KR100913124B1 - 레이저를 이용한 플렉서블 소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플렉서블 소자 특히 유기 발광 다이오드에 관한 것으로, 유리 기판상에 패터닝된 박리층을 형성하는 단계와; 상기 박리층 상에 불순물 방지층을 형성하는 단계와; 상기 불순물 방지층 상에 전사층을 형성하는 단계와; 상기 전사층 상에 플라스틱을 접합시키는 단계와; 상기 유리 기판상에 레이저를 조사하여 상기 박리층을 분리시킴으로써 상기 유리 기판을 전사층으로부터 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 유리를 기판으로 사용한 유기 발광 다이오드의 모든 공정을 사용하여 플렉서블 소자를 제작할 수 있다는 장점을 지니고 있다. 따라서 고온 공정이 가능하고, 소자 제작시 열 및 화학약품에 의한 기판 변형이 없으며 기판 정렬도 쉽게 가능하다.

플렉서블 소자, 레이저, 유기발광소자

Description

레이저를 이용한 플렉서블 소자의 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR FLEXIBLE ELEMENT USING LASER}

본 발명을 플렉서블 소자의 제조방법에 관한 것이다.

유기발광소자는 정공과 전자의 재결합을 통해 가능한 최고의 발광효율을 만들어내기 위해 적층형 구조를 가지고 있다. 기판은 보편적으로 유리를 사용하고 양극은 투명하고 일함수가 크며 전도성이 우수한 Indium Tin Oxide (ITO)를 사용하고, 음극에는 일함수가 작은 Mg/Ag 또는 Al 등을 이용한다. 양극에서 주입된 정공과 음극에서 주입된 전자가 발광층인 유기물층에서 재결합되면 여기자가 생성되는데, 이렇게 생성된 여기자가 확산되면서 발광층의 밴드 갭에 해당하는 빛이 투명한 전극쪽으로 방출된다. 이러한 유기발광소자는 자체 발광이기 때문에 시야각에 문제가 없어 소형에서 대형에 이르기까지 동화상 표시 매체로서 손색이 없다. 또한 소비전력이 작고 백라이트가 필요 없으며, 저온에서 제작이 가능하고 제조 공정이 단순하여 저가격화를 통한 대중화도 유리하다. 더욱이 플렉서블 디스플레이를 구현할 수 있는 평판 디스플레이로서의 가능성 때문에 더욱 각광을 받고 있다.

현재 플렉서블 유기발광소자를 제조하는 방법으로서, 박형 유리판을 사용하 는 방법, 금속판을 기판으로 사용하는 방법, 그리고 가요성의 플라스틱 기판 위에 유기발광소자를 제작하는 방법 등의 연구가 진행되고 있다.

그런데 박형 유리판을 사용하여 플렉서블 유기발광소자를 제작하는 경우, 박형 유리판 사용에 따른 기판 휨 능력에 한계가 있다.

또한 금속판을 기판으로 사용하는 경우, 거친 표면의 기판에 의해 소자 특성이 저하되고 전도성 기판 사용에 따른 소자 간의 크로스 토크(cross-talk) 문제가 대두되고 있다.

또한 플라스틱 기판을 사용하는 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 플라스틱 기판 위에 ITO 양극을 증착한 이후 정공 수송층, 발광층, 그리고 음극을 차례로 적층하여 제조한다. 녹색 계열의 유기발광소자를 제조하는 경우, 상기 정공 수송층으로는 4'-bis [N-(1-naphtyl)-N-phenyl-amino] biphenyl (α-NPD)를, 발광층으로는 tris(8-hydroxyquinoline) aluminum (Alq₃)를, 그리고 음극으로는 Al이 사용될 수 있다.

그런데, 플라스틱 기판을 사용하게 되면, 화학 약품 처리시 문제점을 동반하고 기판에 휨 문제가 발생하여 패터닝이나 기판 정렬에 많은 어려움이 발생하며 대량 생산이 어려운 단점을 지니고 있다. 특히 플라스틱 기판은 열에 대한 안정성이 떨어지므로 낮은 온도에서 공정을 진행해야만 하는데, 이로 인해 유기발광소자의 양극으로 사용이 되는 ITO의 저항을 70 ohm/square 이하로 낮추기 어려워 유기발광소자의 작동 전압이 높아지게 된다. 또한 봉지 공정이나 전계 소자 제작 시에도 고온 공정이 불가능하기 때문에 소자 특성이 저하된다.

