유연 인쇄 전자 산업 발전 개요 (1부) — 리뷰

유연한 인쇄 전자 기술은 인쇄 원리에 기반한 전자 제조 기술입니다. 실리콘 기반 반도체 마이크로일렉트릭스 기술은 한때 전자 기술 분야에서 절대적인 지배적 위치를 차지했습니다. 하지만 실리콘 기반 집적회로 제조 기술의 복잡성과 막대한 투자로 인해, 제조 분야는 전 세계 소수의 주요 기업에 의해 완전히 독점되고 있습니다. 따라서 지난 10년간 용액 기반 유기 및 무기 반도체 재료의 연구개발은 전통 인쇄 기술을 이용한 다양한 전자 장치 제조 탐구를 촉진했습니다.

설문 자료에 따르면, 인쇄 전자 기술과 산업은 유기, 무기, 합성 재료(회로나 전자 부품을 인쇄할 수 있는 소재), 트랜지스터, 디스플레이, 센서, 광튜브, 배터리, 조명 장치, 도체, 반도체 및 기타 장치, 그리고 회로 상호 연결을 위한 공정과 제품 등 다양한 분야를 포함합니다. 인쇄 공정 자체는 전통적인 마이크로나노 가공만큼 높은 해상도와 높은 통합도를 갖추지는 못하지만, 면적이 동일하고 유연성적이며 저렴한 비용이라는 장점 덕분에 인쇄 전자공학은 많은 새로운 응용 분야에서 역할을 할 수 있습니다.

10년의 회피

인쇄 전자제품 시장에 관해서는, 영국의 시장 조사 기관 IDTechEx가 10년 전부터 이를 추적하기 시작했습니다. 회사는 인쇄 전자 산업 발전에 관한 연례 보고서를 발행하며, 시장 평가와 예측도 포함합니다. 그림 157은 2008년 인쇄 전자 발전 전망에 대한 IDTechEX의 평가를 보여줍니다. 그 당시 그는 인쇄 전자공학의 전망에 대해 매우 낙관적이었으며, 향후 20년간의 인쇄 전자공학 발전을 당시 실리콘 반도체 및 마이크로일렉트로닉스 개발과 비교했습니다.

그 예측이 그때 내려진 지 10년이 지났습니다. 2018년 인쇄 전자제품 개발을 되돌아보면, 시장은 당시 예측했던 수준에 미치지 못했습니다. 2015년 삼성전자 사장은 한국 유연 인쇄전자학회에서 인쇄 전자 시장의 실제 발전 수준과 다양한 시장 조사 기관들의 초기 예측을 비교하는 내용을 발표했습니다(차트 158). 분명히 실제 시장 성과는 이전 예측과는 거리가 멀다. 공개된 시장 데이터를 보다 상세히 분석하면, 표면적으로는 시장이 크어 보이지만 실제로는 대부분의 점유율이 전통적인 성숙한 상품과 시장에서 나온다는 사실이 드러납니다.

차트 158: 인쇄 전자제품 시장 성과 및 전망 비교 (2015)

차트 159는 2016년 IDTechEx가 발표한 인쇄 전자제품의 시장 점유율 분포를 보여줍니다. 총 242억 달러 규모의 시장은 인쇄 전자뿐만 아니라 유기적이고 유연한 전자제품도 포함합니다. 후자의 두 종류의 제품은 반드시 인쇄를 통해 제조되는 것은 아닙니다.

예를 들어, 160억 달러 규모의 OLED 디스플레이 시장은 인쇄 전자 카테고리에 속하지 않으며 여전히 진공 증착 제조 공정을 사용합니다. 65억 달러 규모의 센서 시장은 주로 2008년 이전에도 성숙한 제품이었던 혈당 검사 스트립 제품으로 구성되어 있습니다. 13억 달러 규모의 전도성 잉크 시장은 주로 인쇄된 결정 실리콘 태양전지 전극과 터치스크린 가장자리 전극용 전도성 페이스트에 집중되어 있으며, 신흥 저온 소결 나노 전도 잉크 시장과는 다릅니다.

