진공기술과첨단과학첨단과학 롤투롤공정을통한유기조명및디스플레이생산기술개발현황 정은, 김성진, 조성민 Production Technology Status of Organic Lighting & Display

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1 정은, 김성진, 조성민 Production Technology Status of Organic Lighting & Display via Roll-to-Roll Process Eun Jung, Sung-Jin Kim, Sung Min Cho Organic light-emitting diodes (OLEDs) have already been commercialized for the mobile-phone display, TV, and lighting panels. Even though the OLED display for the mobile phones is now considered as the main stream display for the application, the OLED TV and lighting panels are having difficulty in their market due to their high prices despite the better performance to the competitors. In recent years, roll-to-roll production of the OLED has begun to be examined, and this method is opening a way to solve the high price problem. In this article, we introduce several important processes for roll-to-roll production of OLED and explain the development status to date. 1. 유기조명및디스플레이개발동향및이슈 유기발광소자 (Organic Light-Emitting Diode; OLED) 는 1900 년대중반에고체유기소재로부터의발 광이최초로발견된이후, 상업기술적으로는 1987 년 Kodak 사에서효율과안정성이개선된녹색 OLED 를개 발하면서본격적으로발전이이루어져왔다 [1]. 유기소재 로는저분자뿐만이아니라고분자물질도 OLED 의소재 로활용이될수있으나, 상업적으로는현재저분자유기소재가주로사용되고있다. 유기조명이나디스플레이로활용되는 OLED는모두저분자유기소재를사용하는진공공정을통해생산되고있으나최근에들어생산비를낮추기위한방안으로용액공정을활용하고자하는시도가이루어지고있다. 그러나아직까지는용액공정및소재의기술적인한계로인해유기조명이나디스플레이의대량생산기술개발은진공공정에초점이맞추어져있다. 유기디스플레이는현재휴대전화기의디스플레이로활용되는소형의경우에는기존의액정디스플레이와의경쟁에서우위를점하기시작하는단계로까지발전하였으며 TV용대형디스플레이의경우에도점차경쟁력을확보해가고있다. OLED가주로유기물로만들어지기때문에유연성을가질수있다는장점을활용하여접거나말수있는 foldable 혹은 rollable 디스플레이가한창개발중에있으며수년내로이러한유기디스플레이가차세대디스플레이의주류가될것으로예상된다. 유기조명은백색이나혹은여러가지색상의대면적 OLED를이용하여현재의형광등이나 LED 조명을대체하기위한기술로개발이진행되고있으며유기디스플레이와마찬가지로 OLED가얇고유연성을가지는장점을활용하여기존조명과경쟁을시작하고있다. 그러나유기조명과디스플레이가기존의조명및디스 < 저자약력 > 정은박사는 2017 년성균관대학교에서 OLED 의롤투롤공정기술개발로공학박사학위를받았으며, 성균관대학교에서박사후연구원으로연구를수행하고있다. OLED 기술관련다수의논문및특허가있으며, 학회논문상등다수의수상경력이있다. 김성진저자는 삼성디스플레이의수석연구원으로서 OLED 의증착기개발을담당하고있으며현재성균관대학교에서박사논문주제로서 OLED 디스플레이를위한롤투롤백플레인개발연구를수행하고있다. 조성민교수는 1992 년 University of Florida 에서박사학위를받았으며 1994 년이후성균관대학교화학공학부에서교수로재직중이다. 다수의국내및국외기업과 OLED 관련공동연구를진행중이며특히 OLED 조명및디스플레이의롤투롤생산기술의개발을위해노력하고있다. 24

