1.서 론

유기발광다이오드(organic light emitting diode: OLED) 는 高효율, 경량/박형, 低소비전력 등의 장점으로 인하여 차세대 디스플레이로 각광받고 있으며, 세계의 디스플레 이 시장은 액정표시장치에서 OLED로 변화하고 있다. 세 계 주요국들은 OLED 新 시장을 선점하기 위해 국가적 차원에서 공격적인 투자가 이루어지고 있다.

국내의 경우에도 2006년 OLED의 대량생산을 시작 으로 중소형 디스플레이 시장에서 점유율 97% 수준의 세계 최대 생산국으로 발돋움하였다. 국내 OLED 패널 (panel) 생산 업체들은 해외 경쟁사와의 차별화된 기술 을 통해 시장 지배력을 꾀하고 있다. 대표적으로 대면 적 OLED 장비 적용을 통한 생산성 향상, 고해상도 및 신축성 있고(flexible), 접을 수 있으며(foldable), 말 수 있는(rollable) 고부가 제품 적용 등의 끊임없는 기술 혁 신을 진행하고 있다. 또한, 전략기술, 수요창출, 산업기 반의 T/F 구성을 통해 OLED의 차세대 신성장 동력의 발굴을 꾀하고 있다.

이처럼 차세대 디스플레이인 OLED는 기술이 점차 고 도화되고 제품군 또한 중소형 크기의 스마트폰부터 중대 형 크기의 모니터까지 다양해지고 있다. 그러나 고객 욕 구를 만족시키기 위한 OLED 생산 기술의 수준이 높아 질수록 생산과 품질의 문제점도 발생되고 있다[2]. 대표 적으로 글래스(glass) 깨짐에 의한 생산 효율 저하, 픽셀 (pixel)간 위치(position) 틀어짐으로 인한 픽셀 혼색 및 결색 발생 등의 품질 불량이 있다. 지금까지 OLED 생산 업체의 생산 공정에서는 관련 문제점 해결을 위해 증착 공정의 프로세스(process) 개선 및 생산 운영 기준 정립, 설비 개조/개선 등의 많은 노력과 시행착오를 겪으며 끊 임없는 노력을 하고 있지만, 그 결과는 아직 미비한 수준 이다. 따라서 생산 및 품질을 저하시키는 항목들에 대해 서 문제점 도출, 원인 분석 및 해당 문제점들에 대한 해 결 대책 마련이 필요하다.

본 논문에서는 OLED 패널 생산 기술이 고도화됨에 따라 고해상도 제품 적용에 의한 품질 문제 중의 하나로 써 OLED 증착 공정에서 이슈가 되고 있는 글래스 열 변 형에 의한 픽셀 위치 틀어짐을 개선할 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 이를 위해 먼저 열 변형에 대한 다양한 원인을 특성요인도를 이용하여 분석하고, X-Y행렬을 이 용하여 품질 불량에 대한 조치인 글래스 폐기, 수선, 엔 지니어의 품질 확인 등에 대해 평가하여 도출된 각 요인 들의 중요성의 우선 순위를 정하였다. 이를 통해 열 제어 기술 부족에 의한 글래스 팽창/수축 발생이 글래스 픽셀 위치 틀어짐에 가장 큰 영향을 끼치는 원인인 것으로 확 인하였다. 또한, 선정된 문제점들에 대해 TRIZ[1] 기법을 활용하여 해결책을 모색하고, 적용 실험을 통해 제안된 개선안의 효율성을 확인하였다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 먼저 제 2장에서는 OLED 공정과 OLED 공정의 열해석에 대한 기존 연구 및 한계점에 대해서 기술한다. 제 3장에서는 OLED 증착 공 정 열 변형의 원인 분석 및 개선 과제 도출에 대하여 설 명하고, 제 4장에서는 트리즈를 이용한 개선 방법 도출 및 적용 결과를 기술한다. 마지막으로 제 5장에서는 본 논문의 결론과 향후 연구 방향에 대하여 논의한다.

