2012 FLEX, Flexible Electronics & Displays Conference
플렉시블 디스플레이, OTFT 이용한
AMOLED나 AMEPD의 시제품 제작 및 양산화 준비 한창
글: 구재본 / 한국전자통신연구원 (ETRI) 관련 URL www.flextech.org 자료 협조: KOSEN(한민족과학기술자 네트워크) / www.kosen21.org
2012 FLEX, Flexible Electronics & Displays Conference & Exhibition 학회는 플렉시블 일렉트로닉스 및 프린팅 기술에 관한 전문 학회로 소재/소자/장비/응용 제품 관련 세계 최고 수준의 학회이다. 이 학회는 올해 11회째로 매년 2월 미국의 플렉서블 디스플레이 센터(Flexible Display Center)가 위치하고 있는 아리조나 피닉스에서 열리는 Flexible Electronics 관련 전문 학회로 규모와 전문성에 있어 이 분야에서 가장 우수하다고 정평이 나 있다. 대부분의 발표가 기업체의 invited talk 위주로 진행되고 있었고, Eink와 한국의 Kolon에서 프리미어 스폰서로 역할을 했으며, 그 외에 30여개의 기업에서 전시회나 이벤트의 스폰서였다. 전체 학회는 Short Course/Technical Session/Exhibition 등으로 구성되어 있었으며, 총21개 세션에서 플렉시블 일렉트로닉스와 프린팅 기술에 대한 발표와 토론이 있었다. 총 컨퍼런스 참여 규모는 기업체/연구소/학계 포함하여 500명 규모였으며 대부분 미국 연구자가 많았고 한국 연구자 규모는 10명 내외였다.
전시회 참가 업체
본 학회와 동시에 개최된 플렉시블 디스플레이 및 프린팅 기술관련 전시회에서는 총 57개 업체의 제품 설명 및 기술 전시회가 있었다. 대표적인 기업들로는 3M, E-ink, Dupont, Dimatix, HP, PARC, Saint-Gobain 등의 회사가 있었으며 플렉시블 일렉트로닉스와 관련된 소재/소자/장비/공정 관련 기술력 및 제품들을 선보였다. 특히 한국에서는 코오롱에서 플라스틱 기판 관련하여 부스를 설치하여 전시하였고 학회 전체의 프리미어 스폰서 역할을 수행하면서 플렉시블 일렉트로닉스 관련하여 많은 관심을 보였다. 주요 업체의 전시 및 기술 내용을 아래에 정리하였다.
ECLIPSE 업체
ITO 대체용으로 Eclipse TECTM을 개발하였다. 제조 방법에 대해서는 상세히 설명하지 않았으나, lower cost, equal or better transparency, higher conductivity on flexible film, less cracking from vibration of flexing, tailorable properties for optical, electronic and shielding applications의 특징이 있는 ITO 대체 소재를 판매하고 있다고 했다. 특성은 PET 기판에 ITO의 경우 저항이 31Ω인데, 개발 소재는 8-10Ω수준이고 650nm 파장 이상에서는 ITO보다 투과도가 떨어지지만 그 이하에서는 ITO보다 투과도가 더 우수하다고 주장하였다.
SWeNT 업체
SWCNT(Single-Wall Carbon Nanotube) V 시리즈 잉크를 만들어 printing 프로세스에 적합하다고 주장하였다. 2011년에도 시제품을 선보였다. 그들은 VC100, VC200은 conductive 잉크이고 XVS100, XVS200은 반도체 잉크라고 하며 screen printing, pad printing, Meyer Rod, 그리고 Gravure 방식으로 다양한 평가를 진행했다. 도체 잉크를 이용하여 저항 및 커패시티브 터치 스크린 패널에 적용한 샘플을 선보였다. 2011년에 비해 특성이 더 향상된 것은 없고, 시장 개척도 어려운 상황으로 보인다.
