Flexible 전자 제품의 저원가 실현을 위한 Roll-to-Roll 인쇄 전자 기술

Roll-to-Roll의 개요

현재 시장에는 다양한 형태의 스마트폰, TV, 바이오 센서 등의 제품들이 출시되어 있는데, 앞으로 이 제품들은 다양한 제품군의 형태로 활용될 것이다. 이와 같은 시장의 탄생을 앞당기기 위해서는 Flexible 전자 제품의 저원가라는 요소가 반드시 충족되어야 한다.

이 때문에 신문지를 인쇄하는 원리와 형태를 띠고 있는 기술인 Roll-to-Roll과 인쇄 기술을 접목시켜 유연전자소자를 생산하는 기술이 최근 많은 주목을 받기 시작했다. 한편, 앞서 소개한 전자 제품 생산을 위한 핵심 공정기술은 회로 패터닝을 위해 기존 노광/에칭에 기반을 두고 있는 장비 및 공정을 필요로 한다.

기존 제품 생산 방식과 Roll-to-Roll

현재 Flexible 디스플레이는 기존 글라스 기반의 생산 라인을 활용해 글라스에 필름을 부착 또는 코팅해 공정을 진행한 후 탈착하는 과정을 거쳐 생산된다. 그러나 기존의 고성능 제품을 위한 기존 공정 장비 및 공정은 막대한 생산 비용 소요로 인해 고품질 스마트폰 등의 일부 제품에 적합할 수는 있지만, 보편적인 형태의 휴대형 단순 디스플레이, 스마트 센서, 웨어러블 기기 등의 대량생산에는 저원가의 생산 기술이 필요하다. 이에 대한 예로 Flexible 또는 Rigid 기판 상에 ‘회로 패턴’을 생성하기 위해 기존의 ‘성막-PR-포토-현상-에칭-스트립’으로 구성된 공정을 ‘인쇄’ 단일 공정으로 구현해 생산 원가를 초 저원가화한 것을 들 수 있다. 이 때 기존의 낱장 생산 방식이 아닌 신문지를 마는 원리의 Roll-to-Roll 공정을 통해 제품을 연속적으로 생산할 수 있다면, 업체 입장에서 대량 생산은 물론 생산 원가 혁신을 이룰 수 있다.

Roll-to-Roll 생산 시스템의 기본 요소

지금까지 설명한 Roll-to-Roll의 생산 시스템이 갖추고 있는 기본 요소 기술들은 <그림 2>와 같다.

시스템 제어 관점에서 Roll-to-Roll의 핵심 기술은 비전을 포함한 다양한 센서(장력 측정을 위한 로드셀, 위치 확인을 위한 초음파 센서 등)의 입출력 정보를 활용해 필름을 이송시키는 롤러의 구동 모터를 제어하는 것이라고 볼 수 있다. 이와 같은 Roll-to-Roll은 기존 신문이나 종이 인쇄에 비해 Flexible 전자 제품 생산 측면에서 높은 정밀도를 갖추고 있기 때문에 모션 제어 시스템과 비전 시스템 등을 활용하는 과정이 필수적이다.

Roll-to-Roll의 실제 사례

한국기계연구원 인쇄전자연구실은 ACS의 SpiiPlus 제어기, (주)파스텍의 Ezi-Step 구동 시스템, 코그넥스의 비전 시스템과 다축 동시 제어 및 Vision Align 기술을 활용해 다음 <사진 3>과 같은 초정밀 Roll-to-Roll 인쇄 장비 제어 시스템을 개발한 바 있다.

국내 인쇄전자 분야의 연구개발은 디스플레이 생산 원가를 낮추기 위한 목적 하에 LG디스플레이와 삼성전자 등의 패널 기업이 주도적으로 진행했다.

<그림 3>처럼 TFT-LCD에 대한 Roll-to-Roll 적용을 위해 장비/공정/잉크/소재 등의 요소 기술을 오랫동안 개발해 모니터 시제품 및 Flexible 디스플레이 적용에 필요한 플라스틱 컬러 필터 등을 제작할 수 있을 정도의 완성도가 구현되었지만, 생산 단위의 초 대면적화(8세대 이상)로의 개발이 이뤄지지 못해 실제 제품 양산까지는 진행되지 못했다.

위와 같은 상황에도 불구하고 삼성 SDI의 PDP 생산 라인에 7세대급 Roll 인쇄 장비가 실제 적용된 바 있으며, 요구 정밀도의 수준이 조금 낮은 RFID 센서, FPCB 회로, MLCC 생산 라인들에도 실제 적용되는 사례들이 꾸준히 늘고 있다.

기계연 인쇄전자연구실은 최근 연구 결과로 차세대 디스플레이를 위한 핵심 기술인 OLED 증착 장비를 Roll-to-Roll 형태로 개발해 Flexible OLED를 제작하는 연구를 기업 지제이엠과 공동으로 진행하고 있으며, OLED 조명 및 자동차용 부품, 디지털 사이니지 등에 대한 우선 적용을 시도 중이다.

자료제공 | 한국기계연구원(www.kimm.re.kr)