[테마특강] FED기술개발 현황과 전망

세계 2차대전중 발명된 레이더의 화면표시장치로 CRT(음극선관)가 사용된 이후 지금까지 CRT는 TV수상기를 중심으로 확고부동한 자리를 지켜왔다. 아직도 CRT는 컴퓨터의 모니터와 컬러TV 수상기, 각종 레이더 장치와 비디오 도어폰의 표시기로 애용되며 디스플레이시장을 주도하고 있다. 그러나 인류는 오랫동안 CRT와 같은 수준의 좋은 화질과 밝은 휘도를 가지고 얇은 유리판과 같이 부피와 무게를 차지하지 않는 평판 디스플레이를 꿈꾸어 왔다. 과연 아직 이와같은 우리의 요구에 부응할 만한 디스플레이는 없는 것인가. 90년대 초반에 들어와 마치 혜성과 같이 나타나 우리의 관심을 글고 있는 "FED(Fiel d Emittor Display)"가 바로 CRT와 LCD의 장점을 다 갖춘 가장 이상적인 디 스플레이가 될 것으로 많은 전문가들을 보고 있다.

<>미래의 이상적인 평판 디스플레이로 떠오르는 FED 반세기에 걸쳐 사랑을 받아왔던 CRT는 휴대형 정보통신기기의 발달에 따른경량.박형.저소비전력디스플레이로의 대체 요구에 강한 도전을 받게 되었으며 세계가 산업사회로부터 정보화사회로 급격한 변화를 예고하는 현 시점에서 미래 멀티미디어 시대에 부응할 만한 디스플레이 소자를 찾는다는 것은당연한 귀결이라 하겠다.

이상적인 디스플레이의 조건을 다 갖춘 것으로 평가되는 FED는 CRT가 갖고 있는 우수한 컬러 화질과 휘도를 가지고 있으며 EL, PDP, LCD 가 가진 우수한 평판구조를 구현할 수 있다. CRT의 결정인 전력소모 문제 와 컬러LCD의 높은 제조 비용을 낮출 수 있을 뿐더러 저전압 구동이 가능한 구조를 갖고 있는 디스플레이의 슈퍼스타라고 할 수 있다.

<>FED의 동작원의 FED를 구성하는 최소 단위는 그림1과 같이 아주 작은 마이크로 3극 진공 관 형태와 같다. 즉 투명전극, 게이트, 기판의 팁 부분은 CRT의 애노우드, 그릿, 캐소우드와 각각 대응하고 있다. 필드에미터 포인트 기판의 뾰족한 팁부분)와 충분한 전압이 인가되면 강한 전계에 의하여 전자들이 에미터로부터 터널링되어 외부로 방출된다. 방출된 전자들은 게이트 를 통과하면서 가속화 되어 투명전극상의 형광체 화소에 높은 에너지를 가지고 충돌하여 발광하게 된다. 게이트에 의하여 흡수되는 전자가 거의 없기 때문에 높은 효율을 갖게 되며 거의 모든 전자가 형광체에 도달하는 것이다.

필드에미션 전류.전압 특성은 대단히 비선형적이어서 각 게이트에 트랜지스터를 추가하지 않고서도 휘도가 광범위하고 자유로운 조절이 가능하기 때문에 LCD의 단점을 완전히 보완하고 있다.

또한 각각의 필드에미션 소자들은 병렬로 동작이 가능하기 때문에 다수의 소자를 병렬로 묶어 한개의 화소를 구성한다면 한두개의 필드에미션 소자가 동작하지 않아도 화소의 동작은 큰 지장이 없으며 예비소자로 별도의 필드에미션 소자를 병렬 추가하면 고장난 화소의 대치용으로 사용할 수 있는 편리한 점이 있다.

ELD나 LCD의 경우 두전극간의 높은 정전용량 때문에 빠른 피토레시가 어려운 점이 있지만 FED의 경우에는 구조적으로 전용량이 낮음으로써 높은 리프레시 율을 가능케 하여 현재 GHz대역의 고주파 증폭용 소자까지도 개발되고 있다.

