KR101147988B1 - 물리적 박리 방법을 이용한 플렉서블 전자소자의 제조방법, 플렉서블 전자소자 및 플렉서블 기판 - Google Patents

물리적 박리 방법을 이용한 플렉서블 전자소자의 제조방법, 플렉서블 전자소자 및 플렉서블 기판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기존의 플렉서블 기판의 낮은 공정 가능 온도, 높은 표면거칠기, 높은 열팽창 계수, 나쁜 핸들링 특성의 문제에 따른 플렉서블 전자소자의 성능 및 수율 저하의 문제점을 해결하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법은, 모기판 상에 플렉서블 기판을 형성하는 단계, 상기 플렉서블 기판의 항복 강도보다도 상기 모기판과 상기 플렉서블 기판 사이의 계면 결합력이 작은 상기 플렉서블 기판과 모기판의 계면을 물리적으로 분리시키는 단계 및 상기 모기판과 접촉되어 있던 상기 플렉서블 기판의 분리면 상에 전자소자를 형성하는 단계를 포함하는 플렉서블 전자소자의 제조방법. 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

물리적 박리 방법을 이용한 플렉서블 전자소자의 제조방법, 플렉서블 전자소자 및 플렉서블 기판 {METHOD OF MANUFACTURING FLEXIBLE ELECTRONIC DEVICE USING PHYSICAL PEEL-OFF METHOD, FLEXIBLE ELECTRONIC DEVICE AND FLEXIBLE SUBSTRATE}
본 발명은 플렉서블 전자소자(Flexible Electronic Device)의 제조방법과 이 방법에 의해 제조된 플렉서블 전자소자 및 이 플렉서블 전자소자에 사용되는 플렉서블 기판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 낮은 표면거칠기와 열팽창 계수를 갖고 유리 기판 수준의 높은 공정 온도의 적용이 가능하여, 우수한 핸들링 특성을 갖는 새로운 구조의 플렉서블 기판을 포함하는 플렉서블 전자소자의 제조방법과 이 방법에 의해 제조된 플렉서블 전자소자 및 이 플렉서블 전자소자의 제조에 사용하기 위한 플렉서블 기판에 관한 것이다.
최근, 멀티미디어의 발달과 함께 플렉서블(flexible) 전자소자의 중요성이 증대되고 있다. 이에 따라, 유기 발광 표시 장치(organic light emitting display: OLED), 액정 표시 장치(liquid crystal display: LCD), 전기영동장치(Electrophoretic display: EPD), 플라스마 디스플레이 패널(plasma display panel: PDP), 박막 트랜지스터(thin-film transistor: TFT), 마이크로 프로세서(microprocessor), 램(Random access memory: RAM) 등을 가요성이 있는 기판상에 만드는 것이 요구되고 있다.
이 중에서도, 플렉서블 디스플레이 구현 가능성이 가장 높고 특성 또한 가장 좋은 액티브 매트릭스 유기 발광 표시 장치(Active matrix OLED: AMOLED)를 기존에 개발된 폴리실리콘 TFT 공정을 그대로 사용하면서 높은 수율로 만들 수 있는 기술의 개발이 중요하게 대두되고 있다.
한편, 플렉서블 기판을 이용한 전자소자 제조방법과 관련하여서는 크게 플라스틱 기판상에 직접 제조하는 방안, 트랜스퍼 공정을 이용한 방안, 및 금속 기판상에 직접 제조하는 방안의 크게 3가지 상이한 방안이 제안되고 있다.
먼저, 플라스틱 기판상에 전자소자를 직접 제조하는 방안과 관련하여, 대한민국 공개특허공보 제2009-0114195호에는 유리 기판상에 고분자 물질로 이루어진 가요성 기판을 접착한 후 전자 소자를 만든 후에 유리 기판으로부터 분리하는 방법이 개시되어 있고, 대한민국 공개특허공보 제2006-0134934호에는 유리 기판 상에 스핀 온 방법으로 플라스틱을 코팅한 후 전자 소자를 만든 후에 유리 기판으로부터 분리하여 플렉서블 전자소자 제작하는 방법이 개시되어 있다.
그런데 상기 공개특허들에 개시된 기술은 기판이 플라스틱으로 이루어져 있기 때문에 공정 가능 온도가 100 ~ 350℃인데, 상기한 AMOLED, RAM, 마이크로프로세서 등의 제작에 있어서는 실리콘의 결정화 온도인 450℃ 이상에서 열처리하는 공정이 필수적이므로 플라스틱 기판으로는 상기 소자를 제작할 수 없는 문제점이 있다. 또한, 제조과정에 있어서 Si이나 SiO2, SiN와 같은 무기물 반도체 및 절연체와 기판인 플라스틱과의 열팽창 계수의 차이로 인하여 균열, 박리 등의 결함이 발생하여 수율이 저하되는 문제점도 있다.
또한, 트랜스퍼 공정을 이용하는 방법과 관련하여, 대한민국 공개특허공보 제2004-0097228호에는 유리 기판상에 분리층, 박막 디바이스, 접착층, 임시기판을 순서대로 형성한 후 분리층에 레이저와 같은 광을 조사하여 유리 기판과 피전사층을 분리하는 방법이 개시되어 있다.