2.OLED 공정

2.1.OLED의 개요

OLED는 발광성 유기재료를 양극과 음극 사이에 다층 의 샌드위치 모양으로 형성한 후, 전기적 여기에 의한 발 광 현상을 이용하는 디스플레이로 “Organic Light Emitting Diode”의 약자이다[9]. <Figure 1>은 OLED의 일반 적 구조로서, OLED의 빛이 캐소드(음극)을 통과해 글래 스 면으로 나가는 것을 표현한 것이다[11]. OLED 레이어 (layer)의 다층 구조는 발광 효율과 에너지 수명을 향상 시키기 위한 여러 기능층들이 추가된 것이다. 이러한 기 능층들은 1,000~2,000Å 수준의 박막으로 형성되어 있으 며, 세부 구성은 <Table 1>과 같다.

2.2.증착 방식

OLED 증착 방식은 Fine Metal Mask(FMM) 방식이다. 이 방식은 유/무기 재료를 고온의 열로 기화시켜 고진공 상태에서 박막의 금속 마스크(metal mask)를 글래스에 밀 착시켜 원하는 위치에만 재료를 증착하는 화소 형성 기 법이다. 적색, 녹색, 청색의 구현을 위해서는 각각의 증 착 공정을 거치게 된다. <Figure 2>는 이러한 색 패턴 형 성 개략도를 나타낸다. 일반적으로 300ppi 이상의 OLED에 사용되는 마스크는 40μm 두께의 금속 박막을 통하여 제 작된다. 이러한 금속 마스크는 열팽창률이 우수한 합금 을 사용하고 있으며, 글래스 크기가 커짐에 따라 분할형 스틱(stick) 마스크를 통해 마스크 프레임에 용접한다. 글 래스와 마스크의 밀착도 및 패턴 정밀도 향상을 위해 마 스크에 일정한 힘을 가하여 스트레칭 후 용접하는 인장 용접 방식을 적용하고 있다[3].

2.3.글래스 그림자(Shadow) 효과

OLED 공정의 대표적인 품질 불량 중, 마스크와 글래 스의 픽셀 위치가 틀어져 적색, 녹색, 청색의 패턴 형성 시 결색 또는 혼색을 일으키는 그림자 효과가 있다. 프리 미엄 제품의 증가로 고해상도 디스플레이가 적용됨에 따 라 픽셀 정의 레이어(pixel defined layer : PDL) 마진 스 펙(margin spec.) 또한 엄격해져 불량 발생률이 증가하고 있다. 그림자 효과는 원자재성, 마스크 제작, 글래스 열 팽창 및 수축 등에 의해 발생된다고 알려져 있다. 이를 세부적으로 살펴보면 FMM의 박막두께와 개구부 영역의 크기, 글래스와 마스크 간 밀착정도, OLED 유/무기를 가 열하는 증착원 크기와 위치 등에 의하여 결정된다[3]. <Figure 3>은 글래스와 마스크 간 픽셀 위치가 틀어져 정해진 영역을 벗어나 타 재료가 증착되는 그림자 효과 를 나타낸 것이다[10]. 그림자 효과가 OLED 공정의 유 기물을 사용하는 발광층(EML)에서 발생된다면 적색, 녹 색, 청색 간의 색 침범 발생으로 인해 색재현성 및 휘도 가 떨어지게 된다.

