기술특집 플렉서블 OLED 디스플레이용 TFT 기판및전극기술동향 정재경, 설현주, 이지원, 김민재, 허재석 ( 한양대학교 ) AMOLED 는자발광으로시야각에제한이없는선명한화질을구현할수있고, 고속응답이가능하여빠른동영상구현이가능할뿐만아니라, 얇게만들수있는장점때문에최근급속한발전을하고있다. 최근에는모바일디스플레이는물론이고대형 TV 영역의전응용제품에채용되고있다. 삼성전자는 Galaxy Edge 제품에플렉서블 OLED 패널을탑재하여모바일스크린시장을석권하고있으며최근애플도 OLED 패널을아이폰에채용하기시작하였다. LG 전자는 55인치이상대형 TV 제품에 OLED 패널을탑재하고있으며, 이러한커브드 UHD OLED TV 를통해프리미엄시장에서시장점유율을확대해나가고있다. LCD 와는달리광원이필요없는 OLED 는곡률을가진면에부착형, 돌돌말리는롤러블, 궁극적으로는스트레쳐블형태로발전할것으로예상된다. 그러나이러한플렉서블제품을개발하기위해서는패널유연성보장을위한기판소재, TFT, 전극및봉지등의핵심요소기술확보가시급하다. 본기고에서는 Flexible AMOLED 디스플레이기판, TFT, 전극및봉지분야에서최근기술개발동향을살펴보고자한다. 1. 플렉서블기판기술플렉서블기판은최종적으로완성된디스플레이패 널의제조기술, 성능, 신뢰성및제품의가격등을결정하는가장중요한부품이다. 플렉서블기판은투명도, 열팽창계수, 수축성및내화학성특성뿐만아니라실제제품응용까지고려하였을때유연성, 기계적강도및안정성을갖추어야한다. 플렉서블기판은크게박형유리, 금속호일및플라스틱으로구분할수있다. 금속호일은 500 수준의고온공정이가능하며 OLED 수명에치명적인수분및산소투과를완벽히방지할수있는장점이있다. 그러나기판표면이거칠어 TFT 기판제조공정이전에특별한평탄공정이요구되고, 기판자체의불투명성으로인해 OLED 의경우전면발광모드로제한되는단점이있으며구부릴때기판자체가구겨지는치명적인문제점때문에최근에는관심에서멀어지고있다. 박형유리는기존디스플레이에사용되는유리에대비두께가훨씬더얇은유리 (<100 μm) 를지칭하는데, 기존평판디스플레이제조공정을사용할수있는장점이있으나, 제조비용이높고기계적충격에쉽게깨지는문제점이있다. 플라스틱기판은유연성을갖으면서도가볍고롤투롤과같은연속공정에적합하기때문에가장활발하게연구및개발이진행되고있다. [1,2] 일반적으로플라스틱기판에는 PI(Polyimide), PET(Polyethylene Terephthalate), PEN(Polyethylene Naphthalate) 등이활용되고있으며, 추가적으로신축성을부여하기위해서고무소재로 2017 년제 18 권제 5 호 1
기술특집 표 1. 유리기판및플라스틱기판의특성비교 Polymer-Based PEN PET PI CPI Glass-Based Ion-Strength ened Glass T g 120 80 340 > 330 646 Transmittance (%) 87 91 < 60 90 92 CTE (ppm/ ) 20 30 50 30 8 Hardness (Pencil Hardness) HB 2B H 2H > 9H Folding Test (3R, 200k) X X X O X 알려진 PDMS(Polydimethyl Siloxane) 기판도검토되고있다. 비교적저가의 PET 및 PEN 기판의경우낮은경화온도, 열처리에따른기판의수축, 팽창에따른공정문제, 수분 / 산소침투에따른 OLED 열화방지등의이슈를극복하기위한방향에서연구가활발히진행되고있다. [3] 이중 PI 소재는내열성이우수하고, 진공환경에서가스의발생량이적으며우수한내식특성을갖는다 ( 표 1). 