PARC 업체
Xerox의 PARC 연구소는 플렉시블 일렉트로닉스 관련한 연구 발을 다양한 분야에서 가장 활발하게 진행하고 있는 기관이다.
그들은 자체 개발한 공정 기술과 팹을 이용하여 플랫폼 서비스를 시하고 있었다. 고객이 아이디어와 소재 등에 대한 정보를 제공하면 이를 활용하여 실제 시제품을 만들어 가능성을 평가해 주는 비즈니스 모델을 가지고 있었다.
- 대표적인 일들에는 아래와 같은 것들이 있다.
1. First Scalable Printed MOS Memory (Thinfilm+PARC)
2. Printed and Flexible Electronics Services Application Development(US Army+PARC)
3. Enabling Value-Added Offerings for New Market (BASF+PARC) 등
General Keynote Session 발표
키노트 세션은 Application & Implementation of Flexible Electronic 1 & 2와 Supply Chain Successes 1 & 2가 있었다. 그 중 대표적인 발표에 대해 내용을 아래에 요약하였다.
Flexible Electronics-The Next Big Thing for the Past 100 Years?
By Jennifer Rickin, Air Force Research Lab.
Medical Sensor Tape이 군용으로 절실히 필요함을 설명하였다.
의료용 센서 테이프란 것은 신체의 온도, 호흡속도, 피의 산소 농도, 맥박, 땀 등의 신체 지수들에 대한 변화를 모니터링 하는 센서로 구성된 것인데 이를 플렉시블 전자소자로 구현하여 테이프형태로 제작하겠다는 계획과 현재의 진행 사항에 대해 발표하였다. 특히 현재는 PARC와 공동연구로 진행하고 있었다.
아래 그림 1는 medical sensor tape의 모식도를 나타낸 것인데 테이프의 뒤편에는 박막 형태의 배터리, 그리고 플라스틱 기판 위에 프린트 센서 및 메모리를 제작하고 상부에 보호막을 제작하여 라미네이션 형태로 각 층을 집적시킨 구조이다.
Organic Photovoltaics: Fulfilling Next Generation PV
Requirements
By James Buntaine, Konarka
유기반도체를 이용한 OPVs(organic photovoltaics)에 대해 연구 개발을 가장 활발히 진행 중인 Konarka에서 차세대 태양전지인 OPV의 연구 개발 결과와 동향에 대해 발표하였다. OPV를 Rollto-Roll 프로세스를 사용하여 저가로 제작할 수 있는 전략과 현재 구축된 라인 상황에 대해 설명하였다.
그림 1. Medical Sensor Tape 모식도
Electrophoretic Displays: eReaders and Beyond
By Michael McCreary, E-ink
전기영동(Electrophoretic Display, EPD) eReader가 판매량과 기술에서 계속 성장하고 있고, 판매가격은 내려가고 있는 추세이다.
현재의 기술은 주로 글래스 기반 위에 박막트랜지스터(Thin Film Transistor)에서 구동하는 EPD가 대세이지만, 플라스틱 기판 위에 EPD를 만드는 기술도 상당 부분 양산화에 근접하였다. 그리고 최근에는 컬러 EPD에 대한 기술도 많이 발전하였다. 예를 들어 소니에서는 저온 공정 a-Si TFT를 플라스틱 기판 위에 제작하여 13.3인치, 두께 150um, 무게 20g, 150ppi 해상도이며 반사율 10%, 색재현율 13%NTSC의 플렉시블 칼라 EPD 디스플레이를 보고하였다.
LCD 태블릿 컴퓨터가 시장에서 널리 대중화가 진행되고 있으나, EPD eReader 역시 판매량과 기술에서 성장세를 보이고 있다. 플라스틱 디스플레이들은 많은 응용분야에서 생산이 시작되고 있고 플렉시블 다기능 소자는 의료, 군용, 그리고 일반 산업 분야에서 시제품이 보고된 상황으로서 향후 가속적인 상용화가 기대된다.