2 플레이에비해가볍고얇으며유연성이있다는큰장점이있기는하지만동시에반드시해결해야만하는단점도가지고있는것이사실이다. 가장시급하게해결이되어야할단점은청색발광소재의낮은효율과 OLED의높은생산가격문제이다. OLED를위한장파장의발광소재의경우에는고효율장수명의인광소재가개발되어있으나청색과같은단파장의발광소재의경우에는아직기술개발수준이미진한상황이다. 따라서현재까지는낮은효율의청색소재를활용해야만하기때문에유기조명과디스플레이의효율및수명을높이는데일부제약이존재하기는하지만여러기업들에서이문제의기술적인해결을위해노력하고있다. OLED의높은생산가격문제는생산량의증가를통해생산단가를낮추는방향으로일부해결이이루어질것으로판단되지만, 디스플레이보다특히조명의경우에는낮은가격의기존조명과경쟁을하기위해서가격경쟁력의확보가시급하기때문에 OLED 생산기술의저가화를위한노력을병행하는것이매우중요하다. 따라서본기고에서는유연한 OLED의장점을활용하여유기조명및디스플레이의생산가격을획기적으로낮출수있는방안의하나로서진공혹은용액롤투롤공정을활용하는유연한 OLED의연속생산기술에관한소개를하고자한다. 유연한유기조명과디스플레이의롤투롤생산을위한요소기술로서는 (1) 수분투과방지막 ( 배리어 ) 증착기술, (2) 투명전극기술, (3) 박막트랜지스터백플레인 (backplane) 형성기술, 및 (4) OLED 증착기술등을들수있다. 나열된모든요소기술은롤투롤공정이가능해야만 OLED 조명및디스플레이의롤투롤연속생산이 [Fig. 1] Schematic illustration (left) of the roll-to-roll deposition of multilayer organic-inorganic moisture barrier (right) film on PET substrate using atomic layer deposition (ALD) and plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). 가능하다. 현재까지는각요소기술들이개별적으로여러연구기관이나기업등에서연구개발이이루어지고있으나아직통합적인요소기술들의연결을위한노력은미진한상태이다. 그러나대면적을필요로하는 OLED 응용기술의경우에는롤투롤공정이향후반드시필요한기술이될것으로판단되며이를위해진공및플라즈마기술이핵심적인기초기술이될것으로기대된다. 2. 수분투과방지막 ( 배리어 ) 롤투롤증착기술 OLED는수분이나산소에취약하기때문에장수명의확보를위하여배리어를활용하여외부의수분과산소를차단하는것이필수적이다. PET와같은플라스틱기판표면에배리어를형성하기위해서일반적으로활용되는방법은알루미늄산화물 (Al 2 O 3 ) 이나혹은실리콘질화물 (Si 3 N 4 ) 등과같은무기물박막과유기고분자박막을여러층으로적층하는방법이다. 무기물박막은플라즈마화학기상증착법이나원자층성장법과같은진공증착법을주로활용하며유기물박막은플라즈마기상증착법이나혹은용액인쇄법등을사용한다. 유무기적층구조를활용하는이유는무기층이수분의침투를효과적으로방지하고유기층은무기층이휘어지더라도균열이생기지않도록무기층의유연성을보강하는역할을하도록하기위해서이다. 이와동시에여러층의유무기적층구조의경우에무기층에존재할수있는균열 (crack) 을통한수분의침투경로가매우길어지기때문에수분침투로인한 OLED의성능저하를최소화할수있기때문에더욱유리하다. 이러한유무기다층배리어를롤투롤공정으로증착하기위해서는플라스틱기판에영향을주지않을정도의저온에서무기층의증착이가능해야하기때문에낮은온도에서도무기층의성막이가능한플라즈마기상증착법이나원자층성장법이유리하다. 이때유기층의증착도무기층과다층으로연속하여증착하여야하기때문에무기층의증착과유사한플라즈마진공증착법을활용하는것이유리하다. 수분투과방지특성을높이기위해서는유무기층의개수를높일수록유리하며유연성을향상시키기위해서는무기층의두께를얇게유지하는것이유리하다 [2-7]. 본저자의연구실에서는그림 1에보인바와같은장치를활용하여무기층인 Al 2 O 3 은원자층성장법으로그리고유기층은 n-hexane이나 haxamethyldisiloxane 진공기술과첨단과학 25