2.4.OLED 공정의 열 해석에 대한 연구

2.4.1.글래스 열 변형 시뮬레이션

OLED의 증착 방식은 상향식으로 하부의 증착원은 500℃ 이상의 고온을 통해 고체의 유/무기 재료를 기화 시킨다. 이 과정에서 고온의 열을 받은 글래스 부분은 팽 창하고, 반대면은 상대적으로 온도가 낮아 변형이 작다. 이때 글래스의 상/하면의 열팽창 차이는 응력을 발생시 키며, 글래스의 온도가 낮아짐에 따라 응력완화(stress relaxation) 가 발생된다. 소자의 온도가 전이 온도와 동일해 지면 팽창된 글래스는 다시 수축되는데 응력완화로 인해 고온의 열을 받은 부분은 원래의 길이보다 짧아지게 된 다. 이러한 현상은 <Figure 4>와 같이 표현될 수 있다[5]. <Figure 4>의 (a)는 온도에 따른 글래스의 형태를 나타낸 그림이다. <Figure 4>의 (b)는 시간에 따라 변화하는 글 래스의 곡률 반경을 나타낸 그림으로 최대 온도에서는 글래스가 열팽창되어 곡률 반경이 (+)의 값을 갖는다. 시 간이 지남에 따라 글래스 온도가 낮아져 열 수축이 발생 되고 이는 응력완화로 인해 (-)의 곡률 반경을 갖게 된다. 특히, 0.6s 이후부터 글래스의 곡률 반경이 (+)에서 (-)로 변화하는 것을 확인할 수 있다[3].

2.4.2.글래스 예열에 따른 변형

OLED 결정화 공정의 글래스 예열 및 펄스(pulse) 지속 시간에 따른 글래스 변형은 <Figure 5>와 같다[4]. <Figure 5(a)>는 상온(25℃)에서의 글래스와 고온(650℃)에서 예 열한 글래스에 대해서 펄스 길이에 따른 글래스의 변형을 나타낸 것이다. 펄스의 길이가 40㎲일 때, 글래스 온도에 따른 변화량의 차이가 없으나 4,000㎲ 이상부터는 글래스 예열이 되지 않은 경우가 예열을 진행한 경우보다 4배 가 량 글래스 변형의 차이가 발생하였다. <Figure 5(b)>는 동 일한 펄스 지속시간에서 글래스 온도와 곡률의 차이를 나 타낸 그래프이다. 상온(25℃)에서의 글래스가 각 400℃와 650℃로 예열한 경우보다 1~2배 정도 곡률의 차이가 크 게 발생되는 것을 확인할 수 있다[10].

2.5.기존 연구의 한계점

이러한 OLED 공정의 열 해석에 대한 기존 연구들은 글래스 열 변형 메커니즘 및 글래스 예열 여부에 따른 글래스 변형 정도 등의 확인을 통해 글래스 열 변형 개 선에 대한 방향성을 제시하였다. 그러나 해당 연구들은 글래스 열 변형의 개선 방안으로 글래스 예열에 대한 필 요성은 제시했지만 방법론적인 측면에서 열 제어에 대한 구체적인 시험 조건은 제시하지 않았다.

3.원인 분석 및 개선 과제 도출

3.1.글래스 열 변형 원인 분석

먼저 OLED 증착 공정에서의 동작상태 확인을 통한 글 래스 열 변형 발생 원인을 분석하였다. OLED 증착 공정은 글래스에 유/무기물 증착을 위해서는 글래스가 물류 체임 버(chamber)를 통해 반송되고, 정해진 각 프로세스 체임 버에서 고온 및 고진공 상태에서 플라즈마(plasma) 처리, 유기 재료, 금속 증착을 하는 인라인 방식이다[5]. <Figure 6>은 이러한 인라인 방식의 증착 공정 배치를 나타낸 그 림이다.

증착 공정의 물류 라인은 단일 경로 형태로 구성되었 으며, 물류 체임버에서 설비 돌발 고장 등이 발생되어 공 정의 진행이 멈출 경우, 前 공정의 글래스는 반송되지 못 하고 해당 체임버 內에서 정체된다. 글래스가 프로세스 체임버 內에 정체될 경우, 유/무기 재료 기화를 위한 고 온의 열로 인해 얼룩 및 증착막 두께 균일성(uniformity) 이상 등의 문제가 발생된다. <Figure 7>은 프로세스 체임 버에서 증착원 온도에 따른 글래스온도 변화를 나타낸 그림이다[6]. 이를 통해 증착 間 글래스의 온도의 변화는 상당히 큰 것을 알 수 있다.

