鄭景元 공학박사 / 대주전자재료(주) 연구소장 21세기 들어 한국의 CRT, LCD 제품이 전 세계 시장의 1위에 등극하면서 명실공히 한국이 디스플레이 산업의 메카로 부상하게 되었다. 이러한 국내 디스플레이 산업의 급속한 성장은 정확한 예측과 과감한 투자를 통한 시장 선점과 이에 따른 시장 지배력에 근거하는 것으로 2000년부터 본격적으로 시작된 PDP(Plasma Display Panel)에서 그 정점을 이룰 것으로 예상된다. 반도체 산업과 함께 국내 전자 산업의 양대 산맥을 이루는 디스플레이 산업의 가장 큰 이슈 중의 하나인 PDP는 그 발전 속도와 함께 재료 또한 빠른 속도로 발전되고 있다. 여기서 특히 주의를 끄는 것은 PDP용 재료들 중 일부 재료는 전자 재료 분야에서는 가장 앞서 있다는 일본의 재료와 동등하게 경쟁하고 있다는 사실이다. 이것은 기존처럼 새로운 디스플레이가 등장할 때와 같이 초기에 해외의 재료를 적용한 후 가격 경쟁력을 위해서 국산화하는 방식을 탈피했다는 점에서 주목할 만한 것이다. 1. 격벽(Barrier Rib) 재료 PDP용 격벽 재료는 일반적으로 PbO계 유리 분말을 점성을 갖도록 페이스트(paste)화 하여 기판 유리에 일정 두께로 도포하고, 다양한 방법으로 격벽을 형성한 후 소성하여 사용한다. 이러한 격벽은 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue)으로 나뉘는 방전 셀을 구분하는 벽의 역할을 한다. 현재 각 PDP 회사별로 셀의 디자인과 방식에서 차이가 나고 격벽을 구현하는 방법도 각각인데, 이러한 생산 방식에 따라 재료의 조성과 특성이 구분된다. 가장 일반적인 격벽 형성 방법은 페이스트를 테이블 코팅 방법 또는 인쇄 방법에 의해 도포하고 건조후 상부에 DFR(Dry Film Resistor)를 형성한 후에 노광, 현상 과정을 거치고 샌드블러스팅(sandblas ting) 공정을 이용하여 미립의 분말을 고속으로 분사하여 셀을 형성하는 방식이다. 이러한 공정용의 격벽 재료는 PbO-B2O3-SiO2계의 유리 분말을 사용하며 약 560℃ 부근에서 소성한다. 기판 유리 위해 격벽을 형성하는 또 다른 방법으로는 유리 분말을 슬러리(slurry)화 하여 필름 위에 일정 두께로 뽑은 후 이를 건조하여 시트(Sheet)화하는 기술이 있는데 여기에 격벽을 샌드블러스팅 공정이 아닌 에칭(etching)에 의해 형성하는 새로운 기술이 도입되었다. 앞서 거론한 샌드블러스팅법과 에칭법의 가장 큰 차이점은 격벽 형태를 형성하는 시점이 샌드블러스팅법은 소성 전에, 에칭법은 소성 후에 행하게 되고 이 때문에 다른 특성의 유리 분말이 사용되어야 한다. 샌드블러스팅 공정에 사용되는 PbO-B2O3-SiO2계 유리 분말은 이미 격벽을 형성한 후에 소성하기 때문에 소성시의 수축과 입도, 기판 유리와의 열팽창 계수 차이에 의한 기판 휨 현상을 억제하는 특성이 요구되고 조성의 특성상 내산성이 강한 조성이다. 반면 에칭용 유리 분말의 경우에는 PbO-BaO-B2O3-ZnO-SiO2계의 유리 조성이 사용되고 이 조성은 산에 대한 식각 속도가 높기 때문에 유리 분말의 소성 후에 산으로 에칭하여 격벽을 형성하는 것이 가능하다. 두 가지의 격벽용 유리의 경우 공정에 따라서 장단점을 갖고 있는데 가장 많이 사용되고 있는 샌드블러스팅용 유리 분말의 경우는 국내와 일본의 PDP 업체에서 많은 생산 경험을 가지고 있고 이에 따라서 안정성이 높은 재료라고 할 수 있다. 반면 에칭용 유리 분말은 전 세계에서 처음으로 PDP 분야에 적용된 경우로써 42인치 이상의 대형 기판내의 셀 균일도를 확보하기 위해 에칭 속도를 제어하는 기술이 핵심이다. 