OLED, 제조, 모듈 >>

 

전공정과 후공정으로 구분할 때, LCD는 백플레인(TFT) 기판과 컬러 필터 기판을 각각 제조하는 과정이 전공정, 그리고 두 기판을 합착한 뒤 여기에 모듈화 공정까지 더해지는 것을 후공정으로 정의합니다. OLED에서는 TFT 백플레인 제조가 전공정, 그리고 이 위에 OLED 소자를 제조하고 모듈화 공정까지를 후공정으로 구분하죠. 따라서 후공정까지 거치면 모듈이 완성됩니다.

OLED의 모듈화 공정에서는 BLU 연결은 필요하지 않으며, 단지 편광판 부착, 그리고 구동용 집적 IC(Integrated Circuit)와 회로가 하이브리드 구성된 유연 인쇄 회로 기판(Flexible-Printed Circuit Board, F-PCB)을 연결시키면 OLED 모듈이 완성됩니다. 물론 세부적으로 살펴보면 응용 제품과 생산성 등을 고려하여 다양한 모듈화 공정이 적용되죠. 일례로 터치 센서를 어디에 위치시키는지에 따라 부착형(add on-type), 온 셀 형(on cell-type), 그리고 인 셀 형(in cell-type)으로도 구분되지요.

 

 

OLED, 기술 이슈들 >>

여기에서는 지금까지 OLED를 공부한 내용에 더하여서 조금 더 깊은 내용의 설명과 이해, 그리고 현재와 앞으로의 OLED 기술 발전을 위한 기술적 이슈들을 다루고자 합니다. 이를 위하여 소재, 폼 팩터(유연, 탄성 등), 공정, 그리고 생산과 관련된 내용으로 구분, 설명을 이어가고자 하며, 뒤를 이어서 성능 향상과 관련된 내용들이 더해질 것입니다.

 

 

디스플레이들 중에서도 OLED에서는 소재의 의존도가 매우 큽니다. 특히, OLED 소자 내에서의 유기층 소재들이 그러하죠. 기업의 자체 개발 노력도 중요하지만, 일본과의 수출입 규제 갈등을 통하여 소재, 부품의 국산화의 절실함이 더욱 강조되는 현실입니다.

OLED에 적용되는 소재로는 기판으로 유리와 플라스틱이 있고, 양극과 음극의 전극 재료가 있습니다. 이에 더하여 유기물들로 이루어진 전자와 정공의 주입층, 수송층, 발광층, 그리고 차단층 등이 있으며, 소자 위에는 봉지 재료가 필요하게 되죠. 경우에 따라서는 컬러 포토 레지스트와 필터용 소재가 필요하기도 합니다. OLED의 윗 부분에는 편광판, 그리고 커버 유리나 플라스틱이 설치됩니다. 물론 나노 셀이나 양자점과 같은 다소 간접적인 관련 소재들도 있습니다. 특히 핵심이 되는 OLED 소자용 유기 소재에 대해서는 앞서, ‘OLED, 다층막 코너’ 등에서 다루었으며, 나머지 다양한 소재들에 대해서는 향후 차근차근 전개하기로 합니다.

 

 

 

 

유연성을 구현할 수 있는 디스플레이(flexible display)로는 OLED, LCD, 그리고 EPD(ElectroPhoretic Display) 등이 있습니다 다만, 얇음과 구부러지는 정도, 그리고 화질과 성능 등을 따져보면 플라스틱 기판 위의 OLED가 압도적으로 유리합니다. 앞서 언급하였듯이 유연 디스플레이는 두루마리 공정으로 제작되며, 플라스틱 필름 기판 위에 유기 TFT를 백플레인으로 하고, 디스플레이는 용액형 OLED, 봉지 구조는 박막 방식을 적용하는 경우가 가장 이상적입니다. 그리고 이의 시작인 플라스틱 OLED, 유연 OLED에서는 여전히 개발이 더 필요한 여러 기술들이 있죠.

