I. 서론 현대사회가고도의정보화시대로발전함에따라서전자디스플레이산업의중요성이증대하고있다. FPD의발전방향을살펴보면현재까지는기술 / 제품개발의방향이고품격이미지구현및대면적화를중심으로진행되어왔으나, 향후는저가격화및플렉시블화가디스플레이의산업적발전방향이될것으로예측되고있다. 신공정

Size: px

Start display at page:

Download "I. 서론 현대사회가고도의정보화시대로발전함에따라서전자디스플레이산업의중요성이증대하고있다. FPD의발전방향을살펴보면현재까지는기술 / 제품개발의방향이고품격이미지구현및대면적화를중심으로진행되어왔으나, 향후는저가격화및플렉시블화가디스플레이의산업적발전방향이될것으로예측되고있다. 신공정"

가흔 장
6 years ago
Views:

1 디스플레이용플라스틱기판의전망 Plastic Substrates for Flexible Display 김기현 (G.H. Kim) 송윤호 (Y.H. Song) 유ㆍ무기나노복합소재팀선임연구원유ㆍ무기나노복합소재팀팀장 목차 Ⅰ. 서론 Ⅱ. 플라스틱기판의특성 Ⅲ. 열적안정성확보방안 Ⅳ. 응용별기판의요구특성 Ⅴ. 결론 플렉시블기판은플렉시블디스플레이의공정성, 성능, 신뢰성, 가격을결정하는가장중요한부품으로서산업적인주목을받고있다. 플렉시블기판중에서는플라스틱이가공의용이성, 저중량, 연속공정의적합성으로인해적용이광범위하게검토되고있지만, 광학용기판으로서는많은소재적 / 공정적문제점을안고있다. 이를해결하기위해플라스틱기판의특성 ( 주로열적안정성 ) 을향상시키거나, 플라스틱기판에적합한저온형성용유 / 무기소재및공정을개발하는연구가많이진행되고있으나, 수요업체의요구수준에는미치지못하고있다. 본자료에서는디스플레이용기판으로서플라스틱의문제점을살펴보고이를개선하기위한최근의소재및수요업체의동향을알아본다. 111

I. 서론 현대사회가고도의정보화시대로발전함에따라서전자디스플레이산업의중요성이증대하고있다. FPD의발전방향을살펴보면현재까지는기술 / 제품개발의방향이고품격이미지구현및대면적화를중심으로진행되어왔으나, 향후는저가격화및플렉시블화가디스플레이의산업적발전방향이될것으로예측되고있다.

2 I. 서론 현대사회가고도의정보화시대로발전함에따라서전자디스플레이산업의중요성이증대하고있다. FPD의발전방향을살펴보면현재까지는기술 / 제품개발의방향이고품격이미지구현및대면적화를중심으로진행되어왔으나, 향후는저가격화및플렉시블화가디스플레이의산업적발전방향이될것으로예측되고있다. 신공정개발 (inkjet/roll-to-roll 공정, nanoimprinting, non mask 공정 ), 차세대유기소재개발 ( 차세대잉크, TFT/CF 소재등 ), 부품소재의통합화 / 단순화를통한저가격화및얇고, 깨지지않고저중량의새로운특성을부여한플렉시블화가새로운산업흐름이라고한다면이에부합하는가장적합한 FPD는플라스틱기판을이용한플렉시블 (flexible) 디스플레이가될것으로보여진다 (( 그림 1) 참조 ). Revenue Flexible OLED TFT-LCD 3D PDP CRT ( 연도 ) ( 그림 1) 디스플레이의발전추이 [1] 플렉시블디스플레이는 2017년경이되면물량기준으로전체 FPD 시장의 34% 정도를차지할것으로예측되고있다 [1]. 플렉시블디스플레이는휴대폰, PDA, MP3 player 등의소형모바일디스플레이에우선채용될것으로보이며플렉시블디스플레이의대면적기술이확보되면기존디스플레이가채용되던노트북, 모니터, TV 등의중 / 대형분야에서유리기반디스플레이를대체할것으로기대된다. 또한기존의디스플레이로는적용이제한적이거나불가능했던새로운분야에응용이될것으로보여진다. 대체시장및신규시장의시기별규모는 < 표 1>, < 표 2> 와같다 [1]. 플렉시블디스플레이는 2009년 low-end 소형모바일폰을시작으로, 2011년경에는 high-end 모바일폰시장에서기존의디스플레이를대체할것으로예측되며, 2017년이되면대체시장규모는 56억달러까지성장할것으로기대된다 [1]. 신규애플리케이션시장규모는 2010년 2.7억달러, 2017년 66억달러로급성장이예측된다 [1]. 플렉시블기판은디스플레이의성능 (performance), 신뢰성 (reliability), 가격 (cost) 을결정하는가장중요한부품으로인식되고있다. 현재유리판가의 500% 이상인플라스틱기판의판가는본격적인시장형성에따라하락해 2012년이후가되면유리가격의 200% 내외, 패널가격의 10% 정도를차지하게될것으로예측된다 [2]. 플라스틱기판의향후시장전망은 < 표 3> 으로예측된다. < 표 1> 대체시장규모 금액기준 [1] ( 단위 : 백만달러 ) Size Main Application Mobile Phone (Low-end), Others , ,751.0 S&M Mobile Phone (High-end), Others , ,775.5 Mobile Others Notebook Large Monitor TV Total , , ,

