자료제공: 전자부품연구원 전자정보센터
I. 기술 개요
1. 품목의 정의
ㅇ 유기물 박막에 양극과 음극을 통해 주입된 전자와 정공이 재결합하여 여기자(EXCITION)를 형성하고 형성된 여기자로부터의 에너지에 의해 특정한 파장의 빛이 발생하는 현상을 이용한 자체 발광형 디스플레이 소자
2. 품목의 분류
ㅇ 유기물층의 발광 재료에 따라 단분자 OLED와 고분자 OLED로 분류할 수 있고, 구동 방식에 따라 수동형(PM: Passive Matrix Type)과 능동형(AM: Active Matrix Type)으로 구분
- 단분자 OLED는 재료 특성이 잘 알려져 개발이 쉽고 조기 양산이 가능한 반면, 고분자 OLED는 열적 안정성이 높고 기계적 강도가 우수하며 자연색과 같은 색감을 지니며 구동 전압이 낮음.
- AM OLED는 PM OLED에 비해 R, G, B 독립 구동 방식이므로 소비전력이 낮고 고정세 Display 구현이 가능하며, PM 방식에 비해 공정이 복잡하여 장비 및 재료 비용이 고가이나, 낮은 소비전력, 고정세, 빠른 응답속도, 광시야각, 박형 구현이 가능하다는 장점이 있음.
3. 생산 업체
ㅇ 국내 업체: 삼성OLED, LG전자
ㅇ 해외 업체(국가): SK디스플레이(일), 파이오니아(일), ELDis(일), RiT(대만)
4. 기본 기술
ㅇ 일반적으로 OLED 구조는 Anode(ITO)/다층 유기 박막/Cathode(metal)의 구조를 가지고 있는데, 다층 유기 박막은 전자수송층(ETL: Electron Transport Layer)과 정공수송층(HTL: Hole Transport Layer) 및 발광층(EML: Emitting Layer)으로 구성되어 있으며, 때로는 별도의 전자주입층(EIL: Electron Injecting Layer)과 정공주입층(HIL: Hole Injecting Layer) 또는 정공방지층(HBL: Hole Blocking Layer)을 소자 특성의 개선을 위해 추가로 삽입할 수 있음.
ㅇ 이러한 다층의 유기 박막을 형성하는 데 사용되는 전형적인 저분자 OLED 진공 증착 장비의 구성과 기능은 다음과 같음. 그림 3은 전형적인 OLED의 구조를 나타내며, 그림 4는 에이엔에스(주)에서 개발한 Full
Color OLED 증착 및 봉지 장치 “HELYSIS"를 나타냄.
1) ITO 박막 증착
ㅇ 일반적으로 ITO 박막은 Sputtering에 의해 형성됨. 현재 사용되는 LCD용 ITO Coated Glass는 표면 거칠기가 약 200Å 정도이므로 상부에 유기물 다층 박막이 증착된 OLED 소자 제작 시 층간 접촉면의 두께 편차에 기인한 Dark Spot 등이 발생되어 소자의 신뢰성을 저하시키며 이러한 문제를 해결하기 위해 표면 형상이 비정질이고 표면 거칠기가 균일한 OLED 전용의 ITO Coated Glass 개발이 여러 곳에서 진행되고 있음.
ㅇ OLED는 Carrier(전하와 정공) 주입 방식에 의한 발광 소자이므로 유기물의 경계면으로 침투하는 Carrier의 주입 효율이 소자의 특성에 큰 영향을 줌. 대개 낮은 저항(~10ohm/square)과 균일한 표면 거칠기, 그리고 투과도가 높은 ITO 박막을 양극 전극에 적용함으로써 소자의 특성을 향상시킬 수 있음.
ㅇ 최근에는 전기전도도를 개선하기 위해 ITO에 다른 금속을 Co-Sputtering하거나 ITO 대신 IZO 박막 등을 적용하여 보다 우수한 특성의 Anode를 개발하려는 연구도 미국과 일본 등지에서 활발하게 진행되고 있음.
2) ITO 박막의 전처리(Pre-treatment) 기술
ㅇ ITO 기판의 상태에 기인하지만, ITO 표면 일함수(약 4.67eV)와 정공수송층(Hole Transporting Layer)의 표면 일함수(약 5.2eV)와의 접합 계면에는 표면 전위차가 발생하는데, 이 상태에서 소자를 구동하게 되면 발광 개시 전압이 수 V 정도 상승하게 됨.
ㅇ ITO의 표면 일함수는 기판 표면의 오염, 수분 부착 등의 영향으로 0.5eV에서 1.0eV로 다소 증가하게 되며, ITO 기판의 전처리 기술은 ITO의 표면 전위를 HTL의 표면 전위에 가능한 한 최대로 근접하게 만듦으로써 Anode로 사용되는 ITO로부터 정공이 보다 원활하게 발광층까지 이동할 수 있도록 하는데 그 목적이 있음.
3) 유기 박막 증착
ㅇ 유기 박막은 10(-7)torr 수준의 고진공 상태에서 진공 증착 방식을 이용하여 기판의 표면에 순차적으로 형성되는데, 정공주입층(HIL: Hole Injection Layer), 정공수송층(HTL: Hole Transport Layer), RGB 발광층(EML: Emitting Layer), 전자수송층(ETL: Electron Transport Layer) 등의 다층 박막으로 구성되어 있고, 이 박막들이 증착되는 진공 Chamber의 구성은 재료의 증발원 막 두께 제어센서, Glass 기판과 Metal Shadow Mask를 고정세로 Align할 수 있는 기구 및 재료를 증발시키기 위한 전원 공급원(Power Supply) 등으로 이루어져 있음.
