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현진 갈
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1 16 공업화학전망, 제 11 권제 5 호, 2008 기획특집 - 반도체기술 대면적 OLED 용화소형성기술별현황및전망 전우식 이성택 권장혁 경희대학교정보디스플레이학과 Technology Status and Future Trend on OLED Pixel Patterning Process for Large Mother Glass Production Woo Sik Jeon, Seong Taek Lee, and Jang Hyuk Kwon Department of Information Display, Kyung Hee University, Seoul , Korea Abstract: 소형디스플레이용 AMOLED 가상용화되면서 TFT LCD 와경쟁이가능한기술로발전이예상되고있다. 대형화의목적은저가격화를통한가격경쟁력의확보이며이를구현하기위해서는 AM 기판기술개발과 OLED 화소형성기술의혁신이요구되어진다. OLED 화소형성기술은현재 Fine Metal Mask 법, laser 법, 용액기반잉크젯법그리고 white OLED + C/F 법등으로구분되어개발이되고있으며이들기술의현황과미래를정리요약하였다. Keywords: OLED, pixel patterning, fine metal mask, ink-jet, laser transfer 1. 서론 1) 최근 OLED 디스플레이는 LCD 에비해자발광, 저소비전력, 뛰어난시인성등의우수한특성을인정받아차세대디스플레이로각광을받고있으며그리고고효율, 친환경, 우수한디자인성을바탕으로조명시장에서도큰주목을받고있다 [1]. 현재디스플레이분야는수동형구동방식 (passive matrix) 을적용한패널기술에서발전하여, 삼성 SDI 와 LG 디스플레이가 2 인치, 2.2 인치능동형구동방식 AM (active matrix) OLED 를양산하고일본의 Sony 가 11 인치 AMOLED TV 를판매하면서세계적으로 OLED 산업을부각시키고있다. 그리고올해에는미국에서열린 SID 에서삼성 SDI 가 31 인치 AMOLED TV 를제작하여 LCD 와경쟁할수있는가능성을보여주고있다 [1]. 앞으로 OLED 가 LCD 와의경쟁에서이 주저자 ( jhkwon@khu.ac.kr) 기기위해서는, 소자의특성도중요하지만, 소형패널의양산에안주하지않고, 중형및대형까지양산할수있는대면적 OLED 양산기술개발이무엇보다도중요하다. 현재까지의 LCD 산업을보면, 90 년초 1 세대기판 ( mm) 에서 LCD 패널양산을성공한이후현재에는 52 인치 6 장을한번에만들수있는 8 세대기판 ( mm 2 ) 까지성장하였다. 기판크기의증가는생산량을늘릴수있고, 제품을단가를낮출수있기때문에시장에빠르게확산할수있는기반을조성하였다. 기판크기의증가는단순히기판크기만증가한것이아니라, 기판크기에맞는 LCD 소재, 공정및장비기술의개발및발전이선행되었기때문에가능한일이었다. 이와같이 OLED 디스플레이도기판대형화를위한여러가지기술이선행되어개발이이루어져야한다. 현재대형화의가장어려운기술은 OLED 용 TFT (Thin Film Transistor) 기술의개발과대면적 OLED 화소형성기술의개발부분이다. 본보

KIC News, Volume 11, No. 5, 2008 17 Figure 1. AMOLED 구조와화소의형태. 고서에서는현재개발이활발히진행되고있는 OLED 대면적화소형성기술에대하여소개하고자한다. 2. 대면적화소형성기술의정의 디스플레이에는 full color display 구현을위하여빛의 3 원색인빨강, 초록, 파랑의기본화소가필요하다.

2 KIC News, Volume 11, No. 5, Figure 1. AMOLED 구조와화소의형태. 고서에서는현재개발이활발히진행되고있는 OLED 대면적화소형성기술에대하여소개하고자한다. 2. 대면적화소형성기술의정의 디스플레이에는 full color display 구현을위하여빛의 3 원색인빨강, 초록, 파랑의기본화소가필요하다. 이화소에서방출되는빛들의혼합을통해우리가원하는화상의색들을구현하게된다. 화소형성기술이란빨강, 초록, 파랑의기본화소의형성방법을말하는것으로매우정교한인쇄기술이필요하다. AMOLED 에서화소의구조는 Figure 1 에서나타낸것처럼위에서관측시 TFT 기판위에일반적으로 RGB 가각각형성된구조를가지며, 위쪽에서보면각화소사이에블랙매트릭스가형성되어있다. 이는 OLED 의다양한발광방식인전면발광 (top emission), 배면발광 (bottom emission), 양면발광 (both side emission) 과는상관이없이이루어져있다. AMOLED 에있어화소의형성방법으로는증착방식을이용하는 fine metal mask (FMM) 방식과 white OLED + color filter (C/F) 방식, 용액인쇄방식인잉크젯방식과레이저인쇄법으로나눌수있다. FFM 방식은진공챔버안에서마스크를기판에 align 하여원하는영 역에만유기물을증착하여화소를형성하는방식이다. 이방식의경우 RGB 의삼원색을각각의발광층에직접형성활용하여그소자의특성과빛의이용효율이높은장점을갖고있다. 사용하는재료는저분자물질을이용하고있다. White OLED + C/F 방식은 white OLED 를증착방식으로전면에증착한후백색의빛을 color filter 를통해화소를나타내는기술이다. 잉크젯방식은용액으로만들어진유기물질을노즐과헤드를통하여원하는 pixel 부위에 drop 하여인쇄하는기술이다. 레이저전사법은도우너기판또는전사기판상에증착재료나용액재료를성막한후하부기판과합착하여광학스테이지위에서레이저의스캔에의해패터닝이이루어지는방법으로써, 현재많은관심을끌고있는방법이다. Table 1 에서는기술에따른특징및현황을간단히나타내고있고, 다음에서각각의기본적인원리와문제점을알아보자. 3. Fine Metal Mask (FMM) 법 FMM 방식은주로저분자재료를적용하여고진공하에서, Figure 2 에서보여지는바와같이박막의금속 mask 를기판에밀착시켜서원하는위치에만 OLED 재료를증착하여화소를형성시키는방법이다. Full color OLED 의

