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KIC News, Volume 10, No. 2, 2007 1
기획특집 디스플레이 기술－
인쇄 기술을 이용한 유기 디스플레이 개발
유 충 한⋅조 성 민⋅채 희 엽†
성균 학교 화학공학과
Organic Display Development with Printing Technology
Choonghan Ryu, Sung Min Cho, and Heeyeop Chae†
Department of Chemical Engineering., Sungkyunkwan University
Abstract: 디스 이 기술은 우리 일상 어느 곳에서나 하게 되는 유비쿼터스 시 의 한 심 기술이며, 재는 LCD
와 PDP를 심으로 발 하고 있으며, 차세 기술로 유기발 소자에 의한 OLED가 연구되고 있다. 유기디스 이에
한 연구는 제작 과정에서 경제 이며 효율 인 공정 개발을 방향으로 진행되고 있으며, 종이 인쇄 기술에서 시작된 인
쇄기술을 응용하여 디스 이 기술에 목하고자 하는 시도가 최근 주목받고 있다. 본 에서는 그라비어 인쇄, 잉크
젯 인쇄, 스크린 인쇄 등을 포함하는 다양한 인쇄기술들에 한 소개와 각 기술에 한 장단 을 비교하 다.
Keywords: organic display device, printing, gravure printing, screen printing, inkjet printing
1. 서 언1)
유기소자는 차세 디스 이 기술로서
LCD 디스 이의 단 을 개선하고 유비쿼터
스 시 에 합한 디스 이로서 가능성을
보여주고 있다. 차세 디스 이로 유기소자
가 주목받고 있는 이유는 LCD가 갖고 있는
복잡한 공정, 비싼 제품 가격, 백라이트에 의
한 수동 인 발 방식 등의 한계를 넘어 디스
이의 최종 목표인 유연한 디스 이
구 까지도 가능하게 할 것이기 때문이다.
라운 에서 시작된 디스 이 산업은 LCD와
PDP를 지나 다른 도약을 비하고 있으며
그 선두에 유기소자가 있다. 유기소자를 구
하기 해서는 열승화법과 같은 유기물 층
기술과 유기물의 손상을 막고 유기소자의 수
명을 연장하기 한 패키징 기술이 필요하다.
한 유기소자의 효율이 디스 이에 합하
여야 산업에 용할 수 있기 때문에 재 많
†주 자(E-mail: [email protected])
은 연구 단체에서 유기 재료의 개발과 효율을
극 화할 수 있는 방법을 연구하고 있다. 재료
에 의해 밝기 효율이 크게 좌우되는 분야
인 만큼 재료에 한 연구가 가장 활발히 이
루어지고 있으며, 이와 함께 공정에 한 연구
한 활발히 진행되고 있다.
기존에 사용하고 있는 열승화법은 몇 가지
단 을 가지고 있다. 첫째, 열승화법은 진공 반
응기가 필요한 공정으로, 큰 디스 이
에 한 요구가 증가하면서 진공 장비 가동과
반응기 크기 제한에 있어서 한계를 나타내고
있다. 둘째, 공정 진행이 진공에서 이루어지고
유기물에 강한 열을 가함에 따라, 비싼 공정비
용과 함께 재료의 손상도 래할 수 있다.
따라서 기존의 공정을 개선하고 체하기
한 방법으로 인쇄기술을 유기소자 구 공
정에 활용하고자 한다. 디스 이에 응용되고
있는 특수 인쇄 기술은 스크린 인쇄, 그라비어
인쇄, 잉크젯 인쇄 등이 있으며, 이 기술들은
각각 장⋅단 을 가지고 개별 으로 연구되고
2 공업화학 전망, 제10권 제2호, 2007
Figure 1. 유기 소자의 구조.
있다. 본 기사에서는 각 공정 기술과 이를 응
용한 사례를 소개하고 각각의 특징을 서술하
다.
2. 유기발광소자의 구조와 공정 개괄
유기발 소자는 1950년에 Bernanose가 유기
색소를 함유한 고분자 박막에 교류 압을 인
가하여 발 성질을 확인하는 것으로 시작하여
1987년 이스트만 코닥사의 C. Tang이 발표한
이 층 구조가 재 사용되는 유기소자 구조
의 기본이 되고 있다[1]. 유기 소자는 양 극
사이에 얇은 유기 박막층을 가지고 있어 자
와 홀의 재결합에 의해 발 하는 구조를 가지
고 있다.
