친환경 저가 PDP용 소재개발 현황과 전망
PDP용 저온소성 친환경 실링재 개발
이종구 (주)세라 대표이사

1. 개요 
Plasma Display Panel(PDP)은 두장의 유리를 포갠 0.15mm의 좁은 공간에 수많은 Cell을 배치하여 상·하판에 장착된 전극을 통하여 구동 전압을 인가하면, 방전가스가 방전을 일으켜 자외선이 발생되고, 이 자외선이 셀 안에 있는 형광체와 충돌하며 고유파장의 가시광선이 발생됨으로써 우리가 화상으로 볼 수 있는 것으로, 특히 42″ 이상 대형 Display에서 가격, 화질, 수명 등 여러 가지 장점을 가지고 있기 때문에 Flat Panel Display Device 분야에서 가장 기대를 모으고 있다.
이런 기대를 받고 있는 PDP의 월간 생산량을 보면 2006년도 말 기준시, W.W. 146만장 중 한국이 65%인 96만장을 생산할 예정이며, 최근 일본 Matsushita가 공격적인 증설을 계획하고 있으나 한국 업체의 증설 계획에 못 미치는 수준이기 때문에, 우리 한국은 계속 세계 최대 생산국으로 군림할 수 있을 것이다.
그럼에도 불구하고 Module의 제조원가 대부분을 차지하고 있는 상·하판 유리와, 내부구조물 대부분을 구성하고 있는 Frit Powder (또는 Paste) 등 일부소재는 아직도 고가로 수입해야 하는 모순의 구조를 가지고 있기 때문에,  PDP 최강국으로서의 자존심은 물론 원가 경쟁력에서도 약점을 가지고 있다.
이러한 모순된 구조를 개선하기 위하여 저가의 Soda-Lime Glass를 PDP 기판으로 대체 추진하고 있는바, 이에 부합 사용할 수 있는 소재개발을 하고자 2006년 요업기술원 최병현 단장을 주축으로 ‘친환경 저가 PDP 소재개발’과제를 산학연 9개의 기업, 학교, 연구기관이 합동을 개발 추진하게 된 것이다. 본고에서는 개발 대상 소재 중 실링(Sealing)재의 개발에 대하여 언급하고자 한다.

실링재는 Module 제작 과정 중 가장 마지막 공정에서 사용되기 때문에 문제가 생길 경우 완성 단계의 Module을 폐기시켜야 하는 큰 손실을 가져오기 때문에 신뢰성이 대단히 중요시 되며, 그 사용량도 많지 않아서 Frit 소재업체나 Module 제조업체 모두 매우 소극적인 개발을 하고 있었던 것이 사실이다.
최근에 (주)세라에서 이러한 난제를 극복하고 국산화 개발에 성공하여 수입가의 30% 수준으로 Module 업체에 공급하므로써 PDP 가격 경쟁력에 크게 기여하고 있으며,  EU의 RoHS (특성 유해물질 사용지침) 규제에 대응하기 위하여 Bi계 실링재도 개발 완료한 상태이다. 이밖에 VFD용, LCD면광원용 실링재 개발에도 성공하여 이미 실용화시킨 바 있다.
이러한 개발 성과에 탄력을 받아 (주)세라는 Soda-Lime Glass 기판 사용에 대비한 실링재인 410℃ 이하의 저온소성 친환경 실링재 개발에 박차를 가하고 있는 것이다.