3 18 공업화학전망, 제 11 권제 5 호, 2008 Table 1. OLED RGB 독립패터닝방식비교표 구분 FMM 방식용액인쇄방식 Laser 방식 재료저분자재료저분자또는고분자용액저분자, 고분자 패터닝정밀도 ± 20 µm ± 15 µm ( 잉크젯 ) ± 2.5 µm 해상도 ~ 200 ppi ~ 200 ppi ~ 300 ppi 특 현 징 황 OLED 소자특성우수 소자최적화용이 양산적용검증완료 고해상도, 대형화어려움 2 세대급양산적용중 4 세대급개발진행중 대형화용이 설비가격저감가능 ( 대기압하에서공정 ) OLED 소자특성떨어짐 유기막적층어려움 4세대급개발진행중이나특성저하로어려움 저 / 고분자모두적용 대형화용이 고해상도가능 설비인프라부족 4 세대급개발진행중 Figure 2. FMM 법공정개략도. 구현을위해서는 red, green, blue 각각세번의 mask 공정을거치게된다. 통상적으로 OLED 에이용되는 FMM 은 50 µm 두께의금속박막을이용하여제조하게된다. 이러한박막금속을공정상에서다루기위해서 FMM 을금속 frame 에용접하여이용하며, FMM 과기판의밀착도를향상시키고, 패턴정밀의향상을위하여 FMM 에일정한힘을가하여스트레칭시킨후 frame 에용접하는인장용접방식을이용한다. 특히대면적화를위해서는 FMM 의설계및제작기술의향상뿐만아니라인장및용접관련기술개발도이루어져야만한다. FMM 법에있어서패턴정밀도는 Figure 3 에서와같이 shadow effect, mask total pitch 변동, 그리고 mask slit tolerance 로설명되어진다. Shadow effect 는 OLED 재료를가열하 여증착시키는 source 크기및그위치, FMM 의두께와 open 영역의크기, 그리고기판과 FMM 의밀착도등에의하여결정되며, 현재는약 2~5 µm 인것으로알려져있다. FMM 의제작및인장 / 용접공정에서야기되는 FMM total pitch 변동은 ± 10 µm 수준이며, slit tolerance 는 ± 10 µm 정도이다. 그리고 FMM 을기판상에 align 하는위치정밀도는 ± 5 µm 이내이며, 그결과 FMM 의패턴정밀도는대략 ± 20 µm 정도라고할수있다. 이러한 FMM 법의정밀도와공정성의개선은꾸준히진행되고있다. 삼성 SDI 에서는 4 세대기판의절반크기인 mm 2 에서의 FMM 제작용이성및패턴정밀도를향상시키기위하여, mm 2 크기의 FMM 를직접제작하는방식이아닌, 몇개의 block 으

KIC News, Volume 11, No. 5, 2008 19 Figure 3. FMM 법에서의패턴정밀도결정요인들. 로나누어제작한후, frame 에인장용접하여사용하는분할마스크방식을개발적용하고있다.

한편대만의 AUO 는같은색의화소를서로인접하게위치시키는새로운 sub-pixel design 을개발하였으며, 135 ppi 해상도의 FMM 을이용하여, 270 ppi 의 3'' VGA AMOLED 를개발하고 2005 년일본 FPD international 학회에발표하기도하였다.

증착장비로는미쯔비시중공업에서 In-line 형태의 OLED 진공증착장비를개발하여 2009 년부터제품양산계획하고있고, Tokki 는최근삼성 SDI 에 730 mm 460 mm 2 의 AMOLED 장비를납품, 현재 pannel 생산중에있다.

