고해상도 OLED를 위한 Organic 전사 공정 기술 동향

유기 발광 다이오드(OLED, Organic Light Emitting Diode) 디스플레이는 기존의 디스플레이 패널이 가지고 있는 한계를 뛰어넘을 기술이라는 점에서 지속적으로 시장 점유율을 높여가고 있다. 특히 가상현실(VR, Virtual reality), 증강현실(AR, Augmented reality)에 이어 융합현실(MR, Merged reality)이 주목 받으면서 몰입감 향상을 위한 고해상도 디스 플레이의 수요가 급증하고 있다. 이에 고해상도 유기 발광 다이오드의 패터닝 기술에 대한 전반적인 기술 동향을 살펴 보고 고해상도 승화 전사 기술에 대해 소개하고자 한다.
 

글/ 고려대학교 주병권 교수 연구실 이준엽(한국생산기술연구원 디지털전환연구부문, 고려대학교 마이크로/나노시스템협동과정 석박통합과정) 김종무(고려대학교 전기전자공학부 박사 과정)

목차
1. OLED의 구조 및 원리
2. 유기 발광층의 패터닝 기술
2-1. FMM (Fine Metal Mask)
2-2. Direct Patterning
3. IPL을 이용한 전사 패터닝 공정
4. 결론
5. 참고 문헌

１. OLED의 구조 및 원리

유기 발광 다이오드는 스스로 빛을 내는 유기화합물로 구성된 자체 발광하는 디스플레이다. 1963년 뉴욕(New York) 대학교 화학과 마틴 포프(Martin Pope) 교수가 유기 결정에 서의 전계 발광(EL: electroluminescent)을 최초로 보고하였 으며, 1987년 Eastman Kodak의 C. W. Tang에 의해 현대적인 구조의 OLED가 발표되었다. ^{[1], [2]}

낮은 전압에서 구동이 가능하고 얇은 박형으로 제작할 수 있으며, 넓은 시야각과 빠른 응답 속도의 특징을 가지고 있다. LCD와 달리 자체 발광의 박막 형태로 제작이 가능하기 때문에 폴더블, 롤러블, 자유로운 형태의 디스플레이에 적용할 수 있으며, 다양한 기판의 종류(Glass, Plastic & Stretchable Film)에 관계없이 이용할 수있다. 또한 고투과 투명 OLED 등에도 사용할 수 있으며, 모바일기기, 태블릿, 랩톱, TV, 자동차, 공공장소, 디지털 사이 니지(Digital signage) 등에 다양하게 적용이 가능하다. ^{[1], [3]}



그림 1에서와 같이 OLED는 양극과 음극 사이에 유기 박막으로 구성된 구조로 양극으로부터 주입된 정공과 음극으로부터 주입된 전자가 유기층에서 재결합하여 빛이 생성하는 소자 이다. 전자와 정공의 원활한 흐름을 위에 여러 개의 유기 보조 층으로 구성되며, 전자와 정공의 이동도가 다르기 때문에 전자 수송층(ETL: Electron Transport Layer)과 정공 수송층 (HTL: Hole Transport Layer)을 사용하여 전자와 정공이 효과적으로 발광층(EML: Emission Layer)으로 이동하여 발광 효율을 높일 수 있다. 발광층은 어떠한 색을 내는지에 따라 서로 다른 발광 재료가 사용되며 빛의 3원색인 Red, Green, Blue의 색을 내는 유기 물질이 사용되고 있다. ^{[2], [4]}

OLED 구조를 구체적으로 설명하자면, 음극(Cathode)은 전자를 주입 및 빛을 반사시키는 반사층 역할을 하며 ETL로 전자를잘 주입하기 위해 일 함수가 낮은 금속과 반사율이 어느 정도 있는 Ca, Al:Li, Mg:Ag 등을 사용한다. 전자 주입층(EIL:Electron Injection Layer)은 Cathode에서 생기는 전자를 주입하는 층이며, 전자 수송층(ETL: Electron Transfer Layer) 은 전자 주입층에 들어온 전자를 EML로 전송하기 위한 층이다.