2011 년일본우베코산社는 450 고온에서견디는 PI 개발에성공하였으며, 이를계기로유리기판에 PI를코팅한후기존확립된 LTPS 기술을적용하는방식이플렉서블 AMOLED 양산업계표준으로자리매김하게되었다. PI 는 TFT 기판뿐만아니라, 기판보호용베이스필름및커버윈도용으로도적용이기대된다. 즉 PI 코팅된유리기판상에제작된 AMOLED 디바이스를 Laser 공정으로제거한후보호용으로붙이는베이스필름에도채용될가능성이높다. 평면, 커브드등의고정된형태에서는원가가낮은 PET 계열의필름이사용되고있으나, 플렉서블 / 롤러블등움직이는형태에서는열팽창계수등의물리적특성이 TFT 기판의 PI와동일한필름이필요하므로보호용베이스필름에도 PI 가적용될것으로예상된다. 한편모듈맨위에붙는커버윈도우에도강화유리를대체할수있는유연한소재가필요하다. 투명하고높은강도를가지면서도휘어지는소재가있어야하는데, 마찬가지로 PI 계열인 CPI(Colorless Polyimide) 필름이적합할것으로예상된다. 최근 PI 적용사례로 2016 년 SID 학회에서일본 NHK 그림 1. 일본 NHK Science 社가발표한 8 인치 Flexible AMOLED 시제품 (SID 2016) Science 社는 8인치 AMOLED 시제품을발표하였다 ( 그림 1). 상기디바이스는 PI 기판위에 InZnSnO 를반도체채널로사용하였으며 Back Channel Etch 구조를적용하였다. 제작된 IZTO 기반의 ioled 디스플레이는향후대면적화플렉서블 OLED 디스플레이구현에유망한플랫폼으로기대된다. [4] 2016년코오롱인더스트리社는유리를대체할수있는 CPI 양산을발표하였다 ( 그림 2). 기존 PI 필름은고분자소재로이루어져있기때문에장기간강한자외선 (UV) 에노출됐을때고분자변형등에의해색이노랗게변하는황변현상이발생하여범용디스플레이적용이어려웠으나소재개발을통해투명성부여에성공하였다. 개발된 CPI 는 10~100μm의두께에서도강화유리수준의경도를보유하면서유연하여향후폴더블, 롤러블스마트기기구현에중요한역할이예상된다. [5] 그림 2. 코오롱인더스트리투명폴리이미드필름 (CPI) 2 인포메이션디스플레이
플렉서블 OLED 디스플레이용 TFT 기판및전극기술동향 그림 3. (a) 플렉서블 Oxide TFTs 제조과정과 PDMS 기판을선택적으로경화시켜 TFT array 를올림. (b) PDMS Islands 의 TFT arrays 에선택적으로 UV/O 3 처리 PDMS 는규소와탄소원자가결합된유기화합물의일종으로, 제조방법이간단하고투명하며비활성, 무독성, 불연성이며계면자유에너지가낮은장점때문에플렉서블디스플레이, 스트레쳐블디스플레이그리고바이오맴스분야에서널리활용될것으로기대된다. [7] 2. 플렉서블 TFT 소자기술 비정질실리콘기술은 8세대이상의대면적증착이용이할뿐만아니라, TFT 단면구조의단순성으로인하여가장넓게상용되고있는검증된기술이다. 그러나비정질실리콘 TFT 는전하이동도가 0.5 cm 2 /Vs 에불과하기때문에고이동도가요구되는대면적, 고해상도응용제품에물리적으로적용의한계에도달하고있다. 이러한이유때문에 1990 년대중반이후다결정실리콘기술이집중적으로연구및개발이진행되었다. 저온폴리실리콘 (Low Temperature Poly Silicon, LTPS) 소자는이동도가 80 cm 2 /Vs 이상으로매우높아서초고해상도제품구현은물론이고게이트드라이버및데이터드라이버 IC 회로내장이동시에가능하기때문에우수한화질특성과베젤영역을최소화한고급패널을구현할수있다. 2010 년이전에는플라스틱기판상에 AMOLED 디스플레이제조時가장중요한이슈는 Thermal Burdget 으로인식되었기때문에 450 공정온도가요구되는 LTPS 기술보다는 200 이하저온공정이가능한 IGZO TFT 기술에많은관심이집중되었다. 