기술개요 및 핵심기술 소개
최근에 와서는 정보의 디지털화가 급속하게 진전되고, 환경보호를 우선으로 하는 순환형 사회를 구축하기 위해 종이 분야에서도 재생종이의 유효활용 등이 추진되고 있다. 위와 같은 상황에서, 종이 본래의 장점을 유지하면서 정보의 디지털화 및 순환형 사회에 대응할 수 있는 새로운 매체로서 전자 종이(electronic paper)가 주목을 받고 있다. 전자 종이는 종이의 장점과 디스플레이의 장점을 모두 갖춘 이상적인 매체의 개념이다. 인터넷 등의 전자 통신기술에 의한 전자매체는 정보의 유통기능이라는 관점에서의 효율성 면에서 인쇄물의 유포 기능을 능가하는 면이 크다고 할 수 있다.
자료출처 : 교육과학기술부
기술개요
E-Paper 개발의 필요성
E-Paper(E-Paper, Electronic paper)는 종이의 장점과 디스플레이의 장점을 모두 갖춘 이상적인 매체의 개념이다. 최근 정보의 디지털화가 급속히 진전되면서 병원에서의 전자진료카드 등 다양한 분야에서 페이퍼리스(paperless)를 지향하는 움직임이 활발하게 진행되고 있다. E-Paper가 종이 본래의 이점을 유지하면서 정보의 디지털화는 물론 최근 추구되고 있는 환경 친화형 사회에 대응할 수 있는 새로운 매체로 주목되고 있다.
한편, 디스플레이에 대한 최근의 경향은 보기 위한 것은 물론 읽기 위한 디스플레이로서의 기능이 요구되고 있다. 따라서 앞으로의 디스플레이는 종이처럼 읽기 쉽고, 유비쿼터스(Ubiquitous) 사회에 대응한 이동성(mobile)이 우수한 디스플레이가 요구된다. 현재 이동성 기기로의 응용을 목표로 다양한 방식의 디스플레이가 제안되고 있으며, 종이와 같은 기능의 디스플레이로 이용 가능한 E-Paper의 개발이 활발하게 진행되고 있다.
지금까지 디스플레이는 점점 더 높아지는 고화질 요구에 부응하여 CRT로부터 LCD, PDP, 유기EL로 계속 고성능·기능화로 진화되어 왔다. E-Paper는 이러한 개발 추세의 하나로서 차세대 디스플레이의 유망한 후보이다.
E-Paper의 구성 요소기술
E-Paper는 하드카피 타입(RWP, rewritable paper)과 소프트카피 타입(PLD, paperlike display)의 2가지로 구분된다. RWP는 종이에 가까운 것으로 쓸 수 있다. PLD는 디스플레이에 가까운 것으로 쓸 수 있다. PLD는 디스플레이에 가까운 것으로 프린터 없이 전기구동으로 쓸 수 있으며, 전원을 차단하여도 영상을 유지하는 것이 가능하다. 최근에는 종이와 같이 얇고 가벼우면서 보기 쉬운 표시매체로서 표시부(영상 형성층)와 배면부(영상 기록층)로 형성된 E-Paper/PLD 구성이 검토되고 있다.
표시 기술로서 최근 주목되는 기술은 입자이동방식, 액정방식, 전기화학방식 등이 검토되고 있다. 현재 Qualcomm社가 ‘iMOD(반사형 간섭변조)’라는 것을 개발하여 휴대용 크기의 디스플레이로 상품화하고 있다. 배변기술로는 PM(passive matrix) 방식과 AM(active matrix) 방식이 검토되고 있다. PM방식은 종래 기술의 연장선상의 기술이라 볼 수 있지만 AM방식은 특히, 전기영동방식의 표시에는 필요하기 때문에 현재 다양한 기술이 활발하게 연구 검토되고 있다.
연구개발 동향
E-Paper 개발동향
E-Paper에 대한 연구는 1970년 미국의 Xerox社가 전자잉크의 개념을 발표한 이후 연구의 진전이 부진하여 실용화에 이르지 못하고, 1990년대에 들어서면서 E-Paper에 대한 연구가 다시 본격화되었다. 최근 Xerox社 이외에도 미국의 E-Ink, Philips 및 일본의 Sony, Toppan Printing社 등이 상용화 수준에 도달하고 있다.