3 김기현외 / 디스플레이용플라스틱기판의전망 < 표 2> 신규시장규모 금액기준 [1] ( 단위 : 백만달러 ) Technology Size Application E-Paper OLED,LCD ~7 e-book Smart Card Wearable Medical Military Others ~ e-book Others ~ ~ ~ Sign Display Others Sign Display Others Sign Display Others Sub Total ~9 10 ~ Automotive Military Others Sign Display Others Sub Total Total < 표 3> 플라스틱기판의세계시장전망 [2] 연도 물량 ( 천 sq) 금액 ( 억원 ) 5,600 6,592 9,229 12,921 18,089 5,600 6,592 9,229 12,921 18,089 Ⅱ. 플라스틱기판의특성 플라스틱기판은메탈호일, 유리에비해무게가가볍고 (1/2~1/7), 충격에강하고, 가공이용이해형태 / 두께의제약이거의없다는점과산업적으로플렉시블디스플레이의저가격화실현을위한연속공정 (roll-to-roll 공정 ) 에가장적합한소재로서플렉 시블디스플레이의개발초기부터산업적주목을받았다 [3]. 플라스틱기판은유리에비해소재적장점도있으나기존의유리기판에서는문제가되지않던내화학성, 내열성, 흡습성, 투과도등에서많은문제점을안고있다. 유리는 Tg가 690 C이지만, 열가소성세미결정성고분자 (PET, PEN) 는 Tg가 80~120 C, 고내열성무정형고분자 (PC, PES, PAR) 는 150~325 C에불과해유리와비교해플라스틱기판은낮은공정온도를요구한다 [3]. PES 기판은 ~150 C, PC는 ~120 C, PET 및 PEN은 100~120 C 정도가최대허용공정온도로알려져있다. 113

4 < 표 4> 소재별 CTE 분류소재 CTE(ppm/ ) 무기물유리 4 PET 30 PEN 20 고분자 PC 70 PES 60~70 AryLite 70 따라서플라스틱기판을적용해디스플레이를구현하기위해서는저온 (120~150 C 이하 ) 형성용소재개발을통해공정 (TFT 혹은 CF 형성온도 ) 온도를낮춰플라스틱기판의열이력변화를최소화하거나, 사용되는플라스틱기판의내열성을향상시키는방안이고려되어야한다. 플라스틱기판을일정한고온에까지승온한후상온으로냉각하는공정을진행하는경우고온에서는기판이팽창하고, 상온으로온도를냉각할때에는수축현상을보이게되는데이같은현상은플라스틱기판의공정적용에큰걸림돌이되고있다. 열적특성을평가하는또다른항목인열팽창계수 (CTE) 를비교해보면 (< 표 4> 참조 ), 유리가 4 ppm/ C 정도이나플라스틱은이보다 5~20배정도의큰값을보인다. CTE는일정가열온도에서의기판의늘어나는정도를나타낸다 (( 식 1) 참조 ). dt / t CTE = (1) dt 플라스틱소재는유리와는달리성긴분자구조에분자간력도약해외부환경 ( 열, 용매 ) 변화에대해취약할뿐아니라, 친수성기를대부분포함하고있어공기중에노출되거나디스플레이형성공정시리소그래피 (photolithography) 공정과같이현상시물을세정액으로사용하는경우기판의종류에따라다소간차이를보이나수분이플라스틱기판내부에함유되어공정성및신뢰성에부정적인영향을미칠수있다. 또한플라스틱소재는유리와는달리외부의오염인자 ( 수분, 산소 ) 에대해투과성을보이므로외부 < 표 5> 응용별플라스틱기판의베리어요구수준 Water Vapor Permeation Rate (WVPR, g/m 2 /day@38 C; 90%RH) OLED 10-6 Solar Cell 10-4 LCD RFID Tag EL Display 10-2 인자에의한소자의열화를방지하기위해서는적절한패키징 ( 베리어 ) 방법이요구된다 (< 표 5>) 참조 ). 디스플레이용기판으로서플라스틱은소재 / 공정적으로문제점을안고있어이같은문제점을보완하기위해플라스틱은다층구조를가지고있다. 먼저플라스틱필름 (base film) 의상, 하양면에고투과성을가진아크릴레이트 (acrylate) 혹은아크릴레이트-에폭시 (epoxy) 수지를 1~2µm 코팅후경화하여필름의내화학성을보강한다. 이때적용되는층을 HC(hardcoat) 혹은 UC(undercoat) 층으로부른다 [3]. 그리고 HC 혹은 UC 층위에외부의수분, 산소의차단을위한베리어층이도입된다. 이때형성되는베리어층은일반적으로공정특성상한쪽면에만형성하는것이일반적이며, 베리어층은업체마다소재, 공정이차별화되어있으며, 한층의무기물로만구성하거나유기 / 무기, 무기 / 무기의다층구조로구성된다. 무기물인베리어박막을외부적손상으로부터보호하기위해서가교된아크릴레이트혹은아크릴레이트- 에폭시를이용해베리어층위에 OC(overcoat) 고분자층을적층해보통 4~5층의다층막 (OC/Barrier/UC/Base film/uc 혹은 OC/Barrier/Base film/uc) 으로플라스틱기판을구성한다 [3],[4]. 플라스틱기판의구조는공정성및응용성을고려해다양한형태가적용, 검토되고있다. 예를들면기판의흡습성을보완하고열수축률을낮춰공정성을개선하고, 내환경성을확보하기위해베리어박막을플라스틱필름의양쪽에형성한 OC/Barrier/ UC/Base film/uc/barrier/oc 구조, 터치스크린과같이기판상에투명전극이함께요구될때에는 114

