OLED 소자 제작 실험

1. 서 론

 

OLED(Organic Light Emitting Diode)란 형광성 유기화합물을 전기적으로 여기시켜 발광시키는 자발광형 디스플레이 소자로 낮은 전압에서 구동이 가능하고, 박형 등의 장점을 갖는다. 또한, 광시야각과 빠른 응답속도 등 LCD에서 문제로 지적되는 결점을 해결할 수 있는 차세대 디스플레이 후보로서 주목받고 있다.

OLED는 응답속도가 TFT-LCD(초박막액정표시장치)에 비해 1000배 정도 빠르다. TFT-LCD 모니터를 얘기할때 응답속도가 느려서 동영상에 적합지 않다는 얘기를 들어본 적이 있을 것이다. 최근에 12ms 수준의 제품을 삼성에서 선보였지만 OLED의 빠른 응답속도와 비교하기에는 부족함이 많다.

응답속도가 빠르다는 것은 그만큼 잔상이 없는 완벽한 동영상을 구현할 수 있다는 얘기이다.

또 화면을 구현하는 물질인 유기물질에서 스스로 빛을 내는 소자(자발광 소자)이기 때문에 LCD 처럼 별도의 백라이트(액정 패널의 뒤쪽에서 빛을 비춰주는 기구)가 필요없다. 백라이트가 없으면 전력 소모가 적어 노트북에 적용시 배터리 수명을 연장 할 수 있는 동시에 백라이트가 위치하는 공간만큼 얇게 만들 수 있다. 더불어 자발광 소자인 PDP와 비교하면 대형 화면을 구현하는

 

데서만 뒤처질 뿐 해상도나 소비전력에서 월등한 경쟁력을 갖는 것이 OLED이다.

OLED는 이 같은 장점 때문에 최근 들어 휴대전화나 PDA 등 모바일 제품에서 ‘얇고, 오래 쓰고, 선명한’ 디스플레이로 급부상하고 있다. 하지만 아직은 기술적인 안정성이 취약해 최대 생산크기가 20인치 안팎에 머물고 있고, 그 밖에 형광물질의 수명과 효율에 있어 해결해야 할 과제가 많이 남아 있다. 이러한 부분이 ‘OLED 성공시대’를 열기 위한 최대 관건이 될 것으로 예상된다.

Fig.1. OLED 셀의 구조 단면도

 

전원이 공급되면 전자가 이동하면서 전류가 흐르게 되는데 음극에서는 전자(-)가 전자수송층의 도움으로 발광층으로 이동하고, 상대적으로 양극에서는 Hole(+개념, 전자가 빠져나간 상태)이 Hole수송층의 도움으로 발광층으로 이동하게 된다.

유기물질인 발광층에서 만난 전자와 홀은 높은 에너지를 갖는 여기자를 생성하게 되는데 이때, 여기자가 낮은 에너지로 떨어지면서 빛을 발생하게 된다.

발광층을 구성하고 있는 유기물질이 어떤 것이냐에 따라 빛의 색깔은 달라지게 되며, R,G,B를 내는 각각의 유기물질을 이용하여 Full Color를 구현할 수 있다. 단순히 pixel을 열고 닫는 기능을 하는 LCD와는 달리 직접 발광하는 유기물을 이용한다.

 

  Fig.2. OLED 셀의 발광 원리

 

OLED는 자체발광이 가능하고 넓은 시야각을 갖으며 빠른 응답속도를 내고 제조공정이 비교적 간단하고 얇고 저전력이 필요하다는데 특징이 있다. 이런 장점으로 차세대 디스플레이의 축으로 자리 잡았으며 효율적이고 기능이 좋아 더 많이 상용화 될것으로 예상된다.

우리실험과정에서는 유기물질 발광층을 고분자 물질을 이요해서 사용하여 PLED소자를 제작하였다.

2. 실험 방법

 

우리 실험에서는 크게 3가지 단계로 소자 제작 실험이 진행되었으며 첫 번째 ITO기판 scribing 및 cleaning 두 번째 ITO 패터닝 세 번째 PLED소자 제작으로 실험이 진행되었다.

 

■ scribing & cleaning

ITO기판을 우리가 원하는 소자의 사이즈로 만들어주기 위해서 원하는 사이즈로 잘라주고 ITO기판의 다른 불순물과 유기물질을 제거해주어서 깨끗한 표면이 유지될수 있도록 세제등을 이용해 cleanign을 해주는 과정이다.

 

ITO기판 scribing

1)ITO코팅면을 위로 향하게 하여 Scriber 위에 올려놓고 진공펌프를 작동시켜 고정시킨다.

 

2)원하는 크기의 사이즈로 ITO글래스를 자르고 질소(또는 에어)를 이용하여 유리가루 등의

이물질을 불어낸다.

 

ITO기판 전처리 방법

1) 알코옥스(중성세제, 초음파세척기로 10분)

2) IPA(이소프로필알콜, 초음파세척기로 10분)

3) D.I.Water 세척(초음파세척기로 10분, 1, 2 두 단계에 대한 세척역할)

4) 열처리(핫플레이트에 120도 10분. ipo코팅이

위로가게)

5) UV처리기로 10분

- 1, 2, 3 과정은 과정 다음에 D.I.water로 세척 후 질소로 수분제거

- 4, 5번 과정은 질소로 냉각만.

 

■ ITO 패터닝

 

패터닝 전 PR(photoresist, 감광액)코팅

1) PR안에 뭉쳐있는 파티클을 제거하기 위해 주사기와 테플론필터를 이용하여 PR을 필터링해준다

2) PR코팅은 스핀코터를 사용. 진공회전체 위에 ITO글래스를 진공으로 잡아주고 PR을 균일하게 발라주고 30초 정도 회전시킨다.

