소재

차세대 성장동력용 세라믹 디스플레이 소재

최병현 공학박사 요업기술원 수석연구원
지미정 요업기술원 연구원

1. 서론
디지털 시대에 적합한 display device는 slim화, 다기능화, 저가격화가 가능한 것만이 경쟁력을 갖게 되어있다. LCD와 PDP는 디지털 시대에 적합한 display이며 LCD는 42″이하에서 PDP는 42″이상에서 경쟁력을 갖고 있는데, 이러한 디스플레이는 상당부분이 세라믹 소재로 되어 있다. <표 1>에는 각종 디스플레이에 사용되고 있는 세라믹 소재를 나타낸 것이다. 세라믹 소재들은 상당부분 수입되어 오다가 최근들어 국산화 개발이 이루어지면서 점차 국내 산업도 활성화 되고 있다. 그 중에서 PDP용 세라믹 소재는 패널에 사용되는 기판부터 내부에 격벽, 유전체, 보호막, 전도막, 형광체, 실링재 등이 있다. 
PDP는 2003년부터 우리나라에서 본격적으로 개발되어 불과 4년만에 10,500억원의 국내 시장을 형성하였다. 이 수요는 세계 수요에 비해 점유율이 5% 정도로 매우 작은 편이나, 생산은 2006년에 6000천대(140,000억원)로 대부분은 해외에 수출하고 있다.
따라서 PDP 생산은 일본과 함께 세계적으로 선두 그룹에 있고 모듈은 국내생산이 57%이상 이어서 세계 1위이다. 그러나 PDP용 세라믹 소재는 아직도 상당부분 수입하고 있고 품질수준 또한 일본에 비해 낮은 편이다.
따라서 본 고에서는 PDP용 세라믹 소재를 중심으로 PDP부품, 소재로의 구성과 역할, 요구특성을 논하고 이러한 부품들의 국내 현황, 기술개발 동향, 생산기업현황 및 시장 수요를 전망하고자 한다.