이러한 종래의 플렉시블 소자의 제조방법이 갖는 각각의 어려움으로 인하여 플렉서블 소자를 제조하는데 문제가 있고, 설령 제조가 가능하더라도 기존의 소자에 비해 소자 특성이 저하되는 한계가 있었다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 소자 제조시 열 및 화학약품에 의한 기판 변형이 없으며 기판 정렬도 용이함과 동시에, 기존의 설비를 그대로 이용할 수 있어 제조비용을 현저하게 절감할 수 있는 플렉서블 소자의 제조방법 및 플렉서블 소자를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플렉서블 소자의 제조방법은, 유리 기판상에 패터닝된 박리층을 형성하는 단계와; 상기 박리층 상에 불순물 방지층을 형성하는 단계와; 상기 불순물 방지층 상에 전사층을 형성하는 단계와; 상기 전사층 상에 플라스틱을 접합시키는 단계와; 상기 유리 기판상에 레이저를 조사하여 상기 박리층을 분리시킴으로써 상기 유리 기판을 상기 전사층으로부터 분리하는 단계를 포함한다.

상기 박리층은 사용하고자 하는 레이저의 파장에 해당하는 에너지보다 작은 밴드갭을 지니는 물질로서, GaN 또는 GaO_x 가 바람직하다.

또한 상기 박리층은 박리층의 분해시 발생하는 가스의 배출을 위해 패터닝되는 것이 바람직하며, 상기 패터닝은 셀 구조로 형성되는 것이 보다 바람직하다. 또한 상기 셀 구조는 1㎝×1㎝ 이하의 크기로 형성되는 것이 바람직한데, 1㎝×1㎝ 이상인 경우에는 패터닝을 하더라도 박리층의 분해시 발생하는 기체가 외부로 빠져 나갈 수 있는 충분한 통로가 확보되지 않아 전사층에 균열이 발생할 수 있기 때문이다.

또한 상기 패터닝된 박리층의 각 패턴 간의 간격은 30㎛ 이상으로 유지하는 것이 박리층의 분해시 발생하는 기체를 배출하는데 바람직하며, 또한 패턴 간의 간격이 너무 넓으면 레이저 조사시 음극에 영향을 미칠 수 있으므로, 바람직하게는 30㎛ ~ 60㎛ 범위로 한다.

상기 불순물 방지층은 산화 실리콘, 질화 실리콘, 그리고 여러 산화물 또는 질화물을 포함할 수 있다.

또한 상기 불순물 방지층의 상부, 하부 또는 내부에 열확산 방지를 위하여 Ag, Cu, Au, Al, W, Rh, Ir, Mo, Ru, Zn, Co, Cd, Ni 등과 같은 금속으로 이루어지는 열 방지층을 형성할 수도 있다.

상기 전사층은 유기발광소자에 사용되는 재료 및 유기 전계 트랜지스터에 사용되는 재료로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 레이저는 박리층 물질의 밴드갭보다 큰 에너지를 지니는 ArF, KrCl, KrF, XeCl, XeF 등의 기체 레이저가 바람직하며, 레이저의 에너지는 상기 유기물에 손상이 가지 않으며 레이저 분리가 가능한 범위의 에너지가 바람직하고, 레이저의 파장은 200nm ~ 400nm 인 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 전술한 플렉서블 소자의 제조방법을 통해 제조한, 플렉서블 소자로서, 플라스틱층과; 상기 플라스틱층의 상부에 형성되는 불순물 방지층과; 상기 불순물 방지층의 상부에 형성되는 전사층과; 상기 전사층의 상부에 형성되는 플 라스틱층을 포함하는 소자를 제공한다.