그런데 트랜스퍼 공정의 경우 박막 디바이스 두께가 얇아서 상부에 임시기판을 붙여 소자를 만들고 나중에 임시기판을 다시 제거하는 더블 트랜스퍼 공정이 필수적이다. 이 방법은 박막 디바이스 위에 임시기판을 붙였다 제거하므로 계면 결합력이 약하고 수분이나 솔벤트에 취약한 OLED와 같은 유기 전자 소자에는 적용이 불가능한 단점이 있다. 또한 유리 기판 및 임시기판의 접착 및 제거 과정에서 얇은 두께의 박막 디바이스의 균열, 이물질 혼입 등의 결함이 나타나 수율이 낮아지는 문제점도 있다.
또한, 금속기판을 사용하는 공정과 관련하여, 대한민국 공개특허공보 제2008-0024037호에는, 금속 기판상에 유리 성분을 포함하는 버퍼막을 통해 표면거칠기를 낮추어 생산수율이 높은 플렉서블 전자 소자를 제공하는 방법이 개시되어 있고, 대한민국 공개특허공보 제2009-0123164호에는 금속 기판상의 양각형 패턴을 연마를 통해 제거하여 수율을 향상시키는 방법이 개시되어 있으며, 대한민국 공개 특허공보 제2008-0065210호에는 유리 기판상에 박리층 및 금속막을 형성하는 방법이 개시되어 있다.
그런데, 플렉서블 전자소자에 사용되는 15 ~ 150㎛ 두께의 후막 금속기판은 그 제조 방법상 수백nm 이상의 표면거칠기를 갖게 된다. 예를 들어, 압연을 통해 제작된 금속 후막의 경우 압연흔이 존재하며, 유리 기판상에 증착을 통해 형성된 금속 후막의 경우 두께가 두꺼워짐에 따라 표면거칠기가 비례하여 증가하기 때문에, 증착방법 및 조건에 따라 변하므로 낮은 표면거칠기를 갖도록 플렉서블 금속 기판을 제작하는데 문제점이 있다. 이에 따라, 종래 금속 기판을 사용할 때는 금속 기판상의 표면거칠기를 낮추기 위해 고분자 계열을 평탄화 층을 금속 기판상에 도포하거나 연마 공정을 행하는 것이 필수적이었다. 그런데 고분자계열을 사용하여 표면거칠기를 낮추는 경우는 상기 플라스틱기판 공정과 동일하게 고온 공정을 사용할 수 없는 문제점이 발생하게 되고, 연마 공정의 경우 단결정 Si기판을 사용하는 고가의 마이크로프로세서나 RAM을 제작하는 경우에는 적합하나, 상대적으로 저가, 대면적이 요구되는 플렉서블 전자소자에 적용함에 있어서는 경제성이 크게 떨어지는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술들이 갖고 있는 문제점을 해결할 수 있도록 한 것으로서, 본 발명의 주된 과제는 기존의 유리 기판 공정과 동일한 수준의 소자 특성을 얻을 수 있는 낮은 표면거칠기를 갖는 플렉서블 기판의 제조방법을 포함하는 플렉서블 전자소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는 기존의 유리 기판을 사용한 공정과 동일하거나 더 높은 온도의 공정을 적용할 수 있는 고성능 플렉서블 전자소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는, 기판과 기판상에 제작되는 소자 간의 열팽창 계수의 차이로 인해 발생하는 균열이나 박리 등의 결함이 생기지 않도록 낮은 열팽창 계수를 갖는 플렉서블 전자소자용 금속기판을 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 모기판 상에 플렉서블 기판을 형성하는 단계; 상기 플렉서블 기판을 상기 모기판으로부터 분리시키는 단계; 및 상기 모기판과 접촉되어 있던 상기 플렉서블 기판의 분리면에 전자소자를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 플렉서블 기판과 모기판 사이의 계면결합력이 상기 플렉서블 기판의 항복강도보다 작게 되도록 하고, 물리적인 힘을 통해 상기 플렉서블 기판을 상기 모기판으로부터 분리하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에서, 모기판과 플렉서블 기판의 계면 결합력보다 플렉서블 기판의 항복 강도가 높은 경우에는 플렉서블 기판을 모기판으로부터 분리시키는데 있어서 플렉서블 기판의 변형 없이 모기판으로부터 플렉서블 기판을 분리시킬 수 있다. 즉, 매우 낮은 표면거칠기를 갖고 반복 사용할 수 있는 모기판의 표면에 플렉서블 기판을 형성한 후, 플렉서블 기판을 모기판으로 분리하면, 플렉서블 기판의 분리면은 모기판의 표면 상태와 거의 유사한 표면 상태를 얻을 수 있다. 즉, 따라서, 종래와 같이 표면거칠기를 낮추기 위한 고분자 도포가 필요 없어 고온 공정을 통한 고성능의 전자 소자 구현을 할 수 있고, 고가의 연마 공정이나, 높은 결함 밀도로 인한 저수율 문제도 동시에 해결할 수 있어 경제성 향상에도 유리하다.
