2. OLED 기판(Substrate) 이야기

땅이 좋아야 농사도 잘된다.

비옥한 토지위에 농사가 잘되듯, OLED를 비롯한 LCD, 반도체 등 다양한 전자전기 제품들도 기판 특성이 우수해야 좋은 제품을 만들어 낼 수 있습니다. 분자구조가 어떻고 소자구조가 어떻게 되느냐를 따지기 이전에 기판을 어떠한 재료를 사용해야하는지, 그리고 이 재료의 물리적, 화학적, 광학적, 열적 특성이 어떻게 되는지 알아야지만 이 기판 위에 만들어질 OLED를 어떠한 공정들을 사용해서 제작할 수 있을지 부터 완성된 제품의 특성까지도 기판이 결정합니다. OLED의 기판에 사용될 기판의 요구 특성들에 대해서 알아보도록 합시다.

기판 스펙 요구사항(Substrate Requirements)

OLED의 기판으로 사용되려면 다양한 특성의 요구사항을 만족시켜야 완성품의 가격, 수명, 효율을 원하는 수준에 도달 시킬 수 있습니다. 그렇기 때문에 이 요구사항에 맞는 기판 재료들을 결정하고 개선하는데 생각보다 많은 노력이 필요합니다. OLED는 기기 특성상 단단하게(Rigid) 혹은 유연하게(Flexible) 만들어 낼 수 있는데 이러한 물리적 특징 말고 기판이 가져야할 기본적인 특성들이 있습니다.

먼저 이 특성들을 요약해 보자면

1. 기판 거칠기(Roughness)

2. 투명도(Transparency)

3. 내화학성(Chemical resistance)

4. 수분, 산소 침투성(Moisture and oxygen permeability)

5. 열팽창계수(CTE, Coefficient of Thermal Expansion)

위 다섯가지 특성들이 만족해야지만 비로소 기판 소재로 사용될 수 있습니다. 그러면 왜 이러한 특성들을 만족시켜야 하는지 또 어느정도 수준에 이르러야 하는지 알아보도록 합시다.

1. 기판 거칠기(Roughness)

OLED는 매우 얇은 유기막으로 이루어져 있는 소자입니다. 얼마나 얇은지에 대해서 예전에 8. OLED의 구조 (1)-다층구조 에서 다룬적이 있었기 때문에 그때 그림을 다시 예시로 사용하도록 하겠습니다.

<사진1. OLED의 구조와 표면 확대>

OLED는 150~300nm의 앏은 유기막으로 이루어져 있기 때문에 LCD, LED, Plasma display 등 다른 디스플레이 소자들보다 훨씬 기판의 거칠기가 소자 특성에 많은 영향을 미칩니다. 기판 재료로 많이 사용되는 글래스의 경우 육안으로 볼때는 상당히 매끄러워 보이지만 확대해보면 표면이 생각보다 거칠 다는 것을 알 수 있습니다. 

그러나 이 거칠다는 정도를 표현할 정량적인 수치가 필요하기 때문에 이 수치를 RMS(Root Mean Square)값과 Rmax 값으로 표현합니다. 이 수치들은 기판이 평균적으로 얼마나 편차가 있는지와 가장 큰 편차가 얼마나 되는지를 수치적으로 보여줍니다. 평균적진 수치 RMS값이 굉장히 낮더라도 큰 편차가 굉장히 큰 핀홀들이 존재하면 그 부분은 높은 확률로 불량이 될 확률이 커지기 때문입니다. 

2. 투명도(Transparency)

OLED는 광학 소자입니다. 특히 가시광영역에서의 광학특성이 굉장히 중요합니다. 물론 전면발광(Top-emission) 구조에서는 이 투명도가 큰 영향을 미치지 않지만 배면소자(Bottom-emission)같은 경우에는 이 투명도가 미치는 영향이 절대적입니다. 일반적인 글래스의 경우 가시광영역(380~780nm)에서 투과율이 90% 정도를 유지합니다. 

