공주대학교생산시스템연구실 디스플레이및태양광자율주행자동차연구 이응기 공주대학교기계공학과교수 eklee@kongju.ac.kr 한국과학기술원박사 (PhD) 삼성자동차연구원 삼성 SDI 생산기술연구소연구원충남테크노파크전문위원한국생산제조학회이사 ( 현 ) 공주대학교기계공학과교수 관심분야 : 진공증착공정, 롤투롤공정, OLED, 태양전지, 2 차전지 현대사회에서기술의중요성공주대학교기계공학전공의생산시스템연구실 (Manufacturing System Laboratory) 은연구실이설립된 2005년부터디스플레이생산시스템에관한기술개발과연구를꾸준히이어오고있으며, 최근에는사회적인이슈가되고있는태양전지, 2차전지, 그리고자율주행자동차로그연구영역을넓혀가고있다. 그림 1. 이응기교수와생산시스템연구실학생들 유연기판롤투롤증착공정우리는기술없이살수없는사회에살고있다. 현대의많은기술진보중에디스플레이기술의발전이그중하나이다. 20세기처음등장하여지금까지디스플레이는일상생활에밀접한연관을가지고있다. 아침에텔레비전에나오는뉴스로하루를시작하고, 우리가갈수없는곳도영상으로보여주고, 휴식을취하면서텔레비전혹은컴퓨터모니터를통해고화질영화를감상하기도한다. 방송통신위원회의자료에따르면 TV 보급률은 96.7% 이며, 국내컴퓨터보급률은 100% 이상으로알려져있다. OLED는스마트폰디스플레이와같은소형디스플레이로사용되면서세계적으로각광받고있는디스플레이이다. 유기물박막에음극과양극을통하여주입된전자와정공이여기자를형성하고여기자로부터특정한파장의빛이발생되는현상을이용한디스플레이로서, 유기물박막에재료를전류를흘려주면빛을내는자체발광형소자이다. 최근고효율, 초박형의조명및디스플레이로서시장을넓혀가고있다. OLED는그림 2와같이상 / 38 공학교육
공주대학교생산시스템연구실 - 디스플레이및태양광자율주행자동차연구 그림 2. 유연 (Flexible) OLED 구조 하기판발광층과발광층에전류를인가하는 Anode/ Cathode 층으로구성되며, 상용화된 OLED 제품의경우발광층을포함한박막형성을위하여진공증착 (Thermal Evaporation) 공정이주로사용되고있다. 저분자 OLED 소자는일반적으로양극 (anode), 정공주입층 (HIL), 정공수송층 (HTL), 전자차폐층 (EBL), 발광층 (EML), 전자수송층 (ETL), 전자주입층 (EIL) 그리고음극 (cathode) 등으로구성되어있는데, 생산시스템연구실은이러한유기박막의증착공정과생산시스템의개발을꾸준히진행하고있다먼저, 생산시스템연구실에서오랜기간개발한증발원기술을소개하고자한다. 저분자 OLED 증착공정에는저항가열방식의증발원이주로이용있다. 구조가간단하고박막두께균일도확보가용이한점증발원 (point cell-source) 이주로적용되고있으며, 대면적의 OLED 제품생산을위하여선형증발원 (linear source) 의개발과적용이시도되고있으나, 생산공정의안정성확보가쉽지않아세계적으로활발한연구가이루어지고있는분야이다. 생산시스템연구실에서연구하고있는 OLED 생산용증발원개발은유기박막의증착공정에서 OLED의상품성을좌우하는핵심기술이다. 진공환경에서사용되며, 요구되는주요한공정성능은박막두께분포 (thim-film thickness distribution) 을균일하게성막 (deposition) 하는것이다. 박막두께분포의불균일은디스플레이화소의휘도, 색도등의성능차이의원인이될수있다. 박막두께균일도는유기재료를기상으로천이시키는요소인증발원의방사특성에따른다. 생산시스템연구실은 OLED 증착공정의박막두께균일도 (thin-film 그림 3. OLED 생산용증발원 (Evaporation Source) 시뮬레이션 제 23 권제 1 호 39