3 (HMDSO) 등과같은유기단분자원료를플라즈마상에서라디칼중합을통해얻음으로써유무기다층배리어를롤투롤로연속하여진공증착하고있다. 그림 1에보인바와같이 Al 2 O 3 의두께는 1 nm 이하로가능한한얇게유지함으로써유연성을극대화할수있으며층의개수를늘림으로서수분투과방지특성을향상시킬수있다. 3. 투명전극롤투롤형성기술플라스틱기판표면에투명전극을형성하기위해서는유리기판상에사용하는일반적인투명전극처럼 ITO (Indium Tin Oxide) 를사용하거나혹은그래핀 (graphene), 투명전도성고분자, 금속그리드, 은나노와이어 (silver nanowire, AgNW) 등의소재를사용할수있다. ITO 투명전극은전극특성및안정성은이미확보되어있으나유연성이낮기때문에매우유연한 OLED의전극으로서는활용이불가능하다. 그래핀은최근에많은연구가이루어지고있지만상업적인용도의전극소재로는아직활용이어려운상황이며투명전도성고분자는그자체로는전기저항이높아서금속그리드와동시에사용해야한다는단점이있다. 반면에은나노와이어는소재측면에서상업적으로큰발전을이루고있으며터치스크린, 유연태양전지, 유연 OLED 용투명전극으로의개발이기업을중심으로활발히진행되고있다. 은나노와이어를광소자용투명전극으로활용하기위해서는전극의표면거칠기를수나노미터이하로낮추어야하며대면적활용을위해서는투명도는 85% 이상, 저항은 5 ohm/square 이하로낮추어야한다. 전세계적으로여러연구자들에의해많은개발연구가진행되고있으며가장보편적인방법으로은나노와이어를투명한고분자에매립하여표면일부만노출되도록함으로써표면이전도성을가지면서도 거칠기를낮추는방향으로개발이진행되고있다. 그한가지예로서본저자의연구실에서는그림 2에보인바와같은방법으로은나노와이어투명전극을플라스틱기판상에형성하고있다 [8]. 먼저은나노와이어를폴리이미드롤필름기판에 Meyer rod를사용하여코팅을하고건조시킨후에이필름과 UV 경화레진이코팅된 PET 필름을접합함과동시에 UV 경화를수행하고바로두필름을박리를하면표면에너지의차이에의해은나노와이어가레진에매립된투명전극층은폴리이미드필름에서 PET 필름으로이송되게된다. 이모든공정은롤투롤공정으로연속적으로이루어지며후속공정을위해은나노와이어투명전극의표면을보호해야만할경우에는박리과정이후속공정바로전에진행되도록할수있기때문에유리하다. 일반적으로은나노와이어투명전극에관련한여러논문에서보고되고있는기술수준은플라스틱기판상에서투명도 85%, 저항 5 ohm/square 수준으로유리기판상의 ITO 투명전극수준이상을이미달성하고있다. 이러한은나노와이어투명전극은터치스크린용투명전극으로당장활용이가능한수준으로개발이되어있으며향후대면적, 저저항의유연성투명전극을필요로하는응용을위해서는가장유망한기술이될것으로예상된다. 그림 3b에보인바와같이앞서설명한롤투롤공정으로형성한은나노와이어투명전극의투명도는 PET 기판과비교하여큰차이가없으며대면적저항균일도도 95% 이상으로매우높은편이다. 이러한투명전극상에절연체패턴을인쇄하고 OLED를증착하면그림 3d에보인바와같은대면적 OLED의롤투롤제작이가능하다. [Fig. 2] Schematic illustration of the roll-to-roll fabrication process for the embedded AgNW transparent electrode on PET film. [Fig. 3] Photographic images; (a) bare PET, (b) embedded AgNW on PET, (c) insulator-patterned AgNW on PET, and (d) OLED on the embedded AgNW/PET. 26

