친환경 저가 PDP용 소재개발 현황과 전망

무연계 저가 격벽재료 개발 동향
김형순 공학박사 인하대학교 신소재공학부 교수
전재삼 인하대학교 신소재공학부 석사과정

1. 서론
2000년 초부터 컬러 PDP 양산화 및 대중화의 단계에 있는 PDP 산업은 일본과 한국기업의 기술경쟁의 단순 구도로부터 중국/대만의 참여로 복잡한 다각구조의 경쟁체제로 돌입한 상태이다. 이러한 상황에서 PDP의 당면과제는 1) 효율 5 lm/W의 목표로 고효율화에 의한 소비전력 감소 기술, 2) 1인치당 30불 정도의 저가격화 기술이다. 즉, PDP 시장확대의 원동력은 저가화 기술개발이며 이것은 패널 (Panel) 제조의 저가격화와 회로의 구조단순화 기술개발이다. 또한 패널제조시의 저가격화는 재료 저가격화, 수율향상, 제조공정의 저가격화 등을 고려할 수 있으며, 재료비의 감소는 회로 크기감소와 부품수의 감축 등으로 해결할 수 있다. 저자는 본고에서 최근 저가 패널재료개발 측면에서 격벽의 기술개발 동향을 살펴본다.

PDP 표시장치의 구성부품 중에 후면기판 위의 격벽은 Red (R), Green (G), Blue (B) 형광체로 도포된 방전 cell을 형성하고 화소를 결정함과 동시에 화소간의 혼색을 방지하는 중요한 역할을 한다. 격벽의 요구 특성으로는 격벽의 치밀성과 높은 강도 (파괴인성), 기판유리와 유사한 열팽창계수, 높은 광반사율, 높은 종횡비, 저유전율 등이다. 최근 격벽에 대한 연구는 크게 세 가지의 측면에서 활발한 연구개발이 이루어지고 있다.
첫째, 기존의 격벽에 사용되던 PbO계 유리를 무연계 유리로 대체하고 있다. 조성관련, PDP 초창기의 격벽재료들은 주로 PbO-B2O3-SiO2의 납붕산염 조성의 유리로서 PbO의 60-80 wt%의 과량 사용으로 환경관련 규제에 적용이 된다. 즉, PbO 를 사용하는 재료들이 부품에 들어간 전자제품은 2006년과 2007년부터 각각 RoHS (Restricting the use of hazardous substance:유해물질사용제한지침)과 WEEE (Waste electrical and electronic equipment:폐전기전자제품처리지침)에 따라 환경유해물질 사용에 대한 규제를 받게 된다. 이러한 이유로 무연계 유리조성의 개발이 시급한 실정이고 또한 많은 연구가 이루어지고 있다.
둘째, 격벽의 열적, 기계적 및 기능적특성의 향상을 위해 첨가하는 충진제 (필러),  안료와 모유리의 반응성 연구이다. 기존의 PbO계 유리조성에 대한 충진제에 대한 많은 연구가 이루어졌으며 현재 상용화되어 사용되고 있다. 그러나 무연계 유리조성 개발에 따라 알맞은 충진제의 개발도 필요로 한다.
셋째, 격벽의 패턴형성 관련 제조공법의 개선이다. PDP 단점의 하나인 발광효율을 높이기 위해서 cell 형상과 고정세화 측면에서 피치 셀의 크기와 관련하여 여러공법이 제안되고 있다. 격벽형성 기술은 기존의 샌드블라스트 공법에서 고정세의 격벽 형성을 위해 다양한 기술들이 검토되고 있지만, 현재까지 가장 큰 대안은 에칭공법을 이용한 격벽 형성과 자체적으로 패턴 형성이 가능한 감광성 격벽을 이용하는 기술이다.
현재 격벽 형성방법으로 크게 샌드블러스팅(Sandblasting) 공법, 감광성 페이스트공법, 화학 에칭공법 등이 있다. 현재 많은 회사에서 샌드블러스팅 공법에서 화학 에칭공법으로 바뀌고 있는 추세이다. 그러나 HNO3 을 이용한 화학에칭은 많은 부산물의 양을 산출하며, 또한 섬세한 패턴의 격벽을 형성하는 한계가 있으며, DFR(Dry Film Resist)를 사용하므로 많은 공정이 필요하다. 그러나 감광성 페이스트 공법은 화학에칭에 비해 적은 부산물이 생성, 광을 이용하므로 보다 섬세한 패턴을 형성(HD급 화질 구현), 보다 간소한 공정을 할 수 있다. 상기 두 신규 공법 중 현재 양산성이 검증된 것은 에칭공법을 이용하는 것이며, 이 경우에도 샌드블라스트 공법에 사용되는 DFR과는 다른 종류의 DFR을 사용해야 한다.
지금까지 위와 같이 큰 세가지의 주제로 격벽에 대한 연구가 이루어지고 있었으나 최근 저가의 PDP개발을 위한 연구에 발맞춰 저온(약 500℃이하)에서 소성이 가능한 유리재료의 개발을 요구하고 있다. 현재의 격벽재료 소성 온도는 550~600℃ 정도의 고온에서 소성-형성되어지기 때문에 기판 유리에 대해서도 이 온도 범위 내에서 반복 열처리가 행해지고, 이러한 고온 열 이력 공정에서 기판유리의 치수가 변한다면 상의 찌그러짐이나 깨짐 현상이 발생한다. 이러한 문제는 패널이 대면적화 고정세화 할수록 중요도가 커지므로 현재 PDP용 기판 유리는 열처리에 따른 치수 안정성이 확보된 일본 Asahi Glass사의 고왜점 유리인 PD200을 사용하고 있다. PD200은 고가의 유리임과 동시에 국내에서는 생산되지 않아 전량 일본에서 수입하는 실정이다. 따라서 저가 PDP 소재 개발을 위해서는 기판유리로 사용하고 있는 고가의 고왜점 유리를 500℃용의 저가 소다라임 유리 기판으로 대체함과 동시에 친환경 무연 저온소성용 격벽 재료의 개발이 요구되고 있다.
표 2에 PDP 각 소재에 대한 비용 비중을 나타내었다. 전체 PDP 제조원가에서 소재비가 차지하는 비중은 약 43% 정도이다. 이중 격벽재료와 기판유리재료가 차지하는 비중은 약 13%로 많은 비중을 차지하고 있다. 또한 격벽재료는 소재뿐만이 아닌 형성공정에서도 많은 비중을 차지한다. 따라서 격벽의 친환경 저가 소재 개발과 간결한 형성공정 개발은 PDP의 높은 저가격화를 이루는데 필수 요소이다. 주요 공정을 장단점측면에서 비교하면, sand blasting 은 공정 및 재료가 단순하며 적용업체가 많으나 고정세가 불리하다. 한편 산에칭법 (Chemical etching)은 높은 종횡비와 고정세 측면에서 유리하나 열팽창률제어가 필요하다. 일본 마츠시다에서 사용하고 있는 photo etching 법은 공정이 단순하고 고정세 측면에서 장점이 있으나 재료개발이 어렵다는 단점이 있다.    

