KR101328275B1 - 화학적 박리 방법을 이용한 플렉서블 전자소자의 제조방법, 플렉서블 전자소자 및 플렉서블 기판 - Google Patents

화학적 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 표면 거칠기, 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 박리층을 형성하는 단계, 상기 박리층 상에 플렉서블 기판을 형성하는 단계, 상기 박리층을 박리층 분해 물질을 이용하여 화학적으로 일부 또는 전부를 분해시켜 상기 모기판과 상기 플렉서블 기판을 분리시키는 단계 및 상기 모기판과 접촉되어 있던 상기 플렉서블 기판의 분리면 상에 전자소자를 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.

Description

화학적 박리 방법을 이용한 플렉서블 전자소자의 제조방법, 플렉서블 전자소자 및 플렉서블 기판{CHEMICAL PEEL-OFF METHOD OF MANUFACTURING FLEXIBLE ELECTRONIC DEVICE, FLEXIBLE ELECTRONIC DEVICE AND FLEXIBLE SUBSTRATE}
본 발명은 플렉서블 전자소자(Flexible electronic device)의 제조방법과 이 방법에 의해 제조된 플렉서블 전자소자 및 플렉서블 전자소자에 사용되는 플렉서블 기판에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 유리 기판 수준의 높은 공정 온도가 가능하고, 낮은 표면 거칠기, 낮은 열팽창 계수 및 우수한 핸들링 특성을 갖는 새로운 구조의 플렉서블 기판을 포함하는 플렉서블 전자소자 및 그 제조방법에 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), 마이크로프로세서(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.
대한민국 공개특허공보 제2009-0114195호 대한민국 공개특허공보 제2006-0134934호 대한민국 공개특허공보 제2004-0097228호 대한민국 공개특허공보 제2008-0024037호 대한민국 공개특허공보 제2009-0123164호 대한민국 공개특허공보 제2008-0065210호
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 표면 거칠기를 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.
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 금속기판의 제조방법을 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법은 모기판 상에 박리층을 형성하는 단계, 상기 박리층 상에 플렉서블 기판을 형성하는 단계, 상기 박리층을 박리층 분해 물질을 이용하여 화학적으로 일부 또는 전부를 분해시켜 상기 모기판과 상기 플렉서블 기판을 분리시키는 단계 및 상기 모기판과 접촉되어 있던 상기 플렉서블 기판의 분리면 상에 전자소자를 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.
이와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에서, 모기판과 유사한 평탄도를 갖는 박리층 위에 플렉서블 기판을 형성시킨후 박리층을 산성 용액, 염기성 용액, 박리층의 용매 등을 사용하여 박리층을 화학적으로 녹여 내면 플렉서블 기판을 모기판으로부터 분리시킬 수 있다. 이러한 과정을 통하여 플렉서블 기판의 변형이나 손상 없이 플렉서블 기판의 분리면은 모기판의 표면 상태와 거의 유사한 표면 상태를 얻을 수 있다. 따라서, 종래 기술과 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.