2. 본론
가. Display용 세라믹 소재 및 부품
디스플레이용 세라믹 소재와 부품은 <표 1>나타내었는데 PDP의 경우 전면과 배면기판사이 내부는 대부분이 세라믹 소재이고, 타 디스플레이의 경우 핵심소재 또한 일부 세라믹 소재로 구성되어 있음을 알 수 있다.
나. PDP 부품시장 전망
아래 그림은 PDP용 부품의 현재 수요와 향후 수요전망을 나타낸 것이다. 부품 중 순수 세라믹 소재(진한 글씨)로만 구성된 것과 일부세라믹소재(밑줄 글씨)들이 포함되어 있는것이 있는데 향후 PDP의 수요와 동반하여 성장을 계속 할 것으로 예측되고 있다.
다. PDP 구성 소재의 역할 및 요구특성
<표 2>에는 PDP용 세라믹 소재의 역할과 요구 특성을 나타내고 있다. 세라믹 소재들의 요구 특성 중에 가장 이슈인 것은 저가화, 친환경화이다.
라. 세라믹 소재의 현황 및 국내외 연구 개발 동향
(1)Glass 기판
쪾기판유리는 일본 AGC가 붕규산 유리를 PDP전용유리로 개발하여 전세계적으로 대부분이 사용한다.
- AGC에 이어 NEG가 일본시장의 5% 시장을 점유함으로 고왜점 유리 분야에서도 시장경쟁 체제로 진입하고 있으며 NSG, Saint Gobain, Central Glass 등 기타 업체에서도 생산판매하고 있다.
.국내 판유리 제조업체인 KCC에서 고왜점 유리개발을 진행 중이며, 한국유리에서도 PDP용 고왜점 유리를 개발 중 또는 사업의 타당성을 검토 중이다.
.향후 저가격 및 경량화를 목표로 소다라임 유리로의 전환이 빠르게 진행되고 있다.
.대형화를 위해 4면취는 개발 중이며 두께는 1.8mm로 바뀌고 있다.
(2)유전체(투명/백색)
.유전체는 통상적으로 paste상태로 사용되는데 국내에서 상당부분 생산하고 있다.  
.투명유전체는 균일하게 20~40um의 두께로 스크린 인쇄하는 것이 일반적인 방법이나 최근에는 green sheet를 이용하는 방법이 개발되어 사용되고 있다.
.유전체 구성소재는 저융점 유리 분말(frit), filler 및 유기 vehicle로 되어 있음. 프리트는 Pb 함유 glass frit가 대부분이나 최근 환경오염문제가 있어, Pb free 프리트가 개발되고 있다.
.AGC, Noritake를 중심으로 무연 제품의 마케팅을 강화하고 있다. 
(3) 격벽재
.격벽은 PDP 배면의 가장 중요한 소재로서 유리분말, Vehicle, filler, pigment로 구성되어 있다.
.격벽은 배면의 유리기판위에 200㎛~300㎛마다 반복되는 높이 약 150㎛로 격벽(barrier rib)을 형성하여 형광체를 담지하고 있다.
.PDP의 효율 및 해상도 향상을 위해 구조를 변경하려는 노력이 진행되고 있음.
.격벽용 유리분말의 경우 Pb 대체조성으로 Bi계, B2O3-ZnO계가 Vehicle의 경우 감광성을 갖는 소재가 개발되고 있다.
(4)Seal재
.국내에서는 일동화학, 세라에서 일부 개발하여 사용 중이다.
- 일동화학의 경우 유리분말은 일본 등에서 수입하여 paste 상태로 판매하고 있고 세라는 유리분말을 자체 생산하여 paste상태로 판매하고 있다.
.2000년 이후 일본회사가 갖는 무연조성의 특허의 청구범위는 매우 넓어 재료를 개발함에 있어 국내업체에 어려움이 수반되고 있다.
.2002년부터 미국, 일본 등에서 무연제품을 개발하여 삼성 SDI나 LGE에 sample로 공급하고 있는 상황이다.
.국내에서는 Bi계 또는 P2O5계 Pb free seal재를 개발하고 있다.
(5)투명 전극(sustain전극)
.투명전극으로서는 ITO가 주로 사용되고 있으며, 막의 형성은 ITO target을 sputter하여 형성한다.
.ITO 박막은 고가의 값 인듐(In)을 주성분(약 90~95%)으로 하고 있기 때문에 이를 대체할만한 투명전극재료에 대한 연구개발이 이루어지고 있다.
- ZnO막, Sb doped SnO2막 또는 CdSnO막 등이 검토중에 있으나 ITO성능을 능가하는 재료는 개발된 바 없다.
.현재 작은 면적의 ITO 증착하는 기술은 일본과 동등수준이나, 대형 size에의 투명전극의 증착 기술은 전무하다.
(6)Bus/Adress 전극
.Bus 및 adress 전극은 금속분말, Vehicle, 유리분말로 구성되어 있는데, 전도성 금속 소재로는 Ag가, vehicle로는 감광성 polymer가, 있고 유리분말로는 PbO를 주성분으로 한 PbO-B2O3-SiO2계 유리가 주로 사용되고 있다.
- 일본의 경우는 Cr/Cu/Cr, Cr/Al/Cr 등을 이용한 막을 주로 사용한다.
.삼성SDI, LGE는 현재 paste 상태로 사용하고 있으나 최근 green sheet 감광성 전극 에 대해 개발하고 있다. 
.일본의 NEC나 PIONEER의 경우 소재업체인 JSR(Japan Synthetic Rubber)과 공동으로 새로운 소재 및 공정을 개발하여 일부 신설 라인에 적용하고 있는 상황이다.
향후 green sheet로의 전환도 적극 검토하고 있는 실정이다.
(7)형광체
.형광체는 CRT나 형광등에 사용되어온 것을 개량한 것으로 현재 청색 형광체의 휘도와 수명, 녹색의 잔광, 적색의 색도 등에 문제점이 있다.
.기존 형광체들의 특성을 보완하기 위해 다양한 조성의 형광체들이 혼합되어 사용되어진다.
.형광체 산업은 일본 등의 선진국에 비해 기술이 낙후되어 있어 대부분을 일본에서 수입, 사용하고 있다.
- 형광체의 경우 대부분이 일본에서 생산되고 전 세계적으로 사용되고 있음.
.삼성 SDI, LGE는 형광체 제조업체들과 협력하여 직접 형광체를 개발하여 신제품에 적용하고 있다.
(8)보호막
.보호막용 소재로는 MgO 단결정이 주로 사용되고 있으나 성분 및 품질 편차, 느린 성막  속도,  늦은 방전속도, 높은 오방전율 등의 문제가  있다.
.국내 PDP제조에는 C&Chem, 삼화화학등에서 일부 생산하고 있는 단결정과 다결정을 사용하고 있다.
.일본의 경우 다결정 MgO 보호막재료는 미쯔비시사가 제일 먼저 개발하여 PDP에 적용중이다.
.성능이 향상된 (doped MgO)다결정은 국내, 국외에서 개발을 서두르고 있다.
.최근 국내외적으로 패널제조업체와 보호막 재료업체가 협력하여 보호막의 방전 특성에 대해, 지속적으로 연구를 진행 함으로써 소재 성능도 고품질화 하고 있다.
(9)배기소자 및 배기관
.배기소자는 배기관과 sealing용 소자로 구성되어 있으며, 배기관은 soda-lime을 주성분으로 하는 유리관(glass tube)이 사용되고 있으며, sealing용 소자는 seal재와 유사한 PbO-B2O3계의 유리분말이 주로 사용되고 있다.
.배기관은 소재를 정관산업 등의 업체에서 수입, 가공하여 사용하고 있으며,  관련 기술은 미흡한 실정이다.
.Glass frit 은 센불에서 국산화 하여 PDP 업체에 납품 중이나, 일체형 및 친환경 제품, 저가 제품 등의 개발은 기초 단계이다.
.현재 평판디스플레이 선진국인 일본의 경우 Asahi사를 중심으로 배기관과 glass frit는 모두 상용화하여 FHP, NEC사에 적용하고 있다.
마. 디스플레이용 소재·부품 생산 기업 현황
<표 3>과 <표 4>는 국내외 PDP 및 LCD, OLED에 사용되는 세라믹 소재의 생산기업 현황을 나타내었다.

