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원희 최
5 years ago
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플렉서블디스플레이용플라스틱기판 김인선 황희남 이기호 서 론 2005년도초반국내디스플레이개발동향에새로운트렌드는플렉서블디스플레이의대두라할수있다. 물론평판디스플레이의가격저하와대면적화는일반소비자들의관심을집중시키는화두일것이다.

[1-4] 플렉서블디스플레이는상기의유기 EL 혹은유기 TFT를접목시킨차세대디스플레이를포함하여기존의 TFT-LCD, PM-LCD, 그리고전자종이등다양한디스플레이모드를플렉서블한기판에구현하는것을말한다. 또한플렉서블한기판은일반적인플라스틱필름을기반으로한기판을포함하여플렉서블한유리및금속판을기본으로한기판등다양한종류들이있을수있다.

하지만영화속에서보여지는 ( 공상과학영화, 예를들면 Minority Report) 휴대가간편하고시간과환경에관계없이이용할수있는유비퀴터스 (Ubiquitous) 한디스플레이가실용화되기에는거쳐야할몇단계진화과정이필요할것으로예상된다. 2005년 2월에 SEC 5" TFT LCD TFT by Prof.

개최된 Flexible Microelectronics and Display Conference에서삼성전자는플렉서블한기판을이용한디스플레이의발전을삼단계로정의하고먼저깨지지않는 (rugged) 디스플레이, 이후굽혀지는 (bendable) 디스플레이, 마지막으로플렉서블 (flexible) 디스플레이의구현을예고했다.

1 플렉서블디스플레이용플라스틱기판 김인선 황희남 이기호 서 론 2005년도초반국내디스플레이개발동향에새로운트렌드는플렉서블디스플레이의대두라할수있다. 물론평판디스플레이의가격저하와대면적화는일반소비자들의관심을집중시키는화두일것이다. 하지만차세대를겨냥한디스플레이업체들과연구개발담당자들은유기 EL(electroluminescence), 유기 TFT 등의신규소자의지속적인개발과플렉서블한디스플레이개발이라는연구주제에대해개발의속도를보다가속하고있다. [1-4] 플렉서블디스플레이는상기의유기 EL 혹은유기 TFT를접목시킨차세대디스플레이를포함하여기존의 TFT-LCD, PM-LCD, 그리고전자종이등다양한디스플레이모드를플렉서블한기판에구현하는것을말한다. 또한플렉서블한기판은일반적인플라스틱필름을기반으로한기판을포함하여플렉서블한유리및금속판을기본으로한기판등다양한종류들이있을수있다. 본원고에서는플라스틱필름을중심으로한플렉서블디스플레이기판에대하여고찰하여보기로한다. 플렉서블디스플레이는차세대디스플레이로관심의대상이며아직까지는양산되는모델이없는관계로개발자들의상상속에서다양한용도로제안되어왔다. 하지만영화속에서보여지는 ( 공상과학영화, 예를들면 Minority Report) 휴대가간편하고시간과환경에관계없이이용할수있는유비퀴터스 (Ubiquitous) 한디스플레이가실용화되기에는거쳐야할몇단계진화과정이필요할것으로예상된다. 2005년 2월에 SEC 5" TFT LCD TFT by Prof. Song Flexible STN LCD LED on PES film 그림 1. 국내에서시도되고있는다양한플렉서블디스플레이의예시. 개최된 Flexible Microelectronics and Display Conference에서삼성전자는플렉서블한기판을이용한디스플레이의발전을삼단계로정의하고먼저깨지지않는 (rugged) 디스플레이, 이후굽혀지는 (bendable) 디스플레이, 마지막으로플렉서블 (flexible) 디스플레이의구현을예고했다. [5] 이경우구현되어지는디스플레이에따른응용제품은먼저휴대용기기 (mobile & portable display) 이후착용가능혹은유행제품 (wearable & fashionable display) 그리고종이형태디스플레이 (paper-like display) 등이예상된다. 플렉서블기판역시이에상응할수있는개발이예상되고현재의유리기반디 저자약력김인선박사는 University of Michigan, 고분자공학이학박사로서 University of California, Davis, Post-Doc., LG전선연구소차장을거쳐현재 ( 주 ) 아이컴포넌트상무이사로재직중이다. (ikim@i-components.co.kr) 황희남연구원은서강대학교화학과석사로서 LG 전선연구소선임연구원, LG.Philips LCD 연구소를거쳐현재 ( 주 ) 아이컴포넌트책임연구원으로재직중이다. 이기호연구원은인하대학교고분자공학과박사과정을수료하고인천교육대학교과학교육과조교를거쳐현재 ( 주 ) 아이컴포넌트책임연구원으로재직중이다. [1] J. Jang and S.H. Han, High Performance TFTs on Flexible Substrate, SID 05 DIGEST. [2] M. Hong et al., Large Area Full Color Transmission a-si TFT- LCD Using Low Temperature Processes on Plastic Substrate, SID 05 DIGEST. [3] Y. kada et al., A 4-inch Reflective Color TFT-LCD Using a Plastic substrate, SID 02 DIGEST. [4] S. Aomori et al., Reflective MIM-LCD Using a Plastic Substrate, SID 01 DIGEST. [5] K. Chung verview of Flexible Display R&D, Flexible Microelectronics & Displays Conference