5 김기현외 / 디스플레이용플라스틱기판의전망 ITO 혹은 IZO/OC/Barrier/UC/Base film/uc, ITO 혹은 IZO/Barrier/UC/Base film/uc, ITO 혹은 IZO/UC/Base film/uc/barrier/oc 등이있다. 1. 플라스틱기판의제조공정 플라스틱기판을제조하는생산단계는 ( 그림 2) 에서보인것처럼플라스틱기판의원료를합성하고이를반응시켜고분자수지 (polymer resin) 를제조하는단계, 합성된고분자의열적거동을고려해용융-압출혹은용매-캐스트방법으로 50~200µm 두께의필름을제조하는단계, 필름상에베리어박막을적절한적층방법 ( 건식, 습식 ) 을이용해코팅하는단계, 그리고응용성에따라터치스크린, 태양전지, OLED의전극물질로투명전극 (transparent conducting layer) 을추가로형성하는단계로크게나누어볼수있다. 플라스틱기판소재로서적용이검토되고있는 PES, Colorless PI, PC, PEN, COC는일본이전세계사용량의대부분을생산 / 공급하고있다. PEN은 DuPont Teijin Film이, PC는 Teijin, Colorless PI 는 Mitsubishi Gas가공급을하고있으며, PES는 Sumitomo Bakelite사가수지의원료생산에서부터투명전극코팅까지일괄생산체계를구축하고있다. 일본은플라스틱기판의주용도가플렉시블 AMLCD, 전자종이, 터치스크린개발에맞추어져 원료 수지 플라스틱필름 유화기술 플라스틱기술 있기때문에대부분양산되는 ( 스퍼트 (sputter) 장비를많이이용 ) 기판의베리어품질은 OLED의요구치에는미치지못하고있다. 최근일부장비업체를중심으로 OLED 용베리어박막에관한연구는진행되고있으나, 기존연구와차별화되어있는것같지는않다. Sumitomo Bakelite사는 PES 위에 ITO를, Teijin사는 PC 위에 IZO를각각형성한제품을시판하고있으며, PEN, COC, Colorless PI 기판을생산하는 DuPont Teijin Film, JSR, Mitsubishi Gas사는투명전극을형성하지않은기판을시생산하고있다. 일본은기판원료의합성을위한유화기술에서부터수지화기술, 플라스틱기판화공정기술, 베리어박막코팅기술에이르기까지관련소재, 공정, 장비전분야에서세계최고의경쟁력을보유하고있다. 미국의경우, PC, PET 등의범용투명수지를생산하던 GE Plastic, DuPont 등의화학업체에서도플라스틱기판용수지에관심을가지고최근연구를수행하고있으나고내열성및고투광성을가진수지분야에서는일본에기술적으로뒤져있다. 1999년설립된 Vitex사는유기막과무기막을다층막을반복적으로형성하는방법으로 OLED에서요구하는 ~10-6 g/m 2 /day의고품위의베리어박막을세계최초로보고하였다 [3]. GE Global Research는 PECVD를이용해하나의챔버 (chamber) 안에서조성비를연속적으로바꿔가면서 SiO x C y 와 SO x N y 를교차형성하는방식 (( 그림 3), grated 베리어박막 ) 으로 PC 기판상에베리어박막을얻었다. 얻어진박막의특성은다음과같다 [5]. ( 투습도, low 10-5 ~mid 10-6 g/m 2 /day; 내화학성, pass; 투과도, 82%; adhesion, 4B; 치수안정성, 4ppm/hr; 평균표면평탄도, 0.6nm) Barrier 코팅 / 증착기술 Organic zone Inorganic 투명전극 ( 그림 2) 플라스틱기판의제조공정 ( 그림 3) GE Global Research 사의 Grated 베리어의개략도 115

< 표 6> 플라스틱기판의종류및장, 단점 [3],[4] 장점 단점 PET PEN PC PES PI AryLite COC - Resistance to UV - Low water absorption - Low cost - Environmental stability - Low CTE - Low water absorption - Resistance to UV -

