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		디스플레이 이야기 33
		[플라스틱사이언스] 기사입력 2023-01-18 10:18:32

OLED, 기술 이슈들, 공정에 관하여

OLED의 제조 공정은 크게 나누어 백플레인 제조, OLED 증착, 그리고 봉지 공정으로 진행됩니다. 백플레인이 제조된 기판은 증착 클러스터 장비 안으로 반입되고, 전극과 유기물 증착 과정을 거진 다음 봉지 공정까지 마무리가 된 후에 외부로 나올 수 있죠. 물론 산소와 습기가 OLED 소자와 접촉하는 것을 막기 위해서입니다.

이러한 제조 과정에서 다양한 공정 이슈들이 있습니다. 장비에서는 증착기와 실리콘 반도체층의 다결정화를 위한 결정화 장비, 그리고 박막 봉지용 다층막 형성 장비 등을 들 수 있고, 특히 유연 OLED에서 플라스틱 기판 공정에 대한 이슈, 백플레인의 경우 LTPS와 산화물 TFT의 품질, 전자 이동도, 유연성과 관련된 내용, 발광층을 비롯한 유기물 층들의 표면 균일성, 수명이나 효율 향상 등을 생각해 볼 수 있습니다. 이에 더하여 금속 쉐도우 마스크를 사용하는 RGB 컬러 패터닝, 봉지 과정에서의 유리 인캡, 하이브리드 공정, 혹은 박막 봉지에 이르기까지의 이슈들과 함께 터치 스크린의 내재화와 커버 플라스틱 설치 등도 만만치 않죠. 여기에서는 이러한 제반 공정 이슈들 중에서 수율, 생산성, 그리고 가격과 직결되는 RGB 컬러 패터닝 공정, 패널 제조 시간의 단축, 그리고 롤투롤(Roll-to-Roll)과 용액 공정을 이야기하고자 합니다.

먼저 RGB 미세 패터닝 공정의 개선입니다. TV용 OLED에서는 오픈 마스크를 사용하므로 크게 문제가 되지는 않지만 RGB 컬러 패터닝을 하여야만 하는 중소형 모바일 기기용 OLED 패널에서는 FMM(Fine Metal Mask) 이슈가 늘 따라다닙니다. 물론 대면적 고분해능과 관련된 내용도 예민하지만 이와 함께 소재 사용 효율면에서의 이슈도 무시할 수가 없죠. 증발원을 이동시켜가며 증착 각도를 줄이거나 혹은 잉크 젯 프린팅이나 하전된 용액을 이용하는 선택적 코팅 등의 기술이 제안되기는 하였지만 생산 라인에서 고려하기에는 여전히 거리가 있습니다. 다만, 지난해인 2018년에 발표된 면(plane) 증발원을 이용하는 방식은 증착으로 형성되는 부화소들의 면적 손실을 최소화하여 해상도를 높일 수 있다는 점에서 어느 정도 의미가 있습니다. 이의 다음 모델로서 제시한 벨트형 면 증발원, 그리고 수직 배치되는 벨트형 증발원과 관련된 아이디어는 소재의 낭비를 줄여 사용 효율을 높이고, 또한 기판의 면적을 키우는데 기여할 수 있을 것으로 생각됩니다.

다음으로 진공 클러스터 내에 기판이 소자로 완성되면서 머무르는 시간, 즉 택트 타임(Takt time)을 줄이는 것이 소자의 오염을 통한 오동작을 줄이고 수명을 늘리기 위해 중요하다는 내용의 논문이 발표된 바 있습니다. 이에 따르면 진공 공정 과정에서 챔버 내의 유기물, 즉 진공 그리즈나 플라스틱 부품들로 인한 탈기체(out-gassing) 현상으로 소자가 오염되거나 표면 평탄도가 저하되어 OLED의 성능과 수명에 직접적인 영향을 끼치며, 따라서 가급적 택트 타임을 줄이는 노력이 필요합니다. 이와 함께 유연 OLED로서의 박막 봉지 기술의 중요성도 앞서 설명한 바 있습니다.