Figure 1에 기본 인 유기소자의 구조가 표
되어 있다. 양극과 음극사이에 얇은 유기 박
막층에 따라 고분자형 유기소자(PLED), 분
자형 유기소자(OLED)로 구분되며 층의 수에
따라 단일층과 다층 구조가 있다.
분자 유기소자의 경우, Figure 2(a)에 표
된 열승화법에 의해 구 이 가능하다. 열승
화법에 의한 유기막 증착은 쉐도우 마스크를
통해 승화된 유기물질이 ITO glass 에 도포
되는 진공 증착법이다. 열승화법으로 유기막을
증착하면 유기막의 수명이 길고 효율이 좋다
는 장 이 있지만 앞에서도 밝힌 바와 같이
진공장비를 공정상에 사용해야 한다는 에서
경제 인 한계가 있다.
고분자 유기소자의 경우, 분자량이 커서 진
(a) (b)
Figure 2. (a) 열승화법에 의한 분자 유기물질
의 증착 (b) 스핀코 에 의한 고분자 유기물질의
증착.
공 증착에 부 합하기 때문에 Figure 2(b)에
나타낸 것과 같이 스핀코 으로 층한다. 공
정이 간단하고 공정비가 렴하다는 장 이
있지만 조명 기술과 달리 RGB (Red, Green,
Blue) 삼원색이 있어야하는 디스 이에서는
합하지 않다.
3. 인쇄기술을 이용한 OLED 구현
인쇄술은 오래 부터 인류와 함께 하 으
며 정보 달의 가장 요한 매개체로서 존재
하여왔다. 인쇄술은 다양한 종류가 많이 있지
만 이 에서는 산업에 가장 용사례가 많은
인쇄 기술들에 해 서술하고자 한다. 스크린
인쇄, 그라비어 인쇄 그리고 잉크젯 인쇄[2]는
재 사용되고 있는 가장 일반 인 특수 인쇄
방식으로 종이 인쇄 뿐만 아니라 카드 인쇄,
포장지, 벽지 인쇄 가구 외장 인쇄까지 그
응용 분야가 범 하다[2]. 이미 오랫동안
리 사용된 인쇄기술을 새로운 분야에 용한
다면 경제 으로 매우 효율 인 방법이 될 것
이다.
3.1. 스크린 인쇄(Screen Printing) 기술
스크린 인쇄 기술은 망목상의 망사 에 형
을 만들고, 스퀴지(squeeze)나 고무롤러로 망
사의 망목을 통해서 묽은 잉크를 피인쇄체로
어내어 인쇄하는 방법이다. 스크린은 실크,
테 론 는 속으로 구성되어 있으며 실크
스크린으로 시작된 기술이므로 실크스크린이
KIC News, Volume 10, No. 2, 2007 3
Figure 3. 스크린 인쇄의 개략도.
라고 많이 칭해진다.
스크린 인쇄는 스크린 에 있는 잉크를 스
퀴지를 이용하여 망목을 강제로 통과하게 하
는 것이므로, 인쇄압의 조 을 하게 해야
하며 높이 조 이 어렵다는 단 이 있다.
스크린 인쇄는 제 이 쉽고 설비가 간단하
기 때문에 은 양의 인쇄에 많이 이용된다.
강제 인 인쇄 형식이라 종이 이외에도 인쇄
가 가능하고 곡면에도 용가능하다. 스크린
인쇄를 이용하여 인쇄할 경우 35~65 LPI
(line per inch)의 해상도를 얻을 수 있다. LPI
는 단 inch당 출력되는 선수를 나타내는 해
상도의 단 로 선수가 많을수록 해상도가 높
은 것이다.
스크린 인쇄는 에서 설명한 간편한 공정
과 렴한 생산단가 때문에 기존의 열승화법
이나 스핀코 다음의 체 기술로서 유기발
소자의 유기물 층과 속 패턴을 해
응용되고 있다. Figure 4는 2000년에 G. E.
Jabbour 그룹에서 스크린 인쇄를 이용하여 붉
은색 발 을 하는 poly-(2-methoxy-5-(2-et-
hylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene) (MEH-
PPV)라는 유기 발 물질을 로고의 형태로
인쇄한 것을 나타내었다[3]. 이 연구의 우수성
은 스핀코 에 의해 주로 층되어지던 MEH-
PPV라는 고분자 물질을 스크린 인쇄라는 새
로운 공정을 도입함으로서 공정의 개선을 제
시한 것이다. 2001년 J. Birnstock 그룹은 붉은
계열로 발 하는 polyfluorene (PF)을 스크린
인쇄하여 최종 인 디스 이 구 까지 진행
Figure 4. 스크린 인쇄 기술을 이용하여 층된
MEH-PPV 발 유기물의 발 이미지[3].
