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Transparent Electrode Needs Development for Next Generation Display to Surge

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Recently, with various research results regarding transparent electrode, interest in next generation transparent electrode is increasing.

 

In early December, UNIST (Ulsan National Institute of Science and Technology) developed printing technology that can arrange the Ag nanowire in the direction chosen on top of substrate. Ag nanowire is transparent electrode that can be applied to large area flexible touch panel and display products. This technology allows the surface to be flat through the fusion of nanotechnology to the existing printing process and increases transmittance.

 

Around the same time, ETRI (Electronics and Telecommunications Research Institute) developed technology that replaces thin metal electrode on top of OLED substrate with graphene transparent electrode. The metal electrode that were being used in OLED was mostly silver (Ag) material, but due to the reflection of internal light, the viewing angle changed depending on the angle. The external light also affected picture quality due to reflection. The newly developed technology used graphene that mostly does not reflect internal/external light as transparent electrode and improved transmittance and picture quality.

 

At present, ITO (indium tin oxide) is most widely used as transparent electrode materials. However, the supply is limited and flexible electronic device application is narrow. As such, the demand for the development of new materials that can replace this is greatly increasing. Particularly, as ITO is not suitable for stretchable device, the next generation transparent electrode development is considered to be a key issue for future display.

 

At 2016 Production/Process Technology Development and Application Cases by Flexible Transparent Electrode and Film Materials Seminar (December 17) held in Seoul, South Korea, Dr. Won Mok Kim of KIST (Korea Institute of Science and Technology) discussed, of many flexible transparent electrodes, TCO (transparent conductive oxide) production and process technology through presentation titled ‘TCO based flexible transparent electrode production and process technology development trend and applications’.

 

Of the transparent conductive materials, oxides have been researched the longest, and they are most widely used transparent conductive materials. Oxide including conductive materials have optical band gap of ≥3.0 eV and therefore has high transmittance and can be flexible. Kim revealed that TCO needs further improvement in conductivity and transmittance for display application.

 

Regarding transparent body, when refractive indexes of components are different, the path of light through the transparent body is refracted. When this occurs, the object becomes hazy although transparent. Haze is quantified and used to assess the transparent body’s performance. Kim explained that for solar cell the haze is purposefully increased to transmit more light to the internal active materials. However, if the display is clouded the clarity of image is reduced and therefore haze has to be lowered. To achieve this, Kim reported that the TCO’s surface roughness has to be reduced.

 

Kim revealed that there are two issues, temperature and flexibility, when TCO is used as transparent electrode. ITO’s conductivity is highest at 300 ℃, and for ZnO it is around 200 ℃. Channel cracks could occur with TCO when higher than bending strain is applied, and the crack could snap when it is bent further, destroying the device performance. Kim explained that to increase the bending strain, the thickness has to be reduced. However, when doing so as the sheet tension increases, the process has to be designed carefully considering the tradeoff.

 

Transparent electrode could be applied to display, solar cell, touch panel, and lighting among others and therefore requires much development. Although oxides have been long researched as transparent electrode materials, Kim concluded that even more diverse value can be created through fusion with next generation materials.

 

그림1

투명전극, 차세대 디스플레이 도약을 위한 개발이 필요

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최근 투명전극에 대한 여러 연구성과들이 발표되며 차세대 투명전극에 대한 관심이 높아지고 있다.

12월 초 UNIST는 Ag nano wire를 원하는 기판에 원하는 방향으로 정렬시키는 인쇄기술을 개발했다. Ag nano wire는 플렉서블 터치패널과 디스플레이 제품에 대면적으로 생산이 가능한 투명전극으로 이번에 개발한 기술은 기존 인쇄공정에 나노기술을 접목하여 표면을 매끄럽게 하고 투명도를 높였다.

비슷한 시기 ETRI는 OLED 기판 위의 얇은 금속전극을 그래핀 투명전극으로 대체하는 기술을 개발했다. 그 동안 OLED에 사용하던 금속전극은 주로 은(Ag)소재였지만 내부광에 의한 반사로 각도에 따라 시야각이 바뀌는 문제가 있었다. 또한 외부광에 의해서도 반사로 인해 화질에 영향을 주었다. 이번에 개발한 기술은 내/외부광에 대한 반사가 거의 없는 그래핀을 투명전극으로 적용해 투명도와 화질을 개선했다.

현재 투명전극 물질로 ITO(Indium Tin Oxide)가 가장 널리 사용되고 있지만 자원량에 한계가 있고 플렉서블 전자소자에 적용되는데 한계가 있어 이를 대체할 수 있는 새로운 물질 개발에 대한 요구가 크게 증가하고 있다. 특히 stretchable 소자에는 ITO가 동작하지 않기 때문에 차세대 투명전극의 개발은 미래 디스플레이에 핵심적인 요소로 보인다.