지난 10년간 일부 초기 잘 알려진 인쇄 전자 회사들은 극적인 부상과 침체를 겪었습니다. 예를 들어, 2008년 미국 기업 코비오는 인쇄된 나노실리콘 잉크를 이용한 박막 트랜지스터와 RFID 제조용 제품을 출시하며 인쇄된 무기 나노물질을 선구하고 제품 선구자가 되었습니다. 당시 업계는 일반적으로 Kovio의 완전 인쇄 RFID가 주류 실리콘 집적회로 칩인 RFID를 대체할 가능성이 높다고 믿었습니다.

미국의 코나르카 컴퍼니는 2001년에 설립되었으며, 2008년에 1GW 규모의 유기 태양전지 생산 라인 건설을 발표하여 당시 인쇄 전자 산업화의 주요 기업이 되었습니다. 하지만 두 회사는 제품 진출에 실패하면서 연이어 사라졌습니다. 또 다른 예로는 독일의 PolyIC이 있는데, 이는 유기성 전자 라벨과 금속 메쉬 격자 투명 도도성 필름을 국제적으로 최초로 출시했으나, 제품 판매가 성공하지 못해 다른 기술 개발에 집중했습니다.

투명 전도성 필름 분야에서는 PolyIC 외에도 인쇄 전자 기술을 옹호하는 코팅된 나노 실버 와이어나 탄소 나노튜브를 채택하는 회사들이 많습니다. 이들 중 일부는 10년 이상 생존했지만, 특히 전통적인 ITO 소재의 급격한 가격 인하와 원래 시장을 유지하기 위한 고군분투로 인해 시장 성과는 미지근했고, 일부는 완전히 시장에서 철수했습니다. 예를 들어, 나노 실버 와이어 투명 전도성 필름을 강력히 홍보한 초기 회사인 케어스트림(Carestream)과 자축 나노 실버 잉크 회사인 시마(Cima)가 있습니다 나노기술 기업들 등.

챌린지

인쇄 전자라는 개념은 매우 매력적입니다. 인쇄가 언급되면 사람들은 자연스럽게 인쇄된 신문과 잡지, 그리고 저렴한 비용으로 전자 제품을 대량 생산하는 장점을 떠올립니다. 하지만 신문과 같은 인쇄 전자제품을 진정으로 구현하려면 여전히 많은 기술적, 산업적, 시장 지향적 도전 과제가 존재합니다. 첫째, 인쇄 전자 기술 자체에도 한계가 있습니다:

(1) 인쇄 처리의 그래픽 해상도는 전통적인 마이크로나노 처리보다 훨씬 낮습니다. 현재 인쇄로 얻을 수 있는 가장 미세한 선은 약 1마이크론이며, 집적회로가 처리하는 패턴 크기는 10나노미터 범위에 도달했습니다.

(2) 인쇄 전자장치의 전제 조건은 인쇄 가능한 전자 잉크 재료의 가용성이지만, 현재 이러한 재료의 종류는 제한적이며 일반적으로 고체 잉크보다 성능이 낮습니다. 인쇄된 전자 장치는 전통적인 마이크로나노 가공으로 생산되는 장치보다 성능이 떨어집니다.

(3) 전자 장치는 보통 다층 구조를 필요로 합니다. 다층 인쇄 구조는 등록 정확도에 제한을 받습니다. 인쇄 등록 정확도는 보통 마이크로나노 처리의 다층 정렬 정확도보다 훨씬 낮습니다.

(4) 인쇄된 전자 잉크의 원래 재료 특성을 복원하려면 경화 및 소결 공정이 필요합니다. 일부 재료의 경우 소결 온도가 매우 높아 기판 재료의 선택 범위를 제한할 수 있습니다. 또한, 소결 및 경화된 재료의 특성은 전도도와 같은 원래 특성으로 복원하기 어렵습니다.