5 <0.5 Water Vapor Transmission Rate (g/m 2 /day) <0.1 <0.1 <0.01 Dimensional Stability (%) <0.05 <0.05 <0.05 aq. KH Chemical aq.

2 표 1. 디스플레이용유리기판의요구특성. Specification Black/White LCD 종류 Color STN TFT Heat Resistance ( C) >200 >200 >200 Transmittance (%@550nm) >85 >85 >85 Surface Resistance (Ω/ ) xygen Transmission Rate (cc/m 2 /day) <0.5 <0.5 <0.5 Water Vapor Transmission Rate (g/m 2 /day) <0.1 <0.1 <0.01 Dimensional Stability (%) <0.05 <0.05 <0.05 aq. KH Chemical aq. HCl Resistance Ethanol NMP (a) 등방성필름 (b) 일반 PET 필름 스플레이에서벗어나서깨지지않는기판을시작으로종이형태의디스플레이를구현할수있는기판까지개발이진행되고있다. [6-8] 플렉서블기판의종류와요구특성기존의평판디스플레이기판으로사용되는유리기판은 0.7 mm 내외의두께로박막이다. 하지만박막의특성상유리기판은깨지기쉽고휴대폰등이동형디스플레이로사용되거나대형의디스플레이에적용되는경우추가의보호창 ( 유리혹은아크릴재질 ) 을요구한다. 또한유리기판은휘어지기어려운단점이있다. 따라서이러한단점을극복하는플렉서블기판은깨지지않으며휘어지는특성을가지는다양한후보가있을수있다. 특히반사형디스플레이에적용되는경우나자체발광디스플레이에적용되는기판은그투명성의필요가비교적낮다. 따라서박막금속재질 [9] 이나유리혹은고내열성의폴리이미드고분자가기판으로사용되기도한다. 고내열성폴리이미드고분자는투명도가열악하여투과형디스플레이용도로사용되기엔미흡하다. 유리의경우박막의유리막을형성하고고분자물질을코팅하여유리의특성을유지하면서휨성을부여하는노력이독일의 Schott사에서시도되기도하였다. [10] 디스플레이기판으로사용되기위해서는기존의디스플레이에서요구되는특성을만족시켜야한다.[ 표 1] 기본적인특성중에는투과형디스플레이의경우 ( 액정디스플레이등 ) 광학적투명도와균일도등이요구된다. 액정디스플레이는편광현상을이용하므로사용되는기판의광학등방성이중요한특성으로요구된다. 기타요구되는광학특성은 haze, yellow index 등이있다. 플렉서블용기판은일반적으로고분자소재 ( 필름 ) 를근간으로만들어진다. 분자필름은그제조공정상연신공정을거치는데연신공정중에고분자사슬 그림 2. 등방성광학필름과일반 PET 필름의광학이방성비교. ( 직교된편광판사이에서필름의방향에따른광학투과특성변화 ) 이배향을하게되어광학이방성이쉽게부여되어진다. 상용되는일반적인필름인 PET제품은특히액정디스플레이용도로사용되기어려운광학특성을갖는다.[ 그림 2] 이에비해반사형디스플레이에사용되는기판은상기광학특성이요구되지않는다. 디스플레이기판으로요구되는또하나의특성은디스플레이공정에대한적합성이라할수있다. 기존디스플레이공정은유리기판을이용하여고온공정및다양한세정공정을포함한다. 이러한디스플레이공정에대한공정적합성이플렉서블기판의사용여부를결정하는중요한요소가된다. 즉고온안정성과정밀공정을위한낮은열팽창계수그리고각종화학용제에대한내화학성등이필요하다. 마지막으로디스플레이기판으로서요구되는특성은디스플레이구현후의안정성이다. 즉유리기판상에구현된디스플레이대비얼마나안정성을확보할수있는가하는것이다. 플렉서블기판을고분자필름으로구현하는경우유리기판대비기체에대한투과특성이떨어지는단점을갖는다. 즉유리는기체투과를하지않는반면고분자필름은공기중의수분이나산소를투과시키는데구현된디스플레이내부 [6] P. Cirkel et al., Towards flexible AMLCD s, IDW 02. [7] T. Hanada et al., Flexible Plastic Substrate for Flat Panel Displays, IDW 02. [8] M. kamoto et al., Development of a Color Reflective TFT-LCD Using Plastic Substrate, IDW 02. [9] M. McCreary, Flexible Displays Using E Ink s Electronic Ink Technology, Flexible Microelectronics & Displays Conference [10] N. Hildebrand et al., Flexibe Glass Sheets, Flexible Microelectronics & Displays Conference

