PLED 공정 레포트

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PLED 공정 레포트

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학생 때 직접 작성한 PLED 공정 실습 관련 레포트 작성입니다.

PLED의 기본적인 구조와 공정을 이해하기 위한 레포트입니다. 

기판준비, 세정, 용액 제조, 유기층 코팅 및 전극 인쇄,

봉지, 발광확인 및 효율 측정 순서로 진행되며 OLED의 공정에 대하여 직접 실습을 진행하면서 이론에서

배운 것들을 직접 만지고 보면서 이해하는 것에 목적이었습니다.

서론

OLED는 1970년 KODAK의 C.W Tang이

저분자의 OLED를 최초로 개발하고 지금까지 개발되어 오고 있습니다.

  OLED는 저분자 OLED와 고분자 OLED로 구분되며 저분자 OLED는

AMOLED(Active-Matrix Organic Light Emitting Diode)와 PMOLED(Active-Matrix Organic Light Emitting Diode)로 크게 2가지로 구분 할 수 있습니다.

AMOLED는 현재 상용화 되어 있는 OLED로써 전극과 기판을 유연한 물질을 사용하면 플렉서블 디스플레이가 구현이 가능하고 LCD에 비해 색효율이 뛰어나며 3D구현도 유리합니다.

또한 전력 소모가 LCD에 비해 적은편이고 명암비, 시야각, 암부표현 등 대부분의 영역에서 좋은 성능이 있습니다.

단점으로 대형화가 힘들고 생산단가가 높습니다.

소자가 열에 닿아 있는 스마트폰의 경우엔 수명이 쉽게 단축 되며 사용하면 할수록 청색 소자가 수명이 다하면서 검게 변하는 번인 현상이 일어난다. 

또한 전력 소모가 LCD에 비하여 적지만 흰색 발광의 경우엔 150%이상의 전력소모가 있습니다.

PMOLED는 AMOLED에 비하여 제조가 쉽고 생산단가가 저렴하지만 수명이 적고 전력소모가 AMOLED보다 크고 현재 크게 상용되고 있지 않아 투자비용이 크게 발생하며 상용되지 못하고 있습니다.

이론 배경

PLED용 기판의 세정은 수nm단위로 성막하는 디스플레이 소자에서는 파티클의 제거가 필수적입니다. 

세정은 큰 입자와 작은 유기물까지 떼어내는 작업을 하기 때문에 아세톤, IPA 그리고 DI water를 사용합니다.

이 세 가지의 용액을 통해 유기물과 같은 파티클들을 제거 할 수 있는데 세 가지의 용액을 쓰는 이유는 파티클이 극성에 따라 용해가 되는 정도가 다르기 때문입니다. 

초음파 세정은 시료의 표면에 물리적 충격을 가해 기포를 생성시키고 이물질을 효과적으로 떼어내게 합니다. 

그 후 오존 세정기를 이용해 건식세정을 합니다. 

자외선 세정은 자외선 자체의 에너지가 C-C, C-O. SI-D, SIC, S-H, C-N, O-O, O-H 결합보다 높아 화학결합 원자 간에 직접 작용하여 결합을 끊거나

 자외선과 산소가 반응하여 발생한 오존이 –OH 라디칼을 형성하여 유기 오염물질과 직접 반응해 오염물을 휘발성 물질로 변화시켜 제거합니다.

LCD, OLED, Glass 기판에 붙어 있는 유기 오염물은 그 크기가 분자 단위의 크기로 너무 미세하기 때문에 수세식(Wet Cleaning) 으로는 제거하는데 한계가 있습니다.

따라서 이러한 수십 A 크기의 미세한 불순물은 물리적인 방법이 아닌 화학-물리적인 방법으로 제거를 해야 합니다.

 

PLED 용액 제조 실험에선 PLED공정 과정에서 정공주입층(HIL: Hole Injection Layer)에 대표적으로 사용되는 재료들과 발광층 (EML: Emission Layer)에 대해 대표적으로 사용되는 재료들을 가지고

PLED의 용액을 제조하는 실험 항목입니다.

 

정공주입층에서 사용되는 대표적인 재료로

PEDOT:PSS이 있습니다.

  이것은 polyelectrolyte(고분자 전해질) 이고 이 때문에 수용성입니다. 그리고 PEDOT:PSS 박막위에 유기박막의 코딩이 수월합니다. 

가시광 영역에서 투과도가 높고, ITO 전극에서의 정공주입 효율이 높아지는 이러한 장점들로 인해 정공주입층에 사용되는 대표적인 재료로 사용합니다. 

그리고 발광층에서 사용되는 재료는 발광층 내에서 전하의 주입/수송 관련된 호스트 재료와 발광에 관여하는 도판트 재료로 나눌수 있습니다. 

인광 호스트 재료로써 PVK(Poly(N-vinylcar bazole))사용하고

인광 도판트 재료로는 Ir(ppy)3(Tris[2-phenylpyridinato-C2,N]iridium(Ⅲ)를 사용합니다.

 

OLED에서 코팅을 하는 이유는 발광층에서 정공과 전자의 주입을 도움을 주어 여기자(exciton)을 형성 후, 전자와 정공사이의 에너지인 빛을 발광하기 위함입니다.

➀ 유기층 코팅

1) 스핀코팅 (Spin coating)

 

진공상태에서 기판 위에 용액을 도포하고 스핀코터를 이용해 용액을 얇고 균일하게 만들고 핫플레이트에서 베이킹(baking) 하여 코팅하여 박막을 생성합니다.