두 가지 형태의 유리 분말 중에서 샌드블러스팅 공정용 유리 분말은 2000년에 PDP 재료 중에서 가장 먼저 국산화 개발이 완료되어 현재까지 전량 PDP업체에 공급되고 있는 제품이며, 에칭용 분말도 에칭 공정과 함께 개발되었고, 2003년부터 양산이 개시되어 현재 급속도로 생산량이 늘어가는 추세이며 이러한 신공정의 적용에 대해서 일본의 PDP 업체도 주목하고 있는 실정이다. 이외에도 시트를 기판 유리에 적층한 후에 요철 형태의 롤(Roll)을 이용하여 격벽을 형성하는 기술을 적용하기 위한 시도도 있다. 현재 국내 각 PDP 업체들이 생산 라인을 증설하고 이에 따라 새로운 기술을 적용하면서 고품질과 높은 수율의 제품 개발에 박차를 가하고 있기 때문에 동시에 이에 적용되는 재료들도 높은 수준의 품질을 요구받고 있다. 격벽 공정의 수율은 유리 분말 자체의 품질과 유리 분말이 페이스트 또는 시트 형태로 변형되었을 때 큰 영향을 받게 되는데, 대체로 입도 분포가 균일하고 조성의 안정성이 높으며 분산성이 좋은 유리 분말에 의해 높은 수율이 구현된다. 이를 위해서 각 재료 업체에서는 입도 분포에 따른 소성 특성과 유리 분말의 표면 특성에 따른 분산성 등에 대해서 많은 연구가 진행되고 있다. 2. 유전체(Dielectric) 재료 PDP용 유전체 재료는 하판 유전체와 상판 유전체로 나뉘고 일차적으로 전극을 보호하는 역할을 한다. 하판 유전체 재료는 PbO-B2O3-SiO2계의 조성이 주로 사용되고 필러로써 첨가되는 TiO2가 높은 백색도를 구현하여 높은 반사율을 얻는다. 또한 약 10㎛의 두께로 형성되고 상부 격벽층과의 접합성이 우수해야 한다. 하판 유전체의 주요 물성 중에서 내전압 특성이 중요한데 전압이 인가되었을 때 내부 기공이나 이물질 등이 존재할 경우 셀의 결함을 초래할 수 있으므로 높은 안정성이 요구되는 하판 유전체는 산포가 낮은 분말의 특성이 요구된다고 할 수 있다. 또 하나의 유전체로써 전면 유전체가 있는데 전면 유전체는 주로 상판의 Bus 전극을 보호하는 역할을 하고 격벽내의 형광체에 의해 발광한 빛이 통과하기 때문에 높은 광투과율이 요구된다. PDP에 사용되는 유리 분말 중에서 가장 개발이 활발하게 진행되고 있는 분야인데 그만큼 요구되는 특성이 까다롭다고 할 수 있다. 전면 유전체가 가져야 할 주요한 특징으로서 높은 광투과율 이외에 전극의 황변(migration) 억제, 높은 내전압 특성이 있으며 현재 사용되는 전면 유전체가 PDP 업체의 요구를 완전히 충족시키고 있다고 말할 수는 없다. 현재 사용되고 있는 조성계인 PbO-B2O3-SiO2계는 560~580℃의 소성 영역에서 90% 이상의 고투과율을 확보하는 것이 매우 어렵고 고투과율을 위해서 전이점(Tg)를 낮출 경우 황변이 발생하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 황변 억제를 위한 다양한 첨가제 실험이 진행되고 있으며, 이외에도 전면 유전체는 소비전력과 발광 특성과 관련이 크기 때문에 유전율을 조절하여 발광 특성을 조절하려는 시도도 진행되고 있다. 현재 전면 유전체는 Asahi, NEG 등 유수의 일본 기업들과 국내 업체들이 많은 노력을 기울이며 개발을 진행하고 있는 제품으로써, 특히 발광시의 투과율을 높이기 위해서 새로운 조성 개발과 황변 억제 메카니즘 규명, 발광 특성 향상 및 저 소비전력화를 위한 유전율 조절에 주안점을 두고 있다. 새로운 조성으로 BaO를 첨가하여 투과율을 향상하는 경우와 기타 첨가제를 첨가하여 투과율을 높이는 연구도 보고되고 있는데, 전면 유전체 자체의 투과율도 중요하지만 실제 PDP에서 발광시의 휘도가 의미가 있기 때문에 단순한 투과율보다는 재료 자체의 유전율과 연동하여 연구가 진행되고 있다. 또한 PDP 제조 시에 발생하기 쉬운 불량 중의 하나인 황변 현상은 반복 열처리를 거치는 PDP 공정의 특성상 불안한 요소라고 할 수 있는데 유리 분말의 점성 거동 시에 Ag이온의 확산 속도를 낮추는 방법으로서 유리 조성 자체를 조절하는 방법과 금속 이온을 첨가하여 Ag이온의 석출을 억제하는 방법 등이 있으나 정확한 메카니즘은 규명된 바가 없다. 