4 4. 박막트랜지스터백플레인 (backplane) 롤투롤형성기술 OLED 디스플레이를구동하기위해서는박막트랜지스터 (thin film transistor, TFT) 백플레인을원하는디스플레이의해상도로구현해야한다. 이때유연성이있는기판상에롤투롤공정을사용하여백플레인공정을진행하기위해서반드시고려해야할사항은첫째플라스틱기판을사용하기때문에저온에서공정이가능하고우수한전하이동특성을가지는반도체소재를활용해야하며, 둘째디스플레이의높은해상도를구현하기위해서박막트랜지스터채널형성시높은정렬도 (alignment) 의확보가가능한기술이필요하다. 현재기술수준으로는저온공정으로높은전하이동도는얻기는어려운상황이지만가장가능성이높은소재는 IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide) 와같은금속산화물반도체라고할수있다. 기존의유리기판을사용하는박막트랜지스터제조공정은고온공정이가능하기때문에폴리실리콘과같은높은전하이동도를가지는반도체를사용할수있으며, 포토리쏘그래피공정을통해높은정렬도를얻을수있기때문에고해상도의백플레인제작이가능하였다. 그러나플라스틱기판을사용하여롤투롤공정으로동일공정을수행하기위해서는고온공정이불가능하며, 여러번의포토리쏘그래피, 증착, 그리고식각공정을반복해야하기때문에고해상도패턴을정확히정렬하기어려우며매번기판롤을풀었다감았다를반복해야하는어려움이있다. 이러한롤투롤백플레인공정의어려움을극복하기위해 2009년부터 Hewlett Packard 연구소에서 SAIL (Self-Aligned Imprint Lithography) 공정이연구된 [Fig. 5] SEM images of master template with W/L=100/50μm on the wafer (a) 140, (b) 550, and (c) thin film transistor fabricated by dry etching. 바있다 [9,10]. SAIL 공정은정밀을요하는패턴이이미 self-aligned 되어있기때문에후속공정에서정렬의문제가전혀없으며모든공정이연속적으로진행되기때문에기판롤을풀거나감을필요가없다는장점이있기때문에롤투롤공정에가장적합하다. 그림 4에보인바와같이먼저트랜지스터에필요한전극, 유전체, 그리고반도체박막등을플라스틱기판상에순차적으로전면증착한후그상부에여러개의패턴이겹쳐진 3차원고분자마스크를 imprint mold를통해얻는다. 이후에 3차원마스크를플라즈마 ashing을사용하여서서히제거하게되면여러가지다른패턴의마스크를순서대로구현해낼수있다. 열려진마스크패턴을통해하부의노출된물질을건식식각혹은습식식각을사용하여선택적으로제거하면서최종적으로박막트랜지스터를롤투롤공정으로완성할수있다. 아래그림 5a는단일트랜지스터구현을위해 imprint 된 3차원마스크패턴이며그림 5b는트랜지스터채널부의확대사진이다. 3차원마스크는 3층으로구성되어세가지의패턴이쌓여있으며각각의패턴은 3차원마스크를일정두께만큼 ashing 함으로써노출시킬수있다. 트랜지스터소재인금속, 반도체, 및유전체박막은 Cl 2, CF 4, BCl 3 등의식각기체를사용하여플라즈마를이용한반응성이온식각공정을통해선택적으로제거할수있으며최종적으로구현된트랜지스터의형상을그림 5c에나타내었다. 5. OLED 롤투롤진공증착기술 [Fig. 4] Thin film transistor manufacturing process using imprint lithography 배리어, 투명전극, 그리고백플레인등이플라스틱기판롤상에구비되면최종적으로상부에 OLED를증착하여유기조명이나디스플레이를구현할수있다. OLED 의롤투롤진공증착은독일의 Fraunhofer 연구소, 일본 진공기술과첨단과학 27

