OLED공정관련1

OLED 디스플레이 제조 공정(1)

 

OLED(Organic light emitting diode)는 두 개의 전극 사이에 유기물을 배열하고 전계를 가하여 빛을 내는 디스플레이의 한 방식으로 고효율, 고속응답, 저소비전력, 고화질, 광시야각 등 차세대 디스플레이로서 필요한 모든 요소를 가지고 있어 차세대 디스플레이로 주목을 받고 있다.

OLED는 1997년 일본의 Pioneer에 의하여 처음 상용화된 후 그 잠재적 특성으로 인해 많은 관심을 받았으나 재료, 공정, 디스플레이 특성의 모든 면에서 기대 이하의 성능을 보이면서 한동한 침체기에 빠져들었다. 그러나 2007년 삼성 SDI의 AMOLED의 본격적인 양산 이후 시장으로부터 높은 관심을 받고 있으며 LCD보다 우수한 화질을 무기로 점차 채용 기기가 늘어 가고 있는 추세이다.

현재 OLED는 삼성 SDI와 삼성 전자로부터 만들어진 SMD는 전세계 AMOLED 제품의 대부분을 생산하고 있다.

OLED는 비록 국내에서 최초로 상용화한 것은 아니지만 초기부터 국내에서 세계 시장을 선도해 나가는 거의 유일한 제품이라고 할 수 있으며 이에 우리의 행보에 전세계가 주목을 하고 있는 실정이다. 국내 기업이 이러한 위상 확보에는 장비, 소재, 부품 등의 후방산업과 전세계에서 가장 앞선 공정 기술이 기반이 되고 있다.

OLED는 다음과 같은 구조를 가지고 있다. OLED 디스플레이는 OLED 패널 부분과 Driving circuit 부분으로 나누어 볼 수 있으며 이중 OLED 패널 부분은 기판, Backplane, OLED pixel, Encapsulation으로 이루어진다.

공정 순서는 구동 소자인 TFT와 각종 배선을 형성하는 Backplane 공정, 빛을 내는 화소를 형성하는 OLED 공정, 소자보호를 위한 봉지 및 scribing 공정, 구동 부를 붙이는 Module 공정의 순으로 이루어 진다.

 

OLED 디스플레이의 제조 공정은 유사한 FPD인 LCD와 비교할 때 비슷하면서도 많은 차이를 보이고 있다.

LCD와 OLED 모두 유리 기판에 TFT를 구동소자로 사용하는 backplane을 가지고 있으나 TFT 제조 공정은 최소 2개 이상의 poly-Si TFT를 사용하는 OLED에서 좀더 복잡한 공정을 갖는다. 반면 이후의 공정에서는 OLED가 LCD에 비하여 더 짧고 간단하게 구성된다. OLED는 LCD와 비교할 때 액정 공정, 상하판 조립, BLU 조립 공정이 없어 상대적으로 단순하다는 장점을 가지고 있으나 칼라필터가 아닌 유기물을 증착하여 화소를 만들어야 한다. 이 두 가지는 OLED 제조 공정의 특성이라고 할 수 있다.

OLED로 디스플레이 제작을 위해 위해서는 다음과 같은 큰 전제를 바탕으로 하여 공정이 개발, 수행되어야 한다.

 

첫째, OLED의 주요 발광 소자는 유기물과 금속으로 이루어져있으며 이 둘은 모두 물과 산소에 매우 민감한 물질로 공기 중에 노출시 성능 저하 및 불량이 발생하게 된다. 따라서 OLED 소자의 형성 과정 및 형성 후에는 공기 중에 노출되는 공정은 절대적으로 피해야 한다.

둘째, OLED의 휘도는 전압이 아닌 전류에 비례하여 나타난다. 따라서 OLED를 능동 구동(Active matrix) 디스플레이에 적용시키기 위해서는 OLED에 반복적으로 재현성이 있으면서도 많은 전류를 트랜지스스터 안에 흘려주어야 하며 이를 위해서는 최소 2개 이상의 트랜지스터가 넓은 면적을 차지하고 있어야 한다.

