Technical Focus Ⅱ
플렉서블 디스플레이의 성공을 견인하는 봉지 기술
플렉서블 디스플레이는 휴대폰을 필두로 현재 상용화가 시작됐지만, 향후 개발할 여지가 많이 남아있으며 미래 시장 가치 또한 높다고 예상된다. 이에 따라 플렉서블 디스플레이의 핵심인 플렉서블 봉지막 설계 기술의 발전은 미래 플렉서블 디스플레이 시장의 성공 여부를 결정짓는 첫 번째 요인이 될 것으로 예상된다. 완벽한 플렉서블 봉지막 설계 기술이 개발되면 상상 속의 디스플레이, 플렉서블 디스플레이가 구현될 것이다.
주병권, 송은호, 강병현, 김탄영 고려대학교
수십 년 동안 인터넷을 기반으로 다양한 정보 수집 기술이 발달했지만, 수집된 정보를 전달하는 수단으로 가장 많이 사용되는 기술은 여전히 TV, 모니터, 핸드폰 등을 통해 눈으로 정보를 전달받는 방식이다. 이처럼 디스플레이는 지적 정보를 시각적 정보로 변환시켜 전달함으로써 사람들의 이해를 돕는 역할을 수행하고 있다.
디스플레이의 역사를 거슬러 올라가면, 고대 상형 문자 시절부터 현대의 TV에 이르기까지 발전을 거듭해 왔다. 그렇다면 차세대 디스플레이는 어떤 모습일까? 이에 관해서는 여러 가지 의견이 있지만, 그 중 가장 많은 표를 얻은 것은 아마도 플렉서블 디스플레이일 것이다.
그렇다면 플렉서블 디스플레이를 상용화하는 데에는 어떤 걸림돌이 있을까? 플렉서블 디스플레이의 상용화가 어려운 이유로는 여러 가지 문제점을 들 수 있지만, 그 중에서도 가장 큰 것은 플렉서블 디스플레이 소자의 수명을 확보하는 것이라고 할 수 있다. 여기서는 플렉서블 디스플레이에 대해 소개하고, 수명의 한계를 극복하기 위한 기술에 대해 알기 쉽게 설명한다.
플렉서블 디스플레이는 어떤 모습일까?
딱딱한 평면이 필요했던 기존 디스플레이의 공간적 제약을 넘어 의류, 몸, 기둥 등의 각종 사물에 디스플레이를 적용하여 정보를 전달 받고자 하는 노력(Wearable Display, Stretchable Display, Smart Skin. 그림 1)은 사실 10여 년 전부터 계속되었다.
다양한 영화, 콘셉트 아트 등에 등장했던 플렉서블 디스플레이는 오늘날 대중에게도 많이 알려져 있으며 LG의 G Flex 스마트폰을 통해 프로토타입 플렉서블 디스플레이가 상용화되기도 했다. 아직은 시작 단계이지만 “The world as we have created it is a process of our thinking”이라는 아인슈타인의 말처럼, 상상 속의 디스플레이인 플렉서블 디스플레이가 완벽하게 실현될 날이 성큼 다가왔다.
플렉서블 디스플레이 구현 기술
초기의 플렉서블 디스플레이는 전자종이 형태로 개발되기 시작했다. EPD(Electrophoretic Display)라고 불리는 전자종이 기술은 낮은 색 재현성, 느린 응답속도, 낮은 해상도 등의 단점 때문에 현재 활발하게 개발되고 있지는 않다. EPD를 뛰어넘는 플렉서블 디스플레이 기술로 몇 가지 대안이 제시됐으며, 그 중 가장 가능성 높은 기술이 유기 발광 소자, 즉 OLED(Organic Light Emitting Diode)이다.
OLED는 다른 디스플레이와 다르게 면발광 소자라는 점, 그리고 BLU(Back Light Unit)를 통해 빛을 내는 LCD(Liquid Crystal Display)와 달리 자체 발광한다는 점 때문에 얇은 두께의 소자를 제작할 수 있어 플렉서블 디스플레이를 만드는 데 가장 최선의 소자일 것으로 생각되고 있다.