4 KIC News, Volume 11, No. 5, Figure 3. FMM 법에서의패턴정밀도결정요인들. 로나누어제작한후, frame 에인장용접하여사용하는분할마스크방식을개발적용하고있다. 또한, 대면적증착에있어서한칼라의증착을통상적으로하나의 FMM 을사용하는것과는달리, 두번에나누어증착하는방식도개발중이다. 삼성 SDI 는이러한기술개발성과의하나로써, 2008 년 CES show 에서 31'' FHD TV 를발표하기도하였다 [1]. 한편대만의 AUO 는같은색의화소를서로인접하게위치시키는새로운 sub-pixel design 을개발하였으며, 135 ppi 해상도의 FMM 을이용하여, 270 ppi 의 3'' VGA AMOLED 를개발하고 2005 년일본 FPD international 학회에발표하기도하였다. 기판이대형화됨에따라서, 증착기내에서의기판처짐현상은더심화되게된다. 아울러인장, 용접된 FMM 에서의처짐현상도예상되므로, FMM 의설계및제작기술뿐만아니라, 증착장비에대한연구도중요하며, 실제로도장비에대한연구개발이세계적으로활발하게진행되고있다. 증착장비로는미쯔비시중공업에서 In-line 형태의 OLED 진공증착장비를개발하여 2009 년부터제품양산계획하고있고, Tokki 는최근삼성 SDI 에 730 mm 460 mm 2 의 AMOLED 장비를납품, 현재 pannel 생산중에있다. 독일의 Aixtron 은 CCS (close coupled showerhead) 방식을이용한 OVPD (Organic vaper phase a) OVPD b) KVIS Figure 4. Aixtron 사의 OVPD 와 Kodak 의 KVIS. deposition) 장치를개발하였지만, 대면적에는아직미적용하고있는상태이다. 또한압력센서를통한제어및 host, dopant 혼합증착방식을사용한 Kodak 의 KVIS (Kodak vapor injector source) 가있다.

5 20 공업화학전망, 제 11 권제 5 호, 2008 국내의증착장비로는주로 2 세대급으로양산을진행하고있으며, 4 세대기판을절단하여증착및봉지공정을진행하고있다. TV 를생산하기위해선 5 세대급이상의대면적장비가필요하며, 저가생산이가능하도록빠른 tact time 및물질사용효율을향상시킬수있는기술이필요하다. 국내업체로는선익시스템, ANS, 두산메카텍등이 AMOLED 증착장비생산하고있다 [2]. 선익시스템은국내에서는최초로 2 세대급 PMOLED 장비양산화에성공하여네오뷰코롱에납품, 삼성 SDI 와삼성전자에는 pilot 급 2 세대 AMOLED 장비납품, 독일과중국에 2 세대급양산장비를수주하고, 두산메카텍은 4 세대급 ( mm 2 ) 연구용증착기제작기술을보유하고있으며삼성 SDI 의 4 세대레이저전사법 pilot 설비의증착설비를납품하였으며, 최근 CMEL 에 3.5G 장비를수주하고있다. 한편, ANS 는 DSP 라는측면및하향증착이가능한방식을개발중에있다. 국내기업들은전반적으로연구개발용증착기기술은우수한편이나양산기술일본기업에비해다소미진한편이라할수있다. 이런증착기술은타기술에비하여소자의효율과안정성부분에있어우수하지만현재국내및해외에서사용중인증착 system 의대부분은대형기판으로진행할수록기존의증착방법 (point source 사용, 상향식증착 ) 에대한많은한계점이발생되고있다. 예를들어기판의 non-uniformity 확보방법과, 증착효율개선시발생되는기판온도상승, 대형 shadow mask 의제작과공정진행시연속가동시간에미치는영향, 대형기판의반송방법과운영에의한 tact time (T/T) 영향, 동일품질의제품생산 ( 재현성 ) 을가능하게하는 rate, temp, 증착 source 의수명등의문제점들이대두되고있다. 이러한문제점외에도중요한대면적화소형성기술의요소로서 T/T 과연속가동시간, non-uniformity 를들수있다. 일반적으로 T/T 이란연속생산시생산품 1 개를생산하기위해필요한시간을말 하며, 이를구성하는것은증착공정시간, 얼라인먼트 (alignment) 시간, 기타 moving 시간으로구성되어있다. 현재양산중인 2 세대장비의경우 4 분의 T/T 을가지고있고, 대량생산및대형화장비를구성하는데있어목표 T/T 은국내외모두 2 분을 target 으로잡고개발중이며, 이를위해서는공정시간을단축할수있는 source 의개발과, 대형기판과마스크를빠르고안정되게반송할수있는증착시스템을필요로한다. 다음으로연속가동시간이란초고진공을유지한상태에서계속증착공정을할수있는시간을나타낸다. 공정시간에미치는요인으로는증착 source 의투입가능량, rate sensor 의수량등이있으며, 연속가동시생산량에영향을주는인자로는 shadow mask 교체시간, 증착 source revolving (revolving system 을사용할경우 ), rate 안정화등이있다. PM (preventive maintenance) 시간을최소화하고장시간연속가동이가능해야생산효율을높일수있기때문에모든업체들이가동시간을최대한으로끌어올리기위한개발을진행하고있다. 일본장비업체에서는현 144 h 에서 2 주간의가동시간을목표로하고있다. 마지막으로 non-uniformity 는재현성과도밀접한관계가있을뿐아니라한기판에서의균일도 (uniformity) 를확보하여동일한제품을만들어내는중요한 factor 이다. 향후대형기판을이용한양산시균일도를확보하는것은더욱중요한과제로이는대면적용증착 source, 대형장비의정밀가공, 안정된 alignment 시스템등이기본적으로이루어져야가능하며, 이들의조화로운구성및공정능력을필요로한다. 위에서나타낸요소는국내 / 외모두현재기술개발단계이거나미진행상태로향후국제시장선점을위해서빠른개발이필요하다.

