"OLED, 제조, 증착, 컬러 패터닝"

 

일반적으로, OLED 패널 제조 과정에서 첫 번째 과정은 백플레인 공정입니다. 백플레인 위에 OLED 소자가 올라가고 끝으로 봉지 공정이 이루어지죠. 백플레인 공정의 경우 TFT의 종류 등에 따라 세부적으로는 달라지겠지만, 기본적으로는 증착과 패터닝, 그리고 식각 공정의 반복으로 이루어집니다. 현재, 중소형 OLED에는 LTPS-TFT, 중대형 OLED에는 산화물 TFT가 주로 적용되고 있죠. LTPS-TFT 백플레인 공정은 오랜 기간에 걸쳐 비교적 잘 확립이 되어 있습니다. 기본적으로는 기판 위에 비정질 실리콘층을 증착하고, 레이저 결정화 공정을 통해 다결정 실리콘을 형성한 후, 절연막과 전극 증착 후 패터닝 과정, 이온 도핑 과정 등을 통하여 LTPS-TFT를 완성합니다.
 

 

 

산화물 TFT의 경우, 아직 표준에 가까운 제조 공정이 구축되어 있지는 않습니다만 다양한 공정 개발을 통하여 제조 과정이 안정화되고 있습니다. 특히 활성층(channel layer)을 중심으로 한 공정 방식에 따라 식각 정지(Etch Stopper, ES)와 후방 활성층 식각(Back Channel Etch, BCE), 그리고 자기 정렬(Self-Align, SA) 방식들로 구분되죠.

 

 

 

 

 

 

 

ES 방식의 경우, 소스와 드레인 형성 과정에서 후방 활성층이 손상되는 것을 막기 위해 식각 정지층 (Etch Stop Layer, ESL)을 반도체 위에 한층 더 형성합니다. 이는 ESL 패턴 형성을 위한 마스크 공정이 추가되고 게이트 전극과 소스/드레인 전극간의 겹침(overlap)이 크다는 문제점이 있죠. BCE 방식은 비정질 실리콘 TFT에 적용된 기술로서, 기존 라인의 활용이 가능하고 게이트 전극과 소스/드레인 전극간의 겹침(overlap)이 상대적으로 적어 RC 지연에도 유리하며, 소자의 크기가 작은 장점이 있습니다. 다만, 아직 소자의 성능이 일부 부족하고 소스와 드레인의 패터닝 과정에서 후방 활성층이 공정에 노출되어 식각 선택비 확보, 손상의 방지 등이 필요합니다. 자기 정렬 방식은 LTPS-TFT와 유사하나 공정 온도가 낮으며 레이저 결정화, 도핑 및 활성화 과정 등의 반도체 공정을 필요로 하지 않는다는 점이 다릅니다. 다만, 소스와 드레인 금속 공정의 확보 등 개선되어야 할 점들이 적지 않아 활발한 연구 개발이 이루어지고 있죠.

 

 

OLED, 제조, 증착 >>

TFT 백플레인이 설치되고, 이 위에 양극으로 사용될 ITO 막의 증착과 패터닝이 된 기판은 OLED 소자용 유기물 증착을 위해 증착기 안으로 들어갑니다. 증착되는 유기층들이 특히 산소와 습기 등과 접촉할 경우,전극과 유기층 사이에서 산화, 수소 발생 등으로 저항이 커지거나 전극과 유기물의 들뜸이 생겨 암점(dark spot)이 발생, 소자의 고장과 수명 저하의 원인이 됩니다. 따라서, 진공 분위기 내로 반입된 기판은 유기층들의 연속적인 증착 후, 음극까지 설치된 상태에서 산소와 습기를 차단할 수 있는 보호 구조가 형성되고 나서야 밖으로 나올 수 있죠. 이러한 보호 구조를 형성하는 과정을 봉지 공정이라고 하며, 따라서 증착기는 유기물 증착, 음극 증착, 그리고 봉지 공정 부분까지 연이어 각각의 클러스터가 인라인(in-line) 형태를 취하고 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

양극 패턴까지 만들어져서 증착기 안으로 반입된 백플레인 기판은 세정 과정을 거친 후 정공 주입층, 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층, 전자 주입층까지의 유기물 증착, 그리고 금속 음극의 증착이 순차적으로 이루어집니다. 특히, 발광층 증착 과정에서는 컬러 구현을 위해 빨강, 초록, 파랑에 대한 발광층들이 미세 금속 마스크(Fine Metal Mask, FMM)의 부화소용 홀을 통하여 증착됩니다. 특히 FMM을 적용한 RGB 패터닝과 컬러 구현 방식을 조금 더 들어가보죠.