OLED 제조 공정은 위의 특성으로 인해 다른 디스플레이와는 다른 유기 발광소자 중 화소 형성공정, AMOLED를 위한 결정화 공정을 가지게 되는데 본 칼럼에서는 이러한 공정과 향후 대형화를 위한 공정 이슈에 대하여 총 4번에 걸쳐 다기로 하겠다.

1. Backplane 및 TFT 공정

OLED를 구동에 따라 분류하면 PMOLED와 AMOLED로 구분할 수 있는데 두 방식의 backplane은 다른 구조를 가지고 있다.

AMOLED는 기판 위에 TFT array가 위치하며 이 위에 Anode 전극이 형성되고 전기적으로 절연시키기 위한 절연층이 덮여 있다. 이 절연층으로 화소가 형성되는 영역를 선정하여 놓은 후에 유기물을 증착하게 된다.

이에 반하여 PMOLED는 애노드 전극, 절연막, cathode separator 순으로 공정이 진행된다. cathode separator는 PMOLED만 있는 것으로 메탈 마스크의 특성상 가늘고 긴 cathode line을 끊기지 않고 증착하여 형성하기는 힘들기 때문에 cathode separator라는 Photoresist로 역상의 구조물을 만들어 증착함으로써 전기적으로 분리가 된 많은 cathode 전극을 만들어 낸다. AMOLED에서 cathode전극은 공통 전극으로 사용하기 때문에 cathode separator는 사용되지 않는다.

OLED는 LCD와 달리 전류에 의해 휘도를 조절하는 전류구동 방식의 소자이므로 AMOLED 각각의 화소를 구동하기 위해선 그림 12에서와 같이 최소 2개 이상의 TFT가 필요하다. AMOLED 화소를 구동하기 위한 TFT는 스위칭 TFT 및 구동 TFT로 나뉜다. 스위칭 TFT는 각 OLED 내로 데이터 정보를 전달하는 역할을 하며 데이터 버스선에 의해 전달된 정보는 구동 TFT의 게이트 전압으로 인가되어 구동 TFT에 의해 전류로 변화되어 OLED 화소로 전달된다. 또한 데이터 저장용량은 전달된 데이터를 저장함에 따라 스캔버스선의 신호가 다음 줄로 넘어가도 계속해서 정보를 유지하여 OLED 화소에서 빛이 방출되도록 하는 역할을 한다. 전력선은 구동 TFT로부터 전류가 흘러갈 수 있도록 한다.

OLED는 전류량에 따라 휘도가 결정됨으로 소자 안에 충분한 전류를 흘려주기 위해서는 구동 TFT안에 많은 전류가 흘러야 한다. 따라서 a-Si TFT로는 이에 충분한 전류를 흘려주기 어렵고 또한 많은 전류에 의한 TFT 열화현상이 발생하게 된다.

따라서 OLED에서는 poly-Si TFT를 사용하게 된다. Poly-Si TFT를 만들기 위한 방법은 레이저 또는 열처리를 하는 다양한 방법이 존재하지만 현재 양산에서는 주로 Eximer laser를 이용한 결정화 방법이 주로 사용되고 있다.

레이저를 이용한 결정화 공정은 공정 수율이나 단가 등 여러 문제를 가지고 있으나 그 중 하나는 소자의 불균일에 있다.

레이저 공정으로 만들어진 poly-Si은 다양한 크기와 위치를 갖는 grain을 형성하므로 TFT의 특성은 각기 다른 특성을 갖게 된다. 이를 보상하기 위해서는 결정화 방식의 개선과 보상회로를 사용하는 방식이 제안되고 있다.