3 표 2. 플렉서블기판용소재와특성. Continuous Use Temperature 900 C 275 C 250 C 230 C 200 C 155 C 150 C Material Steel Polyimide (Kapton) Polyetheretherketon (PEEK) Polyethersulfone (PES) Polyetherimide (PEI) Polycarbonate(PC) Polyethylenenapthalate (PEN) Charateristics paque, moderate CTE, moderate chemical resistance, poor surface finish range color, high CTE, good chemical resistance, expensive, high moisture absorption Amber color, good chemical resistance, expensive, low moisture absorption Clear, good dimensional stability, poor solvent resistance, expensive, moderate moisture absorption Strong, brittle, hazy/colored, expensive Clear, poor CTE, inexpensive, moderate moisture absorption Clear, moderate CTE, good chemical resistance, inexpensive, moderate moisture absorption poly(ethersulfone) polycarbonate 120 C Polyester (PET) Clear, moderate CTE, good chemical resistance, inexpensive, moderate moisture absorption high temperature polycarbonate 로수분과산소가투과되면흑점이발생하거나소자의수명이급격히저하되는현상을보이게된다. 따라서고분자필름을디스플레이기판으로사용하는경우적절한기체투과방지막을형성수분과산소를차단해줄필요가있다. 참고로기체투과의척도로는수분에대해 g/m 2 /day, 산소등기타기체에대해서는 cc/m 2 /day의측정단위를사용한다. 액정디스플레이는 10-2 정도, 유기발광형디스플레이 (LED) 의경우 10-6 수준의수분투과특성이요구되는데일반적인투명고분자필름은 정도의수분투과특성을보인다. 표 2에서는플렉서블기판에사용가능한다양한소재의특성이소개되었다. 마지막으로플렉서블기판이디스플레이공정에사용되기위한특성외적인요구사안은상용화가능성이되겠다. 즉나날이가속화되고있는디스플레이가격경쟁구도에서플렉서블디스플레이기판의가격은플렉서블디스플레이의신규성보다는기존디스플레이제품과경쟁제품으로해석될가능성이높고따라서기판의가격경쟁력이개발에있어매우중요한요소가될것이다. 이는현재개발이진행되는필름소재의선택에서도입증이되고있다. 고분자필름소재투명하고내열특성이우수하며상용화된필름소재는그선택의폭이그리크지않다. 범용제품으로사용되는 PET제품은국내의대기업 (SKC, Kolon, Toray-새한 ) 등에서양산되고있으나내열특성과광학이방성등자체특성때문에디스플레이기판으로는고려되지않고있다. 하지만그양산성을고려할때저가격구현이가능하기때문에대형디스플레이혹은저해상도디스플레이용기판소재로고려되고있다. cyclic olefin copolymer (CC) polyarylate 그림 3. 다양한기판용고분자필름소재의화학구조. PET의유사제품인 PEN은내열특성이 PET보다는우세한것으로알려져있으며미국의 DuPont-Teijin사와국내의 SKC사에서개발된것으로 DuPont-Teijin사에서는 PEN 필름을디스플레이기판으로가공하고플렉서블디스플레이에적용하는노력을기울이고있다. PET나 PEN보다내열특성이우수하고양산, 범용제품으로사용되는필름으로투명성을가지는소재로서 polycarbonate (PC) 가있다. PC는내열성을나타내는척도인유리전이온도 (glass transition temperature, Tg) 가 150도수준으로미국의 GE, Dow, 일본의 Teijin, Mitsubishi, 독일의 Bayer 등세계적으로양산되는필름소재이다. 현재미국의 GE사와일본의 Teijin사에서는 PC 필름을이용한디스플레이기판을개발하는연구를진행하고있으며 Teijin사는기판의판매를진행하는것으로알려져있다. 또한 Tg를 220도수준까지상승시킨필름소재의개발도진행하고있다. [11,12] [11] M.Schaepkens et al., Polycarbonate film substrates for flexible display applications, International Display Workshop [12] I. Shiroishi et al., A novel plastic substrate for a high resolution display, International Display Workshop