FED는완벽한 정전소자로써 사용중이 아닐 경우 전혀 열이 나거나 에너지를 필요로 하지 않는다. 최근 실험실의 연구결과에 의하면 이와 같은 FED소자들 이 통상적인 진공상태에서 장시간 동작이 가능함이 증명되었다.

이와 같은 FED의 설계방법은 아주 다양하며 세계적으로 우수한 연구기관들에 서 최근 활발히 개발되고 있다.

<>FED의 역사 최근 활발히 연구되고 있는 FED는 1958년에 가능성이 제안되었으며 68년에 Spindt에 의하여 실용화 가능성이 있는 마이크로 제조공정에 의한 소자를시험제작하였다. 이 당시는 3백V를 인가하여 필드에미터 팁당 1~10Aum의 전류를 얻었다. 그러면 왜 이 이후 20년동안 FED는 잠자고 있다가 90년대에 와서 너도나도 실용화를 서두르게 되었을까.

60년대 중반에 만들어졌던 FED제품들은 비교적 단순한 구조에도 불구하고 필드에미터 팁 부분과 형광체의 심한 성능저하에 의하여 수명이 짧았던 점이크 게 실망과 좌절을 주고 말았다. (이 부분은 아직도 기술적으로 극복해야할가장 큰 장애요소로 남아 있다) 개발초기에 가장 왕성한 연구가 진행되었던 미국내에서는 이 결과때문에 실질적인 연구활동의 종식을 초래하게 되었다.

<>프랑스 그러나 프랑스의 정부출연기관인 LETI연구소에서 계속 FED 연구를 진행하였으며 최근 수년간 FED의 구조, 마이크로 팁 및 형광물질분야에서 괄목할 만 한 성과를 거두어냄으로써 실용화 가능성을 세계적으로 과시함과 동시에 마치 FED가 최초로 발명된 것과 같은 붐을 조성하게 되었고 차세대 상품성을 크게 부각시키게 되었다. 92년6월 Pi.el International이라는 벤처기업이 만들어지고 곧이어 9월에는 LETI가 소유한 특허의 독점실시권을 확보하였다.

93년 LETI에 있던 Pi.el사의 연구팀은 7월에 미국 로데아일랜드사의 뉴포트 에서 개최된 IVMC에 처음으로 컬러 FED 패널을 선보였다. Pi.el사의 6인치컬 러 FED 시작품은 93년 Eurodisplay에 전시되었는데 놀랄만큼 선명한 컬러영상을 구현하였다. 그러나 그 당시는 밝기가 충분하지 못하였으나 최근 미국 에서는 7천~천 쿠멘의 밝기를 얻었다고 한다. 이 문제는 쉽지는 않으나 지금같은 투자가 계속된다면 단기간내에 해결될 것으로 믿고 있다. 그해 8월에P i.el사는 미국의 텍사스인스트루먼트사와 실시권 계약을 맺는 등 컬러 FED기 술의 공개 판매를 선언하였다.

2.4mm 두께에 불과한 FED는 10인치 컬러 VGA 패널의 경우 소모전력은 2W 정도로 낮출수 있으며 비교적 단순한 구조로 공정도 간략하며 12인치 패널의경 우에도 수율은 50% 이상을 쉽게 얻을 것으로 보고 있다.

Pi.el사는 올해 말까지는 6인치 VGA 컬러 패널의 첫제품 출고를 할 예정으로 있으며 이와같은 제품은 휴대형 화상전화기, 휴대형 기기 등에 우선 사용될수 있게 된다. 95년에는 10인치, 96년에는 12인치 등의 제품 출현으로 휴대 형 PC에까지 활용될 것으로 보인다.

<>미국 한동안 소강상태에 있었던 미국내 FED 연구는 최근 다시 활기를 띠고 있는데텍사스 오스틴의 MCC에 의해 FED 개발을 위한 12개 회사의 컨소시엄이 설립 되었으며 96년에 제품 출하를 목표로 생산라인을 구축중에 있다. MIT,NRL, SRI등 10여개의 학교 및 연구소에서도 기초연구를 수행하고 있다. 특히미국 국방부에서는 FED등의 디스플레이 연구에 4천8백만달러를 지원하는 등 디스 플레이 분야기술의 선정을 위해 집중적인 노력을 하고 있다.