OTFT Driven Flexible Displays
By Peter Fischer, Plastic Logic
플라스틱 로직은 깨지지 않고, 얇고, 대면적이 가능한 가벼운 디스플레이 개발을 2000년부터 계속 진행해 오고 있
다. 플라스틱 기반의 디스플레이를 세계 최초로 최고 크기로 개발한 회사로서 88개의 관련 특허를 보유하고 있다고 한다. 본 회사는 유기반도체 박막 트랜지스터(Organic Thin Film Transistor, OTFT) 구동 백플레인을 제작하고 그 위
에 E-ink 타입의 발광 미디어를 형성하는 기술을 추구하고 있다. 2008년에는 독일 드레스덴에 세계 최초로 플라스틱
일렉트로닉스 기반의 공장을 건립하였다. 14"급 R&D 사이즈 컨셉 개발 단계를 거쳐 현재는 3.5세대 급으로 대량 생산이 가능한 체제를 구축하였다.
그림 2. Konarka 사의 Roll-to-Roll 유기 태양전지 제작 모식도
Technical Session 발표
Ultra Flexible OTFT-Driven Displays
By Kazumasa Nomoto, Sony
그림 3. 플렉시블 디스플레이 개발에 대한 Sony의 연구 결과 요약
소니에서는 이번 학회에서 Rollable OTFT-driven AMOLED와 Bendable OTFT-driven high resolution AMEPD에 대한 결과를 발표하였다. 그림 3는 소니가 최근까지 데모한 다양한 종류의 플렉시블 디스플레이에 대한 자료인데, 소니는 지속적으로 OTFT-driven 플렉시블 디스플레이를 개발하고 있어, OTFT backplane array 집적화 기술에서는 세계 최고 수준을 자랑하고 있었다.
소니의 OTFT 구조는 bottom-gate top contact 구조인데 유기반도체로는 PXX(peri-Xanthenoxanthene) derivative를 쓰고 유기절연체로는 PVP blended with silane coupling agent를 쓰고 있다. 5μm급 channel length TFT에서 이동도가 약 0.5cm2/Vs이고 SS가 0.6 V/dec 정도로 아주 양호한 특성을 보여 주고 있다. 특히 진공증착형 저분자 유기 반도체인 pentace에 비해서도 월등히 우수한 특성을 보여주었다.
그들은 이 특성의 TFT를 백플레인으로 해서 2T-1C 픽셀 구조의 top-emission flexible OTFT-driven OLED 시제품을 제작하였고 이 과정에서 7mask 공정을 채택하였다. 전체 공정 온도는 150~180℃로 저온을 유지하였는데, 유기절연체의 cross linking 온도가 전체 프로세스에서 가장 높은 온도 조건을 필요로 한다고 하였다. 배선금속을 제외한 모든 dielectric 들은 용액 공정으로 진행되었고, 게이트 드라이버가 내장되어 실제 rollable에서 감기는 방향으로 게이트 드라이버 IC가 OTFT 기반으로 집적되었다. 전체 디스플레이의 두께는 80μm 이하였다. 그리고 또한 PXX OTFT를 사용하여 13.3인치급 150dpi AMEPD를 제작하여 보고하였다.
Delivering the Nex Wave of Displays, Flexible,
Rollable and Unbreakable
By Edzer Huitema, PolymerVision
그림 4. Sony의 OTFT 구조 및 주요 핵심 소재를 설명하는 모식도
그림 5. Sony OTFT의 transfer 및 output 특성 곡선
그림 6. Sony OTFT 구동 OLED 시제품의 스펙
필립스에서 스핀 오프된 기업으로서 Spix EPD로 flexible e-paper platform을 시연하였으며, 또한 Spix media+CF
를 사용하여 컬러 EPD를 시연하였다. IEC 표준을 적용한 reliability test를 현재 활발히 진행하고 있다고 하며 아래의 유튜브 사이트에서 PolymerVision 시제품의 동영상을 볼 수 있다고 한다. 5μm급 Precursor Pentacene TFT로 백플레인을 제작하였으며 G2.5 LCD라인에서 시생산 중이라고 한다. Spix media와 긴밀하게 협력하고 있으며 EWD(electrowettting display) 연구도 진행 중이라고 발표하였다. 특히 EWD 디스플레이의 경우 Gamma Dynamics와
협력하고 있다고 한다.
