OLED 제조 시간 1/10로 줄인다 에어젯을 통한 고속전사 기술 개발, 조명·디스플레이 등 적용 기대 허령 기자입력 2017-08-14 18:06:30

신속하게 OLED를 만들 수 있는 기술이 개발되었다. 한국연구재단은 윤홍석 교수 연구팀(한밭대)이 고압의 에어젯 분사를 통해 여러 층의 OLED 박막을 원하는 곳으로 효과적으로 한 번에 옮길 수 있는 고속전사 기술을 최초로 개발했다고 밝혔다. 
OLED 전사는 여러 층의 박막을 기판에서 한 번에 떼어 내 다른 박막과 결합시켜 소자를 만든다. 이때 박막이 찢어지거나 주름이 생기고, 모서리가 뜯기기도 해 대량 생산에는 어려움이 있었다. 

 

에어젯을 이용한 고분자 OLED 다층박막의 전사원리 개념도 
다층 박막을 기판으로부터 박리할 때 에어젯의 박리 속도를 크게 증가시키게 되면 유연한 필름 표면으로는 점탄성 효과에 의해 결합에너지가(Ea2) 증가하게 된다. 반면에 상대적으로 표면이 단단하고 표면에너지가 작은 모재의 기판의 결합력이(Ea1) 상대적으로 작아져 효율적으로 박리가 일어난다.


이에 연구팀은 신기술인 에어젯을 이용한 고속 박리기법을 고안해 박막과 기판 사이의 결합에너지를 효과적으로 조절하는 원리를 이용했는데, 음속에 가까운 에어젯을 기판과 OLED 박막 사이에 분사해 기판과의 결합력을 효과적으로 줄여 박막의 손상 없이 전사할 수 있었다. 에어젯을 통한 고속 전사기법은 OLED를 전사하는 시간만 필요하므로 공정시간이 기존 OLED 제조 시간에 비해 1/10정도만 소요되며, OLED 박막들을 용액으로 코팅해 저가로 생산할 수 있다. 
윤홍석 교수는 “이 연구는 OLED 박막을 에어젯을 활용해 손상 없이 한 번에 효과적으로 전사할 수 있어 OLED 소자를 신속하게 제조할 수 있는 기술을 개발한 것이다. OLED 조명, 광고, 디스플레이 등 다양한 분야에 쓰이는 OLED 제조단가를 획기적으로 낮출 수 있으며, 향후 태양전지, 반도체 소자 등의 기초 전자소자에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다. 
이 연구 성과는 미래부·한국연구재단이 진행한 기초연구지원사업의 신진연구자지원사업의 일환으로 수행되었으며, 나노소재응용 분야 국제학술지 나노스케일(Nanoscale)에 6월 9일(금) 자로 게재되었다.

 

★ 연구 이야기 ★

 

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. OLED를 제조함에 있어 대면적의 소자를 쉽게 그리고 낮은 단가로 만드는 일이 과거 10년 전 부터 중요 과제로 여겨졌다. 다양한 제조기술이 등장하고 몇몇 기술은 양산적용까지 시도됐으나 아직까지 전통적인 증착공정이 적용되고 있다. 전통적인 증착공정에는 고가의 고진공 기계요소 및 진공기술이 필요하고, 진공을 유지하고 제품을 제조하는데 많은 시간이 걸린다. 지난 10년 동안 잉크젯 프린팅, 롤투롤(Roll-to-roll) 프린팅 등의 용액공정을 적용하려는 시도가 지속되었으나 발광층 정도만을 인쇄해 적용해보려 하고 있다. 그러나 OLED를 구성하는 약 15개 정도의 박막을 전부 용액으로 제조하기 위해, 아래 성막된 박막들을 손상시키지 않는 용매를 찾는 게 급선무이나 15개 정도의 박막을 모두 용해시키지 않는 용매를 찾는 일은 불가능에 가깝다. 이 연구는 서로 다른 여러 개의 기판에 각각 용액으로 성막한 후 각각의 박막을 손상 없이 전사해 결합하는 기술로 상기 문제들을 해결하는 제조 기술이 필요해 이 연구를 진행하게 되었다.

 

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.
A. OLED 전사 실험 중에 크랙, 주름 등의 문제가 빈번히 발생해 어려움을 겪고 있었다. 신속하게 전사를 수행하는 경우 상기 문제들이 완화되는 현상을 많은 실험을 통해 체득했고, 그 이유를 표면제거에너지(Surface Release Energy)에 기반을 둔 이론으로 설명할 수 있었다. 또한, 박리하는 속도를 음속에 가깝게 순간적으로 분사해 박막을 박리하면 상기 문제들을 현저히 저감할 수 있겠다는 아이디어로부터 연구가 시작되었다. 
한편 금속전극을 제외한 나머지 박막들을 모두다 액체인 용액으로 제조해 대표적인 용액제조 기법인 스핀코팅(Spin Coating)기법을 활용해 실용적으로 성막했다. 이렇게 사전에 용액으로 준비한 다층의 박막을 에어젯을 이용해 기판으로부터 박리한 후, 여러 층의 박막을 한꺼번에 결합해 OLED 소자를 성공적으로 제작했다. 즉, 박리하고 결합해 고분자 OLED를 제조하는 데 걸리는 시간은 15분 내외이다. 소자의 성능 비교를 위해 대조군으로 순차적으로 제작한 OLED 소자와의 성능을 비교했으며 그 성능은 비교소자 대비 전력효율 95.2%정도로 큰 효율저감이 없었다.

 

Q. 연구하면서 어떤 장애요소가 있었고, 어떻게 해결(극복)했는지.
A. OLED 소자의 기능성 박막은 10㎚~100㎚ 정도 밖에 되지 않는 막으로 이들 막이 갖는 기계적, 전기적, 물리적, 화학적 성질은 우리가 실생활에서 흔히 보는 ㎜ 단위 보다 매우 작아 이들을 다루기가 매우 힘들고 그 특성들을 예측하기 어려웠다. 또한, OLED 소자는 음극과 양극에서 전달되는 전자(Electron)와 정공(Hole)이 효율적으로 전달이 되고 이들이 결합해야만 빛이 방출되므로, 각각의 박막 품질을 완벽에 가깝게 만들어야 한다는 점이 무척 어려웠다. 이런 어려움들을 극복하기 위해서는 박막의 성질에 대한 이해와 다양한 측정방법을 동원해 박막의 특성을 조사해야하는 것은 물론, 소자를 구동할 때 발생되는 문제점들을 파악해야 하므로 다양한 경험과 소자에 대한 지식이 요구됐다.

 

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가.
A. OLED 전사제조에 있어 음속에 가까운 고속 박리가스 분사로 인한 크랙 및 주름들을 제거할 수 있는 박리 접근 방식은 최초이며, OLED 분야뿐만 아니라 박막을 기반으로 하고 있는 전자소자인 반도체, 태양전지, 나노바이오 소재분야에 있어서 크랙, 주름 등의 현상을 제어해 전사 제조할 수 있는 원천 기술이다. 상기 관련 소자·소재 분야의 초석이 될 것으로 사료된다.

 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은.
A. 현재 연구는 용액형 고분자 소재를 이용한 방식이나 보다 높은 효율을 지닌 저분자 인광재료에 전사기법을 활용해 훨씬 뛰어난 효율의 OLED를 구현하는 것이 연구 목표이다. 한편 에어젯 방식을 이용하는 방식보다 더 빠른 박리 방식이 있다면 보다 뛰어난 전사 특성을 볼 수 있을 것으로 생각되며, 향후 더 실험적인 아이디어를 적용할 수 있을 것이다.

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