6 < 표 6> 플라스틱기판의종류및장, 단점 [3],[4] 장점 단점 PET PEN PC PES PI AryLite COC - Resistance to UV - Low water absorption - Low cost - Environmental stability - Low CTE - Low water absorption - Resistance to UV - Low cost - Optical transmittance - Process-ability - Resistance to UV - Optical transmittance - Thermal resistance - Thermal resistance - Optical transmittance - Birefringence - Whitening (after thermal treatment) - Birefringence - Optical transmittance - High CTE - Resistance to UV - Out-gassing - High cost - High water absorption - High CTE - High cost - High water absorption - High CTE - High cost - High CTE - Resistance to UV - Low thermal resistance - High CTE 1 Unwinder Chamber 2 Pretreatment Chamber 3 Intermediate Chamber 4 Sputter Compartment 5 Marking Chamber 6 Rewinder Chamber Vacuum Pumped by: Roots Pumps Oel Diffusion Pumps Turbomolecular Pumps ( 그림 4) Von ARDENNE 사의 Roll-to-Roll 장비 화하려는움직임도있다. 플렉시블디스플레이용기판을직접생산하는유럽업체는 FIS사가유일한것으로보이며, 플라스틱필름제조및베리어코팅장비는유럽, 특히독일장비가기술적우위를점하고있다 [6]. ( 그림 4) 는독일 Von ARDENNE사의 roll-to-roll 장비를보여준다. Phillips사는미국의 Vitex System 혹은 GE Global Research와는차별화된방법으로써무기박막 (SiN 및 SiO) 을반복층으로사용해베리어박막을형성하였는데, 이때의다층박막은 OLED에서요구하는우수한베리어 (< g/m 2 /day) 품질을보였다 [7]. 2. 국내의플라스틱기판산업동향 현재양산혹은시험생산되고있는플라스틱기판의종류및장, 단점은 < 표 6> 과같다. 유럽에서는생산되는기판용고내열성수지는이탈리아의 FIS사가독자개발한 AryLite, 기판사업을직접하지는않지만 BASF가생산하는 PES, BAYEL사의고내열 PC 등이있다. FIS사는용매- 캐스팅방식으로고내열성 AryLite 기판을상업제조하여공급하고있지만, 베리어박막을형성할기술력이없을뿐아니라베리어관련협력체계를구축하지못한채사업화하여 AryLite 기판의화학적, 열적안정성에도불구하고시장확대에는한계가있었다. 그러나최근 AryLite 기판의물성에주목하고 AryLite 베이스필름에베리어를형성해이를사업 가. 수지화공정플라스틱을디스플레이용기판소재로적용하기위해서는범용수지와는달리엄격한고투광성 ( 투과율, 반사율, haze, birefringence), 고내열성 (Tg, CTE, 치수안정성 ), 화학적신뢰성 ( 분자량, 분자량분포, 반응률, 휘발성잔류물의농도 ) 이확보되어야하기때문에적용가능한소재에한계가있을뿐아니라, 범용수지와는화학구조적으로차별화되어있다. 최근까지거의관련연구가진행되지못하던국내소재업체에서도플렉시블디스플레이에대한수요업체의요구와관련소재의높은부가가치때문에기판용수지를개발하기위해코오롱, LG화학, 제일모직등기존대기업을중심으로사업성검토를 116

7 김기현외 / 디스플레이용플라스틱기판의전망 하고있거나실험실수준의 R&D 연구를진행하고있다. 이들회사들은일본업체를중심으로양산혹은시생산되고있는기판용수지와는차별화된새로운고내열성, 고투광성을가진고분자를설계, 합성해기판을공급하기보다는각회사별로관련기술이축적된엔지니어링플라스틱을기판소재로그대로적용하거나기존구조에화학구조를일부변경해시장요구에대응하려는전략을가지고있는것으로보인다. 기판용고분자수지를얻기위해서는기존의범용고분자의반응및정제, 보관시보다훨씬높은품질관리를요구한다. 이때수지화를위한반응조건 ( 온도, 시간, 습도, 반응기의크기및모양, 반응기내의교반속도, TSC, 용매및개시제의종류등 ) 의변화에따라분자량, 분자량분포, 반응도, 미반응잔류물의농도등이영향을받을뿐아니라정제, 보관방법에따라서같은회사의같은종류의기판이라도제품별로미세한특성차이를보인다. 기판용수지합성반응은연속공정으로진행하지못하고배치 (batch) 타입으로통상진행을하는데각배치별로진행된고분자의물성을수요업체에서요구하는정도로일정하게제어하는것이소재업체입장에서는용이하지않다. 이런이유로현재상업화된 PES, PC 등을보더라도제품별로물성차이가있고위치에따라서도열팽창 / 수축거동이일정하지않아수요업체로서는공정적용에큰어려움을겪고있다. 따라서기판의균일성확보는향후플렉시블디스플레이의경쟁력확보에필수적인요소이다. 또한반응도에따른미반응잔류물혹은올리고머 (oligomer) 및보관시흡착된오염인자 ( 주로수분 ) 는증착 / 열처리공정시가스 (out-gassing) 형태로배출되어막질을저하시키거나막간의계면접착력에부정적영향을미쳐국부적인 2, 3차특성변화의원인을제공할수있으므로, 기판내의흡착오염인자를공정중적절한단계를통해제거하지못할경우제품의안정성에부정적인영향을미칠수있다. 나. 필름화공정 FPD에는편광필름, 위상차필름, BLU의확산필름, 프리즘필름등많은기능성플라스틱필름이사용되고있어서국내에서도고투광성수지를성형, 가공해필름화하는기술은확보를하고있다. 그러나플라스틱기판은앞서의기능성필름과는다르게수지의내열특성상훨씬높은가공온도혹은용매를이용한캐스트- 건조공정을거쳐성형을하기때문에장비적, 공정적으로차별화되어있다. 국내에서양산개념으로플라스틱기판을성형하는곳은 아이컴포넌트가 BASF로부터 PES를구입한후이를용융- 압출방식으로기판을제조해제품화한것이유일하다. 다. 베리어코팅산업계에서는 삼성코닝이폴리에스터필름에베리어및투명전극을형성하는장비를구축하고터치스크린용플렉시블기판을시생산하다가사업을철수한후 아이컴포넌트가 PES에베리어를증착해공급하고있는것이국내에서는유일하다. 연속공정용베리어증착장비를생산하는국내업체는전무하며, 기존의 FPD 혹은반도체박막증착장비를제조하던일부업체를중심으로사업다각화의일환으로플라스틱기판의베리어층형성에관심을가지고배치타입의테스트를진행하고있다. 라. 투명전극플라스틱기판은유리에비해서내열성이취약하기때문에투명전극을통상 150 C 이하의저온공정으로형성을한다. 저온에서투명전극 (ITO, IZO) 을형성할경우대부분이비정질상태이거나국부적인마이크로결정립을함유한상태를보인다. 일본의플라스틱기판업체에서는자신들의기판에가장적합한형태의투명전극을외주를통하여기판에형성하거나 (Toray 등 ), 투명전극을형성하는일괄생산체계를갖추고이를통해투명전극 / 플 117