본 발명의 다른 측면에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법은 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 박리층 분해 물질을 이용하여 화학적으로 일부 또는 전부를 분해시켜 상기 모기판과 상기 플렉서블 기판을 분리시키는 단계 및 상기 모기판과 접촉되어 있던 상기 플렉서블 기판의 분리면 상에 전자소자를 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 모기판 상에는 산성 도금 용액 또는 염기성 도금 용액에 대해 내부식성을 갖는 보호층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 보호층은 상기 모기판의 표면을 산화 처리 또는 질화 처리하여 형성된 1 nm 이상 15 nm 이하의 두께를 갖는 부동태 피막인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 박리층의 두께는 10㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이와 같이, 박리층의 두께를 10㎛ 이하로 설정한 이유는 박리층 형성시간, 박리층 물질 사용에 따른 비용, 박리층을 화학적 분해시키기 위한 시간, 박리층에 의한 응력 발생 등의 문제를 전체적으로 고려한 것이다. 또한, 박리층은 필요한 경우 여러 가지 물질로 다층으로 적층한 복합층으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 박리층 분해 물질은 산성 용액, 염기성 용액, 박리층 용매로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 용액인 것이 바람직하다. 박리층 물질이 유기물, 금속, 세라믹 등 어떠한 종류라도 무방하다. 다만, 각 박리층 물질을 화학적으로 분해하며 플렉서블 기판에는 큰 손상을 주지 않는 산성 용액, 염기성 용액, 박리층 용매를 박리층 분해 물질로 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 임시기판의 분리를 보다 용이하게 하기 위하여, 임시기판과 접착층 사이에 하나 이상의 박막으로 이루어진 분리층을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 플렉서블 기판이 형성되는 박리층 면의 표면거칠기는 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 10㎛×10㎛의 스캔 범위로 관측할 때, 0<Rms<100㎚, 0<Rp-v<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.
본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 모기판의 형상은 평판형 또는 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.
본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 모기판은 유리 또는 금속 또는 고분자 재료로 이루어질 수 있다.
이 중에서 유리의 경우, 규산염유리, 붕규산염유리, 인산염유리, 용융 실리카 유리, 석영, 사파이어, E2K, Vycor로 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, 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.
본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 플렉서블 기판은 금속으로 이루어질 수 있다.
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, 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.
본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 플렉서블 기판은 주조법, 전자선 증착법, 열 증착법, 스퍼터 증착법, 화학기상 증착법 또는 전기 도금법으로 형성될 수 있다.
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), 마이크로프로세서(microprocessor) 및 램(Random access memory: RAM)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
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 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법은 상기 임시기판을 상기 플렉서블 기판으로부터 분리하는 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 플렉서블 기판은 2 이상의 다른 재료로 적층한 복합구조를 갖도록 구성할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 플렉서블 전자소자의 제조방법으로 제조된 플렉서블 전자소자를 제공한다.
또한, 본 발명은 모기판 상에 박리층 및 플렉서블 기판을 순차적으로 형성한 후, 박리층을 박리층 분해 물질을 이용하여 화학적으로 일부 또는 전부를 분해시켜 상기 모기판과 상기 플렉서블 기판을 분리하고, 상기 플렉서블 기판의 분리면을 전자소자 형성면으로 사용하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판을 제공한다.
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.
본 발명에 따른 플렉서블 기판은 금속으로 이루어질 수 있으며, 상기 금속은 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.
본 발명에 따른 플렉서블 기판은, 5㎛ 내지 500㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 플렉서블 기판의 제조과정에 있어서, 상기 박리층의 두께는 10㎛ 이하인 것이 바람직하며, 상기 박리층 분해 물질은 산성 용액, 염기성 용액, 박리층 용매로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 용액인 것이 바람직하다.
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), 마이크로프로세서(microprocessor) 및 램(Random access memory: RAM)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
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, 박리층이 코팅된 모기판과 거의 동일한 표면 거칠기를 갖는 분리면 상에 전자소자를 형성함으로써, 기존 플렉서블 전자소자 제조 방법에서 해결하지 못하였던 플렉서블 기판, 특히 금속제 플렉서블 기판의 표면거칠기 문제를 용이하게 해결할 수 있다. 또한, 박리층은 모기판의 평탄도를 높이므로 높은 모기판 거칠기를 갖고 있는 모기판도 사용할 수 있는 장점이 있다.