글래스가 물류 체임버 內에서 정체될 경우, 대기시간 에 따라 글래스 온도가 떨어지게 된다. 이로 인해 後 공 정 프로세스 체임버로의 글래스 투입 온도의 차이가 발 생된다. <Figure 8>은 물류 체임버 內에서의 대기시간에 따른 글래스의 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 이러한 글래스 온도 변화는 열팽창 및 수축의 차이를 발생시켜 픽셀 위치의 틀어짐 불량을 야기한다[4].

본 논문에서는 OLED 증착 공정에서의 글래스 픽셀 위치 틀어짐에 영향을 끼칠 수 있는 요인을 설비(machine), 공정(process), 부품/재료(material), 사람(man)의 4가지 범 주로 분류하고 <Figure 9>와 같이 특성요인도로 표현하 였다. 설비 조건에서는 설비 가동을 위한 하드웨어 및 소 프트웨어 문제를 포함하였다. 부품/재료 측면에서는 증 착 재료 및 글래스와 마스크에 의한 불량을 포함하였다. 공정 측면에서는 고객의 수요에 비해 공정 관리 조건 및 방법의 개선은 상대적으로 미흡한 것을 포함하였다. 사 람 측면에서는 엔지니어와 외부 인력의 보전, 점검 및 고 장 조치 능력의 부족 등을 포함하였다.

3.2.개선 과제 도출

특성요인도를 통해 도출된 원인 변수 중에서 근본 원 인을 찾기 위해 <Table 2>와 같이 X-Y 행렬을 작성하였 다. 이를 위해 OLED 마스크 픽셀 위치 틀어짐의 결과에 따른 치명도를 3단계로 나누어 다음과 같이 가중치를 부 여하였다. 불량이 발생되어 생산의 중지 또는 글래스 폐 기로 인해 수율에 영향을 끼치는 경우는 가중치 5, 품질 불량 발생으로 글래스 수리 발생 및 생산 주기가 늘어나 는 경우는 4, 마지막으로 엔지니어의 품질 확인으로 끝 나는 경우를 1로 두었다.

이와 같은 기준으로 선정된 상위 10가지 근본 원인은 다음과 같다.

이러한 불량 발생의 근본 원인 10가지 항목에 대해서 원인과 대책을 마련하는 것이 필요하지만 그 중에서도 신공법 및 신기술 도입에 따른 공정 조건 정립 등에 대 해서는 오랜 시간이 필요하기 때문에 본 논문에서는 생 산 현장 內에서 근본 및 직접적으로 문제 해결이 가능한 설비적 제어와 운영의 항목에 대한 해결 방안을 제안하 고자 하였다. 특히 이러한 항목 중에서 고장 및 불량 발 생의 우선순위가 높고 글래스 열 변형과의 관련성이 있 는 다음 2가지 항목에 대하여 집중적으로 분석하고 대책 을 찾고자 하였다.

4.트리즈 기반 글래스 열변형 개선안 적용

4.1.트리즈를 통한 개선안 제시

고온에 의한 글래스 열 변형 최소화를 위해 창의적 문 제 해결 방법인 트리즈를 적용하여 해결 방안을 모색하 였다. 모순행렬을 활용한 문제 해결은 다음과 같이 5단 계로 나누어 단계별 적용되었다.

4.1.1.문제 구성

문제의 상황을 정의하여 문제의 원인을 파악하는 단 계로써, 알트슐러의 39가지 공학적 변수를 활용하여 문 제를 구성하였다. 증착 공정에서 고온에 의한 글래스 열 변형 최소화를 위해 생산 현장에 바로 적용할 수 있는 열 제어 기술에 관련된 생산 운영 및 설비 제어 측면을 우선 고려하였다. 즉, 물류 라인 정체에 의한 글래스 대 기시간에 따른 온도 변화를 최소화하여 後 공정 프로세 스 체임버 투입 온도를 제어하고자 하였다.