Figure 5. 스크린 인쇄 기술을 이용한 유기 발 소
자의 구 , 각 사각 지역은 8 × 8 pixel로 구성[4].
하 다[4]. Figure 5의 각 사각 지역은 8 × 8
pixel을 가지고 있으며, 다른 지역보다 좀 더
밝게 빛나는 pixel 라인은 된 것이 원인이
다.
3.2. 그라비어 인쇄(Gravure Printing) 기술
그라비어 인쇄술은 오목 인쇄법의 일종으
로, 볼록 이나 평 형 인쇄 방식이 망 의 면
비율로 채도를 표 하는 것과 달리 그라비
어는 패턴의 깊이로 농담을 표 한다. 그라비
어 인쇄술의 기본 인 개념도는 Figure 6에
표 된 것과 같다. 그라비어 장비는 패턴이 음
각으로 새겨진 부식롤과 잉크통, 잉크의 사
를 돕기 한 압통(pressure cylinder), 부식롤
에 묻은 잉크를 어 주는 doctor blade로 구
성되어 있다. 여기에 silicone roll을 첨가하여
off-set 인쇄로 변형하는 방법도 있지만 기본
으로 그라비어 인쇄는 아래와 같이 구성된다.
4 공업화학 전망, 제10권 제2호, 2007
Figure 6. 그라비어 인쇄 장치의 개 도.
그라비어 인쇄에서 가장 요한 부분은 부
식롤인데 인쇄 상태나 농도와 같은 인쇄 특성
이 모두 부식롤에 의해 좌우되기 때문이다. 따
라서 부식롤의 표면은 고운 연마제로 연마하
여 좋은 균일도를 갖는 것이 요하다.
그라비어 인쇄는 오목 인쇄법으로 Figure
6에 표 된 것과 같이 홈 안에만 잉크를 넣어
주고 나머지 역에는 잉크가 없어야한다. 이
역할을 하는 것이 doctor blade이다. Doctor
blade는 균일한 모서리를 가진 으로 구성되
어 있으며 부식롤에 비해 경도가 낮아야 부식
롤이 상하는 것을 방지할 수 있다. 홈에 남은
잉크는 피인쇄체에 인쇄되기 해 압통과 부
식롤 사이에서 합한 압력 하에서 힌 후
Figure 7과 같이 인쇄가 된다. Figure 7의 인
쇄물은 104 mm/sec의 인쇄 속도와 6.5 MPa
의 인쇄 압력으로 ITO 유리 기 에 인쇄한
것을 마이크로 미경으로 촬 한 이미지이다.
그라비어 인쇄 기술은 몇 가지 장 때문에
차세 기술로서 각 받고 있다. 첫째, 공정
이 간단하고 장비의 비용이 렴하다. 그라비
어 인쇄기술은 기압과 상온에서 이루어지며
건조를 한 과정도 많은 에 지를 필요로 하
지 않기 때문에 공정비가 렴하다. 둘째, 공
정이 빠르고 roll to roll 공정이 가능하다. 이
외에도 장비가 렴하고 원하는 부분만 인쇄
가 되기 때문에 재료의 소비가 다는 장 도
있다. 이와 같은 여러 장 들 때문에 여러 응
용분야에 용하기 해 연구되고 있다. 셋째,
스크린 인쇄 보다 높은 해상도를 가지고 있다.
그라비어 인쇄의 해상도는 150~300 LPI로 인
Figure 7. 그라비어 인쇄 방식을 이용하여 인쇄된
로고, 유리 에 인쇄된 12 pt(상부)와 8 pt(하부)
씨, ×40 배율 digital microscope으로 촬 (Source
: NanoProcessLap.).
쇄방식 가장 높은 해상도를 가지고 있다.