발광층(EML: Emission Layer)은 정공과 전자가 재결합하여 빛을 방출하는 층이며, 정공 수송층(HTL: Hole Transfer Layer)은 정공 주입층에 들어온 정공을 EML로 전송하기 위한 역할과 정공 주입층(HIL: Hole Injection Layer)은 정공이 발광층으로 손실없이 들어 갈수 있게 만들어 주는 층이며, 양극(Anode)은 정공을 주입하는 역할로서 일함수가 높으며 빛의 손실 없이 투과시켜주는 고 투과율의 투명 전극(ITO)을 일반적으로 사용한다.

OLED 발광 순서는 정공과 전자가 각각 Anode, Cathode에서 주입되며, 정공과 전자가 EML로 이동후 EML에서 정공과 전자가 합쳐져 Exciton을 만들며 안정화 (Relaxation) 되면서 Exciton이 빛을 방출하며, 생성된 빛은 투명 전극(ITO) 쪽으로 발광한다. ^[5]

２. 유기 발광층의 패터닝 기술

２-１. FMM(Fine Metal Mask)
두께 수십 마이크로미터 이하의 얇은 금속을 섀도 마스크로 이용하여 Red, Green, Blue 픽셀을 패터닝하는 기술이다.

그림 2와 같이 소스로부터 승화된 발광 재료 등이 기판(Glass 또는 PI) 상의 각 픽셀에 R, G, B 색을 나타내는 소스를 순차 적으로 증착하는 공정으로 픽셀 간의 간격만큼 FMM을 이동 하여 R, G, B 색을 증착하는 방식이다. FMM과 기판과의 밀착에 따른 정렬 정확도(Align Accuracy)를 위해 FMM은 일정한 힘으로 스트레칭 하여 프레임에 용접하는 인장 용접 방식 으로 제작된다.



FMM은 기존 식각, 인장, 용접 등의 제조 과정 에서 소재나 가공정밀도 측면에서 대형화가 쉽지 않아 전기주 조(Electro forming), 레이저 가공(Laser Machining) 등이 새로운 대안으로 제시되고 있다. 전기주조 방식은 ITO 기판에 감광 제(Photoresist)를 코팅 및 원하는 모양을 패터닝 한 후 Ni-Fe 를 함유한 용액에 Dipping 하여 원하는 두께의 금속을 도금하 고, 감광제를 제거하여 FMM을 제조하는 방식이며, 레이저 가공 방식은 금속판에 레이저를 조사하여 가공하는 방식으로 미세하며 다양한 패턴도 가능하다는 장점이 있다.

또한, 증착 글래스 기판 사이즈가 큰 경우 증착 각도에 따른 유기물의 입사각 차이로 정렬이 틀어지는 문제를 해결하기 위해 선형(Line source)에서 면형(Plane source) 증착 방식으로 점차 적용되고 있으며, FMM의 처짐 현상으로 인한 기판과의 밀착 정도가 벌어져 섀도 현상 (Shadow Effect)이 발생하는 FMM의 기술적 한계로 인해 새로운 제조 기술이 요구되고 있다. ^{[2], [4]}

２-２. Direct Patterning

초고해상도(>3,000 PPI: Pixels Per Inch)를 가지는 R, G, B 타입의 가상 현실, 증강 현실용 마이크 로(Micro) OLED 디스플레이의 핵심기술은 응답속도가 빠르면서 해상도가 높은 화면을 구현하는 것이다.



현재 1,000 PPI 급 이상의 Direct Patterning은 Screen Printing, Roll to Roll, Imprinting 등의 Fixed Pattern Type과 Laser Direct Patterning, EHD Jet, Aerosol Jet, Inkjet, Dip Pen 등의 Pattern on Demand Type으로 분류할 수 있다. 또한, 그림 3과 같이 포토리소그래피에 의한 OLED 패터닝 기술이 시도 되고 있다.

이러한 패터닝 기술에서는 용매, 습기, 공기 및 온도에 노출된 OLED 재료의 화학적 안정성을 확보하는 것이 가장 중요한 과제이다. 포토레지스트, 리소그래피, 패터닝 등 기존의 공정에 문제없는 새로운 OLED 재료의 화학적 안정성을 확보해야 한다. 포토리소그래피 공정을 통해 1μm 이하의 해상도를 갖는 패턴과 고밀도, 집적화된 초고해상도를 실현할 수 있다. ^{[6], [7]}

３. IPL을 이용한 전사 패터닝 공정

인텐스 펄스 라이트(IPL, Intense Pulse Light) 장비는 그림 4와 같이 다양한 파장대를 포함하고 있는 제논 플래시램프 (XFL, Xenon Flash Lamp)를 이용한다. IPL 의 높은 에너지는 표면 열처리, 경화 등의 애플리케이션에서 사용됨이 보고되었 다. ^{[8], [11]}



또한 최근, IPL의 순간적인 빛 에너지를 이용하여 열로 변환하고 변환된 열을 이용해 기판의 유기 패턴을 타겟 기판으로 승화 전사하는 기술이 보고되었다. ^{[12], [13]} 이러한 IPL을 이용한 승화 전사 패터닝 공정에 대해 소개해 보고자 한다.

