Polymer Science and Technology Vol. 23, N, 1 일반총설 디스플레이용점 접착소재 Adhesive and Pressure Sensitive Adhesive Materials for Displays 박은숙 박지원 김현중 Eun-Suk Park Ji-Won Park Hyun-Joong Kim Lab. of Adhesion and Bio-Composites, Program in Environmental Materials Science, Department of Forest Science, College of Agriculture and Life Sciences Seoul National University, Seoul 151-921, Republic of Korea E-mail: hjokim@snu.ac.kr 1. 디스플레이개발방향 다양한정보를인간이화면을통해볼수있도록구현해주는영상표시장치를통칭하여디스플레이라한다. 21세기에들어서면서생활환경이변화되는주기가짧아지고있고, 그만큼생산되는정보의양은폭발적으로늘어나고있다. 이전에는문자와사진이전부였다면, 현재는음성정보와동영상등그양이늘어나고있다. 디스플레이는정보를제공하는단순한기능에서벗어나, 인간과쌍방향으로소통하는역할로바뀌어나가고있다. 이전에는사물, 풍경등을최대한자연스럽게구현하는것이목표였다면, 현재는자연스러운화면은기본이고, 생동감까지느낄수있고, 휴대가간편한소형, 박형디스플레이로흐름이이어져오고있다. 이와더불어사용자인터페이스 (user interface, UI) 를제공하는터치스크린을채택하는핸드폰및가전제품수가늘어나고있다. 버튼이여러개있는복잡한가전제품보다는직관적인사용가능한터치스크린을갖는제품이세련된디자인이구현가능하며사용의편이성으로인해소비자들에게쉽게다가갈수있다. 1 디스플레이의종류에는 CRT(cathode ray tube, 음극선관 ), PDP(plasma display panel, 플라즈마디스플레이 ), LCD(liquid crystal display, 액정디스플레이 ), LED(organic light emission diode, 유기발광다이오드 ) 등이있다. 2. 부품소재개발필요성 한국무역협회보고서에따르면 1990 년도에서부터 2009 년까지수출 5 대품목의수출비중이변화하고있음을 박은숙 2004 충남대학교화학과학사 2004-2005 세끼스이화인켐주식회사 2006-2010 아이컴포넌트 2010-현재 서울대학교환경재료과학전공 석사과정 박지원 2008 서울대학교환경재료과학전공학사 2008- 현재서울대학교환경재료과학전공석박사통합과정 김현중 1987 서울대학교임산공학과학사 1989 서울대학교임산공학과석사 1995 The University of Tokyo 생물재료과학과박사 ( 고분자재료 -접착과학) 1995-1996 Virginia Polytechinic Institute & State Univ., Center for Adhesive & Sealant Science 박사후연구원 1996-1999 State Univ. of New York at Stony Brook 재료공학과, NSF-Center for Polymer at Engineered Interface 연구조교수겸책임연구원 1996-1998 Brookheven National Lab. 물리학과겸임연구원 1999-현재 서울대학교산림과학부환경재료과학전공교수
일반총설 디스플레이용점 접착소재 알수있다. 평판디스플레이의수출은 2000 년대후반에는 TV, PC, 노트북, 휴대폰에사용되는디스플레이가늘어남에따라급격하게성장하였다. 하지만특별한기술이필요없는단순조립공정인 LCD 모듈공정은해외로이전되고있어모니터및 TV용 LCD cell 형태의수출비중이확대될것으로예상되고있다. 2 2010 년 1분기에는삼성과 LG가각각전세계 TV 브랜드의 1, 2위를차지했으며, 이는유통망의확보가미흡한동유럽과일본을제외한거의모든지역에서 TV 브랜드로써자리매김을하고있다고볼수있다. 3 2011 년 1분기기준전세계 AMLED 패널시장의 99.4% 를점유한삼성모바일디스플레이는이미 5.5세대 AMLED 생산라인의절반을 polyimde 를기판소재로한플렉시블디스플레이라인으로구축한다는계획을갖고장비발주를마쳤다. 4 이와더불어 phase-3, A3 라인, 8세대파일럿 V1 라인의투자진행으로 LCD 대비가격경쟁력이확보된다면하이앤드제품군에서 AMLED 채용은지속확대될것으로기대되고있다. 5-6 삼성전자와 LG전자가 2012 년미국에서개최되었던 CES2012 에서 AMLED TV 제품을공개하였고, 올해 2012 런던올림픽과유로2012 등의개최로인해디스플레이업계의 LED TV 출시경쟁이치열해지고있다. 7,8 LED 시장이활성화되기전의주요상장기업 10개사를기준으로매출액과영업이익률을살펴보면매출액은매년 25% 이상씩증가했지만영업이익률은계속하락했다. 9 이유를살펴보면부가가치가높은핵심소재를대부분해외에의존하고있기때문이다. TFT-LCD 관련하여편광필름에주로 사용되는 TAC(triacetyl cellulose) 필름과 PVA(polyvinyl alcohol) 필름은일본기업이공급우위에있었으며, 백라이트에사용되는프리즘시트는 3M사가특허로인해독점하고있다. 10 국내디스플레이산업은최고수준이지만, 디스플레이부품소재산업에서는일본, 미국등에뒤쳐지고있다. 