KIC News, Volume 11, No. 5, 2008 21 Figure 5. LITI 공정개략도및광학시스템의구성. 4.

먼저 LITI 방식은 RGB 유기물질이도포된필름을 AMOLED backplane 기판에밀착시킨후, 레이저 (Nd-YAG) 를필름뒤에서스캔하여유기물질을필름에서기판으로 transfer 시켜화소를형성하는방법이다 [3,4].

6 KIC News, Volume 11, No. 5, Figure 5. LITI 공정개략도및광학시스템의구성. 4. 대면적레이저인쇄법 레이저전사법은방식에따라 laser induced thermal imaging (LITI), radiation induced sublimation transfer (RIST), laser induced pattern-wise sublimation (LIPS) 으로나눌수있다. 먼저 LITI 방식은 RGB 유기물질이도포된필름을 AMOLED backplane 기판에밀착시킨후, 레이저 (Nd-YAG) 를필름뒤에서스캔하여유기물질을필름에서기판으로 transfer 시켜화소를형성하는방법이다 [3,4]. 이방식은필름을밀착시키기때문에정렬정밀도가매우높으며레이저빔크기에따라소형기판의초미세패턴으로부터대형기판의균일한화소형성패턴에까지대응이용이하다 (Figure 5). 이기술을이용하여美 3M 사와국내삼성 SDI 에서공동으로개발하여 2002 년 3.6 인치급 AMOLED 를처음으로보고하였고, 이후기술개발이꾸준히진행되어현재는세계최고해상도 (302 ppi) AMOLED, 및중대형 (17 인치급 ) 제품의발표에까지이르고있으며 4 세대이상급의 AMOLED 개발을목표로투자및기술개발이활발히이루어지고있다. 다음으로 RIST 기술은레이저 sublimation 에의한비접촉방식 transfer patterning 기술로서美 Kordak 사에서개발하여 2.4'' ( RGB) 급의 AMOLED 를 2005 년 SID Figure 6. RIST 방식의전사층및필름구성도. 학회에보고하였다 [5]. 도너필름과기판사이에는 1 10 µm 의 spacer 를삽입하여간격이일정하게유지되도록하며, 40 nm 의크롬흡수층을포함하는도너필름에고에너지의레이저빔을 scan 하여진공중에서도너필름에도포된유기물질이승화되어 receiver 기판으로이동되도록하는기술이다. 전사층과필름의구조를 Figure 6 에나타내었다. LIPS 기술은 diode laser 를사용하여승화에의한비접촉방식 transfer patterning 기술로서美 Kodak 사에서개발한 RIST 와유사하다 [6]. 기술적으로다른점은도너필름을필름이아닌유리기판을사용하여두기판사이의진공을쉽게만들수있는장점이있다 (Figure 7). 일본 Sony 에서는이기술을이용하여 2007 년 SID 학회에발표한 27 인치 AMOLED 를발표하였다.

22 공업화학전망, 제 11 권제 5 호, 2008 Figure 7. LIPS 방식의공정개략도. Table 2. 레이저법국내 / 외기술개발현황 기술명개발단계개발내용개발주체 레이저전사공정 레이저전사형소자기술 레이저전사용공정설비 R&D Pilot R&D R&D RIST 방식을이용한 patterning 2.

7 22 공업화학전망, 제 11 권제 5 호, 2008 Figure 7. LIPS 방식의공정개략도. Table 2. 레이저법국내 / 외기술개발현황 기술명개발단계개발내용개발주체 레이저전사공정 레이저전사형소자기술 레이저전사용공정설비 R&D Pilot R&D R&D RIST 방식을이용한 patterning 2.4'' ( RGB) AMOLED Kodak LIPS 방식을이용한 TFT 결정화및 AMOLED 화소형성기술 Sony 27 inch AMOLED 개발 LITI 방식을이용한 AMOLED 제조방법 4세대급설비가동 Samsung SDI 300 ppi급고해상도공정을개발 Laser induced thermal patterning (LITI) donor film 및전사법개발 3M Laser patterning 에의한 organic thin film transistor Dupont 레이저전사용설비개발 Shibaura mechatronics 200 mm 이하기판의 R&D용레이저전사설비개발 에스에프에이 Table 2 에서는레이저전사법을이용한화소형성기술개발현황을나타냈다. 이러한레이저전사기술을이용한화소형성은기존의마스크를이용한진공증착기술의대면적의한계를도너필름이나기판을사용하여기판변형및마스크오염등의문제없이효율적으로패턴할수있으며, laminating 공정의연속화를통하여 roll-to-sheet 공정을통한대량생산이가능하여가격경쟁력확보측면에서매우유리하다. 대량생산을위한레이저전사기술이대면적화소형성기술로본격적으로상용화되기위해서는무엇보다도증착된 OLED 소자의특성대비부족한효율과소자수명의향상이필수적으로요구된다. 또한실제제조공정장비의개발을통하여대형 OLED 의화소해상도기준에적합하며 5 세대급이상의면적에구현될수있는공정기술이확보되어야할것이다. 또한도너필름 / 기판사이의계면적합성, 대면적공정에서의적절한파티클제어방법등이아직까지완벽히해결되지는않았다. 따라서대면적에서의공정적합성과화소형성후휘도 / 효율 / 수명의 uniformity 확보를위해서는보다새로운레이저광학시스템, 도너기판 / 필름의표면처리연구, 그에따른소재및보조기술의개발역시매우시급하다. 현재몇몇업체들의활발한연구로레이저전사용필름, 도너기판재료, 넓은면적을균일하게처리할수있는레이저광학계등재료 / 부품개발과기술수준이점차향상되고있으며수년내에시장진입이가능한제품개발