5 6. 맺음말 [Fig. 6] Photograph of a roll-to-roll OLED deposition equipment. 의 Konica Minolta 사및 CEREBA 연구소등에서연구개발이진행되고있다. OLED 롤투롤진공증착의장점은유연성이있는유기조명이나디스플레이를저가및높은생산성으로구현할수있다는점이다. 기존의유리기판기반의디스플레이생산시설은생산성확보를위해점차세대가증가하여현재는 10세대를넘어서면서공정설비의규모도매우크기때문에설비투자비용도비약적으로증가하고있다. 롤투롤진공증착의경우에는플라스틱기판롤폭만넓히는것으로대형디스플레이의생산이가능하기때문에고생산성을확보하기유리하다. 그림 6의사진은본저자의연구실에설치되어있는롤투롤 OLED 진공증착기이며폭 150 mm의 PET 기판을사용하고있다. 진공증착이완료된 OLED 패널은 glove box로이동되어여기에서배리어필름을면접합함으로써봉지가완료된 OLED 패널의연속생산이가능하다. [Fig. 7] Photographs of (a) blue-emitting OLED signage, (b) whiteemitting signage, and (c) white OLED on PET. 본기고에서는롤투롤공정을통해유기조명및디스플 레이를구현하기위한방안과기술개발현황을소개하였 다. 전세계적으로배리어, 투명전극, 그리고박막트랜지 스터백플레인기술이여러기업및연구소에서경쟁적으 로개발되고있다. 특히이러한요소기술들을롤투롤공 정으로적용하기위한노력은최근에들어각광을받고 있다. 기술한바와같이배리어, 투명전극및절연패턴등 이구비된플라스틱기판롤상에롤투롤공정으로 OLED 를전면진공증착하면그림 7 에보인바와같은여러색 상의 OLED signage, 조명등을쉽게생산할수있다. 아 직까지는모든기술이확보되어있지는않지만롤투롤공 정을활용하여박막트랜지스터백플레인의제작이가능 해지면고해상도의유연성 OLED 디스플레이도높은생 산성으로생산이가능해질수있기때문에 OLED 를위 한롤투롤생산공정연구는향후매우중요한기술이될 것으로예상된다. References [1] C. W. Tang and S. A. Van Slyke, Appl. Phys. Lett. 51, 913 (1987). [2] S.-W. Seo, E. Jung, H. Chae, and S. M. Cho, Org. Electron. 13, 2436 (2012). [3] S.-W. Seo, H. Chae, S. J. Seo, H. K. Chung, and S. M. Cho, Appl. Phys. Lett. 102, (2013). [4] S.-W. Seo, E. Jung, S. J. Seo, H. Chae, H. K. Chung, and S. M. Cho, J. Appl. Phys. 114, (2013). [5] S.-W. Seo, E. Jung, H. Chae, S. J. Seo, H. K. Chung, and S. M. Cho, Thin Solid Films 550, 742 (2014). [6] S. H. Lim, S.-W. Seo, H. Lee, H. Chae, and S. M. Cho, Korean J. Chem. Eng. 33(6), 1971 (2016). [7] S. H. Lim, S.-W. Seo, E. Jung, H. Chae, and S. M. Cho, Korean J. Chem. Eng. 33(3), 1070 (2016). [8] E. Jung, C. Kim, M. Kim, H. Chae, J. H. Cho, and S. M. Cho, Org. Electron. 41, 190 (2017). [9] H.-J. Kim, M. Almanza-Workman, B. Garcia, O. Kwon, F. Jeffrey, S. Braymen, J. Hauschildt, K. Junge, D. Larson, D. Stieler, A. Chaiken, B. Cobene, R. Elder, W. Jackson, M. Jam, A. Jeans, H. Luo, P. Mei, C. Perlov, and C. Taussig, J. Soc. Inf. Disp. 17, 963 (2009) [10] A. Jeans, M. Almanza-Workman, R. Cobene, R. Elder, R. Garcia, R. F. Gomez-Pancorbo, W. Jackson, M. Jam, H.-J. Kim, O. Kwon, H. Luo, J. Maltabes, P. Mei, C. Perlov, M. Smith, and C. Taussig, Proc. SPIE 7637, (2010). 28