[디스플레이 이론 정리 II] OLED란 무엇인가 / OLED 공정

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OLED

• 명암비 : 검정색과 흰색의 밝기 차이

OLED를 가장 압축적으로 설명하는 표현은 '자체 발광'이다. 자체 발광이란 말 그대로 '스스로 빛난다'라는 뜻으로 디스플레이에서 화면을 표현하는 소자가 외부의 광원을 통해서가 아닌, 소자 스스로 발광하는 경우, 이를 자체 발광 방식 디스플레이라고 한다.

• 자체 발광 방식의 장점이 상당히 크다 → 고명암비, BLU/액정/컬러필터 등 빛의 순도를 감소시키는 구조가 불필요해져 색재현력이 높아진다, 두께와 무게도 줄어든다
• 특히 LCD가 BL을 모두 켜야만 화면 표현이 가능하지만, OLED는 원하는 픽셀에만 전력을 공급하면 되므로 소비전력을 무척 효율적으로 사용할 수 있다

현재 OLED 기술의 근간을 만든 것은 Ching Tang 박사로 1980s 초 유기태양전지를 개발하던 Tang 박사는 우연히 유기물에 전기를 흘리면 빛이 발생한다는 사실을 발견하고 이에 착안해 아주 얇은 유기 반도체 박막을 사용해서 발광효율이 높은 OLED 소자를 개발했다.

1989년 논문에서는 발광층에 유기 형광 색소를 도핑해 발광 효율을 높이고, 다른 색을 낼 수 있다는 것을 보여주며 천연색 OLED 디스플레이 개발의 가능성을 제시했다.

OLED에 사용될 수 있는 분자는 저분자 / 고분자로 나뉘며, 고분자 OLED는 초기 연구가 활발했으나 아직 상용화 되지는 못했고 현재는 저분자 OLED를 사용중이다.

빛을 내는 방식은 크게 온도방사와 발광이 있다. 온도방사는 물체를 고온으로 가열하면 빛이 방출되는 현상으로, 백열전구를 생각하면 쉽다. 백열전구의 필라멘트인 텅스텐에 전기를 가하면, 열이 발생하며 이러한 열의 방사로 인해 빛을 만들어 가는 것도 같은 원리이다. 발광은 저온 환경에서 외부로부터 공급된 에너지원이 빛 에너지로 변환하는 것을 의미하며 다양한 종류가 있다.

이 중 전계발광방식이란 발광물질에 전기를 가해 빛을 내는 방식을 가리킨다.

OLED는 전류를 가했을때 이에 반응해 빛을 내는 발광물질로 이루어진 발광층(EML, emission material layer)라고 불리는 곳에서 빛을 낸다. 이 곳에서 전자와 정공이 만나며, 전자와 정공의 원활한 흐름을 위해 이를 돕는 여러 개의 보조층들을 마련해준다.

• 전자 수송층(ETL, electron transport layer)
• 정공 수송층(HTL, hole transport layer)

EML은 어떠한 색을 내는지에 따라 서로 다른 발광물질이 사용된다.

OLED 제조공정

• 컬러 패터닝 : 픽셀을 형성하는 방법

현재까지 OLED 양산을 위해 가장 보편적으로 사용되는 방법은 '증착'이다. 마이크로 단위의 OLED 미세공정에서 정밀하고 불순물이 없어 대량으로 컬러 패터닝을 할 수 있는 방법은 현재로서 증착이 유일하기 때문

OLED 제조 공정은 크게 5단계이다.

1. LTPS
2. 증착 (Evaporation)
3. 봉지 (Encapsulation)
4. 셀 (Cell)
5. 모듈 (Module)

LTPS 공정이 빛을 내는 각각의 픽셀들을 컨트롤 하는 스위치를 만드는 작업이라면, 증착 공정은 빛과 색을 내는 자체발광 픽셀 그 자체를 만드는 작업이다.