KIC News, Volume 11, No. 5, 2008 23 Figure 8. 잉크젯프린팅공정에의한 OLED 용 RGB 인쇄공정기술개념도. 이가능할것으로예상된다. 특허부분에있어서는선진각사의원천기술과제휴하거나공동연구개발형태로국내에서도디바이스구조, 제조공정에대한특허를집중적으로출원및등록하고있다.

8 KIC News, Volume 11, No. 5, Figure 8. 잉크젯프린팅공정에의한 OLED 용 RGB 인쇄공정기술개념도. 이가능할것으로예상된다. 특허부분에있어서는선진각사의원천기술과제휴하거나공동연구개발형태로국내에서도디바이스구조, 제조공정에대한특허를집중적으로출원및등록하고있다. 현재까지이분야의연구개발이전체적으로아직초기이고세계적으로기술이완벽히성숙되지못한점을고려할때, 지금부터라도적극적인투자와끊임없는연구를수행해야한다. 5. 대면적용액기반 RGB 인쇄법 대면적용액기반인쇄법이란 RGB 삼색에대한미세패턴을용액기반의인쇄방식으로형성하는것을의미한다. Figure 8 은용액기반의인쇄방식의한예로잉크젯방식에대한개념도로서, 용액상태의전하수송재료및용액상의 RGB 삼색발광물질을이용하여 AMOLED 용 RGB 화소형성공정을보여주고있다. 용액기반 RGB 프린팅기술로는잉크젯프린팅 (ink-jet), 스크린 (screen) 프린팅, 옵셋 (off-set) 프린팅, 플렉소그라피 (flexography) 등다양한방식이있지만디스플레이에서요구하는정밀도와해상도를고려한다면잉크젯프린팅방식이가장적합한기술이다. 이와유사기술로서 drop 분사가아닌연속체노즐분 사방식, 액상이아닌기상분사의 vapor jet 방식등도있다. 용액공정의대표적기술인잉크젯기술은 1970 년 Kyzer, Zaltan 등에의해 drop on demand(dod) 방식이개발되어산업용으로사용되어오다가 1980 년초에 HP, Canon 이 thermal 방식의잉크젯헤드를개발하고뒤이어 Epson 이 piezo 방식의헤드를개발함으로써본격적인 OA 용프린터응용이시작되었다. 이기술이본격적으로디스플레이등에사용이검토되기시작한것은 1990 년대에이르러서이며, 현재수 µm 의 patterning 공정에서가장경쟁력있는기술로기대되고있다. 이기술로제조된소자의발광효율, 수명등은용액공정의대표격이라할수있는 spin coating 공정과비교하여동등이상의성능이종종보고되고있다 [7-9]. 美 Dimatix 사는잉크젯헤드전문업체로최근프린팅에관련된 total solution 을제공하고있다. Litrex 사의잉크젯장비에도사용되는 Dimatix 사의 print 헤드는속도가빠르고, 내구성과잉크의분사정밀도가뛰어나며폭넓은잉크의호환성으로인해현재많은업체에서사용하고있다. SX-128 은 shear 타입의 piezo (PZT) 헤드로서 128 개의펌프챔버가있고 2 개의액추에이터로서 drop 크기와부피를조절하며, 각각의노즐의 drop velocity 균일도를 2% 로구현할수있는 DPN (driver per nozzle) 방식을개발하였다. 잉크젯장비의경우 Litrex 사가잉크젯장비를개발, 제작, 판매하고있으며, 2 세대와 3 세대용장비 (70, 120, 140P, 142P) 와 LCD 용 4 세대와 7 세대 ( mm) 대응장비, OLED 용 4 세대 ( mm) 장비를개발판매하고있고, 양산용으로제작된 M 시리즈방식은각부품 (smart head, drop analysis, ink supply, motion control) 을모듈화시켜장비의부분적점검이나용도, 신기술도입에따라교체가용이하게하였다. 그러나, 최근 ULVAC 의내부방침에따라 ink jet 사업부를공식적으로 close 할것을공개적으로발표하였다.

24 공업화학전망, 제 11 권제 5 호, 2008 Figure 9. Dupont 의 RGB 인쇄기술과 AMOLED 제작공정. 美 Dupont 사는 OLED 의수명연장을위해새로운폴리머를개발하여발표하였고또 solution based 발광재료를개발하여기존형광고분자재료가갖는한계를극복하고있다.