Towards R2R Produced
Organic Electronic Devices
By Sandeep Unnikrishnan,
Holst Center
네덜란드의 Holst Centre에서는 유기 전자 소자 제작을 위한 R2R 프로세스에 대해 발표하였다.
OLED, OPV, Barrier layer, 그리고 embedded grid structure에 대한 Holst Center의 activity에 대해 설명하였다. 궁극적으로는 R2R을 기대하지만, 보고하는 요소기술들은 대부분 sheet to sheet기술 기반으로 제작된 것이었다. OLED/
OPV active layer의 경우 잉크젯 프린팅을 이용하여 형성하였다. Barrier 층은 SiN-organic layer-SiN 구조를 채택하였다. 특히 관심이 많았던 것은 embedded grid in barrier foil 기술이었다. 25μm line width의 배선을 하여 기판에 임베디드를 시킨 후 저항을 0.2Ω/?로 낮출 수 있었다. 더 나아가 임베디드 투명 전극을 R2R로 제작할 수 있음을 제시하였는데 폴리머를 코팅한 후 롤 임프린팅을 통해 홈을 만들면서 돌기를 임베디드 시키는 공정을 제안하였다.
그림 7. Sony OTFT 구동 AMEPD 시제품 및 스펙
그림 8. Holst Centre의 임베디드 전극
그림 9. 임베디드 전극을 R2R로 제작하는 공정 자료
Strategies for improving device performance
in printed organic TFTs
By Kanan Puntambekar, Sharp
미국에 있는 Sharp Lab. Of America는 Sharp 제품들을 위한 미국에서의 선진 기술 개발을 목적으로 1995년에 설립되었으며 그들의 플렉시블 일렉트로닉스에 대한 activity를 발표하였다. 그들은 차세대 디스플레이를 위한 저온, 저가격의 기술들을 개발하고 있는데, 특히 fully printed OTFT에 관심이 많았다. 예를 들면 표준 a-Si TFT는 공정 step 수가 46개인 데 반해 printed OTFT의 경우는 24개로 약 50%의 공정 step 수 절감이 가능하다. 그리고 특히 진공 공정을 쓰지 않으므로 장비비용 절감이 가능하며 여러 가지 공정적인 장점이 있다.
Sharp에서는 OTFT의 S/D 금속과 유기반도체 계면에서의 컨텍 저항을 낮추기 위한 다양한 연구를 수행하였는데 S/D 금속으로 사용된 evaporated Ag 금속에 SAM 처리를 통해 0.44cm2/Vs의 이동도를 얻을 수 있었다. 그리고 Printed Ag 금속 전극의 경우 아무 처리가 없을 때는 0.04cm2/Vs 였으나 H2/N2 분위기에서 RF plasma 처리를 한 후 SAM을 형성한 경우 0.72cm2/Vs 의 이동도 값을 얻을 수 있었다. 또 다른 원천 연구 중 하나는 유기반도체를 프린팅 한 후 결정화도를 제어 하는 연구를 수행하였는데, fluoropolymer bank를 사용하여 소자의 크기를 제어 할 수 있었고 결정화도에미치는 영향도 파악할 수 있었다.