또한, 본 발명은 모기판 위에 플렉서블 기판을 형성하는 단계; 일면에 접착층이 형성된 임시기판을 상기 접착층을 이용하여 상기 플렉서블 기판 상에 부착하는 단계; 상기 임시기판이 부착된 플렉서블 기판을 상기 모기판으로부터 분리시키는 단계; 및 상기 모기판과 접촉되어 있던 상기 플렉서블 기판의 분리면 상에 전자소자를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 플렉서블 기판과 모기판 사이의 계면결합력이 플렉서블 기판의 항복강도보다 작게 되도록 하고, 물리적인 힘을 통해 상기 플렉서블 기판을 상기 모기판으로부터 분리하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법을 제공한다.
이 방법은, 플렉서블 기판의 휨, 반송, 정렬 등의 문제없이 450℃ 이상의 고온 공정을 사용하는 기존 유리기판 공정 조건 및 설비를 그대로 이용할 수 있게 한다.
또한, 본 발명은 모기판 상에 박리층을 형성하는 단계; 상기 박리층 상에 플렉서블 기판을 형성하는 단계; 일면에 접착층이 형성된 임시기판을 상기 접착층을 이용하여 상기 플렉서블 기판상에 부착하는 단계; 상기 박리층을 이용하여 상기 임시기판이 부착된 플렉서블 기판을 모기판으로부터 분리시키는 단계; 및 상기 박리층과 접촉되어 있던 상기 플렉서블 기판의 분리면 상에 전자소자를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 박리층과 플렉서블 기판의 계면결합력은 상기 플렉서블 기판보다 작게 되도록 하고, 물리적인 힘을 통해 상기 플렉서블 기판을 모기판으로부터 분리하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법을 제공한다.
플렉서블 기판과 모기판 사이에 얇은 박리층을 추가하더라도 박리층도 모기판과 유사한 수준의 표면거칠기를 나타내기 때문에 플렉서블 기판의 분리면의 표면거칠기도 모기판과 유사한 수준으로 유지할 수 있다. 이와 같이 박리층을 추가할 경우, 플렉서블 기판의 항복강도가 낮을 경우에도 분리시키기 위한 계면 결합력을 낮출 수 있으므로 분리과정에서 플렉서블 기판이 손상되는 것을 막을 수 있다. 또한, 박리층은 필요한 경우 여러 가지 물질로 다층으로 적층한 복합층으로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 플렉서블 기판 또는 상기 임시 기판을 포함하는 플렉서블 기판의 두께는 5㎛ ~ 500㎛인 것이 바람직하다. 플렉서블 기판의 두께가 5㎛ 미만인 경우 그 두께가 너무 얇아서 물리적인 힘을 가하여 박리하게 될 경우 박막이 손상될 수 있으며, 500㎛를 초과할 경우에는 두께가 두꺼워서 플렉서블한 특성이 저하되므로 물리적인 힘을 가해 박리를 하기 위해서는 모기판 상에 형성되는 플렉서블 기판의 두께는 상기 범위가 가장 바람직하다.
또한, 임시기판을 사용할 경우에는 상기 임시 기판의 두께를 포함한 플렉서블 기판의 두께가 5㎛ ~ 500㎛인 것이 바람직하며, 그 이유는 상기한 바와 동일하다.
또한, 본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 플렉서블 기판과 모기판 사이에 평탄화층을 추가로 형성할 수 있으며, 상기 박리층의 일면 또는 양면에도 평탄화층을 추가로 형성할 수 있다.
이와 같은, 평탄화층은 고분자 화합물임에도 불구하고 플렉서블 기판이 아닌 모기판에 적용되므로, 전자소자 제작의 온도에 영향을 미치지 않고 플렉서블 기판의 표면거칠기를 보다 낮게 유지하는데 도움이 된다. 평탄화층으로는 표면거칠기를 낮게 유지할 수 있는 재료이면 어느 것이나 사용될 수 있으며, 폴리이미드(Polyimide:PI) 또는 폴리이미드를 포함하는 공중합체, 폴리아크릴산(polyacrylic acid) 또는 폴리아크릴산을 포함하는 공중합체, 폴리스티렌(polystyrene) 또는 폴리스티렌을 포함하는 공중합체, 폴리설파이트(polysulfate) 또는 폴리설파이트를 포함하는 공중합체, 폴리아믹산(polyamic acid) 또는 폴리아믹산을 포함하는 공중합체, 폴리아민(polyamine) 또는 폴리아민을 포함하는 공중합체, 폴리비닐 알콜(Polyvinylalcohol; PVA), 폴리 알릴아민(Polyallyamine) 및 폴리아크릴산(polyacrylic acid)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 고분자화합물을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 임시기판의 분리를 보다 용이하게 하기 위하여, 임시기판과 접착층의 사이에 하나 이상의 박막으로 이루어진 분리층을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 플렉서블 기판이 형성되는 모기판 면의 표면거칠기는 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 10㎛×10㎛의 스캔 범위로 관측할 때, 0<Rms<100㎚, 0<Rpv<1000㎚인 것이 바람직하다. 상기 표면거칠기 범위를 벗어날 경우, 플렉서블 기판의 분리면의 표면거칠기도 높아지기 때문에, 후속 연마처리 없이 전자소자를 형성할 경우 고품질의 전자소자를 구현하기 어렵기 때문이다.
