기획 연재 ❷ 디스플레이용 잉크젯 프린팅 기술의 정의와 개발 동향

Ⅱ. 잉크젯 프린팅 기술의 발전과 적용

1. 디스플레이 잉크젯 기술의 발전

디스플레이 산업의 경쟁 심화로 인해 업체들의 원가 절감에 대한 요구가 높아졌고, 이는 디스플레이 제조에 인쇄 기술을 적용하려는 다양한 시도로 이어졌다. 특별히 업체들은 인쇄 공정을 활용해 비용 절감 부문에서는 비진공을, 낮은 청정도와 관련해서는 공정 수행을 중심으로 기술 개발에 힘쓰고 있다. 이 때문에 업체의 디스플레이 제조 시 낮은 비용과 높은 품질이란 요구사항을 충족할 수 있는 잉크젯 기술이 업계에서 각광을 받기에 이르렀다.

이처럼 업계로부터 주목을 받게 된 잉크젯 기술은 앞으로 다양한 기술과 융합되면서, 10㎛와 그 이하의 선폭을 형성할 수 있는 기술로 진화할 것으로 보인다. 한편, 지난 15년간 전자 인쇄용 잉크의 발전이 성공적으로 이뤄져, 고객이 요구하는 잉크를 바로 공급해 평가하고 최적화하면, 상용화 단계에 이를 수 있는 잉크가 다량으로 개발됐다. 이는 잉크젯 기술의 저변 확대와 함께 OLED 디스플레이와 같은 새로운 응용 분야의 재료를 개발하는 데도 긍정적으로 작용했다.

2. 디스플레이 제조 공정에 적용되는 잉크젯 기술

가장 빠르게 잉크젯 프린팅 기술을 적용한 디스플레이 제조 기술을 발표했던 업체는 일본의 ‘세이코 엡손’이다.

엡손은 2004년에 세계 최초로 잉크젯 방식으로 제조한 40 “Full Color OLED 디스플레이를 발표했는데, 이 제품은 4장의 20” LTPS를 붙여서 PLED를 잉크젯 방식으로 인쇄한 패널이었다. 같은 해, 샤프는 잉크젯 프린팅 기술을 컬러 필터 제조에 활용해 양산을 시작한다고 발표했으며, 이로부터 2년 후인 2006년에는 잉크젯 방식을 활용한 202 ppi Full Color PLED 디스플레이를 공개했다. 국내에서는 2003년부터 컬러 필터 등의 디스플레이 제조를 위한 잉크 개발이 시작됐는데, 특히 컬러 필터 제조를 위한 RGB 잉크 개발에 초점이 맞춰졌다.

이로 인해 2005년에 ‘초대형 TFT-LCD Color Filter 제조용 Roll/Inkjet Printer 장비 개발’ 부품 소재 개발 사업에 기반을 둔 기술 개발이 이뤄지기 시작했다. 컬러 필터 인쇄 기술 개발 이후부터 국내 디스플레이 제조사들은 △ PI 코팅 △ 액정 인쇄 등에 잉크젯 기술을 적용해 LCD를 제조하고 있다. 이와 관련해 지금부터 이어질 내용부터는 각 공정에서 잉크젯 프린팅 기술이 어떻게 활용되는지에 관해 설명한다.

• 컬러 필터

컬러 필터는 정량의 잉크를 화소에 인쇄하는 것으로, 1% 이내의 균일성을 얻기 위해서는 노즐에서 토출되는 잉크 방울의 균일성을 잉크젯 헤드 제어 기술인 DPN으로 조절해야 한다.

컬러 필터 인쇄의 사전 처리에서는 화소가 블랙 재료로 쓰여 뱅크를 만드는데, 이 때 화소면은 친수성, 뱅크는 소수성에 의해 처리돼, 모든 잉크가 인위적으로 픽셀에 들어가도록 도울 수 있다. 일반적으로 컬러 필터의 픽셀 피치와 잉크젯 헤드의 노즐 피치가 일치하지 않기 때문에, 이를 맞추기 위한 조치로 잉크젯 헤드를 회전시켜 피치를 맞춘 후 잉크를 수행한다. 잉크젯으로 인쇄된 컬러 필터는 각각의 픽셀에서 RGB 각 색의 잉크를 균일하게 인쇄할 수 있다.