또한, 이 소자에 있어서, 상기 전사층은 유기 발광 다이오드 소자일 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 유리 기판상에 패터닝된 박리층을 형성하고 상기 박리층 상에 전사층을 적층하여 플라스틱을 접합한 후 레이저를 사용하여 기판과 박리층 사이의 계면을 분리하여 플렉서블 소자를 제작한다. 따라서 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

먼저 유리를 기판으로 활용하는 기존의 설비를 그대로 활용할 수 있기 때문에 제조 단가를 낮출 수 있다.

또한, 소자 제작 공정 온도에 제약이 없기 때문에 플라스틱에 플렉서블 소자를 제작한 경우보다 우수한 성능을 지니는 소자 제작이 가능하다.

또한, 유리 기판을 사용함에 따라 소자 제작시 열 및 화학약품에 의한 기판 변형이 없으며 기판 정렬도 쉽게 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 하기 실시예는 단지 예시적인 것으로 본 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

[실시예 1]

도 2a에 도시된 바와 같이, 유리 기판 위에 순차적으로, 레이저를 흡수할 수 있는 패터닝된 박리층과, 불순물 방지층과, 양극과 정공 수송층과 발광층과 음극으로 구성된 전사층을 증착하고, 플라스틱을 붙인 후, 유리 기판에 레이저를 조사하여 박리층의 물질이 분해되도록 하여 유리기판과 불순물 방지층 사이가 분리되도록 하였다.

상기 박리층은 유리 기판과 전사층이 분리되도록 하는 층으로, 그 밴드갭(band gap)이 사용하고자 하는 레이저의 파장에 해당하는 밴드갭보다 작아서 레이저를 흡수할 수 있어야 한다. 본 발명의 실시예 1에서는 248 nm에 해당하는 KrF 레이저를 사용하였는 바, 박리층은 밴드갭이 4.8 eV인 GaO_x를 사용하였으며, GaN도 사용할 수 있다.

상기 불순물 방지층은 레이저 조사시 박리층이 분해할 때 발생하는 수분과 산소 등의 불순물이 소자, 즉 전사층에 유입되는 것을 방지하기 위한 것으로, 산화 실리콘을 사용하였다. 이외에도 불순물 방지층에는 질화 실리콘이나 다양한 산화물 또는 질화물을 포함할 수 있다.

상기 전사층으로는, 양극, 정공 수송층, 발광층, 음극의 순으로 증착층을 형성하였으며, 양극으로는 ITO를, 정공 수송층으로는 4'-bis [N-(1-naphtyl)-N-phenyl-amino] biphenyl(α-NPD)를, 발광층으로는 tris(8-hydroxyquinoline) aluminum (Alq₃)를, 그리고 음극으로는 Al을 사용하였다.

상기 전사층을 증착한 후에는 플라스틱을 붙인 후, 유리 기판에 레이저를 조 사하여 박리층의 물질을 분해함으로써 유리기판과 불순물 방지층 사이가 분리되도록 하였다.

한편, 본 발명의 실시예 1에서는 레이저 조사시 분리가 잘 되도록 박리층을 패터닝하여 셀 모양으로 형성시켰다. 이와 같이 박리층을 셀 모양으로 패턴화하는 경우, 박리층으로 사용된 GaO_x 층이 레이저에 의해 분해되어 발생되는 산소가 셀 사이의 형성된 통로를 통하여 빠져나갈 수 있기 때문에, 전사층에 박리층의 분해시 발생하는 기체에 의해 균열이 발생하는 것을 막을 수 있다.

패터닝된 박리층의 크기는 300㎛×300㎛ 크기로 하였고, 패턴과 패턴 사이의 간격은 30㎛ ~ 60㎛ 로 유지하였다.

[실시예 2]

도 2b에 도시된 바와 같이, 실시예 2는 실시예 1과 동일하게, 유리 기판 위에 순차적으로, 패터닝된 박리층과, 불순물 방지층과, 양극과 정공 수송층과 발광층과 음극으로 구성된 전사층을 증착하고, 플라스틱을 붙인 후, 유리 기판에 레이저를 조사하여 박리층의 물질이 분해되도록 하여 유리기판과 불순물 방지층 사이가 분리되도록 하였다.

