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 롤투롤과 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 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 타임을 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.
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# 더! 생각해보기
a. 어떤 공정 개발을 통하여 OLED는 최고의 성능을 구현할 수 있을까
b. 성능 다음으로는 가격 경쟁인데, 경쟁국 회사들과의 가격 경쟁에서 우위를 점하려면 어떤 전략이 마련되어야 할까
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