朴伸緖 (주)센불 대표이사 1. 서론 차세대 디스플레이 소자로 기대되고 있는 플라즈마 디스플레이 패널(PDP:Plasma Display Pnael)은 두 장의 유리기판 사이에서 Ne, He+Xe 또는 Ne+Xe 가스의 방전시 발생하는 147nm의 자외선이 형광체를 여기시켜서 형광체 전자가 여기상태에서 기저 상태로 되돌아 올 때 에너지 차에 의해서 발생하는 가시광선을 이용하여 화상을 나타내는 기체 방전 표시소자이다. PDP 소자는 넓은 시야각, 고선명도, 비선형성, 기억기능 등의 장점을 가지고 있으며, 자발광 특성과 함께 얇고 가벼운 40인치 이상의 대화면 평판 디스플레이가 가능하다. 이러한 특성은 Digital 방송으로 대표되는 21세기 멀티미디어 시대에 부각되고 있으며, 현재 PDP는 벽걸이 TV, HDTV와 같은 표시소자 분야로 많은 연구가 진행되고 있다. PDP는 많은 장점에도 불구하고 패널의 높은 제조비용, 높은 소비전력, 낮은 효율 등이 해결해야 할 문제점으로 남아있다. 가스방전관을 이용한 자발광 소자인 플라즈마 디스플레이 패널은 전극 구조상 전극이 방전가스에 노출되어 동작되는 DC-PDP와 유전체층으로 절연되어 교류로서 동작하는 AC-PDP로 분류되며 상용화된 PDP는 AC형이다. AC-PDP는 DC-PDP와 방전 방식이 달라 전극 사이에 유전체 층이 필요한데, 이 유전체가 플라즈마에 직접 노출될 경우 전극 사이에서 발생하는 plasma 이온에 의해 유전체층 표면이 sputtering되어 방전 전압이 상승하거나 전극 수명이 저하되는 단점이 있어 유전체 보호막이 요구된다. 유전체 보호막은 최종적으로 플라즈마에 노출되기 때문에 PDP의 성능을 좌우하는 중요한 핵심 소자이다. 따라서 현재까지도 보호막의 기능 개선과 성능 향상에 대한 많은 연구가 진행중이다. 본 고에서는 AC-PDP의 핵심 소자인 유전체 보호막의 연구 개발과 국산화 동향에 대해 기술한다. 2. AC-PDP 에서의 보호막 역할 유전체 보호막은 유전체층의 성분인 PbO가 플라즈마에 노출되어 이온 충격에 의해 분해 반응을 일으키는 것을 방지시키는 구조적 역할과 방전시 이차전자를 발생시켜 보다 낮은 전압에서 플라즈마 방전을 일으킴으로써 방전전력 효율을 증가시키는 전기적 역할을 한다. 이차전자란 산화물 계열의 재료에 이온이 충돌하게 되면 표면에서 플라즈마 내부로 새로운 전자가 방출되는데 이를 이차전자라 한다. 이러한 이차전자의 방출 값이 높을수록 플라즈마 내에는 보다 많은 수의 전자가 존재하며 낮은 방전전압 하에서 플라즈마의 유지가 가능하다. 또한 방전이 끝난 후에는 보호막 표면에 벽전하가 축적되어 수 V 정도의 벽전압을 형성하고 있다. 방전시에 이 벽전압에 의해 구동회로에서 더 낮은 전압을 인가하여도 방전이 이루어지므로 이는 전력의 감소 및 효율 향상효과를 가져온다. 보호막의 역할을 수행하기 위한 보호막 재료로의 요구 조건을 Table. 1에 표시하였다. 3. 보호막 연구 개발 동향 플라즈마 디스플레이 패널(PDP)은 다양한 장점에도 불구하고 높은 소비전력과 패널의 고가격이라는 문제점을 안고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 보호막에 대한 연구는 현재 사용 중인 MgO 보호막의 단점을 해결할 수 있는 새로운 물질의 개발 즉 저전압에서의 구동이 가능한 보호막 물질의 개발이 요구되고 있다. 또한 MgO 페이스트를 이용한 스크린 인쇄법 공정과 같은 저가의 새로운 보호막 형성 방법에 대한 연구가 진행중이며, 이러한 연구는 최종적으로 소비전력의 감소, 저가격화 및 장수명화에 집중되고 있다. AC-PDP 보호막 재료의 체계적인 연구는 미국과 일본을 중심으로 진행되었다. 보호막의 연구 동향을 살펴보면 B. W. Byrum jr는 PbO, Yb2O3 및 MgO를 유전체 층에 증착하여 구동시간에 따른 방전 전압의 변화를 확인하였고, 1976년 T. Urade, S. Andoh 등은 보호막 선정 조건을 제시하고, 그들을 기초로 하여 CeO2, La2O3, 붕규산유리, 석영 그리고 MgO 등을 보호막 재료로 선택한 뒤, 사용된 보호막들이 패널의 특성에 미치는 효과에 대한 연구를 통해 MgO가 보호막 재료로서 가장 우수함을 제시하였다. 