Solar E-Paper Touch Screen 4. 광학용기판으로서문제점 FPD OLED-SSL 라스틱기판을제조하고 (Teijin, Sumitomo Bakelite) 있으나, 국내에서는이런체계를갖춘회사는없다. 투명전극을증착사용할경우전극과하부막과의계면접착력이문제가되는데일본에서는플라스틱기판표면의플라즈마세정을통하여투명전극의접착력을향상시키는방안등을연구하고있다.

8 Solar E-Paper Touch Screen 4. 광학용기판으로서문제점 FPD OLED-SSL 라스틱기판을제조하고 (Teijin, Sumitomo Bakelite) 있으나, 국내에서는이런체계를갖춘회사는없다. 투명전극을증착사용할경우전극과하부막과의계면접착력이문제가되는데일본에서는플라스틱기판표면의플라즈마세정을통하여투명전극의접착력을향상시키는방안등을연구하고있다. 응용별투명전극의전기적요구특성은 ( 그림 5) 와같다. 3. 용도별기판의요구특성 ESD Electrostatic Discharge Target Application ( 그림 5) 응용별투명전극의전기적특성요구치 [8] 플라스틱기판의용도별요구특성은 < 표 7> 과같다. 가. 낮은열적안정성열처리에따른기판의수축 / 팽창에따른치수및형태의변화는공정성, 디스플레이의이미지특성및양품수율에직접적인영향을미친다. 플라스틱기판을디스플레이공정에적용할경우최대사용공정온도는플라스틱의내열성, 유기혹은무기소재의형성온도등을고려해볼때 120~150 C 정도에불과하다. 이같은공정온도는기존유리기반 FPD의 TFT 혹은 CF 형성온도보다도현저히낮아이온도에서기존의 FPD 소재 / 공정을이용할경우동일한품질특성의 TFT 혹은 CF을얻기는거의불가능하다. 따라서저온공정적용이가능한차세대소재 ( 주로유기물 ) 혹은신공정을개발하거나, 플라스틱기판의내열성을향상시켜최대허용공정온도를높이고자하는노력을하고있으나아직은수요업체의요구수준에는미치지못하고있다. 플라스틱의취약한치수안정성은오차 (misalign) 를고려한설계를요구하기때문에유리수준의개구율 (aperture ratio) 을확보하기가어려울뿐아니라 line defect 이발생할가능성도상대적으로크다. < 표 7> 응용별기판의요구특성 [4] 특성 요구사항 AMLCD AMOLED Si Process Tg( C) > 200 CTE(ppm/ C) < 20 < 20 < 30 Transmittance(%) > 88%@550nm > 85%@550nm > 85%(400~700) Thickness(µm) from 50 to 400µm(preferably 50~150µm) Max. process temperature( C) ~ 150 ~ h@275 C(minimum 180 C) Thermal shrinkage less than 0.003% at maximum process temperature for 1h Thickness uniformity Variation less than 5% Young s modulus > 2.5GPa - 1~4GPa Roughness(nm) < 5.0 < Retardation(nm) < WVTR(g H 2O/m 2 /day@38 C, 90%RH) ~ ~

