모니터링분석 1 그라비어인쇄기술과 OLED 패널 1. 머리말 한국과학기술정보연구원전문연구위원이순요 (9826@reseat.re.kr) 유기발광다이오드 (OLED: Organic Light Emitting Diodes) 는 LCD를능가하는평판디스플레이 (FPD: Flat Panel Display) 로서지금까지없었던새로운고휘도면발광조명으로서활발한개발이진행되고있다. FPD 시장에서는이미자리잡고있는 LCD가기술적으로성숙되어있기때문에 OLED의진입이가속화되기위해서는생산성을높이는제조기술과원가면에서경쟁력을갖추는것이당면한큰문제이다. 시장에유통되고있는 OLED 패널은저분자계의재료를건식공정 (Dry process) 에의해서생산한것이대부분이다. 이방식은증착공정의제약으로패널사이즈의대형화및원가절감이어려운점이있다. 그러나습식공정 (Wet process) 은건식공정에비해대형화가가능하고생산성도높은이점이있다. 최근에는증착만가능했던저분자계도연구개발을통해습식공정적용이가능하게되어저분자, 고분자의구분을할필요가없게되었다. 2. 습식공정의개요 OLED는유기재료로된여러개의박막이투명양극과금속음극사이에끼어있는상태의소자구조로되어있다. 여기에수V의직류전압을가해전류를흘려주면유기층에서빛을발하게된다. 유기층의구조는저분자계가고분자계보다층수가많고복잡하다. 고분자계의경우정공주입층, 정공수송층및발광층의 3층으로구성되어있으며, 각층의막두께는 10~100nm 정도이다. 전류가막두께방향으로흐르기때문에막두께뿐만아니라막의질을포함해서균일한초정밀박막제조기술이필요하다.
모니터링분석 2 습식공정을포함한정밀인쇄패턴기술은판을만들어패턴을복제하는 유판인쇄 와판을이용하지않는맞춤형 (On Demand) 으로패턴을만드는 무판인쇄 가있다. 스핀코팅 (Spin Coating) 법과같이미리균일한막을코팅한후에포토리소그래피 (Photolithography) 법에의해패턴을만드는방법도있다. 유판인쇄방식에는활판인쇄 (Flexo Printing), 오목판인쇄 (Gravure Printing), 공판인쇄 (Screen Printing) 등이있다. 무판인쇄방식에는잉크제트 (Ink Jet Printing) 법과노즐프린팅 (Nozzle Printing) 법이있다. 3. 그라비어인쇄법에의한유기층만들기 그라비어인쇄는셀 (Cell) 이라고하는오목패턴부가있는그라비어롤을판으로사용해서잉크를롤표면전체에공급받아패턴셀부이외의불필요한잉크를닥터블레이드 (Doctor Blade) 로긁어내어제거한다음, 셀안에남아있는잉크를배킹롤 (Backing Roll) 과의닙력 (Nip Force) 에의해바탕재료에전사하는방식이다. 이방식은 10m/min 이상의고속으로저점도의잉크를얇고균일하게안정적으로도포할수있는이점이있다. 인쇄속도와셀의형상, 깊이를바꿔주면서 100nm 정도의박막패턴을높은생산성으로품질좋게형성하기에적당한인쇄방식이다. 이방식을 OLED 소자제조에적용하기위해서 그라비어판 개발과 OLED 소자를구성하는정공주입층, 정공수송층, 발광층의각유기층의 잉크화 의개발이중요하다. 그리비어판을만드는방식에는 1 푸시밀 (Push Mill) 방식, 2 Cu 도금을한다음다이아몬드칼날로진동을주면서조각하는방식, 3 Cu 도금을한다음포토에칭 (Photo Etching) 에의해만드는방식이있다. 잉크나닥터블레이드로부터내성을확보하기위해서 10μm 정도의경질 Cr 도금을표면에하여주는경우가많다. 셀형상은피라미드나사다리꼴, 사선, 벌집등으로대표되는형과메시수 (Mesh number), 깊이의 3요소에의해서거의결정된다. OLED
모니터링분석 3 유기층막두께는 100nm 정도로얇고, 유기발광재료의용해성은낮다. 100nm의유기층을얻기위해서는잉크고형분농도를 1wt% 로할경우도막형성직후습한상태에서의습도막두께 10μm를갖는잉크층을바탕재료상에만들어줄필요가있다. 셀깊이도가공상의한계가있기때문에 100nm의막두께를얻으려면잉크전이율이높은셀모양이필요하다. 유기층을만들어주기위한잉크의물성은발광특성이나발광얼룩에큰영향을미친다. 중요한잉크물성으로는점도, 표면장력, 건조속도의 3가지지표를쓴다. 그라비어인쇄에적합한범위내에이값을넣어조정하여줄필요가있다. 예를들어점도가적정범위보다낮으면인쇄시에과잉의힘이잉크에전달되어반점인얼룩이생기게된다. 