특히 플라스틱 OLED의 제작에 있어서 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정이 갖는 의미는 생산성과 가격을 고려할 때 절대적입니다. 증착 공정이라도 롤투롤 공정을 적용, 생산에 활용할 수 있다는 가능성이 독일의 프라운호퍼 등을 통하여 꾸준히 제기되고 있죠. 이에 더하여 값싸고 재료의 사용 효율이 높은 스크린 프린팅이나 잉크 젯을 기반으로 하는 용액 공정이 가미된다면 최적의 생산 환경을 갖출 수 있겠지요. 다음으로 용액 공정의 기반이 되는 프린팅 공정을 조금 더 들어가보고자 합니다.

OLED, 기술 이슈들, 공정에 관하여, 인쇄 전자

고분자 OLED가 발표된 이래로 OLED를 용액 공정으로 제조하고자 하는 시도는 오래 전부터 지속되어 왔습니다. 용액 공정은 곧, 프린팅 공정에 해당하며, 이에 관하여 살펴보기 전에 2000년대의 용어인 인쇄 전자공학(printed electronics)을 알아보죠. 1900년대 초반의 진공 3극관 등장, 1900년대 중반의 트랜지스터 등장, 그리고 2000년대는 인쇄된 트랜지스터의 등장으로 표현하기도 합니다. 즉, 고체 전자공학(solid state electronics)의 시대에도 진공 미세 전자공학(vacuum microelectronics)과 인쇄 전자 공학이란 기술 분야도 함께 존재하고 있죠.

인쇄 전자공학은 인쇄 공정과 기존의 미세 전자공학이 융합하여 만들어진 용어입니다. 그리고, 실리콘이 중심이 되어온 기존의 집적 회로에 비해 다양한 특징들을 지지고 있죠. 즉, 불안정하고 위험성이 높은 기체 대신에 안정된 고제 분말 기반의 페이스트를 핵심 소재로 사용하고, 기판의 선택은 반도체 기판이나 유리, 나아가서는 플라스틱 기판 등으로 자유로우며, 특히 플라스틱과 같은 유연한 기판에 대해서는 용액 공정을 기반으로 한 두루마리 방식의 제조가 가능하죠. 이에 더하여 진공 기반이 아닌 대기압 분위기에서의 공정이 가능하므로 생산성이 높고, 비교적 안정된 소재들을 사용하여 친 환경적이기도 합니다. 물론 이러한 특징들이 발휘되려면 기술 개발이 지속되어야 하며, 특히 미세 패턴의 집적도나 소자의 성능면에서는 극복할 수 없는 한계가 예상되기도 하죠. 그럼에도 불구하고, 선택이 자유로운 기판의 사용과 대면적화, 제조 공정의 용이성과 낮은 가격, 그리고 환경 친화성으로 대표되는 잠재적인 장점들은 많은 관심을 끌기에 충분합니다.

이러한 인쇄 전자공학은 연관된 정도에 따라 여러 이름으로도 불리고 있는데, 예를 들어 휠 수 있는 기판 적용이 가능하므로 유연 전자공학(flexible electronics), 대면적 혹은 마이크로와 대응되는 용어로 매크로를 사용하여 매크로 전자공학(large area or macro electronics)이라는 명칭도 사용 중입니다. 유럽에서는 주로 유기 전자공학(organic electronics)이 친숙한데, 이는 유기물이 기판이 되는 용액이나 잉크 소재를 주로 사용함을 의미하며, 영국에서는 플라스틱 전자공학(plastic electronics)을 많이 사용합니다. 이러한 명칭들은 각각 인쇄 전자공학의 다양한 특징들을 나름대로 대변하고 있죠.