그러나 450 고온에서도견디는 PI 소재가 2011 년개발된이후기술적으로성숙한 LTPS 를채용하는방향으로플라스틱 OLED 양산방식은급선회하여, 현재는 LTPS on PI 기술방식이산업표준으로자리매김을하였다. 그럼에도불구하고, LPTS 기술의경우레이저를이용한결정화공정과소스 / 드레인오믹접합구현을위한이온주입이필수적이기때문에제조비용이상승하고, 대형유리기판에레이저를이용한스캔닝방식의결정화공정의소요시간이길어대형 TFT 기판제작생산성이비정질에비해현저히낮은한계점을동시에안고있다. 산화물반도체는 2004 년일본동경공대호소노교수그룹에서네이쳐에비정질 InGaZnO 박막을이용한 TFT 소자제작을발표한이후, 전세계적인연구및계발이시작된신생 TFT 기술이다. [8] 산화물반도체는 LTPS 기술과비교했을때, 반도체채널을별도의공정인결정화공정과소스 / 드레인접촉저항감소를위한이온도핑을생략할수있기때문에제작공정이매우단순해질수있다. 이는스퍼터링법에의해증착된비정질산화물박막이비의도적 (Unintentional) 으로 n-형도핑이되기때문이다. 뿐만아니라산화물반도체는비정질실리콘과비교하더라도비슷한제조비용및생산성을가질수있음은물론이고전계이동도가비정질구조임에도불구하고비정질실리콘에비해 20배이상우수한 10cm 2 /Vs 가얻어질수있기때문에, 고해상도및대면적적용에훨씬유리하다. 2013 년 LG 디스플레이社에서세계최초로양산에성공한 AMOLED TV 제품에그림 4. LG 社 Oxide 기반 77인치 Curved OLED TV 2017 년제 18 권제 5 호 3
기술특집 IGZO TFT 기술이채용되었으며대면적 Flexible AMOLED 분야에서는 IGZO 기반 TFT 기술이향후에도확대적용될것으로기대된다. IGZO 채널에서 In 2 O 3, ZnO 및 Ga 2 O 3 는각각이동도개선제, 비정질네트워크형성제및전하안정제로역할을담당한다. 또한플렉서블기판에적용시이성분계 ZnO 의경우높은결정성을갖고있어미세한 Crack 이쉽게발생하고이로인해일정곡률반경이하가되면소자열화가급격히생기는반면 [9], IGZO 는비정질상태를유지하기때문에플렉서블기판에서상대적으로내구성이있다. 또한 IGZO 는비정질상태에서도결정질에버금가는전자이동도를유지할수있다. 이는캐리어의이동경로가 IGZO 를구성하는금속이온의, 특히 In의 4s 파동중첩에기인하기때문이다. [8] 흥미롭게도 IGZO 는상온에서형성하더라고우수한이동도를갖기때문에 PET, PEN 과같은저가의저온플라스틱기판에적용이기대된다. 소자제작공정의온도를낮추기위해고압열처리, [10] UV 처리등과같은연구가지속적으로진행되고있다. 특히 IGZO 채널에 UV 와 Thermal 열처리를동시해진행함으로써공정온도를 150 이하로낮추고 TFT 의전기적특성을개선시킨연구가 Scientific Report 에발표된바있다. [11] 이러한저온공정기법은산화물반도체 TFT 의플렉서블디스플레이로의적용가능성을결정짓는주요기술중하나이므로지속적인관심이필요하다. 한편, IGZO 는채널에서 In과 Ga 양이온은희소성으로인그림 5. 실리콘과산화물반도체의오비탈구조비교 그림 6. IGZO NBIS Instability 메커니즘 [12] 해가격이높고, 채널이빛에노출되는광스트레스를인가하면채널자체의트랩생성으로인해불안정성이크게야기되는문제점이있다. In, Ga 등을배제하면서소자의광전신뢰성을확보하려는연구가활발하게진행되었다. 대표적으로 ZnSnO, InZnSnO 등의여러채널물질이시도되었으나, 정확한전도기구및신뢰성열화기구는아직규명되지않았다. Hf 을 IZO 에첨가한 HIZO 의경우 Hf 가산소결핍을크게감소시켜광신뢰성이증가한다는것이보고된바있으며, [13] 최근에는 PI 기판플렉서블 OLED 에 Ln 을도핑한 IZO 로 TFT 를제작하여소자이동도 40 cm 2 /Vs, 곡률반경 3 mm 에서 100,000 회 Bending Test 후에도소자의열화가크게나타나지않은사례가발표되었다. [14] 무기물인산화물반도체외에도유기물을채널로사용한트랜지스터에관해서도활발하게연구되고있다. 