 

 

유연함(flexibility)이 대세를 향하고 있죠. 유연함은 딱딱함(rigid)에서 형상을 따라감(conformable)으로 이어지는 중간 단계입니다. 

즉, 모양은 바꿀 수 있으나 크기를 바꿀 수는 없죠. 그리고 유연함의 정도는 구부리거나 접었을 때 경계면을 따라가는 원의 반지름, 곡률 반경(Radius of Curvature, RoC)으로 나타냅니다. 예를 들어 가장자리가 구부러진 ‘엣지’ 폰의 경우 RoC 값은 대략 7mm 정도입니다. 일반적으로 휠 수 있는(bendable) 경우에는 7mm 정도, 말수 있는(rollable) 경우에는 5mm, 그리고 접을 수 있는(foldable) 경우에는 1mm까지를 요구합니다.

 

 

변형이 가능한 유연, 플라스틱 OLED의 기초가 되는 부분들로는 플라스틱 기판, 유연성과 고성능을 겸한 백플레인과 유기물 층들, 상부 발광을 위한 유연, 투명 전극, 박막 봉지, 그리고 커버 플라스틱 등을 들 수 있습니다. 기판의 경우, 기존의 폴리이미드 바니쉬에서 진정한 플라스틱 필름으로 전환하여야 합니다. 얇은 유리나 금속 기판은 매력 포인트도 있지만, 높은 가격과 불편한 공정, 그리고 내열성을 지닌 평탄화 층의 필요성 등 변치 않는 단점들이 존재합니다. 백플레인은 지금의 LTPS-TFT와 산화물 TFT의 생산성 확보와 함께 유기 TFT를 지향하여야 하죠. 디스플레이부는 OLED이어야 함은 분명하지만, 높은 해상도의 구현과 함께 용액 공정을 적용한 가격 절감 방안도 마련되어야 합니다. 그리고, 봉지 기술은 층수는 줄이고 면적은 넓어지는 박막 봉지 방식이 확대 적용되어야 하죠.

 

터치 스크린은 높은 가격과 불편한 공정, 그리고 내열성을 붙이는 별도(add-on)형에서 박막 봉지 공정 후 연속 증착 공정으로 터치 패턴을 형성하는 셀의 바로 위(on-cell)형으로 전환되고 있으며(in-cell은 LCD의 경우), 고정된 휨이 아니라 변형되는 휨으로 접어들면서 커버 글라스는 커버 플라스틱, 즉 무색의 폴리이미드(Colorless PolyImide)로 전환되고 있습니다. 
 

 

또한, 커버 플라스틱의 경도와 주름 관련 문제점들을 개선하기 위하여 커버 글라스를 매우 얇게 가공한 초박형 유리(Ultra Thin Glass, UTG) 적용도 시도하고 있죠. 봉지(encapsulation) 구조도 캔이나 리드 구조, 하이브리드 구조에서 다층막 구조로 진화됩니다. 이는 생산 라인의 변화도 가져오죠. 즉, 별도의 봉지용 시설 라인이 필요하였지만, 이제는 음극 증착 후에 무기막과 유기막 서너층을 코팅할 수 있는 장비만 추가되면 됩니다. 이상에 대해서는 앞서 설명한 바도 있고, 앞으로도 설명할 기회가 있을 것이며, 여기에서는 특히 중요한 두 가지 핵심 기술은 투명 전극과 박막 봉지에 관한 이야기를 이어가고자 합니다. 그리고, 이후로 유연 기판과 이 위에 만들어지는 백플레인 이야기를 더해갈 것입니다.