인쇄 전자공학의 응용 범위는 실로 다양합니다. 높은 집적도와 고속 대용량 특성이 꼭 필요한 분야를 제외하고는 대부분 응용 범위에 포함됩니다. 디스플레이와 반도체 소자, 센서류는 물론 태양 전지로 대표되는 에너지 하베스터와 같은 전력 저장 및 공급 소자에 이르기까지 광범위한데, 크게 묶어서 디스플레이 분야, 반도체 소자 분야, 그리고 에너지 분야로 구분합니다. 디스플레이 분야에는 용액형 OLED를 비롯하여 TFT 백플레인, 터치 센서 패널이 포함되며, 반도체 소자 분야는 그라비아 인쇄(gravure printing), 저장 소자, 그리고 센서들이 포함되죠. 에너지 분야는 효율은 다소 낮아져도 대면적, 저가격을 특징으로 하 는쪽에 강점이 있는데, 예를 들어 유기 혹은 무기 태양 전지들이 넓게 포함될 수 있습니다.

그리고 공정 기술 분야입니다. 가장 편리한 접근 방식은 기존에 종이나 섬유에 사용되어 온 인쇄 방식을 활용하는 것입니다. 물론, 사용되는 잉크 소재나 인쇄의 정밀도, 용도면에서 확연히 차이가 날지라도 이미 확보된 인프라나 아이디어를 토대로 할 수 있다는 장점이 있죠. 이러한 기존의 인쇄 방식(conventional printing)에는 플렉소그래피(flexography), 전자 테그인 RFID(Radio-Frequency IDentification), 오프셋 리소그래피(offset lithography), 그리고 스크린 인쇄(screen printing) 등이 있습니다. 그리고 임프린팅(imprinting) 방식 또한 있습니다. 이는 스탬프를 사용하여 요철을 형성하거나 마치 도장을 찍듯이 소재를 전사하는 과정을 기반으로 하죠. 임프린트 리소그래피(imprint lithography), 마이크로 컨택 프린팅(Micro Contact Printing, MCP), 그리고 몰딩(molding)등으로 구분됩니다.

또 다른 그룹으로 주사형 노즐 인쇄(scan-ned nozzle printing)가 있는데, 이는 작은 구경을 갖는 노즐을 통하여 소재를 분출하는 방식이며, 세분화하면 에어로졸 인쇄(aerosol printing), 잉크 젯 인쇄(Ink-Jet Printing, IJP), 그리고 유기 증기상 분사 인쇄(Organic Vapor Jet Printing, OVJP) 등이 있죠. 이상은 기존의 방식을 기반으로 하는지, 혹은 스템프나 분출 기구를 사용하는지를 특징으로 하여 구분하였으며, 이 외의 인쇄법들로는 가장 일반적인 스핀 코팅(spin coating)을 비롯하여 레이저 등을 이용한 전사 인쇄(transfer printing, thermal imaging)와 같은 기술들이 속속 등장하고 있습니다. 특히 노즐 기반의 인쇄법은 잉크 젯 프린팅으로 대표되는데, 이는 컴퓨터 지원 설계나 제조(computer-aided design or manufacturing, CAD, CAM) 기법을 적용하고, 기판과 공정 기구가 실제로 닿지 않는 비접촉 방식이며, 별도의 패터닝을 필요로 하지 않는다는 점 등의 특징으로 많은 관심을 받고 있습니다. 물론, 프린팅 공정 각각의 특징과 장, 단점이 있겠지만, 중요한 포인트는 실현할 수 있는 최소 선폭과 함께 단위 시간에 제조되는 면적, 즉 생산성이 될 것임은 자명합니다. 즉, 미세한 선폭으로 단시간에 넓은 면적을 제조할 수 있는 프린팅 공법이 주류가 되겠지요. 물론, 제조 방식은 기존의 고분자 공정인 프린팅 후 열처리 과정이 반복되는 두루마리 공정을 지향할 것입니다.