미국의 E-Ink社가 전기영동방식의 마이크로캡슐을 이용한 E-Ink(전자잉크) 기술을 개발하여 그 시제품을 출시하면서 E-Paper는 새로운 응용분야를 창출할 수 있는 차세대 유망 디스플레이 기술로서 주목되고 있다.
E-Paper에 관한 연구발표가 많은 국제회의로는 미국의 국제정보디스플레이학술대회(SID, Society for Information Display)와 일본의 국제디스플레이워크숍(IDW, International Display Workshops) 등이 있다. 이들 국제회의에서 발표된 자료에 의하면, 2004년 이후의 E-Paper 개발 추세는 유연화, 컬러화로 진전되어 실용화에 이르고 있다.
▶ 미국 SID의 동향 : 최근 SID에서 E-Paper에 관련된 발표 상황은 2006년도 28건, 2007년도 27건이며, 전체 발표 논문은 500건에 이른다. 발표 건수는 의외로 Hong Kong University가 가장 많았으며, 다음이 미국이다. E-Paper에 관한 기술내용은 입자이동방식과 액정방식이 주류였다.
▶ 일본 IDW의 동향 : IDW에서 E-Paper에 관련된 발표는 2005년에 26건으로 많았으나, 2006년에는 17건으로 줄었다. 특히, 2005년에는 NEDO의 국가 프로젝트 사업인 JCⅡ/Chiba University의 컬러 전기영동입자 등이 발표 되었으며, 컬러 화질의 향상에 대한 방향이 제안되었다.
E-Paper의 후보 제조기술
일반적으로 표시 기술은 ‘쓰기 수단’과 ‘표시 매체’의 두 가지 요소로 구성된다. 이와 같은 관점에서 E-Paper를 실현할 수 있는 쓰기 수단은 전기계, 자기계, 광 열 등 어느 것을 이용하느냐에 따라 다양한 방식의 가능성이 있다. 또한, 표시 매체에 있어서도 무엇을 변화시키느냐에 따라서 다양한 방식으로 구분된다.
가. 전기영동방식
전기영동방식 자체는 일찍이 1960년대에 일본의 Matsushita 전기산업이 고안한 것으로, 1970년대부터 디스플레이로의 응용 연구가 활발하게 진행되었지만 도중에 연구가 지지부진하여 실용화에 이르지 못했다. 근년에 와서, 이 방식은 E-Ink社의 마이크로캡슐 기술과 조합됨으로써 E-Paper 디스플레이의 제조 기술로서 주목되고 있다. E-Ink社는 마이크로캡슐 중에 청색 액체와 백색 입자를 넣어 전기영동에 의해 백색 입자를 표면으로 이동시키는 방식을 개발하여 실용화하였다.
전기영동 디스플레이의 기본 원리는 전기영동현상을 이용하는 것으로, 전압 공급에 의해 안료입자가 디스플레이 내에서 이동하면서 안료 입장에 의한 광의 흡수, 산란, 반사 또는 매질에 의한 광의 흡수에 따른 광 반사율에 의해 정보가 표시된다. 마이크로캡슐 타입은 종래의 기술적 과제인 응집 및 침전현상에 의한 표시성능의 열화를 억제하고, 또한 캡슐을 함유한 매질의 도포에 의해 높은 생산성으로 디스플레이 표면의 형성이 가능한 장점이 있다.
전기영동방식은 일반적인 액정과는 달리 시야각의 문제가 없으며, 시인성(visibility)이 높은 반사형의 표시가 가능하기 때문에 E-Paper용 표시 기술로서 본격적인 상품화를 목표로 한 연구가 활발하다.
나. 트위스트 볼 방식
트위스트 볼(twisting-ball) 방식도 전기영동방식과 같은 시기에 Xerox社에 의해 개발되어 검토된 기술이지만, 그 당시 실용화에 이르지 못하고, 근년에 들어와서 E-Paper 제조기술로서 다시 부각되고 있다. Xerox社에 의해 설립된 Gyriconmedia社가 개발하여 활용되고 있다.