또한, 본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 모기판의 형상은 평판, 반원통형 또는 원통형일 수 있다. 모기판 상에 형성되는 플렉서블 기판은 유연한 특성이 있으므로 평판, 반원통형 또는 원통형에 관계없이 평판 형태의 기판을 제조할 수 있으나, 그중에서도 모기판의 형상을 원통형으로 할 경우 롤-투-롤 (roll-to-roll)의 연속 공정을 통해 플렉서블 기판을 제조할 수 있어 플렉서블 기판의 대량생산에 유리하기 때문에 보다 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 모기판은 유리, 금속 또는 고분자 재료로 이루어질 수 있다.
이 중에서 유리의 경우, 규산염유리, 붕규산염유리, 인산염유리, 용융 실리카 유리, 석영, 사파이어, E2K, 바이코어(Vycor)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 유리 재료를 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속의 경우, Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, W, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In. Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Zn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, 인바(Invar) 및 SUS(Steel Use Stainless)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
또한, 상기 고분자 재료의 경우, 폴리이미드(Polyimide:PI) 또는 폴리이미드를 포함하는 공중합체, 폴리아크릴산(polyacrylic acid) 또는 폴리아크릴산을 포함하는 공중합체, 폴리스티렌(polystyrene) 또는 폴리스티렌을 포함하는 공중합체, 폴리설파이트(polysulfate) 또는 폴리설파이트를 포함하는 공중합체, 폴리아믹산(polyamic acid) 또는 폴리아믹산을 포함하는 공중합체, 폴리아민(polyamine) 또는 폴리아민을 포함하는 공중합체, 폴리비닐 알콜(Polyvinylalcohol; PVA), 폴리 알릴아민(Polyallyamine) 및 폴리아크릴산(polyacrylic acid)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 고분자 화합물을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 플렉서블 기판은 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 플렉서블 기판을 이루는 금속으로는 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, W, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In. Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Zn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, 인바(Invar) 및 SUS(Steel Use Stainless)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속 또는 이들의 합금일 수 있는데, 특히 인바(Invar)합금은 Si이나 SiO2, SiN 등의 무기물 반도체, 절연체와 비슷한 수준으로 열팽창 계수를 조절할 수 있으므로 온도 상승률과 하강률 등의 공정 조건의 변화가 필요가 없으며, 열팽창 계수의 차이에 의한 균열 발생을 줄이는데 유리하다.
또한, 본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 플렉서블 기판은 주조법, 전자선 증착법, 열 증착법, 스퍼터 증착법, 화학기상증착법 또는 전기 도금법으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 전자소자는, 유기 발광 표시 장치(organic light emitting display: OLED), 액정 표시 장치(liquid crystal display: LCD), 전기영동장치(Electrophoretic display: EPD), 플라스마 디스플레이 패널(plasma display panel: PDP), 박막 트랜지스터(thin-film transistor: TFT), 마이크로 프로세서(microprocessor) 및 램(Random access memory: RAM)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 접착층은 SiO2, MgO, ZrO2, Al2O3, Ni, Al 및 운모로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 물질을 포함하며 사용온도가 450℃ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 상기 접착층은 에폭시, 실리콘, 또는 아크릴 계열의 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 고분자 접착제를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 플렉서블 전자소자의 제조방법으로 제조된 플렉서블 전자소자를 제공한다.
또한, 본 발명은 모기판 상에 플렉서블 기판을 형성한 후 상기 모기판으로부터 분리한 플렉서블 기판의 분리면을 전자소자 형성면으로 사용하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 플렉서블 기판은, 연마가공 없이 상기 분리면의 표면거칠기가 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 10㎛×10㎛의 스캔 범위로 관측할 때, 0<Rms<100㎚, 0<Rp-v<1000㎚인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 플렉서블 기판은, 상기 플렉서블 기판은 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하며, Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, W, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In. Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Zn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, Invar 및 SUS(Steel Use Stainless)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 이중 인바(Invar)합금은 열팽창 계수를 매우 낮게 조절할 수 있기 때문에 가장 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 플렉서블 기판은, 1㎛ 내지 500㎛의 두께로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 플렉서블 기판에 있어서, 상기 전자소자는 유기 발광 표시 장치(organic light emitting display: OLED), 액정 표시 장치(liquid crystal display: LCD), 전기영동장치(Electrophoretic display: EPD), 플라스마 디스플레이 패널(plasma display panel: PDP), 박막 트랜지스터(thin-film transistor: TFT), 마이크로 프로세서(microprocessor) 및 램(Random access memory: RAM)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 플렉서블 전자소자 제조방법, 플렉서블 전자소자 및 플렉서블 기판은 다음과 같은 효과를 얻을 수 있어, 고성능의 플렉서블 전자소자를 저비용으로 제조하는데 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
첫째, 모기판과 거의 동일한 표면거칠기를 갖는 분리면 상에 전자소자를 형성함으로써, 기존 플렉서블 전자소자 제조 방법에서 해결하지 못하였던 플렉서블 기판, 특히 금속제 플렉서블 기판의 표면거칠기 문제를 용이하게 해결할 수 있다.