ㅇ 사용되는 대부분의 유기 재료는 무기 재료에 비해 증기압이 높고, 증발 온도 범위가 광범위하고(100~500℃), 증발 온도가 제 각각 달라서 물질마다의 정교한 온도 제어가 필수적임. 유기물의 증발원은 일반적으로 높은 열전도도를 가진 세라믹 Crucible이 사용되고, 단계적이고 지속적인 증발 제어가 가능하여 유기물이 튀는 현상(Spitting)이 없도록 설계 제작되어야 함.
ㅇ 증발원의 온도 상승이 적절히 이루어지지 않아 지나치게 짧은 시간에 증발 온도까지 도달한 유기물은 튀는(Spitting) 현상이 발생되어 유기물 증발원의 입구가 막히게 되고, 이로 인해 유기물의 증착 속도가 변하여 원하는 박막 특성을 얻지 못하고, 아울러 유기 물질이 증착 도중 변색 또는 탈색되어 다시 사용할 수가 없음.
ㅇ 또한 각각의 유기물은 그 물질에 따라 증발을 위해 기화(Sublimation)되는 것과 용해(Melt)되는 것이 있으며, 이들은 각각 다른 증발 특성을 갖게 되므로 재료별로 최적의 증발 조건을 제어할 수 있는 기능이 매우 중요함. Full Color 소자 제작을 위해서 발광 재료는 Host 대비 Dopant 재료가 0.5~2.0mol% 정도의 비율로 제어되어야 하고, 이때 Dopant는 박막 내에 균일하게 분포되어야 하며, 전체 박막 균일도는 +/-5% 범위에서 제어되어야 함. 3색 발광층 증착 시에는 Metal Shadow Mask를 사용하여 고정세(+/-5micron 수준)의 증착 패턴 형성이 가능토록 해야 하고, 다른 유기 박막층의 경우에는 Open Mask를 이용한 기계적 Alignment(+/-200micron 수준)를 가능케 하는 장치가 필요함.
ㅇ Full Color OLED 디스플레이를 위한 생산 장비는 각각의 유기물을 증착할 수 있는 별도의 독립 Chamber로 구성하여 상호 오염을 최소화시키고, 높은 생산성을 확보할 수 있게 해야 함. 또한 대면적 유리 기판과 Metal Shadow Mask를 정교하게 Align할 수 있는 안정화된 기구, Mask의 열팽창 방지 및 Mask에 증착된 막을 In-Situ로 Cleaning 할 수 있는 방식 그리고, 고속으로 증착하면서 유기물의 증착 균일도를 확보할 수 있는 증발원의 기술 확보 등이 중요한 과제임. 그림 5는 3색 Full Color Patterning 방법을 나타냄.
4) 금속 전극 증착
ㅇ 금속 전극은 유기 박막에 이어 증착하게 되는데, 상대적으로 고온의 증착 과정 동안에 발생되는 복사열에 의해 온도에 민감한 유기 박막이 변질되지 않도록 주의해야 함. 음극 전극에 사용되는 금속 재료는 대부분 일함수가 낮은 활성 금속으로 성막 시 잔류 불순물에 의한 오염을 최소화하기 위해 고진공의 배기 시스템 내에서 공정을 진행하며, 진공 Chamber의 개폐를 필요로 하는 재료 공급의 빈도를 줄이기 위해 고안된 물질 자동 공급 장치를 사용하여 금속 전극 박막을 형성함.
- 일반적으로 Mg/Ag, Mg/Ag-Al, Li-Al, LiF-Al 등이 사용되는데, 금속 재료는 고온(450~1200℃)에서 증착되므로 유기물이 성막된 기판의 온도를 80℃ 이하로 관리하는 것이 중요함.
- 이러한 기술적인 문제를 극복하기 위해 최근에는 소자의 하부층에 유기 박막에 앞서 음극 금속 전극을 우선 형성하고, 소자의 상단에 양극 전극 재료로서 투명한 ITO를 채택한 소위 Top Emission 방식의 새로운 OLED 소자가 발표되었음. 이 방식이 본격적으로 소자 제작에 적용되기 위해서는 유기 박막에 손상을 주지 않고, ITO를 고속으로 증착하는 기술의 개발이 선행되어야 함. Top Emission 방식은 기존의 Bottom Emission에 비해 발광층이 유리 기판보다 디스플레이 표면에 가까이 위치하여 개구율을 증가시켜 휘도를 개선하는 장점을 가지고 있음. 그림 6은 Bottom Emission과 Top Emission 방식을 나타냄.
5) 보호막 증착 및 봉지(Passivation and Encapsulation)
ㅇ 수분과 산소에 취약한 OLED 소자는 Dry N2 분위기에서 Metal Can과 UV 경화 수지를 이용해 봉지되는 것이 일반적임. 봉지가 정상적으로 되지 못할 경우 수분이나 산소와 반응하여 특성이 저하된 유기 물질에 의해 소자의 밝기가 저하되고, Dark Spot 등이 생기는 결함이 발생함. 증착 장비와 연결된 보호막 증착 및 봉지 장비의 개발이 필요하지만, 아직까지는 박막의 증착에 의한 봉지가 성공된 사례는 없음. 따라서 현재로서는 Metal Can 또는 Glass Can에 의한 봉지가 일반적임.
ㅇ Metal Can을 사용하는 봉지 공정은 다음과 같음. 여러 개의 Metal Can을 장착한 Tray를 Loading한 후 UV를 이용하여 Metal Can 세정을 하고, 각각의 Can에 BaO, CaO 등과 같은 흡습제를 일정 부분 바른 후 투습지로 Taping함. 그리고 나서 접착제를 Can 주위에 균일하게 Dispensing한 후 UV Curing을 통해 봉지를 완료함. Can을 사용하는 방법과 달리 진공 증착으로 보호막을 성막하는데 있어 필요한 재료로는 유기물로서는 Polyparaxylene이 사용되고 있고, 무기물로서는 SiO2, SiNx, MgF2, In2O3 등이 사용되고 있음.
