플렉서블 OTFT/E-Paper 기술 개발 동향

Flexible Display

글 : 이용욱 선임연구원 / 전자부품연구원www.keti.re.kr서론지난 60여 년간 디스플레이 시장을 장악해왔던 CRT(cathode ray tude) 디스플레이는 LCD(liquid crystal display), PDP(plasma display panel) 등 평판 디스플레이(FPD, flat panel display)에게 점차 그 자리를 빼앗기고 있다. 평판 디스플레이는 모니터, 노트북, TV, 휴대폰 등 휴대용 기기 및 생활 용품에 이르기까지 다양한 분야에서 사용되어지고 있는데, 현재는 유리 기판을 이용한 액정 디스플레이가 상기한 다양한 분야에 주로 사용되어지고 있다.그림 1은 향후 디스플레이 개발 트렌드를 나타낸 그림이다. 차세대 디스플레이 개발 트렌드는 크게 보아 LCD 이후의 디스플레이로 기대를 모으는 OLED(organic light emitting display), SoG(system on glass), 용액 공정 및 프린팅 기술을 이용한 초저원가 대형 TV 그리고 플렉서블 디스플레이(flexible display) 등의 분야가 있다.이중 특히 플렉서블 디스플레이는 기존 디스플레이의 개념을 혁신적으로 바꿀 수 있는 새로운 형태의 디스플레이로써, 휴대용 디스플레이의 비중이 커지고 유비쿼터스(ubiquitous) 시대가 다가옴에 따라 그 필요성이 더 크게 대두되고 있다. 플렉서블 디스플레이는 유리를 기판으로 사용하는 판상 디스플레이와는 전혀 다른 새로운 디스플레이 응용 분야로서, 두루마리 형태로 말 수 있는 디스플레이(rollable, bendable), 형태를 다양하게 할 수 있는 디스플레이(formable), 깨지지 않는 디스플레이(rugged) 그리고 종이나 플라스틱처럼 얇고 가벼운 디스플레이(thin, light) 등으로 정의되어질 수 있다.기존의 디스플레이가 무기물이나 금속 물질을 주로 사용하여 제조된 것에 비해 유기물을 주로 사용하여 제조되는 디스플레이로써, 충격에 강하고 잘 구부러지며 다양한 형태의 디스플레이를 만들 수 있다는 장점도 가진다.일반적으로 디스플레이의 구조를 그림2와 같이 기판부(substrate), 구동부(driving element) 그리고 표시부(display element)로 나누어 보았을 때, 플렉서블 디스플레이는 기판부 측면에서는 구부러질 수 있는 플라스틱 기판(plastic substrate), 초박형 유리(thin glass) 기판 또는 금속 호일(metal foil) 기판 등을 사용하게 되고, 구동부 측면에서는 기존의 비정질 규소 박막 트랜지스터(a-Si thin film transistor), 저온 다결정 규소 박막 트랜지스터(LTPS, low temperature polysilicone thin film transistor)와 아울러 유기 박막 트랜지스터 (OTFT, organic thin film transistor)를 사용하게 되며, 표시부 측면에서는 기존의 OLED 및 LCD와 더불어 전자 종이(E-Paper, electronic paper) 기술 등이 사용되어진다.이중 특히 기판으로는 플라스틱 기판, 구동소자로는 유기 박막 트랜지스터, 그리고 표시소자로는 전자종이를 사용하는 연구가 가장 활발하게 이루어지고 있으며, 시제품 형태의 디스플레이 샘플 전시 수준을 넘어 양산을 바라보는 단계에 이르러 있다. 본고에서는 이러한 플렉서블 OTFT/E-Paper 기술에 대해 소개하고자 한다.기술 동향1. OTFT(organic thin-film transistor) 기술일반적으로 유기물은 전기적으로 절연체로 알려져 있었으나 폴리아세틸렌(PA, polyacetylene)의 전기적 특성이 주목 받은 이후 유기물의 전기적 특성에 대한 연구가 많이 진행되어 왔다. 유기물 중 특히 공액계(conjugated)1] 구조를 가지는 유기물이 전도체 및 반도체 특성을 가질 수 있는데 이러한 유기물을 이용한 유기전자(organic elelctronics) 분야가 활발히 연구되어지고 있다.1) 이러한 유기전자 중 최근 가장 주목 받는 분야가 유기 박막 트랜지스터이다. 1986년 첫 펜타센(Pentacene) 유기 박막 트랜지스터가 보고된 이후 2003년에 3M에 의해 이동도 ~4.8cm2/V·s의 유기 박막 트랜지스터가 보고되어 20여 년간 이동도 특성은 거의 천배 가까운 향상을 이루었으며, 최근에는 비정질 실리콘(a-Si) 박막 트랜지스터나 다결정 실리콘(poly-Si) 박막 트랜지스터를 대체할 수 있는 차세대 구동 소자로 크게 각광을 받고 있다.2),3) 아래 그림 3에 전형적인 유기 박막 트랜지스터의 단면 구조를 나타내었다.