균일도 보상회로에 의한 방식은 개구율의 감소에도 불구하고 현재 가장 일반적으로 사용되는 방식이다. 하지만, 균일도 보상회로 방식은 TFT의 개수가 많아 개구율이 작아질 뿐 아니라, 제조 과정에서 생길 수 있는 TFT의 불량 가능성이 더욱 높다. 이러한 불균일성은 레이저 결정화에 의한 poly-Si TFT에서 가장 심하게 나타나므로 앞에서 설명한 것처럼 일정한 크기의 그레인을 갖는 다결정 Si을 제조하는 방식이 연구되고 있다.

 

OLED 디스플레이 제조 공정 (2)

 

이번 칼럼에서는 OLED 제조 공정 중 화소 형성 기술의 한 분야인 진공 증착 방법에 대해서 살펴보기로 한다.

1. 화소 형성 공정 유기 발광 소자를 제작하는 방법은 크게 4가지로 나누어 볼 수 있다.

현재 양산에 적용되고 있는 방법은 FMM(Fine metal mask)를 사용하는 진공 증착법이다. 이 방법은 현재 양산에 적용되고 있어 기술적으로도 검증이 되어 있고 이를 위한 재료 및 장비의 개발도 상당한 완성도를 보이고 있다. 그러나 이 방식은 대면적, 고해상도 구현에 있어서 치명적인 문제점을 가지고 있으며 고가의 장비사용에 따른 생산 단가 절감이 본질적으로 어렵다는 단점을 가지고 있어 이를 개선하기 위하여 Color change 방법, Printing 방법, Transfer 방법이 있다.

OLED의 사용되는 금속 전극, cathode는 전자 주입 특성을 향상시키기 위하여 낮은 일함수의물질을 사용하며 이 물질들은 물 또는 산소에 매우 반응성이 큰 물질이며 유기물의 경우에는 물과 산소에 매우 취약하기 때문에 유기물 및 금속을 형성하는 공정은 물과 산소로부터 차단된 환경에서 이루어져야 한다. 이런 차단된 환경을 만드는 방법 중 가장 일반적인 방법은 진공 상태로 만드는 것으로 유기물과 금속은 진공 상태에서 열을 가해 증발시킴으로써 증착이 되게 된다. 그러나 단순한 증착만 해서는 화소를 만드는 것이 불가능하다는 단점이 있다. 화소 물질을 증착 후 photolithography와 같이 공기 및 각종 용매에 노출되는 공정을 수행 할 수 없기 때문에 OLED 소자 형성 공정은 증착과 동시에 패터닝이 이루어져야 한다. 따라서 진공에서 증착시 FMM을 이용하여 필요 영역에만 유기물을 증착하는 방식이 주로 이루어지고 있다

진공 증착으로 유기물과 금속을 증착하는 방법은 메탈 마스크의 종류에 따라 FMM을 사용하는 공정과 공통마스크를 사용하는 공정으로 나눌 수 있는데 FMM은 화소를 형성할 때 사용하며 공통마스크는 따로 패턴이 필요하지 않은 공통층, HIL, HTL, ETL, cathode를 형성할 때 사용한다. 공통 마스크는 미세 패턴이 없기 때문에 상대적으로 대면적화에는 큰 어려움이 없으나 FMM의 경우에는 많은 난점들이 존재하게 된다.

메탈마스크는 SUS 등의 금속을 이용하여 만들며 화소 크기를 구현하기 위하여 15~30um의 얇은 금속 막에 수십 um정도의 매우 정교한 화소 패턴이 뚫려진 형태로 되어 있다. 아래쪽의 유기물 또는 금속 소스에서 증발된 물질들은 mask를 통과한 부분에만 증착되게 된다. 이 방식은 현재 양산에 적용되고 있는 방식이지만 여러 문제점을 가지고 있다.