3. 결언
향후 PDP가 다른 디스플레이와 경쟁을 하기 위해서는 PDP의 핵심 소재인 세라믹 소재가 친환경화, 저가격화, 경량화 되어야 하고 PDP의 경우 이를 이용한 고정세화, 저소비전력화, 고화질화가 필수적으로 해결되어야 한다.
따라서 친환경 저가 및 새로운 재료의 개발이 필수적으로 이루어져야 하는데 최근 요업기술원에서는 친환경화, 저가화를 위해 ‘차세대 성정동력 사업’으로 2006년부터 Soda-lime에 적용할 수 있는 PDP용 세라믹소재(총괄 책임자 : 최병현 수석연구원)를 개발하고 있다. 이 외에도 <그림 1>에 나타낸 것처럼 1년 이내에 PDP는 20%, LCD는 40% 가격을 인하하여 경쟁을 하고 있으므로 저가격화를 위한 동시 공정에 의한 공정의 단축이나 생산성 향상을 기해야 할 것이다.
또한 PDP로서는 지속적으로 고효율화, 저 소비전력화, Noise 감소화, 대면적화, 고세정화(1920×1080), Contrast Ratio 향상을 기해야 타 display와 경쟁에서 우위를 점할 수 있을 것이다.

필자약력(최병현)
연세대학교 요업공학과 공학사
연세대학교 대학원 요업공학과 공학석사
아주대학교 대학원 재료공학과 공학박사
국립공업기술원 요업기술원 공업연구사, 공업연구관
산업자원부 요업기술원 공업연구관
요업기술원 수석연구원, 기획관리본부장, 전자부품소재 본부장 
한국세라믹학회 운영위원
세종대학교 신소재공학과 겸임교수
한국단결정학회 감사

필자약력(지미정)
한양대학교 화학과 이학사
한양대학교 대학원 신소재화학과 이학석사
요업기술원 연구원

< 본 사이트에는 일부 표가 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조바랍니다.>