<테마특강> 저분자 유기EL 증착장비 현황과 전망

　필자 배경빈

90년 부산대학교 무기재료공학과 졸업

90∼96년 한국베리안(주) 근무

2000년∼현재 한국진공연구조합 이사

현재 에이엔에스(주) 대표이사

　

　유기물질의 전계발광(EL:Electroluminescence) 현상은 65년에 단결정 안트라센( anthracene)에서 최초로 발견되었지만 제한된 크기, 단결정 성장의 어려움 및 매우 높은 구동전압(∼1000V) 때문에 20여년간 제한적인 발전에 그쳐왔다. 그러던 것이 87년 탱(Tang)에 의해 진공증착에 의한 높은 양자효율을 가진 다층박막구조의 유기EL 소자의 개발에 성공함으로써 새로운 전기를 맞게 되었다. 이 소자는 전체 박막두께가 1000Å에 불과하고 10V 정도의 낮은 전압에서 구동될 수 있는 매우 효율적인 특성을 가지고 있다. 이때부터 전세계적으로 단분자의 증착방식을 이용한 소위 OLED(Organic Light Emitting Diode)의 개발에 광범위한 노력을 기울인 결과 최근에는 모노 및 컬러 OLED 디스플레이가 상업화의 길로 접어들었다. OLED는 LCD와 같은 현재의 전통적인 평판디스플레이보다 저전압구동과 저소비전력, 자체발광(고휘도), 빠른 응답속도(수㎲), 광시야각, 경량, 박형, 저생산비용 등의 장점을 배경으로 급속히 기술이 발전하고 있다.

　일반적으로 OLED 구조는 양극(ITO)/다층 유기박막/음극(금속)의 구조를 가지고 있는데 다층 유기박막은 전자수송층(ETL:Electron Transport Layer), 정공수송층(HTL:Hole Transport Layer)와 발광층(EML:Emitting Layer)으로 구성돼 있으며 때로는 별도의 전자주입층(EIL: Electron Injecting Layer)과 정공주입층(HIL:Hole Injecting Layer) 또는 정공방지층(HBL: Hole Blocking Layer)을 소자특성의 개선을 위해 추가로 삽입할 수 있다. 이러한 다층의 유기박막을 형성하는 데 사용되는 전형적인 저분자 OLED 진공증착 장비의 구성과 기능에 대해 살펴보도록 하겠다.

　◇ITO 박막 증착=일반적으로 ITO 박막은 스퍼터링(sputtering)에 의하여 형성된다. 현재 사용되는 LCD용 ITO coated glass는 표면거칠기가 약 20∼30Å 정도이므로 상부에 유기물 다층박막이 증착된 OLED 소자를 제작시 층간 접촉면의 두께 편차에 기인한 다크스폿등이 발생되어 소자의 신뢰성을 저하시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 표면형상이 비정질이고 표면거칠기가 균일한 OLED 전용의 ITO coated glass 개발이 여러 곳에서 진행되고 있다. OLED는 캐리어(전하와 정공) 주입방식에 의한 발광소자이므로 유기물의 경계면으로 침투하는 carrier의 주입효율이 소자의 특성에 큰 영향을 준다. 대개 낮은 저항(∼10옴/square)과 균일한 표면거칠기 그리고 투과도가 높은 ITO 박막을 양극전극에 적용함으로써 소자의 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 최근에는 전기전도도를 개선하기 위해 ITO에 다른 금속을 함께 스퍼터링하거나 ITO 대신 IZO 박막 등을 적용하여 보다 우수한 특성의 양극을 개발하려는 연구도 미국과 일본 등지에서 활발하게 진행되고 있다.