(5) 인쇄 전자 장치와 전통적인 전자 장치 간의 차이로 인해, 기존의 마이크로전자 설계 방법과 소프트웨어는 인쇄 전자 설계에 직접 적용할 수 없습니다.

전통적인 인쇄 회사들이 인쇄 전자기기로 바로 전환할 수 있다는 믿음이나 회로 기판을 인쇄 방식으로 제조할 수 있다는 믿음(참고: 전통적인 인쇄 회로 기판과 PCB는 인쇄로 만들어지지 않음)은 모두 전통 산업에서 인쇄 전자에 대한 오해입니다. 인쇄 전자제품에 필요한 인쇄 기술은 신문용보다 훨씬 복잡하며, 전자 잉크의 호환성과 다층 전자 잉크 인쇄의 등록 정밀도가 포함됩니다. 현재 인쇄 전도성 잉크의 전도성과 정밀도는 아직 전통적인 PCB의 요구사항에 도달하지 못했습니다.

인쇄 전자장치의 가장 매력적인 응용 분야인 인쇄 트랜지스터는 아직 실용화와는 거리가 멀다. 현재 일부 제품은 유기 또는 무기 반도체 잉크를 사용해 트랜지스터를 준비하고 있지만, 대부분은 여전히 리소그래피와 같은 전통적인 공정에 의존해 그래픽 트랜지스터 구조를 구현하며, 완전한 인쇄 트랜지스터는 아닙니다. 인쇄된 태양광 전지 제품의 안정성과 포장과 관련해 아직 해결해야 할 기술적 문제가 많습니다.

둘째, 인쇄 전자제품은 시장에서 전통적인 전자제품과 경쟁해야 합니다. 인쇄된 전자 제품은 자체 제품 형태(유연, 플라스틱 기반, 종이 기반)를 가지고 있지만, 성능상 단점도 있습니다. RFID 태그를 예로 들어보겠습니다: 전통적인 RFID 칩은 1mm 제곱미터도 안 되며 수만 개의 트랜지스터를 통합할 수 있습니다. 인쇄된 RFID는 인쇄된 안테나 외에 약 천 개의 트랜지스터만 제한된 라벨 영역에 인쇄할 수 있어, 수만 개의 트랜지스터가 통합된 RFID 칩에 비해 성능이 자연스럽게 훨씬 낮습니다. 더불어, 참기름만큼 작은 RFID 칩도 유연한 RFID 안테나에 설치하여 유연한 RFID 태그를 구현할 수 있습니다. 따라서 인쇄 전자제품의 상용화가 직면한 도전은 기존 마이크로일렉트로닉스 기술을 보완할 수 있는 새로운 사용자 경험을 제공하는 차별화된 제품을 만드는 방법입니다.

인쇄 전자기기는 혁신적이고 전례 없는 제품이나 비용 효율적인 제품을 만들어야만 시장 경쟁에서 우위를 점할 수 있습니다. 성공적인 사례는 난창 오필름에서 대량 생산한 혼합 인쇄 나노-은 금속 격자 투명 전도성 필름입니다. 이 새로운 터치스크린용 투명 전도성 필름은 ITO보다 더 전도성이 높고 감도가 높으며, 제조 비용도 낮아 빠르게 시장을 열 수 있습니다. 하지만 이건 대형 터치스크린 시장에만 해당됩니다. 모바일 터치스크린 분야에서는 작은 화면 크기 때문에 ITO 고임피던스의 단점이 명확하지 않습니다. 더불어 ITO 공급업체들은 비ITO 소재와의 경쟁에 직면해 있어 금속 그리드 투명 전도성 필름이 휴대폰 터치스크린 시장에 진입하기 매우 어렵게 만들었습니다. 인쇄 전자제품의 저비용 특성은 대량 생산을 통해서만 실현될 수 있다는 점을 주목해야 합니다. 소량으로 생산된 인쇄 전자제품은 저비용으로 생산할 수 없습니다. 따라서 대량 생산하지 않으면 시장 경쟁에서 우위를 점하지 못할 수 있습니다.