일반적으로 유기 박막 트랜지스터라고 지칭할 수 있는 구조는 기본적으로 반도체 물질이 기존의 무기물질인 규소(Si)가 아닌 공액 구조를 가지는 유기물인 경우이다. 유기 반도체(OSC, organic semiconductor)와 더불어 절연막 등에 유기물이 사용되어질 수 있으며, 나아가 전극과 보호막(passivation) 등에도 유기물이 사용되어지게 되면 전유기 구동 소자가 되는 것이다.유기 반도체는 전술한 바와 같이 공액 구조를 가지는 유기물들이 사용되어질 수 있는데, 그 동안에는 주로 우수한 특성의 소자를 제작할 수 있는 진공 증착 공정이 필요한 저분자 유기 반도체가 많이 사용되어져 왔다.그러나 유기 박막 트랜지스터는 궁극적으로 잉크젯 프린팅과 같은 용액공정을 통해 제조될 때 많은 장점을 가질 수 있으므로 용액 공정이 가능하여 공정적인 측면에서 장점을 가지는 고분자 유기 반도체도 꾸준히 연구되어 왔다. 그러나 고분자 유기 반도체의 경우 공정적인 장점은 있으나 정제가 어려워 저분자 유기 반도체 물질에 비해 특성이 떨어지는 문제점이 대두되어 최근에는 고분자 유기 반도체와 같이 용액 공정이 가능한 저분자 물질이 개발되어 특성도 우수하고 동시에 공정적인 장점을 유지하려는 연구가 많이 되어지고 있다. 저분자 유기 반도체와 고분자 유기 반도체의 장단점을 정리하여 표 1에 제시하였다.표 2에 가장 많이 사용되어지는 유기 반도체 재료의 구조를 예시하였다. 증착 방식으로 진행되는 저분자 재료 중에는 펜타센이 가장 많이 사용되어지며, 용액 공정이 적용되는 고분자 재료 중에는 P3HT(poly(3-hexylthiophene)) 등 polyalkylthiophene 계열이 있다.4)유기 절연체로는 CYEPL5), PI6), PVP7) 등이 사용되어지는데, 유전율이 큰 CYEPL 같은 재료를 사용한 경우가 있는 한편, Janos Veres 등은 저유전율 절연체를 주로 사용하여 높은 이동도를 가지는 소자를 얻었다.8) 또 alkyl chain을 가지는 SAM(self-assembled monolayer) 단분자층을 형성시켜 소자를 형성한 경우도 있다.9) 유기 전극으로는 전도성 고분자가 사용되는데, 폴리아닐린(polyaniline)과 폴리티오펜(polythiophene)이 주류를 이룬다.2. E-Paper 기술전자종이는 종이의 장점과 전자 디스플레이의 장점을 결합한 새로운 방식의 디스플레이이다.10),11)현재 개발되어지는 가장 앞선 전자종이의 형태는 플라스틱 기판 위에 유기 박막 트랜지스터를 형성하고 그 위에 반사형(reflective)의 쌍안정성(bistable) 표시 소자가 올라가는 형태이다.전자종이는 표시소자 측면에서는, 기존의 자발광2]이나 수발광3]보다는 비발광4] 방식의 반사형 디스플레이가 많이 쓰이며, 이중 특히 표면 반사형이 많고 시야각에 따른 특성 변화가 적어서 눈의 피로가 적은 장점을 가진다. 또한 외부 신호 입력이 없는 경우 상이 그대로 유지되는 쌍안정성 디스플레이가 쓰여서 전력 소모량이 아주 적은 장점을 가지고 있다. 화소 구동 소자 측면에서는 가격적인 면에서 장점이 있는 수동형 구동(passive matrix) 방식이 바람직하며, 고해상도 제품을 위해 능동형 구동(active matrix) 방식을 사용하는 경우에는 기존 비정질 규소 박막 트랜지스터나 저온 다결정 규소 박막 트랜지스터 보다는 초저원가 기술인 유기 박막 트랜지스터를 사용하는 것이 유리할 것으로 예상되고 있다.마지막으로 기판 측면에서는, 기술 개발 초기에는 유리 기판을 사용하여 플레이트(plate) 형태의 디바이스(device)가 주로 생산되어질 것으로 보이며 향후 기술 개발 상황에 따라 플렉서블 디스플레이 구현을 위해서 금속 호일, 플라스틱 기판 또는 실제 종이와 같은 유연한 소재가 기판으로 사용되어질 수 있을 것이다.전자종이 기술에는 표 4와 같이, 전기영동 방식(electrophore- sis), 회전 볼 방식(rotating ball), 자기 영동 방식(magnetopho- resis) 등 다양한 기술이 있으나, 이 중 대표적으로 E-Ink사의 전기영동 방식이 가장 많이 쓰이고 있다.E-Ink사12)는 1997년 MIT 미디어 랩에서 나온 벤처회사로서 전자 종이 기술의 표시 모드 개발에 있어서 가장 앞선 업체 중의 하나이다. 전기영동방식에서 가장 큰 문제가 되었던 입자 간 뭉침이나 침전을 해결하기 위해 비중을 맞춘 유체에 전하를 띤 미립자를 분산시켜 투명하게 코팅하여 100~200μm의 투명한 캡슐을 제작하였는데 초기에는 푸른색 유체에 백색을 띤 TiO2 입자를 분산시켜서 푸른 바탕에 흰 글씨가 나타나도록 하였으나 현재는 투명 유체에 흰 색과 검은 색의 각기 다른 전하를 띤 입자를 분산시켜 흰 바탕에 검은 글씨를 표시하는 방식으로 바뀌었다.