하지만 플라스틱 위에 소자를 만들 경우, 지금까지 유리기판에 OLED 소자를 형성했을 때 없었던 문제가 발생한다. 플라스틱은 표 1에 나타난 바와 같이, 유리와 다르게 대기 중의 산소나 수분이 잘 투과되는 성질이 있는데, OLED 구동을 위해 정전압을 인가했을 때 플라스틱 필름을 투과한 수분이 소자 내에서 전기-화학적 반응을 일으키며 수소 가스를 형성시키거나, 공정 중 생기는 OLED 초박막 사이의 빈 공간, 불순물 틈(결함, Defects)으로 침투한다. 이렇게 투과된 수분 및 산소는 주로 음극으로 사용되는 알루미늄 박막을 파손시키며, 그로 인해 그림 2와 같이 빛을 내지 않는 흑점(Dark Spot)이 생기게 된다.
대기 중 수분 및 산소 투과는 연속적으로 일어나며, OLED의 구동을 위한 정전압 역시 연속적으로 인가되기 때문에 흑점 영역은 계속해서 증가하며, 이에 따라 디스플레이 소자로서의 기능을 못하게 된다.[1]
이러한 문제를 해결하기 위해서는 플라스틱 필름 및 OLED 상부에 수분, 산소 투과를 막아주는 봉지막(Encap-sulation Layer)이 반드시 필요하다. 봉지막으로 사용하기 위한 요구 조건은 크게 두 가지가 있는데, 첫째로 대기 중 수분의 투과를 잘 막아야 하며, 동시에 플렉서블 디스플레이에 적용하기 위한 유연성이 보장되어야 한다. 단순히 생각하면 요구 조건을 만족시키는 것이 별로 어렵지 않아 보이지만, OLED 구동을 위해 요구되는 봉지막의 투습 방지 특성은 통상적인 식품 용기 패키징 수준의 10만 배 이상이다(그림 3).
영국의 PETEC(Printable Electronics Technology Centre)에 따르면 이 수치는 가로 100미터, 세로 50미터인 축구장 크기의 봉지막에 한 달 동안 투과된 수분의 양이 실험용 스포이드로 떨어뜨린 한 방울의 물과 같은 정도라고 한다.
이와 같이 엄청나게 낮은 수분 투과도를 가지며 유연성이 보장되는 봉지막을 형성하는 연구는 플렉서블 디스플레이 개발에 있어서 핵심 과제이다.
플렉서블 디스플레이 봉지막 형성 기법
1. 진공 공정을 이용한 봉지막 형성 기법
앞서 기술한 내용과 같이 극소량의 수분을 투과시키는 봉지막을 형성하려면 고밀도의 무기물질로 이뤄진 막을 사용하는 것이 가장 좋은 방법일 수 있지만, 플렉서블 디스플레이에 적용하기 위한 보호막으로 유연성이 부족한 무기 단층막을 사용하는 것은 좋은 해결책이 될 수 없다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 고안된 수분 투과 방지막 구조가 Vitex社에서 발표한 유/무기 하이브리드 구조이다. 해당 구조는 수분 투과를 막아주는 고밀도 무기막과 유연성을 확보하기 위한 유기막을 차례대로 다층 적층하여, 공정 중 불순물 등으로 형성되는 무기층의 결함을 다층 막 구조로 보완하고 유기층으로 봉지막의 유연성을 확보하는 구조이다.
그림 4와 같이 유/무기 다층 구조에서 수분 투과 경로의 경우 무기층의 결함에서 일어나며 한 층당 결함 수가 충분히 적다면 투과된 수분의 이동 경로는 각 결함 간 거리와 층수의 곱으로 표현할 수 있다. 또한 투과된 수분의 이동 경로를 최대한 길게 함으로써 유효 두께(Effective Thickness)를 최대한 길게 만들 수 있다.[2]
해당 구조의 봉지막은 주로 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition), 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition), 진공 열 증착법(Thermal Evaporation), 스퍼터링 기법(Sputtering)을 통해 무기층 및 유기층을 구성시킨다. 이 중 원자층 증착법으로 얻을 수 있는 무기막의 특성이 가장 뛰어나지만, 원자층 증착법의 경우 공정 속도가 느리다는 단점이 있으며, 진공 열 증착법 및 스퍼터링 기법의 경우 무기막의 특성이 다른 증착법에 비해 떨어진다는 단점이 있어, 기업에서는 화학 기상 증착법을 이용한 무기층 형성을 주로 이용하고 있다.