둘째, 플렉서블 기판의 표면거칠기를 매우 낮게 유지할 수 있기 때문에, 공정온도를 350℃ 이하로 낮추는 고분자 계열의 평탄화층이 필요 없어 공정시간, 비용을 절감할 뿐 아니라, 450℃ 이상의 고온 공정을 통해 폴리실리콘 TFT와 같은 고성능의 전자소자를 만들 수 있는 장점이 있다.
셋째, 플렉서블 기판의 제조에 있어서, 고가의 연마 공정이 필요 없어지고, 높은 결함 밀도로 인한 저수율 문제를 해결할 수 있어 경제성이 개선된다.
넷째, 본 발명에 따른 플렉서블 기판의 재료를 인바합금로 할 경우 Si이나 SiO2, SiN 등의 무기물 반도체, 절연체와 비슷한 수준으로 열팽창 계수를 낮게 조절할 수 있으므로 온도 상승률과 하강률 등의 공정 조건의 변화가 필요가 없어, 열팽창 계수의 차이에 의한 균열의 발생을 줄이는데 유리하다.
다섯째, 본 발명의 한 측면으로 플렉서블 기판을 지지하는 임시기판을 이용하여 전자소자의 제조방법에 따르면, 플렉서블 기판의 휨, 반송, 정렬 등의 문제없이 기존 유리기판 공정 조건 및 설비를 그대로 이용할 수 있어, 핸들링을 용이하게 할 수 있다.
여섯째, 박리 방법에 있어서, 박리되는 계면에서의 결합력보다 플렉서블 기판의 항복강도가 높으므로 박리 도중에 플렉서블 기판의 손상이 없어, 기판 생산 수율을 높일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법과, 플렉서블 기판과 모기판 사이에 박리층을 형성하였을 때의 박리형태를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법을 나타낸 것이다.
도 4는 모기판/플렉서블 기판 또는 박리층/플렉서블 기판 간의 계면 결합력을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플렉서블 전자소자의 제조에 있어서, 모기판과 플렉서블 기판의 상, 하면의 표면거칠기를 측정한 결과 및 플렉서블 기판의 두께가 얇을 경우 박리 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플렉서블 전자소자의 제조에 있어서, 모기판과 플렉서블 기판의 상, 하면의 표면거칠기를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 플렉서블 전자소자의 제조 방법을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 플렉서블 전자소자와 유리기판 상에 형성한 전자소자의 광학적, 전기적 특성을 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다.
또한 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자들은 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있으며 본 발명의 범위가 다음에 기술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이며, 또한 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어진 것이다.
[제 1 실시예]
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법을 개략적으로 도시한 것이다. 도 1에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법은 크게, 모기판(100)에 플렉서블 기판(200)을 형성하고(도 1a), 모기판(100)으로부터 플렉서블 기판(200)을 분리하여(도 1b), 플렉서블 기판을 제조하는 단계(도 1c)와, 분리한 플렉서블 기판(200)의 분리면에 전자소자(300)와 봉지층(400)을 형성하는 단계(도 1d)로 이루어진다.
본 발명자들은 플렉서블 기판(200)을 제조하기 위한 사전단계로서 먼저 모기판(100)과 모기판(100) 상에 형성되는 플렉서블 기판(200) 또는 모기판(100) 상에 형성된 박리층(500)과 플렉서블 기판(200) 간의 계면결합력을 조사하였으며, 도 4는 그 결과를 나타낸 것이다.
도 4의 계면의 결합력 조사는 스크래치 테스트(scratch test)를 사용하였다. 스크래치 테스트는 끝이 둥근 탐사침(stylus)을 이용하여 박막의 표면에 하중을 증가시키면서 기판을 이동시켜 박막이 벗겨질 때의 임계 하중 값을 가지고 접착력을 추정하는 방법이다. 임계 하중과 실제 박막의 접착력과의 관계를 정량적으로 구명하고 해석하는데 어려움이 따르지만, 동일 임계 하중 및 동일 탐사침의 경우에는 박막 간의 상대적 결합력을 측정하는데 용이하고 재현성이 높은 방법이다. 시험에 있어서 박리층의 두께는 10nm, 금속층의 두께는 100nm를 사용하였다. 초기 인가 응력은 0.03 N이며, 최종 인가 응력은 7.5 N이고, 인가 속도는 5N/min였으며, 탐사침의 이동 속도는 10 mm/min, 길이는 15mm였다. 금속층의 두께가 두꺼워지면 계면의 결합력보다 금속층의 기계적 물성이 크게 반영되므로 금속층의 두께를 플렉서블 기판으로 사용하는 두께보다 낮추어서 실험을 하였다.