그림 4. 고분자필름용액캐스팅공정. PC보다내열특성이우수하며투명하며양산성이확보된소재로 polyethersulfone(pes) 은 90년대말일본의액정디스플레이회사인 Sharp사에서플라스틱 LCD 기판으로사용되어진소재이다. PES는 Tg가 225-230도수준으로다른여타의투명고분자소재보다비교우위를점하고있다.

비교적양산성이확보되고내열특성이우수하고투명한고분자필름소재로는 Cyclic lefin Copolymer(CC) 와 polyarylate(par) 등의소재들이있지만이들소재를이용한디스플레이기판의개발은상기기술한소재보다는그진행이더딘것으로알려져있다. 그림 5. 고분자필름용용융압출기. 표 3. 플렉서블디스플레이기판용 PES 필름특성.

4 그림 4. 고분자필름용액캐스팅공정. PC보다내열특성이우수하며투명하며양산성이확보된소재로 polyethersulfone(pes) 은 90년대말일본의액정디스플레이회사인 Sharp사에서플라스틱 LCD 기판으로사용되어진소재이다. PES는 Tg가 도수준으로다른여타의투명고분자소재보다비교우위를점하고있다. 일본의 Sharp사는 Sumitomo Bakelite사와공동개발을통하여 PES 필름을이용한플렉서블기판을이용 passive matrix LCD를구현하였고이를휴대폰에적용한경험이있다. 비교적양산성이확보되고내열특성이우수하고투명한고분자필름소재로는 Cyclic lefin Copolymer(CC) 와 polyarylate(par) 등의소재들이있지만이들소재를이용한디스플레이기판의개발은상기기술한소재보다는그진행이더딘것으로알려져있다. 그림 5. 고분자필름용용융압출기. 표 3. 플렉서블디스플레이기판용 PES 필름특성. 기판용고분자필름의제조공정 기판용고분자필름은높은요구특성상대부분용액캐스팅방법에의해제조된다. 즉고분자물질을적절한용매에용해시켜이용액을경면처리된벨트나롤상에도포하는공정을이용한다. 도포된용액은필요한건조공정을거치면서필름으로성형되어지고형성된필름은그표면이평탄하고광학적으로이방성이매우낮으며균일성이우수하다. 용액캐스팅방식은공정중건조되어지는용매의회수및재활용측면에서비교적경제성이떨어지지만현재액정디스플레이에사용되는위상차필름등많은광학필름이상기방식을이용성형되고있다. 이방식은공정에필요한경면처리와건조에따른조건조절등이제조되어지는필름의특성을좌우한다.[ 그림 4] 용매를이용하지않고고분자소재의온도를상승시켜용융화시킨후다이 (die) 등을통과시켜필름을성형하는방법인압출법으로도기판용고분자필름의제조가가능하다. 압출법은용매를사용하지않는대신용융된고분자의이동성이크기때문에작은힘에도분자사슬에변형이쉽고이에따라쉽게등방성을잃을수있는공정의난이도가큰제조 방법이다. 즉용융상태에서는분자사슬이등방성을유지하지만필름성형과냉각과정에서가해지는스트레스는분자의배향을유도하게되고배향된분자들은특정방향의광학이방성을형성하여편광특성이적용되는제품에서는사용하기어려운광학특성을나타낸다. 일반적으로편광특성을사용하는액정디스플레이의경우기판의광학이방성은 10 nm 이하로유지되어야한다. 용융압출법은요구특성대비제조공법이난이하지만대량생산시생산효율이우수한것으로알려져있다.[ 그림 5] 이렇게제조된기판용고분자필름 (Polyethersulfone 필름 ) 의특성은표에서보는바와같다.[ 표 3] 기체투과방지막고분자필름의특성중기체투과방지막특성은기술적으로도 5

