대면적 디스플레이용 잉크젯 장비 기술
잉크젯 장비는 지름이 15~150마이크론의 잉크 방울을 원하는 위치에 인쇄하는 대표적인 비접촉식 디지털 프린터다. 액체 형태의 OCR(광접착레진)을 디스플레이 패널과 윈도 사이에 얇게 뿌려 패널과 글라스가 떨어지지 않는 기능을 한다.
잉크 방울을 방출·분사하는 부분을 잉크젯 헤드라고 하며, 1977년 미국 HP사의 John Vaught에 의해 만들어졌다. 현재 제조 업에서 널리 사용되는 압전 구동방식으로 세계 최초의 잉크젯 프린터는 1984년 일본 엡손(Epson)의 IP130K(SQ-2000)다.
<그림1>과 같이 잉크젯 장비는 잉크젯 헤드 이외에도 헤드 구동용 전기신호를 공급하는 드라이버, 디지털 인쇄 도면 파일을 입력해 주는 컴퓨터 및 소프트웨어, 피 인쇄 기판을 이동하기 위한 이송 스테이지, 잉크 방울을 모니터링하기 위한 드롭워처 등으로 구성되어 있다.
잉크젯 장비는 가정·사무실용 데스크톱 프린터, 대량 인쇄용 디지털 프린터 이외에도 제조공장용 라벨 프린터 등으로 널리 사용 되고 있다. 컬러 잉크를 제외한 기능성 소재 잉크를 이용한 잉크젯 장비는 3D 프린터와 인쇄전자용 잉크젯 장비로 발전 중이다.
통상적으로 진공 증착장비, UV 노광장비와 에칭장비를 사용해 미세한 패턴을 만드는 일반적인 반도체·디스플레이·인쇄전자 제조공정에서 액체 잉크 방울로 미세 패턴을 인쇄하는 잉크젯 장비는 상당히 이질적인 장비다. 하지만 대면적 OLED(유기발 광다이오드) TV와 같은 최신 디스플레이의 저렴한 제작에서는 잉크젯 장비가 분명 매우 유용하다.
디스플레이 산업 역사에서 잉크젯 장비는 <그림2>와 같이 일본 엡손의 고분자 발광소재 잉크젯 인쇄 적용 OLED 디스플레이(2004), 한국 삼성 및 LG, 일본 샤프(Sharp)의 잉크젯 인쇄 컬러필터 적용 TFT-LCD 디스플레이, 일본 파나소닉(Panasonic)의 발광소재 잉크젯 인쇄 적용 56인치, 4K OLED TV(2013), 한국 삼성디스플레이, 미국 카티바(Kateeva) 협력의 수분·산소 봉지막용 유기소재 잉크젯 적용 OLED 디스플레이(2014), 일본 JOLED사와 중국 CSOT사의 발광소재 잉크젯 인쇄 적용 OLED 디스플레이(2020) 등 오랜 역사가 있다.
잉크젯 장비 관련 핵심 기술과 산업 동향
대면적 디스플레이 및 인쇄전자 제조를 비롯한 잉크젯 기술 적용 확대는 다양한 광학·전기 성질을 가진 고기능성 잉크 개발 영향이 크나, 미세한 잉크 방울을 만들 수 있는 초정밀 잉크젯 헤드 개발에 의해서도 가능했다.
초정밀 잉크젯 헤드에서는 잉크 방울 최소 부피량 및 균일도, 잉크 방울 방출·분사 속도 및 균일도와 방향(각도) 수직성, 잉크 방울 인쇄 정밀도 등이 매우 중요하며, 이는 디스플레이 제조의 고질적 문제인 얼룩(mura) 방지에 큰 영향을 끼칠 수 있다.
국내에는 다수의 디스플레이 장비 기업이 잉크젯 장비를 개발, 제작하고 있으나, 핵심 기술과 잉크젯 헤드 분야는 취약한 실정이다. 디스플레이 제조용 잉크젯 헤드의 세계 시장은 일본의 후지필름 디마틱스, 코니카 미놀타, 리코, 엡손부터 영국의 자르(Xaar) 등의 기업이 주도하고 있다.