2. 국내·외 기술개발 동향
현재 격벽재료의 생산에 참여하는 기업은 다른 PDP 부품 및 재료를 생산하는 기업보다 비교적 많다. 일본에서는 아사히유리, 오쿠노제약, 스미토모세라믹, 대일본인쇄, 도레이, 일본전기유리, 야마무라, 국내에서는 휘닉스PDE, 대주전자재료, 삼화전자, 파티클로지, 일동화학, LG전자 제일모직 등이 격벽재료 (프릿, 필러, 안료, 비이클)의 생산에 참여하고 있다. 이중 일본기업인 일본전기초자, 도레이, 아아제약 공업 등에서 생산하여 국내 수요기업인 삼성SDI, LG 전자 등에 판매하고 있다. 한편, 대주전자재료와 휘닉스 PDE에서는 국내수요의 45% 정도만 충족시키고 아직 일본, 미국, 대만 등의 해외에는 판매하지 못하고 있는 실정이다. 현재 이들 기업체들이 양산 준비 중인 격벽재료는 환경적인 문제만을 고려한 격벽재를 구성하고 있는 프리트 성분 중 무연계를 개발하여 양산화 준비 중이다.

PDP의 현재까지 기술적 전개방향은 발광효율 향상, 고품위화, 저가격화가 중점적으로 연구되고 있다. PbO 유리계 대체 조성으로는 B2O3와 SiO2를 유리형성제로 도입하는 B2O3-ZnO-SiO2 계로 유리전이점이 500℃ 이상이고 연화점이 620℃로서 상용 PbO계 보다 열적특성이 높게 분포하는 것으로 보고되고 있다. 또 다른 조성으로는 P2O5를 유리 형성제로 하는 인산염 유리계로 P2O5-ZnO-RO 계가 연구되고 있으며 인산염계 유리의 가장 큰 문제점인 내수성 향상을 위해 10mol% 이하의 첨가제를 도입한 조성이 연구되고 있다.
격벽의 형성공정 측면에서는 스크린 인쇄 및 테이블 코터로 할 수 있는 페이스트를 주로 사용하였지만  얇고 조밀하게 doctor blade로 tape화한 후 여러 양을 적층하여 green sheet를 제조할 수 있는 기술의 개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 green sheet를 형성 후 격벽의 형태를 만들기 위해 국내에서는 현재 에칭법이 가장 많이 사용되고 있다. 그리고 PDP의 효율 및 해상도 향상을 위해  격벽의 구조를 변경하려는 노력이 진행되고 있다. PDP 크기가 점차적으로 커짐과 동시에 해상도를 향상 혹은 유지시켜 주기 위해서 격벽의 폭을 점차적으로 작게 또는 형태를 바꿔주는 기술의 개발이 활발히 진행되고 있다.
격벽 구조의 변화와 동시에 최근 환경규제의 문제가 대두되면서, 일본에서는 저온 소성 유전체와 환경 보전에 초점을 맞추어 PbO를 줄이고 또한 PbO계를 대체할 무연 재료에 대한 많은 연구 결과에 대한 특허가 보고되고 있다. 최근 보고에 따르면, 무연 격벽 재료로 PbO계 조성과 유사한 물성을 띄고 있는 Bi2O3계 조성의 연구가 활발히 진행되어 이에 대한 결과물이 보고되고 있는 실정이다. 그러나 아직까지 국내·외에서 소다라임 유리 기판을 사용할 수 있는 500℃ 정도에서 소성 가능한 유리조성에 대한 연구는 전무한 실정이다. 격벽의 형성공정적인 측면에서는 일본에서 감광성 페이스트에 대한 몇몇의 결과물을 얻어내고 있으며 생산 적용을 위해 일부 감광성 페이스트를 개발하고 있다.