먼저 고해상도의 디스플레이 화면을 제작하기 위해서는 화소 크기와 화소 간의 간격이 작아져야 하지만 FMM이 최소 두께에 의하여 화소의 크기에 제한을 받게 된다. 둘째, 증발원을 사용하여 증착하다 보니 유리 기판과 마스크가 위쪽에 놓이고 소스가 아래쪽에 위치하게 되는데 유리와 마스크가 얇고 넓은 면적을 갖기 때문에 처짐 문제가 발생하게 된다.

유리와 마스크 처짐은 기판 크기가 증가할 수록 증가하며 이로 인해 스크래치 등의 불량이나 화소가 정확히 구현되지 않는 단점이 발생하게 된다.

 

이러한 점들을 개선하기 위하여 기판이 위에 위치하는 상향식 증착 방법을 기판과 소스가 수직으로 나란히 놓이게 되는 수직형 증착 방식이나 CVD와 유사하게 별도의 장소에서 유기 증기를 만들어 공정 챔버 안으로 이송시키는 OVPD 방법 등이 연구되고 있다.

OLED 디스플레이 제조 공정(3)

지난주에는 유기발광소자를 제작하는 방법 중 화소형성 공정중 진공 증착법에 관해서 살펴보았다.

이번 주에는 Solution printing에 관해서 살펴보도록 하겠다.

 

B. Solution printing

화소에 들어가는 대부분의 유기물은 유기 용매에 쉽게 녹는 특성을 가지고 있다. 이러한 특성을 이용하여 유기물을 용액화시켜 화소를 인쇄시키는 방법에 대해서도 많은 연구가 이루어지고 있다. 대부분의 인쇄 공정은 우리가 신문이나 대형 인쇄물에서 보듯이 대면적에 비교적 높은 정밀도를 가지고 다양한 색을 혼색 구현 가능하듯 높은 수준의 제어가 가능하기 때문에 이러한 기술을 디스플레이에 응용하고자 하였다. 제일 먼저 제안된 방식은 screen printing 방법인데 이 방법은 초기에 진공 증착기가 없을 때 연구되었던 방법이나 현재도 저가 구현을 목표로 하는 그룹에서 소규모로 연구가 진행 중에 있다.

 

가장 기대를 많이 받고 있는 방식은 잉크젯 프린팅 방법이다.

잉크젯은 그 특성상 원하는 부분에 잉크를 직접 인쇄하는 것이 가능하다. 잉크는 발광 또는 전하 수송의 특성을 갖는 유기물을 유기 용매에 녹인 용액을 이용하여 제작하며 디스플레이에 특화된 헤드를 사용하여 인쇄 공정을 진행한다. 잉크젯 프린팅 방식은 원하는 부분에만 재료를 형성시킬 수 있기 때문에 재료의 이용효율이 높은 장점이 있으며 대형화에 용이한 장점을 가지고 있다. 또한 잉크젯 프린터는 포토마스크나 FMM 같은 물리적인 마스크가 아니라 인쇄될 위치에 대한 도면만 있으면 작업이 가능하여 비용절감이 가능하고 다품종 제작에 매우 유리하다.

잉크젯으로 공정을 하기 위해서는 디스플레이가 고해상도와 정교한 패턴 형성을 요하기 때문에, 정확한 잉크 방울의 크기 조절, 정확한 위치의 조절, 잉크젯 프린팅에 의해 형성된 막의 두께 및 모양 균일도 등이 중요하다. 잉크 방울의 크기는 형성되는 막의 두께에 영향을 미친다. OLED의 경우 두께에 따라 구동전압, 효율, 빛의 밝기 등이 달라지므로 잉크 방울의 크기는 특히 중요하다고 할 수 있다.

잉크젯 방법은 많은 기대를 보임에도 불구하고 아직까지는 공정 제어가 어렵고 다층 구조의 소자 제작이 어렵고 우수한 소재가 개발되지 않아 상용화 적용까지는 상당한 시간이 걸릴 것으로 예상되고 있다.

