최신 액정, 유기EL 디스플레이 기술 소개

기사입력 2017.07.01 11:12
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1. JDI, 최신 LTPS 기술 소개

 

JDI의 "Full Active Display 기술"이라는 제목으로 강연을 하면서 최신 LTPS 액정 패널 기술을 소개하였다. Full Active란 4변의 액정을 극한까지 좁게 한 LTPS 액정 패널이다.


스마트폰에 채용되는 경우, 보다 적은 몸체로 동일 표시영역을 실현 가능하여 동일 몸체 규격이면 보다 큰 표시 영역을 실현할 수가 있다. 현재 액면 폭은 4변 중에서 Driver IC가 있는 하단변이 101mm, 잔여와 상단은 0.5mm이다. 이것을 실현하기 위해서 동사는 Driver IC의 실장을 기존 COG(Chip On Glass)에서 COF(Chip On Film)으로 변경하였다. COF 실장에 따라서 Driver IC나 LED unit으로 할애한 면적을 적게 하여서 이 FPC를 굽히는 형식으로 액면을 최대한으로 좁힌 것이다. FPC의 탑재면적은 COG도 COF도 크게 변화하지 않는다고 한다. 또한 공급자와 공동으로 백라이트를 새롭게 설계한 것 외에 독자적인 In cell touch 기술 Pixel Eyes도 Version up 하였다. 이에 따라서 Full Active Panel을 2장 연결한 "접히는 스마트폰"을 실현할 수 있게 하였고 3장을 연결하면 태블릿과 비슷한 규격을 실현할 수가 있게 된다고 하여서 Fold Type이나 Bendable 패널에 의존하지 않는 셋트 디자인 자유도를 향상할 수 있다.


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COF 실장에 있는 한변만으로 두께가 다르기 때문에 동사에서는 새로운 기술을 연마하여 나갈 방침이다. Full Active화에 의해서 "지문센서의 배치 과제"가 있으나 소프트웨어 대응으로 Homebotton을 없앤 스마트폰이 이미 출시되고 있다. 배속 구동에 관해서는 120Hz가 되면 액면이 두껍게 될지 모르나 현재로서는 90Hz가 실현될 수 있어서 향후 채용 확대에 크게 기대를 모으고 있다.

 

○ SEL은 하이브리드화

 

㈜반도체에너지연구소(SEL : Semiconductor Energy Laboratory)의 고문은 "외부 광원하에서 고시인성, 고채도, 저소비전력을 실현하는 하이브리드 디스플레이"란 과제로서 강연하고 동사의 부스에서는 스마트폰을 감안한 4.38인치와 태블릿이나 전자서적용으로 13.2인치의 실용물을 전시하였다.


이 하이브리드 패널은 유기EL을 형성한 기판상에 반사형 액정을 일체 형성한 것이다. 이 장소 밝기에 대응하여 ① 유기EL만으로 표시, ② 유기EL로 반사형 액정으로 휘도를 Asist하여서 표시, ③ 반사형 액정만을 표시하는 형태를 자동으로 할 수가 있다.


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필요로 하는 "매우 어두운 곳에서도 직사일광하에서도 보기 쉽다"는 것이 컨셉이어서 각각의 "scene"으로 소비전력을 적게 할 수 있는 것이 이점이다. 실내 정도의 밝기라면 유기EL 표시를 반사형 액정으로 Assist 한 쪽이 밝게 표시될 수 있어서 유기EL을 단독으로 비치는 것보다 소비전력을 적게 할 수가 있다.


이 제조법은 분리층을 형성한 유리기판상에 Through Hole을 붙여서 TFT Backplane을 형성하고 이어서 유기EL층을 증착한 유리기판에 봉지한다. 이 패널을 거꾸로 하여 물을 주입 및 물리력에 의해서 유리기판을 분리층에서 박리하여서 Through hole 부의 TFT가 최상면이 되게 한다. 이 위에 개선된 액정층을 형성하여 컬러필터 부분의 유리기판을 붙이는 단계를 거친다.


진중에 위치하는 TFT Backplane이 유기EL과 액정도 구동하는 구조이지만 Driver IC는 유기EL용과 액정용이 각각 필요하다. TFT에는 산화물반도체(Oxide MOS FET)를 사용하고 있어서 유기EL은 도포분할방식으로 형성한다. 동사에서는 향후 하이브리드화에 흥미를 갖고 FPD 업체에 기술을 제공하여 나갈 방침을 생각하고 있으며 전시에서는 Top Emmision 및 Bottom Emmision의 13.5인치 8K 유기EL과 13.5인치 유기EL을 36장 결합한 8K 멀티 디스플레이 등을 전시하였다.