Development of High-Performance
Organic Semiconductors for OTFT and OPV applications
By Paul Brookes, Merk Chemicals Limited
그림 10. Sharp의 Printed OTFT 특성 요약
그림 11. Merck사의 lisicon 유기반도체를 다양한 프린팅법으로 제작한 Top-Gate TFT 특성
Merck의 비즈니스 모델은 우수한 특성의 OTFT 및 OPV 소재를 개발하고 이를 인쇄 가능한 형태로 포뮬레이션을 해서 판매하여 프린팅 프로세스와 디바이스 개발 단계를 거쳐 실제 양산으로 응용되는 밸류 체인에서 소재 파트를 담당하는 것이다. 그들은 특성, 안정성, 그리고 processability까지 모든 고객의 요구사항을 만족하는 신소재 개발을 진행 중에 있으며, lisicon이라는 상품명으로 판매되고 있다. 전체 발표를 요약하면 Merck 사는 OTFT 제작을 위한 다양한 소재 포트폴리오를 가지고 있는데, 이동도는 4cm2/Vs까지 얻어지고 우수한 환경 안정성을 보여 준다. 그리고 다양한 종류의 유 전체, SAM, adhesion promotor 패시베이션 소재를 가지고 있었다. 또한 다양한 프린팅 방법에 맞게 잉크의 포뮬레이션도 제공할 수 있다고 한다. OPV 소재 관련해서는 non-chlorinatedsolvent 시스템의 소재와 포뮬레이션의 경우 7%까지 효율이 얻어졌고 양산을 고려한 production type에서도 6%를 상회하는 결과를 보여주었다.
그림 12. Merck 사의 lisicon 유기반도체를 다양한 프린팅법으로 제작한Bottom-Gate TFT 특성
Organic Materials: Printed and Flexible
By Brendan, Polyera
미국의 Polyera 사는 역시 OTFT 및 OPV 소재를 개발하는 업체로 다양한 종류의 소재를 개발 및 판매하고 있다. 아래 그림 13는 Polyera의 제품에 관련된 정보이다.
그림 13. Polyera 사의 소재 특성 요약
N-type과 P-type 그리고 다양한 종류의 절연체들이 있다. 특히 Polyera의 N-type 소재는 이동도가 약 3cm2/Vs로 높고 대기 안정성이 우수하여 기존의 일반적인 P-type 소재와 함께 사용하여 CMOS type의 printed circuit 제작에 유용하다고 한다.
Highly-Scaled Gravure and Inkjet Printed Organic
Transistors: Tools, Processes, and Devices
By Vivek Subramanian, UC Berkeley
UC Berkeley의 Vivek 교수는 잉크젯과 그라비어 프린팅 기술을 이용하여 full printed 트랜지스터에 대한 연구를 진행 중인데, 아래 그림 14와 같이 그라비어 프린팅으로 Ag gate 전극을 형성하고 150°C에서 anneal한 후 polymer dielectric을 다시 그라비아 프린팅하였고 그 상부에 Ag S/D 전극을 형성한 후 150°C 열처리를 하여 TFT의 backplane을 제작하였고 최 상부에 pBTTT 유기 반도체를 형성하여 TFT를 완성하였는데 ON/OFF 특성은 1.2×10-5, 이동도는 10-2~10-1 cm2/Vs range였다.
그림 14. Full Gravure Printed TFT의 제작 프로세스
Amorphous IGZO TFTs on Low-cost Aluminum Substrate
By Xiaoxiao Ma, Leigh University
Leigh University의 Miltos Hatalis 교수는 금속 박판 호일 위에 TFT를 제작하는 것에 관한 많은 연구 결과를 가지
고 있는데 기존에는 주로 SUS stainless steel 계열의 기판을 사용하였다. 본 발표에서는 저가격 알루미늄 기판 위에 산화물 TFT를 제작하는 공정 기술 개발과 TFT 특성을 발표하였다. 알루미늄 플렉시블 기판은 저가격, 높은 전기전도도, 높은 열전도도, 수분에 대한 우수한 barrier 특성, 가벼움, 그리고 치수 안정성 등의 많은 장점이 있다. 알루미늄 금속판을 TFT 제작용 기판으로 사용하기 위해서는 일단 polishing을 통해 1차 평탄화 작업이 필요하다. 그리고 그 후에 코팅을 통해 2차 평탄화를 수행하였다. 그 후에 Mo 게이트 전극을 형성하고 PECVD로 게이트 절연체를 형성하였다. 그위에 RF sputter를 이용하여 IGZO를 증착한 후 IGZO의 plasma treatment를 수행하였다.그 위에 RF sputter를 이용하여 다시 oxide를 증착하였다. Wet에칭을 통해 IGZO/Oxide stack을 패턴하였고 그 후에 passivation용oxide를 증착하였다. Contact 홀을 형성한 후 Mo 나 AlNd의 금속을 이용하여 S/D 전극을 형성하였고 최종 N2 열처리 후에 TFT 특성을 측정 분석하였다.