반대로적정범위보다높으면잉크가레벨링 (leveling) 되지않아줄무늬모양의얼룩이생긴다. 점도와표면장력은얼룩에반영될뿐만아니라잉크전이율에도영향을준다. 어느방식이든적정범위를넘으면잉크전이율은저하된다. 건조속도는잉크에사용하는용매에의존하는데일반적으로스핀코트 (Spin Coat) 법에서사용하는톨루엔 (Toluene) 이나크실렌 (Xylene) 을용매로한잉크에서는건조속도가너무빠르기때문에균일한막두께를얻기어렵다. 4. 그라비어인쇄법과 OLED 패널 그라비어인쇄법에의한피치 1.00mm, 32 192 dot의수동행렬 (Passive Matrix) 구동 OLED 메시지패널을시험제작하였다. 두께 0.7mm의유리바탕재료위에양극이되는 ITO(Indium-Tin-Oxide) 투명전극을스퍼터 (Sputter) 법에의해성막하고, 포토에칭 (Photoetching) 법에의해양극패턴을제작하였다. PEDOT/PSS(Poly Ethylene Dioxy Thiophene/Poly Styrene Sulfonate) 를바탕으로한잉크에의해약 60nm의막두께로정공주입층을만들어건조시킨다음, 고분자계발광재료잉크로약 80nm 막두께의발광층을만들어질소분위기하에서건조시켰다. 전자주입층으로는 Ca,
모니터링분석 4 음극전극으로는 Al을진공증착장치를이용해서순차패턴상으로만들었다. 음극을만든다음 UV 경화형접착제를매개로하여질소분위기에서밀봉작업을하였다. 정공주입층및발광층면내의막두께분포를측정하여본결과 4% 이내의산포이고휘도얼룩이없었다. 구동전압 12V에서수동행렬구동을하고휘도는 100cd/m 2 로양호한가변문자정보를표시할수있었다. 5. 맺음말 인쇄기술을적용한 OLED 패널의유기층부분의제조법에대하여알아보았다. 유기층제조법에습식공정을채용하는어려움은나노급의얇은층을균일하게만드는것과 OLED가전자재료이기때문에전기적특성에도손상이안가도록적층구조체를만드는데있는것이다. 전자재료에적용하는인쇄기술은이와같이통상적인인쇄에서하는것처럼잉크에제3성분을첨가해서인쇄적성을향상시켜주기위한연구가전기적특성을열화시키는요인이될수있기때문에안이하게적용할수없다는제약이있다는것을의미한다. 출처 : 武田利彦, グラビア印刷技術を用いた有機 ELパネルの開發, 表面技術( 日本 ), 60(7), 2009, pp.426~430
모니터링분석 5 전문가제언 고도의정보화시대를맞이하여이에걸맞는새로운디스플레이소자의연구개발이주목받고있다. 특히최근들어천연색표시소자로각광을받고있는것이유기발광다이오드 (OLED: Organic Light Emitting Diodes) 이다. 종전에는일본식표기인유기 EL(Electro-Luminescence) 로불렀으나 2003년 10월국제표준화회의에서한국이제시한 OLED가국제표준용어로확정되었으며, 국내표기표준도 2004년 4월산업자원부기술표준원에서확정발표하였다. OLED는빛을내는층이유기화합물로되어있는박막발광다이오드이다. 액정디스플레이 (LCD) 를대체할 ' 꿈의디스플레이 ' 로각광을받으며개발되었다. LCD보다제작비용이비싸기때문에현재상용화가활발하게이루어지고있지는못하다. OLED 픽셀은직접빛을내기때문에빛의표현범위가 LCD보다더크며, 백라이트 (Backlight) 도필요없으므로검정수준 (Black Level) 이뛰어나고, 또한 LCD와비교하여빠른응답속도를가지고있다. OLED는고해상도나대형화에유리하고컬러필터양산에유리한인쇄제판기술을응용한새로운 OLED 재료의패턴기법인그라비어코팅 (Gravure coating) 방식을개발하였다. RGB 3색을구분해서칠할수있는기술로, 정밀도면에서는약간떨어지나생산성이압도적으로높고, 또한롤간 (Roll to Roll) 프로세스에대응하기가쉬워유연한제품을생산하기에는가장적합하다. OLED는 DMB 폰디스플레이와같은소형디스플레이시장에서는확고하게자리잡을수있을것으로전망된다. 시장규모형성도 2006년경에는 239만개, 2007년경에는 2천484만 1천개, 2008년경에는 9천588 만 9천개등으로 ' 수직상승세 ' 를유지하고있으며, 2010년경에는 2억개를넘어설것으로예상된다. 현재한국기업으로서는삼성 SDI와 LG 전자가선두주자로나서고있으며, 일본기업에서는 Sony가 11인치 OLED TV를선보이면서대만기업들과함께각축을벌이고있다.