 프린팅 공법의 구성은 그림 2에 도식하였듯이 미세 액적을 분사하게 되는 프린팅 헤드부와 헤드를 사용하여 원하는 패턴을 구현할 수 있도록 비전 관찰과 위치 제어를 가능하게 하는 프린팅 시스템이 필요하여 이를 통하여 사용할 수 있는 소재, 즉 잉크, 그리고 단위 공정 기술로 구성되어 있다. 특히 잉크젯 프린팅을 활용하여 정보/전자 소자를 제작하기 위한 핵심기술 중에 하나는 기존 공정에 적용되던 소재와 다른 물성을 갖는 기능성 잉크를 개발하는 것이다. 전자소자를 구성하기 위해서는 전도성, 절연성, 저항성, 반도체성, 전기발광성 등의 다양한 기능성 소재가 필요하여 이를 유기 분자/고분자, 유기/무기 입자 형태로 용매에 분산하여 안정되게 잉크젯 분사가 가능한 저점도 콜로이드 용액으로 조제하여야 한다.
잉크로서 요구되는 물성으로는 노즐의 막힘 현상 없이 안정적으로 프린팅 될 수 있도록 높은 분산 안정성과 적당한 유체특성 (점도와 표면장력)을 갖추어야 한다.  특히 플렉시블 기판에서 저온 공정이 되기 위해선 나노입자합성, 계면특성 제어, 혼성화 등의 나노기술이 필수적으로 관여하게 된다. 또한 매질이 종이와 같은 다공성이 아니라 비 다공성 기판 위에 프린팅을 하기 때문에 액상 소재 내에 함유된 기능성 소재의 패턴 구현은 필연적으로 용매 건조 과정에 밀접한 영향을 받게 된다. 따라서 적합한 기능성 잉크를 조제하고 이를 프린팅하여 미세 패턴을 구현하기 위한 공정에 관한 기반기술 확보가 필수적으로 선결되어야 한다.
잉크젯 프린팅의 공정 단계는 잉크 조제, 잉크 분사, 잉크의 기판 증착, 용매의 건조, 패턴구현의 순으로 진행된다. 물질 증착 기본 단위가 프린팅 헤드를 통하여 수 kHz의 고속으로 생성된 ~100 pl의 미세 액적으로, 각각의 액적은 부피 차, 낙하속도 차, 궤적 차 없이 균일하게 형성되어야 하며, 이를 비접촉 방식으로 매질 위 원하는 위치에 정확히 증착시켜야 한다. 기판에 증착 된 액적은 계면에너지 특성에 따라 퍼지는 정도가 달라지고 각각의 액적이 모여져 점/선/면을 구성하고, 액적 내에 포함된 용매가 건조되어 용해 또는 분산된 기능성 소재가 기판에 증착되어 원하는 형태의 패턴이 구현된다. 이때 패턴의 해상도/정확도는 프린터 헤드 및 헤드 모션 제어 성능에 따라 좌우되며, 특히 잉크 물성, 분사 특성, 기판 재질, 건조 조건에 의하여 영향을 받는다.
잉크젯 분사 특성은 잉크 내 고용량, 용매 종류, 분산성, 유변특성, 표면장력 등 잉크의 물리 화학적 특성에 의해 좌우되며, 동시에 잉크 물성은 기판과의 상호 작용을 결정하고, 용매의 건조 속도, 건조 후 증착된 용질의 공간적 분포에 영향을 미친다. 따라서 이러한 잉크젯 프린팅 공정의 복잡한 상관관계를 과학적으로 이해하여 분사 특성이 우수한 전도성 잉크 소재를 조제하고 공정변수를 최적화 해야만 고기능성 정보전자 소자를 구현할 수 있으며, 단순히 기존 공정에 적용되고 있는 구성 요소를 액상 소재화해서는 불가능하다고 할 수 있다.

2. 잉크젯 프린팅을 통한 Direct Metal Printing
잉크젯 프린팅 기술을 통하여 전기가 통할 수 있는 전도성 패턴을 직접 구현하는 기술로 그림 3에 정리하였듯이 다양한 소재/부품에 적용가능하다. 사용되는 잉크로는 프린팅/건조/저온 열처리를 통하여 우수한 전도성을 발현시킬 수 있는 잉크 소재가 요구된다. 전도성 잉크로 무기물 기반으로는 CNT, ITO, 금속 소재를 바탕으로 한 것과 유기물 기반으로 PEDOT/PSS, Polyaniline, Poly(p-phenylenevinylene) 등을 함유한 잉크로 구분될 수 있다. 유기물 기반 잉크는 유기박막트랜지스터(OTFT) 등과 같은 유연성 전자소자로 최근 많이 응용되고 있으나 현재까지는 그림 4에 도식하였듯이 무기 기반 잉크에 비하여 전도성이 많이 떨어지고 있어 대부분의 전도성 잉크는 무기 금속 기반의 잉크가 사용되고 있다.
금속 기반 잉크 중에서도 금속염을 포함한 잉크를 프린팅 하고 환원처리를 하여 사용하는 형태 보다는 저온 소결이 가능하도록 나노입자의 결정성 금속을 분산시켜 놓은 형태인 콜로이드 타입의 잉크가 주로 사용되고 있다. 특히 나노입자의 높은 표면에너지 특성으로 산화가 되기 쉬운 금속 소재 (예, Cu)의 경우는 산화억제를 도모할 수 있는 Capping Molecules의 선정 및 이를 통한 표면개질 기술이 중요한 변수이다. 이러한 유기물은 표면 산화 억제력도 우수해야 하지만 동시에 잉크 용매에 금속 나노입자의 분산 안정성을 부여하여야 하며 건조 후 열처리 과정 중 저온 휘발성이 우수하여 잔류 유기물로 인한 전도성 저하를 유발시키지 않아야 하는 측면에서도 정밀한 제어가 요구되는 핵심기술 분야라고 할 수 있다. (그림 5)