ㅇ 증발원은 저항 가열식 텅스텐 Boat, Electron Beam Gun 및 Sputtering Cathode 등이 있음. 최근에는 무기물과 Monomer를 다층으로 증착하면서 UV로 Curing시켜 Polymer를 만들어 이를 보호막으로 사용하는 방법이 가시화되고 있음. 진공 증착에 의한 다층 박막으로 봉지할 수 있는 것은 매우 중요한 기술이며, 이 기술은 가까운 장래에 Metal Can이나 Glass Can을 대체할 수 있을 것으로 예상됨. 그렇게 되면, OLED 소자의 플라스틱 기판상 제작도 가능해져 깨지지 않고 두루마리 형태로 휴대가 가능한 OLED의 개발을 앞당길 수 있을 것으로 예상됨.
Ⅱ. 경쟁국과의 기술 수준 제고 방안
1. 현재 가장 중요한 기술 격차 및 향후 전망
ㅇ 발광 재료 등 화학 소재 분야
- 일부 개발을 완료하여 양산 적용할 예정이나, 품질, 수명 등의 개선이 필요
2. 기술 격차 극복 방안
ㅇ 기업 차원
- 산, 학, 연 공동 연구 개발 및 중소 업체 기술 지원
ㅇ 대정부 건의 사항
- 업계 차원에서 부품, 소재의 국산화를 위해 노력하고 있으나, 시장 선점을 위해서는 일정 규모 이상의 시장이 형성되기 전까지 정부의 지원이 필요
→ 현재 할당관세 적용 중인 OLED 전용 유리의 관세율 추가 인하(4%→ 0%) 및 발광 재료에 대한 할당관세 추가 적용
Ⅲ. 관련 특허 분석
1. 주요 특허
2. 분쟁 예상 특허
ㅇ OLED 장치는 움직임이 빠른 동화상도 잔상 없이 표시되어야 함. 그래서 휘도 데이터가 설정되어 있는 광학 소자를 낮은 휘도 데이터에 재기록할 때 나타나는 잔상 현상을 감소시키기 위한 회로가 제안되고 있으며, 제안되는 회로는 그림 ７에 도시된 바와 같이 광학 소자와 상기 광학 소자가 병렬로 설치되어 상기 광학 소자 양단에 발생한 전압을 초기화하는 전류 바이패스 회로와 상기 전류 바이패스 회로를 제어하는 신호의 전압 범위를 변환하여 그 전류 바이패스 회로로 공급하는 신호 변환 회로로 구성됨. 휘도 데이터 재기록으로 작은 휘도 데이터를 설정하려고 해도 전의 큰 휘도 데이터에 대응하는 전하가 광학 소자에 남아 있어 정확한 휘도 데이터 설정이 불가능하여 잔상 현상이 나타나게 되며, 이로 인해 움직임이 빠른 동화상이 표시되기 어려웠던 종래 기술에 있어서의 문제점을 해소시킬 수 있도록 하기 위한 표시 장치가 특허 출원 되었음(일본공개특허공보 2002-094035, SANYO ELECTRIC).
ㅇ 또한 휘도 데이터 재기록 시 작은 값으로 설정하고자 하는 경우 큰 휘도 데이터에 대응하는 전하가 광학 소자에 남아 정확한 휘도 데이터 설정이 불가능하게 되어 잔상 현상을 보이는 경우가 있으며, 또한 화소의 고밀도화를 위해 화소 부분의 설계를 간소화하는 방향으로 회로 구성이 제안되고 있으나, 화소 부분에 새로운 소자나 배선을 추가하면 그만큼 개구율 저하와 장치 수율 저하를 초래하는 경우가 발생할 수 있음. 따라서 각각의 발광 소자와 그 구동 소자를 포함하는 복수의 화소 회로에 대해 전력을 공급하는 경로 상에 설치된 스위치 소자와 그 스위치 소자를 초기화 기간 오프 상태로 제어하는 회로를 제공함으로써 높은 휘도 데이터가 설정되어 있는 광학 소자를 낮은 휘도 데이터에 재기록할 때 나타나는 잔상 현상을 감소시키기 위한 새로운 회로를 제안하며, 화소 부분의 개구율을 향상시켜 장치의 수율 향상을 도모한 표시 장치가 특허 출원됨(일본공개특허공보 2002-014624, SANYO ELECTRIC).
ㅇ 특히 유기 발광 다이오드식 플랫 패널형 표시 장치의 경우 OLED 재료로부터 방출되는 빛의 상당 부분이 커버 또는 기판 내부에서 내부 반사되는 한편, 흡수되거나 표시 장치의 테두리부로 광전송되거나 표시 장치의 다른 장소에서 재방출되므로 이러한 LED 표시 장치를 헤드 탑재식 디스플레이와 같은 개구수가 큰 광학계에 사용하거나 넓은 관찰각으로 관찰하면 기판 또는 커버판 내부 반사에 의해 표시 장치의 선명도가 저하되는 문제점이 발생하는데, 이러한 문제점 해결을 위해 선명도를 향상시키기 위한 구조가 그림 8과 같음. 기판과 그 기판상에 형성된 어레이형 유기 발광 다이오드 요소와 그 유기 발광 다이오드 요소상에 배치된 봉입 커버를 포함하여 구성된 유기 발광 다이오드 표시 장치로서, 그 표시 장치는 그 기판 및/또는 그 봉입 커버를 통하여 관찰되고, 그 표시 장치를 관찰할 때 개재하는 그 기판 및/또는 그 봉입 커버가 광섬유 페이스 플랫이기 때문에 그 표시 장치의 외관 선명도가 높아지도록 형성됨(일본공개특허공보 2003-200328, EASTMAN KODAK).