　◇ITO 박막의 전처리 기술=ITO 기판의 상태에 기인하지만, ITO 표면일함수(약 4.67eV)와 정공수송층(HTL)의 표면일함수(약 5.2eV)와의 접합 계면에는 표면 전위차가 발생한다. 이 상태에서 소자를 구동하게 되면 발광개시전압이 수 V 정도 상승하게 된다. 또한 ITO 표면일함수는 기판 표면의 오염, 수분의 부착 등의 영향으로 0.5eV에서 1.0eV 로 다소 증가하게 된다. ITO기판의 전처리 기술은 ITO의 표면전위를 HTL의 표면전위에 가능한한 최대한 근접한 값을 갖게 함으로써 양극으로 사용되는 ITO로부터 정공이 보다 원활하게 발광층까지 이동할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다고 하겠다. ITO기판의 전 처리에는 다음의 세가지 방법이 주로 사용된다.

1) Glow discharge를 이용한 표면산화법

2) UV 광원에 의해 생성된 오존에 의한 ITO 표면산화법

3) 플라즈마에 의해 생성된 산소 라디칼을 이용한 ITO 표면산화법.

위의 세가지 방법의 기판의 상태에 따라 선택적으로 적용될 수 있다. 어떤 방법을 사용하든 중요한 것은 ITO 박막으로부터 산소의 이탈을 방지하고, 그 표면으로부터 수분이나 유기물 형성을 제거하고 표면을 산화시켜, ITO층과 HIL층과의 접촉 계면에 적절한 일함수를 얻도록 하는 것이다.

　

　

　

　

유기 박막 증착 = 유기박막은 10-7 torr 수준의 고진공 상태에서 진공증착 방식을 이용하여 기판의 표면에 순차적으로 형성된다. 유기박막은 정공주입층(HIL: Hole Injection Layer), 정공수송층(HTL: Hole Transport Layer), RGB 발광층 (EML: Emitting Layer), 전자수송층(ETL: Electron Transport Layer) 등의 다층박막으로 구성되어 있고, 이 박막들이 증착되는 진공 chamber의 구성은 재료의 증발원, 막 두께 제어 센서, glass 기판과 metal shadow mask를 고정세로 align할 수 있는 기구 및 재료를 증발시키기 위한 전원 공급원 ( power supply ) 등으로 이루어져 있다. 사용되는 대부분의 유기재료는 무기재료에 비해 증기압이 높고, 증발 온도범위가 광범위하고 ( 100 ∼ 500 °C ) 증발온도가 제 각각 달라서 물질마다의 정교한 온도제어가 필수적이다. 유기물의 증발원은 일반적으로 높은 열전도도를 가진 세라믹crucible이 사용되며 단계적이고 지속적인 증발제어가 가능하여 유기물이 튀는 현상 ( spitting )이 없도록 설계 제작되어야 한다. 증발원의 온도상승이 적절히 이루어지지 않아 지나치게 짧은 시간에 증발온도까지 도달한 유기물은 튀는 ( spitting ) 현상이 발생되어 유기물 증발원의 입구가 막히게 되고 이로 인해 유기물의 증착 속도가 변하여 원하는 박막특성을 얻지 못하며, 아울러 유기물질이 증착 도중에 변색 또는 탈색이 되어 다시 사용할 수가 없다. 또한, 각각의 유기물은 그 물질에 따라 증발을 위해 기화 ( sublimation ) 되는 것과 용해 ( melt )되는 것이 있으며 이들은 각각 다른 증발 특성을 가지게 되므로 재료별로 최적의 증발조건을 제어할 수 있는 기능이 매우 중요하다. 풀칼라 소자제작을 위해서 발광재료는 host 대비 dopant 재료가0.5 ∼ 2.0 mol % 정도의 비율로 제어되어야 하고 이때 dopant는 박막 내에 균일하게 분포되어야 하며 전체 박막 균일도는 +/- 5% 범위에서 제어되어야 한다. 또한, 3색 발광층의 증착 시에는 metal shadow mask를 사용하여 고정세 ( +/- 5 micron 수준 )의 증착패턴의 형성이 가능해야 하고, 다른 유기 박막 층은 open mask를 이용한 기계적 alignment( +/- 200 micron 수준)가 가능한 수준의 장치가 필요하다. 풀칼라 OLED 디스플레이를 위한 생산장비는 각각의 유기물을 증착할 수 있는 별도의 독립 chamber로 구성하여 상호 오염을 최소화하고 높은 생산성을 확보해야 한다. 또한, 대면적 유리기판과 metal shadow mask를 정교하게 align 할 수 있는 안정화된 기구, mask의 열팽창 방지 및 mask에 증착된 막을 in-situ로 cleaning 할 수 있는 방식 그리고, 고속으로 증착 하면서 유기물의 증착 균일도를 확보할 수 있는 증발원의 기술 확보 등이 중요한 과제이다.