국내외 잉크젯 장비 분야 표준화 현황 등 국제표준화 주요 이슈
잉크젯 장비 분야의 국제표준 활동은 IEC/TC 119/WG 3(인쇄전자 장비)에서 진행 중이다. 한국과 영국이 협력하여 표준 평가법을 중심으로 국제표준화 활동을 주도 중이나, 일본 산업계는 잉크젯 국제표준화에 부정적인 입장을 견지하고 있다.
- 잉크 방울 부피(ink drop volume) : 잉크젯 프린팅의 기본적인 성능 기준인 ‘잉크 방울 부피’를 잉크 방울의 카메라 이미지로 측정하는 국제표준인 IEC 62899-302-2는 영국에서 제안, 2018년 국제표준으로 출판되었다.
- 잉크 방울 분사 속도(ink drop jetting speed) : 잉크젯 프린팅의 생산성 관점의 성능 기준인 ‘잉크 방울이 잉크젯 헤드에서 발사되는 속도’를 측정하는 국제표준 IEC 62899-302-1은 한국에서 제안해 2017년에 국제표준으로 출판되었다.
- 잉크 방울 분사 방향(ink drop jetting direction) : 잉크젯 프린팅의 위치 정밀도를 결정하는 ‘잉크 방울이 잉크젯 헤드에서 발사되는 방향’을 측정하는 국제표준인 IEC 62899-302-3은 영국에서 제안해 2021년 국제표준으로 출판되었다.
- 잉크 방울 인쇄 정밀도(ink drop printing accuracy) : 잉크젯 프린팅의 위치 정밀도를 평가하는 ‘잉크 방울이 인쇄된 위치’를 측정하는 국제표준은 2020년 일본이 제안해 2024년에 국제표준으로 출판되었다.
주요 시사점 및 향후 전략, 국내외 산학연 전문가 참여 독려 메시지 등
대면적 디스플레이와 인쇄전자 등 전자산업계에서 주로 사용되는 정밀한 잉크젯 장비는 TV뿐 아니라 IT, 차량용 등에서도 사용된다. 이에 대면적화와 더불어 저원가·고해상도 요구사항이 증대되는 디스플레이 패널의 개발 추이에 맞춰, 요구 설비의 선행적 국산화 개발을 통해 해외 업체들과의 기술적 차별성 확보가 매우 시급하다.
이와 같이 대면적 디스플레이 및 인쇄전자 제조용 잉크젯 장비의 시장이 확대됨에 따라, 선행적으로 신규 표준 평가법이 IEC/TC 119를 중심으로 제정되어왔다. 한국에서 제안한 신규 표준 평가법이 제정되면 연계해서 평가장비를 제작하는 신규 업체들이 필요하게 되고, 이에 따라서 국내 산업의 확장에 기여하고 있다.
현재까지 잉크젯 장비 분야의 신규 평가장비는 일본과 미국 기업이 시장을 발 빠르게 세계시장을 선점하고 있고, 국내 기업은 이제 시작 단계다. 하지만, 향후 대면적 디스플레이 및 인쇄전자 제조용 잉크젯 장비 기술개발 관련 국책사업에 참여 중인 국내 장비 업체 및 산학연이 선행적으로 적기에 수행하고, 필요한 기술 표준을 선제적으로 제안하며, 관련 평가장비 개발을 선점 함으로써 국내 장비 산업의 발전을 꾀할 수 있을 것으로 예상한다.
[참고문헌]
- 강경태, History of Inkjet Printing, 제1회 Direct Printing 워크숍(2023)
- 한국생산기술연구원, 인쇄전자연구센터 소개자료(2020)
- 조관현, 잉크젯과 디스플레이, 순천향대학교 세미나(2021)
- Eunsik Choi, Kunsik An and Kyung-Tae Kang, Deep-Learning Based Inkjet Droplet Monitoring, 2024 ICFPE(2024)