ㅇ 그리고 유기 발광 다이오드 디스플레이는 방사층으로 광출력을 증가시켜 디스플레이 효율성을 개선시키기 위해 그림 9에 도시된 바와 같이 상부 방사 액티브 매트릭스 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이에 있어서, 기판과 상기 기판상에 형성된 박막 트랜지스터(TFT)층과 상기 TFT층상에 형성되고, 주기적 격자 구조를 한정하는 절연층과 상기 절연층상에 형성되고, 상기 격자 구조를 따르는 제 1전극층과 상기 제 1전극층상에 형성되고, 상기 격자구조를 따르는 OLED 재료층과 상기 OLED 재료층상에 형성되고, 상기 격자구조를 따르는 제 2전극층을 포함하며, 상기 제 1 및/또는 제 2전극층들은 금속층들이며 이에 따라 상기 주기적 격자 구조는 금속 전극층(들)에서 표면 플라즈몬 교차 결합을 유도할 수 있도록 구현됨으로써 새도우 마스크들을 사용하여 실리콘 기판상에서 표면 플라즈몬을 결합하는 OLED를 제조하였으나 새도우 마스크들이 격자들의 작은 크기로 인하여 격자들을 생성하기가 곤란하였던 종래 기술의 문제점을 해소시킬 수 있었음(미국공개특허공보 2002-184358, Eastman Kodak).
ㅇ 한편 발광 효율 및 칼라 품질이 개선된 마이크로공동 OLED 장치는 첨부 도면 그림 10에 도시된 바와 같이 기판과 상기 기판의 한 표면상에 증착된 금속 하부 전극층과 상기 금속 하부 전극층상에 증착된 유기 EL 엘리먼트와 상기 유기 EL 엘리먼트상에 증착된 금속 상부 전극층을 포함하며, 상기 금속 전극층들 중 한층은 반투과층이며, 금속 전극층 중 다른 층은 불투명 및 반사층이며, 상기 불투명 및 반사 금속 전극층에 대한 재료는 Ag, Au, Al 또는 이들의 합금으로부터 선택되며, 상기 반투과 금속 전극층에 대한 재료는 Ag , Au 또는 이들의 합금으로부터 선택됨. 상기 반투과 금속 전극층의 두께 및 상기 발광층의 위치는 마이크로공동 없이 상기 마이크로공동 OLED 장치의 방사 출력을 강화시키기 위한 차원에서 선택되므로 대역폭 협대역 현상을 유발할 뿐만 아니라 발광 효율 및 칼라의 품질을 개선시키지 못한 구조를 나타냄(미국공개특허공보 2003- 346424호, Eastman kodak).
ㅇ 또한 OLED 장치는 주변 환경으로부터 주변광을 흡수 및 필터링하여 간섭을 감소시키고, OLED 패널의 광방사 효율성을 증가시키며, OLED 패널의 섬광 방지 기능을 증가시킬 수 있게 OLED 패널상에 섬광 방지 화소 한정층이 형성되는 구조를 가져야 하며, 이 구조는 그림 11에 도시된 바와 같이 OLED상에 섬광 방지 화소 한정층을 형성하기 위한 방법에 있어서,
(1) 기판을 제공하는 단계와
(2) 상기 기판의 표면상에 다수의 제 1전극들을 형성하는 단계와
(3) 비감광 폴리이미드 또는 폴리이미드 선구 물질 및 광흡수 피그먼트들 또는 다이들을 포함하는 섬광 방지 화합물층을 상기 기판 또는 상기 제 1전극상에 코팅하는 단계와
(4) 상기 섬광 방지 화합물층과 상기 기판을 사전에 베이킹하는 단계와
(5) 상기 섬광 방지 화합물층상에 포토레지스트 화합물층을 코팅하는 단계와
(6) 상기 섬광 방지 화합물 및 상기 포토레지스트와 상기 기판을 사전에 베이킹하는 단계와
(7) 상기 기판을 상기 마스킹된 방사로 노출시키고 상
기 섬광 방지 화합물층 및 포토레지스트를 동시에 에칭하여 상기 포토레지스트의 패턴들을 형성하는 단계와
(8) 상기 포토레지스트를 해제 또는 스트립하는 단계와
(9) 상기 섬광 방지 화소 한정층을 형성하기 위하여 상기 패터닝된 섬광방지 폴리이미드 또는 폴리이미드 선구 물질 화합물을 크로스링크 또는 경화시키기 위하여 상기 패터닝된 섬광 방지 폴리이미드 또는 폴리이미드 선구 물질 화합물과 상기 기판을 베이킹하는 단계를 포함하며, 상기 섬광방지 폴리이미드 또는 폴리이미드 선구물질 화합물층의 패턴들은 상기 섬광 방지 화소 한정층에 의하여 커버되지 않는 다수의 개방 영역들로 상기 제 1전극들을 분할하여 형성하는 구조로 이루어짐.
그림 11과 같은 구조의 포토레지스트로 만들어진 절연층은 전기 단락을 방지하기 위하여 기판의 표면상에 증착되나 포토레지스트로부터 유기 솔벤트 또는 물 증기를 느리게 방출하기 때문에 OLED상의 유기 전자 발광 매체의 품질을 감소시키며, 이에 따라 포토레지스트 절연층은 수명을 감소시킬 뿐만 아니라 디스플레이의 품질이 저하되는 결점을 해소시킬 수 있음(미국공개특허공보 2003-663780, RiTdisplay).