 

 

2. AMAT, 유기EL 제조기술(장비) 소개

 

AMAT의 유기EL 제조기술을 소개하였다. AMAT는 FPD용 CVD로 알모퍼스 실리콘이나 산화물, 저온 폴리실리콘이라는 TFT 액정용 및 유기EL용 백플랜용으로 1,000대를 넘는 설치 실적을 갖고 세계 약 85%의 점유율을 갖고 있다. 이들에서 배양한 기술을 바탕으로 플렉시블 유기EL용으로 전개하고 있는 것이 Front Plane의 박막봉지(TFE=Thin Film Encapsulation)용 CVD 장비 "Enflexor"이다. TFE의 배리어막 형성용으로 100%에 근접한 시장 점유율을 자랑하고 있다.


Flexible 유기EL의 Front Plane에서는 물이나 산소를 기피하는 유기EL층을 보호하는 봉지를 하기 위해서 TFE 공정이 필수이다. TFE 층은 해당 유기/무기의 박막을 8~9층 적층하는 복잡한 구조였으나 현재는 Barrier층+Buffer층의 3개층 구조가 일반적으로 되고 있다.


Enflexor는 이 Barrier층 박막에 사용되고 있다. 봉지가 불충분하거나 Particle이 혼합된다든가 하게 되면 유기EL 소자에 수분이 침입하여 흑점이 생겨서 발광면적이 감소되게 된다. 또한 플렉시블 유기EL에서는 내열성이 있는 폴리이미드상에 발광층이 형성되므로 고열에 의한 재료 변질을 방지하기 위해서 TFE용 CVD 장비에서는 100℃ 이하의 저온에서 박막하는 것이 요구되고 있다.


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Enflexor는 현재 양산되고 있는 최대의 유리규격 "6G Half(925×150㎜)"에 대응한 In line 접속의 Cluster tool 형태의 장비로 TFE Process 챔버를 최대 5기 탑재할 수가 있고, Bonding Pad가 되는 패널의 단(끌) 배선부분에 박막하지 않기 위해서 사용되는 Open Metal Mask를 자동교환 할 수 있는 마스크-챔버도 갖추고 있다. 100℃ 이하의 저온에서 수증기 투과율이 낮은 Barrier 층을 형성하는 것이 가능하다. 현재 TFT 층의 두께는 대략 10um이지만 새롭게 플렉서블한 유기EL 디스플레이를 실현하기 위해서 AMAT에서는 새로운 프로세스에 의해서 두께 4~5㎛까지 얇게 하자는 제안을 하고 있다. 현재 Barrier층 + Buffer층 + Barrier층 3층 구조에 있어서 Barrier 층은 TFE용 CVD로 SiN을 박막하고 있으나 Buffer 층은 잉크젯 장비에 의해서 폴리마 재료를 박막하고 있다.


Buffer층과의 밀착성을 높인다든가, 플렉서블성을 유지할 완충층으로서 역할을 하고 있으나 두께 10㎛ 중에서 6~7㎛으로 반 이상을 점하고 있어서 AMAT에서는 Foldable이나 Bendable 실현에는 Buffer층 박형화가 중요하다고 생각하고 있다.


또한 현재 TFE 공정은 진공증착 장비로 유기EL층을 형성후 대기 개방한 상황하에서 잉크젯으로 Buffer 층을 형성하고 다시 진공하에서 CVD로 Barrier 층을 박막하는 Step을 답습하고 있으나 Particle의 혼합 등을 고려한다면 증착~TFE까지를 진공하에서 일관하여 하는 것이 좋다고 판단하고 있다. 이 실현에 대해서 AMAT의 신규 프로세스는 Buffer 층도 CVD로 박막하여 버리는 것이다. 폴리마 재료의 대체로 액체 소스인 HMDSO를 CVD로 박막하여 충분한 Particle Coverage와 동시에 Buffer 층의 박형화를 달성할 생각이다.


결론적으로 Barrier 층의 박막에는 ALD(원자층 증착) 장비를 사용하는 솔루션이 제안되고 있으며 ALD에 의한 Barrier 층의 박막재료에는 주로 SiO2, 알루미늄 옥사이드가 사용되고 있으나 전자는 10-5 수준의 Barrier성이 달성되지 못하고, 후자는 Barrier성에는 문제가 없으나 Dry Etching이 적용될 수 없는 것 외에 Under Cut 제어가 어렵다. 현 시점에서는 CVD 쪽이 제어가 용이하다는 견해를 제시하고 있다.