9 김기현외 / 디스플레이용플라스틱기판의전망 면부착력이낮은소재이므로물리적 (cleaning)/ 화학적 ( 표면처리 ) 수단을이용해두계면간의접착력을확보할필요성이있다. 플라스틱기판은치수안정성이떨어지는소재일뿐아니라무기물과 CTE 값이 10배이상차이를보이기때문에무기물이적층된기판의경우열공정시 compressive stress 혹은 tensile stress가무기층에가해져 ( 그림 6) 에나타낸것처럼무기층에서박리 (delamination) 혹은크랙 (crack) 이발생할수있기때문에열공정시적절한스트레스해소방안을소재적 / 공정적으로수립할필요성이있다. 나. 흡습성 (a) Compressive stress 에의한무기박막층의 delamination 현상 (b) Tensile stress 에의한무기박막층의 crack 현상 ( 그림 6) 열처리공정에따른무기층의손상 유리기판과는달리흡습성은플라스틱에서는피할수없는현상으로 PES, PI는중량의 1% 이상, 나머지기판도종류에따라약간의차이는있지만, 공정성및신뢰성에영향을미칠정도의흡습성을가지고있다. 현재는다른공정적이슈 ( 내열성, 내화학성, 재현성등 ) 때문에심각성에대한인식이부족하나향후플라스틱기반디스플레이의제품신뢰성, 안정성 확보를위해서는소재 / 공정적인해결방안이반드시고려되어야한다. 다. 약한부착력 플라스틱기판과무기물 ( 금속배선등 ) 은서로계 라. 플라스틱특성플라스틱은특성상승온한후상온으로냉각하는열공정을진행하는경우고온에서는기판이팽창하고, 이때의변화는온도및시간 (thermal aging 효과 ) 에모두비례한다. 고온에서상온으로온도를냉각하는경우에는반대로기판이수축과정을거치게되는데, 이때에는일정시간까지는선형적인수축현상을보이다초기상태에근접했을때는수축현상이플라스틱의낮은열전도도와약한분자간력으로인해지극히느리게안정화되는데, 이때를지연시간이라부른다. 150 C 열처리공정에도플라스틱기판의지연시간은수시간을요하는것으로알려져있다. Ⅲ. 열적안정성확보방안 앞서플라스틱기판의공정 / 적용측면에서부정적인문제점을알아보았다. 본장에서기판의열적안정성확보를위한소재적, 공정적접근방법을살펴본다. 1. 소재적관점플라스틱기판의열적안정성을확보하기위한방안으로소재, 수요업체측면에서접근을하고있다. 먼저소재및기판제조업체에서는플라스틱기판자체, 특히베이스필름의열적안정성을확보하기위해내열성이우수한소재를합성, 이를기판소재로이용하거나기판제조시기판의기능성박막 ( 베리어, OC, UC 층 ) 의열이력을최소화하기위해전처리열공정을채용하고인접층과의열적거동의 mismatch 를최소화하는방향으로접근을하고있다. 119

10 이중에서무기섬유 ( 주로 glass fiber) 와고분자를함께용융-압출하거나무기나노입자 (inorganic nano-particles) 를고분자와혼합해용매-캐스트방법으로플라스틱필름을복합화하는방식이 CTE 낮추는방법으로많이연구되고있다 [3],[4]. 필름을복합화할경우두소재간의굴절률차이에따른광산란에의해광특성 (haze) 저하가발생하므로복합소재를플라스틱기판으로연구하는기관에서는두가지의상이한소재의굴절률조합이주된연구분야가되고있다. Sumitomo Bakelite사는 2003 년 IDW에서고분자수지와무기섬유상을용융- 압출방식으로 FRP 복합기판을최초로보고하였다 (( 그림 7) 참조 )[9]. 이때발표된복합필름은투과도 89%, CTE는 30~120도에걸쳐서 14ppm/ C 의값을보였다. 수요업체에서는현재 TV용유리판가수준인 $50~60/m 2 이하의가격으로플라스틱기판을구매하기를원하고있으나 PES, AryLite, PC 기판은 $250/m 2 이상으로대단히고가의부품으로서, 여기에복합화를위해소재및공정비용이추가적으로들어갈경우응용성확보에어려움이될수있어, 복합화가플라스틱기판소재의내열성을확보하는유용한수단임에도경제성측면에서소재업체로서는고민에빠져있다. Sumitomo Bakelite사가개발한상기의복합소재기판의경우에도기술개발수준의연구는진행되어관련결과는보고되었으나제조비용을고려할때사업화는힘든것으로알려져있다. 이외에기판의제조단계에서적절한열안정화공정을추가해진행하면 Tg 이상의온도에서도치수안정성을보이게된다. ( 그림 7) 고분자 -무기섬유상복합필름 [9] 복합소재를이용하는방법이외에수요업체를중심으로플라스틱기판의양면에 CTE가낮은무기박막을별도로추가형성해기판전체의 CTE을낮추는방법도연구되고있다. 그러나 CTE을낮추기위해별도의무기박막층을형성하는것도현재도고가인플라스틱기판의제조공정비용의상승을초래하여플렉시블디스플레이전체의경쟁력약화를초래할수있다. 2. 공정적관점플라스틱기판의열적, 기계적특성을고려하면저온경화형유기소재가적합하나재현성, 신뢰성확보가어려울뿐아니라기존무기소재와비교해서도특성치가열악해유기소재를채용하지못하고, 저온에서여러무기 ( 구동부, 배선등 ) 층을플라스틱기판상에적층하는방식을많이채용하고있다. 그러나플라스틱기판의열적거동 (CTE, thermal expansion/shrinkage) 이무기물과는차이가커플라스틱기판과그상부에적층된무기층과의계면특성을어떻게확보해가느냐하는문제는생산성에직접적으로영향을미치게된다. 다층이적층된기판의특성은 Griffith Theory를이용해설명한다 (( 식 2) 참조 )[10]. σ 2 f h 2E f f 2γ (2) 열처리공정후기판이냉각되면서무기층에 compressive stress가가해져무기필름 (f) 과플라스틱기판이박리되는현상을막기위해서는플라스틱기판상에적층되는무기필름의두께 (h f ) 는가능한얇게형성한다. 공정에따른무기박막의 stress (σ f ) 을줄이기위해공정온도는가능한낮게설정을하여야하며, 무기박막의 intrinsic film stress는공정조건을최적화해최소화하여야한다. 또한계면의접착력 (adhesion energy) (γ) 을높이기위해무기박막형성전에화학적 ( 표면세정 ) 혹은물리적 (plasma 처리 ) 처리가필요하다. 120