다만, 실시예 2에서는 추가로 불순물 방지층의 내부에 열 방지층을 삽입 형성하였다. 열 방지층은 열전도도가 큰 Ag, Cu, Au, Al, W, Rh, Ir, Mo, Ru, Zn, Co, Cd, Ni 와 같은 금속이 바람직하다.

상기 열 방지층은 레이저 조사시 발생하는 열이 외부로 빠져나가도록 하고, 동시에 레이저가 전사층에 영향을 미치지 않도록 하는 작용을 하는 것으로, 불순물 방지층의 내부 외에도 불순물 방지층의 상부 또는 하부에 형성되어도 무방하다.

[분리 시험]

다음으로, 박리층에 레이저를 조사할 때, 전사층이 유리 기판으로부터 용이하게 분리되는지를 시험하였다.

도 3a는 레이저 조사에 의한 박리상태를 시험하기 위한 방법을 나타내는 단면도이며, 도 3b는 레이저 조사 후, 유리 기판과 분리된 전사층 부분에 대한 에너지 분산형 X선 측정결과를 나타내는 도면이고, 도 3c는 레이저 조사 후, 전사층 부분으로부터 분리된 유리 기판에 대한 에너지 분산형 X선 측정결과를 나타내는 도면이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 유리 기판 위에 0.5㎛ 두께의 GaO_x를 박리층으로 사용하고, 박리층 위에 불순물 방지층인 산화 실리콘을 증착하고 플라스틱을 접착한 시편을 사용하였다.

패터닝을 형성한 시편의 경우, 먼저 유리 기판 위에 300㎛ ~ 1000㎛ 간격으로 광학 저항체로 패터닝을 형성하고, 패터닝된 시편 전면에 전자선 증착 장비를 이용하여 GaO_x를 0.5㎛ 증착한다. GaO_x 의 두께는 0.2㎛ ~ 5㎛로 하면 레이저 조사가 가능하지만 두께가 얇을수록 좋다. 증착이 끝난 후 아세톤을 사용하여 광학 저 항체를 제거함으로써, GaO_x 사이가 분리된 박리층을 형성한다. 이 박리층 위에 산화 실리콘을 증착한다.

산화 실리콘은 유도 플라즈마 화학선 증착 방식을 사용하여 250℃의 온도에서 He 80 sccm, SiH₄ 6sccm, N₂ 80 sccm, 그리고 N₂O 90 sccm 의 가스를 흘려 800 mTorr에서 증착하였다. 증착속도는 0.05㎛/min 이었다. 이어서 상기 산화 실리콘 위에 에폭시 수지를 사용하여 플라스틱을 접합시킨 이후에 KrF 레이저를 조사하여 유리 기판과 전사층을 분리하였다.

전사층을 분리한 결과, 도 3b 및 도 3c에 나타난 Ga 피크로부터, 레이저 조사된 전사층의 하단부에 다량의 GaO_x 가 남아있고, 레이저 조사를 통해 분리된 유리 기판 표면에도 소량의 GaO_x가 남아있음을 알 수 있다. 즉, 시편이 레이저에 조사되면, 박리층의 분해로 인해 유리 기판과 GaO_x 계면에서 분리가 일어남을 알 수 있다.

한편, 도 4a 및 4b는 각각 본 발명의 실시예 1 및 2에 따른 전사층의 광학 현미경 사진이고, 도 4c는 비교예에 따른 전사층의 광학 현미경 사진이다.

실시예 1과 같이, 300㎛×300㎛로 패터닝된 박리층을 형성하여 레이저를 조사시키면 도 4a에 나타난 바와 같이, 유리 기판과 전사층이 깨끗하게 분리됨을 알 수 있다. 이는 GaO_x 박리층에 패터닝이 형성되어 있기 때문에, 이 패터닝이 레이저 조사에 의해 박리층이 분해될 때 발생하는 산소가 빠져나가는 통로 역할을 하기 때문이다.