　금속전극 증착 = 금속전극은 유기박막에 이어 증착하게 되는데 상대적으로 고온의 증착 과정 동안에 발생되는 복사열에 의해 온도에 민감한 유기 박막이 변질되지 않도록 주의해야 한다. 음극전극에 사용되는 금속재료는 대부분 일함수가 낮은 활성금속으로 성막 시 잔류 불순물에 의한 오염을 최소화 하기 위해 고진공의 배기 시스템내에서 공정을 진행하며, 진공 chamber의 개폐를 필요로 하는 재료공급의 빈도를 줄이기 위해 고안된 물질 자동공급장치를 사용하여 금속 전극박막을 형성한다. 일반적으로 Mg/Ag, Mg/Ag-Al, Li-Al, LiF-Al 등이 사용되는데 금속재료는 고온 ( 450 ∼ 1200 °C )에서 증착되므로 유기물이 성막된 기판의 온도를 80 °C 이하로 관리하는 것이 중요하다. 이러한 기술적인 문제를 극복하기 위하여 최근에는 소자의 하부층에 유기박막에 앞서 음극 금속전극을 우선 형성하고 소자의 상단에 양극 전극재료로서 투명한 ITO를 채택한 소위 Top Emission 방식의 새로운 OLED 소자가 발표되었다. 이 방식이 본격적으로 소자제작에 적용되기 위해서는 유기박막에 손상을 주지 않고, ITO를 고속으로 증착 하는 기술의 개발이 선행되어야 한다. Top Emission 방식은 기존의 Bottom Emission 에 비해 발광층이 유리기판보다 디스플레이 표면에 가까이 위치하여 개구율을 증가시켜 휘도를 개선하는 장점을 가지고 있다.

보호막 증착 및 봉지(Passivation and Encapsulation) = 수분과 산소에 취약한 OLED소자는 dry N2 분위기에서 Metal Can과 UV 경화 수지를 이용해 봉지되는 것이 일반적이다. 봉지가 정상적으로 되지 못할 경우 수분이나 산소와 반응하여 특성이 저하된 유기물질에 의해 소자의 밝기가 저하되고dark spot 등이 생기는 결함이 발생한다. 증착장비와 연결된 보호막 증착 및 봉지 장비의 개발이 필요하지만 아직까지는 박막의 증착에 의한 봉지가 성공된 사례는 없다. 따라서 현재에는 Metal Can 또는 Glass Can에 의한 봉지가 일반적이다. Metal Can 을 사용하는 봉지 공정은, 여러 개의 Metal Can을 장착한 tray를 loading 한 후 UV를 이용하여 Metal Can 세정을 하고, 각각의 Can에 BaO, CaO등과 같은 흡습제를 일정부분 바른 후 투습지로 taping 한다. 그리고 나서 접착제를 can 주위에 균일하게 dispensing 한 후 UV curing을 통해 봉지를 완료한다. Can 을 사용하는 방법과 달리 진공 증착으로 보호막을 성막 하는데 있어 필요한 재료는 유기물로서는 polyparaxylene 이 있고 무기물로서는 SiO2, SiNx, MgF2, In2O3 등이 사용되고 있다. 증발원은, 저항 가열식 텅스텐 boat, Electron - Beam gun 및 Sputtering cathode등이 있다. 최근에는 무기물과 monomer를 다층으로 증착 하면서 UV로 curing시켜 polymer를 만들어 이를 보호막으로 사용하는 방법이 가시화 되고 있다. 진공 증착에 의한 다층박막으로 봉지를 할 수 있는 것은 매우 중요한 기술이며 이 기술은 가까운 장래에 metal can이나 glass can을 대체할 수 있을 것으로 예상된다. 그렇게 되면, OLED 소자의 플라스틱 기판상 제작도 가능해져 깨지지 않고 두루마리 형태로 휴대가 가능한 OLED의 개발을 앞당길 수 있을 것으로 예상된다.