11 김기현외 / 디스플레이용플라스틱기판의전망 이외에계면접착력을확보하기위해서는패턴화하는무기박막의면적은최소화하고, 공정중계면에영향을줄수있는인자를최소화하기위해디스플레이공정은항온, 항습시설하에서수행한다. Ⅳ. 응용별기판의요구특성 플렉시블디스플레이의최근 R&D 방향을응용별로나누어살펴보고, 각제품별적용성을확보하기위해기판측면에서는어떤특성이확보되어야하는지설명한다 [1],[4]. 1. 단기적개발방향가. 플렉시블 AMLCD 삼성전자, SHARP와같은유리기반 AMLCD 을양산하고있는업체를중심으로기존 LCD의 TFT, CF 소재및공정을플라스틱기판상에그대로적용해 LCD의박막화, 저중량, 저가격, 내충격성을보완 / 개선하고자하고있다 (( 그림 8) 참조 )[1],[4]. 플라스틱기판상에기존의 AMLCD 구현이가능할경우대체시장혹은향후신규시장의창출도가능해산업적파급효과가클것으로예측되지만, 플라스틱의특성상기존의유리기반 AMLCD 에비해서는공정성, 이미지특성, 가격측면에서어려움이있다. 따라서기존의유리기반 AMLCD 수준의상품성을갖춘플라스틱 AMLCD을구현하기위해서는유리기판수준의판가, 공정성이플라스틱기판에서확보되어야하지만, 앞서언급한여러이유로현실적인어려움이있다. LCD E-Paper OLED 1 a-si TFT OTFT LTPS 나. 플렉시블전자종이 (E-Paper) 컬러동영상을구현하기는어려우나, 종이같은해상도, 넓은시야각을가진디스플레이로서사용기판에제약이없고, 전원을차단한후에도화상을유지할수있고 BLU를사용하지않아저가형이동통신기기에적합한플렉시블전자종이는삼성전자, LG Phillips LCD, 유럽의폴리머비전 (Polymer Vision) 과플라스틱로직 (Plastic Logic) 사를중심으로상용화연구가진행되고있다. 전자종이는반사형디스플레이로서구동소자가탑재되는하판기판의광특성이중요치않아서 ( 그림 9) 에서나타낸것처럼플라스틱이외에공정성확보가용이한메탈호일이기판으로서검토되고있다. 그러나상부의전기영동입자의지지체역할을담당하는기판의광학특성은플렉시블전자종이의이미지 ( 반사도 ) 특성을좌우한다. 현재는 PEN 기판이낮은판가및비교적용이한공정성으로채용되고있으나, PEN 기판이광학용기판중에서가장낮은광투과도 (86~87%@550nm) 를보이기때문에응용성에제약이있다. 전자종이는낮은반사도로인해 CF를이용한컬러화가용이하지않아서 B/W (black/white) 타입의저가격의중소형디스플레이 LCD E-Paper OLED 2 a-si TFT OTFT LTPS Plastic Film Metal Foil Thin Glass LCD E-Paper OLED 3 a-si TFT OTFT LTPS Plastic Film Metal Foil Thin Glass ( 그림 8) 플렉시블 AMLCD 개발동향 [1] Plastic Film Metal Foil Thin Glass ( 그림 9) 플렉시블 AM 전자종이개발동향 [1] 121