전적인특성이다. 유리기판의기체투과특성이 10-6 g/m 2 /day 이하를보이는반면고분자필름은 10-100의특성을보이기때문에달성하기힘든기술적인어려움이존재한다. 고분자필름의특성중부족한특성은표면처리나코팅을통하여해결하는것이일반적인접근법이다. 특히기체투과방지막특성은고분자물질이나유기물질로해결하는데는한계가있다.

또한알루미늄을고분자필름에증착하여수분투과방지특성을구현하기도하는데, 과자류포장에는일반적으로이용되는방법이나물질의광학특성은반사의특성을보이므로디스플레이적용되기어려운방식이다. 기체투과방지특성에서유리한물질로는흔히유리를떠올릴수있다. 비록플렉서블기판이유리기판을대체하고자하나유리의강점인기체투과방지특성을이용하고휨성을부여하여기판으로적용하는시도가진행되었다.

5 전적인특성이다. 유리기판의기체투과특성이 10-6 g/m 2 /day 이하를보이는반면고분자필름은 의특성을보이기때문에달성하기힘든기술적인어려움이존재한다. 고분자필름의특성중부족한특성은표면처리나코팅을통하여해결하는것이일반적인접근법이다. 특히기체투과방지막특성은고분자물질이나유기물질로해결하는데는한계가있다. 유기물질을이용한기체투과방지막은식품의포장등제한적인특성을요구하는데이용된다. 예를들면 PVA (polyvinylalcohol) 이나연신된 nylon 필름등을이용하여수분투과방지막으로사용하기도한다. 이경우수분투과방지특성은 1-10 g/m 2 /day 수준으로디스플레이에적용되는데한계가있다. 또한알루미늄을고분자필름에증착하여수분투과방지특성을구현하기도하는데, 과자류포장에는일반적으로이용되는방법이나물질의광학특성은반사의특성을보이므로디스플레이적용되기어려운방식이다. 기체투과방지특성에서유리한물질로는흔히유리를떠올릴수있다. 비록플렉서블기판이유리기판을대체하고자하나유리의강점인기체투과방지특성을이용하고휨성을부여하여기판으로적용하는시도가진행되었다. AGFA사는유리와플라스틱필름을점착제 (PSA, pressure sensitive adhesive) 를이용접합시키는기판의개발을진행하였다. 하지만접합된기판의열팽창계수의차이로인해디스플레이공정중에서문제를발생시키는것으로알려졌다. 또한 Schott사에서는유리에고분자물질을코팅한기판의개발을진행하였다. 이는점착제를사용하지않고코팅방식을이용한것으로휨성은고분자필름수준으로우수하고기체투과방지특성을유리수준으로구현할수있는기판으로가능성을보였다. 하지만박막의유리를사용하여기판의취급에있어쉽게부서지는난점을나타내었다. 고분자필름을주요소재로기판을구현하는경우에는무기물을필름표면에코팅하여기체투과방지특성을구현하기도한다. 즉수백- 수천 Å 수준의무기물을고분자필름표면에도포하여유리기판과같은기체투과방지특성을구현하는것이다. 이를위해서는고분자필름의표면특성이매우중요하다. 즉표면평탄도와같은물리적특성과필름표면에산재한기능성기는도포되는코팅의표면특성, 밀착성등과밀접한상관관계를갖는다. 예를들면결정화가일부가능한 PET필름은필름의압출과정중에표면에미세한구조성장이관찰되며이러한구조는돌기의형태로필름표면에남게된다. [ 그림 6] 이러한표면돌기는추가되는표면코팅에결점을유발시킬수있다. 따라서유기물을먼저코팅하여표면평탄도를높인후무기물코팅을해야하는단점이있다. 이에비하여비정형고분자를이용하는경우필름의표면평탄도는결정성고분자에비해우수하고필름가공방식에따라 10 nm 이하의표면평탄도를달성할수있어 (a) PET 필름의표면구조 (b) 비정형고분자필름의표면구조그림 6. PET 필름의표면구조와비정형고분자필름의표면구조. 유 / 무기물코팅에유리한특성을보인다. 필름의코팅특성을향상하기위해서, 즉코팅되는물질의도포특성이나접착성등을향상하기위해서필름표면을물리적혹은화학적으로개질하기도하는데이때플라즈마처리나코로나처리법이응용되기도한다. 무기물을이용하는기체투과방지막은습식유기물코팅방식을이용하기보다는건식진공코팅방식을사용한다. 특히고분자필름의가공은 roll-to-roll 방식을이용하는것이일반적이며진공코팅공정도롤필름을진공챔버에서 roll-to-roll 코팅을적용하는공정을이용한다. 진공코팅공정에는스퍼터링, evaporation, 플라즈마화학증착 (plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD) 등의방식이주로사용된다. 상기기술에는서로상이한물질과공정이적용된다. 각기공정은필요한기체차단정도, 코팅속도, 접착력및플라스틱의탄성률그외의다양한면을고려하여코팅방법을선택해야된다. 또한기체차단특성은증착속도, 증착두께의정밀도, 형성되는박막의조밀성등에따라결정되어진다. 일반적으로기체투과방지막공정으로많이사용되는진공코팅공정은스퍼터링방식이다. 스퍼터링은유리등에다양한용도의무기막을코팅하는공정으로상용되고있다. 우수한전도성을요구하는도전막이그대표적인예라할수있으며 indium tin oxide(it) 가대부분사용된다. 또한 anti-reflection(ar) 코팅, low-emissivity(low-e) 코팅, 정전기방지코팅등도 6