9 24 공업화학전망, 제 11 권제 5 호, 2008 Figure 9. Dupont 의 RGB 인쇄기술과 AMOLED 제작공정. 美 Dupont 사는 OLED 의수명연장을위해새로운폴리머를개발하여발표하였고또 solution based 발광재료를개발하여기존형광고분자재료가갖는한계를극복하고있다. 그리고이회사에서는 ink-jet 이아닌표면처리를통한간단한인쇄기술을개발하여 4.3 인치 AMOLED 등을개발하였다. 이기술은표면처리를통한잉크의 wetting 특성을활용한것으로간단한방법이그특징이라고볼수있겠다 년일본의 Seiko-Epson 사는미국의 Universal Display Corp. (UDC) 와공동개발로용액기반인광소자기술을개발하여발표하였다. 용액화된저분자인광재료에서유발하는재결정및상분리문제를 solvent 에따라그특성을조사하고최적의재료조합을구성하여해결을시도하였고 2008 년에는 red, green, blue 소자모두 ink-jet printing 기술이가능하고색특성이우수하고효율이 blue 를제외하고소자의특성이비교적우수하고수명도비교적우수한것으로 2008 년보고하였다 년 5 월 SID 에서 Toshiba Matsushita Display (TMD) 는새로운 20.8 인치풀컬러 polymer OLED TV 디스플레이를선보였다. 초박형인이 AMOLED 는 TMD 의 LTPS 기술및광효율향상기술에 CDT 의발광 polymer 소자기술이통합된것이었다. 잉크젯기술을이용하여제작한것으로전면발광기술과광효율향상기술이접목되었다는것에많은관심을받았다. 본개발품은 top emission 발광구조전극과유기재료조합의최적화등을이용한고분자형 OLED 로서는세계최대크기인대각 52.8 cm (20.8 인치 ), 화소수 (WXGA 급 ) 를실현하였다. 삼성전자는 CDT 와공동으로잉크젯프린팅에의한 7 인치 HVGA (480 RGB 320) a-si TFT OLED 를발표하였다. a-si TFT array backplane 을사용하였으며, positive PR 절연재료를사용하여 bank 를형성하였다. 잉크젯프린팅을하기전에기판에표면처리를하여 bank 표면에는소수성을, ITO 표면에는친수성을부여하였고, spectra SX-128 헤드를사용하여잉크젯프린팅을하였다. 이러한국내 / 외기술동향에대한주요핵심내용을요약하면다음표와같다.

10 KIC News, Volume 11, No. 5, Table 3. 잉크젯법국내 / 외주요국의기술개발현황 기술명개발단계개발내용개발주체 잉크젯장비 잉크조성 풀칼라 OLED 상용화 OLED 용 4 세대장비 잉크젯프린팅헤드제작기술 日 Litrex 사 美 Dimatix 사 기술검토고유헤드기술보유, 3 세대장비개발韓포톤데이즈사 기술검토 기술검토 출처 : Ink-Jet printing Report[10] 고분자 OLED 원천기술 장수명고분자 Buffer 재료 잉크젯용단분자인광용액재료개발 20.8'' AM-OLED 개발 7'' HVGA (480 RGB 320) a-si TFT OLED 개발 英 CDT 사 美 Dupont 사 美 UDC 사, 日 Seiko-Epson 사, 韓제일모직사, 韓선파인캠사 日 TMD 사 韓삼성전자 /CDT 이러한용액공정을디스플레이에적용하기위하여대면적과고해상도를위한 pixel 사이즈, 산소와수분에취약한유기물의수명, 유기용매로인한유기분자의변형등몇가지보완해야할부분이있다. 먼저잉크젯기술은기판과용액의표면에너지차이로인하여식각공정에비해정밀도가떨어져고해상도를위하여보완이필요하다. 이는잉크방울이표면에너지가작은곳으로정렬하려는특성을이용하여기판표면에도달할만큼충분한운동에너지를가하고자기정렬의특성을이용하여보완이가능하다 [11]. 잉크젯인쇄기술의경우각 pixel 별 drop 을형성하는 nozzel 의편차가포함되므로두께편차가발생하여디스플레이에전계인가시발생되는가시광의 intensity 가달라질수있으며, 이러한편차는디스플레이제품의성능을저하시킨다. 이를해결하기위하여 printing 을실시하는각각의방법에대하여 panel 위치능력등공정의반복성이만족되어야한다. 이러한균일성의확보를위하여, 잉크방울의크기와점성, 압전헤드의전압조절및잉크방울의건조공정조건등에대한다양한연구가진행중이다. 현재 Ink-Jet 설비에대한일반적인 신뢰성은긍정적이다. 그러나매우낮은두께의필름을형성해야하는기술, 겹겹이여러층을형성하는소자구조, 이러한얇은 film 을넓은 glass 에시인되지않는수준으로형성하는기술등기술적으로보완해야할부분이여전히남아있으며, 또한재료성능측면에서저분자증착재료대비그성능이떨어져재료개발이꼭필요한상황이다. 6. White OLED + Color Filter 형성기술 White OLED 와 color filter (C/F) 를이용하는이기술은 OLED 의 red, green, blue 의 3 원색을독립형성함에따라야기되는남점을극복하기위하여 red, green, blue 의빛을동시에발광하는 white OLED 를모든 subpixel 에동일하게형성한뒤그위에 C/F 를형성하여전기적신호에의해 full color 를구현하는기술이다 [12]. 이기술은화소형성이없는증착방식으로간단한공정이특징이며발광층의형성은대면적증착방식기술과동일한기술을사용한다. 이기술의단점은 white OLED 의낮은효율과 C/F 통과에따른휘도감소

26 공업화학전망, 제 11 권제 5 호, 2008 Figure 10. WOLED+C/F 형성방식 (RGB, RGBW 의 2 가지화소형태 ) 로패널광효율이낮다는점이다. 이를개선하기위하여 RGB 3 pixel 에 white subpixel 을추가한 WRGB 4 pixel 구조가개발되어있다. 이에대한구조를 Figure 10에나타냈다.