각 증착 방법을 적용할 수 있는 무기물질은 플라스틱의 유리 전이 온도(Tg, Glass Tran-sition Temperature)보다 낮은 온도에서 증착 가능해야 하며, 플라스틱의 화학적 변형을 일으키지 않는 작용제를 사용해야 한다.
또한 무기층 형성 시 막의 구조가 결정 구조로 되면 격자 사이에서 수분 침투가 원활히 일어나므로 증착 시 비결정성을 가진 물질을 사용해야 한다. 이러한 제약에 해당하지 않는 무기 물질로서 초창기에 사용된 것은 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 규소(SiOx), 질화 규소(SiNx) 등이 있으며, 현재는 산화 마그네슘(MgO), 산화 지르코늄(ZrO2), 산화 아연(ZnO) 등이 적합한 물질로 판단되어 활발히 연구되고 있다.[3], [4]
유기물질의 경우 광범위한 종류의 물질이 사용되고 있으며, 물질 특성상 수분 투과 방지보다는 막의 유연성을 위해 삽입되므로 물질 선택에 큰 제약은 없다. 유기층의 성질 중 특별히 필요한 특성은 무기막간 중간 층으로서 각 층 사이의 접착 특성이 좋아야 한다는 점이다. 또한 외부 힘에 따른 특성 변화가 없는 물질을 사용해야 한다.
이외의 진공 공정을 활용한 구조 중 투습 방지 특성이 좋은 무기 물질만 다층 적층한 나노 라미네이트(Nano Laminate) 구조의 수분 투과 방지막이 연구되었지만, 나노 라미네이트 구조의 경우, 막의 유연 특성이 보장되지 않아 활용 가능성이 낮은 것으로 생각된다.[2]
이러한 진공 공정을 활용한 봉지막은 그 특성상 초박막(50nm∼300nm) 구조를 이루므로, 플라스틱 기판에 작은 파티클이 있을 경우 막 전체에 걸친 수분 투과 경로를 수직으로 만들기 때문에 특성이 저하되는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 봉지막은 깨끗한 환경에서 제작되어야 하며, 그에 따라 수율이 낮은 것으로 알려져 있다. 또한 진공 공정의 특성상 공정 속도가 느리므로 생산 단가가 비싸다.
진공 공정을 활용한 유/무기 다층 하이브리드 구조의 봉지막은 Vitex, Samsung, Konica Minolta, GE 등의 기업에서 활발히 연구 개발되고 있다. 앞으로 최대 단점이라고 볼 수 있는 공정 속도가 개선된다면 가까운 미래에 상용화가 가능할 것으로 보인다.
2. 비진공 공정을 활용한 봉지막 형성 기법
진공 공정을 활용한 봉지막 형성 기법이 주류를 이루고 있는 가운데, 비진공 공정을 활용하여 봉지막을 형성하는 연구 결과가 몇몇 연구기관을 통해 발표되고 있다. 여기서는 몇 가지 흥미로운 연구 결과에 대해 소개한다.
처음 소개할 비진공 공정을 활용한 봉지막 형성 기법은, 용액 공정을 통해 간편히 봉지막을 형성하는 방법으로 Layer by Layer(LBL)라고 하는 기법이다. 용액 속 전하를 띠면서 잘 분산되는 무기물질과, 용액 속 무기물질과 반대되는 전하를 띤 유기 물질을 분산시킨 두가지 이상의 용액에서, 간단한 용액 공정으로 표면에 유/무기층을 차례로 쌓는 방법이다.