따라서정부는 2010 년 5월핵심소재국산화 (world premier materials, WPM) 사업을통해산학연의공동연구를도모하였다. 선정기업은 LG 화학, 제일모직, 삼성 SDI, LG 이노텍, 효성등이있다. 2010 년 5월 2018 년까지 9년간 1조원을투자하여부품소재세계시장점유율을 30% 이상까지올리는것을목표로하고있다. 11 3. 광학 ( 필름 ) 용점착제앞서언급되지는않았지만, 여전히해외제품에의존하고있는부품소재중에하나로는 CA(optically clear adhesive, 광학용점착제 ) 가있다. 12 그림 1(a) 는 LCD 단면구조를나타낸것이다. 백라이트에서나온빛이각필름과공기층의굴절률차이로계면에서반사되어약 8% 의빛만이우리눈에들어오게된다. 13 필름사이에는점착제가사용되는데필름을고정시킬뿐만아니라빛의손실을막아주어점착제의유무에따라그림 1(b) 와같이선명도에영향을주기도한다. 14 점착제의굴절률조절을위해고굴절물질인 phenoxyethyl acrylate (PEA) 등을사용하기도한다. 15 이와달리그림 2와같이무기계킬레이트를이용하여경화시킴으로써굴절률향상하는방법이제시되고있지만무기계킬레이트경화제는소량을사용 (a) (b) 그림 1. (a)lcd 단면구조, (b) CA 유무에따른선명도차이 (CEF; Contrast Enhancement Film). 48 고분자과학과기술 Polymer Science and Technology
박은숙 박지원 김현중 하므로굴절률에크게영향을미치지않는다. 16 고굴절점착제의사용처와달리 projection screen 에사용 되는렌즈에서는저굴절의점착제가요구되고있다. 여기에사용되는렌즈는투과된빛의평행정도가중요하다. 12,17-19 이를위해서는그림 3과같이 Fresnel 렌즈와 Lenticular 렌즈사이에굴절률이 1.4 이하의매질이필요하다. 1.4 이하의굴절률을갖는매질은공기, 물, 불소계고분자등이있다. 18 Air gap 으로는일정한렌즈간격을유지하는데어려움이있어굴절률이낮은점 접착제의개발이요구되고있다. 일반적으로사용되는것이불소계모노머인데, 그림 4를보면불소함량이늘어날수록굴절률이줄어듦을알수있다. 다음의 Lorents-Lorez 식으로써굴절률과분자의 polarizability 와 volume 과의관계를쉽게알수있다. n 2-1 4π Nα n 2 +2 3 여기서 n 은굴절률 (refractive index) 을나타내고 N 은단위부피당분자의개수, α는 mean polarizability 를나타낸다. 따라서낮은굴절률을갖기위해서는낮은 polarizability 를갖는동시에분자의크기가작아야한다. 그림 5를통해 R L (proportional to the induced dipole moment) 과 V L (molar volume) 의비로각원자의굴절률의크기를비교해볼수있다. 20 대부분의불소계물질은유리전이온도가상대적으로높아점착제에적용하기위해서는 Dahlquist theory 에의해 dynamic modulus 가약 10 7 dynes/cm 2 값을갖도록해야한다 ( 그림 6). 3.1. 편광판에사용되는점착제 LCD 패널에서점착제는주로편광판을유리기판에붙일때주로사용된다. 편광판의구조는그림 7과같다. 광학용점착제는우선투명해야하며탁도 (haze) 가낮아야한다. 그리고광학적으로등방성이어야하며, 환경조건의변화에따른착색, 변색이적어야하며, 이물및결점이없어야한다. 13 광학용점착제에서의요구사항중에서도편광필름에서가장중요시되는것은빛샘 (light leak) 현상을최소화하는것이다. 편광필름은 PVA 를연신하여편광특성을나타내기때문에수축량도커지게된다. PVA 아래위로 TAC 필름을대고아래 TAC 필름에만점착제가있는상태로유리에붙여지게된다. PVA 에수축응력이발생하게되면점착제로유리와붙어있는 TAC 필름에그힘이집중되어위상차가발생하게되어빛샘현상이나타나게된다 ( 그림 8). 이를최소화하기위해서는점착제의탄성제어가중요하다. 13,21 그림 9에서점착제의변형량이클수록빛샘현상이적은 그림 2. Zirconium acetylacetonate 와 acrylic acid 의반응. 그림 3. Rear projection screen 의구조. 그림 4. 불소계모노머의함량에따른굴절률의변화. Vol. 23, N. 1 49
일반총설 디스플레이용점 접착소재 것을볼수있다. 이와관련하여 butyl acrylate, 4-hydroxybutyl acrylate 와그림 10의모노머를라디칼고분자합성을통해점착제를만들어서편광판의빛샘현상을살펴보았다 ( 그림 11). Tetrahydrofurfuryl acrylate(thfa) 와 phenyl maleimid (PMI) 모노머를사용하여합성한점착제가 2.5 인치와 7.0 인치크기에서빛샘현상이가장적었는데, 이유로는 THFA 는이중가장낮은 T g, film(-41.5 ) 와탄성을갖고, PMI는가장높은 T g, film (-4.1 ) 와탄성을갖기때문으로생각된다. 그외의빛샘이많은것의모노머는중간의 T g 와탄성값을갖는다. 빛샘을줄이는중요한요인은낮은 T g 의모노머에서는높은 stress 완화작용이고, T g 를갖는모노머에서는높은수축저항력으로보인다. 낮은 T g 에서는온도상승에따라내구성이약하므로, 되도록 T g 와탄성을높게설계하는것이내구성이높고빛샘이적은점착제를합성할수있는방향이다. 