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3. Kateeva, 잉크젯 기술 소개

 

잉크젯 기술로 유기EL 박막봉지에서 RGB 발광층을 형성한다. 동사는 2008년에 설립된 장비 업체로 미국 캘리포니아주 실리콘밸리에 본사를 두고 설립에서 8년 동안에 벤처 Capital에서 총액 2억불 이상 조달에 성공하고 종업원 수는 이미 330명을 보유하였다.


동사가 전개하고 있는 것이 유기EL용 잉크젯 박막 장비 "YIELDjet" platform 이다. 그 중에서도 플렉시블 유기EL 디스플레이 TFE 공정용으로 "YIELDjet FLEX"를 제공하여 이미 양산에 채용되고 있어서 TFE 공정에 있어서 Buffer층 형성용으로 점유율 80% 이상을 과시하고 있다고 한다. 수분이나 산소를 싫어하는 유기EL 발광층을 보호하기 위해서 플렉시블 유기EL TFE(Thin Film Encapsulation)는 현재 잉크젯 장비로 박막하는 폴리머 박막(buffer층)을 CVD 장비로 박막하는 SiN막(Barrier층)으로 샌드위치 형태의 3층 구조(Barrier층-buffer층-Barrier층)가 일반적이 되고 있다.


YIELDjet은 SiN막 상에 잉크젯으로 폴리머를 도포하여 UV cure 하여 얼룩이 없는 Buffer 층을 형성한다. 동사에 의하면 무기막인 SiN 만으로 봉지하면 박막이 깨지기 쉽기 때문에 모리머 박막인 Buffer층이 이것을 방지하는 역할을 하고 있다.


YIELDjet은 수분이나 산소의 침입, Particle의 혼입을 방지하기 위해서 질소 분위기 하에서 박막하는 구성이 되고 있다. 이 수분량에 관해서는 동사는 축구장 1/6 넓이에 한방울의 물을 뿌리는 정도 수준으로 표현하고 있다. 순수한 질소 분위기를 항시 실현하기 위해서 질소의 순화 시스템을 갖추고 있어 이것에 의해 수분량을 항시 관리하여 유기EL 패널 장수명화에 공헌하고 있다.


TFE 공정 다음으로 동사가 노리고 있는 것이 TV용 등의 대형 유기EL 디스플레이를 제조하는 프로세스이다. 중소형 패널에 있어서 진공증착에 의한 RGB 발광층의 박막을 잉크젯으로 치환하여 보다 생산효율이 높고 저가격으로 대형 유기EL을 양산할 수 있게 하는 것을 목표로 하고 있다.


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RGB 박막용 YIELDjet은 현재 베타로 필드 테스트를 실시중이다. 결국 RGB 박막은 소수성의 Bank에서 분할된 Sub pixel로 RGB 발광재료를 잉크젯으로 도포하여 잉크에서 나오는 용매의 증기를 진공 챔버에서 제거하여서 열로 건조시키는 단계를 밟는다. RGB 잉크젯 박막에 관해서는 동사가 실시하고 있는 평가 시험에 의하면 TFE와 동일한 질소 분위기하에서 8.5세대 유리기판에 55인치 6면을 취한 경우, 기판 전면에 걸쳐서 얼룩이 없는 박막이 실현되었고 각 노즐에서 분출량 ±5% 이내로 제어하여 박막후 재현성을 ±0.6 이내로 수용할 수 있었다고 한다.


TFE 공정에서도, RGB 박막 공정에서도 높은 잉크젯 인쇄정밀도를 실현하는데에는 인쇄 알고리즘과 프로세스 컨트롤이 중요하다는 것을 강조하였다. 노즐에서의 1회 토출량은 10 피코 L로 Sub pixel당 4~10방울이 필요하고 800만화소라도 최소 3,200만 방울이어서 이것을 얼룩 없이 정확하게 인쇄하기 위해서 알고리즘의 보정을 몇 번이고 반복하고 있다고 한다. 인쇄나 착탄 정밀도에 관해서는 상세한 언급을 피하였으나 이미 JOLED사가 인쇄로 230ppi(19.3인치)를 달성하고 있어서 조만간 300~400ppi로 나갈 것으로 생각하고 있다. 계속 RGB 잉크의 개선이나 최적화에도 전력하고 있다고 하며 대형 유기EL 실현에 강한 결의를 보여주고 있다.