이 기법은 표면에 (＋), (－) 전하를 띤 물질들이 플라스틱 표면에서 정전기적 인력으로 강하게 결합되는 현상을 이용한 것으로, Texas A&M의 Grunlan 교수가 속한 그룹에서 활발히 연구되고 있다. 이러한 봉지막에 사용되는 무기 물질은 주로 2차원 구조를 가지며, 용액 내에서 (－) 전하를 띤 Montmorillonite, Graphene Oxide 등이 사용된다. 유기 물질로는 용액 내에서 (＋) 전하를 띤 Polyethylenimine, Polydiallyldimethylammonium 등의 물질이 사용된다. LBL을 활용한 봉지막은 제조가 간단하고 공정이 빠르다는 장점이 있으나, 용액 공정에 따른 재현성 부족 및 플렉서블 디스플레이에 적용할 정도로 낮은 투습률을 가진 봉지막을 형성하는 것이 어렵다는 문제점도 안고 있으며 이를 해결하기 위한 연구가 계속해서 진행되고 있다.[5], [6]
다음으로 소개할 연구는 표면 모양을 변화시켜 수분 친화도를 낮추는 방법이다. 주로 연꽃잎 모양으로 알려진 소수성 패턴은 표면에 수분이 흡착되는 것을 막아 주며 이를 이용하여 투습률을 낮출 수 있다. 스템프를 이용한 임프린트 기법을 주로 이용하며 표면에 수백 나노 크기의 기둥 형태 구조체를 형성하여 표면을 소수성으로 변화시킨다. 형성한 표면 위에 물방울을 떨어뜨리고 표면 에너지 및 물방울-표면 간 접촉각을 측정하여 소수성을 평가할 수 있다. 표면 특성 변화 기법의 경우 자연을 모방함으로써 봉지막 특성을 비교적 간단히 향상시킬 수 있지만, 대면적 공정이 힘들고 공정 과정이 다소 복잡하기 때문에 상용화 기술로는 적합하지 않은 것 같다.[7]
그 외에 봉지막 구성과는 약간 거리가 있지만, 수분 침투를 막아 주는 수분 흡습제에 대한 연구가 진행되고 있다. 해당 연구는 봉지막 구조체를 형성하는 것보다 수분을 잘 흡습하는 재료와 관련된 연구에 가까우며, 주로 사용되는 물질은 비석(Zeolite), 산화 바륨(BaO), 산화칼슘, 반응성 금속, 지르코늄 합성물이다. 흡습제만 잘 이용해도 OLED의 수명을 크게 향상 시킬 수 있다는 연구 결과가 발표되었다.[8]
비진공 공정을 활용한 봉지막 형성 기법의 경우, 진공 공정을 활용한 봉지막 형성 기법에 비해 연구 수준은 초기 단계이며 앞으로 연구 개발할 여지가 많이 남아있다. 아직까지는 용액 공정 자체가 가진 재현성을 확보하는 것이 어렵다는 점, 막이 균일하지 않다는 점 등의 이유로 기업보다는 주로 연구실 수준의 개발이 이루어지고 있으나, 공정 접근성이 용이하고 공정 속도가 빠르므로 앞서 나열한 문제점들을 해결한다면 진공 공정을 활용한 봉지막을 대체할 수 있을 것으로 보인다.
봉지막 투습 특성 측정 방법
앞서 소개한 다양한 기법으로 형성한 봉지막 특성을 확인하는 가장 좋은 방법은 수분투습률을 측정하는 것이다. 다양한 봉지막을 형성하는 방법과 같이, 봉지막 특성을 평가하는 방법 또한 여러 가지이다.
1. 상용화된 장비를 통한 투습률 측정 방법 … MOCON의 acuatran®
수분 투습율(Water Vapor Transmission Rate, WVTR)을 측정하는 가장 대중적인 방법으로 MOCON社(미국)의 상용화된 장비를 이용하는 방법이 있다. 초창기에 음식물 패키징 필름의 수분 투습률을 측정하기 위해 장비를 제작하던 MOCON社는 플렉서블 디스플레이용 봉지막 필름의 수분 투습률을 측정하기 위한 장비로 점차 사업 영역을 늘려 가고 있다.
MOCON社의 투습률 측정 장비는 음식물 패키징 필름용으로 개발되었기 때문에 5*10-2g/(m2·day) 영역 이하의 투습률은 측정할 수 없었지만, 현재 많은 개발이 완료되어 5*10-5g/(m2·day) 영역까지 투습률을 측정할 수 있게 되었다.