11 26 공업화학전망, 제 11 권제 5 호, 2008 Figure 10. WOLED+C/F 형성방식 (RGB, RGBW 의 2 가지화소형태 ) 로패널광효율이낮다는점이다. 이를개선하기위하여 RGB 3 pixel 에 white subpixel 을추가한 WRGB 4 pixel 구조가개발되어있다. 이에대한구조를 Figure 10에나타냈다. 즉 TV의경우대부분의영상신호의상당부분이 white 를중심으로한영역에해당하는데, 이부분의영상신호는 C/F를거치지않고통과한상대적으로높은효율의 W와 RGB의조합을통해표시하게되어소비전력을줄일수있게된다. White OLED 소자의경우적층구조는크게 single EML (emitting material layer), multi-eml 타입, tandem 타입등세가지로나눌수있고 Figure 11에나타냈다. 하나의 host에여러 dopant 를동시증착하는 single EML 타입은가장구조가단순하여장비구성을단순화시킬수있는장점이있지만, 대면적에서다수의 dopant가균일하게증착되게하는증착장비를개발하거나, 하나의증착원에서여러 dopant 를동시에증발시킬수있는 dopant blending 기술이필요하고, aging에따른색좌표변화가클수있다. RGB별로발광층을달리하는 multi-eml 타입의경우, single- EML 타입과는달리형광과인광의조합이가능하여효율을향상시킬수있으며, single- EML 타입대비우수한색안정성을가진다. 둘이상의독립적인 OLED 소자를 CGL (charge generation layer) 을매개로적층하는 tandem 형은, 효율이높고수명이우수하며, aging 에따른색안정성측면에서가장뛰어나지만양산장비구성시증착챔버수의증가로초기장비투자가커지는단점을가지고있다. 현재이기술의기술적한계로는먼저 white 를내기위한발광재료의낮은효율특성이다. 이를위해서는현재개발된재료와소자구조보다더우수한재료및소자가개발되어야한다. 다음으로 OLED white 전용 C/F의개발이필요하다. OLED 의특성상 C/F 내의각종유기재료로부터방출되는수분이 OLED 에치명적인영향을줄수있는데, 이를억제할수있는재료및구조에대한연구가필요하다. White OLED 에서발광층을포함한모든 OLED를 open mask를이용하여증착하기때문에증착공정이단순화되고, 유기물사용효율이증가할수있지만높은효율을달성하기위해서는 2 stack 이상의소자적층구조가복잡하여증착 chamber 수와유기물사용량이증가하므로, 이러한문제점을극복할수있는증착기술이필요하다. 이기술은현재몇몇 OLED 패널업체에서 CES, SID등의전시를통해기술력을과시하고있고, SID 2008에서는삼성에서 308 해상도의 WVGA 3인치 AMOLED 를제작하였다 [13]. 향후대면적 AM-OLED TV 개발을목표로 R&D에집중하고있는단계이고, 현재증착물질을가열용기 (crucible) 에넣고가열하여상부에위치한기판에재료를증발시켜상향식증착방식을사용하는점 (point source) 방식이채택되고있지만, 앞으로선형증착원 (linear source) 등새로운증착원개발하고효율적인증착방식과증착시스템개발이동시에이루어져야할것이다. 현재까지보고된기술동향은 Table 5에나타내고있다.

KIC News, Volume 11, No. 5, 2008 27 Figure 11. White OLED 의적층구조. Table 5.

12 KIC News, Volume 11, No. 5, Figure 11. White OLED 의적층구조. Table 5. White OLED 기술개발현황 기술명개발내용개발주체 Top Emission 형 WOLED 2-Tandem WOLED Hybrid 3-peak WOLED 개발 3-Peak WOLED 개발 저전압 WOLED 소자개발 인형광 Hybrid WOLED 개발 - WOLED 소자를적용한 12.5 인치 WVGA Top emission AM-OLED 패널개발 - 3-Peak white emitter 를사용하여 RGB 3 sub-pixel 구조 - R/G/B별 ITO 두께를달리하여 micro-cavity 를맞춤. - 2 Tandem WOLED 소자를적용한 14.1 a-si bottom emission AM-OLED 패널개발 ( 삼성전자와공동개발 ) - RGBW 의 4 subpixel 구조 - 효율 24 cd/a - Color filter 색재현율 : >100 % - 인광 red & green, 형광 blue 를이용하여 3 peak WOLED 개발 cd/a, 수명 : 7000 시간 - Carrier 흐름을개선한신규전하수송층을적용하여 19.6 수명 ~30,000 시간달성 - p-i-n 구조를적용, 저전압형 WOLED 개발. - all 형광적용시효율 ), 구동전압 : 3.8 V - Triplet은인광 (R&G) 으로, singlet은형광 (B) 으로발광하게하여 IQE 100% 를달성하는방안제시 - 효율 : 15.8 lm/w Sony Kodak Merck Idemistu Novaled M. Thompson & S. Forrest All 인광 WOLED 개발 - RGB 를모두인광 dopant 적용하여 25 lm/w 를달성함. UDC Bottom Emission White AM-OLED 패널개발 - 40 인치 WXGA AM-OLED Panel 개발 - 색재현율 85% 삼성전자 7. 결론 현재 OLED 는매우중요한시점에있다고볼수있다. 그동안의 PMOLED 사업을기 반으로 AMOLED 영역으로의성공적인진입시점에있다고여겨지며, 타경쟁 display 와의경쟁우위를점하기위해서는 AMOLED 의 display 성능의향상뿐만아니라, manu-