 

용액을 이용한 공정 중에서 가장 최근에 주목을 받는 방식은 Roll printer를 이용한 방식이다. 용액 재료의 공급과 전사 방식에 따라 그라비아, 옵셋 등 다양한 방법이 있을 수 있으며 이러한 방식은 대부분 인쇄용 장비로부터 차용하여 온 것이다. R2R 방식이 플렉서블 디스플레이에서 채용될 것이라고 많은 사람들이 전망하기는 하였으나 R2R 방식의 기판 이송시 어떤 방식으로 패턴을 만들어 내는가 하는 것에는 아직까지 명확한 답은 나오지 않았으나 그 방법 중 일부가 될 것으로 전망되고 있다. 현재 이 방법은 정밀한 화소를 형성하기에는 재료나 Roll 가공기술, 공정 기술 등이 부족하여 디스플레이 보다는 OLED조명 쪽에서 먼저 적용될 수 있을 것으로 예상되고 있다.

 

OLED 디스플레이 제조 공정(4)

지난주에는 OLED 제조공정 중 진공증착법 및 Solution Printing에 관해서 살펴보았다. 오늘은 마지막 시간으로 color change 및 Transfer tech 와 OLED의 경쟁력 확보를 위한 대면적화기술 이슈를 다루어보기로 한다.

 

C. Color change
색변환 방법은 청색을 이용하는 방법과 백색을 이용하는 방법이 있는데 청색을 이용하여 적색과 녹색을 구현하는 CCM(color change media)방법은 청색의 낮은 효율과 수명으로 인하여 많은 연구는 진행되고 있지 않다. 가장 대표적인 color change 방법은 LCD와 유사하게 color filter를 적용하는 방식이다.

LCD에서는 BLU로부터 나온 빛을 적녹청의 filter를 통과시켜 색을 분리해 내고 각각의 세기는 액정으로부터 제어하는 방법을 사용하는데 OLED에서는 BLU 대신 White OLED를 쓰고 color filter는 그대로 차용하는 방식이다.

이 경우에는 BLU와는 달리 OLED소자가 각각 개별 구동을 하기 때문에 액정 부분이 빠질 수 있어 단순화된 구조를 얻을 수 있는 장점이 있다. 또한 적녹청의 화소를 각각 형성하지 않아도 되므로 앞의 증착 공정에서와 같이 FMM을 사용하지 않아도 되고 Color filter 기술은 이미 완성도가 높은 기술로 거의 불량이 없고 대면적, 고해상도 구현도 용이하다는 장점이 있다.

 

이 방법은 쉽게 대면적 고해상도를 얻을 수 있다는 장점에도 불구하고 색감에 있어서 OLED의 장점을 잘 살리지 못한다는 단점이 있으며 Color filter로 부터 불량이 발생할 수 있다는 문제가 있다.

D. Transfer tech
전사 방식은 고분자 필름이나 유리기판 등에 이미 성막시켜 놓은 유기막을 레이저나 열을 통해 원하는 기판 위에 전사시키는 방법으로 가장 높은 정밀도를 갖는 방법이다. 전사 방식은 판박이를 코팅하는 방법과 유사하다 전사 방식을 이용하면 FMM 등이 불필요하며, 사용하는 레이저 빔의 직경을 작게 하면 아주 작은 화소 패턴 형성이 가능하므로 고해상도의 디스플레이 구현이 가능한 장점이 있다. 하지만, 유기물을 모기판으로 코팅하고 다시 TFT 어레이 기판으로 옮기므로 OLED의 효율 및 수명이 저하되는 단점이 있다. 이러한 전사 방식은 사용하는 모기판의 재료와 전사를 위한 에너지원에 따라 LITI (Laser Induced Thermal Imaging), RIST(Radiation Induced sublimation Transfer), RIPS(Laser Induced pattern-wise sublimation) 방법이 있으며 이는 각각 SMD, Kodak, Sony에 의하여 제안되고 있다. LITI방식은 폴리에스터와 같은 고분자 필름에 유기물을 진공증착 또는 스핀 코팅 방식에 의해 코팅한 도너 필름을 제작하고 이를 레이저를 사용하여 전사시킨다.