디스플레이는고온이나열충격테스트등의신뢰성테스트를거치게되는데점착제도영향을받게된다. 신뢰성테스트 중발생하는기포로인해외관에영향을미치게되는데자세한현미경사진은그림 12와같다. 필름의가장자리가수축응력을많이받게되므로기포생성이두드러짐을볼수있다. 이러한발포는초기에는눈에보이지않을정도의이물에서시작되는데발포발생과정을추정해보면다음과같다 ( 그 그림 7. LCD 에사용되는편광판의구조.( 출처 : 편광판용점착제설계, 동우화인켐 (2010)) 그림 8. PVA 수축에따른점착제의수축모식도 WV(wide viewing)-tac. R L/V L 그림 5. 각원소에따른 R L(proportional to the induced dipole moment) 과 V L(molar volume) 의비와굴절률의분포. 그림 6. 진동에따른 PSA modulus(b curve Dahlquist theory). 그림 9. 각종점착제샘플의변형량과주변빛샘평가결과. 50 고분자과학과기술 Polymer Science and Technology
박은숙 박지원 김현중 림 13). 이물이점착제와유리판사이에존재하고그주변에점착제중의수분, 잔존용제, 잔존모노머등이모이게된다. 모이게된물질은고온으로인해기화가되어증기압이점착제의응집력보다커지게된다. 생성된기포는위에서언급한편광필름의수축에의해확대된다. 발포발생과정중에가장중요한것은이물이묻지않도록공정환경을깨끗하게유지하는것이다. 다음은증기압을견뎌낼만큼응집력을높이는것이중요하다. 응집력은점착의 3물성인 tack, peel strength, holding power( 또는 creep) 중 peel strength 와 holding power 의결과로살펴볼수있다. 높은응집력을위해서는폴리머의분자량을늘리거나가교도를높이는방법이있다. 23 폴리머의분자량은개시제의양과밀접한관계가있고, 분자량이커지게되면응집력은커지고 점착성능은줄어들게된다. 하지만분자량이너무커지게되면용융점도는분자량의 3.4승에비례하여커지게되어유동성이나빠지고, 접착계면에서의접촉면적이작아지게된다. 동시에기재와의상호작용이어렵게되어계면파괴 (interfacial failure mode) 가일어나기쉽다. 계면파괴는점착제의분리양상중하나로써이형태로 weak boundary layer(wbl) 의위치를알수있다. Cohesive failure mode 는 WBL가 PSA 안에존재하는것으로응집력 (cohesion) 이좋지않은것을알수있으며, interfacial failure mode 는기재또는점착제표면에 WBL이존재할때나타나는현상이다 ( 그림 14). 응집력을높이기위해경화도를향상시키는방법이제시되는데초기에경화도가작을경우에는유동성이크다. Tack 은이와같은분자의유동성에서주로기인하게되므로가장큰값을갖는다. 점착력과응집력은내부응집도가떨어질때낮은값을갖는다. 과경화되면분자의유동성이떨어져낮은 tack 값을갖게된다 ( 그림 15). 23 점착력을갖기위해서는고분자가유동성을갖고기재와의강한결합을이룰수있도록기재쪽으로확산해야한다. 과경화로인해확산이늦어지게되면점착력이떨어지게된다. 왜냐하면점착력은 tack 과같이매우짧은시간안에측정하는것이아니라. 일정한시간이흐른후에박리강도를측정하는것으로, 기재로의확산속도가중요한요인이되기때문이다. 응집력을높이는것과더불어발생되는기체를줄이기위 그림 10. Benzyl methacrylate (BzMA), phenyl maleimid (PMI), cyclohexyl methacrylate (CHMA), tetrahydrofurfuryl acrylate (THFA), tetrahydro furfurylmethacrylate (THFMA), tetrahydropyranyl methacrylate (THPMA), N-vinylpyrrolidone (N-VP), isobornyl methacrylate (IBXMA). (a) (b) 그림 11. 각모노머사용시편광판빛샘사진. 그림 12. 신뢰성테스트후발포의형상 (a) 푸른색, 붉은색화살표수축방향, (b) 기포확대현미경사진. 그림 13. 발포의발생과정모식도. Vol. 23, N. 1 51
일반총설 디스플레이용점 접착소재 해서관능기성분을필요최소한의양으로감소시키고물을적게흡수할수있는폴리머를설계하는것이중요하다. 3.2. 터치패널 (Touch Panel) 에사용되는점착제근래에들어 smart phone 및 tablet PC의수요가폭발적으로늘어나면서터치패널개발에대한관심이커지고있다. 터치패널의종류를살펴보면표 1과같다. Smart phone 이 전의핸드폰에저항막 (registive) 방식의터치스크린패널을주로사용하였는데, 현재는반응속도가빠른정전용량 (electros tatic capacity) 방식을채택하고있다. 터치패널에도역시광학용점착제가사용되고있는데, 공통적으로높은투과율, 낮은탁도가요구되며 IT(indium tin oxide) 에대한내부식성이요구된다. 또한작업용이성및불량감소를위해기포발생이최소화되어야한다. 여기서 표 1. 터치스크린패널방식비교 출처 : 정보통신산업진흥원주간기술동향 (2011 년 2 월 ) 그림 14. 박리에따른파괴모드. 그림 15. 가교밀도에따른점착 3 물성에미치는일반적인영향. 52 고분자과학과기술 Polymer Science and Technology