증착 (Evaporation)

증착은 수증기가 냄비 뚜껑에 이슬처럼 맺히는 것과 유사하다. 증착은 우선 진공 상태에서 이루어져야 하므로, 진공 챔버라고 불리는 설비 안에서 진행된다. 일반적인 증착 순서는 다음과 같다.

1. 챔버 안에 컬러 패터닝을 해야 하는 커다란 LTPS 기판을 준비한다.
2. FMM(Fine Metal Mask, 미세 금속 마스크)를 LTPS 기판 아래 바짝 가져다 댄다

• Mask라는 것은 유기물을 증착할 때 특정 위치에만 증착이 되도록, 얇은 철판에 작은 구멍을 내 놓은 기구

3. 마스크까지 준비가 되면, 그 아래에 놓인 증착원(유기물 등의 증착 물질)을 적정 온도로 가열한다.

4. 가열된 분자 단위의 작은 유기물질들이 마스크를 통해 원하는 위치에 입혀진다.

OLED에서 증착을 하는 일반적인 순서는 다음과 같다.

1. LTPS의 잔막과 불순물 제거 (세정 및 건조) 플라스마를 이용해 Anode 상부에 남아 있는 잔막 제거하고 Anode에서 HIL로의 정공 주입 특성을 개선시킨다
2. HIL 증착
3. HTL 증착
4. EML을 Mask를 사용해 증착 한다
5. ETL과 EIL을 순서대로 증착한다
6. Cathode를 증착한다

봉지 (Encapsulation)

OLED에서 빛을 내는 유기물질과 전극은 산소와 수분에 매우 민감하게 반응해 발광 특성이 잃기 때문에, 이를 차단하기 위한 공정으로 encapsulation이 필요하다. 이를 통해 OLED 패널의 수명을 보존 또는 향상시킨다.

• 산소가 침투하게 되면 EML 최상단의 음극 부위와 그 아래의 EIL 층의 접촉부위에 산화가 이루어져 음극과 EIL이 서로 벌어지고 접촉이 약해진다. Cathode와 EIL 사이에 전자가 원활하게 이동하지 못해 암점(검은 픽셀)이 발생하거나 픽셀의 일부가 빛을 내지 못하는 현상이 나타난다.
• 수분이 침투하면, 전기 화학적 반응에 의해 수분에 있던 수소가 산소와 분리되고 이렇게 생겨난 H2에 의해 버블이 형성된다. 이렇게 발생한 버블은 Cathod 층을 들뜨게 만들어 Cathod와 EIL 사이에서 전자의 이동을 어렵게 한다.

봉지란, LTPS 기반에 증착이 이루어진 OLED 패널 위에 봉지 글라스를 덮는 구조이다. 그리고 글라스와 패널층 사이에 공기과 수분이 침투하지 못하도록 유리 재질의 Frit을 바르고 레이저로 녹인 후 경화시켜 글라스와 패널을 합착시킨다. 윗부분은 글라스가 막아주고, 측면은 단단해진 Frit Sealing이 산소와 수분을 막아주어 OLED 패널 안의 유기물들이 손상 없이 제 기능을 발휘할 수 있게 해준다

봉지 공정을 위해서는 크게 3가지의 재료가 필요하다.

• 인캡 Glass, 접착제, 레이저

상당수의 작업은 진공챔버 안에서 이뤄진다. 봉지 공정은 크게 4단계로 나눠진다.

봉지 공정은 셀 단위에서도 필요하고, 커다란 원장 상태에서도 진행한다.