4.1.2.모순행렬에서 개선/악화되는 특성 도출

설비적 측면에서 물류 체임버 內 투입 및 배출되는 글 래스 간의 온도 차이를 최소화함으로써 개선 및 악화되 는 특성을 <Table 3>과 같이 나타내었다.

4.1.3.추천원리를 추출

개선 및 악화되는 특성을 도출하고 모순행렬표에 적용 하였다. 교차 부분의 추천 원리를 통하여 문제점 해결에 응용하여 도출된 추천원리는 다음과 같다: 분할(1), 추출 (2), 사전조치(10), 사전예방조치(11), 굴리기(12), 역방향 (13), 차원 바꾸기(17), 기계적 진동(18), 중간매개물(24), 셀프서비스(25), 복제(26), 기계시스템의 대체(28), 색깔변 경(32).

4.1.4.문제 적용 가능성 확인

3단계에서 도출된 13개의 추천원리 중 적용 가능 有/ 無를 확인하기 위해 2회 이상 도출된 항목을 우선 고려 하였다. 그 결과, 분할(1), 사전 조치(10), 셀프서비스(25) 항목은 중복 도출된 항목이며, 글래스 열 제어를 위한 개 선안 적용 가능 항목으로 분류되었다. 이 외 도출된 항목 중 추가 적용 가능 항목으로 사전 예방 조치(11)와 중간 매개물(24)을 반영하였다. 사전 예방 조치(11) 항목은 글 래스 대기시간의 증가에 따른 글래스 온도의 변화에 대 해 사전 예방하기 위해 적용하였고, 중간 매개물(24) 항 목은 선행 연구의 글래스 예열에 대한 필요성 및 실험 방법 응용을 통해 적용하게 되었다.

나머지 글래스 열 제어 개선안으로 미 반영된 8개 항 목과 사유는 다음과 같다. 추출(2), 역방향(13), 복제(26), 기계 시스템의 대체(28), 색깔 변경(32) 항목은 글래스 열 제어를 위한 설비 및 생산 운영과의 연관성이 낮아 미 적용하였다. 또한, 굴리기(12), 차원 바꾸기(17), 기계 적 진동(18)의 항목은 증착 설비의 물리적 및 공정상의 제약으로 글래스 열 변형 최소화를 위한 개선안 항목에 서 제외하였다[7].

4.1.5.대책안 적용

본 논문에서는 기존 연구들의 실험 방법 응용 및 추천 원리를 반영하여 글래스 열 변형 최소화를 위한 개선안 으로 히터 설치를 통한 열 제어 방식을 고안하였다. 그 이유는 이를 통해 後 공정 이동 체임버 투입 전의 글래 스 온도를 목표 온도로 유지하면서 글래스 대기시간에 따른 온도 변화를 최소화할 수 있기 때문이다. 본 논문에 서 설계한 추천 원리의 사전 조치 및 사전예방조치를 반 영한 히터의 설치 위치는 <Figure 10>과 같다.

본 논문에서 적용된 히터 설치 개략도를 <Figure 11>에 나타내었다. 사용된 체임버는 녹슬지 않는 강철(stainless steel : STS, KS 규격) 재질이고, 글래스 가열장치를 버퍼 체임버 상단에 설치하고, 히터 온도는 K타입 열전대를 사 용하였다. 트리즈를 통해 도출된 추천원리를 반영한 설치 개념은 다음과 같다. 유지보수를 위해 버퍼 체임버와 히 터의 분리가 가능하도록 설계하였고, 글래스의 온도에 따 라 히터가 동작될 수 있도록 자동제어시스템 방식을 적용 하였다. 즉, 적외선 열 감지 센서를 통해 글래스 온도를 감지하고, 이를 비례적분미분(proportional integral derivative : PID)제어를 통해 히터 열 제어 시스템이 최단 시간 내에 목표 온도에 도달할 수 있도록 구성하였다. 이러한 버퍼 체임버 內 히터 설치는 유/무기 재료 증착 전 투입 글래스의 온도 변화를 최소화하여 글래스와 마스크 간의 패턴 정밀도가 향상될 수 있도록 하였다.