측정 원리는, 분석하려는 필름을 거치대에 고정시키고 정량의 수분을 한쪽 면으로 계속 분사하여 필름 통과 후 반대편에서 검출되는 수분의 양을 센서가 포착, 이를 수치화하여 보여주는 것이다. 상용화된 장비이므로 투습률 측정 방법 중 현재까지 가장 신뢰할 수 있는 방법으로 평가받고 있지만, 단점으로는 5*10-5g/(m2·day) 영역까지 투습률을 측정할 수 있는 장비는 매우 고가이며, 하위 모델의 경우 한계 영역 이하의 범위에 대해서는 측정이 불가능 하다는 점이다.[9]
2. 방사성 동위원소를 이용한 투습률 측정 방법
다음으로 소개할 방법은 방사성 동위원소인 삼중수소를 이용한 투습률 측정 방법이다. 우리나라에서는 한국표준과학연구원에서 주로 수행하고 있다. 이것은 삼중 수소를 물 분자에 포함시킨 뒤 필름에 분사하고, 필름을 통과한 수분 중 삼중 수소를 포함한 수분의 양을 방사능 검출기로 검출함으로써 봉지막의 투습률을 측정하는 방식이다. 10-2∼10-7g/(m2·day) 영역까지 측정 가능하므로 봉지막을 통과한 초미량의 수분도 측정할 수 있다.
하지만 장비가 고가이고, 이 방법을 이용해 투습률 측정을 제공하는 기관이 많지 않다는 단점도 있다.[10]
3. 칼슘 산화도에 따른 투습률 측정 방법
마지막으로 소개할 방법은 칼슘의 산화 정도를 이용하여 투습률을 측정하는 방법이다. 칼슘은 수분과 반응이 잘 되는 물질로 알려져 있어, 봉지막을 통과한 수분의 양을 측정하는 물질로 사용할 수 있다. 칼슘을 이용한 투습률 측정 방법은 크게 칼슘의 산화 정도에 따른 광투과도 변화를 이용하는 방법과 전기적 성질 변화를 이용하는 방법으로 나눌 수 있다.
먼저 칼슘의 산화도에 따른 광투과도 변화를 감지하는 방법의 경우, 칼슘은 증착 당시 은색의 금속 색인데 수분과 반응하여 산화칼슘으로 변형되면 투명해지는 성질을 이용하는 것이다. 미리 증착한 칼슘의 상부에 봉지막을 접착시키고 봉지막을 통해 들어오는 수분의 양에 따라 칼슘이 투명해지는 속도를 광투과도 측정 장비로 분석하여 봉지막을 통과한 수분의 양을 정량적으로 분석할 수 있다.
두 번째 방법은 칼슘의 전기적 성질을 이용하는 방법인데, 칼슘은 증착 직후 금속 성질을 띠므로 도체 성질을 갖게 되지만, 수분과 결합하여 산화 칼슘으로 변형된 이후에는 무기물질의 특성과 저항이 높은 부도체 특성을 갖게 되는 현상을 이용한다. 이 방법은 미리 증착한 전극과 칼슘 위에 봉지막을 접합시키고, 양 전극에 정전압을 인가하여 시간에 따른 저항 또는 전류의 변화를 정량적으로 분석함으로써 봉지막을 투과한 수분의 양을 측정할 수 있다.
MOCON社의 상용화 제품을 사용하거나 방사성 동위원소를 이용하는 방법에 비해 신뢰성이 떨어진다는 의견이 많지만, 상대적으로 실험 접근성이 용이하기 때문에 소규모 연구 그룹에서 많이 사용되고 있다.[11], [12]
플렉서블 디스플레이용 봉지막의 시장 전망
미래 디스플레이 소자는 플렉서블 디스플레이 소자가 주류를 이룰 것으로 예측되고 있으므로, 플렉서블 디스플레이 구현에 필수적인 봉지막 필름 시장도 플렉서블 디스플레이 시장이 확대됨에 따라 크게 증가할 것으로 보인다.
전문 리서치 기관인 Nano Markets의 2013 리포트에 따르면, 2013년 5억 달러 수준이었던 시장 규모가 2019년 12억 달러까지 커진다고 한다. 특히 유/무기 다층 봉지막의 경우, 2019년에 3억 달러 수준까지 그 시장 규모가 커질 것으로 예상했다.