문의: 전자부품연구원 전자정보센터
박희재 실장
Tel: 031-610-4142
E-mail: parkhj@keti.re.kr
http://www.eic.re.kr
I. 기술 개요
1. 품목의 정의
ㅇ 유기물 박막에 양극과 음극을 통해 주입된 전자와 정공이 재결합하여 여기자(EXCITION)를 형성하고 형성된 여기자로부터의 에너지에 의해 특정한 파장의 빛이 발생하는 현상을 이용한 자체 발광형 디스플레이 소자
2. 품목의 분류
ㅇ 유기물층의 발광 재료에 따라 단분자 OLED와 고분자 OLED로 분류할 수 있고, 구동 방식에 따라 수동형(PM: Passive Matrix Type)과 능동형(AM: Active Matrix Type)으로 구분
- 단분자 OLED는 재료 특성이 잘 알려져 개발이 쉽고 조기 양산이 가능한 반면, 고분자 OLED는 열적 안정성이 높고 기계적 강도가 우수하며 자연색과 같은 색감을 지니며 구동 전압이 낮음.
- AM OLED는 PM OLED에 비해 R, G, B 독립 구동 방식이므로 소비전력이 낮고 고정세 Display 구현이 가능하며, PM 방식에 비해 공정이 복잡하여 장비 및 재료 비용이 고가이나, 낮은 소비전력, 고정세, 빠른 응답속도, 광시야각, 박형 구현이 가능하다는 장점이 있음.
3. 생산 업체
ㅇ 국내 업체: 삼성OLED, LG전자
ㅇ 해외 업체(국가): SK디스플레이(일), 파이오니아(일), ELDis(일), RiT(대만)
4. 기본 기술
ㅇ 일반적으로 OLED 구조는 Anode(ITO)/다층 유기 박막/Cathode(metal)의 구조를 가지고 있는데, 다층 유기 박막은 전자수송층(ETL: Electron Transport Layer)과 정공수송층(HTL: Hole Transport Layer) 및 발광층(EML: Emitting Layer)으로 구성되어 있으며, 때로는 별도의 전자주입층(EIL: Electron Injecting Layer)과 정공주입층(HIL: Hole Injecting Layer) 또는 정공방지층(HBL: Hole Blocking Layer)을 소자 특성의 개선을 위해 추가로 삽입할 수 있음.
ㅇ 이러한 다층의 유기 박막을 형성하는 데 사용되는 전형적인 저분자 OLED 진공 증착 장비의 구성과 기능은 다음과 같음. 그림 3은 전형적인 OLED의 구조를 나타내며, 그림 4는 에이엔에스(주)에서 개발한 Full
Color OLED 증착 및 봉지 장치 “HELYSIS"를 나타냄.
1) ITO 박막 증착
ㅇ 일반적으로 ITO 박막은 Sputtering에 의해 형성됨. 현재 사용되는 LCD용 ITO Coated Glass는 표면 거칠기가 약 200Å 정도이므로 상부에 유기물 다층 박막이 증착된 OLED 소자 제작 시 층간 접촉면의 두께 편차에 기인한 Dark Spot 등이 발생되어 소자의 신뢰성을 저하시키며 이러한 문제를 해결하기 위해 표면 형상이 비정질이고 표면 거칠기가 균일한 OLED 전용의 ITO Coated Glass 개발이 여러 곳에서 진행되고 있음.
ㅇ OLED는 Carrier(전하와 정공) 주입 방식에 의한 발광 소자이므로 유기물의 경계면으로 침투하는 Carrier의 주입 효율이 소자의 특성에 큰 영향을 줌. 대개 낮은 저항(~10ohm/square)과 균일한 표면 거칠기, 그리고 투과도가 높은 ITO 박막을 양극 전극에 적용함으로써 소자의 특성을 향상시킬 수 있음.
ㅇ 최근에는 전기전도도를 개선하기 위해 ITO에 다른 금속을 Co-Sputtering하거나 ITO 대신 IZO 박막 등을 적용하여 보다 우수한 특성의 Anode를 개발하려는 연구도 미국과 일본 등지에서 활발하게 진행되고 있음.
2) ITO 박막의 전처리(Pre-treatment) 기술
ㅇ ITO 기판의 상태에 기인하지만, ITO 표면 일함수(약 4.67eV)와 정공수송층(Hole Transporting Layer)의 표면 일함수(약 5.2eV)와의 접합 계면에는 표면 전위차가 발생하는데, 이 상태에서 소자를 구동하게 되면 발광 개시 전압이 수 V 정도 상승하게 됨.
ㅇ ITO의 표면 일함수는 기판 표면의 오염, 수분 부착 등의 영향으로 0.5eV에서 1.0eV로 다소 증가하게 되며, ITO 기판의 전처리 기술은 ITO의 표면 전위를 HTL의 표면 전위에 가능한 한 최대로 근접하게 만듦으로써 Anode로 사용되는 ITO로부터 정공이 보다 원활하게 발광층까지 이동할 수 있도록 하는데 그 목적이 있음.
3) 유기 박막 증착
ㅇ 유기 박막은 10(-7)torr 수준의 고진공 상태에서 진공 증착 방식을 이용하여 기판의 표면에 순차적으로 형성되는데, 정공주입층(HIL: Hole Injection Layer), 정공수송층(HTL: Hole Transport Layer), RGB 발광층(EML: Emitting Layer), 전자수송층(ETL: Electron Transport Layer) 등의 다층 박막으로 구성되어 있고, 이 박막들이 증착되는 진공 Chamber의 구성은 재료의 증발원 막 두께 제어센서, Glass 기판과 Metal Shadow Mask를 고정세로 Align할 수 있는 기구 및 재료를 증발시키기 위한 전원 공급원(Power Supply) 등으로 이루어져 있음.
