29. 삼성디스플레이 용액(Soluble) 잉크젯 OLED 도전 - 특징과 장단점

가장 바람직한 방법이지만 어려운 기술 용액화 OLED

지난 2018년 12월 04일 전자신문(http://www.etnews.com)에서는 삼성디스플레이에서 차세대 기술로 잉크젯 RGB OLED를 개발 중에 있다고 기사를 냈습니다.

사실 잉크젯(Ink jet)을 이용한 OLED의 용액화(Soluble)는 기존에 계속 연구되어오고 있던 분야입니다. 방법적으로는 새로울 것이 없는 기술이지만 생소한 기술이기도 하기 때문에 이번 시간은 용액공정 OLED와 현재의 증착방식 OLED와의 차이점과 용액공정 OLED로 개발하려는 이유에 대해 알아보겠습니다.

용액공정 OLED란? (Soluble OLED)

먼저 현재 제품으로 나오고 있는 OLED가 어떠한 방식으로 제작되고 있는지부터 아는것이 중요한 것 같습니다. 현재 제품으로 양산되고 있는 방식은 진공열증착(Vacuum Thermal Evaporation) 방식으로 진공챔버 내에 재료에 열을 가해서 승화시켜 기판에 증착하는 방식입니다.

그에반하여, 이번에 이슈가 되고 있는 삼성디스플레이의 용액공정 OLED는 여러 용액공정 중 잉크젯 방식으로 흔히 많이 사용하는 잉크젯 프린터와 동일한 개념입니다. 바로 잉크젯 노즐을 통해 유기재료를 분사하여 OLED를 제작합니다.

위 그림을 보면 진공열증착과 잉크젯 두 방식에 대하여 간단하게 나타내고 있습니다. 현재 사용되는 진공열증착 방식은 진공챔버를 고진공상태로 유지시켜야 하고 재료가 챔버 사방으로 균일하게 퍼져나가기 때문에 재료가 실제로 필요하지 않은 부분까지 모두 사용되어 재료소진량이 매우 큽니다. 

그러나 용액공정 중 특히 잉크젯 방식은 유기재료가 필요한 부분에만 분사하기 때문에 매우 효과적으로 재료를 사용할 수 있고, 진공을 유지하지 않거나 매우 낮은 진공도에도 충분하기 때문에 저렴한 비용이 장점입니다. 그림만 보고 설명을 들으면 '오 진짜 최고네 왜 진작 이런방식을 안쓰고 있던거야?'라고 생각할 수도 있습니다. 그러나 생각보다 이 잉크젯 방식은 해결해야할 문제들이 아직도 산더미처럼 쌓여있습니다.

잉크젯 프린팅 방식 무엇이 문제가 되는가?

잉크젯 방식 자체는 너무나 많은 장점을 가지고 있는 방식입니다. 공정 방법 자체는 딱히 뭐 단점이라고 생각할만한 것이 없습니다. 그러나 잉크젯으로 만드려는 제품이 무엇인가를 생각해보면 단점들이 나오기 시작합니다.

첫번째로 두께에 대한 균일도(Uniformity) 문제 입니다. OLED는 유기물을 사용하는 발광제품으로써 유기물은 기본적으로 전기적 특성이 매우 낮은 재료입니다. 아무리 유기재료의 전기적 특성을 개선시켜 만든다고 하더라도 금속재료의 전기적 특성에 비하면 거의 무의미한 전기적 특성을 갖고 있습니다.

따라서 유기물을 굉장히 얇게 만드는 것이 전기적 스트레스를 줄일 수 있는 방법인데 이 두께가 수~수십 nm수준입니다. 원자 한개의 크기가 0.1nm라는 것을 볼 때 원자 수십개가 유기분자 하나를 이루는 것을 보면 OLED의 한개 층은 대략 분자 몇개가 수직으로 쌓여있는 수준입니다. 

이렇게 얇은 OLED의 유기 박막을 만드려면 굉장히 정밀한 두께 균일도가 유지되어야 하는데 용액은 이 것이 매우 어려워 집니다. 두가지 문제가 있습니다. 기판에 용액이 올라갈 때와 건조시킬 때 발생합니다.

용액공정 OLED의 재료로 사용하는 용액이 어떻게 구성되어 있는지 부터 살펴보면 

실제 기능적으로 작용하는 유기물 재료(소량) + 재료를 용해시키는 용매(대량)

으로 되어 있습니다. 이 사실을 아시고 아래 그림을 통해 상황을 이해해봅시다.