6 Power Supply Elastic Collision No Ionization or Excitation (Negligible kinetic loss in electron) Collision e + A + A + hν Radiative Recombination e + AB + AB* A + B Dissociative Recombination Ar Reactive gas Anode Cathode (target) Substrate e Electron AB Molecule Inelastic Collision Ionization e + A 2 A e e + A 2 A + + A + 2e e + AB A + + B + 2e e + A 2 A 2 e + AB e + AB* Excitation Recombination AB* AB + hν Short lifetime Radiative Decay (100ns or less) Long lifetime Metastables (1ms or longer) Dissociation e +AB e e + A + B Dissociation (No formation of ions) e +AB A A + B Dissociative Attachment (Formation of Negative Ions) e +AB A + + B + e Dissociative Ionization (Formation of Ion Pairs) Vacuum 그림 7. 반응성스퍼터링장치의기본구조. 상용되고있다. 하지만고분자필름상에기체투과방지막을코팅하는경우에는금속산화물을코팅하는것이일반적이며 RF 마그네트론스퍼터링을사용하거나반응성 DC 마그네트론스퍼터링등을사용하여코팅막을형성하게된다. 반응성스퍼터링의경우반응성기체와함께원소타겟 (elemental target) 을스퍼터링함으로써타겟원소와기체가화합물을형성하며코팅되는방식이다.[ 그림 7] 예를들어알루미늄을스퍼터링할때반응성기체로산소를함께주입하게되면 Alxy 화합물코팅막을형성할수있으며반응조건에따라생성되는화합물의원소비인 x와 y를조절할수있다. 같은방식으로다양한원소타겟과반응기체에따라다양한무기물즉 Six, SiCx, SiNx, Tix, Mgx을코팅할수있다. 반응성스퍼터링에서주로발생하는여러가지문제점은반응중발생하는아크 (arching), 양극소멸 (disappearing anode) 외에반응조건의불안정성등을들수있다. [13-16] 또한고분자필름을고진공하에서공정을진행하게되는데고분자필름은자체수분을함유하고있어공정중에압력변화를가져와코팅공정을안정적으로유지하는데어려움이있다. 반응성스퍼터링을이용하는경우일반적으로 10-1 g/m 2 /day 수준의수분투과방지효과를얻을수있는것으로알려지고있다. 플라즈마화학증착 (PECVD) 은중합이가능한유기또는무기증기 (vapor) 를사용하여플라즈마를형성하고이들반응물을고분자필름상에증착시키는공정을말한다.[ 그림 8] 이경우반응성물질의선정및반응조건의변화에따라증착되는물질을유기계, 무기계혹은유 / 무기하이브리드계의조절이가능하며다양한특성의코팅막을형성할수있다. 플라즈마반응메카니즘은이온화, 여기, 완화, 해리, 재결합등의반응이동시에일어나기때문에정교하게조절된구조의코팅막을형성 그림 8. 플라즈마반응의메커니즘. 하기에는어려운특징이있으나기판의특성에구애받지않고원하는화합물을코팅할수있으며표면접찹력이우수한특성을갖는다. [17] Six 박막형성에는 tetramethoxysilane(tms), tetraethoxysilane(tes), hexamethyldisiloxane(hmds), tetramethylsilane(tms) 등의단량체와산소또는산소 / 알곤의혼합물이사용된다. [18-20] Alxy의경우 trimethylaluminum (TMA), triethylaluminum(tea), aluminum chloride(alcl 3) 등의단량체와 2/Ar, H 2/Ar 등의기체혼합물이사용된다. 플라즈마화학증착방식을사용하여원하는조성의박막을형성하는조건을확보하는경우스퍼터링과비슷한수준의수분투과방지막을형성할수있다. 하지만코팅막의조성은다양한부산물을포함하게되는데예를들어 Six의경우 Si-C, Si-H, Si-H 등의결합도그조성을발견할수있다. 플렉서블디스플레이기판개발동향 고분자기판을사용한플렉서블디스플레이는일본의 Sharp 사에서 passive matrix LCD를개발생산한경험을가지고있다. 당시 Sharp사는일본 Sumitomo Bakelite사의 PES기판을이용하였으며그이후 Teijin사에서는 PC기판을생산하는것으로알려져있다. 하지만플렉서블디스플레이가차세대디스플 [13] W. D. Sproul et al., J. Vac. Sci. Technology A 13, 1188 (1995). [14] M. K. lsson et al., J. Vac. Sci. Technology A 16, 639 (1998). [15] W. D. Sproul et al., Surf. Coat. Technol. 89, 10 (1997). [16] K. Koski, J. Hölsä, and P. Juliet, Thin Solid Films 326, 189 (1998). [17] A. Grill, Cold Plasma in Materials Fabrication (IEEE Press, 1994). [18] N. Inagaki, S. Tasaka & M. Makino, J. Appl. Polym. Sci. 64, 1031 (1997). [19] A. S. da Silva Sobrinho et al., J. Vac. Sci. Technology A 16, 3190 (1998). [20] C. Rau and W. Kulisch, Thin Solid Films 249, 28 (1994). 7