4.2.개선안 적용 결과

트리즈의 모순행렬 및 추천원리를 통해 적용된 개선 안에 대해 결과를 분석하고 평가한 결과는 다음과 같다. OLED 증착 공정의 버퍼 체임버는 10^⁻³pa~ATM 수준의 저진공 상태이다. 체임버 내부에서의 열전달은 복사 현 상이 적용된다. 이는 진공 상태에서의 에너지 전달로 스 테판-볼츠만 법칙이 적용되며, 식은

로 정리 할 수 있다. 변수 정의는 다음과 같다.

방사율 є은 물체가 에너지를 흡수한 후, 재 방사 및 반 사가 진행될 때의 복사 에너지 비율을 나타낸다. 완전 반 사체는 є이 0이고, 흑체는 1이다. 적용되는 물체는 일반 적으로 0 < є < 1의 값으로 표현된다[8]. 본 논문에서는 85%이상의 고방사율 히터를 적용하여 손실되는 열에너 지를 최소화하고자 하였다. 히터의 적정온도 산출은 히터 의 표면부하 밀도와 스테판-볼츠만 법칙을 적용한 후 분 리 실험을 통해 최적온도를 설정하였다. 글래스와 히터의 거리는 <Figure 12>와 같이 글래스의 온도균일도 변화실 험을 통해 설정하였다. <Figure 12(a)>는 히터를 일정 온 도로 고정한 후, 글래스와 히터사이의 거리를 30mm, 50mm, 100mm로 변화시키면서 글래스 온도를 측정한 그 래프이다. <Figure 12(b)>는 측정된 글래스 온도의 최대치 와 최소치 데이터를 이용하여 글래스 온도의 최대치-최소 치의 차이를 나타낸 그래프이다. <Figure 12>에서 확인할 수 있듯이 글래스와 히터 간의 거리가 50mm 미만일 때 글래스 온도 균일도와 온도 최대치-최소치의 차이가 없는 것을 알 수 있으며, 이런 조건에서 반복 실험을 통해 추가 로 미세 조정하였다.

<Figure 13>은 히터를 적용한 전/후의 글래스 온도 산 포를 나타낸다. 히터 적용 전 글래스 온도의 표준편차와 적용 후 글래스 온도 표준편차를 비교할 때, 글래스 온도 산포가 약 23% 수준 개선됨을 확인할 수 있었다.

5.결 론

본 논문에서는 OLED 패널 생산 기술이 고도화됨에 따라 고해상도 제품 적용에 의한 품질 문제 중의 하나로 써 OLED 증착 공정에서 이슈가 되고 있는 글래스 열 변 형에 의한 픽셀 위치 틀어짐을 개선할 수 있는 방법을 제안하였다. 이를 위해 열 변형에 대한 다양한 원인을 특 성요인도를 이용하여 분석하고, X-Y행렬을 이용하여 품 질 불량에 대한 원인을 도출하였다. 그 결과 제어 기술 부족에 의한 글래스 팽창/수축 발생이 글래스 픽셀 위치 틀어짐에 가장 큰 영향을 끼치는 원인인 것으로 확인하 였고, 선정된 문제점들에 대해 TRIZ 기법을 활용하여 해 결책을 제안하였다. 그 결과 글래스 예열을 통하여 글래 스 온도의 편차가 개선안 적용 전 대비 약 23% 수준 개 선됨을 확인하였다.

그러나 현재 기술 수준에서는 OLED 증착 공정에서 고온의 열을 사용하여 재료를 기화시키는 방법이 유일하 며, 그에 대해 수반되는 문제점으로 인해 고해상도 제품 의 품질 문제를 발생시킨다. 따라서 근본적인 글래스 열 변형을 개선하기 위해서는 글래스와 마스크의 열 영향도 및 변형을 최소화할 수 있는 공법과 재료의 연구/개발을 지속적으로 진행하는 것이 필요하며, 이는 본 연구에서 고려하고 있는 다음 단계 연구 방향이다.