박은숙 박지원 김현중 IT 는투명한전도막으로스퍼터 (sputter) 방식으로수십 nm 로증착되고, 유리에시트 (sheet) 방식, PET 필름에롤투롤 (roll-to-roll) 방식으로진행된다. 그림 16과그림 17은유리기재에 IT 증착을한것을예로든것인데, 그림 16은유리의상하면에각각 X, Y축의전극을형성하였고, 그림 17은유리기재의한면에유전체를사이에두고 X축과 Y축을동시에형성한것이가장큰차이점이다. 공통적으로광학적점착제가 IT와직접닿는구조이기때문에비산성 (acid free) 이내구성측면에서크게작용한다. 왜냐하면장시간산에접촉할경우금속과반응하여전도막의저항을높여터치불량을야기할수있기때문이다. 25,26 광학용점착제를개발함에있어고려해야할사항을자세히살펴보자면다음과같다. 광학용점착제에서중요한것은투과율을높이고탁도를낮추는것인데, 높은온도와습도에 서장시간노출되면그림 18과같이부옇게보여서인성에영향을준다. 18,27 이와같은현상은외부의수분이점착제안으로흡수되어내구성측정조건에서팽창했다가응축되어빛을산란시키는것으로예상된다 ( 그림 19). 이에대한대응책은친수성또는친유성으로설계하면사용되는모노머가친수성일경우수분이흡수될것이고, 친유성이되면흡수되지못하여탁도상승에대한수분영향을줄일수있을것이다. IT 내부식성을높이기위해서는선행되어야할것은점착제설계시산을사용하지않는것이다. 극단적인예를들어그림 20에나타내었다. PET 필름기재에 IT가증착된면과점착제를붙인후 60 /90% 조건에서시간이지남에따른저항의상승정도를살펴보았다. Control 은점착제를붙이지않은것이며, 각예시에따른조성은사용된모노머의종류만을명기하였다. 아크릴산이들어가있는 comparative ex. 1의그래프가저항이급격히상승한것을알수있다. 이로써산이 IT에미치는영향을극명하게볼수있다. 이는 그림 16. 아이폰터치패널의구성도. 그림 19. 점착제의탁도상승의예상원인모식도. 그림 17. 박막형 n-cell 타입의터치패널의구성. Comparative Ex.1 IA(isooctyl acrylate)/aa(acryl acid) Ex. 1 BA(butyl acrylate)/ma(methyl acrylate) /HEA(2-hydroxy ethyl acrylate) Control Ex. 2 BA/MA/NNDMA(N,N-dimethylacrylamide)/HEA Ex. 3 IA/acrylamide 그림 18. 점착제의내구성평가후시인성변화관찰. 그림 20. 점착제종류에따른 IT 저항증가비교. Vol. 23, N. 1 53
일반총설 디스플레이용점 접착소재 (a) 표 2. 점착제에사용되는범용모노머 Monomers Structure Tackifiying monomers(soft) Molar mass (g/mol) T g( ) (b) 2-Ethylhexyl acrylate (2-EHA) 184.3-70 Isooctyl acrylate (IA) 184.3-70 n-butyl acrylate (BA) 128.2-54 그림 21. 점착제적용후기포발생원인 (a) 기재표면불균일, (b) 프린팅단차. (a) (b) 그림 22. 점착제적용후기포발생원인 (a) 미세기포, (b) 플라스틱기재의 outgas. 저항이높아지는것뿐만아니라 IT가부식됨에따라초기의투과도와달라지게된다. 28,29 점착제적용시불량원인으로많이지목되는것중에하나가기포발생이다. 이는앞서편광판에적용되는점착제에서신뢰성테스트조건에따라수축되는 PVA 로인해기포가과장되게보이는경우를짧게언급하였다. 본단락에서는기포가발생되는이유를점착제뿐만아니라점착제이외에서도찾아보고자한다. 첫번째는점착제가탄성이없어서기포가발생되는경우이다. 그림 21과같이두가지예를들수있다. 유리기재의표면이균일하지않아점착제를붙였을때그안에있던기포가미쳐빠져나가지못하는경우이다. 이와비슷한경우로다른한가지는터치패널의테두리 (bezel) 과같이인쇄된층의단차를점착제가모두채우지못하여발생되는기포이다. 색에따라사용되는 pigment 가달라져검은색은 10 μm 흰색은 40 μm 분홍색은 70 μm의두께를갖는다. 이두경우모두점착제가부드럽지못하여발생한것으로 T g 를높이거나겔분율 (gel fraction) 을낮추는것이해결방안으로제시된 Ethyl acrylate (EA) Methyl acrylate (MA) Vinyl acetate (VA) 2-Hydroxyethyl acrylate(2-hea) β- Acryloyloxypropionic acid Acrylic acid (AA) Monomers increasing T g(hard) 100.1-24 86.1-6 Monomers containing functional groups H 86.1 +28 H 116.1-15 H 144.1-10 72.1 +106 다. 이를통해응집력을약화시켜기포가쉽게빠져나갈수있도록해줌과동시에표면젖음성 (wetting) 의향상을기대할수있다. 표 2는점착제합성에서주로사용되는모노머의종류및특성을나타낸것이다. 원하는 tack 과 peel strength 값에맞게알킬기의사슬길이가 4~10 의탄소수를갖는 soft 모노머혹은 hard 모노머를선택하여디자인한다. 사용된모노머의비율과 T g 값에따라합성된점착제의 T g 를 Fox equation으로구할수있는데식은다음과같다. 54 고분자과학과기술 Polymer Science and Technology