IPL을 이용한 승화 전사 패터닝 공정은 그림 5 (a)에서와 같이 LTHC 층을 가진 도너 기판을 선택적 표면처리를 통해 뱅크의 윗부분은 소수 성, 채널은 친수성을 띠도록 처리한다. 그림 5 (b)와 같이 선택적 표면처리 된 전사 기판에 호스트와 도펀트 발광물질을 용해 시킨 유기 발광 잉크를 스핀코팅으로 주입한다.



이를 그림 5(c)과 같이 타겟 기판과 함께 진공 챔버 내에서 IPL을 쬐어주면 열로 변환된 빛 에너지가 채널에 주입된 패턴을 타겟 기판으로 전사시키게 된다.

이러한 유기 발광물 질의 승화 전사 공정은 기존의 섀도 마스크를 이용한 진공 증착 공정이나 포토리소그래피가 가지고 있는 한계점을 극복하 고, 고해상도의 패턴을 용액공정으로 구현할 수 있게 한다. IPL 을 이용한 승화 전사 공정을 이용하면 스핀 코팅을 이용한 용액공정에서 발생하는 낮은 수명 및 효율 등을 극복할 수 있다.



표 1은 스핀 코팅과 IPL 승화 전사 공정을 이용하여 소자를 제작하였을 때 휘도(Luminance), 최대전류효율(Maximum Current Efficiency, Max.CE), 최대 외부 양자 효율(Maximum External Quantum Efficiency, Max. EQE), 및 수명(Lifetime, LT)을 나타낸다.

이를 통해 스핀 코팅을 이용해 제작한 소자에 비해 IPL 승화 전사 공정을 이용한 소자의 효율이 뛰어남을 확인하였다. 승화 전사 공정에 필요한 전사 기판으로의 잉크 주입 및 IPL 에너지에 따른 전사 최적화가 연구가 이어지고 있다. 공용매를 이용한 유기 발광 잉크의 주입 특성에 차이를 보이는 것을 알 수 있다.



그림 6은 혼합된 용매의 증기압력(Vapor pressure, V.P.)이 높을수록 잉크의 마이크로 채널로의 주입이 두껍게 되었으 며, 증기압력이 낮을수록 얇게 되었음을 나타내고 있다. 이러한 연구 결과를 통해 모세관 유도 특성과 용매의 증발 속도가 마이크로 채널로의 주입 특성에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.

또한, 승화 전사 공정에 이용되는 IPL의 에너지에 따라 소자를 제작하였고 이에 따라 소자의 특성에 변화가 있음을 확인하였다. 이를 면밀하게 분석 하기 위해 IPL 에너지에 따른 소자를 시간 비행 형 이차 이온 질량 분석기 (Time of Flight Secondary ion mass spectrometry, ToF-SIMS)를 이용하여 분석하였다. 그림 7은 전사 공정에 사용된 IPL 에너지에 따라 제작된 소자의각 유기층 사이에서 발생하는 현상을 ToF-SIMS를 이용하여 분석한 결과를 나타내고 있다.



충분하지 않은 IPL 에너지를 이용한 전사 결과의 경우 EML의 두께가 발광하는데 충분하지 않으며 이에 따라 소자의 효율 감소 및 재결합영역(Recombination zone)의 이동이 발생한다. 반면, 과도한 IPL 에너지를 이용하여 승화 전사 공정이 진행될 때에는 유기 발광층 전사 시 HIL 및 HTL로 형성 되어있던 유기물 층이 모두 혼합되어 하나의 층으로 형성된다.