7 레이로주목을받게되면서신규기판의개발및기판특성의향상에연구개발이진행되고있다. 특히 LCD이후차세대디스플레이모드로주목을받고있는 LED( 유기발광디스플레이 ) 를플렉서블기판에적용하기위해서는그기체투과방지특성이극도로향상되어야한다. 이를위한노력은현재지속되고있는데, 미국의 Vitex Systems사가기술적으로선진업체로주목받고있다. Vitex의기술은유기물과무기물의반복코팅으로기체투과방지특성을향상시키는기술로서유기물과무기물의반복적인코팅을모두진공공정에서진행하는특성이있다. 유기물은반응성물질의코팅과경화로이어져고분자코팅막을형성한다. 일반적으로고분자코팅막은상압에서습식코팅 (wet coating) 방식으로적용된다. 하지만 Vitex의기술은유기물을진공에서증착하고경화하게되며이과정에서우수한평탄화효과를가져올수있게된다. 이러한평탄화효과는고분자필름상의다양한결함을보완할수있다. 또한무기물코팅시나타나는결함도무기물위에코팅되는유기물을통하여평탄화시킬수있어연속적으로코팅되는무기막의특성향상에도도움을준다. Vitex는약 5층의무기물과 5층의유기물의반복코팅을통하여 10-6 g/m 2 /day 수준의수분투과방지특성을확보할수있을것으로예측하고있다. [21] 미국의 Dow-Corning사는 Silicon 물질을 PECVD 방식으로코팅하는기술개발을상당기간수행하고있으며다층막이아닌단층막에서유 / 무기하이브리드형태의막을형성하여기체투과방지막을구축하는특징을갖는다. 이러한단층막과고분자필름과의계면에서는계면의상용성을높이는조성의막이형성되어있으며단층막의표면에서는기체투과방지특성이우수한고밀도의막을형성되게된다. 이경우박막내에서경질의코팅막과연질의고분자필름사이중간적인특성을갖는버퍼 (buffer) 형태의중간층을갖게되어우수한기계적특성이예상된다. [22] 기체투과방지막기술개발과함께고분자필름용신규소재를개발하는노력도지속되고있다. 고분자필름의기본특성특히내열특성및기계적특성등은사용되는소재에의해결정된다. 따라서기존소재의개선및신규소재의개발을통한특성향상을보고하는논문들이최근늘어나고있다. PC 필름업체인 GE [21]N. Rutherford, Flexible Displays- A Low Cost Substrate/ Encapsulation Packaging Solution, Flexible Microelectronics & Displays Conference [22] W. K. Weidner, Key Findings in the Development of Silicon- Carbon Alloy Films as Protective Barriers for Ultra-low Permeability Applications, Flexible Microelectronics & Displays Conference [23] T. Nak ao, S. Shibarhara, and W. ka, High Performance Plastic Susbtrate for Flat Panel Displays International Display Workshop 2003 사나 Teijin사의경우일반 PC의 150도수준의 Tg를 220도수준까지상승시킨개선된 PC 필름에대한개발을발표하였다. 