박은숙 박지원 김현중 Tack 과 peel adhesion 을높이기위해 soft 모노머를사용하고응집력을부여하기위해 hard 모노머를선택한다. AA와 2-HEA 는기재와의부착력증진에도움을주기때문에소량사용하기도한다. 고분자디자인이외에도물리적인방법으로는오토클레이브 (autoclave) 를이용하여기포를빼내는방법도있다. 두번째는점착제층안에기포가갇혀있는예로써미세한기포가점착제안에존재하다가외부에서열을받아팽창하면서눈에감지될정도의기포로자라는것이다. 또한 PC(polycarbonate) 와같은플라스틱을기재로사용할경우기재에서발생되는가스가점착제내부로들어와서기포로보이게되는경우이다 ( 그림 22). 이와같은경우에는점착제의분자량또는겔분율을높여내부응집력을강화하여기포가커지지않게하거나, 초기에점착제안으로들어오지못하게하여해결하는방법이있다. 이처럼점착제적용시기포발생원인을정확히판단하고, 그에따른 T g 의조절과겔분율의조절그리고내부응집력의조화가중요하다. 이와더불어오토클레이브로처리하는것도기포제거시중요하다. 29 4. 실링을위한접착제 4.1. LCD 액정셀실링제 LCD 패널을만들기위해서는액정주입후액정이새어나오지않게하기위해실링 (sealing) 을해야한다. 액정을패널에채우는방식이 LCD 가대형화되면서액정주입방식에서액정적하공법으로바뀌었다. 실링제의경화방식에따라열경화수지와 UV 경화수지로나눌수있다. 열경화수지는주로에폭시수지를이용한다. 액정적하공법에서주로 (a) (b) 쓰이는 UV 경화수지는경화시간이빠를뿐만아니라열에의해유리기판이팽창하는것을배제할수있으므로접착의정밀도를높일수있다. 하지만배선의단차로인해그늘진곳의미경화의문제점도있다. 이는후열처리로내부경화를통해해결될수있는여지가있다. 30 UV 경화형실링제는완전경화전에액정과접촉하고, 액정이흐르지않게댐역할을해야하므로요구되는조건은액정과의작용이없어야하고, 점도가높아야한다. 31 수십만 mpa s로높은점도가요구되는것은상하판합착시셀 (cell) 내외부에압력차때문이다. 액정과의상용성을낮추기위해서는액정에녹을수있는낮은분자량의물질사용을피하고, 경화속도를빠르게한다. 경화반응중실링제의구성물중하나인미반응된광개시제가용출되거나 UV 조사에의해분해되는액정의부산물등이 outgas 를형성하여신뢰성을저하시키기도하는문제점이발생하기도한다. 이런문제점을해결하기위해서는실링제를조성할때에는미반응된모노머나광개시제가없도록해야하며동시에사용자는이에적용되는액정의종류를고려해야한다. 32,33 4.2. LED 봉지용에폭시및 Frit LCD 와마찬가지로 LED 역시영상표시를해주는부분을외부와차단하기위해서모서리부분의실링이필요한데, 그림 23(a) 와같이각제품군에있어서 LED 의신뢰성을위해서는 LCD 보다높은 barrier 물성을요구된다. 따라서실링제의수분및산소차단율이중요하게된다. LED 의유기물질이특히수분, 산소에취약하기때문이다. 실링이완벽하게되지않아유기물질이외부환경에영향을받게되면그림 23(b) 와같이발광영역내에검은점이생겨영상표시가불균일하게된다. 34 기존의 LED 는 LCD 를실링하는것처럼실링제를유리나금속기판에도포한후에 LED 기판과합착한다. LED 는발광하는방향에따라배면 ( 후면 ) 발광 (bottom emission) 과전면발광 (top emission) 으로나눌수있다. 배면발광은그림 (a) (b) 그림 23. (a) 디스플레이종류에따른요구되는 barrier performance, (b) dark-spot. 그림 24. LED 의발광모드 (a) 배면발광 (bottom emission), (b) 전면발광 (top emission). ( 출처 : AMLED Electronics, 삼성모바일디스플레이 ) Vol. 23, N. 1 55
일반총설 디스플레이용점 접착소재 24(a) 와같은구조로 TFT 회로가차지하는면적으로인해개구율 ( 단위화소에서빛이나올수있는면적 ) 이낮아지게되는단점이있지만, 금속음극을선택가능하며, 흡습제 (getter) 가불투명해도상관없다는장점이있다. 이때는에폭시또는 UV 경화형실링제와흡습제를동시에적용하여수분투과를지연하는방향으로봉지 (encapsulation) 시킨다. 그림 24(b) 는전면발광구조를나타낸것이다. 전면발광구조는개구율이배면발광구조보다높아고해상도의디스플레이구현이가능하지만투명한음극이필요하고흡습제를사용하지않는봉지기술이필요하여적용할수있는재료에는다소제약이있다. 흡습제를사용할수없기때문에모서리부분의실링으로만수분투과를방지해야한다. 이를위해 frit 실링제를사용하는데, frit paste 를스크린프린팅한후 IR 레이저를이용하여실링한다. Frit paste 를이용하는방식은녹는점이매우낮은유리파우더를바인더와섞어레이저를이용해실링하는부분만녹여서접착한다. IR 레이저를사용하기전에도수분및산소가투과할수있으므로에폭시 UV 경화실링제로먼 저봉지를한후레이저실링을실시한다. 35 대형화또는유연한기판을사용하면서봉지재의재료가더욱중요하게되는데, 앞으로는액상흡습제를가장자리에배치하고에폭시 UV 실링제를사용하거나, thin film encapsulation 방식을채용할것으로보인다. thin film passivation 을이용하고그위에흡습또는 buffer 역할을하는 adhesive layer를추가하는데, 용액상태에서스크린프린팅하거나, film을라미네이팅하는방법이있다 ( 그림 25). 