1979년 T. Shinoda는 MgO와 알카리 금속 산화물 CaO, SrO, BaO 및 그들의 화합물의 방전특성을 조사하였다. 그 결과 방전 전압은 낮아졌지만 방전전압 마진이 MgO 보호막에 비해 30%였으며 방전 응답성도 떨어지는 단점이 있음을 확인한 이후 MgO가 보호막 재료로 사용되고 있다. 그러나 MgO 보호막은 저전압 특성의 한계가 있으며, 플라즈마로부터 스퍼터링 저항성을 향상시키기 위해 새로운 보호막 개발이 제기되었다. 1980년대 까지 AC-PDP 보호막에 대한 연구는 MgO를 사용하여 방전 특성을 측정하는 단순한 연구에 그쳤으나 1990년대 이후 MgO가 갖는 문제점을 해결하기 위한 연구가 진행중이다. 현재 사용되고 있는 MgO 보호막은 증착이 용이하고, 방전특성이 우수한다는 장점이 있다. 그러나 MgO 보호막의 가장 큰 문제점은 대기 중의 H2O와 CO2가 MgO 표면에서 물리, 화학적 흡착을 하여 표면 변형을 일으키고, 보호막 표면에서의 이차전자 방출을 저해하는 요소로 작용하여 결과적으로 방전특성의 악화를 가져오는 요소로 작용하는 것이다. 이러한 패널 특성의 감소와 높은 방전 전압으로 인한 효율 향상의 한계에 대한 문제를 해결하고자 새로운 보호막 물질 개발, MgO의 특성 개선을 위한 도핑 연구 및 다층보호막 형성에 대한 관심이 집중되고 있다. 1996년 T. Sasaki는 MgO/MgF2 구조의 다층 보호막을 사용하여 MgO 보호막보다 높은 휘도와 효율 값을 얻을 수 있었지만, 구동시간에 따른 열화특성이 나타나 짧은 수명의 단점이 나타났다. 1997년 K. Yoshida는 MgO/MgF2 다층막이 갖는 단수명을 해결하기 위해 MgO와 MgF2 의 비율을 76:24로 하여 동시증발증착법으로 증착하였다. 그 결과 측정 초기에는 높은 이차전자 방출특성이 나타났지만 시간이 지남에 따라 MgO 보호막과 유사한 이차전자 방출 값이 나타났으며, 방전전압의 경우 MgO 보호막을 사용했을 때보다 50V 더 높은 값이 나타나 효율면에서 불리하다. 1999년 S. J. Rho는 MgO에 Cs를 도핑하여 보호막을 증착하여 이차전자 방출특성의 향상을 확인하였다. 그러나 Cs 도핑 농도가 박막 깊이에 따라 변하는 불균일성이 나타나 Cs 도핑에 의해 결정성이 떨어져 장시간 구동을 위한 패널 수명에 영향을 미칠 것으로 판단된다. 2000년대 들어 AC-PDP 보호막은 다양한 dopant의 첨가량 변화에 따른 기능 개선에 대한 연구가 집중되고 있으며 새로운 보호막 형성방법에 대한 연구도 진행되고 있다. 4. 국산화 동향 디스플레이는 반도체와 달리 전후방산업에 미치는 파급효과가 큰 산업이다. 특히 부품, 소재, 장비 등 후방산업은 디스플레이 산업 발전의 필수불가결한 요소이다. 그럼에도 우리나라는 PDP 부품·장비 국산화율이 40%에도 못 미치는 실정이다. 세계 산업계는 시장을 과점하는 소수의 글로벌 기업과 틈새시장을 공략하는 이익 중시 기업으로 재편되고 있는 실정이고 지난 몇 년간 해외 보호막 업계는 주요 업체간 전략적 제휴를 통해 공급자의 협상력을 높이고 수요업체의 consolidation을 통해 가격압력에 대응하면서 경쟁력을 높이고 있는 실정이다. 한국의 전자산업 발전 역사를 회고해 보면, 단기간에 선진기술을 극복하기 위하여 자체 기술 개발보다는 이미 확립된 선진기술을 모방하거나 도입하는 방법을 취함으로서 재료를 기반으로 하는 하부구조가 매우 취약한 실정이다. 하지만 PDP 보호막 재료의 경우 상용화된 수입품 MgO pellet에 대한 최적화가 이루어지지 않은 상태로, 국내에서도 이미 확립된 고순도 MgO 제조 방법을 토대로 보호막용 MgO pellet을 제조하여 수입품 동등 이상의 효율을 나타내는 제품을 개발하였다. 또한 MgO 보호막의 기능 개선을 위한 연구가 선진국에서 진행되고 있는데, 우리나라에서도 기업과 연구소를 중심으로 MgO 보호막의 기능개선을 위해 소결체에 dopant가 첨가된 보호막에 대한 연구가 집중적으로 진행중이며 양산체제를 갖춘 상태이다. 