유기물반도체로제작한 OTFT(Organic Thim Film Transistor) 는보통상온에서용액공정으로제작이가능하기때문에, 고가의장비가필요한무기물재료에비해비용적측면에서유리하다. 또한, 유기물특성상무기물보다유연하기때문에플렉서블에적용시크랙등내구성부분에서강점이있다. 그러나고분자유기체의경우분자의정렬도가떨어져전기적특성이열화되는양상이보이며분자간호핑기구를통해전자가이동하기때문에이동도저하가관찰된다. 이점을극복하기위하여저분자유기물질을사용한채널제작이최근활발히연구되고있으며, 고분자물질대비우수한결정성과높은이동도구현이가능하다. 특히유기물반도체를적용한 TFT 는잉크젯, 스핀코팅등의 4 인포메이션디스플레이
플렉서블 OLED 디스플레이용 TFT 기판및전극기술동향 용액공정방식을통해이동도 30 cm 2 /Vs 이상을달성한연구가보고된바있어산화물반도체와함께지속적인연구가필요할것으로보인다. [15,16] 3. 플렉서블전극기술플렉서블디스플레이에사용될전극소재는다양한형태의기계적인변형에서전극으로서의기능을유지해야하며, 특히 stretchable 과같은응용분야에서는신축성을보유하여야한다. 현재디스플레이산업에서가장보편적으로투명전극에사용되는재료는 Indium Tin Oxide(ITO) 이다. ITO 는타재료들과비교하여우수한투과성과전기전도성을동시에지니고있지만무기물특유의취성을갖는다. 즉약간의휨또는뒤틀림에의해균열및파괴가일어나고이로인해막의저항이급격히증가하여전도체로서의기능을상실하는문제점을갖는다 ( 그림 7). 현재플렉서블전극으로응용이가능한소재로서 CNT(Carbon Nanotubes), 그래핀 (Graphene), 은나노와이어 (Ag Nanowire) 등과같은물질들이개발되고있다. 탄소기반나노소재의등장이후, 매우큰발전을이루고있는분야중하나가 Graphene 또는 CNT 소재기반의전자소자의제작에관한연구이다. 이들은뛰어난유연성및우수한전기적특성으로인해다양한전자소자제작을위한연구가활발하게이루어지고있다. [17-19] Graphene 은탄소원자가육각형으로배치된 2차원탄소구조체를의미한다. 이는상온에서양자홀효과에의해 200,000cm 2 /Vs 의빠른이동도를가지고있고기계적특성도우수하여큰관심을받고있다. 화학 그림 8. Graphene( 좌 ) 과 CNT( 우 ) 기상증착법 (Chemical Vapor Deposition, CVD) 을이용해만드는 Graphene 전극 [20] 은매우얇고평평한전극층을형성할수있다는장점을지니고있지만여전히높은면저항과균일도저하등의문제가제기되고있다. CNT 는 1차원나노구조를가지고있으며우수한기계적강도, 전기전도도, 낮은밀도등의장점들을갖는이상적인재료이다. 하지만공정적인측면에서대량생산적용및공정안정성등에서는전극으로의적용이제한적이다. 특히나꼬여있는 CNT 를각각분리해내는분산기술에있어서는여러가지문제점이존재하여아직까지획기적인방법이고안되어있지않은상황이다. [21] 현재국내양산수준의 CNT 전극의특성은면저항 200~500Ohm/sq, 투과도 80% 정도이며, 미국의 eikos 社에서는면저항 200Ohm/sq, 투과도 90% 수준의 CNT( 그림 9) 를개발하여출시한상황이다 [22]. 하지만 CNT 의특성은아직까지광전자기기의요구조건을충족시키지못하는상태이므로추가적인연구가필요한것으로보인다. 현존하는금속중에서전기전도도가가장높은물질인은 (Ag) 의나노입자표면은여러개의결정면으로이루어져있으며이들의반응성차이를이용하여이등방성성장을유도, 나노와이어형태를만들수있다. 이러한 Ag 나노와이어를이용한전극은용액을통한롤투롤공정으로제조할수있어저렴한비용으로대량 그림 7. PEN 기판이휘어짐에따라파손되는 ITO 전극의 SEM Image : (a) Tensile Stress (b) Compressive Stress 그림 9. Invisicon CNT 의 AFM 이미지 ( 좌 ) 및 CNT 가코팅된 PET 기판 ( 우 ) 2017 년제 18 권제 5 호 5