결론 = 단위 공정별로 진행되는 반도체나 LCD 장비에 비해 OLED 증착 및 봉지 장비는 ITO 박막 전처리, 다층 유기물 성막, 금속전극 성막, 보호막과 봉지공정을 일괄 처리할 수 있어 하나의 제조 장비에 가깝다. 그리고 공정 chamber 마다 각기 다른 공정을 진행하므로 하나의 chamber에 trouble이 발생하면 다음 공정으로 진행하지 못하고 장비가 stop 되는 등의 민감한 문제를 안고 있다. 또한, 각각의 공정 chamber는 예방정비 ( Preventive Maintenance ) 주기가 달라서 생산관리에도 많은 주의를 요한다. 생산장비에 있어서, metal shadow mask의 대형화에 따른 정밀가공, 처짐을 방지하는 대책, 열팽창 방지 대책, 증착된 막을 in-situ로 세정하는 방법 등의 문제 및 mask와 glass 간의 고정세 align 방법 등이 제시되어야 한다. 또한, 증발원 관점에서는 물질자동공급장치, 물질사용효율 개선, 대면적에 균일하고 고속 증착이 가능한 증발원의 개발 등이 필요하다. 또한 다층박막을 이용한 보호막 및 봉지 기술의 확립도 필수적이다. 생산성과 재현성을 갖춘 full color OLED 양산장비는 아직도 세계의 어느 장비업체에서도 제대로 생산하고 있지 못하며, 소자업체와 공동으로 개발하는 중이다. 이러한 초기 단계에서, 국내 소자업체들이 국제적으로 경쟁력 있는 기술을 개발하고 지켜 나가기 위해서는 국내 장비업체와의 양산장비 공동개발이 절실히 요구된다. 초기에 소자업체 들이 가지고 있는 새롭고 중요한 양산 기술이 외국의 장비업체로만 누출이 되면, 자금력과 기초기술이 뒤진 국내 장비업체와의 격차는 날로 커져만 갈 것이다. 이는 결국 반도체나 LCD 장비처럼 OLED 장비의 경우도 국산화율이 7%도 안되는 ( 전공정 장비기준 ) 현실로 다가올 것이다. 더욱이, OLED 증착 및 봉지장비는 단위공정 장비가 아닌 소자를 만드는 일괄제작장비에 가깝기 때문에 국산화율은 더욱 줄어들 수 밖에 없다. 먼 미래가 아닌 가까운 장래에 OLED도 일본은 물론 중국, 대만등과 제품 경쟁을 할 것이다. 막대한 자금력은 물론 값싼 노동력과 풍부한 시장을 무기로 공격적으로 달려드는 이들과 경쟁하기 위해서는 소자는 물론 장비, 부품, 재료의 국산화가 동시에 이루어져 시장을 선점하고 기술 및 가격 경쟁력을 확보하는 것이 무엇보다도 중요하다. 최고 경쟁력을 갖춘 장비가 최고의 OLED 제품을 만든다는 것은 너무나도 당연하다. 따라서 소자업체와 국내의 장비업체는 불가분의 공생관계이며 지속적이고 상호 보완적인 공동개발로 장비업체의 경쟁력이 향상되고 이는 곧 소자업체의 경쟁력을 강화시키는 선순환의 협력 관계를 유지해야 한다.