thickness uniformity) 를달성하기위하여진공증착공정을컴퓨터시뮬레이션이가능하도록진공환경에서의유기재료의증착공정에대한물리적현상등을표현할수있는공정모델링을수행하였다. 이를바탕으로진공환경에서이루어지는증착공정에서의희박유기재료거동시뮬레이션알고리즘을개발하였고, 증발원설계의최적화설계방안을개발하여다양한증착시스템개발에활용하였다.( 그림 3) 진공증착공정에대하여수학적으로표현된공정모델을이용함으로써실제실험을수행하지않고컴퓨터시뮬레이션할수있게되었다. 시뮬레이션기술을활용함으로써공정의최적화조건을선정하고, 시뮬레이션에서예측되는공정결과를사용자에게미리알려줌으로써실험을거치지않고공정을검토할수있는시뮬레이션결과를제공한다. 이러한방안을활용한결과는 2세대 (370 400mm2) 부터 8세대 (2200 2500mm) OLED 에이르는다양한증착공정시스템에적용되어, 그실용성과효용성이입증된기술이다. 상용화되어출시되고있는스마트폰에휘어진디스플레이가사용되는것처럼유연기판 (Flexible Substrate) 을이용한디스플레이의생산이확대되고있다. 유연기판 OLED가디스플레이로서, 또는조명으로서실용적으로사용되기위해서는생산성확보를위한공정기술의개발이요구되고있다. 이를위하여요구되는공정이유연기판의롤투롤 (Roll to Roll) 공정이다. 롤투롤공정은유연 (Flexible) 전자제품의대량저가생산의기반이되는기술이다. 유연기판에의인쇄공정에는잉크젯을이용한인쇄공정이많이사용되고있지만, 유기재료를액체화하여잉크로만들어제작하는 OLED 소자는기존의건식공정 ( 진공증착공정 ) 으로제작된소자에비하여성능이부족하여현재로서는진공증착방식에롤투롤공정을적용하는것이현실적인대안으로제시되고있다. 공주대학교생산시스템연구실은진공환경에서유연기판을사용한롤투롤증착공정의개발을진행하고있다. 롤투롤증착공정을이용한 OLED 소자의제작을위해저항가열식증착공정을사용하여박막두께의균일도를이동하는유연기판에적용하였으며, 공정중이동하는유연기판에유기재료의박막두께균일도를만족시키는증발원설계방안을제시하고자연구를하였다. 증발원내의유기재료로부터증발하는불균일한유동으로기상유기재료를기판에균일한성막이되도록이상적으로유도하기위한증발원의형상과배치등의설계기술과제어기술을개발하였다. 유연기판의제어를위한테스트용롤투롤시스템과 OLED 소자를제작하기위한진공증착롤투롤시스템을개발하고있으며, 롤투롤증착시스템의개발에도희박기체거동을활용한해석모델의개발과컴퓨터를이용한시뮬레이션기술을이용하고있다. 이를바탕으로유연기판을사용하는롤투롤 OLED 증착시스템의성공적인개발과공정신뢰성을확보하고개발시간의단축을기대하고있다.( 그림 4) 이와같이공주대학교생산시스템연구실은 OLED 제품생산공정개발을위한연구를꾸준하게진행하고있으며, 유리기판은물론유연기판을사용하는제조장비의개발을위한연구를수행하고있다. 그림 4. 유연기판롤투롤 (Roll-to-Roll) 증착시스템개념도 자율주행태양광자동차개발공주대학교생산시스템연구실은 OLED 공정기술을기반으로, 유사한생산공정을갖는태양전지, 2차전지에관련된기술개발도수행하였으며, 최근몇년동안태양광자동차의개발을진행하였다. 태양광자동차개발기 40 공학교육