1. 인캡 글라스를 투입후 세정 시작, 습식 세정, 플라스마 세정 완료
2. Cell 마다 접착 물질인 Cell Seal을 둘러가며 바른다 (Cell Seal 인쇄, 정밀도는 무척 중요하다)
3. 솔벤트로 발생한 Cell Seal 내부의 기포 기둥 등을 제거하기 위해, 건조한다
4. 소성 - 열을 가하는 단계로 솔벤트, 유기 바인더 등을 제거하고 추후 레이저 sealing이 가능하도록 Cell Seal 특성을 변화시킨다

5. 그 다음 원장 Glass Seal을 도포 한다

6. 합착한다

7. UV 장비를 활용해 원장 Seal을 굳어지게 만든다. 원장 Seal은 외부 공기와 수분의 침투를 막고, 내부 기압을 유지하는 등의 기능을 담당한다.

8. 각 Cell에 발라 놓은 Seal에 레이저를 쏴서 순간적인 융용/합착 과정을 수행한다

9. 이후 이 원장을 각 Cell의 크기에 맞게 자르는 Cell 공정이 이어진다. Cell 패널들은 스마트폰, 태블릿 등 그 목적에 맞게끔 전자회로를 붙이는 등의 모듈공정을 거치고 난 후 각 전자기기의 제조 업체로 전달된다.

글라스를 얇게 가공해 조금 휠 수는 있지만 플렉시블이라는 이름을 붙이기에는 부족하다. 따라서 플렉시블 OLED 제작을 위해서는 기판도 PI(폴리이미드)라 불리는 유연한 소재를 사용하며 봉지도 글라스가 아닌 유연성을 갖도록 제작되어야 한다.

유연하게 구부릴 수 있으면서도, OLED 유기물 층에 공기와 수분의 침투를 효과적으로 막을 수 있는 가장 대표적인 방법은 바로 박막봉지(TFE, Thin Film Encapsulation) 방식이다.

박막봉지란, 적합한 소재를 얇게 성막하는 방식으로 봉지를 구성하는 것이다.

무기막/유기막의 다층 구조로 패널을 덮어주면 무기막/유기막을 번갈아 성막함으로써 공기와 수분의 침투 경로를 길게 해 발광층까지 도달하지 못하게 한다.

무기막은 수분과 공기의 침투를 훌륭하게 막아내는 특성을 가지고 있지만, 소재 특성상 파티클이 존재하고 이러한 파티클 때문에 핀홀이라고 불리는 일종의 구멍이 생겨 이 경로를 통해 공기와 수분이 침투한다. 따라서 현재는 무기막을 2개 이상 성막해야 한다.

유기막은 물분자보다 빈 공간이 크기 때문에 침투를 막지는 못하지만, 먼저 사용된 무기막 위에서 파티클을 둘러 싸 평탄화를 하고, 두 번째 무기막을 성막할 때 잘 안착하도록 돕는 역할을 한다.

OLED의 공진 원리

모든 물체는 자신만의 '고유 진동수'를 가지고 있으며, 각 물체들은 이 고유진동수에 해당하는 주파수 또는 파동을 흡수하는 성질이 있다. '공진'이란 물체가 자신의 고유진동수와 똑같은 진동수를 가진 외력의 작용을 받을 경우 자연적으로 진동을 시작해서 그 진동의 속도와 압력 등이 증폭되는 현상으로 '공명' 현상이라 부르기도 한다.

ex) 전자레인지, MRI

OLED의 Anode와 Cathode에서 각각 정공과 전자가 출발해 EML 층에서 만나 발생한 빛은 반투명한 거울 (Cathode 측)을 빠져나가 우리 눈까지 도달한다. 이때 아래로 빠져나간 빛은 Anode의 금속 층에 부딪혀 위로 반사되고, 위로 파져나간 빛은 Cathode에 부딪히게 된다.

OLED와 외부의 다양한 적층막의 두께를 활용해 보강 간섭을 일으키며, 해당 발광물질의 최적 공진 주파수를 만들어내는 막 두께와 맞아 떨어지게 유기물층의 두께를 만들어야 한다.

OLED 전면 발광 / 배면 발광

배면 발광 방식 - 유기 발광층의 빛 일부가 TFT 등에 막혀 밖으로 빠져 나오지 못한다는 단점이 있다.

전면 발광 방식 - 음극을 반드시 통과 해야 한다.