35 5. 차세대디스플레이용점 접착제 5.1. Flexible 디스플레이 5.1.1. 봉지재용점 접착제위에서언급한봉지재료중 thin film 봉지재료는 flexible 디스플레이개발에있어서기판개발만큼중요한재료이다. 현재 3M, GE, Vitex, Fraunhofer, Alcan Packaging 등에서연구를하고있다. Alcan Packaging 사에서는얇은 PET 필름에 barrier 성이뛰어난무기막을증착후에접착제로여러 (a) Mocon test 개념도 그림 25. Passivation 막을이용한실링방식. (b) 접착제투습 / 투산소율측정방법 그림 26. Laminating 2 or more Face2Face Laminates (Alcan Packaging). (a) (b) (c) 접착제가장자리부분측정방법 그림 27. 플렉시블기판또는 thin film encapsulation 재료로검토되고있는 (a) 3M 사 barrier film, (b) Vitex 사 Flexible Glass TM barrier film. 그림 28. 투습 / 투산소율을측정할수있는 Mocon test 의모식도. 56 고분자과학과기술 Polymer Science and Technology
박은숙 박지원 김현중 겹을붙여 barrier 성을높였다 ( 그림 26). 하지만이는산소투과율이 23 에서 10-2 ccm/m 2 d bar 보다낮고, 수분투과율은 38 에서 10-2 g/m 2 day 로 LED 에사용되기에는부족한물성이다. 36 Barrier 성을높이기위해서접착제의투습성, 투산소성을더낮춰야하기에 multilayer lacquering approach 라는개념으로다층을쌓아서이를개선해나가려고한다. 34,37 Thin film 봉지재료는궁극적으로는유 무기막을한층만쌓았을경우에도 barrier 성이좋은것을추구하지만, 현재기술로는목표치에도달하기힘들기때문에유기막과무기막을교대로쌓아서성능을구현하고있다. Alcan Packaging 사도이런개념을도입한것이며, Vitex 사나 3M 사도마찬가지의구조를갖고있다 ( 그림 27). 이런봉지재료를적용할때에는점 접착제가필요한데점 접착제의성능은다음과같이측정한다. Mocon 테스트를주로하는데, 이는 10-3 g/m 2 day 까지만측정할수있으므로 device 에직접적용해보거나, general atomics tritium (HT) test 를하거나 Ca test 를진행한다. 그림 28과같이수분이통과할수있는기재사이에접착제를붙이고 Mocon 테스트를한다. 또한접착제의옆면으로통과하는수분을측정하기위해서는알루미늄호일을접착제와약 5 mm 정도겹치도록붙여서측정한다. 34,37 5.1.2. Flexible 디스플레이공정용점 접착제 Flexible 디스플레이를만들기위해서는공정중에 TFT 이형성되는기판의유연성으로인해핸들링, 수축팽창발생등의어려움이있다. Roll-to-roll 로공정이진행되면생산성에서유리하나트랜지스터를유기물로프린팅하는기술이나재료개발에있어서미흡한점이많다. 또한현재생산하고있는라인을그대로이용하기위해서는유리기판과같은단단한지지대에플라스틱필름을붙여서진행하는방법을선호하게된다. 이때도점 접착제가필요하게되는데, 공정중에는플라스틱기재를유리기판에고정하고있다가에너지를가하면기재를쉽게떼어낼수있는성능이요구된다. 몇가지개발된공정을살펴보면다음과같다. 5.1.2.1. Surface Free Technology by Laser Annealing /Ablation (SUFTLA) 기존에사용하던유리판에희생층박막을증착하고 TFT 를형성후물에녹는접착제를그위에도포하여임시기재를붙인다. 그리고 excimer laser 를이용하여희생층박막과 TFT 층을떼어낸후이것을다시플라스틱기재에영구적인접착제를이용하여붙인다. 물에녹는접착제가녹으면서임시기재와 TFT 층이분리된다 ( 그림 29). 그림 29. Surface Free Technology by Laser Annealing/Ablation(SUFTLA) 공정모식도 ( 출처 : Seiko Epson, SID 2003, Paper 21.3). Vol. 23, N. 1 57
일반총설 디스플레이용점 접착소재 그림 30. 플렉시블디스플레이의 Back Plane 을위한 Etching Stopper 공정모식도 ( 출처 : SNY, SID 2002, Paper 43.2). 5.1.2.2. Etching Stopper Etching stopper 도 SUFTLA 공정과마찬가지로임시기재와접착제를이용하여 TFT 층을형성한후이를플라스틱기재에다시붙이는기본개념을채택한다. 하지만, 유리기재를없애기위해 HF glass etching 공정이들어가므로임시접착제가 HF나세정시사용되는물에영향을받지않아야한다 ( 그림 30). 5.1.2.3. Lamination/Delamination Process 플라스틱기재에직접 TFT를형성하는방법으로 lamination/delamination 공정이있다. 플라스틱기재를유리기판에점착제로고정시켜 TFT 공정진행후박리시키는방식으로박리시키는방법은온도변화를이용하거나레이저를이용한다. 레이저를이용하여박리시킬때는폴리이미드와무기막을증착후그위에 TFT 공정을진행한다. TFT에영향를주지않는범위내의후처리를통해적은힘을가해도박리시킬수있는점착제의개발이필요하다 ( 그림 31). 그림 31. 플렉시블디스플레이의 TFT 형성을위한 Lamination / Delamination 공정도 ( 출처 : 삼성전자 ). 5.2. 그래핀공정용점 접착제그래핀 (graphene) 은높은전도도, 투명성및 crack-free 등의이유로차세대디스플레이에서 IT 투명전극을대체할재료로각광받고있다. 하지만그래핀을형성할때는 1,000 이상의고온을요구하므로이를직접플라스틱기재에적용하기에는힘들다. 최근에일본에서 300 ~ 400 에서그 그림 32. 롤공정을통한그래핀필름제작모식도. 58 고분자과학과기술 Polymer Science and Technology