2. 국내·외 실링재 개발동향
PDP Module에는 격벽재용 Frit, 유전체(상·하판)용 Frit, 전극재용 Frit, 실링재용 Frit 등 여러 종류의 Frit가 사용되고 있는데 그 중에서 실링재용은 전술한 바와 같이 신뢰성에 대한 Risk가 클 뿐 아니라, 소요량이 적어 손익에 대한 Merit가 적기 때문에 아래 도표에서 보는 바와 같이 다른 Frit에 비하여 개발에 소극적이었다.
또한 실링재는 격벽재나 유전체를 먼저 소결시킨 후 실링을 하여야 하기 때문에 선결한 Frit 소재들을 보호하기 위하여 이들보다 약 100℃ 정도 낮은 저온소결 특성이 요구되어 무연의 경우는 다른 Frit에 비하여 재료 선택에서도 극히 제한적이며,  봉착강도, 기밀성, 전기절연성, 저팽창성 등 요구특성을 만족하기도 대단히 어려운 소재인 것이다.
일본의 경우도 Bi계나 P-Sn계 무연 실링재를 수년간 개발하여 왔으나 아직 실용화 공급을  못하고 있으며, 실험실적으로는 Sample을 생산하여  Module에 실장 Test까지 할 수 있었으나 Frit 양산 공정의 문제점이 많고 기존의 Pb계와 같은 폭넓은 열적특성을 구현해 내지 못하고 있어 Module업체에서 공급요청을 해도 실제 공급은 하지 못하고 있다.
국내도 다수 Frit업체에서 무연계 실링재를 개발시도 하고 있으나 소성온도 영역에서 결정이 생성되어 유동성 문제가 발생되거나 내수성이 취약한 문제, 그리고 Paste화 작업이 어려운 문제 등으로 난항을 겪고 있었다.

(주)세라는 25년여의 CRT용 실링재 생산 경험과 기술을 바탕으로 저가 고품질의 PDP용 유연 실링재는 이미 국산화 개발에 성공하여 공급하고 있으며,  EU의 RoHS에 대비한 친환경 무연 실링재로 Bi계 실링재를 2년여의 개발 결과, 그동안 난제였던 결정화 문제와 Frit Glass용융시 로재 침식문제를 완전히 해결하고 Module업체와 실장 Test를 거쳐 양산 설비까지 갖추고 있어 오히려 실용화에선 일본을 앞지르고 있다.

3. Bi계 무연 실링재 개발
Bi계 실링재는 Pb계와는 달리 실링재로서 요구되는 특성을 갖추기 위한 조성범위가 극히 제한적이어서 지금까지 개발된 Frit의 최저 소성온도는 450℃ 수준이며 510℃ 이상에서는 결정이 생성되어 유동성이 없어지기 때문에 1차 가소 후 2차 소성시 500℃가 넘어갈 경우 유동이 일어나지 않아 실링이 이루어지지 않게 되는 등 실링재로서의 열적특성에 많은 문제가 있었다. Frit Glass 용융시에도 내화물이나 백금재의 침식이 빠른 속도로 진행되기 때문에 일반적인 내화물 용융로와 백금 용융로는 사용할 수가 없는 것이다.
특히 백금로의 경우는 순식간에 로재가 손상되기 때문에 Batch를 사전 열처리후 Melting을 하여야 하는 등 양산시 공정이 복잡하고 고원가 용융을 할 수밖에 없어 용해로 개발 또한 큰 과제였다.

(주)세라는 Bi계 실링재 개발을 위하여 자체 연구소와 외부연구기관의 시험설비를 이용하여 2년여의 개발 끝에 상기의 결정화 문제를 조성의 설계와 Powder 입자특성을 활용하여 500℃ 이상에서도 결정화가 생기지 않는 Frit를 개발에 성공하였다. 또 Glass 용융으로도 기존의 내화물이나 백금을 사용하지 않고 특수 Skull Melting법을 개발하므로써 로재의 침식이 전혀 일어나지 않아 로의 수명연장은 물론 침식에 의한 불순물 혼입을 원천 차단하여 Frit 품질 안정화 효과까지 볼 수 있었고, 로 가동을 수시로 On-Off가 가능하여 원가절감까지 가능여 Bi계 실링재 양산에 실제 적용하고 있다. 이 개발결과로 결정화가 없는 조성에 대한 특허와 Skull Melting 용융로에 대한 특허까지 취득하고 있다.