도 4의 실험 조건에서 기준 값으로 3M 스카치 테이프의 결합력이 약 5 ~ 8 N 사이의 값을 갖는다.
도 4에서 확인되는 바와 같이, 플렉서블 기판으로 Ag를 사용할 경우, 모기판이나 박리층의 물질에 관계없이 스크래치 테스트(scratch test)의 측정 범위보다도 작은 계면 결합력을 나타내었다. 또한 유리기판위에 박리층(ITO 또는 MgO)을 형성한 후 플렉서블 기판용으로 Au, Cu, Ni 또는 Ti를 형성한 경우, MgO 위에 Au가 증착된 경우에도 계면 결합력이 스크래치 테스트 측정 범위보다도 작게 측정되었고, 또한 모기판이 유리이며 박리층 물질이 MgO일 때 플렉서블 기판 물질로 Cu, Ni, Ti 인 경우 각각 0.56N, 2.81N, 4.37N으로 계면 결합력이 증가하였지만, 모든 경우 플렉서블 기판층을 모기판/박리층으로부터 플렉서블 기판의 손상 없이 물리적으로 분리할 수 있을 정도로 계면 결합력이 낮았으며, 실제 분리면도 모기판과 유사한 표면거칠기를 나타내었다.
본 발명의 제 1 실시예에서는 모기판(100)으로 유리기판을 사용하였으며 유리기판 상에 두께 10㎛의 Ag 후막(플렉서블 기판)을 열증착법을 통해 형성한 후, 유리기판으로부터 별도의 임시 기판을 사용하지 않고 Ag 후막(플렉서블 기판)을 사람의 손으로 물리적인 힘을 가하여 떼어내는 방식으로 분리하였다.
이후, 3D profiler로 각 층의 표면거칠기를 평가한 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, 유리기판 면의 표면거칠기는 0.96nm였고(도 5b), 유리기판과 분리된 Ag 플렉서블 기판의 분리면의 표면거칠기는 1.13nm(도 5c)로 모기판인 유리기판과 거의 유사한 정도의 매우 낮은 표면거칠기를 얻을 수 있었다.
이어서 유리기판으로부터 분리된 플렉서블 기판(200)의 분리면 상에 OLED 소자를 형성하였다. OLED 소자는 포토레지스트를 이용해 패턴을 형성한 후 플렉서블 기판인 Ag를 반사전극으로 하여 1nm 두께로 CuO로 정공 주입을 형성하고, 상기 정공주입층 상에는 70nm 두께로 a-NPD를 정공 수송층으로 형성하고, 상기 정공 수송층 상에는 40nm 두께로 Alq3를 발광층으로 형성하고, 상기 발광층 상에는 5nm 두께로 BCP를 정공 방지층을 형성하고, 상기 정공 방지층 상에는 20nm 두께로 Alq3를 전자 수송층으로 형성하고, 상기 전자 수송층 상에 10nm 두께로 Al을 투명 전극으로 형성하는 방법을 통해, 플렉서블 OLED를 제조할 수 있었다.
본 발명의 제 1 실시예에서는 박리시킬 면의 계면 결합력, 증착조건, 박리 방법, 플렉서블 기판의 물질 종류에 따라 차이가 있지만, 일반적으로 플렉서블 기판의 두께가 5㎛ 이상이 되어야지 플렉서블 기판의 손상 없이 모기판으로부터 분리가 가능하였고, 더 바람직하게는 10㎛ 이상이 되어야 했다. 도 5d에서 볼 수 있듯이 Ag 두께가 5㎛ 정도인 경우에는 박리도중에 플렉서블 기판이 찢어지고, 핸들링이 어렵게 된다.
[제 2 실시예]
도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에서는 제 1 실시예와 달리 모기판(100)과 플렉서블 기판(200)의 사이에는 박리층(500)을 형성하는 방법을 통해 플렉서블 기판(200)을 제조하였다. 이와 같이 박리층(500)을 형성할 경우, 플렉서블 기판(200)의 분리형태는 플렉서블 기판(200) 계면에서 분리되거나(도 2b), 모기판(100)과 박리층(500)의 계면에서 분리되거나(도 2c), 박리층(500)의 내면에서 분리될 수 있다(도 2d). 이때, 도 2b의 경우에는 후속 공정이 필요 없을 수 있으나, 도 2c 및 도 2d의 경우에는 박리층(500)을 제거하는 공정이 추가될 수도 있다.