12 가주요수요처가될것으로보인다. 이경우기판의판가및투과도가중요시된다 [1],[4]. 2. 장기적개발방향플렉시블디스플레이는저가격화를실현하기위해연속공정을통한양산성확보를지향하고있다. 이같은관점에서보면 ( 그림 10) 에서보인것처럼한장혹은두장의플라스틱기판을이용해연속공정을통해 AMOLED 혹은 AM-전자종이가궁극적인개발목표가될것으로보인다. 이때에는공정성, 투과도, 판가이외에현재와같은배치타입의공정에서는문제시되지않던기판의기계적특성 (rigidity 등 ) 이중요관리항목이될것으로판단된다 [1],[4]. 이외에 OLED을고려하면기판의베리어품질이제품의신뢰성에영향을주게된다. LCD OLED E-Paper 1 2 a-si TFT OTFT LTPS 해서는관련기업과기술간에협력체계의구축과산학연의목표의식공유를전제로하는기술융합전략이절실히필요하다. 기술간융합이나기업간의협력은국내의산업구조상기업에서는수용하기어려운점이있으나, 기업간혹은산학연간의유기적협력체계를구축하지않고는외국특히일본업체가주도하고있는기판산업에서경쟁력을확보하기는어려울것이다. 수년간에진행된일련의산업동향을살펴보면플라스틱기판이현재의유리기판수준의물성을단시간에달성하기는어려울것이며, 불가능할것이라는전망도있다. 현재의플렉시블기판 / 디스플레이산업은취약한플라스틱기판의특성을고려해볼때수요업체는어느선까지기존의유리기판에비해열악한기판의공정성, 신뢰성을허용할것인지, 기판제조업체는플라스틱기판의특성을어느정도까지유리에근접하게만들수있느냐하는서로의눈높이를맞추어가는단계로볼수있으며서로다른산업사이에어느선정도에서산업적합의가이루어지느냐가향후플렉시블디스플레이의미래를결정하게될것으로보인다. Plastic Film Thin Glass Metal Foil ( 그림 10) 연속공정을이용한플렉시블디스플레이의개발동향 [1] Ⅴ. 결론 산업경쟁력을갖춘플렉시블기판을제조하기위해서는원료를생산하는유화업체, 원료를반응시켜고분자수지화하는화학업체, 생산된수지를가공해기판을제조하는장비를개발하는업체및기판성형업체, 기판상에기능성을부여하기위해형성하는 HC, OC 층의원료물질및관련공정을제공할화학업체, 기판상에베리어및투명전극박막을형성할장비제조및운용업체등이함께필요하다. 어떤업체 / 연구기관도상기의관련기술을모두가지고있지않으므로플렉시블기판기술개발을위 용어해설 LCD: 박막트랜지스터 (thin-film transistor) 에의해제어되는액정 (liquid crystal) 과두장의직교편광필름이광학셔터 (optical shutter) 로작용하여각각의화소 (pixel) 마다투과광량을조절함으로써이미지를구현하는디스플레이이다. OLED: 전기를연결하면빛을내는발광다이오드 (LED) 가운데빛을내는부분이유기화합물로이뤄진것을말한다. BLU 없이스스로빛을내기때문에 LCD 보다얇게만들수있으며, 반응속도가빠르고전력소비도적다. 특히화질이뛰어난능동형 (AM) OLED 는 LCD 와 PDP 를대체할가장유력한차세대디스플레이로떠오르고있다. 약어정리 AMLCD Active Matrix Liquid Crystal Display BLU Backlight Unit 122

13 김기현외 / 디스플레이용플라스틱기판의전망 CF Color Filter COC Cyclic Olefin Copolymer CTE Coefficient of Thermal Expansion FIS Ferrania Image System FPD Flat Panel Display FRP Fiber Reinforced Plastic IDW International Display Workshop ITO Indium Tin Oxide IZO Indium Zinc Oxide OLED Organic Light-Emitting Device PAR Fluorene-containing Polyarylate PC Polycarbonate PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition PEN Polyethylene Naphthalate PES Polyethersulfone PET Polyethylene Terephthalate PI Polyimide TFT Thin-Film Transistor TSC Total Solid Content 참고문헌 [1] Displaybank, 플렉시블디스플레이기술및시장 (2007~ 2017), Mar [2] 지식경제부, 전략기술개발사업화학공정분야경제성분석보고서, [3] 김기현, 서경수, 디스플레이용플라스틱기판의현황, 전자통신동향분석, 제21권제5호, , pp [4] 김기현, Flexible 디스플레이기판재료, 평판디스플레이용부품및재료기술 ( 항공대 ) 세미나, [5] Min Yan et al., Lexan Resin for Display Technology, 4th Annual Flexible Display & Microelectronics Conference, [6] J. Struempfel et al., Technology and Equipment for Optical Multi-Layer Coatings on Flexible Substrates, 4th Annual Flexible Display & Microelectronics Conference, [7] Displaysearch, Flexible Display Report, 2006, pp [8] Chris Weeks, Carbon Nanotube Based Flexible Transparent Electrodes, 6th Annual Flexible Display & Microelectronics Conference, [9] T. Nakao, S. Shibahara, and W. Oka, High Performance Plastic Substrate for Flat Panel Display, IDW 03 Proc., pp [10] 서종현, Amorphous-Si TFT 기반의 AMLCD 기술개발, 차세대 flexible display 기판의현황및개발전략워크숍,

융합WEEKTIP-2016-2-4data_up

융합WEEKTIP-2016-2-4data_up 2016 FEBRUARY vol.08 08 융합 OLED 봉지기술 (Encapuslation ) 의 현황과 전망 김의권 융합연구정책센터 발행일 2016. 02. 29 발행처 융합정책연구센터 융합 2016 FEBRUARY vol.08 OLED 봉지기술(Encapuslation )의 현황과 전망 김의권 융합연구정책센터 개요 봉지기술은 적용분야와 관계없이 OLED