 

 

 

 

OLED에서 컬러를 구현하는 방식들은 다양하게 개발되었지만, 현재 제품에 적용되고 있거나, 적용될 방식은 세가지로 분류됩니다. 빨강, 초록, 파랑 부화소들을 별도로 구성하는 방식(RGB OLED), 백색 OLED 위에 RGB 컬러 필터를 설치하는 방식(White OLED+Color Filter, WOLED+CF), 그리고 청색 OLED 위에 빨강과 초록용 색 변환층을 설치하는 방식(Blue OLED+Color Conversion Layer, BOLED+CCL)으로 구분되죠. 이들 중에서 RGB OLED 방식은 현재 소형과 중형 모바일 기기, WOLED+CF 방식은 대형 TV에 주로 적용이 되고 있죠.

BOLED+CCL 방식은 특히 색 변환층에 양자점을 적용하여 현재, 중대형 TV 라인이 설치 중이며 2~3년 이내에 생산에 들어갈 예정입니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

이들 중에서 패터닝 공정이 활발히 적용되고 있는 방식은 RGB OLED로서, 화학품을 사용하는 사진 식각 공정(photolithography)이 아니라 쉐도우 마스크(shadow mask)로 불리는 FMM을 적용, 빨강, 초록, 파랑 부화소들을 패터닝하고 있죠.

즉, 증착원으로부터 승화된 발광 소재들이 연이어서 기판에 증착되도록 하는 공정으로 한 가지 색을 형성한 후 다른 색을 형성하는 공간으로 이동, 부화소 피치만큼 FMM을 움직인 상태에서 다른 색을 증착하여가는 공정입니다.

이 때 FMM은 대략 50마이크론 두께의 금속 구조물인데 기판과 잘 밀착되도록 하기 위하여 일정한 힘으로 스트레칭 시킨 후에 프레임에 용접하는 인장 용접 방식으로 만들어집니다. 

FMM은 주로 기판 상부에 위치하는 자석을 이용하여 기판에 부착되며, 소재나 가공 정밀도, 대형화, 그리고 국산화 등에서 추가로 개발이 필요한 분야이죠. 예를 들어, 이론상으로는 4K 이상의 해상도를 위해서는 FMM의 두께가 15마이크론 이하가 되어야 합니다. 그러나 기존 방식으로는 패터닝, 식각, 인장, 용접 등의 과정에서 여러 문제점들이 예상되며, 보다 향상된 제조 방법을 필요로 합니다. 

따라서 전기 주조(electroforming), 레이저 가공(laser machining) 등이 제시되고 있죠. 먼저, 전기 주조법은 ITO 기판에 감광제(PhotoResist, PR)를 코팅, 원하는 모양을 패터닝한 후 니켈-철을 함유한 용액에 함침하여 원하는 두께만큼 금속을 도금하고 감광액을 제거, FMM을 제조하는 방식입니다. 

레이저 가공의 경우, 금속판에 레이저를 조사하여 가공하는 방식으로 미세하며 다양한 패턴도 가능하다는 장점이 있습니다.

이에 더하여 쉐도우 마스크가 지닌 기본적인 한계도 있습니다. 즉, 증발원으로부터 마스크에 이르는 승화, 증착 각도, 마스크의 두께 등으로 인하여 마스크 홀을 통해 만들어지는 부화소들의 모양이 마스크 홀과 정확히 일치되기가 만만치 않지요. 이러한 현상을 마스크의 그림자 효과(shadow effect)라고 합니다. 

 

마스크의 크기가 증가하면서 기판과 밀착이 되는 정도도 느슨해져 처짐이 일어나고, 마스크 두께도 더 이상 얇아지기가 어려워지면서 점점 더 한계에 이르고 있습니다. 이에 더하여 마스크 홀을 통과하지 못하는 소재들의 손실이 크고, 또한 마스크 제조 기술 자체도 난이도가 증가하고 있죠. 따라서 새로운 개념의 증착 기술, 더 나아가서는 패터닝 기술의 등장이 필요한 시점입니다. 