그라비어 인쇄 기술을 OLED에 용하기
해 발 성 유기 물질을 용매에 혼합하여 인
쇄용 잉크로 제조한 후 인쇄한다. Figure 8에
서는 청색계열의 발 성 유기물질을 잉크로
사용하여 원, 선 로고를 인쇄하여 photo
luminescence (PL) 방식으로 발 을 확인한
이미지이다. PL은 극을 사용하지 않고 빛
에 지에 의해 여기된 자가 다시 안정화되
면서 빛을 내는 효과를 이용한 방식이다. 이
게 발 을 확인할 경우 소자가 제 로 구성되
었는지는 확인할 수 없지만 유기 물질이 인쇄
되었는지는 쉽게 확인할 수 있다. 2005 국제정
보디스 이학회(2005 SID)에서 일본인쇄
의 H. Nakajima 그룹은 그라비어 인쇄를 이용
하여 세 가지 다른 색으로 패턴이 형성되어
있는 유연한 OLED를 구 하여 발표하 다
[5]. 140 × 140 mm2 크기와 0.25 mm의 두께
를 가진 유연한 소자에는 세 가지색의 발
물질이 사용되었으며, 1000 시간 까지 재생이
가능하고 100 cd/m2에서는 그 이상도 가능하
다(Figure 9).
KIC News, Volume 10, No. 2, 2007 5
Figure 8. 청색 계열의 발 성 유기 물질 그라비
어 인쇄하여 발 확인, 원: 1 mm, 선: 1mm, 로
고: 0.06~0.08 mm.
Figure 9. 일본인쇄가 그라비어 인쇄를 이용하
여 세 가지 다른 색의 유연한 OLED를 구 한 이
미지[5], 넓이: 140 × 140 mm2, 두께: 0.25 mm.
3.3. 잉크젯 인쇄(Inkjet Printing) 기술
잉크젯 인쇄는 이미지를 형성하고자 하는
피인쇄체 뒤에 기장을 걸어주어, 기장에
의하여 떨어지는 잉크가 이미지를 형성하는
방법이다. 약 0.005 mm의 직경을 가진 노즐이
부착된 통 안에 특수한 잉크가 들어있어서 노
즐을 통해 은 양의 잉크가 분사된다. 잉크젯
용 잉크는 노즐에서 피인쇄체로 사되어 표
면과 잉크의 표면장력, 잉크의 도 그리고 잉
크의 성에 기인한 특수 잉크이다. 한 잉
크젯 인쇄에서 사용하는 노즐은 막히기 쉽고
인쇄물의 농도가 낮은 결 을 가지고 있다.
Ghassan E. Jabbour 그룹은 잉크젯 인쇄법
을 이용하여 기 에 발 소자를 구 하
Figure 10. 잉크젯 인쇄의 개략도.
Figure 11. 잉크젯을 이용한 발 소자의 구 [7,8].
다[7,8] (Figure 11). 2006년에 발표된 것으로
유리 기 에 음극으로 사용되는 poly(3,4-
ethylenedioxy)-thiophene-poly(styrene sulfo-
nate) (PEDOT-PSS)를 220 nm의 두께로 잉
크젯 인쇄하 으며, PL로 발 이미지를 확인
하 다. Figure 12는 잉크젯을 이용한 Cam-
bridge Display Technology (CDT)의 P-
OLED로 1280 × 768 픽셀의 14인치 디스
이이다[9].
스크린 인쇄, 그라비어 인쇄 그리고 잉크젯
인쇄를 이용한 OLED의 구 은 OLED의 시
장 진입을 더욱 가속화 시킬 것이며 유비쿼터
스 시 의 주요 디스 이로 만들것이다. 하
지만 인쇄기술을 OLED 구 에 용하기
한 연구는 재 소수 그룹에서 이루어지고 있
으며 아직 기 단계에 불과하다. 연구 한
기업과 연계되어 연구되는 경우가 부분이기
때문에 정보에 한 근이 어렵다는 한계를
가지고 있다.
OLED 연구에 있어서 가장 큰 부분을 차지
하고 있는 재료 분야 역시 개발이 완료되지
않았으며 재료에 한 많은 연구결과가 산발
으로 나오고 있는 상태이다. 인쇄에서도 유
6 공업화학 전망, 제10권 제2호, 2007
Figure 12. 잉크젯인쇄를 이용한 CDT의 14 인치
P-OLED[9].
기 잉크의 종류에 따라 공정 조건이 변하기
때문에 인쇄기술을 이용한 OLED에 한 연
구가 쉽지 않다. 뿐만 아니라, 유기 박막의 경
우 막의 두께가 100 nm 이하로 얇아야 하는
데 박막을 인쇄 기술을 이용하여 인쇄할 경우
핀홀과 같은 결함에 의해 소자가 제 로 작동
하지 않을 수 있다.
이러한 이슈가 있음에도 몇 그룹에서 좋은
성과가 발표되고 있으며, 인쇄 기술을 이용한
OLED 구 에 한 가능성을 계속 제시하고
있다.