기술특집 그림 10. Ag 나노와이어생산이가능하다는장점을가지고있다. 게다가높은전도성및우수한광학적특성을기반으로유연성까지확보가가능하기때문에 ITO 를대체할전극재료로각광받고있는소재이다. [23] 그러나현재개발된 Ag 나노와이어의경우, 장시간열이가해지거나, 200 이상의고온에서는 Rayleigh Instability 현상을보이면서각각의나노와이어가끊어지는현상이발생하기에다양한후처리공정에적용할수가없는문제가있다. 또한, 공기중의수분에의해쉽게손상되는등고온다습한환경에서그들의특성이점차적으로감소하는문제점이있어이들의특성을유지하면서안정성까지확보하는연구가필수적이다. 최근에는앞서소개된단일재료들의약점을보완하고서로의장점만가져갈수있는하이브리드구조의전극들이소개되고있다. 예로서 CNT 와 Graphene 을 복합시키거나, [24] Graphene 과 Ag 나노와이어를복합하여전극의안정성을향상시키는방법 [25,26] 이있다. 2017년 SID(The Society for Information Display) 에서미국 UCLA 의 Pei 교수연구팀은 Polymer 와 Ag 나노와이어를집적하여 5~50Ohm/sq 의매우작은면저항을가지면서 30% 의반복연신율을갖는유연투명전극을발표 [27] 한바있으며같은학술회의에서한국 KAIST 의배병수교수연구팀에서는 Glass-Fabric Reinforced Hybrimer(GFR Hybrimer) 와 Ag 나노와이어를접목시켜우수한광-전기적특성을지님과동시에유연성까지확보가된필름을선보인바있다. [28] 4. 플렉서블박막봉지 OLED 구동에사용되는유기발광층은재료특성상공기중의수분이나산소에매우민감하게반응한다. OLED 의전극물질이나발광층이공기중에노출되어반응하면 Black spot 이생성되어디바이스의효율을저하시키는문제점이있다. [29] 플렉서블디스플레이의핵심기술인봉지 (Encapsulation) 공정은유기재료의신뢰성을확보하고기계적, 물리적충격에서디바이스를보호하기위함으로써, 공정의마지막단계이므로수율에도직접적인영향을끼친다. OLED 디스플레이는다른유기디바이스에비해높은신뢰성이요구되어 10-6 g/ m 2 /day 이하의 Water Vapour Transmission Rate (WVTR), 10-6 cm 3 /m 2 /day 이하의 Oxygen Transmission Rate (OTR) 값을만족해야한다. 기존의 Rigid- AMOLED 는프리트 (Frit) 유리재질을사용하여효과적으로외부환경의영향을차단하였으나, 대면적이어렵고휘어지지않기때문에플렉서블기기에는적용이불가능하다. [30] 플렉서블 OLED 디스플레이를위한봉지박막은유연성 (Flexibility) 이확보되어야하고, 열이나빛에의해쉽게 그림 11. SID 2017, 한국 Kaist, 투명플렉서블 AgNF/GFR Hybrimer Film 그림 12. 수분및산소투과로인한 Dark spot 생성 6 인포메이션디스플레이