트위스트 볼의 설치 구조는 절연성 시트 중에 설계된 공동(空洞) 내에 절연성 액체가 채워져 있으며, 액체 중에는 각각 다른 색 및 대전 특성으로 구성된 반구(半球)로 짝을 이룬 절연성 표시소자 구(球)로 형성된다.
표시 원리는 디스플레이 시트에 수직적인 전계 공급에 의해 표시 소자 구의 회전구동에 따른 반구 색의 콘트라스트에 의해 표시된다. 이 기술은 전기영동방식과 같이 반사형으로 시야각의 의존성이 없이 높은 시인성의 표시가 가능하기 때문에 E-Paper 제조기술로서 유망하다.
최근 표시소자 구의 회전에 관한 해석적 검토가 활발하게 진행되고 있다. 또한 표시소자 구 대신에 발전형으로 원주형 소자를 이용하는 방식 및 방사기술을 응용하여 중공(中空)에 여러 개의 원주형 소자를 봉입시킨 표시 섬유를 형성함으로써 고쳐 쓰기가 가능한 전자 포 형태 등의 개발도 검토되고 있다.
다. 서멀 리라이터블 방식
서멀 리아이터블(thermal rewritable) 방식은 열에너지에 의해 가역적인 발색 및 소색(消色)을 구현하는 것으로 몇 가지의 방법이 있지만 E-Paper 기술로는 분자 구조의 변화를 이용하는 방법이 주목된다. Ricoh社, Panasonic社 등이 개발하여 실용화하고 있다.
이 방식에 의한 표시원리의 전형적인 예로는 로이코(leuco) 염료분자의 환상구조의 일부가 열리는 것에 의해 발색되고, 역으로 닫히는 것에 의해 소색되는 원리에 의해 정보가 표시된다. 급랭 및 제냉(際冷) 프로세스에 따라 가역적인 발색과 소색이 구현된다.
이 방식에 의한 표시도 인쇄물에 가까울 정도의 높은 시인성을 갖는 반사형 표시의 실현이 가능하기 때문에 E-Paper 제조기술로서 유망하여 활발한 검토가 진행되고 있다.
라. 액정방식
현재 널리 이용되고 있는 편광판을 사용하는 방식의 액정 표시기술은 시야각 등의 문제 때문에 인쇄물에 가까운 시인성을 얻기가 어렵지만 해상도 면에서는 인쇄물과 가깝게 하는 것이 가능하다. Fujixerox社, Eastman Kodak社, Kent Display社 등은 다양한 수법에 의한 액정방식을 검토하고 있다.
한편, 시야각의 관점에서는 투과성의 변화를 이용하는 고분자 분산형 액정 및 액정분자를 공존시켜서 염료 분자의 긴 방향을 제어하여 콘트라스트를 발생시키는 게스트/호스트 타입의 액정은 시야각의 문제가 없기 때문에 인쇄물에 가까운 시인성을 실현하는 것이 가능하다.
E-Paper 제조기술로 주목되는 액정방식은 구동회로와 일체로 자기완결형의 디스플레이 장치로 발전되고 있는 일반적인 액정 표시방식과는 달리 액정의 매체 부분과 구동회로가 분리된 방식이다. 액정장치와 쓰기 장치가 분리되면, 액정은 종이처럼 얇고 유연성을 실현하는 것이 가능할 뿐만 아니라 코스트 저감효과도 크다.
마. 건식이동방식
건식이동방식은 각각 다른 전하와 색깔을 띤 입자를 에어로졸 상태(전자분말유체)로 기판 사이에 주입하고 전기장에 의해 입자를 이동시켜 영상을 표시하는 방법이다. 다국적 기업인 Bridge Stone社가 2004년에 개발한 ‘QR-LPD(Quick Reponse-Liquid Powder Display)’는 높은 유동성과 안정한 대전성(帶電性)을 부여한 전자분말유체를 표시 재료로 이용함으로써 이중안정성(bi-stable)을 가진 매우 새로운 전반사형 디스플레이이다.