둘째, 플렉서블 기판의 표면거칠기를 매우 낮게 유지할 수 있기 때문에, 플렉서블 기판 상에 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, 박리층만을 화학적으로 분해하여 플렉서블 기판을 모기판으로부터 분리시키므로, 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 1 실시예에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법과, 플렉서블 기판과 모기판 사이에 박리층을 형성하였을 때의 박리형태를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플렉서블 전자소자의 제조에 있어서, 모기판과 박리층 표면과 플렉서블 기판의 분리면의 표면거칠기를 측정한 결과를 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 실시 예에 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 제공되는 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 박리층(500) 및 플렉서블 기판(200)을 형성하고(도 1의 (a)), 박리층(500)을 화학적으로 분해하여 기판(100)으로부터 플렉서블 기판(200)을 분리하여 플렉서블 기판을 제조하는 단계(도 1의 (b), 도 1의 (c))와, 분리한 플렉서블 기판(200)의 분리면에 전자소자(300)와 봉지층(400)을 형성하는 단계(도 1의 (d))로 이루어진다.
본 발명의 제 1 실시예에서는 모기판(100)으로 106 nm의 표면 거칠기를 갖고 있는 스테인레스 압연 강판을 사용하였으며, 스테인레스 압연 강판 상에 박리층(500)인 포토레지스트를 1㎛ 두께로 스핀 코팅한 후 경화 중 리플로우(reflow)시켜 표면 거칠기를 약 34 nm로 낮추었다. 포토레지스트 상부에 열 증착법을 통해 플렉서블 기판(200)인 Ag 20 ㎛를 형성하였다. 스테인레스 압연 강판을 아세톤 용액에 1시간 침지하여 별도의 임시 기판을 사용하지 않고, 포토레지스트층 만을 녹여 Ag 기판을 스테인레스 압연 강판으로부터 분리할 수 있었으며, 분리면이 박리층과 유사한 표면거칠기를 나타내었다.
이어서 플렉서블 기판(200)의 분리면 상에 OLED 소자를 형성하였다. 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 주입층을 형성하였고, 상기 정공 주입층 상에는 70nm 두께로 a-NPD를 정공 수송층으로 형성하였고, 상기 정공 수송층 상에는 40nm 두께로 Alq3를 발광층으로 형성하였고, 상기 발광층 상에는 5nm 두께로 BCP를 정공 방지층을 형성하였고, 상기 정공 방지층 상에는 20nm 두께로 Alq3를 전자 수송층으로 형성하였고, 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, 박리층 형성시간, 박리층 물질 사용에 따른 비용, 박리층을 화학적 분해시키기 위한 시간, 박리층에 의한 응력 발생 등의 문제를 전체적으로 고려하면 10㎛ 이하로 유지하는 것이 바람직하며 박리층의 두께가 3㎛ 이하가 가장 바람직하다.
이와 같이 박리층(500)을 형성할 경우, 플렉서블 기판(200)의 분리형태는 박리층이 완전히 분해 박리되거나(도 2의 (a)), 플렉서블 기판(200) 계면에서 분리되거나 (도 2의 (b)), 모기판(100)과 박리층(500)의 계면에서 분리되거나(도 2의 (c)), 박리층(500)의 내면에서 분리될 수 있다(도 2의 (d)). 이때, 도 2의 (a)의 경우에는 후속 공정이 필요 없을 수도 있으나, 도 2의 (b), 도 2의 (c), 도 2의 (d)의 경우에는 박리층(500)을 제거하는 공정이 추가되어야 한다. 바람직하게는 박리층(500)이 모기판(100) 및 플렉서블 기판(200)에서 완전히 제거되어 모기판(100)의 재사용 및 플렉서블 기판(200)에서 진행되는 후속 공정에 영향이 없어야 한다.