4. V-Technology, 유기EL용 Fine Hybrid Mask(FHM) 소개

 

○ 유기EL 박막공정은 FHM

 

V-Technology(일본)는 본래 액정 패널용 패턴 결함검사나 측정장비 등 검사 라인용 장비를 주력으로 해 오다가 최근에는 광배향 노광장비 실용화와 적극적인 사업매수 등에 의해서 급성장을 이루고 있다.


신기술에 의해서 기존 프로세스를 치환하는 것에 강점을 보유하고 있다. 동사의 유기EL용 non-tension FHM(Fine Hybrid Mask)은 유기EL Front Plane용 신기술로써 현재는 유기EL FMM(Front Metal Mask)이 사용되고 있다. 이 FMM은 열팽창 계수가 적은 "인바(Invar)"재료를 단책으로 하여 이것에 Wet Etching으로 개구 패턴을 가공하여 일매식 tension을 걸어서 인장하여 Mask Frame으로 견고하게 spot 용접한 것이다.


현재 스마트폰용 유기EL 양산에서는 이 FMM이 거의 전면적으로 채용되고 있다. 그러나 FMM에서도 과제가 있다. 우선 Pattern의 위치를 맞춰 나가면서 인장 하는 것에 일련의 기술이 필요하다고 한다. 또한 Metal Mask를 용접하기 때문에 Mask의 총 중량이 70~80kg으로 무겁게 된다. Mask가 무겁기 때문에 현재의 진공증착 장비에서는 수평반송으로 나가야 하여 이것으로 장비의 Foot print가 크게 된다. 이러한 문제점에 대해서 동사의 FHM은 Metal과 수직을 조합한 Metal Pattern부 폴리이미드(PI) Film Mask이다. PI Film을 전용 레이저 가공 장비로 pattering 하기 때문에 디스플레이의 해상도를 올릴 수가 있으며 Metal은 PI상의 패턴 형상을 유지하기 위해서 장비에 Mask를 Magnet 흡착시키는 역할을 한다.


Metal과 PI의 복합화에 의해서 동사의 FHM은 Mask 중량을 7~8kg으로 대폭 경량화하고 있고 두께도 5㎛ 정도로 얇게 될 수 있다. Wet Etching으로 패턴 가공하는 경우에는 Etching 형상의 회입이 생기는 경우가 있으나 레이저 가공이기 때문에 패턴 형상의 자유도가 높고 56~58도의 테이퍼 가공도 가능하다. Mask가 얇기 때문에 표시얼룩(무라)에 연계되는 Shadow가 박막시 나오지 않는다. 그래서 인장할 필요가 없다.

기존 FMM은 Mask를 수리할 경우에 단책 단위로 인장 용접할 필요가 있으나 FHM은 한 개 셀 단위로 인장하면서 교체가 가능하다. 세정 테스트도 완료하고 있고 FMM과 동일하게 50~60회 세정한 후에도 정밀도 유지가 될 수 있는 것도 확인을 하였다.


결론적으로 동사는 이 FHM에 패턴 가공하는 레이저 가공장비도 제품화를 마치고 YAG의 Pulse Laser를 1/10로 집광하여 고정밀도의 XY Stage를 주사하면서 가공하며 Patterning 정밀도는 1~1.5㎛이다. 이미 4.5G용과 6G용의 가공장비 개발을 마치고 6G용은 6 Head로 패턴 가공이 가능하다. 동사에 의하면 지금까지 개발 경위로서 현행 FHM은 제3세대에 해당한다고 한다. 제1세대 FHM은 가장 방식이였으나 제3세대에서는 인장이 불필요한 Open Mask로 FHM을 용접한 것으로 그대로 증착 프로세스에 사용될 수 있게 하였다. No-tension에 의해서 Mask의 내부 응력을 없애는 개발을 하고 있으며 이러한 일련의 기술에 의해서 동사에서는 4.5G Half 규격으로 738ppi를 실현한 FHM 개발에 성공하였다.


개구 Pattern pitch는 FMM의 ±5㎛에 대해서 FHM은 ±2㎛. 우선은 4.5G에서의 실용화를 목표로 생각하고 있으며 병행하여 6G Half로의 대형화를 진행하고 있다. 더해서 이 FHM을 사용할 수 있는 종형(수직식)의 진공증착 장비도 개발중이다. 현재 진공장비는 Mask의 중량도 고려하여서 수평으로 반송, 박막을 하였으나 경량의 FHM의 이점을 살려서 Mask를 종으로 설치하여 박막하는 컨셉을 생각하고 있다. 이를 통해 한 챔버내에 증발원을 2개 설치하여 동시에 2장의 기판으로 박막할 수 있는 시스템이 된다.

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