4. 기타 디스플레이 산업에서 인쇄 기술의
적용
디스 이 산업에 인쇄기술이 용되고 있
는 사례는 유기소자 뿐만이 아니라 Plasma
Display Panel (PDP), Field Emission Display
(FED) 등에서도 그 용의 가능성이 연구되
고 있다.
PDP는 형 물질이 도포된 작은 셀을 다수
배치하고 그 상하에 장착된 두 극(어드 스
극(address electrode)과 버스 극(bus elec-
trode, Figure 13) 사이에서 가스(네온과 아르
곤) 방 을 일으켜 발생하는 자외선에 의해
형 물질을 발 시켜 컬러화상을 재 한다.
Figure 13. PDP의 구조[10].
디스 이 분야에서 경쟁이 치열해 지면서
PDP 기술에서도 단가 하락을 해 재료 자체
를 렴하게 바꾸는 방법과 공정을 개선함으
로서 단가를 낮추고자하는 연구가 진행되고
있다. 실버 페이스트(Silver Paste)는 Figure
13에 표 된 PDP 패 에 극[10]을 형성하
는 핵심 소재로 미국 듀폰이 세계시장을 주도
하고 있기 때문에 주로 수입에 의존하고 있다.
따라서 실버 페이스트의 사용을 이기 해,
실버 페이스트를 도포해 회로를 형성한 후 필
요 없는 부분을 제거하는 기존 방식을 필요한
부분에만 극을 형성하는 인쇄 방식으로 바
꾸는 기술도 개발 이다. Figure 14는 스크린
인쇄 방식을 이용하여 인쇄된 30 µm 두께 실
버 페이스트 극의 이미지이다.
FED는 계에 의해 방출된 자를 가속,
충돌시킴으로써 빛을 일으키는 방식으로서
계방출 디스 이라고도 불린다. 즉, 자총
(emitter)으로부터 방출된 자가 발 물질에
부딪히게 하여 빛을 내는 것이다(Figure 15).
FED에서 자총이라고 불리는 음극은 계
방출 횟수에 비례하여 격히 노후되는 문제
를 가지고 있다. 이를 해결하기 해 탄소나노
튜 (CNT)를 자총으로 사용하고자 하는 연
KIC News, Volume 10, No. 2, 2007 7
Figure 14. 스크린 인쇄된 실버 페이스트 극, 감
성 실버 페이스트의 소성 조건에 따른 이미지[10].
구가 진행되고 있다. 자총이 될 탄소나노튜
의 제조 공정은 매를 기 에 도포한 후
강한 열 는 에 지를 주어 성장시킨다. 탄소
나노튜 를 성장시키기 해서는 매가 사용
되어 진다. 매를 인쇄한 후 탄소나노튜 를
성장시키는 공정을 이용해서 패턴을 형성할
경우, 기존에 사용하던 방식인 탄소나노튜 의
면 성장 후 에칭하는 방법에 비해 공정비와
재료비의 감을 가져올 수 있다. 2006년 F.
G. Jeng 그룹에서는 스크린 인쇄를 이용하여
220 V에서 10,000 cd/m2이 가능한 FED 장치
를 구 하 다[11] (Figure 16).
Figure 15. FED의 구조.
Figure 16. 스크린 인쇄 방식을 이용한 FED 디스
이, 200 V에서 동작한 CNT-FED 이미지[11].
5. 맺는말
디스 이는 출력 장치의 하나로 정보
달에 요한 매체이다. 언제 어디서나 자 장
치를 통해 정보를 달 받을 수 있는 유비쿼
터스 시 를 해서 디스 이 기술의 발
은 반드시 선행되어야 한다. 유비쿼터스에 합
당한 디스 이 기술로 유기소자가 두되고
있는데 이는 유기소자가 유연한 기 제작이
가능하고 LCD에 비해서 얇게 제작할 수 있기
때문이다.
인쇄기술을 용한 유기소자의 개발에 한
연구는 아직 기단계이다. 하지만 인쇄기술이
목된 유기소자의 가능성은 여러 가지 어려
움에도 불구하고 기 가 크다. 유기박막을 얇
고 균일하게 인쇄할 수 있도록 공정 개발이
이루어지고 열승화법과 동일한 효율을 만들어
낼 수 있다면 인쇄기술이 목된 유기소자를
이용한 유비쿼터스 시 는 더욱 가까운 미래
가 될 것이다.
8 공업화학 전망, 제10권 제2호, 2007
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