유전체 재료는 이미 국산화가 되어 적용되고 있으나 앞서 거론한 바와 같이 아직 특성 향상의 여지가 많기 때문에 많은 업체와 학계의 지속적인 연구 테마가 되고 있다. 3. 무연(Pb free) 재료 앞서 서술한 격벽 및 유전체 재료 이외에도 씰링 재료가 있고 상하판을 봉착하여 PDP를 밀봉하는 역할을 한다. 이렇게 대략적으로 세 종류의 유리재료들은 거의 모두가 PbO를 다량 함유하는 Pb계 유리 조성으로써 기판 유리의 온도 한계인 600℃이하의 온도에서 소성 특성을 발현하기 위해서 오래전부터 주로 적용되어온 조성계이다. 그러나 2000년에 접어들면서부터 EU, 일본에서 일기 시작한 환경에 대한 관심은 환경과 인체에 유해한 원소들에 대해서 단계적인 규제를 계획하게 되었고 2003년부터 본격화되기 시작하였다. RoHS(Restriction of Hazardous Substance Directive, '06년 7월부터 6대 유해물질(Pb, Cd, Cr+6, Hg, PBB, PBDEs)을 함유한 제품의 유럽내 반입금지)에 의한 EU의 강력한 환경 규제의 법제화에 따라서 PDP와 같은 수출 위주의 제품의 경우 환경 친화적인 제품의 개발이 요구되고 있는데 유리 내에 포함된 Pb는 유리 상태에서는 안정적이나 재처리 및 재활용 과정에서 Pb가 용출되어서 환경을 오염시킬 수 있는 가능성 때문에 PDP 자체의 무연화가 필요할 것으로 예상된다. 이를 위해서 Pb 대신에 비슷한 특성을 보이는 B계 유리와 Ba-Zn계 유리, 인산계 유리등 많은 대체 유리 조성들에 대해서 연구가 진행되고 있다. 격벽 재료의 경우 Bi2O3-SiO2-B2O3, BaO-ZnO-B2O3계 등이 있으며, 격벽의 치밀도와 열팽창계수, 소성 온도에 대해서 좀더 많은 연구와 적용 테스트가 진행될 것이다. 이러한 조성 들은 기존의 Pb계와는 다른 비중과 표면 특성 및 색상 들을 보이게 되는데, 유리 용융시의 반응 문제와 조성이 불안정 할 경우 유리의 성분이 분리되는 현상이 나타나기 때문에 안정적인 열특성을 갖는 조성 영역과 이에 따른 생산 기술에 대해서 연구가 진행되고 있다. 또한 후 공정으로 페이스트화 또는 슬러리화 하는 공정에서의 분산성 향상을 위해 최적 분산 기술의 개발도 요구된다. 실질적인 PDP의 무연화에 가장 난점은 전면 유전체에 있는데 투과율이 높은 무연 조성의 확보가 어렵기 때문이다. 이미 알려진 기존의 다양한 무연 조성의 경우 불투명한 색상을 발현하는 조성계가 많고 이를 억제하기 위해서 첨가제를 사용할 경우 황변을 유발하게 되기 때문에 전면 유전체의 무연화를 위해서는 색상 발현을 억제하고 투과율을 향상시키기 위한 조성의 개발이 선행되어야 하고, 이후에 유전율, 황변, 내전압 특성 등 PDP에 적용하기 위한 많은 시행착오가 필요할 것이다. 또한 하판 유전체 및 씰링(sealing) 유리 분말의 경우도 앞서 거론한 격벽 및 전면 유전체의 경우와 유사한 경우로써 씰링용 유리 분말은 기존의 필러로 사용되던 PbTiO3의 무연화가 동시에 진행되고 있다. 또한 상하 패널의 전극 내에 사용되는 유리 분말 첨가제 또한 무연화가 진행되고 있다. PDP의 무연화는 단지 한 두 가지 유리 분말의 무연화로는 성공하기 어렵기 때문에 전체 유리 분말의 무연화가 같이 진행되어야 할 것이다. 4. 맺음말 국내 PDP 업체들은 이미 일본의 PDP 업체들을 능가하는 생산 능력과 기술을 확보하고 있으며 많은 연구 예측 보고서에서도 1~2년 내로 한국이 전 세계 PDP 생산 1위가 될 것으로 예측하고 있는데 이러한 놀라운 성장의 바탕에는 PDP용 재료의 개발과 국산화를 위해 노력한 많은 사람들의 땀이 서려 있다. 이러한 성과가 국내 재료 산업의 발전의 기폭제가 되길 바라며 우리의 재료가 전 세계 전자 및 디스플레이 산업의 표준이 되는 날이 오기를 간절히 기원한다.