또한, 실시예 2와 같이, 1000㎛×1000㎛로 패터팅된 박리층의 사이에 열 방지층을 형성한 후, 레이저를 조사시키면, 도 4b에 나타난 바와 같이, 유리 기판과 전사층이 매우 깨끗하게 분리된다. 또한 상기 열 방지층은 레이저 조사시 발생할 수도 있는 전사층에의 영향, 예컨대 음극의 균열 등이 방지되도록 하는 작용을 한다.

한편, 유리 기판에 패터닝을 하지 않고 전면에 박리층을 형성하여 레이저를 조사시키면, 도 4c에 나타난 바와 같이, 전사층에 균열이 발생할 수 있음을 알 수 있다. 이는 레이저를 조사하여 박리층이 분해될 때 발생하는 기체들이 빠져나갈 통로가 없기 때문에 그 압력에 의해 균열이 발생하는 것으로 생각된다.

도 5는 본 발명에 따른 플렉서블 소자의 제조방법에 의해 제조된 유기발광소자의 단면도이다.

본 발명에 따라, 유리 기판 위에 박리층과 불순물 방지층, 전사층을 차례로 적층하고 에폭시(epoxy)수지를 사용하여 플라스틱 기판을 붙이고, 이후 레이저를 유리 기판에 조사하면 박리층이 분해되면서 유리 기판을 전사층으로부터 분리할 수 있게 된다. 분리된 전사층의 분리면에 에폭시 수지를 사용하여 플라스틱 기판을 접착하면, 도 5에 도시된 것과 같은 단면을 가진 플렉시블 소자를 얻는다.

도 1은 종래기술로서 플라스틱 기판을 이용하여 제조한 유기발광소자의 단면도이다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예 1 및 2에 따른 유기발광소자의 제조과정을 나타내는 단면도이다.

도 2c는 비교예에 따른 유기발광소자의 제조과정을 나타내는 단면도이다.

도 3a는 레이저 조사에 의한 박리상태를 시험하기 위한 방법을 나타내는 단면도이다.

도 3b는 레이저 조사 후, 유리기판과 분리된 전사층 부분에 대한 에너지 분산형 X선 측정결과를 나타내는 도면이다.

도 3c는 레이저 조사 후, 전사층 부분으로부터 분리된 유리기판에 대한 에너지 분산형 X선 측정결과를 나타내는 도면이다.

도 4a는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 전사층의 광학 현미경 사진이다.

도 4b는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 전사층의 광학 현미경 사진이다.

도 4c는 비교예에 따라 제조된 전사층의 광학 현미경 사진이다.

도 5는 본 발명에 따른 플렉서블 소자의 제조방법에 의해 제조된 유기발광소자의 단면도이다.

Claims (9)

1. 플렉서블 소자를 제조하는 방법으로,

   유리 기판상에 GaN 또는 GaO_x 로 이루어진 박리층을 형성하는 단계와;

   상기 박리층 상에 불순물 방지층을 형성하는 단계와;

   상기 불순물 방지층 상에 전사층을 형성하는 단계와;

   상기 전사층 상에 플라스틱 기판을 접합시키는 단계와;

   상기 유리 기판상에 레이저를 조사하여 상기 박리층을 분해 제거함으로써 상기 유리 기판을 상기 플라스틱 기판이 접합된 전사층으로부터 분리시키는 단계를; 포함하는 플렉서블 소자의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 레이저 조사에 의해 상기 박리층이 분해될 때 발생하는 기체가 배출될 수 있는 통로 역할을 하는 패턴이 상기 박리층에 형성되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 소자의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 패턴은 셀 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 소자의 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 셀 구조는 1㎝×1㎝ 이하의 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 소자의 제조방법.
5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 박리층의 각 패턴 간의 간격이 30㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 플렉서블 소자의 제조방법.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불순물 방지층은 산화 실리콘, 질화 실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플렉서블 소자의 제조방법.
7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불순물 방지층의 상부, 하부 또는 내부에 열 방지층이 형성되는 단계를 추가로 포함하는 플렉서블 소자의 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 열 방지층은 Ag, Cu, Au, Al, W, Rh, Ir, Mo, Ru, Zn, Co, Cd, Ni로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 성분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플렉서블 소자의 제조방법.
9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전사층은 유기 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 플렉서블 소자의 제조방법.

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