ㅇ 사용되는 대부분의 유기 재료는 무기 재료에 비해 증기압이 높고, 증발 온도 범위가 광범위하고(100~500℃), 증발 온도가 제 각각 달라서 물질마다의 정교한 온도 제어가 필수적임. 유기물의 증발원은 일반적으로 높은 열전도도를 가진 세라믹 Crucible이 사용되고, 단계적이고 지속적인 증발 제어가 가능하여 유기물이 튀는 현상(Spitting)이 없도록 설계 제작되어야 함.
ㅇ 증발원의 온도 상승이 적절히 이루어지지 않아 지나치게 짧은 시간에 증발 온도까지 도달한 유기물은 튀는(Spitting) 현상이 발생되어 유기물 증발원의 입구가 막히게 되고, 이로 인해 유기물의 증착 속도가 변하여 원하는 박막 특성을 얻지 못하고, 아울러 유기 물질이 증착 도중 변색 또는 탈색되어 다시 사용할 수가 없음.
ㅇ 또한 각각의 유기물은 그 물질에 따라 증발을 위해 기화(Sublimation)되는 것과 용해(Melt)되는 것이 있으며, 이들은 각각 다른 증발 특성을 갖게 되므로 재료별로 최적의 증발 조건을 제어할 수 있는 기능이 매우 중요함. Full Color 소자 제작을 위해서 발광 재료는 Host 대비 Dopant 재료가 0.5~2.0mol% 정도의 비율로 제어되어야 하고, 이때 Dopant는 박막 내에 균일하게 분포되어야 하며, 전체 박막 균일도는 +/-5% 범위에서 제어되어야 함. 3색 발광층 증착 시에는 Metal Shadow Mask를 사용하여 고정세(+/-5micron 수준)의 증착 패턴 형성이 가능토록 해야 하고, 다른 유기 박막층의 경우에는 Open Mask를 이용한 기계적 Alignment(+/-200micron 수준)를 가능케 하는 장치가 필요함.
ㅇ Full Color OLED 디스플레이를 위한 생산 장비는 각각의 유기물을 증착할 수 있는 별도의 독립 Chamber로 구성하여 상호 오염을 최소화시키고, 높은 생산성을 확보할 수 있게 해야 함. 또한 대면적 유리 기판과 Metal Shadow Mask를 정교하게 Align할 수 있는 안정화된 기구, Mask의 열팽창 방지 및 Mask에 증착된 막을 In-Situ로 Cleaning 할 수 있는 방식 그리고, 고속으로 증착하면서 유기물의 증착 균일도를 확보할 수 있는 증발원의 기술 확보 등이 중요한 과제임. 그림 5는 3색 Full Color Patterning 방법을 나타냄.
4) 금속 전극 증착
ㅇ 금속 전극은 유기 박막에 이어 증착하게 되는데, 상대적으로 고온의 증착 과정 동안에 발생되는 복사열에 의해 온도에 민감한 유기 박막이 변질되지 않도록 주의해야 함. 음극 전극에 사용되는 금속 재료는 대부분 일함수가 낮은 활성 금속으로 성막 시 잔류 불순물에 의한 오염을 최소화하기 위해 고진공의 배기 시스템 내에서 공정을 진행하며, 진공 Chamber의 개폐를 필요로 하는 재료 공급의 빈도를 줄이기 위해 고안된 물질 자동 공급 장치를 사용하여 금속 전극 박막을 형성함.
- 일반적으로 Mg/Ag, Mg/Ag-Al, Li-Al, LiF-Al 등이 사용되는데, 금속 재료는 고온(450~1200℃)에서 증착되므로 유기물이 성막된 기판의 온도를 80℃ 이하로 관리하는 것이 중요함.
- 이러한 기술적인 문제를 극복하기 위해 최근에는 소자의 하부층에 유기 박막에 앞서 음극 금속 전극을 우선 형성하고, 소자의 상단에 양극 전극 재료로서 투명한 ITO를 채택한 소위 Top Emission 방식의 새로운 OLED 소자가 발표되었음. 이 방식이 본격적으로 소자 제작에 적용되기 위해서는 유기 박막에 손상을 주지 않고, ITO를 고속으로 증착하는 기술의 개발이 선행되어야 함. Top Emission 방식은 기존의 Bottom Emission에 비해 발광층이 유리 기판보다 디스플레이 표면에 가까이 위치하여 개구율을 증가시켜 휘도를 개선하는 장점을 가지고 있음. 그림 6은 Bottom Emission과 Top Emission 방식을 나타냄.
5) 보호막 증착 및 봉지(Passivation and Encapsulation)
ㅇ 수분과 산소에 취약한 OLED 소자는 Dry N2 분위기에서 Metal Can과 UV 경화 수지를 이용해 봉지되는 것이 일반적임. 봉지가 정상적으로 되지 못할 경우 수분이나 산소와 반응하여 특성이 저하된 유기 물질에 의해 소자의 밝기가 저하되고, Dark Spot 등이 생기는 결함이 발생함. 증착 장비와 연결된 보호막 증착 및 봉지 장비의 개발이 필요하지만, 아직까지는 박막의 증착에 의한 봉지가 성공된 사례는 없음. 따라서 현재로서는 Metal Can 또는 Glass Can에 의한 봉지가 일반적임.
ㅇ Metal Can을 사용하는 봉지 공정은 다음과 같음. 여러 개의 Metal Can을 장착한 Tray를 Loading한 후 UV를 이용하여 Metal Can 세정을 하고, 각각의 Can에 BaO, CaO 등과 같은 흡습제를 일정 부분 바른 후 투습지로 Taping함. 그리고 나서 접착제를 Can 주위에 균일하게 Dispensing한 후 UV Curing을 통해 봉지를 완료함. Can을 사용하는 방법과 달리 진공 증착으로 보호막을 성막하는데 있어 필요한 재료로는 유기물로서는 Polyparaxylene이 사용되고 있고, 무기물로서는 SiO2, SiNx, MgF2, In2O3 등이 사용되고 있음.