이를 기반으로 상용화된 MgO 보호막 이상의 성능을 나타내는 보호막 재료의 개발과 양산 제조 장비에 대한 국산화 정책을 지속적으로 추진한다면 세계시장에서의 경쟁도 우위를 확보할 수 있을 것으로 판단된다. MgO 보호막의 단점을 해결할 수 있는 새로운 보호막 물질의 개발과 함께 빠른 증착속도, 대면적 증착의 용이성 및 패널의 저가격화를 이루기 위한 저가의 보호막 증착법에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 현재 PDP 유전체 보호막은 진공증착법(전자빔 증착법, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법)을 사용하여 패널에 응용되고 있는데 패널의 저가격화를 위해서는 저가의 보호막 증착법이 필수적이다. 이러한 저가격화를 이루기 위해서는 비진공증착법이 가장 유망하다. 비진공증착법의 하나로 연구되는 것이 스크린 인쇄법이다. 현재 스크린 인쇄법으로 보호막을 형성할 경우 소성온도가 높은 것이 큰 단점이지만 새로운 페이스트 및 바인더의 개발이 이루어질 경우 빠른 증착속도, 대면적 증착 용이성 및 저가격화라는 여러 장점을 가지고 있어 보호막 증착에 응용시 상당한 경쟁력을 가질 것으로 판단된다. 또한 새로운 증착법의 하나로 정전기 분무 열분해법이 연구되고 있다. 기존의 분무 열분해법이 갖는 단점인 낮은 증착속도 및 액적 크기의 불균일성에 의한 열악한 표면 구조를 위 방법을 통해 개선 할 수 있다. 기판 온도도 기존의 방법보다 낮은 350℃에서 보호막 증착이 가능하며 방전전압 특성도 기존의 진공증착법과 비교하여 떨어지지 않는 응용 가능성을 나타내고 있어 현재 수십 인치 이상의 대면적화에 대한 연구를 진행중에 있다. 5. 결론 이상으로 본 고에서 PDP 보호막 재료의 연구개발과 국산화 동향에 대해 알아보았다. 현재 각국이 Digital 방송 정책을 강화하고 FPD(Flat Display Panel)에 대한 일반 소비자의 인식이 증대하고 있는 가운데, PDP는 향후에도 대표적인 FPD로서 지속적인 발전을 할 것이다. 평판디스플레이의 지속적인 발전속에 PDP가 보다 넓은 시장을 형성하고 일반인들에게 보급되기 위해서는 소비전력을 낮추고, 발광효율을 향상시켜야 하며, 더 낮은 가격의 제품을 생산할 수 있어야 한다. 이를 위해서는 플라즈마와 직접 노출되어 있는 보호막의 특성향상이 가장 시급한 문제라고 할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 가장 우선적으로 해야 할 것은 보호막 표면에 발생되는 현상에 대한 이해와 분석, 그리고 방전 개시전압과 방전 유지전압에 영향을 미치는 이차전자방출에 대한 체계적인 연구가 필요하다. 또한 상용화되고 있는 MgO 보호막의 문제점에 대한 해결과 보호막의 온도의존성 등의 기능 개선을 위한 연구도 병행되어야 한다. MgO보호막의 기능개선을 위한 dopant 첨가, 다층 보호막, 새로운 보호막 재료의 개발 등에 대한 연구와 저가의 보호막 형성방법에 대한 국내 기술 개발이 이루어진다면 AC-PDP는 기존의 CRT를 대체하여 새로운 digital 시대의 display 최강자로 부상할 것으로 판단된다. Table. 1 보호막 재료의 요구 조건 요구 조건 비 고 장시간 구동시 안정성 패널의 구동시 보호막 재료의 원자간 결합 에너지가 높아야 플라즈마에서 발생되는 이온, 전자, 광자 그리고 준안정 원자들에 의한 스퍼터링이 억제된다. 낮은 구동 전압 PDP는 구동 회로의 단가를 낮출 수 있는 150V 이하의 구동전압이 요구된다. 따라서 높은 이차전자 방출계수를 갖는 재료의 사용이 필요하다. 빠른 방전 응답성 AC-PDP는 펄스 구동 방식이므로 빠른 방전 응답이 요구된다. 높은 전기절연 특성 보호막 위의 표면 전하의 전파와 공간 전하 확산 등이 작아야 한다. 즉 높은 전기 절연특성을 가져야 전하의 확산을 억제할 수 있다. 증착방법 빠른 증착속도를 갖는 방법이 요구되며 대면적 증착이 가능해야 한다. 가시광 손실을 최소화하기 위해 가시광 에너지 이상의 높은 광적 높은 광투율 및 금지대를 가져야 하고 보호막과 유전체 계면사이에서 발생될 수 있는 낮은 굴절율 빛의 간섭 및 산란을 억제하고, 가시광의 굴절을 최소화 할 수 있기 위해서 유전체층의 굴절율과 유사한 굴절율을 가져야 한다.