박은숙 박지원 김현중 그림 33. 온도상승후발포하여점착력감소하는점착제 REVALPHA 의 SEM 이미지. 래핀을형성했다고는하나여전히기재에직접형성하기에는무리가있다. 따라서 Cu 호일에그래핀을형성한후플라스틱기재에전사하는방법을택하고있다. 자세한공정도는그림 32에나타내었다. 지지대는 thermal release film을사용하는데이는열을받게되면점착력을잃게된다. 타겟기재는 PET 필름등이사용되는데, 세정이외의전처리는진행하지않았다. 이는그래핀의층의개수가적을수록접착력이커지게되어별도의전처리가필요하지않는것으로생각된다. Si 2 와다층그래핀의접착력은 0.096 J/m 2, 약 5층그래핀은 0.151 J/m 2,2~5 층그래핀은 0.31 J/m 2, 단층그래핀과는약 0.45 J/m 2 의접착력을갖는다. 지지대로사용된필름은점착제안에발포첨가제가들어있어열을받게되면발포되어기재와점착제와의접촉면적을줄여점착력을약하게해주는역할을한다 ( 그림 33). 점착력은 2.5 ~ 7.3 N/20 mm 의범위는갖고 90 ~ 170 의열을가했을때점착력은거의사라져서자연스럽게떨어지게된다. 하지만, 열안정성이낮은플라스틱기재를사용해야하므로발포되는온도를 10 이상낮추어야하는개발여지는있다. 43 6. 결론 점 접착제는기재와기재를고정시켜주는것으로이전부터우리실생활에서많이사용되었던것이다. 일반적으로점 접착성만을요구했던것과는달리박형화, 대형화되는디스플레이분야에적용하면서광학특성및고기능성이요구되었다. 디스플레이공정중에점 접착제의사용량은적으나제품의불량률및신뢰성에미치는영향은매우크다. 또한차세대디스플레이를개발함에있어서각조건에따라점 접착력이달라지는제품의개발도요구되고있다. 하지만부품재 료의해외의존도가커서공정개발에있어더디게진행된다. 디스플레이용점 접착제의개발은기재의종류가다양하며전처리에따라표면성질이달라지고또한다양한공정조건으로인해개발자는디스플레이공정에대해심도있는이해가필요하다. 이를기반으로하여개발방향의선정이필요하며, 사용자도개발자와유기적으로협조하는것이무엇보다중요하다. 동시에점 접착제의기반기술이부족한국내상황에서는산학연의연계과정을통한기초연구의진행이필요하다. 참고문헌 1. 중소형디스플레이시장현황및전망, Monthly FCUS, 8월호, p.2, Korean Display Industry Association (2011). 2. H. J. Je, J. S. Hong, and Y. J. Kim, Trade Focus, Vol.9, No.18 (2010). 3. 2010년 1분기실적기준, 세계 TV 시장회복세로전환지속, Display Search (2010). 4. SMD, 5.5 세대 LED 공장절반이상플렉시블라인으로구축, 전자신문, 2012. 5. D. Y. Choi, LCD는업황개선 AMLED는폭발성장, LIG Research Center, Seoul, 2011. 6. http://www.samsungamoled.net 7. 삼성 LG 내년초 55인치 LED TV 격돌... 내년대형LED시장열린다, 전자신문, 2011. 8. LGD 올투자 4조원대... 하반기부터 LED TV 패널양산..., 전자신문, 2011. 9. C. G. Park, LG주간경제, 936 (2007). 10. S. W. Choi, 전자산업용정밀화학소재, Korea Institute of Science and Technology Information, Seoul, 2009. 11. 디스플레이부품소재산업현황, KB Industry Report 월간산업동향, 10월호 (2011). 12. E. P. Chang and D. Holguin, J. Adhes., 81, 495 (2005). 13. S. Masayuki, 粘着技術特集, 47, 56 (2009). 14. 3M TM Contrast Enhancement film Photograph, 2007. 15. M. Miyamoto, A. hta, Y. Kawata and M. Nakabayashi, Jpn. J. Appl. Phys., 46, 3978 (2007). 16. S. Y. Kim, D. H. Lim, J. K. h, Y. S. Cho, J. W. Park, and H. J. Kim, J. Adhe. Interf., 9, 27 (2008). 17. D. L. Holguin and E. P. Chang, Handbook of Pressure-Sensitive Adhesives and Products, I. Benedek, M. M. Feldstein, Editors, CRC Press, Boca Raton, 2009. 18. E. P. Chang and D. Holguin, J. Adhes., 81, 925 (2005). 19. E. P. Chang and D. Holguin, J. Adhes., 83, 15 (2007). 20. W. Groh and A. Zimmermann, Macromolecules, 24, 6660 (1999). Vol. 23, N. 1 59