3. 전도성 잉크 개발 동향 
현재까지 주로 전도성 잉크 소재는 표면 산화 문제가 일어나지 않은 Ag를 기반으로 하는 잉크가 사용되고 있으며, 미국 Cabot-PEDs 사와 CimaTech사, 일본 Harima화성 등이 중심이 되어 상용 잉크를 2004년도부터 개발하여 공급하고 있다.  공통적으로 50 nm 이하의 크기를 갖는 Ag 입자를 30~60 wt% 함유한 비수계 용매 기반이 주를 이루며 Spectra 프린팅 헤드를 사용하여 약 40㎛의 선폭을 갖는 전도성 패턴을 구현할 수 있고 약 150도 정도에서 열처리 하여 3~10 ㎕Ω·cm 정도의 비저항을 발현할 수 있다.
국내에서는 전도성 잉크의 잉크젯 프린팅 기술을 적용하여 LCD Gate 전극, PDP Address 및 Bus 전극제작 등 정보 디스플레이/전자 부품 제작으로의 응용을 삼성전자, 삼성SDI, LG전자, LG Philips 등 대기업들을 중심으로 2003년경 부터 시작되었으며, 다층형 Embedded PCB와 FPCB 분야의 적용을 위해 삼성전기, 두산전자 등이 기반 기술을 연구 중에 있다. 전도성 잉크 소재는 잉크테크, 대주전자재료, 석경에이티, 동진쎄미켐, 창성 등의 기존 전자/디스플레이 전자재료 회사들이 적극적으로 새로운 잉크 소재 개발에 앞장서고 있다.

4. 전망
앞으로의 전자정보 소자의 제작은 Batch 타입의 반도체 공정과는 다른 저온 비진공 공정으로 대량 생산성이 용이한 첨단 인쇄법이 적용될 것으로 예상되며 그 응용범위는 LCD, OLED, RFID 태그, 수화물 태그, 전자종이, 전자직물 등으로 확대되어, 점차 값싸고 유연성 있는 다양한 분야의 전자소자로 응용될 것으로 예상된다. 또한 플렉시블 소재 및 소자기술에 대한 원천기술 확보 및 기술의 무한 경쟁은 기능성 정보소재의 개발과 함께 화학, 재료, 물리, 전자공학 등의 연구가 함께하는 컨버전스 기술로 발전될 것으로 예상됨에 따라 가까운 장래에 플렉시블 디스플레이, 플렉시블 정보저장, 플렉시블 배터리 등에 기초한 Roll-up PC도 가능할 것으로 기대된다.
잉크젯 프린팅을 이용한 플렉시블 소자 제작에 대한 연구는 국외에서도 초기 단계이며 차세대 기반기술로서 관련 다른 산업들의 경쟁력을 확보하는데 있어서 매우 중요한 원천기술이 될 가능성이 크다고 할 수 있다. 특히 다양한 기능성 잉크 소재는 핵심 기반분야로 이에 대한 기술개발이 필수적으로 선결되어야 한다.

표1

 산업 분야                                         응 용 분 야
 정보디스플레이  고분자 PLED, TFT-LCD Color Filter, FED 전계방출소자, E-Paper,
                        유기반도체, PDP Bus 전극, 초대형 디스플레이, 유연성 디스플레이
 전기 / 전자       유연성 인쇄회로기판, 전자태크 (RFID), 집적형 PCB, 초대형/초저가
                        센서, 마이크로 전지, 유기태양전지, Smart Card, E-textiles
 광학                 마이크로 렌즈, 광도파로, 광 스위치
 바이오 / 화학    약물전달시스템, 신약개발, Tissue Engineering, DNA 칩, 단백질 칩,
                       조합화학기술을 통한 신조성 촉매/형광체 개발

그림 1. 잉크젯 프린팅 공법의 장점
그림 2. 잉크젯 프린팅 공정의 구성 요소
그림 3. 잉크젯 프린팅을 통한 전도성 패턴 구현의 응용 분야
그림 4. 전도성 잉크 소재별 전도도 비교
그림 5. 금속 콜로이드 타입 전도성 잉크의 전도성 발현 메카니즘
그림 6. 상용 전도성 Ag 잉크:
(a) Harima 화성 잉크; (b) Cabot-PEDs 잉크 및 열처리 후 미세구조;
(c) Spectra 헤드를 통하여 프린팅 되는 모습

필자약력
연세대학교 세라믹공학 학사
Univ of Florida 재료공학 석사
Univ of Florida 재료공학 박사
일본통산성 나고야공업기술원 초빙연구원
연세대학교 신소재공학부 부교수