본 발명에 있어서 박리층(500)은 모기판(100)과 플렉서블 기판(200)의 분리를 위한 역할 외에도, 모기판(100)의 평탄도를 향상시키는 역할도 동시에 수행하므로 모기판(100)의 표면 거칠기가 높더라도 사용할 수 있어 모기판 연마에 따른 비용 및 시간을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 모기판과 박리층이 코팅된 모기판, 플렉서블 기판의 분리면의 거칠기를 3D profiler로 측정한 결과이다. 도 4의 (a)와 같이 스테인레스 강판의 표면 거칠기가 106 nm로 측정되었다. 박리층 코팅을 통해 모기판의 표면 거칠기를 낮춘 결과 스테인레스 압연 강판 상에 있는 포토레지스트의 표면 거칠기는 도 4의 (b)와 같이 33.7 nm로 측정되었다. 또한 박리층 상에 형성된 플렉서블 기판인 Ag의 표면 거칠기는 도 4의 (c)와 같이 30.1 nm로 측정되었다. 롤투롤 공정과 같은 대량 연속 공정에서 모기판의 표면 거칠기를 일정하게 유지하는 것은 기술적 난이도가 매우 높다. 모기판 이송 과정에서 표면 스크래치, 대기중에서 존재하는 불순물 입자의 혼입 등 모기판 표면 거칠기를 증가시키는 여러 문제점들을 해결해야 한다. 그러나 모기판의 표면에 자연적으로 존재할 수 있는 결함을 화학적 박리층 사용으로 해결할 수 있으며, 생산되는 플렉서블 기판 수율을 획기적으로 높일 수 있는 장점이 있다.
한편, 제1 실시예의 변형된 실시예로서, 전기 도금 방식을 이용하여 플렉서블 기판을 형성할 수도 있다.
이하에서는 이러한 전기 도금 방식을 이용한 플렉서블 기판 형성에 대하여 설명한다.
대면적 연속 공정이 수행되는 본 발명에서는 신뢰성 있는 모기판(100) 관리 및 플렉서블 기판(200)의 불량을 감소시킬 수 있는 기술 적용이 매우 중요하다. 모기판(100)이 손상되어 표면 거칠기가 높아지면, 플렉서블 기판(200) 분리면의 거칠기도 높아지게 되고, 분리면 상부에 형성되는 전자소자(300)의 단락, 누설 전류 증가 등의 문제가 발생한다. 이로 인한 수율 감소는 불량품 생산 원가에 비례하여 기하급수적인 비용 상승을 초래한다. 또한, 모기판(100)에 별도의 층을 성막하거나, 연마를 하거나, 교체해야하는 비용이 추가적으로 발생한다. 따라서, 본 발명에서의 모기판(100)은 전도성 및 내부식성이 있는 기판이 바람직하다. 모기판(100) 표면 손상의 주요 원인은 Ph 2~3에 이르는 산성 도금 용액에 의한 부식, 세정 과정 중 물에 의한 부식, 공기 중의 불균일 표면 산화가 있으며, 기존 전자소자 공정에 쓰이는 유리 기판에 요구되는 기판 청결도 수준을 갖기 위해서는, 금속 재질의 플렉서블 기판 제조 공정 환경 하에서 모기판이 손상되지 않도록 모기판 재료는 내부식성을 가져야 한다. 모기판 재료로서 내부식성을 갖는 금속이면 어떤 재료도 무방하나, 단일 조성을 갖는 금속 기판이 전도성 음극으로 바람직하다. 복층으로 구성되어 있는 모기판의 경우 층간 박리에 의한 모기판 손상이 발생할 수 있다. 모기판 재료로서 Fe에 Ni, Mo, Cr 등이 들어 있는 합금이나 Ti 합금이 될 수 있다. 본 발명에서는 모기판(100)으로서 316 스테인레스 스틸을 사용하였으며, 반복적인 금속 재질의 플렉서블 기판 제조시에도 유의미한 표면 거칠기 변화는 관찰되지 않았으며, 반복적인 연마 또는 별도의 층 성막 없이 모기판으로서 재사용을 할 수 있었다.