13 28 공업화학전망, 제 11 권제 5 호, 2008 facturing 관련기술에서의혁신도동반되어야만한다. 이러한제조기술은저가격화를위해서는필수적이며, 기판대형화는그중에서도핵심기술이라할수있다. 이러한대형화의구현을위해서는 AM 기판관련기술개발도선행되어야하며, 아울러 OLED 화소형성기술의혁신적개선이요구되어진다. 현재 FMM 법, laser 법, 용액기반잉크젯법그리고 white OLED + C/F 법등다양한기술분야에서활발한개발이진행중이지만, 아직은향후적용될기술이라고여겨지는선두기술이없다고볼수있다. 보다더활발한기술개발을통한밝은 OLED 의미래를짊어질대면적 OLED 화소형성기술의출현을기대해본다. 참고문헌 1. Exhibited in CES 2008 / SID (2008). 2. H. W. Kim, S. Y. Han, H. B. Shim, J. Patrin, R. Bresnahan, C. Conroy, and J. Yoo, SID '08 Digest, 1450 (2008). 3. G. B. Blanche, Y. L. Loob, J. A. Rogers, F. Gao, and C. R. Fincher, Appl. Phys. Letts. 82, 463 (2003). 4. S. T. Lee, M. C. Suh, T. M. Kang, Y. G. Kwon, J. H. Lee, H. D. Kim, and H. K. Chung, SID '07 Digest, 1588 (2007). 5. M. Boroson, L. Tutt, K. Nguyen, D. Preuss, M. Culver, and G. Phelan, SID '05 Digest, 972 (2005). 6. T. Hirano, K. Matsuo, K. Kohinata, K. Hanawa, T. Matsumi, E. Matsuda, R. Matsuura, T. Ishibashi, A. Yoshida, and T. Sasaoka, SID '07 Digest, 1592 (2007). 7. S. Utsunomiya, T. Kamakura, M. Kasuga, M. Kimura, W. Miyazawa, S. Inoue, and T. Shimoda, SID '03 Digest, 864 (2003). 8. Y. Iizumi, Y. Kobayashi, T. Tachikawa, H. Kishimoto, K. Itoh, H. Kobayashi, N. Itoh, S. Handa, D. Aoki, and T. Miyake SID '05, 1660 (2005). 9. J. H. Souk and B. J. Kim, SID '08 Digest, 429 (2008). 10. Source : Source: Ink-Jet printing Report OLED net (2005), Source: Flexible Display Report Display Bank (2006), com 12. K. Chung, N. Kim, J. Choi, C. Chu, and J. M. Huh, SID '06 Digest, 1958 (2006). 13. S. T. Kim, M. G. Kim, S. H. Lee, J. B. Song, S. Tamura, S. K. Kang, J. M. Kim, S. W. Cho, J. Y. Cho, M. C. Suh, and H. D. Kim, SID '08 Digest, 937 (2008).

수석연구원 2008 경희대학교 정보디스플레이학과연구박사 권장혁 1989 경북대학교이학사

14 KIC News, Volume 11, No. 5, % 저자소개 전우식 2006 한국산업기술대학교공학사 2008 경희대학교공학석사 2008 현재 경희대학교박사과정 이성택 1991 경희대학교이학사 1993 한국과학기술원이학석사 1996 한국과학기술원이학박사 삼성 SDI 중앙연구소 수석연구원 2008 경희대학교 정보디스플레이학과연구박사 권장혁 1989 경북대학교이학사 1991 한국과학기술원이학석사 1993 한국과학기술원이학박사 삼성SDI 중앙연구소 수석연구원 2005 현재 경희대학교 정보디스플레이학과교수

Microsoft PowerPoint - OLED_vs_LCD.ppt [호환 모드]

Microsoft PowerPoint - OLED_vs_LCD.ppt [호환 모드] 디스플레이기술비교 : OLED 와 LCD 구조및동작원리, 특징비교 박기찬 명암비 (Contrast Ratio) 응답속도 (Response Time) 시야각 (Viewing Angle) Black Image OLED 는매우낮고균일한 black level 구현이가능하고, 시야각에따른빛샘도없음. AMOLED Black 휘도 구분 CR (Static) F.W.