플렉서블 OLED 디스플레이용 TFT 기판및전극기술동향 열화되지않는특성을가져야한다. [30,31] 또한, 기판과우수한접착력을지니며대면적공정에서균일도를확보할수있어야한다. 플렉서블 OLED 디스플레이용봉지박막으로는크게 Thin Film Encapsulation(TFE) 과 Hybrid Encapsulation 방식이사용되고있다. TFE 방식은유기물과무기물을교대로적층하는방식으로 Vitex 社에서가장먼저개발하였다. 무기층에는 SiO 2 또는 SiN X 가, 유기층에는 Acrylate 소재가사용된다. 그러나 TFE 방식은공정시간이길고대면적공정시박막의균일성을확보하기어려운단점이있어박막적층수를줄이기위한연구가계속되고있다. Hybrid Encapsulation 방식은패시베이션박막과가스배리어특성이있는커버플레이트, 이둘을접착하는고분자 (Face Seal) 로구성된다. [32] 패시베이션박막으로는 SiN X, SiO 2 가주로사용되며, 접착성고분자는용액형태로잉크젯방법을통해도포하거나필름형태로가공하여사용한다. TFE 방식과비교하여대면적에유리하고, 구조가단순하며공정수가적다는장점이있으며공정비용도절감된다. 현재, 삼성디스플레이와 LG 디스플레이모두 Hybrid Encapsulation 방법을적용한제품을양산하고있다. 앞서설명한 TFE 와 Hybrid Encapsulation 방식모두유기물과무기물의박막을적층함으로써무기물이수분과산소를차단하고, 유기물이기계적유연성을확보하도록하는공통점이있다. 따라서두가지방식모두우수한성능의박막을증착하는것이핵심기술이다. 박막증착시일반적으로무기물은 PECVD, Sputter 기법이사용되고있으나원자층단위로고순도의박막을증착시키는원자층증착법 (Atomic Layer Deposition, ALD) 공정을도입하려는시도가계속되고있다. [33,34] ALD 는공정속도가느리고비용이높아서실제도입이어려운면이있었으나, 양질의박막을균일하고얇게증착시킬수있다는장점이있어주성엔지니어링, 원익 IPS 등관련업계에서활발히연구중에있다. 또한미국비코의 Fast-ALD 기술은기존 ALD 장비보다증착속도가 10배빠르고, 100 이하에서도증착가능하다는점에서기존의 ALD 가가진기술적한계를극복함으로써 ALD 가실제양산라인에도입될수있는가능성을보였다. 유기물증착방식 그림 13. 플렉서블봉지박막구조의차이점 : TFE( 위 ), Hybrid Encapsulation( 아래 ) 으로는분자층증착법 (Molecular Layer Deposition, MLD), 잉크젯프린팅기법이대표적으로사용되고있다. MLD 는분자층단위로고순도의유기물박막을얇은두께로형성할수있는기술로써, ALD 와함께사용되어균일한박막을치밀하게증착시킬수있는기법이다. 잉크젯프린팅방법은대면적공정에적합하고제품원가절감에유리하며, 진공분위기가아닌상압에서공정이이뤄진다는장점이있다. 실제로삼성디스플레이는미국벤처업체인카티바 (Kateeva) 의프린팅장비를도입하여 OLED 양산라인에적용하였다. 플렉서블기기용봉지박막은외부의수분이나산소를효과적으로차단해야할뿐만아니라기계적변형에도우수한안정성을보여야한다. Bending Stress 를가할시, 상대적으로 Stress 의영향을적게받는중심축 (Neutral Axis) 이존재하는데이중심축이 Stress 에취약한 TFT Backplane 과 OLED 부분에존재할때, Bending Stress 가소자에미치는영향이최소화된다. 이중심축은봉지박막의두께에따라달라지기때문에플렉서블 OLED 디스플레이의기계적신뢰성을확보하기위해서는최적의봉지박막두께를찾는것이중요하다. [35-37] 그림 14. 봉지박막두께에따른중심축위치의변화 [35] 2017 년제 18 권제 5 호 7
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플렉서블 OLED 디스플레이용 TFT 기판및전극기술동향 김민재 2017 년 : 한양대학교융합전자공학부학사 2017 년 ~ 현재 : 한양대학교전자컴퓨터통신공학과통합과정 허재석 2016년 : 경희대학교정보디스플레이학과학사 2017 년 ~ 현재 : 한양대학교정보디스플레이공학과석사과정 2017 년제 18 권제 5 호 9