OLED, 기술 이슈들, 생산에 관하여

기술에 있어서 ‘포화(saturation)’라는 단어는 적절치 않겠지만, 수요와 시장이 불확실하고, 응용도 역시 명확히 보이지가 않을 때 기술의 원치 않는 ‘정체기’가 찾아옵니다. 이 시기에서는 가격 경쟁력이 우선이죠. 인간의 값싼 노동력으로 가격을 경쟁하던 시대는 지나고 있습니다. 엊그제 사용자와 근로자 사이에서 어렵게 조정된 2020년도 최저 임금은 비단 우리나라의 일만이 아닙니다. 인건비가 더 낮은 땅을 찾아서 언제까지 전전하여야 할까요? 이제는 지능과 판단력을 가진 기계와 로봇들이 생산 현장에 더욱 강하게 투입되어야 합니다. 인건비를 줄이고 생산성을 높이는 일이죠. 생산성이 향상된다면 성능이나 규격이 대등하여도 중국 제품을 가격으로 이길 수 있습니다. 그래서 필요한 생산 자동화입니다. 이제, 디스플레이 중에서도 선점자 유지에서 더욱 절실한 OLED에 대하여 생산과 자동화의 이야기로 들어가보죠.

사실 OLED는 현재 상태도 준 생산 자동화 단계라고 볼 수 있습니다. 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT) 백플레인과 양극인 ITO(Indium Tin Oxide)가 형성된 기판이 OLED 증착기에 투입되는 순간, 세정부터 전자와 정공의 주입층과 전송층, 캐리어 차단층, 그리고 발광층과 같은 유기물 층들의 증착, 스텝별 인 라인 검사와 측정, 그리고 패널의 끝 공정인 봉지(encapsulation)에 이르기까지 외부로 전혀 노출되지 않고 클러스터 안에서 이루어집니다. 유기물, 그리고 유기물과 전극 계면이 산소와 수분에 취약하다는 점이 주된 이유가 되죠. 즉, 백플레인 공정, OLED 증착 공정, 봉지 공정으로 이루어지는 OLED 패널 생산에서 OLED 증착과 봉지 공정이 무인 자동화가 된 셈입니다.

물론 몇 가지 개선과 보완이 필요한 이슈들은 있습니다. 즉, 형광 물질을 인광 물질로 대체하는 과정(녹색과 적색은 인광 물질로 대체되었지만, 현재 파랑은 형광 물질을 사용 중), 그리고 양자점을 적용하게 될 과정들은 더욱 까다로운 맞춤형 증착 공정과 검사를 요구하며, 해상도가 높아질수록 FMM(Fine Metal Mask) 기반 공정은 더욱 정밀하게 제어되어야 합니다.

그리고 소자의 택트 타임이 짧아질수록, 즉 소자가 클러스터 챔버 내에 머무는 시간이 줄어들수록 양질의 소자가 만들어져서 수명이 증가한다는 연구 결과가 발표되었죠. 봉지 공정에 있어서도 종래의 캔 방식이나 하이브리드 방식에서 완전한 박막 봉지(Thin Film Encapsulation, TFE)방식으로 전환하면서, 유무기 다층 박막들의 증착과 검사 라인도 보완되어야 하고, 특히 유기물 층 도포를 위한 작업 라인을 어떻게 배치할지도 관건입니다. 패널의 마무리 단계인 온셀 터치(on cell touch) 패널의 탑재도 가급적 클러스터 안에서 해결이 되어야 합니다.

요약하자면, OLED 생산에서 주목할 점은 클러스터 내에서 무기와 유기층들의 연속적인 증착과 봉지 공정, 그리고 온셀 터치 패널 작업까지 이루어지며, 이와 함께 표면의 결함이나 오염, 형성된 유무기 층들의 특성, 제조된 소자의 전기광학적 성능, 모두가 인 라인 검사와 측정으로 수행되어야 한다는 점입니다. 이제, 생산 자동화의 중요한 이슈인 인 라인 검사와 측정, 그리고 국부적인 수리 부분으로 설명을 이어가 보죠.