패터닝이 불필요한 오프 마스크 기술은 현재 OLED TV에 활발히 적용되고 있으며, 면 증발원(plane source) 기술, 그리고 레이저 전사법, 인쇄법 등도 개발이 되고 있습니다. 특히, 선형 증발원(linear source)을 면 증발원(plane source)으로 바꾸게 되면 승화된 유기 물질의 입사각을 줄일 수 있다는 특징이 있죠.

 

 

 

 

 

OLED, 제조, 봉지 >>

 

OLED 제조에 있어서 봉지 공정은 특히 수명과 생산성에 큰 영향을 미칩니다. 즉, 산소와 습기가 유기물로 침투하게 되면, 산소와 금속간의 반응으로 인한 전극 표면의 산화, 수소 기체 발생으로 인한 금속 전극, 주로 음극과 유기층과의 분리 등으로 인하여 빛이 만들어지지 못하는 영역인 암점(dark spot)이 생기죠. 이러한 암점들은 시간이 경과할수록 커지면서 발광 영역을 줄여 OLED 소자의 수명을 단축시킵니다. 따라서, OLED 소자 내부로 산소와 습기가 침투하는 것을 막기 위한 봉지 공정이 필요하게 되죠.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

이러한 봉지 공정들은 산소와 습기의 투과도를 낮추거나 억제하면서 OLED 소자의 성능에 영향을 주지 않도록 다양한 기술로 발전하여 왔습니다. 이들을 크게 분류하면 금속이나 유리로 만든 뚜껑(can, lid)을 덮는 캔 방식, 별도의 기판을 접착 내지는 합착하는 하이브리드 방식, 그리고 한 층, 혹은 그 이상의 박막을 코팅하는 박막 방식으로 정리가 되죠. 금속을 사용하는 캔 방식은 일반적으로 흡습제(getter)를 내장하고 있고, 유기 접착제와 사용하여 기판과 합착합니다. 산소나 습기의 차단 성능은 우수하지만 전면 발광, 대면적화, 유연성, 두께나 무게 등에서 한계를 가지고 있습니다. 그리고 유리를 사용하는 방식은 무기 접착제를 사용하여 기판과 합착하며 우수한 봉지 특성을 가지고 있지만, 역시 대면적화, 유연성, 그리고 두께나 무게 단점에서 자유롭지 못합니다.

하이브리드 방식은 그 이름만큼이나 방법이 다양한데, 대면적화나 생산성 측면에서는 그 우수성이 이미 검증이 되었지만, 두 장의 기판을 사용하므로 두께, 특히 휘어짐에 있어서 곡률 반경(Radius of Curvature, RoC)을 줄이는데 한계가 있으며, 두 장의 기판을 합착할 때 필요한 접착제를 통하여 침투할 수 있는 수분과 산소를 줄이는 기술이 필요하게 되죠. 또한 투명 플라스틱 기술이 아직은 완성이 되지 못한 상태라 상부 발광에 어려움이 있습니다.

박막 봉지 방식에서 OLED 소자에서 음극까지 형성한 후에 연이어서 무기물과 유기물로 이루어진 막들을 코팅하는데, 기술이 완성될 경우, 산소와 습기의 차단 역할은 물론 대면적화, 유연성, 전면 발광, 두께나 무게, 그리고 생산성 등에서 완벽함을 얻을 수 있죠. 이를 위해 나노 크기의 핀홀(pin hole)이 없는 대면적 박막 형성, 무기와 유기층들이 번갈아 코팅되는 구조에서 가능한 층의 수를 줄이려는 노력들이 지속적으로 이루어지고 있습니다.

현 시점에서 캔 방식은 소형, 유리 기판 위의 OLED, 하이브리드 방식은 대형 TV 용, 그리고 박막 방식은 소형, 플라스틱 기판의 OLED에 적용이 되고 있죠. 향후로는 유연함을 얻기가 불가능하며, 또한 두께나 무게에 불리한 캔 방식은 점차 사용이 줄어들 것이며, 하이브리드 방식과 박막 방식이 활용될 것으로 예측됩니다. 물론, 기술의 완성도가 높아짐에 따라, 박막 봉지 방식이 주류가 될 것임은 자명하지요.  

 

 

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