ㅇ 증발원은 저항 가열식 텅스텐 Boat, Electron Beam Gun 및 Sputtering Cathode 등이 있음. 최근에는 무기물과 Monomer를 다층으로 증착하면서 UV로 Curing시켜 Polymer를 만들어 이를 보호막으로 사용하는 방법이 가시화되고 있음. 진공 증착에 의한 다층 박막으로 봉지할 수 있는 것은 매우 중요한 기술이며, 이 기술은 가까운 장래에 Metal Can이나 Glass Can을 대체할 수 있을 것으로 예상됨. 그렇게 되면, OLED 소자의 플라스틱 기판상 제작도 가능해져 깨지지 않고 두루마리 형태로 휴대가 가능한 OLED의 개발을 앞당길 수 있을 것으로 예상됨.
Ⅱ. 경쟁국과의 기술 수준 제고 방안
1. 현재 가장 중요한 기술 격차 및 향후 전망
ㅇ 발광 재료 등 화학 소재 분야
- 일부 개발을 완료하여 양산 적용할 예정이나, 품질, 수명 등의 개선이 필요
2. 기술 격차 극복 방안
ㅇ 기업 차원
- 산, 학, 연 공동 연구 개발 및 중소 업체 기술 지원
ㅇ 대정부 건의 사항
- 업계 차원에서 부품, 소재의 국산화를 위해 노력하고 있으나, 시장 선점을 위해서는 일정 규모 이상의 시장이 형성되기 전까지 정부의 지원이 필요
→ 현재 할당관세 적용 중인 OLED 전용 유리의 관세율 추가 인하(4%→ 0%) 및 발광 재료에 대한 할당관세 추가 적용
Ⅲ. 관련 특허 분석
1. 주요 특허
2. 분쟁 예상 특허
ㅇ OLED 장치는 움직임이 빠른 동화상도 잔상 없이 표시되어야 함. 그래서 휘도 데이터가 설정되어 있는 광학 소자를 낮은 휘도 데이터에 재기록할 때 나타나는 잔상 현상을 감소시키기 위한 회로가 제안되고 있으며, 제안되는 회로는 그림 ７에 도시된 바와 같이 광학 소자와 상기 광학 소자가 병렬로 설치되어 상기 광학 소자 양단에 발생한 전압을 초기화하는 전류 바이패스 회로와 상기 전류 바이패스 회로를 제어하는 신호의 전압 범위를 변환하여 그 전류 바이패스 회로로 공급하는 신호 변환 회로로 구성됨. 휘도 데이터 재기록으로 작은 휘도 데이터를 설정하려고 해도 전의 큰 휘도 데이터에 대응하는 전하가 광학 소자에 남아 있어 정확한 휘도 데이터 설정이 불가능하여 잔상 현상이 나타나게 되며, 이로 인해 움직임이 빠른 동화상이 표시되기 어려웠던 종래 기술에 있어서의 문제점을 해소시킬 수 있도록 하기 위한 표시 장치가 특허 출원 되었음(일본공개특허공보 2002-094035, SANYO ELECTRIC).
ㅇ 또한 휘도 데이터 재기록 시 작은 값으로 설정하고자 하는 경우 큰 휘도 데이터에 대응하는 전하가 광학 소자에 남아 정확한 휘도 데이터 설정이 불가능하게 되어 잔상 현상을 보이는 경우가 있으며, 또한 화소의 고밀도화를 위해 화소 부분의 설계를 간소화하는 방향으로 회로 구성이 제안되고 있으나, 화소 부분에 새로운 소자나 배선을 추가하면 그만큼 개구율 저하와 장치 수율 저하를 초래하는 경우가 발생할 수 있음. 따라서 각각의 발광 소자와 그 구동 소자를 포함하는 복수의 화소 회로에 대해 전력을 공급하는 경로 상에 설치된 스위치 소자와 그 스위치 소자를 초기화 기간 오프 상태로 제어하는 회로를 제공함으로써 높은 휘도 데이터가 설정되어 있는 광학 소자를 낮은 휘도 데이터에 재기록할 때 나타나는 잔상 현상을 감소시키기 위한 새로운 회로를 제안하며, 화소 부분의 개구율을 향상시켜 장치의 수율 향상을 도모한 표시 장치가 특허 출원됨(일본공개특허공보 2002-014624, SANYO ELECTRIC).
ㅇ 특히 유기 발광 다이오드식 플랫 패널형 표시 장치의 경우 OLED 재료로부터 방출되는 빛의 상당 부분이 커버 또는 기판 내부에서 내부 반사되는 한편, 흡수되거나 표시 장치의 테두리부로 광전송되거나 표시 장치의 다른 장소에서 재방출되므로 이러한 LED 표시 장치를 헤드 탑재식 디스플레이와 같은 개구수가 큰 광학계에 사용하거나 넓은 관찰각으로 관찰하면 기판 또는 커버판 내부 반사에 의해 표시 장치의 선명도가 저하되는 문제점이 발생하는데, 이러한 문제점 해결을 위해 선명도를 향상시키기 위한 구조가 그림 8과 같음. 기판과 그 기판상에 형성된 어레이형 유기 발광 다이오드 요소와 그 유기 발광 다이오드 요소상에 배치된 봉입 커버를 포함하여 구성된 유기 발광 다이오드 표시 장치로서, 그 표시 장치는 그 기판 및/또는 그 봉입 커버를 통하여 관찰되고, 그 표시 장치를 관찰할 때 개재하는 그 기판 및/또는 그 봉입 커버가 광섬유 페이스 플랫이기 때문에 그 표시 장치의 외관 선명도가 높아지도록 형성됨(일본공개특허공보 2003-200328, EASTMAN KODAK).