그림 15. Al foil 기판 위에 제작된 IGZO TFT의 특성
결론
본 학회는 Flextech Alliance에서 주최하는 11회차 플렉시블 일렉트로닉스 & 일렉트로닉스 전문 학회로 매년 미국 애리조나 피닉스에서 2월 초에 개최되는 학회이다. 본 학회에는 주로 미국이나 유럽의 플렉시블 일렉트로닉스 혹은 프린팅 공정 기술 관련 기업들에서 연구 결과를 발표하는 것이 주를 이루고 있었고, 일본, 한국, 중국,대만의 참여는 극히 적었다. 특히 한국에서는 작년에는 삼성전자와 LGD의 발표가 있었고 올해는 제일모직의 발표가 예정되어 있었으
나 취소되었고, 대학에서는 서울대와 경희대의 발표가 있었다. 전체 참가자는 약 500명 정도였으며, 첫째 날은 Short course 프로그램으로 Conventional Printing, Roll to Roll, 그리고 flexible OPV 관련 3가지 강좌로 진행되었고, 둘째 날은 기업체 CEO 위주의 키노트 발표가 있었으며, 셋째 날은 산학연 연구자 중심의 기술적 발표가 있었다. 또, 마지막 넷째 날은 역시 연구 중심 발표와 포스터 발표가 진행되었다.
전체적인 테크니컬 세션의 분위기는 플렉서블나 플렉서블 RFID 같은 디바이스나 응용 제품에 대한 발표보다는 요소기술에 대한 발표가 더 많았다. ITO를 대체하는 투명전극에 대한 연구나 프린팅 전극 소재 및 공정에 대한 발표가 많았고 관심도 높았다. 그리고 프린팅 장비 및 공정 기술에 대한 발표가 많았으나, 아직 실제 디바이스에 어떻게 적용시켜 응용 제품을 만들 수 있겠다는 데 대해서는 명확한 해답을 제시하지 못하고 있었다. 다만 미래 기술로 다양한 분
야에서 다양한 기능을 제공할 수 있다는 가능성만 계속해서 제시하고 있는 수준이었다.
특히 플렉시블 디스플레이의 경우 여전히 Sony와 PolymerVision 등에서는 OTFT를 이용한 AMOLED나 AMEPD의 시제품 제작 및 양산화 준비를 계속 진행 중인 것으로 파악되나 앞으로 험난한 길이 예상된다.
해외 과학자 및 플렉시블 전자 관련 기술자
Technical Series _ KOSEN Report
Sam Son: ITW Technology Center, ssohn@itwtech.com
Michael L. Steiner: 3M, mlsteiner@mmm.com
Toshihiro Ohnishi: Sumitomo Chemical Co Ltd, ohnishit8@sc.sumit omo-chem..jp
Steven Hebert: SAINT-GOBAIN, steven.p.hebert@saint-gobain.com
James Kempskie: SAINT-GOBAIN, James.r.kempskie@saint-gobain.com
Richard Jansen: SWeNT, rjansen@swentnano.com
Miyuki Ryder: PARC, mryder@parc.com
Janos Veres: PARC, janos.verse@parc.com
Jay Wolfington: ECLIPSE, jwolfington@eclipsethinfilms.com
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