<사진2. 일반적인 Glass의 투과율>

Glass는 모든 파장에서 투과율이 변화가 없기 때문에 색이 왜곡되지 않고 원하는 색을 나타낼 수 있고, 또 높은 투과율 덕분에 효율측면에서도 유리합니다. 그러나 유연한 기판으로 사용하려면 플라스틱 기판들이 사용되곤 하는데 이 플라스틱 기판들은 투과율이 파장에 따라 달라집니다. 이러한 경우에는 색이 왜곡되고, 그 파장영역의 색을 더 보정해주어야 하는 등 문제가 발생하게 됩니다.

3. 내화학성(Chemical resistance)

무슨 광학 기판에 내화학성이 필요하냐고 질문하시는 분들이 계실겁니다. 그러나 사실 이 특성이 가장 중요한 특성이 될 수도 있습니다. 왜냐하면 OLED 제작공정은 유기물 증착만 제외하고는 산, 염기 용액에 아주 듬뿍 절여집니다. 바로 기판후면(Back-plane)이라 표현하지만 사실 유기물 바로 아래 위치하는 TFT(Thin Film Transistor), 각종 Gate, Scan line 등 수없이 많은 회로들이 존재하는데 이 회로를 만들기 위해서는 산을 통한 식각(Etching), 염기를 통한 박리(Strip) 공정 등 화학제품에 장시간 노출 됩니다. 

사실 Glass의 경우에는 화학반응이 불산(HF)를 제외하고는 잘 일어나지 않기 때문에 문제 없지만, 플라스틱 기판들의 경우 내화학성이 약할 경우 다른 특성들이 우수하더라도 기판소재로 사용되지 못하게 됩니다. 그러나 내화학성은 수치로 표현하기는 조금 어렵기 때문에 공정중 사용하는 용액들에 반응하지 않는 정도만 만족하면 문제는 없습니다.

4. 수분, 산소 침투성(Moisture and oxygen permeability)

OLED는 기본적으로 수분과 산소에 아주아주아주 민감한 소자입니다. 조금난 노출되어도 암점(Dark spot)을 비롯한 수명저하 등 다양한 문제가 생겨버립니다. 봉지(Encapsulation)을 꼼꼼히 해주는 이유가 여기에 있습니다. 그런데 봉지공정을 아무리 철저히 한다고 해도 기판 자체가 수분, 산소 침투성을 갖고 있으면 봉지 공정 자체가 소용이 없어져 버립니다. 그래서 적정 수준의 기판의 수분 산소 침투성이 꼭 확보되어야 합니다.

5. 열팽창계수(CTE, Coefficient of Thermal Expansion)

사실 이 열팽창계수라는 수치는 굉장히 다양한 분야의 소재에서 등장하는 요구특성 중 하나입니다. 자동차, 건축, 전자기기, 주방용품 등 소재로써 갖추어야할 특성 중 가장 대표적인 수치입니다. 열팽창계수란 말 그대로 열을 받았을 때 재료가 얼마나 팽창, 수축하는지를 나타내는 수치입니다. 일반적으로 이 수치는 온도가 변화함에 따라 선형적으로 나타나는데 이 변화폭이 작으면 작을 수록 좋습니다.

<사진3. Glass의 열팽창계수(CTE) 변화> *출처 : 신코 http://www.scinco.com

사진3.에서 나타난 대로 온도가 올라갈수록 Glass는 선형적(Linear)하게 팽창 합니다. 그래서 열팽창계수라고 상수로 표현할 수 있습니다. 그런데 Glass는 유리전이온도(Tg, glass transition)을 갖고 있는데 이 온도가 지나게 되면 열팽창계수가 바뀌게 됩니다. 

일반적으로는 굉장히 변화폭이 커지게 되는데 이러면 공정상 상당한 문제가 발생할 수 있습니다. OLED를 이루는 회로들을 기껏 열심히 만들어 놓았더니 유기물을 증착하려고 열을 가했더니 기판이 팽창하게 되면 nm단위로 만들어 놓은 회로들의 파손을 유발할 수 있게 됩니다. 때문에 열팽창계수가 작은 기판 재료들이 채택되어야만 불량률을 최소화 시킬 수 있게 됩니다.

<표1. OLED 기판재료의 특성 요구사항>

마지막으로 OLED 기판재료의 일반적인 요구특성에 대한 정량적 값들은 위 표와 같습니다.

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