내열특성의척도인 Tg를향상시키는노력은높은 Tg를갖지만투명성이떨어지는 polyimide 필름의소재에서분자구조를치환하여투명도를높이는노력도진행되고있다. 즉 colorless PI 필름의구현도기대되는바이다. 내열특성과함께디스플레이공정에서중요시되는필름특성은열팽창계수 (coefficient of thermal expansion, CTE) 이다. 이는가열과감열을반복하여진행되는디스플레이제조공정중정밀한위치제어 (aligning) 가필요한미세공정에서보다높은정밀도를달성하기위하여낮은 CTE를갖는고분자필름이요구되는것이다. 유리의경우 5-7 ppm 수준의 CTE를보이는반면디스플레이기판으로사용되는 PES필름은 50 ppm 정도의 CTE를나타내기때문에 CTE가낮은소재를사용하는것이디스플레이공정에유리할수있다. 이를위해서일본의 Sumitomo Bakelite사는복합재료를이용하여필름소재를개발하는연구를진행하고있다. 즉비정형, 고내열성고분자소재를이용하던기존의필름에서나노입자나나노섬유를보강재로사용하여필름을제작함으로필름의 CTE 를낮출수있음을보고하였다. [23] 결론기존의유리기판과비교할때고분자기판이갖는장점은얇고가볍고충격에강하면서휨성을부여할수있다는것이다. 이러한장점을이용하는플렉서블디스플레이가차세대디스플레이시장에서중요한역할을할것은의심의여지가없다. 하지만고분자기판이유리기판대비떨어지는특성인내열성, 기체투과특성, 열팽창계수, 내화학성등은계속적으로개선되어야할과제이다. 국내의디스플레이업체가이미세계적디스플레이업체로인정받고있으며신기술개발에도집중하고있으며고분자기판에기반한플렉서블디스플레이가머지않은미래에도래할수있을것으로예상된다. 고분자기판의경우원천기술적으로확보되어야할기술은기체투과방지막기술이라할수있다. 이기술이다른기술에비해난점인이유는기체투과방지특성을확보하기위해서치밀한구조의무기박막을형성해야하는데, 무기박막의치밀도를증가시키고두께를높이는과정에서고분자필름과무기박막사이의큰물성차이로인해접착력과잔류응력등의문제가발생하기때문이다. 이러한문제는지속적인연구를통해해결되어야할과제이다. 고분자기판은단순히특정코팅만의주제는아니며고분자필름의원재료, 필름성형공정및성형된필름의특성, 표면처리, 다양한코팅기술, roll-to-roll 적용가능성등다양한기술이복합적으로융합되어만들어져야하고이를위해서는다양한분야의협력과공동연구가필요하다할수있다. 8

Microsoft PowerPoint - Flexible Display 인쇄본

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