일반총설 디스플레이용점 접착소재 21. J. Ma, X. Ye, and B. Jin, Displays, 32, 49 (2011). 22. I. Nam, K. Ha, K. Lee, L. J. Kim, C. Lee, M. S. Kim, and T. Chang, Int. J. Adhes, Adhes., 31, 708 (2011). 23. Z. Czech and M. Wojciechowicz, Eur. Polym. J., 42, 2153 (2006). 24. H. J. Kim, D. J. Kim, and G. W. Jo, 접착. 점착의화학과응용, The Society of Adhesion and Interface, Korea, Seoul, 2002. 25. M. G. Gwak, Semiconductor Insight, 39, 2 (2010). 26. J. -W. Park, S. W. Lee, Y. -M. Yoo, H. -W. Chung, W. -B. Jang, and H. -J. Kim, J. Photopolym. Sci. Technol., 24, 553 (2011). 27. N. Murata, IEEE Location, 48, 1178 (1998). 28. U.S. Patant., US20090087629 (2009). 29. Y. Yonekawa, 제12차접착기술강좌, The Society of Adhesion and Interface, Korea, Seoul, 2011. 30. J. Y. Yoo, J. W. Lee, and M. H. Seo, 디스플레이부품소재산업의현황및경쟁력분석, Korea Institute of Science and Technology Information, Seoul, 2005. 31. Y. -J. Park, H. -J. Kim, D. -S. Park, and I.-K. Sung, Eur. Polym. J., 46, 1642 (2010). 32. I. K. Seong, D. S. Park, Y. J. Park, and H. J. Kim, KIC News, 11, 51 (2008). 33. Y.-J. Park, D.-H. Lim, H.-J. Kim, D.-S. Park, and I.-K. Sung, Int. J. Adhes. Adhes., 29, 710 (2009). 34. T. Clausen and C. Dabruzzi, DE Solid-State Lighting Manufacturing Workshop., 34, 2009. 35. C. W. Han and Y. H. Tak, The Korean Information Display Society, 12, 6 (2011). 36. C. Y. Li, B. Wei, Z. K. Hua, H. Zhang, X. F. Li, and J. H. Zhang, ECTC 2008. 58th Location, 1819, 2008. 37. M. P. Rosenblum, Bier film - technology and scaling, Roll-to- Roll Processing Workshop, 4, 2006. 38. J. G. Gu, Concept of Barrier Properties of Packaging Materials- Its Impact in Food Packaging. 39. S. Bae, H. Kim, Y. Lee, X. Xu, J.-S. Park, Y. Zheng, J. Balakrishnan, T. Lei, H. Ri Kim, Y. I. Song, Y.-J. Kim, K. S. Kim, B. zyilmaz, J.-H. Ahn, B. H. Hong, and S. Iijima, Nat. Nano, 5, 574 (2010). 40. J. D. Caldwell, T. J. Anderson, J. C. Culbertson, G. G. Jernigan, K. D. Hobart, F. J. Kub, M. J. Tadjer, J. L. Tedesco, J. K. Hite, M. A. Mastro, R. L. Myers-Ward, C. R. Eddy, P. M. Campbell, and D. K. Gaskill, ACS Nano, 4, 1108 (2010). 41. R. Huang, Nat. Nano, 6, 537 (2011). 42. J. Kim, M. Ishihara, Y. Koga, K. Tsugawa, M. Hasegawa, and S. Iijima, Appl. Phy. Lett., 98, 091502 (2011). 43. Nitto Denko, FY2007 Adhesion Society of Japan, 45, 65 (2007). 60 고분자과학과기술 Polymer Science and Technology