ㅇ 그리고 유기 발광 다이오드 디스플레이는 방사층으로 광출력을 증가시켜 디스플레이 효율성을 개선시키기 위해 그림 9에 도시된 바와 같이 상부 방사 액티브 매트릭스 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이에 있어서, 기판과 상기 기판상에 형성된 박막 트랜지스터(TFT)층과 상기 TFT층상에 형성되고, 주기적 격자 구조를 한정하는 절연층과 상기 절연층상에 형성되고, 상기 격자 구조를 따르는 제 1전극층과 상기 제 1전극층상에 형성되고, 상기 격자구조를 따르는 OLED 재료층과 상기 OLED 재료층상에 형성되고, 상기 격자구조를 따르는 제 2전극층을 포함하며, 상기 제 1 및/또는 제 2전극층들은 금속층들이며 이에 따라 상기 주기적 격자 구조는 금속 전극층(들)에서 표면 플라즈몬 교차 결합을 유도할 수 있도록 구현됨으로써 새도우 마스크들을 사용하여 실리콘 기판상에서 표면 플라즈몬을 결합하는 OLED를 제조하였으나 새도우 마스크들이 격자들의 작은 크기로 인하여 격자들을 생성하기가 곤란하였던 종래 기술의 문제점을 해소시킬 수 있었음(미국공개특허공보 2002-184358, Eastman Kodak).
ㅇ 한편 발광 효율 및 칼라 품질이 개선된 마이크로공동 OLED 장치는 첨부 도면 그림 10에 도시된 바와 같이 기판과 상기 기판의 한 표면상에 증착된 금속 하부 전극층과 상기 금속 하부 전극층상에 증착된 유기 EL 엘리먼트와 상기 유기 EL 엘리먼트상에 증착된 금속 상부 전극층을 포함하며, 상기 금속 전극층들 중 한층은 반투과층이며, 금속 전극층 중 다른 층은 불투명 및 반사층이며, 상기 불투명 및 반사 금속 전극층에 대한 재료는 Ag, Au, Al 또는 이들의 합금으로부터 선택되며, 상기 반투과 금속 전극층에 대한 재료는 Ag , Au 또는 이들의 합금으로부터 선택됨. 상기 반투과 금속 전극층의 두께 및 상기 발광층의 위치는 마이크로공동 없이 상기 마이크로공동 OLED 장치의 방사 출력을 강화시키기 위한 차원에서 선택되므로 대역폭 협대역 현상을 유발할 뿐만 아니라 발광 효율 및 칼라의 품질을 개선시키지 못한 구조를 나타냄(미국공개특허공보 2003- 346424호, Eastman kodak).
ㅇ 또한 OLED 장치는 주변 환경으로부터 주변광을 흡수 및 필터링하여 간섭을 감소시키고, OLED 패널의 광방사 효율성을 증가시키며, OLED 패널의 섬광 방지 기능을 증가시킬 수 있게 OLED 패널상에 섬광 방지 화소 한정층이 형성되는 구조를 가져야 하며, 이 구조는 그림 11에 도시된 바와 같이 OLED상에 섬광 방지 화소 한정층을 형성하기 위한 방법에 있어서,
(1) 기판을 제공하는 단계와
(2) 상기 기판의 표면상에 다수의 제 1전극들을 형성하는 단계와
(3) 비감광 폴리이미드 또는 폴리이미드 선구 물질 및 광흡수 피그먼트들 또는 다이들을 포함하는 섬광 방지 화합물층을 상기 기판 또는 상기 제 1전극상에 코팅하는 단계와
(4) 상기 섬광 방지 화합물층과 상기 기판을 사전에 베이킹하는 단계와
(5) 상기 섬광 방지 화합물층상에 포토레지스트 화합물층을 코팅하는 단계와
(6) 상기 섬광 방지 화합물 및 상기 포토레지스트와 상기 기판을 사전에 베이킹하는 단계와
(7) 상기 기판을 상기 마스킹된 방사로 노출시키고 상
기 섬광 방지 화합물층 및 포토레지스트를 동시에 에칭하여 상기 포토레지스트의 패턴들을 형성하는 단계와
(8) 상기 포토레지스트를 해제 또는 스트립하는 단계와
(9) 상기 섬광 방지 화소 한정층을 형성하기 위하여 상기 패터닝된 섬광방지 폴리이미드 또는 폴리이미드 선구 물질 화합물을 크로스링크 또는 경화시키기 위하여 상기 패터닝된 섬광 방지 폴리이미드 또는 폴리이미드 선구 물질 화합물과 상기 기판을 베이킹하는 단계를 포함하며, 상기 섬광방지 폴리이미드 또는 폴리이미드 선구물질 화합물층의 패턴들은 상기 섬광 방지 화소 한정층에 의하여 커버되지 않는 다수의 개방 영역들로 상기 제 1전극들을 분할하여 형성하는 구조로 이루어짐.
그림 11과 같은 구조의 포토레지스트로 만들어진 절연층은 전기 단락을 방지하기 위하여 기판의 표면상에 증착되나 포토레지스트로부터 유기 솔벤트 또는 물 증기를 느리게 방출하기 때문에 OLED상의 유기 전자 발광 매체의 품질을 감소시키며, 이에 따라 포토레지스트 절연층은 수명을 감소시킬 뿐만 아니라 디스플레이의 품질이 저하되는 결점을 해소시킬 수 있음(미국공개특허공보 2003-663780, RiTdisplay).
문의: 전자부품연구원 전자정보센터
박희재 실장
Tel: 031-610-4142
E-mail: parkhj@keti.re.kr
http://www.eic.re.kr
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