OLED, 기술 이슈들, 생산에 관하여, 검사와 센서

백플레인 기판이 클러스터에 들어가면 먼저, AOI(Automated Optical Inspection) 장비를 이용하여 표면의 결함과 오염 상태를 검사합니다. 기판 표면에 레이저를 입사하고 먼지나 결함 등에 의하여 산란되는 빛을 관찰하죠. 증착 과정에서는 각종 유기층(organic layer)들의 형성 과정에 ICE(In Chamber Ellipsometer)를 설치하여 막의 두께와 균일도, 광학 상수, 형광 현미경을 내재한 ICM(In Chamber Measurement)을 활용, 증착 정확도(Pixel Position Accuracy, PPA)에 관한 데이터를 얻을 수 있습니다. 이러한 ICE는 기판이 지나가는 경로에 설치되는데, 한쪽에서는 레이저 광원과 편광자(polarizer), 그리고 반대쪽에서는 또 다른 편광자, 즉 검광자(analyzer)와 검출기(detector)가 설치되어 막의 표면에서의 편광 변화를 측정하고, 이로부터 증착된 유기층들의 물성과 광학적 특성들을 도출합니다. 여기에 더하여 별도의 챔버가 필요하지 않은 인 라인 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM), 즉 대기형 SEM(air SEM)도 요소에 설치, 운영되어야 합니다. 증착 과정을 거쳐 소자가 만들어지면 ICP(In Chamber Prober)를 이용하여 RGB 화소들의 색도와 특성들을 검사합니다. 이 때 공정이 진행된 기판의 결함과 불순물 검사, 나아가서는 화질과 균일도 등을 평가하기 위한 AOI 장비도 함께 적용됩니다. 특히, 유연 OLED 패널을 위해 플라스틱 기판을 적용할 경우, 필수적으로 박막 봉지가 요구되는데, 이 경우에는 보다 성능이 강화된, 즉 고분해능 AOI와 다기능 ICE가 요구되죠.

패널의 완성단계에서 적용되는 AOI의 경우, 단순한 이물질 검출 수준을 훨씬 뛰어넘어야 합니다. 즉, 작동 되는 각각의 화소, 부 화소(sub-pixel)들에 대해서 오염이나 결함에 더하여 긁힘이나 균열, 핀 홀, 패턴 정확도(pitch), 단선과 쇼트, 색도, 색채 불균일, 얼룩(mura, stain), 잡음 영상, 계조 변화 등을 국부, 혹은 전체적으로 검사, 측정, 평가하여야 하며, 이를 위해서는 심층 학습(deep learning)과 빅 데이터 분석, 처리 기능이 보다 강화되어야 합니다. 단파장 혹은 좁은 반치폭의 RGB로 이루어진 백색 강원과 높은 해상도의 카메라, 그리고 진동이나 왜곡, 교란이 없는 반송 시스템도 부가적으로 구비되어야 하죠. 봉지 과정에서 배리어 막의 성능 평가를 위해 산소와 습기 차단성, 즉, 투습률(Water Vapor Transmission Ratio, WVTR)의 인 라인 측정까지 요구될지는 모르지만, 특히 인 라인 개념과 센서 소자의 성능 향상에는 신경을 쓸 필요가 있습니다.

이와 함께, 검사와 측정 평가 이후에 복구(repair)가 수반된다면, 생산성과 수율을 한결 향상시킬 수 있을 것입니다. 즉, 어드레스 라인에서의 단선은 잇고, 쇼트는 끊는 단순 기능부터 나아가서는 부화소와 TFT 영역의 복구까지 확장될 수가 있겠지요. 이를 위해서는 VRS(Verification and Repair Station)이 필요로 하며, 여기에서도 디스플레이 패널과 각 화소들의 정밀 검사의 중요성은 더욱 강조가 되고 있습니다. 이에 더하여서 CRP(cell laser repair)와 AVI(Auto Visual Inspection) 장비의 결합, 단선(오픈)된 전극을 연결(쇼트)하기 위한 국부적인 레이저 CVD(Chemical Vapor Deposition) 등의 인 라인 설치도 중요합니다.