QR-LPD는 종이와 동일한 정도의 높은 시인성, 보는 각도에 거의 의존하지 않는 넓은 시야각, 거의 무한적인 이중안정성 및 0.2msec 정도의 고속 응답성의 특징을 가지므로 동화상 구현도 가능하다. 특히, 표시 소자의 구동은 전자분말유체의 전기장에 대한 한계치로 인하여 단순 매트릭스 구동이 가능하여 저렴한 디스플레이의 실현이 가능하다.
E-Paper의 응용 기술 개발동향
E-Ink社는 표시 기술로서 전기영동방식 및 Kent 기술에 의한 콜레스테릭(cholesteric) 액정방식의 디스플레이를 이미 상품화하였으며, 현재 흑백영상과 컬러 영상 모두 활용되고 있다. 흑백은 E-Ink/PVI 조합이 확립되어 제품을 안정하게 양산하는 것이 가능하여 전자서적 용도의 상품으로 공급되고 있다. 컬러용은 컬러 필터 방식이 주류이며, E-Ink 및 Bridge stone社 등이 개발한 상품이 등장하였다.
E-Ink E-Paper는 시야각이나 콘트라스트가 종이에 가까우며, 다양한 종류의 배면판과의 조합이 가능한 장점이 있지만 백색 표시로 바뀌는 속도가 늦다는 단점이 있다. E-Ink社는 2002년 컬러필터를 사용한 컬러 시제품을 개발하였다. 이 제품은 마이크로캡슐을 직접 도포한 컬러필터를 TFT 기판에 부착하여 제작하였다. 화면의 밝기를 높이기 위해 서브-피크 셀(sub-peak cell) 구성은 무색(write)을 가한 RGBW로 하였다.
디스플레이의 유연성 부여는 컬러화와 함께 E-Paper에서 중요한 기술과제이다. 유연성 부여를 고려하여 개발된 Vizplex는 PET 필름을 기반으로 한 유연성 재료이다. 과제는 Vizplex를 구동하는 TFT 기판의 개발이다. 기판 재료로서 유리가 아닌 유연성을 가진 소재들이 검토되고 있다.
E-Ink社는 2000년 Lucent Technologies社와 공동으로 유연한 유기 TFT 구동 E-Paper를 개발하였다. 이 E-Paper는 1화소가 거의 1㎝로 저해상도였지만 구부릴 수 있고, 표시 갱신을 할 수 있는 영상으로 주목되었다. 또한, E-Ink社는 2002년 스테인리스강 금속 박막 위에 비정질 실리콘 TFT를 형성한 배면판을 사용한 유연성 있는 디스플레이 시제품을 내놓았다.
2003년 이후부터는 E-Ink社 이외에도 많은 기업들이 유연성 디스플레이의 개발에 참여하였다. 2004년에는 프랑스의 Polymer Vision社와 영국의 Plastic Logic社가 각각 유기 반도체를 사용한 유연성 디스플레이의 시제품을 내놓았다. 2005년에는 일본의 Seiko Epson社가 저온 폴리실리콘 TFT를 유리로부터 수지 필름으로 전자하는 독자적인 SUFTLA(surface-free technology by laser annealing) 기술을 사용한 시제품을 내놓았으며, 2006년에는 대형화·고정밀화 된 제품을 개발하였다. 2007년에는 대만의 Prime View International社가 유리로부터 수지 필름으로 전사한 비정질 실리콘 TFT를 사용한 시제품을 개발하였다.
일본의 Toppan Printing社는 산화물 반도체와 유기 반도체 2종의 반도체를 이용한 유연성 디스플레이의 개발을 검토하고 있다. 산화물 반도체는 투명성과 낮은 프로세스의 온도가 매력적이다. 유기 반도체는 재료를 용액으로 하여 인쇄나 잉크젯에 의해 TFT 어레이 패턴을 형성할 수 있는 이점이 있다.
E-Paper 기술동향
2011. 2. 11. 18:11