혼합층이 형성되는 경우 엑시플렉스(Exciplex) 발광이 발생하며 이에 따른 효율 손실과 함께 주 파장대도 이동하게 된다. 이와 같은 분석 결과를 통해 효과적인 IPL 승화 전사 공정을 위해서는 적당한 IPL 에너지를 사용하여야만 최적화된 결과를 얻을수 있음을 알 수 있었다. 그림 8에서는 IPL 승화 전사 공정을 이용하여 성공적으로 제작한 소자의 광학 현미경 이미지를 통해 형성된 패턴을 확인할 수 있다.

결론

OLED 디스플레이의 고해상도 패터닝 기술에 관한 관심과 수요가 증가하고 있으며, 순간적인 빛 에너지를 열에너지로 변환하여 유기 발광 물질을 승화 전사하는 기술을 통해 고해상도 패터닝의 새로운 방법을 제시하고 있다. IPL을 이용하여 짧은 시간 안에 유기물질을 타겟 기판으로 전사할 수 있다는 점에서 공정시간을 단축할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 용액 공정과 승화 전사의 장점을 융합한 하이브리드 방식의 패터닝이 성공적으로 연구됨에 따라 OLED 디스플레이의 패터닝 기술에 새로운 응용과 발전을 기대해 본다.

 

 참고문헌 
[1] P. Martin, “Prof. Martin Pope Website,” Prof. Martin Pope Website. https://web.archive.org/web/20070517164308/ http://chemxserver.chem.nyu.edu/MPope/index.htm
[2] C. H. Chen, J. Shi, and C. W. Tang, “Recent developments in molecular organic electroluminescent materials,” Macromol. Symp., vol. 125, no. 1, pp. 1?48, Jan. 1998, doi: 10.1002/masy.19981250102.
[3] B.-K. Ju, 디스플레이 이야기 1,2. 열린책방, 2021.
[4] B. Geffroy, P. le Roy, and C. Prat, “Organic light-emitting diode (OLED) technology: materials, devices and display technologies,” Polym. Int., vol. 55, no. 6, pp. 572?582, Jun. 2006, doi: 10.1002/pi.1974.
[5] A. Salehi, X. Fu, D. Shin, and F. So, “Recent Advances in OLED Optical Design,” Adv. Funct. Mater., vol. 29, no. 15, p. 1808803, Apr. 2019, doi: 10.1002/adfm.201808803.
[6] “키포스트,” 키포스트. https://kipost.net/
[7] N. Papadopoulos et al., “AMOLED Displays with In-Pixel Photodetector,” in Liquid Crystals and Display Technology, IntechOpen, 2020, p. 123.
[8] I. Kim et al., “Selective Light-Induced Patterning of Carbon Nanotube/Silver Nanoparticle Composite To Produce Extremely Flexible Conductive Electrodes,” ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 9, no. 7, pp. 6163?6170, Feb.2017, doi: 10.1021/acsami.6b14580.
[9] K. Park et al., “High-Resolution and Large-Area Patterning of Highly Conductive Silver Nanowire Electrodes by Reverse Offset Printing and Intense Pulsed Light Irradiation,” ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 11, no. 16, pp. 14882?14891, Apr. 2019, doi: 10.1021/acsami.9b00838.
[10] B.-Y. Wang, T.-H. Yoo, Y.-W. Song, D.-S. Lim, and Y.-J. Oh, “Cu Ion Ink for a Flexible Substrate and Highly Conductive Patterning by Intensive Pulsed Light Sintering,” ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 5, no. 10, pp. 4113?4119, May 2013, doi: 10.1021/am303268k.
[11] Z. Zhong et al., “Continuous Patterning of Copper NanowireBased Transparent Conducting Electrodes for Use in Flexible Electronic Applications,” ACS Nano, vol. 10, no. 8, pp.78477854, Aug. 2016, doi: 10.1021/acsnano.6b03626.
[12] H. Cho, H.-N. Lee, Y.-C. Jeong, Y. M. Park, K.-T. Kang, and K. H. Cho, “Solution and Evaporation Hybrid Approach to Enhance the Stability and Pattern Resolution Characteristics of Organic Light-Emitting Diodes,” ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 12, no. 40, pp.45064?45072, Oct. 2020, doi: 10.1021/acsami.0c12749.
[13] J. Y. Lee, B.-K. Ju, and K. H. Cho, “Co-solvented solution filling and interfacial phenomena of sublimation transferred emitting layer for high-resolution OLED fabrication,” APL Materials, vol. 9, no. 10, p. 101115, Oct. 2021, doi: 10.1063/5.0058994.