공주대학교생산시스템연구실 - 디스플레이및태양광자율주행자동차연구 술을기반으로자율주행태양광자동차의개발로연구영역을확대하고있다. 세계적으로자율주행자동차를상용화하기위해서자동차 IT 업계에서 BMW, 현대차, 도요타, 구글, 테슬라등각기다른상용화목표주기를갖고자율주행자동차의상용화를위해개발을진행하고있다. 2012년 9월미국캘리포니아주에서자율주행자동차주행을합법화했고, 스위스로잔연방공과대학에서교내자동주행셔틀버스를도입해운영하고있다. 현재차세대자율주행자동차상용화를위한핵심기술인 3차원형상의기하학적인지 상황판단기술을연구하는중이다.( 그림 5) 자율주행자동차를상용화하기위해가장중요한점은안전이다. 안전한자율주행을위한시작점이 3차원형상을인지해판단을할수있게하는시각을만들어주는것인데, 자율주행자동차의시각이되어줄장치로는레이더, 라이다그리고카메라가있다. 레이더는일반적으로전파를발생하는송신기, 전파를방사하는안테나, 반사전파를수신하는수신기및영상을브라운관에표출하는지시기로구성되어있다. 자율주행자동차에적용되는원리로는 1초에 30만km의속도를가지는전파를 1회방사시켜발생시킨전파가돌아오기전까지다음전파를방사시키지않고돌아오면, 그돌아온시간을측정해주변물체와의거리를측정하는방식을구현하며, 안테나는신호등에서발산되는전파를감지해정지신호인지주행신호인지구분을해서데이터를전송하게된다. 라이다또한레이저를발사하여산란되거나반사되는레이저가돌아오는시간과강도, 주파수의변화, 편광상태의변화등으로부터측정대상물의거리와농도, 속도, 형상등물리적성질을측정해 CCD카메라를이용하여목표지점을자동으로추적할수있는기능 (3D Mapping) 을이용해판단을하기위한데이터를전자신호로바꿔주는역할을한다. 이렇게구성된 3차원형상의인지기술은자율주행자동차가판단하는데있어필요한주변상황에대한정보를공급한다.( 그림 6) 자율주행자동차가안전한주행을하기위해서필요로 그림 5. 자동차 IT 업계무인차개발현황과자율주행프로세스시스템 그림 6. 자율주행자동차의 3 차원형상해석 제 23 권제 1 호 41
하는또다른핵심기술은다양한대상들을관찰하며상황에따른판단을내릴수있는학습능력이다. 자율주행자동차가갑작스럽게 U턴하는차량, 끼어들기하는차량, 공사장을발견했을때주변자율주행자동차와정보를공유하는것, 여러가지피할수없는상황에있을때최소한의피해를가져오는선택을하는것등이자율주행자동차의학습이다. 이러한학습능력을기반으로 AI 시스템을구성하는것을목표로개발을하고있다. 자율주행자동차상용화를위한주요핵심기술인 3차원형상의기하학적인지 상황판단기술은시각장애인의대중교통사용시간, 출퇴근하루평균시간 40분, 장거리운행에서의피로절감, 이동간회의진행등시간에쫓기는현대사회에서의문제점을크게완화시킬수있다. 또한자율주행자동차는기본적으로동력원을전기를사용하기때문에기존에사용하던휘발유, 등유등의자원에의한경제적손실을줄이는것과동시에연료를보충하러주유소를찾아가지않고일반가정집에있는가정용콘센트를이용해자동차의동력원인배터리 (Battery) 를충전해보다편리하게자동차를활용할수있다. 자율 주행자동차는전자제품으로구성되어있기때문에기존자동차에들어가던 2천여개의부품보다훨씬적은수의부품을활용해가공하는데드는비용을절감시킬수있으며, 고장원인을비교적쉽게찾아빠른정비의가능성과대규모리콜사태와같은자동차업계의손실을크게줄이는데기여할것으로예상된다. 컴퓨터가생각하고판단하며사람과바둑을대결하는시대가도래하였다. 자율주행자동차의주요연구개발기술인 3차원형상의기하학적인지 상황판단기술의지속적인연구를통해인간처럼스스로배우고판단하는인공지능기능이탑재된자율주행자동차가언젠가길위를다니게될것이다. 태양광자동차에자율주행기능을탑재시킨태양광자율주행자동차에관하여지속적인연구개발을통해자율주행자동차의한부분을써나갈것이다. 공주대학교생산시스템연구실은지속적인연구개발을통해서인간과환경, 그리고기술개발에기여하고, 앞으로사회와산업적으로필요한기술을보유한인력의산실의역할을해내고자아낌없는노력을다할것이다. 42 공학교육