가장 먼저 잉크젯을 낙하시킬 때 발생합니다. 잉크젯을 물론 위 그림처럼 높은 곳에서 낙하 시키지는 않지만 노즐은 기판에 완전히 밀착될 수 없고 따라서 어느정도의 낙하는 발생할 수 밖에 없습니다. 그런데 낙하시킬 때 CF에서 보던 것과 같이 왕관을 만들며 떨어지진 않지만 저런식으로 낙하 충격에 의해 용액이 불균일 하게 떨어지겠구나 이해하시면 되겠습니다.

물론 잉크젯 OLED는 나노리터 수준의 미세한 양의 용액을 사용하기 때문에 떨어진다기 보다는 기판에 미세한 액체들이 달라붙는 다는 느낌이 더 강할 수 있습니다. 그러나 어쨋든 기판에 용액이 떨어질 때 불균일 문제가 발생할 수 있다는 것을 이해하시면 되겠습니다.

그리고 두번째는 용액 건조시 발생하는데 용매와 유기물이 균일하게 섞여있다고 하더라도 건조 될 때 용매가 균일하게 날아가지 않기도 하고 용매에 퍼져있는 유기물의 농도 또한 균일하지 않기 때문에 건조시키면 유기물이 불균일하게 분포하게 됩니다.

위에는 제조공정 중의 문제라면 아래는 OLED의 원리적인 문제입니다.

현재까지 제작되고 있는 OLED는 가장 큰 특징이 '다층 유기물(Multi layer Organic)'이라는 사실입니다. [*참고 : OLED의 구조(1)-다층구조] 전자를 주입하는 층, 발광하는 층 등 최소 5가지 층 이상이 구성되고 재료는 6가지 이상은 되어야 제품으로 사용할 만한 특성을 가진 OLED가 됩니다.

유기물 자체가 전기적인 특성과 광학적 특성을 모두 만족하는 재료를 개발하는 것이 어렵기 때문에 각각의 역할에 최적화 되어 있는 층들을 따로 개발하고 이 것을 조합하는 방식을 사용합니다. 

따라서 잉크젯으로 이 다층 구조를 구현하려면 1층을 잉크젯을 분사하고 용매를 완전히 다 말리고, 2층 분사하고 완전히 다 말리고 또 3층 분사하고 말리고 과정을 반복해야합니다.

여기서는 어떠한 문제가 발생할까요?? 말리는 시간도 문제지만 바로 재료들의 용해도(Solubility)와 극성(Polarity)가 문제가 됩니다. 조금 어려운 용어가 나왔지만 어렵지 않으니 한번 천천히 알아봅시다.

물과 기름이 있습니다. 둘은 섞이지 않죠? 이 두 용액은 극성이 완전히 다릅니다. 물은 극성용매이고 기름은 종류에 따라 다르지만 일반적으로 무극성용매입니다. 따라서 물에 녹는 재료는 기름에 녹지 않고 기름에 녹는 재료는 물에 녹지 않습니다. 또 같은 극성을 갖더라도 재료와 용매의 종류에 따라 용해도가 다릅니다.

그러면 본격적으로 잉크젯 OLED를 만들어본다고 생각해봅시다. 1층은 극성용매에 섞인 정공주입층을 구성합니다. 여기까지는 큰 문제가 없습니다. 그러나 발광층 재료를 그 위에 떨어트리면 문제가 발생합니다. 같은 극성재료를 분사하면 두 재료가 섞여버리는 문제가 발생하기 때문에 다른 극성을 가진 발광층 재료를 사용해야합니다.

발광특성하나 맞추기도 쉽지 않은데 이러한 극성에 대한 문제까지 고려해야하면 재료의 선택이 제한될 수 밖에 없습니다. 그러나 또 극성이 다른 층들을 구성한다고 하더라도 문제는 여전합니다. 층들의 두께가 너무 얇기 때문에 다른 극성의 재료가 올라가더라도 확산문제를 막기가 매우 어렵습니다.

아래 층으로 용매가 건조되기 전에 재료가 확산되며, 아래의 층에 영향을 주게됩니다. 

이러한 공정상 문제가 있기 때문에 용액 잉크젯 OLED는 아직까지도 상용화에 어려움이 있었습니다. 물론 재료의 특성 확보도 문제일 수 밖에 없는데 이 용액재료의 특징은 다음 시간에 또 확인해보도록 하고 삼성디스플레이가 이러한 용액공정 문제를 모두 해결하여 값싸고 열증착 방식과 큰 차이가 없는 OLED 디스플레이를 빠른 시일내에 선보였으면 하는 바램입니다.

물론 현재의 열증착 방식으로도 아직까지 해결해야할 문제가 산적해있는 현실을 볼 때 용액공정으로 번인이나 다른 문제들을 해결하기는 아직까지는 길이 멀었다고 생각됩니다. 그러나 항상 어떻게든 공학적 문제를 잘 해결해오던 삼성이기에 삼성디스플레이가 어디까지 문제들을 해결해 나아갈지 기대가됩니다.