 

 

 

유연 OLED를 위한 유연 투명 전극은 전기적 저항이 낮고, 가시광 투과도가 높으며 반복적인 휨에 대해서도 특성을 유지하여야 합니다. 광 투과도와 전기 전도도가 높아야 하는데, 불행하게도 두 값은 반대로 움직입니다. 이를 이율배반(trade-off)이라고 하죠. 따라서 적정선에서 두 값을 최적화시켜 타협을 하게 됩니다. 이와 함께 가격과 생산성도 중요하죠. 현재까지 개발된 바, 기존의 무기물 투명 전극인 ITO를 더욱 얇게 형성하고 여기에 버퍼층을 적용하는 방식이 적용되고 있지만 반복적인 휨과 꺾임에 의한 크랙 발생, 내구성이 여전히 불안합니다. 당장으로는 금속 격자(metal mesh) 구조와 은 나노선을 블랜딩한 유기물 전극이 앞서갑니다.

은 나노선을 기반으로 하는 전극 개발의 예를 들어봅니다. 용액 공정으로 은 나노선 앙상블을 도포할 경우, 표면 거칠기와 나노선들간의 연결(interconnection)이 문제가 되죠. 이의 해결을 위하여 은 나노선 위에 인듐 아연 산화물(Indium-doped Zinc Oxide, IZO)과 전도성 고분자를 코팅한 하이브리드 구조가 제안되었습니다.

 

여기에서 IZO 막은 은 나노선을 산화로부터 보호하고 나노선들간의 연결, 그리고 기판과의 접착을 강화시키는 역할을 하며, 전도성 고분자 층은 표면 거칠기를 줄이고 광 투과율을 높이는데 기여를 합니다. 이러한 하이브리드 전극 구조를 적용하여 만들어진 유연 OLED는 효율이 증가하였고 유연성은 물론 향상되었죠.

다음 연구로 코팅된 나노선들에 대해 광 소결(light sintering) 과정을 거친 뒤, PVB(PolyVinyl Butryal) 내에 함침, 전사시켜서 나노선 연결성, 전도성, 그리고 표면 평탄도를 더욱 개선시킨 결과도 보고된 바 있습니다. 그리고, 고분자의 전기방사(electrospinning)를 이용하여 연결 포인트가 필요하지 않고 길이에 제한이 없는 나노 파이버 전극을 제조하여 연결 부위에서의 아킹 우려를 없애고 표면 평탄도를 개선한 결과도 제시되었습니다. 

 

은 나노선이나 파이버를 적용하는 유연, 투명 전극에 관한 연구 개발과 제품에 적용하기 위한 노력을 계속될 것으로 판단됩니다.

물론 이 외에도 전도성 고분자와 탄소 나노 튜브, 그리고 그래핀을 비롯한 2차원 물질 등이 가능성이 있는 후보군으로 연구가 되고 있습니다. 이들은 각각, 전기 전도도(저항), 광 투과율, 그리고 장기 안정성과 높은 신뢰성으로 대표되는 적용 조건들은 만족시키기 위하여 개발이 진행되고 있습니다. 물론 이에 더하여 가격적인 측면과 함께 생산성, 그리고 친환경성도 고려할 점이죠.

 

 

탄성(stretchability), 즉 신축성이 있는 OLED, 아직 요소 기술에 관한 개념도 구체적인 응용 분야도 제시되지 못하고 있는 상태이지만, 연구, 개발의 로드 맵에는 적시가 되어 있습니다. 

즉, 깨어지지 않음(rigid)에서 고정된 휨(fixed curvature), 가장자리를 구부린 모양(edge-type), 그리고 말 수 있고(rollable)과 접을 수 있는(foldable) 디스플레이 폼 팩터를 거친 다음이 신축성 있는(stretchable) 디스플레이죠.

 

임의의 형상에 대응할 수 있고, 신체 부착용 시스템에서의 응용 가능성을 타진할 수 있죠. 삼성과 애플 등 정보 통신 기기의 선두 업체들은 신축성 있는 디스플레이와 응용 기기에 관한 특허를 확보하고 있으며, 궁극적으로는 피부 전자 공학(skintronics)의 일환으로 전망이 될 것입니다. 따라서, 이를 위한 백플레인, 즉 탄성 기판 위의 TFT 어래이와 OLED 등의 연구가 활발하며, 2017년에는 신축성 있는 OLED 시제품이 실제로 시연되기도 하였습니다. 

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