이때 도너 필름에서 유기물이 잘 떨어지도록 하기 위하여 빛열변환 층을 코팅하여 주며 사용되는 레이져는 YAG 레이저가 주로 사용된다. LIPS 방식은 도너 기판이 되는 유리 기판 위에 일반 진공 증착기를 이용하여 유기물을 증착한 후 증착된 기판을 공기 중에 노출시키지 않음과 동시에 대향 기판에 미리 설정된 PDL (Pixel Defined Layer)에 의해 유기물과 기판을 접촉하지 않게 하는 비접촉식 전이기술이다. LIPS 방식은 유기물 증착 패턴의 위치를 정교하게 조절할 수 있는 장점이 있으며, 기존 증착 방식에 의한 OLED의 성능에 거의 근접하는 성능을 얻을 수 있는 장점이 있다. LIPS를 위한 레이저로는 약 800 nm 파장의 반도체 레이저가 이용되기 때문에 안정적인 출력을 얻을 수 있고 가격이 저렴한 장점이 있다.

3. 대형화를 위한 기술 이슈

OLED의 경쟁력 확보를 위해서는 OLED 제조 공정의 대면적화가 필요하다. 투입되는 기판의 크기 증가는 생산성과 생산되는 제품군의 다양화를 이루어낼 수 있다. 또한 고해상도, 수명, 생산 yield가 기본적으로 담보되어야 한다. 이를 위해서는 OLED 제조 장비의 대면적화와 이에 따른 공정 기술 개발이 매우 절실하다.

대면적화를 위해서 앞에서 기술한대로 다양한 공정 방식이 제안되고 있으나 현재 양산 적용중인 진공 증착 방식에 대한 연구도 지속적으로 수행되고 있으며 향후 6세대 이상의 제조 장비 개발을 위하여 국내 장비 개발사인 SNU, SFA, 선익 등에서 개발을 진행하고 있다. 진공 증착으로 대면적화를 위해서는 유기물 또는 금속의 소스, 메탈마스크, glass 및 마스크 이송시스템, 장비의 구성 등에 있어서 많은 개선이 필요하다.

용액 공정의 경우 다양한 방법들이 제시되고 있지만 현재는 탐색 수준이라고 할 수 있다. 현재 용액 공정의 소재, 장비, 공정 모두 낮은 수준에 불과하고 이를 위해서는 각각 기술에 대한 연구가 더욱 진행되어야 할 것으로 보인다. 그러나 궁극적인 저가에서의 대면적 공정은 용액 공정이 될 것으로 많은 사람들이 전망하고 향후 이 기술에 대한 발전 방향에 많은 기대를 걸고 있다. 또한 플렉서블 디스플레이에서는 용액 공정을 이용한 R2R 프린팅 공정으로 전개될 가능성이 높아 이에 대한 준비도 이루어져야 한다.

대면적화를 위해서는 앞의 기술한 내용 이외에도 봉지에 대한 개발이 필요하다. 봉지는 현재 봉지용 유리를 Frit glass로 붙이는 방식이 사용되지만 대면적화 및 플렉서블화를 위해서는 다층박막의 코팅에 의한 방법으로 진행될 것으로 생각되며 이를 위한 공정 및 장비 개발이 반드시 필요하다. 현재 제안되고 있는 몇몇 다층 박막 방식들은 장비 가격이나 생산성, 산소나 수분 차단 특성 등 대부분의 사항에서 만족할 만한 수준을 보여주지 못하기 때문에 이를 개선할 수 있는 새로운 물질과 구조의 개발도 필요하다.

출처: (재)충남테크노파크 디스플레이센터 뉴스레터 http://cnd.ctp.or.kr/_newsmail/126/index01.asp