기획 연재 ❶ 디스플레이용 잉크젯 프린팅 기술의 정의와 개발 동향

Ⅰ. 잉크젯 프린팅 기술의 개요

1. 잉크젯 기술의 정의

기본적으로 잉크젯 기술은 △ 잉크 △ 헤드 △ 잉크젯 프린터 △ 잉크젯 공정 등의 요소로 이뤄져 있다.

잉크젯 기술에서 중요한 기술 중 하나인 프린팅 재료의 잉크화 기술은 잉크젯 기기의 활용성과 막질 특성을 좌우한다. 잉크화 기술은 그 중요성만큼이나 개발하기 어려운 기술로, 단순히 잉크가 헤드로부터 원활히 토출되는 것을 넘어 대량 생산 진행 시 토출과 관련된 장기간의 신뢰성까지 확보해야 하기 때문에 필요한 품질, 특성, 신뢰성과 함께 인쇄된 제품의 수율까지 충족해야 한다.

현재 △ 코니카 미놀타 △ 리코 △ 도시바 △ 교세라 △ Fujifilm Dimatix △ Xaar 등의 해외 업체들이 주요 잉크젯 헤드 업체로 꼽히고 있는데, 국내에서는 MEMS 방식의 잉크젯 헤드 개발이 장기간 진행됐지만, 상용화 단계에서 사업이 중단되면서 잉크젯 헤드를 개발하거나 공급하는 국내 업체가 부재한 상황이다. Fujifilm Dimatix가 개발한 ‘SX-3’와 ‘SE-3’처럼 DPN(Drive Per Nozzle) 특성의 헤드 외에는 인쇄전자 전용으로 잉크젯 헤드가 제작된 경우가 없는데, 그 이유는 인쇄전자용으로 활용되는 잉크젯 헤드의 물량이 다른 분야에 비해 현격히 적어 인쇄전자용 잉크젯 헤드를 별도로 만들어 적용하는 일이 비용과 시간의 문제에 직면할 수밖에 없기 때문이다.

현 시점에서 인쇄전자용으로 쓰이고 있는 잉크젯 헤드는 일반적인 그래픽 인쇄용으로 개발된 헤드인데, 최근 들어 헤드 기술이 꾸준히 발전을 거듭하면서 이전보다 더 빠른 속도로 균일한 인쇄 작업을 진행할 수 있게 되었다. 인쇄전자용 잉크젯 프린터는 일반적으로 PC와 연결되는 사무용 잉크젯 프린터와는 달라 인쇄 정밀도와 액적 크기 제어 능력, 제어 방식 등에서 더 높은 사양의 제어를 요구한다. 또한, 인쇄전자용 잉크젯 프린터는 일반 프린터에는 없는 액적 측정 분석 장치와 헤드 위치 조절 장치처럼 다양한 응용처에 필요한 공정의 특성에 맞게 제작되며, 디스플레이를 위해 제품이 요구하는 환경적인 조건, 즉 1ppm의 질소 및 수분과 청정도 Class 1 등을 충족한다.

한편, 잉크젯 프린팅 공정 기술도 소비자가 원하는 제품의 사양을 인쇄하는 데 필요한 기술이지만, 잉크젯 잉크와 헤드가 완전하지 않아 공정 측면상의 문제점을 지니고 있다. 이 때문에 이 공정 기술은 응용 분야의 주요 요구 사항에 맞게 구성돼 잉크젯 프린터 개념 및 설계에 적용돼야 하며, 개발된 공정에 따라 운영되는 구조로 이뤄져야 한다.

2. 잉크젯 기술의 적용 범위

일반적으로 잉크젯 기술은 20㎛ 이상의 선폭과 0.5㎛ 이상으로 구성된 선두께의 공정에 적합하다.

하지만 이는 ‘어떤 종류의 잉크를 적용하는가’에 따라 달라지는데, 예를 들어 수용성의 Ag 잉크는 선두께를 5㎛ 이상으로 늘릴 수 없지만, UV 경화가 가능한 잉크는 10㎛ 이상의 두께를 얻을 수 있다. 한편, 잉크젯 기술이 지니고 있는 선폭 또는 두께의 한계를 극복하기 위한 다양한 방법 중 하나로 표면 처리를 통해 5㎛ 이하의 선폭을 구현함으로써 정밀 인쇄를 실현하는 방식을 들 수 있다.