3. 특허현황
국내에서 일반 격벽소재에 대한 출원건수가 12건, 친환경·저가 격벽소재에 대한 특허건수는 약 2건으로 유전체 및 전극 분야에 비해 상대적으로 적게 나타나고 있으며 전체적으로 격벽소재에 대한 특허기술은 기업이 주도가 되어 PDP 소재 평균 성장률 보다 높은 성장률을 보이고 있어 성장 가능성이 높은 분야로 생각한다 (그림 2. PDP 격벽소재 다출원인별 특허건수). 그러나 친환경 격벽소재에 대한 특허가 대부분을 차지하고 저가 격벽소재에 대한 특허건수는 전무한 상태이다. 현재 한국의 PDP 소재 관련 특허출원은 일본 다음으로 높은 점유율을 보이고 있지만, 원천특허나 핵심특허 등의 질적인 성과가 부족하여 기술 영향력은 낮게 나타나고 있는 실정이다. 특히, 친환경 저가 PDP용 소재 관련 분야의 기술동향에서 국내 기술은 성장가능성이 높고, 현재 특허출원건수  양적인 증가를 보이고 있는 상황이다. 따라서, 소재에 대한 원천기술을 확보하여 향후 친환경 저가 소재분야에서 발생이 예상되는 국제 지적재산권 분쟁에 대비할 필요가 있다.

4. 맺음말
기존 PDP 소재들을 대부분 해외에서 수입하고 있는 상태에서 신재료가 국산화됨으로써 PDP 핵심 소재 개발 및 원천기술 확보로 개발된 물질에 대한 PDP 패널적용 특성평가 방법확보, 완제품 품질의 경쟁력이 확보되고 제조기술 방법 축적에 따른 기술 자립기반을 구축할 수 있다.
PDP분야 차세대 저가 친환경 소재개발이 완료될 경우, 국내 산업체는  PDP 소재분야에서 세계 선두를 유지할 수 있는 기반이 구축되며, 일본소재업체와의 기술격차 감소로 국내 삼성SDI, LG전자 등에서 차세대 PDP 개발시 소재의 한계로 인한 개발지연 가능성이 최소화된다. 또한 PDP용 프릿 제조기술 최적화를 통하여 FED, LCD, SED 분야의 응용을 확대할 수 있을 뿐 아니라 공정의 단순화로 가격이 절감될 수 있다. 

그림 1. 격벽 형성 공정 비교도
표 1. 격벽형성 공정별 특성비교
   방법              재료비 대형화  고정세화  재현성  격벽구조  실용화
                                                                      다양화      정도
 Screen               ○      △           ×         ×          ×           ○
 Printing
 Sand Blasting     △      ○           △         ○         △           ○
 Direct(Chemical) △      ○           ○         ○         ○           ○
 Etching
 UV Paste            ×      ○           ○         ○         ○           △
 Photo etching*
 Pressing            ○      ×           ×          ×         ×            ×
 LTCCM              ○      ×           ×          ×         ×            ×
(범례)  ×:나쁨   △:보통   ○:좋음
*Photo-Sensitive Paste method 라고도 함

표 2. PDP 무기물소재, 소재비 비중 및 주요 수입국
 재 료              재료비 비중(%)  주요 수입국
 유리기판              8.8              日 (AGC)
 전극재료              7.2              日 (Dupont, Noritake, Taiyo)
 Black Stripe 재료  1.0              日 (Taiyo)
 투명 유전체 재료  2.6               日 (AGC, Noritake)
 백색 유전체 재료  0.8               日 (Yamamura, Noritake)
 격벽 재료            4.0               日(Okuno)
 형광체 재료         3.0               日 (Kasei)
 Seal재                0.4               日 (AGC, NEG)

표 3. PDP 격벽용 glass 특성
 조성계       유리 전이점(℃)  열팽창률(×10-7/℃)        비고
 PbO 계         440±20              80±5                  비친환경 재료 현재 양산중
 BaO-ZnO 계  490±20             80±5                  높은 Tg, 분산성문제
 Bi2O3 계       450±20              80±5                 낮은 에칭률, 높은 가격 Pb 대체 용이
 P2O5 계        400±20              80±5                 낮은 내화학성  저온소성 유리
  
그림 2. PDP 격벽소재 다출원인별 특허건수