내부식성을 갖는 모기판(100)의 세정 및 추가적인 표면 처리는 모기판 표면에 1 nm 내지 15 nm 두께의 안정적인 부동태 피막을 표면에 제공하며, 표면 거칠기에 큰 영향을 미치지 않으면서 내부식성 증대 역할을 수행하게 된다. 또한, 롤 형상 모기판(100)상에 형성된 수 nm 두께의 부동태 피막은 도금을 위한 전기 전도에는 큰 영향을 미치지 않고, 금속 재질의 플렉서블 기판(200)과 모기판(100) 사이 계면 분리를 용이하게 하는 결합력을 조절하는 역할을 하므로 금속 재질의 플렉서블 기판(200) 제조에 바람직하다. 이러한 부동태 피막은 산성 도금 용액 또는 염기성 도금 용액에 대해 내부식성을 갖는 일종의 보호층의 기능을 수행한다. 롤 형상 모기판(100) 표면 처리는 산화 또는 질화 처리를 통해 모기판(100) 표면에 부동태 피막을 형성할 수 있으면 무방하나, UV, 플라즈마 처리 등을 사용할 수 있다. 도금시 음극 표면을 보호하기 위해 일반적으로 사용하는 인산염 또는 크롬산염 피막제는 모기판(100) 표면을 거칠게 만들므로 금속 재질의 평탄한 플렉서블 기판을 생산하기 위한 모기판(100) 피막제로서 바람직하지 않다.
[제 2 실시예]
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법을 개략적으로 도시한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플렉서블 전자소자의 제조방법은 크게, 모기판(100)에 박리층(500) 및 플렉서블 기판(200)을 형성하고(도 3의 (a)), 일면에 접착층(700)이 형성된 임시기판(600)을 접착층(700)을 이용하여 플렉서블 기판(200) 상에 부착하고(도 3의 (b), 도 3의 (c)), 박리층(500)을 화학적으로 일부 또는 전부를 분해시켜 모기판(100)과 플렉서블 기판(200)을 분리시키고(도 3의 (d)), 모기판(100)과 접촉되어 있던 플렉서블 기판(200)의 분리면 상에 전자소자(300) 및 봉지층(400)를 형성하는 단계(도 3의 (e))로 이루어진다.
즉, 제 2 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.
제 2 실시예에서는, 제 1 실시예와 동일한 방법으로 박리층(500)이 코팅된 모기판(100)으로 열증착 방법으로 Ag 20 ㎛를 형성하였다. 그 위에 접착제가 일면에 있는 임시기판(600)인 내화학성 물질로 코팅된 PET 기판을 접착하였다. 이후 아세톤 용액에 침지하여, Ag 플렉서블 기판을 스테인레스 압연 강판으로부터 화학적으로 떼어내어 분리하였다.
그리고 유리기판으로부터 분리된 플렉서블 기판(200)의 분리면 상에 OLED 소자를 형성하였다. OLED 소자는 PR을 이용해 패턴을 형성한 후 플렉서블 기판인 Ag를 반사전극으로 하여 1nm 두께로 CuO로 정공 주입을 형성하였고, 상기 정공주입층 상에는 70nm 두께로 a-NPD를 정공 수송층으로 형성하였고, 상기 정공 수송층 상에는 40nm 두께로 Alq3를 발광층으로 형성하였고, 상기 발광층 상에는 5nm 두께로 BCP를 정공 방지층을 형성하였고, 상기 정공 방지층 상에는 20nm 두께로 Alq3를 전자 수송층으로 형성하였고, 상기 전자 수송층 상에 10nm 두께로 Al을 투명전극으로 형성하였다.
100 : 모기판
200 : 플렉서블 기판
300 : 전자소자
400 : 봉지층
500 : 박리층
600 : 임시기판
700 : 접착층

Claims (27)

  1. 모기판 상에 기 설정된 표면거칠기를 가지는 박리층을 형성하는 단계;
    상기 기 설정된 표면거칠기를 가지는 박리층의 표면 상에 플렉서블 기판을 형성하는 단계;
    상기 박리층을 박리층 분해 물질을 이용하여 화학적으로 일부 또는 전부를 분해시켜 상기 모기판과 상기 플렉서블 기판을 분리시키는 단계; 및
    상기 박리층과 접촉되어 있던 상기 플렉서블 기판의 분리면 상에 전자소자를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 플렉서블 기판이 형성되는 박리층 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.