 

2) 잉크젯 프린팅 (Ink-jet printing)

 

잉크를 잉크젯 노즐을 통해 원하는 부분에 직접 떨어뜨려 코팅하는 방법.

 PEDOT:PSS 용액은 높은 일함수와 정공 친화력에 의해 양극과 발광층 사이인 HIL(Hole Injection Layer,정공 주입층) 형성하고

Ir(ppy)3 용액은 EML(Emission Layer, 발광층)에서 녹색 빛을 발광하게 합니다.

➁ Cathode(음극) 인쇄

Thermal evaporator을 이용한 Al전극 형성입니다.

두께는 150nm,

증착속도는 10Å/s

cathode에는 일함수가 적은 금속을 사용하여 보다 전자가 보다 잘 나오도록 합니다.

마지막으로 OLED에서 빛을 내는 유기물질과 전극은 산소와 수분에 매우 민감하게 반응해 발광 특성을 잃기 때문에

이를 차단하기 위한 공정으로 봉지가 필요하며 이를 통해 OLED 패널의 수명을 보존 또는 향상시킨다.

 

다음은 봉지공정에 대한 것들 입니다.

1. 미세유리 봉지공정(Frit glass Encapsulation)

2. Can type 봉지 공정

3. 하이브리드 봉지공정(Hybrid Encapsulation)

4. 박막 봉지공정(Thin film Encapsulation)

5. 간이 OLED 봉지공정

Glass 혹은 metal foil과 양면테이프를 사용하여 봉지 (글로브 박스에서 진행)

CaO(흡습제)를 소량 첨가하여 봉지 특성 향상

마지막으로 가장 중요한 실험에 대해서 보여드리겠습니다.

3. 실 험

세정은 아세톤 세척, IPA세척, DI, N2 gun으로 블로우 뒤 bake, 오존세정 그리고 다시 N2 gun을 이용한 블로우로 총 6단계로 진행합니다.

1. 습식세정

시료를 아세톤용액에 담군 후, 초음파 세척기에서 3분간 세정하여 파티클과 유기물을 떼어냅니다.

그 후 IPA 용액으로 같은 과정을 반복한 뒤 고순도의 탈 이온수인 DI water로 헹굼 작업을 합니다.

이 과정 역시 초음파 세정기를 이용한다.

이 과정은 세정약품을 제거 할 뿐 만 아니라 정전기를 없애주는 역할도 합니다.

초음파 세정기를 이용한 모든 세정과정은 3분간 진행되었습니다.

 

2. bake

N2 gun을 이용해 시료에 묻은 약품을 전부 건조시킨 뒤,

120℃의 hot plate 에서 10분간 bake합니다.

 

3. 건식세정

오존세정기로 건식세정을 한 후 그 다음 주의 수업에 시료를 쓰기 전,

혹시나 묻어있을 먼지 등 의 파티클을 제거하기 위해 N2gun으로 한 번 더 blow 한 뒤 사용합니다.

 

세정 완료 후 정공주입층 과 발광층에 사용되는 용액을 제조하는 실험을 했습니다.

용액 제조 실험에서 HIL(PEDOT;PSS)에서 Clevios 사의 “Al 4083”을 사용했습니다.

그리고 EML (PVK:Ir(ppy)3): PVK내에 도핑되는 Ir(ppy)3는 여러 문헌에서 가장 높은 효율을 보이는 5wt% 로 선정했습니다.

 PVK:Ir(ppy)3의 유기용매로  Chlorobenzen 사용하고 PVK:Ir(ppy)3를Chlorobenzen에 1 wt% 첨가 후 12h 교반하였습니다.

주사기에 PEDOT:PSS 용액과 Ir(ppy)3 용액을 주입하고 필터를 장착합니다.

기판(ITO전극 위)에 PEDOT:PSS 용액을 넉넉히 도포합니다.

진공상태에서 3,000RPM으로 10초간 스핀코터를 작동시킵니다.

핫 플레이트에서 150℃에서 10분간 베이킹합니다.

코팅층	작동시간	스핀코터 RPM
EML	30s	S5	1,000
		S6	1,500
		S7	2,000
		S8	2,500
		S9	3.000

HIL층을 코팅이 되고 Ir(ppy)3 용액을 그 위에 도포하고 위의 표와 같은 RPM으로 30초간 작동시킵니다.

이는 기판마다 두께가 다르기 때문입니다.

Glove Box안에서 핫플레이트에서 70℃에서 10분간 베이킹합니다.

Chlorobenzen과 Di water를 묻혀 가장자리를 닦아내어 제거합니다.

다시 한번 핫플레이트에서 10분간 베이킹합니다.

글로브 박스 내에서 기존의 증착공정을 마친 GLASS에 소량의 Cao(흡습제)를 도포합니다.

그다음 Al metal foil를 부착합니다.

마지막으로 봉지공정을 마친 기판은 0V에서부터 1V단위로 전압을 인가하며 발광 특성 및 전류 값을 확인 후 기록합니다.

rpm이 커질수록 전압의 차가 큰 것을 확인 하였습니다.

이유는 rpm이 클수록 유기물이 얇고 고르게 펴지면서 반응이 빠르게 일어나고 전압이 높을 때 소자의 한계점까지 오래 유지되는 것을 볼 수 있었습니다.