검사나 측정, 그리고 평가 장비의 핵심은 센서입니다. 그리고 디스플레이는 빛을 다루는 기기인 만큼 패널 검사에 적용되는 센서류는 주로 광센서와 카메라용 이미지 센서입니다. 제조나 조립 공정에서의 정렬(align-ment)뿐만이 아니라, AOI와 AVI 그리고 ICE까지 광센서와 이미지 센서가 핵심 역할을 하죠. 광 다이오드나 CIS(CMOS Image Sensor) 기술은 이미 충분히 발달되어 있습니다. 이 외에도 디스플레이의 성능 평가의 주요 인자들인 광 투과도, 혼탁도(haze), 필름 점착력, 열 안정성, 곡률 반경과 반복 휨에 대한 내구성 등을 측정하는 기기와 센서류도 비교적 완성도가 높습니다. 다만, 이러한 센서나 측정 부품들을 클러스터 내에 어떻게 설치하고 인라인, 실시간 측정으로 운영하며, 얻어진 데이터들을 단시간에 정확히 분석하여 생산 라인으로 피드 백을 시켜야 하는지에 대해서는 추가 개발이 필요합니다. 이는 기계적인 하드웨어와 자동화뿐만 아니라, 빅 데이터와 심층 학습 기능과 같은 소프트웨어 기술을 크게 요구하지요. 이에 더하여 최근, 일본으로부터의 부품, 소재의 공세를 겪으면서 절감할 수 있듯이 핵심 센서의 국산화도 간과되어서는 안됩니다.

그리고 정밀도나 객관적인 신뢰도, 즉, 표준화면에서 여전히 개발 여지가 남은 센서들도 있습니다. 예를 들어 산소와 습기를 차단하는 배리어 막에 대해서 투습률을 높은 신뢰도로 제시할 수 있는 측정 기기와 센서는 아직 완성이 되지 않은 상태입니다. 칼슘의 산화 반응에 따른 광 투과도나 전기전도도의 변화를 이용하는 방법, 삼중 수소를 갖는 물 분자로부터 나오는 방사능 측정을 이용하는 법, 그리고 질량 분석기나 혹은 감도가 높은 전기화학 방식의 산소 센서를 구비한 측정기 등이 있으나, 여전히 OLED가 요구하는 투습률 10-6 g/(m2day)의 수준을 높은 신뢰도로 편리하게 측정할 수 있는 센서는 개발 초기 단계에 있습니다. 최근에 이르러 4차 산업 혁명, 공장 및 생산 자동화 개념이 강조되면서 디스플레이 패널 생산에도 자동화 바람이 불고 있습니다. LG는 파주의 OLED 생산 라인에 인공 지능 기반의 스마트 팩토리 플랫폼, ‘팩토바’ 탑재를 발표하였습니다. 또한, 디스플레이의 이송 설비 라인에서 공유 공간을 줄이고 강화학습 알고리즘이 생산라인의 이동을 이미지화해 스스로 학습하도록 함으로써 생산성을 증가시키고, 자동화 기계를 통한 부품의 장착과 로봇 팔을 이용한 조립, 그리고 자동 검사기에 의한 품질 제어 과정으로 생산 시간을 극도로 단축하는 등의 방법이 실효를 거두고 있습니다. 이러한 과정에서 불완전성의 검출, 공정 에러의 검사, 그리고 성능 평가를 담당하는 검사 및 측정 장비들, 이들의 눈과 촉감인 생산 자동화용 스마트 센서의 필요성은 더욱 증가할 것입니다.

<“본 고의 내용은 저자의 주관적인 견해를 포함하고 있으며, 인용 자료들이 다양하여 일일이 표기하지 못한 점을 양해, 참조 바랍니다.”>