<>일본 일본의 경우 20~30개 기관이 매년 모이는 진공마이크로연구컨소시엄 이외에도 MITI는 개별 개발 지원을 계속하고 있으며 업체와 공동개발을 통하여이미 단순한 FED시작품을 개발한바 있다.

관련 기업으로는 푸타바, 후지쯔, 샤프, 도시바, NEC, 요코가와등 대부분의주요전자회사들은 진공 마이크로 일렉트로닉스 분야의 연구계획을 갖고 있으며 FED개발쪽으로 촛점을 맞춰 진행하고 있다. 후지쯔에서는 8인치 FED패널 을 개발한 실적이 있다.

<>국내 기술 현황 아직 뚜렷한 연구결과를 내놓고 있는 국내 기관은 없는 가운데 삼성전관 오리온전기 대우고등기술연구원 KIST 서울대 등에서 검토 또는기초연구를 수행 하고 있는 중이며, 중소기업에서도 관심을 보이는 업체도 있으나 실질적인 연구개발 투자는 이루어지지 않고 있는 실정이다. FED개발에필요한 요소기술 은 마이크로머시닝 기술, 저에너지형 발광체 개발, 대면적제조 공정기술 등이 있으며 대부분은 국내 기업이나 연구소에서 이미 확보되어 있는 기술이지 만 FED개발에 집중되지 않는다면 별로 큰 의미가 없다고 하겠다.

<>FED시장 전망 2000년대의 세계 디스플레이의 총시장 규모 예측은 4백40억달러로 전망하고 있으며 그중 LCD와 CRT가 2백13억달러와 2백8억달러를 각각점유할 것으로 분석되고 있다. 미국 SRI에 의하면 2000년대 FED세계시장은6.3억달러 정도로 예측하고 있으나 일본의 예측자료에 의하면 2백억달러을예상하고 있어 미국 과 일본의 시장규모에 대한 시각 차이가 매우 큼을 알 수있다.

<>결론및 제안 현재까지 FED의 장래성에 대한 부정적인 시각은 거의 찾아볼 수없는 듯하다.

CRT와LCD의 장점을 고루 갖추고 있으며 높은 생산성까지 겸비한 FED는 첨단 정보기기의 표시장치로 큰 역할을 해낼 것이 분명해지고 있다. 오랫동안 잠잠했던 침묵을 깨뜨리고 세계적인 관심을 불러일으킨 것이 불과 최근 수년간 에 이루어졌음을 주목할 때 우리가 알 수 있는 것은 관련기술이 선진국과의 격차가 그다지 크지 않은 상태이며 요소기술이 이미 LCD, 반도체 등의 기술 을 통하여 국내에 구축되어 있기 때문에 선진국과의 경쟁이그다지 비관적인것은 아니라고 본다. 미국 일본의 경우와 같이 기업들이 연합체계를 구축, 국가적 지원을 받아가면서까지 FED개발에 집중노력하고 있는점은 우리에게큰 우려를 자아내고 있다.

원천기술은 공개되어 있으며 응용기술이 속속 특허화되어 가고 있기 때문에우선 새로운 구조의 FED개발과 제조공법상의 응용기술을 착실히 개발해 나가야 한다. 따라서 이번 기회에 국가적인 지원하에 기술력을 모으고 개발투자 를 과감히 유도하여 국내 산업계가 우리기술에 의하여 개발된 첨단 디스프레 이 소자인 FED를 사용하여 부가가치가 높은 상품을 개발, 정보화사회로의 전환을 보다 빨리 앞당길 수 있는 또 하나의 핵심거점 기술을 가져야만 하겠다. 관계 정부부처와 산업계, 학계, 연구기관의 관심과 함께 기술개발력을 집중하여 개발에 착수할 것을 기대한다.