4. P-Sn계 저온소성 무연 실링재 개발
한국의 PDP 경쟁력 확보를 위하여서는 수입에 의존하고 있는 고가의 고 왜점 기판유리(주사용 기판 PD-200) 대신 Soda-Lime계 유리를 PDP 기판유리를 사용할 수 있어야 가격 경쟁력에서 우위를 점할 수 있기 때문에 (주)세라는 Pb계 실링재와 Bi계 무연 실링재 개발에 이어 저온실링이 가능한 P2O5계 무연 실링재를 개발하고 있다.

전술한 바와 같이 격벽재나 유전체의 경우는 실링재보다 100℃ 이상 고온에서 소성작업을 할 수 있기 때문에 열적인 특성에서는 무연화(친환경화) 개발이 용이할 수 있으나 실링재는 극저온에서 실링을 하여야 하므로 그 소재의 선택에서 극히 제한적이어서 현재까지 알려진 것으로서는 P2O5-SnO계 Frit가 가장 유력한 것으로 보고 있다.
그러나 P2O5 공급 원료로서 P2O5는 흡습성 문제로 직접 사용할 수 없으며 암모늄계 화합물을 사용하는 것이 가장 유리한데 이 또한 용융과정에서 암모니아 Gas의 발생으로 용융로의 문제, 발생된 Gas 처리 등 해결해야 할 문제가 많다. 만들어진 Frit 또한 요구된 작업특성을 가진 Paste로 만들기 어려울 뿐 아니라 실링작업이 완료된 후에도 내수성 문제 등 이 대두되고 있어 해결해야 할 문제가 첩첩산중이라 하겠다.
(주)세라는 이와 같은 문제점을 해결하고 신뢰성을 확보하기 위하여 요업기술원과 공동으로 개발하고 있으며 이와 동시에 P2O5계로 요구특성에 미흡할 경우를 대비하여 졸겔법을 이용한 저온용 실링재도 개발하고 있다.

5. 맺음 말
수년간 전기·전자 Display 분야에서 일본에 뒤쳐져있던 우리가, 최근 몇년간 CRT와 LCD 그리고 PDP 등 Display 분야에서 일본을 따돌리고 세계의 선두에서 Lead를 하고 있다고는하고 있으나, 정작 이들의 경쟁력을 받쳐주는 근본적인 소재와 장비에서는 일본에 의존하여야 하는 구조적 모순을 가지고 있어 겉으로는 앞서고 있지만 실질적인 이득은 엉뚱한 일본에 바치고 있는 것이 아닌가? 
이제 우리는 이러한 모순을 해결하기 위하여 보다 적극적이고 실제적인 국가 차원의 지원과 중재로 산·학·연이 하나되어 소재·부품 개발에 총력을 기울여야 할때다.

Display 실링재는 비록 작은 분야이지만 그동안 일본의 기술에 의존하며 고가로 수입할 수 밖에 없었으나 (주)세라의 국산화 개발로 Module 제조원가에서 연간 100억원 이상 수입대체 효과를 보고 있으며, 개발과정에서 자체적인 연구개발로 세계 어느 나라도 가지고 있지 않은 특수 용해로를 개발하게 되었고 특허까지 보유하고 실용화 시키고 있어 향후 Frit생산에 막강한 경쟁력을 가질 수 있게 된 것이다.

본 과제를 통하여 (주)세라는 작지만 강한 Display 소재 전문회사가 되겠다는 꿈을 이룰 수 있다고 믿는다. 특히 실링재에서 만큼은 세계 제일의 개발력과 품질, 그리고 원가경쟁력을 갖추어 우리 한국의 Display 경쟁력 확보에 일익을 담당하고자 한다. 

한·미·일 PDP 소재 기술분야별 분포

필자약력
한양대학교 화공과 졸업
대한유리(주) 재직
삼성코닝(주) 재직
(주)세라 대표이사