7. 금속박 기판(Metal Foil substrate) 이야기

복원성이 없는 플렉서블 디스플레이에 최적화된 기판

고분자 기판(Polymer substrate)은 분명히 유연한 특성을 가집니다. 그러나 이 기판의 가장 큰 특징은 형태 복원성이 너무 크다는 겁니다. 여러분들은 경험상 패트병과 같은 플라스틱 재질은 구부리기는 쉬우나 다시 원래의 모양으로 돌아가려는 성질이 크다는 것을 알고 있습니다. 만드려는 대상이 무엇이냐에 따라 이 성질은 좋게 작용할 수도 나쁘게 작용할 수도 있습니다. 항상 빳빳하게 펴있다가 잠깐 모양만 바꾸어야 하는 경우에는 복원력이 크면 매우 좋지만, 특정 모양을 계속 유지시키고 싶은 옥외 광고나 형태적으로 디자인 된 조명에서 사용하려고 하면 큰 복원성은 단점으로 작용합니다. 그래서 오늘 소개할 금속박 기판은 특정 목적에서 굉장히 유용한 대안이 될 수 있습니다.

금속은 참 재미있는 재료이다

금속하면 떠오르는 이미지는 어떤것일까요. 차가움, 단단함, 거울같은 표면, 은색 광택 등 일반적으로 금속이라하면 재질에 따라 차이는 있지만 이정도가 제일 먼저 떠오릅니다. 그런데 금속은 덩어리로 존재하면 상당히 단단한 특성을 가지지만 얇으면 얇아질수록 나풀나풀거리는 특성을 보입니다. 가장 대표적인 예가 알루미늄 호일인데요. 일상생활에서든지 야외에 놀러가서든지 상당히 유용하게 다양한 목적으로 사용되어지는 일생용품입니다.

실제로 알루미늄 호일이 또 대표적인 금속박 기판(Metal foil substrate) 중에 하나 입니다. 요리할때 많이 사용한다고 하여 쿠킹호일이라고도 부르는 이 알루미늄 호일의 특징을 한번 살펴보면 쉬운 형태 변형, 낮은 내구성, 높은 열전도성 등이 있습니다. 맞습니다. 기판으로 사용하기에는 너무나도 부실해 보이는 이 호일이 어떻게 기판으로 사용될 수 있는 것인지 알아봅시다.

  <사진1. 금속박과 금속박을 이용한 롤러블(Rollable) OLED>

먼저 지금까지 소개했던 글래스, 고분자 기판들과는 다르게 금속박을 이용하여 제작된 디스플레이 제품의 가장 큰 특징은 무엇일까요? 바로 빛을 투과 시키느냐 못시키느냐 이 점에서 앞선 두 기판들과 완전히 다른 특성을 갖고 있습니다. 금속은 투명하지 못합니다. 이 점 때문에 일반적으로 제작되는 배면발광(Bottom Emission)형 디스플레이는 금속박으로 만들 수 없습니다. 유기박막을 아무리 좋은재료와 정교한 공정으로 제작한다고 하더라도 기판방향으로 빛을 투과 시킬 수 없기 때문입니다.

그런데 최근에는 배면발광이 아닌 전면발광(Top Emission) 방법이 나와있고, 지금도 널리 사용되고 있는 방법입니다. 이 방식은 배면발광과는 다르게 기판의 반대 방향으로 빛을 투과시키기 때문에 기판이 투명하든 조금 투과하는 아예 불투명하던지 전혀 관계없는 방식입니다. 그러면 가장 큰 걸림돌 이었던 광투과성은 문제가 되지 않다는 것을 알았으니 바로 기판 재료로 사용하면 되는것 아니냐? 아닙니다.. 아직 갈길이 멉니다.

금속박 기판(Metal foil substrate)의 특징

불투명 : 가시광 투과율 ~ 0%, 반사율 >80%

표면 거칠기 : RMS > 1μm (1마이크로미터)

전기 전도성 : 도체

열팽창계수 : CTE > 20ppm/℃

위에 정리된 바대로 불투명한 문제는 전면발광 방식으로 해결하였고, 두번째 특징인 표면 거칠기 문제는 어떠한 기판이 되든지 만약 OLED를 제작하려 한다면 굉장히 중요한 문제입니다. OLED 소자가 일반적으로 소자 특성 저하가 없으려면 RMS가 2nm 이하로 유지 되어야 합니다. 그런데 특별하게 표면 처리되지 않은 금속박의 RMS는 1μm가 넘어가는데 이는 심각한 문제를 야기 할 수 있습니다.

게다가 다른 기판재료들과는 다르게 금속이기 때문에 높은 전도성을 가집니다. 디스플레이 소자를 제작하면 회로나 발광 패턴 특성상 전기가 흘러야 하는 곳이 있고 흐르면 안되는 부분이 있는데 글래스나 고분자 기판은 기판 위에 ITO나 다른 전도성 재료를 증착하여 사용하지만 반대로 금속박 기판은 절연성 재료를 코팅합니다. 

이 과정에서 절연성 재료와 열팽창계수가 크게 다르기 때문에 열처리 공정 중 문제가 발생할 여지가 크게 됩니다. 가장 큰 문제는 기판이 금속이기 때문에 발생하는 정전용량(Capacity)이 발생한다는 겁니다. 정전용량은 대전된 두 금속판 사이에 발생하는 것으로 OLED 특성 상 상하 전극 사이에 비유전율이 큰 유기물이 들어가다 보니 정전용량을 맞추는 것이 또 공정상의 이슈가 됩니다. 정전용량에 따라 회로상 구현해놓은 시간대로 소자가 구동이 되지 않는 경우가 생기기 때문입니다.

이렇게 하나의 문제를 해결하려다 보니 여러 문제가 얽혀서 문제가 복잡해지고 문제를 해결하기 쉽지 않게됩니다. 그러다 보니 글래스 기판에 맞추어 개발된 공정 조건을 바꾸기 쉽지 않으니 다양한 기판에 제작이 가능한데도 불구하고 상업화 수준의 디스플레이를 내놓기는 쉽지 않고 있지만 금속박이 가지는 장점들이 분명 있기 때문에 특정 분야에서는 사용될 수 있을 것 같습니다.

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