• 박막봉지

현재 가장 많이 쓰이고 있는 박막봉지는 3층 박막 구조로, PEVCD 또는 ALD 증착 장식으로 무기막(SiNx나 Al₂O₃)을 도포하고, 그 위에 잉크젯 방식으로 유기막(Acryl이나 Epoxy)을 4~10㎛의 두께로 도포한 뒤 다시 그 위에 무기막을 올리는 공정을 거쳐 제작된다.  박막봉지 제조의 목적은, WVTR(Water Vapor Transmission Rate)이 응력을 방출해 취약한 무기막이 열과 충격 또는 휨 등에 의한 손상을 받지 않도록 지원하고, 무기막의 균열 전달을 방지할 뿐만 아니라 증착 시 발생하는 큰 파티클을 덮는 평탄화를 수행하도록 돕는 것이다. 잉크젯으로 도포되는 유기막은 전체적으로 2% 이내로 균일하게 도포돼야 하며, 잉크 특성으로 인해 발생하는 현상인 ‘Edge Top’을 방지할 수 있는 인쇄 공정 최적화를 요구한다.

• RGB OLED 인쇄

RGB OLED 인쇄는 컬러 필터와 유사하지만, 1~2㎛ 두께의 컬러 필터막과 달리 50~150nm로 이뤄져 있어, 1/10 정도의 두께로 균일한 인쇄를 하는 데에 있어서 일정 부분의 한계를 지니고 있다. 이 같은 RGB OLED 인쇄와 컬러 필터 간의 가장 큰 차이는 공정면에서 컬러 필터가 인쇄 가능한 반면에, RGB OLED는 질수 분위기 하에서 1ppm 이하의 청정도에 기초한 공정을 거친다는 점이다. RGB OLED 인쇄에서 중요한 사양은 각 픽셀에서 RGB 잉크를 1% 이내로 균일하게 인쇄하는 것인데, 인쇄된 잉크가 픽셀 내부에서 균일하게 도포되는 데에는 친수성과 소수형 표면 처리가 필요하다.

만약 표면 처리가 불량하게 이뤄질 경우, 픽셀은 잉크가 채워지지 않거나 섞이는 문제를 겪게 된다. 이 때문에 잉크젯 인쇄의 정밀도도 중요한 요소로 꼽힐 수밖에 없는데, 높은 정밀도를 구현하기 위해서는 프린터의 기계적인 오차와 잉크젯 헤드에서 발생하는 오차를 고려해 공정 조건을 설정하는 움직임이 필요하다.

실제로 잉크 및 재료의 특성 때문에 RGB OLED는 각 픽셀 크기(인쇄 면적)가 크게 다를 때 상이한 두께를 요구한다. RGB OLED를 인쇄한 후에는 각 픽셀과 전체 패널에서 균일한 막을 형성하는 데 필요한 드라잉과 경화 공정이 중요하다.

특히 각 픽셀에서 균일한 두께의 막을 형성하기 위해 활용되는 잉크의 특성과 드라잉 공정 조건 그리고 드라잉 오븐의 최적화에 대한 세심한 주의가 요구된다. 또한, 균일한 막을 형성하는 데에 중요한 또 다른 요소가 잉크 조성, 즉 용매의 특성이므로 잉크 조성 시 용매 선정에도 신경을 써야 한다.

• 마이크로 렌즈 공정

마이크로 렌즈는 LED에서 나온 빛이 라이트 가이드 패널을 전파할 때, 빛의 방향을 수직으로 반사하는 역할을 한다. 이 같은 마이크로 렌즈가 잉크젯 방식으로 만들어질 경우, 렌즈의 크기 및 위치 수정이 용이해지며, 마이크로 렌즈의 유무와 위치 그리고 크기에 따라 수직으로 반사되는 빛의 밝기에 대한 조절이 쉬워진다.

또한, 제조업체는 전체 패널에 균일한 빛이 발생하도록 마이크로 렌즈의 패턴을 전산모사로 만들어 적용하고, 몇 번의 반복 공정을 통해 높은 수준의 휘도와 균일도를 지닌 조명을 얻을 수 있게 된다. 만약 사용자가 실제 밝기 평가를 통한 결과를 피드백해 반복적인 전산모사를 실행한 후 다른 방법을 활용한다면, LGP를 쉽게 개발하고 제조할 수 있다.

한편, 지금까지 설명한 공정 외에도 잉크젯 프린팅 기술은 △ OLED 조명 광추출용 마이크로 렌즈 인쇄 공정과 △ LCD(PI 코팅, LC 등) 등에서도 높은 효율성을 발휘하고 있다.

자료 제공 : 한국산업기술평가관리원