입자가 들어있는 캡슐을 포함하는 필름을 Imaging film이라고 부르며, 이 Imaging film 내에는 베이스 필름인 PET위에 공통전극으로 사용되는 ITO층과 캡슐층이 있으며, 그 위에 접착제 층이 있다. 하부의 접착제 층이 롤 라미네이션(lamination) 공정을 통해서 능동 구동 기판(active matrix backplane)에 결합되면 E-Ink 디스플레이가 제조된다.3. 플렉서블 OTFT/E-Paper 기술 개발 현황플렉서블 OTFT/E-Paper 디스플레이 기술의 대표적인 곳은 폴리머 비전과 플라스틱 로직이다. 폴리머 비전은 필립스에서 세운 벤처회사로서 플라스틱 기판 위에 OTFT를 구동 소자로 사용하여 E-ink사의 전기영동 E-Paper 표시소자를 이용한 전자 종이를 개발하여 상업화 시도 중이며 (그림 6, 표 5), 플라스틱 로직도 플라스틱 기판과 OTFT를 사용하여 전자 종이 디스플레이를 생산하려고 하고 있다(그림 7).폴리머 비전은 최근 영국 사우스햄튼에 OTFT용 공장을 세우면서 플렉서블 디스플레이를 준비하고 있으며, 플라스틱 로직은 독일 드레스덴 지역에 OTFT용 공장을 건설하고 있다.결론2006년 디스플레이 서치사가 예측한 플렉서블 디스플레이 시장규모는 초기 E-ink와 패시브 방식 LCD 모노크롬 제품으로부터 형성되는 1천6백만 달러의 소규모 시장으로 시작하여, 매년 30~150%의 성장률을 기록하여 2010년에는 5억3600만 달러의 시장을 형성하고, 2015년에는 19억2700만 달러 규모의 시장을 형성할 것으로 예측하였다(그림 8).특히 다양한 방식의 플렉서블 디스플레이 중, 플렉서블 OTFT/E-Paper 디스플레이가 가장 먼저 시장을 형성할 수 있을 것으로 예상되고 있는데, 디스플레이 서치는 전자 종이 시장이 2013년에 약 4억달러에 이를 것으로 예상하고 있다(그림 9).쮂 각주1] 공액 구조: conjugated structure, 분자 구조 내에서 탄소간 이중 결합과 단일 결합이 교대로 배열되어 있는 경우를 지칭함.2] OLED와 같이 표시소자 자체에서 빛이 나오는 디스플레이.3] LCD와 같이 표시소자 자체에서 빛이 나오지 않고 백라이트의 빛을 이용하는 방식의 디스플레이.4] 자체 빛도 나오지 않고 백라이트의 빛도 필요치 않는 반사형 디스플레이, 태양광 등 외부광을 이용함.참고문헌1) M. Angelopoulos, IBM J. Res. & Dev. Vol. 45, p57 (2001).2) C. D. Dimitrakopoulos and D. J. Mascaro, IBM J. Res. & Dev. Vol. 45, p11 (2001).3) A. Dodabalapur, Materials Today, Vol 9, p24 (2006).4) Z. Bao, A. Dodabalapur and A. J. Lovinger, Appl. Phys. Lett. Vol 69, p4108 (1996).5) X. Peng, G. Horowitz, D. Ficou and F. Garnier, Appl. Phys. Lett. Vol 57, p2013 (1990).6) Z. Bao, Y. Feng, A. Dodabalapur, V. R. Raju and A. J. Lovinger, Chem. Mater. Vol 9. p1299 (1997).7) H. Klauk, M. Halik, U. Zschieschang, G. Schmidt, W. Radik and W. Weber, J. Appl. Phys. Vol 92. p5259 (2002).8) J. Veres, S. D. Ogier, S. W. Leeming, D. C. Cupertino and S. M. Khaffaf, Adv. Funct. Mater. Vol 13, p199 (2003).9) J. Collet, O. Tharaud, A. Chapoton and D. Vuilaume, Appl. Phys. Lett. Vol76, p1941 (2000).10) 입자기술에 기반한 E-Paper 기술 동향, 전자부품연구원 전자정보센터, (2005).11) 전자종이 산업 동향, 전자부품연구원 전자정보센터, (2006).12) www.e-ink.com13) www.polymervision.com14) www.plasticlogic.com

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