  2. 모기판 상에 기 설정된 표면거칠기를 가지는 박리층을 형성하는 단계;
    상기 기 설정된 표면거칠기를 가지는 박리층의 표면 상에 플렉서블 기판을 형성하는 단계;
    일면에 접착층이 형성된 임시기판을 상기 접착층을 이용하여 상기 플렉서블 기판 상에 부착하는 단계;
    상기 박리층을 박리층 분해 물질을 이용하여 화학적으로 일부 또는 전부를 분해시켜 상기 모기판과 상기 플렉서블 기판을 분리시키는 단계; 및
    상기 박리층과 접촉되어 있던 상기 플렉서블 기판의 분리면 상에 전자소자를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 플렉서블 기판이 형성되는 박리층 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.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 모기판 상에는 산성 도금 용액 또는 염기성 도금 용액에 대해 내부식성을 갖는 보호층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 보호층은 상기 모기판의 표면을 산화 처리 또는 질화 처리하여 형성된 1 nm 이상 15 nm 이하의 두께를 갖는 부동태 피막인 것을 특징으로 하는, 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 박리층의 두께는 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는, 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 박리층 분해 물질은 산성 용액, 염기성 용액, 박리층 용매로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 용액인 것을 특징으로 하는, 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 임시기판과 접착층 사이에 분리층을 형성하는 것을 특징으로 하는, 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 임시기판을 상기 플렉서블 기판으로부터 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 모기판의 형상은 평판형 또는 반원통형 또는 원통형인 것을 특징으로 하는, 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 모기판은 유리 또는 금속 또는 고분자 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는, 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판은 2 이상의 다른 재료로 적층한 복합구조인 것을 특징으로 하는, 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판은 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  14. 제 11 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.
  15. 제 2 항에 있어서,
    상기 접착층은 에폭시, 실리콘 및 아크릴 계열로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 고분자 접착제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  16. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판은 주조법 또는 전자선 증착법 또는 열 증착법 또는 스퍼터 증착법 또는 화학기상 증착법 또는 전기 도금법으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  17. 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 display panel: PDP), 박막 트랜지스터(thin-film transistor: TFT), 마이크로프로세서(microprocessor) 및 램(Random access memory: RAM)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 플렉서블 전자소자의 제조방법.
  18. 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.
  19. 제 1 항 또는 제 2 항의 플렉서블 전자소자의 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는, 플렉서블 전자소자.
  20. 모기판 상에 기 설정된 표면거칠기를 가지는 박리층 및 상기 기 설정된 표면거칠기를 가지는 상기 박리층의 표면 상에 플렉서블 기판을 순차적으로 형성한 후, 상기 박리층을 박리층 분해 물질을 이용하여 화학적으로 일부 또는 전부를 분해시켜 상기 모기판과 상기 플렉서블 기판을 분리하고, 상기 플렉서블 기판의 분리면을 전자소자 형성면으로 사용하며,
    연마가공 없이, AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 10㎛×10㎛의 스캔 범위로 관측할 때, 상기 분리면의 표면거칠기가 0<Rms<100㎚, 0<Rp-v<1000㎚인 것을 특징으로 하는, 플렉서블 기판.
  21. 삭제
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판은 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 플렉서블 기판.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 금속은 인바(INVAR)합금 또는 스테인리스강 또는 구리인 것을 특징으로 하는, 플렉서블 기판.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판은 5㎛ 내지 500㎛의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는, 플렉서블 기판.
  25. 제 20 항에 있어서,
    상기 박리층의 두께가 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는, 플렉서블 기판.
  26. 제 20 항에 있어서,
    상기 박리층 분해 물질은 산성 용액, 염기성 용액, 박리층 용매로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 용액인 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판.
  27. 제 20 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 display panel: PDP), 박막 트랜지스터(thin-film transistor: TFT), 마이크로프로세서(microprocessor) 및 램(Random access memory: RAM)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 플렉서블 기판.
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