본 발명의 제 2 실시예에서는 유리기판상에 박리층으로 120nm 두께의 ITO층을 형성한 후, Cu층을 형성하기 위한 하지층으로 50nm 두께의 Ti층과 시드층인 100nm 두께의 Au층을 각각 형성한 후, 40㎛ 두께의 Cu층으로 이루어진 Ti/Au/Cu 플렉서블 기판을 형성한 후, 플렉서블 기판 Ti/Au/Cu 층을 유리기판/ITO층으로부터 물리적으로 떼어내는 방식으로 분리한 후(도 6a), 각 표면에 대해, 3D 프로파일러(profiler)를 이용하여 10㎛×10㎛의 스캔 범위로 표면거칠기를 관측하였을 때, 플렉서블 기판과 분리된 유리기판 면의 표면거칠기는 6.4nm였다(도 6b). 또한 유리기판상에 형성된 플렉서블 기판의 표면거칠기가 593.2nm로 크게 나왔으나 (도 6c), 유리기판과 분리된 플렉서블 기판의 분리면의 표면거칠기는 6.1nm로 모기판인 유리기판과 매우 유사한 극히 낮은 표면거칠기를 얻을 수 있음을 확인하였다.
[제 3 실시예]
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법을 개략적으로 도시한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법은, 모기판(100)에 박리층(500)을 개재하여 플렉서블 기판(200)을 형성한 후(도 3a), 그 위로 접착층(700)을 개재하여(도 3b) 임시기판(600)을 플렉서블 기판(200)에 부착한다(도 3c). 이후 플렉서블 기판(200) 상에 형성된 모기판(100)을 박리층(500)을 이용하여 분리시키고(도 3d), 플렉서블 기판(200)의 분리면 상에 전자소자(300) 및 봉지층(400)을 형성하여 플렉서블 전자소자를 제조하는 단계(도 3e)로 이루어져 있다.
즉, 제 3 실시예는 플렉서블 기판(200)을 핸들링하기 위한 임시기판(600)을 사용하는 점에서 제 1 실시예와 차이가 있다. 한편, 부착한 임시기판(600)의 사용 용도에 따라 부착된 상태로 이용하거나 분리할 수 있다. 임시기판(600)의 분리가 필요한 경우에는 접착층(700)과 임시기판(600)의 사이에 추가로 분리층을 형성하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 도 7a 및 도 7b와 같이 모기판(100)인 유리기판상에 모기판과 플렉서블 기판의 계면의 결합을 낮추기 위해 ITO 120 nm를 박리층으로 형성하였고, Cu층을 형성하기 위한 하지층으로 50nm 두께의 Ti층과 시드층인 100nm 두께의 Au층을 각각 형성한 후, 5㎛ 두께의 Cu층으로 이루어진 Ti/Au/Cu 플렉서블 기판을 형성하였다. 도 7c와 같이 5㎛의 얇은 두께를 갖는 Cu 플렉서블 기판을 보강하기 위해 접착층이 일면에 형성된 PET 임시기판을 플렉서블 기판에 접착하였다. 도 7d와 같이 임시기판층이 포함된 플렉서블 기판 Ti/Au/Cu 층을 유리기판/ITO층으로부터 큰 힘을 사용하지 않고 물리적으로 떼어내는 방식으로 분리하였다. 도 7e와 같이 유리기판으로부터 분리된 표면거칠기가 매우 적은 플렉서블 기판(200)의 분리면을 얻었다. 도 7f와 같이 상기 플렉서블 기판 상에 OLED 소자를 형성하였다. OLED 소자는 전면에 100 nm Ag를 반사전극으로 하여 포토레지스트를 이용해 패턴을 형성한 후 플렉서블 기판인 Ag를 반사전극으로 하여 1nm 두께로 CuO로 정공 주입을 형성하고, 상기 정공주입층 상에는 70nm 두께로 a-NPD를 정공 수송층으로 형성하고, 상기 정공 수송층 상에는 40nm 두께로 Alq3를 발광층으로 형성하고, 상기 발광층 상에는 5nm 두께로 BCP를 정공 방지층을 형성하고, 상기 정공 방지층 상에는 20nm 두께로 Alq3를 전자 수송층으로 형성하고, 상기 전자 수송층 상에 10nm 두께로 Al을 투명 전극으로 형성하는 방법을 통해, 플렉서블 OLED를 제조할 수 있었다.
도 8는 제3 실시예와 동일한 공정으로 제조한 발광 면적이 3mm × 3mm인 플렉서블 OLEDs의 전기적 광학적 특성을 평가한 결과를 나타낸 것이다. 도 8에 나타난 바와 같이 유리 기판과 동일한 유리기판을 모기판으로 제 3 실시예를 통해서 얻은 플렉서블 기판 면에 동일한 OLEDs 소자구조를 형성하였을 때 전류-광량 및 전압-전류 특성 결과는 측정 오차 범위 이내의 동일한 전기적, 광학적 특성을 보였다.