3) PR에있는 유기용매를 날리고 부착력을 증가시키기 위해 핫플레이트를 사용하여 10분동안 90도로 소프트 베이킹을 한다.

4) PR코팅된 글래스에 패턴모양의 마스킹을 올린 뒤 UV를 1분 10초간 쏴준다. 마스킹으로 보호되지 않은 부분의 PR은 산성으로 변화한다.

5) 산성으로 변한 부분의 PR을 강염기 성분인 디벨로퍼(developer)로 제거해준 뒤 DIwater로 세척한다.

6) DIwater를 날리고 부착력을 더욱 증가시키기 위해 120도 10분간 하드베이킹을 해준다. 이후 질소건으로 냉각해준다.

7) 강산 성분의 에천트(etchant)에 4분30초동안 넣어서 PR로 보호되지 않은 ITO를 녹인다. 이후 DIWater로 세척해주고 질소건으로 수분제거해준다.

8) 남아있는 PR 성분을 제거하기 위해 강염기 성분의 스트리퍼(stripper)로 1~2분 동안 PR을 녹여낸다. 마찬가지로 DIWater로 세척해 주고 질소건으로 수분제거해준다.

9) 전극을 대어서 패터닝이 잘 되었는지 확인해 본다.

* ITO와 유리판 간의 투과도가 달라서 패터닝은 육안으로도 식별 가능하다

 

■ PLED소자제작

1) 패터닝된 글래스와 PEDOT:PSS를 질소하의 글로브 박스 안에 넣고 스핀코터로 코팅한다. 30초동안 4000rpm으로 코팅.

2) 핫플레이트에 140도로 5분동안 열처리한 뒤식혀준다.

3) 클로로벤젠에 녹인 Green Polymer를 주사기와 필터를 이용하여 필터링한다. 필터링이 끝난 polymer는 10분간 예열해준다.

4) 열처리가 끝난 polymer를 Glove box 안에넣고 스핀코터를 사용하여 글래스에 코팅한다. 3500rpm 30초. 소량으로 가운데만 뿌려줘도 된다. 코팅 이후 20분간 90도로 열처리한다.

5) 면봉에 클로로벤젠을 묻혀서 고분자를 가운데 부분만 남도록 바람개비 모양으로 지워준다.

6) 면봉에 메탄올을 묻혀서 같은 방식으로 PEDOT을 지워준다.

7) 메탈마스크를 사용하여 메탈이 마스킹 모양대로 증착될 수 있게 증착시켜준다. 글래스 홀더로 글래스를 잡아주고, 마스킹 역할을 하는 글래스 마스크를 글래스 아래에 위치. 그 상태로 진공상태의 증착기에 넣는다.

8) 열증착은 BaF2(2나노두께), Ba(1나노두께), Al(200나노두께) 순서대로 총 30분간 증착시킨다.

9) 봉지공정. 보호용 글래스 가장자리에 UV경화제를 발라주고 메탈이 열증착된 글래스 위에 씌워준다. 이후 3분간 UV를 쏘아서 경화시키면 봉지공정 끝.

10) 빛이 잘나오는지 휘도 테스트를 통해서 확인을 해준다.

 

3. 결 론

 

실험을 통해 OLED 소자 제작을 직접해볼수 있었다. 앞서 말했듯이 OLED는 경량, 저전압, 시야각 등 여러면에서 장점을 가지고 있어 차세대 디스플레이로 각광을 받고 있고 그만큼 첨단기술이 집약되어 있어 신중한 공정이 매우 필요했다. ITO기판을 scribing하는것부터 시작해서 cleaning, patterning등 모든 공정에서는 소자에 다른 유기물질과 불순물이 묻지 않는작업을 해주는 것이 필수 적이었다. 즉 OLED구조에 다른 물질이 붙는 것을 방지해주기 위해 산소, 수분, 먼지등으로부터 차단하는 것이 가장 중요했다.

그리고 또 HIL, HTR, EML, ETR, ELR을 층층이 쌓아주는 과정에 spin coater를 이용해서 적당한 rpm으로 적정시간을 맞춰 고르게 펴주는것도 중요했다. 고르게 물질이 펴져야 전자와 홀의 이동이 순조로울수 있기 때문이다.

결과적으로 4개 정도의 소자를 완성했었는데 각각 휘도를 체크해보니 조그만 차이지만 밝기가 다달랐다. 따라서 같은 공정을 거치더라도 각각 물질의 양과 회전시간 열가하는 시간등 미세한 차이가 발생할수 있기 때문에 결국 다른 밝기를 지닌 소자가 나올수 있다는걸 확인할수 있었다.

이번 실험을 통해 OLED제작 전반에 걸친 디스플레이의 모습과 현재 디스플레이의 중심의 원리가 무엇인지 정확히 이해할 수 있었다. 차세대 디스플레이로 OLED가 거의 상용화가 이루어지고 있는 상태에서 우리는 OLED를 어떻게 더 효율적으로 이용할수 있을지 아니만 다음세대의 디스플레이는 무엇인지 신소재인으로서 고민해보고 연구할 필요가 있을 것이다.

 

References

 

[1] 한국디스플레이협회 KODEMIA(Korea Display Equipment Material Industry Association) http://www.kodemia.or.kr/

 

[2] 한국전자통신연구원 전자통신동향분석 제26권 제6호 2011년 12월. 차세대 조명기술로서 OLED기술의 현황 [2011]

 

[3] 경북대학교 디스플레이 기술교육센터. OLED 전문교육과정. 기술 및 발광 원리. 이형락 [2007]