3. 잉크젯 기술의 주요 장단점

잉크젯 기술은 다른 인쇄 기술에는 없는 다양한 장점을 보유하고 있는데, 이 중 주목할 만한 점은 디지털 제어와 비접촉식 인쇄 방식을 통해 보여주는 차별성이다. 이외에도 이 기술은 정량 제어와 높은 프린팅 정밀도를 포함해 10세대 유리 기판 크기에서도 90초의 택트 타임을 맞출 수 있는 대량 생산 능력을 지니고 있다. 게다가 잉크젯 기술은 친환경적인 잉크를 사용하는데다가 높은 공정 및 재료 사용 효율을 갖추고 있어 저렴한 인쇄 방식이라는 평가를 받고 있다.

그런데 지금껏 나열한 장점들이 많음에도 불구하고, 잉크젯 기술은 실제 기술을 적용해 제품을 제조하는 과정이 까다롭다는 단점을 내포하고 있다. 잉크젯 기술에서 가장 큰 걸림돌은 재료의 잉크화인데, 이때 사용하는 용매에 따라 특성이 변하게 된다. 또한, 잉크젯 기술은 개발된 잉크를 헤드에 최적화하는 동시에 높은 사양의 결과를 얻기 위한 공정을 개발해야 하며, 이에 맞게 프린터를 설계 및 제조하고, 개발된 공정에 적합한 운영이 이뤄지도록 지원해야 하는데, 이 모든 조건을 충족하는 사양을 위한 최적화 작업에는 많은 개발 시간 등이 필요하다.

4. 잉크젯 기술의 인쇄 정밀도

잉크젯 기술의 인쇄 정밀도 수준은 헤드의 특성, 솔벤트의 종류와 잉크, 스테이지, 큐어링 등의 다양한 공정 특성에 달려 있다. 일반적인 잉크젯 기술은 1mm 높이에서 ±10㎛의 정밀도를 실현하는데, 정밀도 문제를 해결하려면 컬러 필터나 OLED에서 RGB 인쇄 시 미리 픽셀 뱅크를 만들고, 이를 높은 차이의 친수성 및 소수성으로 처리한 후 표면 처리의 차이를 활용해 인쇄를 진행해야 한다. 이에 더해 잉크젯 기술은 다양한 방식으로 자체 특성을 요구 조건에 맞춰 정밀도를 개선할 수 있다.

5. 잉크젯 헤드 기술의 발전 과정

인쇄전자 분야에서 잉크젯 기술이 쓰이기 시작한 시점은 2002년인데, 그 당시에는 이를 원활히 적용할 헤드가 없어 인쇄전자 분야가 원하는 특성과 품질 사양을 충족할 수 없었다. 그런데 최근 들어와 MEMS 헤드를 개발하는 추세가 생겨났는데, 이는 인쇄전자 분야에 필요한 특성 및 품질에 알맞은 헤드들의 출시와 더 미세하고 정밀한 인쇄를 지원할 수 있는 기술의 개발로 이어졌다.

6. 경쟁 인쇄 기술 대비 잉크젯 기술의 장점 및 단점

잉크젯 기술은 가격 대비 높은 품질과 수율을 얻을 수 있으며, 저렴한 비용으로 리소그래피와 유사한 품질을 구성해 이 기술을 대체할 수 있다. 반면 잉크젯 기술은 스크린 프린팅 방식에 비해 가격이 높은 편인데, 그럼에도 더 미세한 패턴을 형성하고 비접촉식 요구 사항이 있는 응용 분야에서 장점을 발휘할 수 있다.

잉크젯 기술과 다른 여러 기술을 비용, 성능, 친환경성, 수율 측면에서 비교한 결과는 다음 <그림>과 같다.

<다음 호에 계속>

자료 제공 : 한국산업기술평가관리원