100 : 모기판 200 : 플렉서블 기판
300 : 전자소자 400 : 봉지층
500 : 박리층 600 : 임시기판
700 : 접착층

Claims (28)

  1. 모기판 상에 플렉서블 기판을 형성하는 단계;
    상기 플렉서블 기판을 상기 모기판으로부터 분리시키는 단계; 및
    상기 모기판과 접촉되어 있던 상기 플렉서블 기판의 분리면에 전자소자를 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 플렉서블 기판과 모기판 사이의 계면결합력이 상기 플렉서블 기판의 항복강도보다 작게 되도록 하고, 물리적인 힘을 통해 상기 플렉서블 기판을 상기 모기판으로부터 분리하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  2. 모기판 위에 플렉서블 기판을 형성하는 단계;
    일면에 접착층이 형성된 임시기판을 상기 접착층을 이용하여 상기 플렉서블 기판 상에 부착하는 단계;
    상기 임시기판이 부착된 플렉서블 기판을 상기 모기판으로부터 분리시키는 단계; 및
    상기 모기판과 접촉되어 있던 상기 플렉서블 기판의 분리면 상에 전자소자를 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 플렉서블 기판과 모기판 사이의 계면결합력이 플렉서블 기판의 항복강도보다 작게 되도록 하고, 물리적인 힘을 통해 상기 플렉서블 기판을 상기 모기판으로부터 분리하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  3. 모기판 상에 박리층을 형성하는 단계;
    상기 박리층 상에 플렉서블 기판을 형성하는 단계;
    일면에 접착층이 형성된 임시기판을 상기 접착층을 이용하여 상기 플렉서블 기판 상에 부착하는 단계;
    상기 박리층을 이용하여 상기 임시기판이 부착된 플렉서블 기판을 모기판으로부터 분리시키는 단계; 및
    상기 박리층과 접촉되어 있던 상기 플렉서블 기판의 분리면 상에 전자소자를 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 박리층과 플렉서블 기판의 계면결합력은 상기 플렉서블 기판보다 작게 되도록 하고, 물리적인 힘을 통해 상기 플렉서블 기판을 모기판으로부터 분리하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판의 두께는 5㎛ ~ 500㎛인 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 임시 기판을 포함하는 플렉서블 기판의 두께가 5㎛ ~ 500㎛인 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판과 모기판 사이에 평탄화층이 추가로 형성되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 박리층의 일면 또는 양면에 평탄화층이 추가로 형성되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 임시기판과 접착층의 사이에 분리층을 형성하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  9. 제 2 항에 있어서,
    추가로 상기 임시기판을 플렉서블 기판으로부터 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판이 형성되는 모기판 면의 표면거칠기는 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 10㎛×10㎛의 스캔 범위로 관측할 때, 0<Rms<100㎚, 0<Rp-v<1000㎚인 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 모기판의 형상은 평판, 반원통형 또는 원통형인 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 모기판은 유리, 금속 또는 고분자 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판은, 2 이상의 서로 다른 재료로 적층한 복합구조인 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판은 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판은 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, W, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In. Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Zn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, Invar 및 스테인리스강으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속인 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  16. 제 2 항에 있어서,
    상기 접착층은, 에폭시, 실리콘, 또는 아크릴 계열의 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 고분자 접착제를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  17. 제 6 항에 있어서,
    상기 평탄화층은 폴리이미드(Polyimide:PI) 또는 폴리이미드를 포함하는 공
    중합체, 폴리아크릴산(polyacrylic acid) 또는 폴리아크릴산을 포함하는 공중합체, 폴리스티렌(polystyrene) 또는 폴리스티렌을 포함하는 공중합체, 폴리설파이트(polysulfate) 또는 폴리설파이트를 포함하는 공중합체, 폴리아믹산(polyamicacid) 또는 폴리아믹산을 포함하는 공중합체, 폴리아민(polyamine) 또는 폴리아민을 포함하는 공중합체, 폴리비닐 알콜(Polyvinylalcohol; PVA), 폴리 알릴아민(Polyallyamine) 및 폴리아크릴산(polyacrylic acid)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 고분자 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  18. 제 7 항에 있어서,
    상기 평탄화층은 폴리이미드(Polyimide:PI) 또는 폴리이미드를 포함하는 공
    중합체, 폴리아크릴산(polyacrylic acid) 또는 폴리아크릴산을 포함하는 공중합체, 폴리스티렌(polystyrene) 또는 폴리스티렌을 포함하는 공중합체, 폴리설파이트(polysulfate) 또는 폴리설파이트를 포함하는 공중합체, 폴리아믹산(polyamicacid) 또는 폴리아믹산을 포함하는 공중합체, 폴리아민(polyamine) 또는 폴리아민을 포함하는 공중합체, 폴리비닐 알콜(Polyvinylalcohol; PVA), 폴리 알릴아민(Polyallyamine) 및 폴리아크릴산(polyacrylic acid)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 고분자 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  19. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판은 주조법, 전자선 증착법, 열 증착법, 스퍼터 증착법, 화학기상 증착법 또는 전기 도금법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  20. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전자소자는, 유기 발광 표시 장치(organic light emitting display:OLED), 액정 표시 장치(liquid crystal display: LCD), 전기영동장치(Electrophoretic display: EPD), 플라스마 디스플레이 패널(plasma displaypanel: PDP), 박막 트랜지스터(thin-film transistor: TFT), 마이크로 프로세서(microprocessor) 및 램(Random access memory: RAM)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  21. 제 2 항에 있어서,
    상기 접착층은 SiO2, MgO, ZrO2, Al2O3, Ni, Al 및 운모로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 물질을 포함하며 사용온도가 450℃ 이상인 것을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자의 제조방법.
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