여의도 사학연금회관에서 17일 개최된 ‘2016년 유연 투명전극 및 필름 소재 별 제조/공정 기술개발과 적용사례 세미나’에서 KIST(한국과학기술연구원)의 김원목 박사는 ‘투명 전도성 산화물(TCO) 기반 유연 투명전극 제조 및 공정 기술개발동향과 적용사례’라는 제목의 강연을 통해 여러 유연 투명전극들 중 TCO에 대한 제조와 공정기술에 대해 발표했다.

투명 전도성 산화물이란 전기 전도도를 가지면서 광학적으로 투명한 물질 중 oxide(산소)가 함유된 물질을 말한다. 투명 전도성 재료 중 산화물은 가장 오래 연구가 진행되었으며 투명전극 재료로 널리 쓰이는 물질이다. Oxide가 함유된 전도성 물질은 광학적인 bandgap이 3.0eV이상으로 크기 때문에 투과율이 높은 성질을 가지고 flexible이 가능한 성질을 가지고 있다. 김 박사는 투명 전도성 산화물에는 크게 전기전도성과 투과율을 높이는 이슈가 있다고 밝히며 디스플레이에 적용될 경우 전기전도성과 투과율이 특히 높아야 한다고 발표했다.

투명체에 있어서 요소들 사이의 굴절률이 다를 경우 투명체를 지나는 빛의 경로가 굴절되게 된다. 이 경우 투명하지만 뿌옇게 보이는 현상이 나타나는데 이 정도를 haze(혼탁도)라고 부른다. Haze는 정량화하여 투명체의 성능을 평가하는데 사용된다. 김박사는 태양전지는 내부 active material에 빛을 더 많이 전달해주기 위해 haze를 일부러 높이기도 하지만 디스플레이는 뿌옇게 보이면 이미지가 원래대로 보이지 않기 때문에 haze를 낮추어주어야 하며 이를 위해 투명 전도성 산화물의 표면 roughness를 낮추어 주어야 한다고 발표했다.

김 박사는 투명 전도성 산화물을 투명전극으로 적용할 때 온도와, 플렉시블 2가지 이슈가 있다고 밝혔다. ITO는 공정온도 300℃에서 전도성이 가장 좋고 ZnO는 약 200℃에서 전도성이 가장 좋다. 또한 투명 전도성 산화물은 어느 정도의 bending strain을 넘으면 channel crack이 나오고 여기서 더 구부려지면 crack이 끊어지면서 소자의 성능이 망가지게 된다. 김 박사는 “Bending strain을 높이기 위해서는 두께를 얇게 해야 하는데 이때 면저항이 높아지기 때문에 trade off 관계를 잘 따져 공정설계를 해야 한다.”고 발표했다.

투명 전극은 디스플레이와 태양전지, 터치패널, 조명 등에 적용될 수 있을 것으로 보이기 때문에 많은 개발이 필요하다. 김박사는 산화물은 투명전극재료로 오래 연구가 진행되었지만 차세대 재료와의 융합을 통해 더욱 다양한 가치를 창출할 수 있을 것으로 보인다고 하며 발표를 마쳤다.

 

[2015 OLED Evaluation Seminar] Oxide TFT Technology that 2015 should Spotlight

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By Hyun Jun Jang

 

During the 2015 OLED Evaluation Seminar (December 4) hosted by UBI Research, Professor Jin-Seong Park of Hanyang University gave a presentation titled OLED Oxide TFT Technology Trend, discussing oxide TFT, related industry, and technological issues as well as TFT technology that should receive the spotlight in 2016.

 

Oxide TFT has an advantage of high mobility and large area uniformity compared to a-Si TFT. As such, it is being more applied to large area OLED panel and used in LG Display’s OLED TV.

 

Park revealed that there are mainly 4 issues regarding oxide TFT and led with the reliability issue. Oxide TFT is essentially in amorphous state but when crystalized, the density and crystallizability increase; as oxygen does not move away and stay in place, defects occur less and reliability is high. Japan’s SEL and Sharp published CAAC (C-Axis Aligned Crystal) structure related oxide TFT paper, and Cornell University produced CAAC oxide TFT by increasing the substrate temperature and adjusting oxygen’s partial pressure.

 

The second issue is composition ratio. Park reported that composition ratio is the most closely related characteristic to TFT’s mobility. He revealed that recently research is being carried out centering around IGZO (indium gallium zinc oxide), but also oxide TFT research with different composition ratio is continually published. For example, ITZO (indium tin zinc oxide)’s mobility has been reported to reach 30cm/Vsec, and BOE is working on the related research. Research results, which showed increased mobility and reliability for IGZTO, which is IZTO with G added, was published, as well as ZnON (zinc oxide nitride) TFT’s 100cm/Vsec mobility. BOE demonstrated ZnO TFT applied 14.1inch AMOLED.

 

The third issue is the device structure. Park explained that efficiency can increase when top gate structure is used to oxide TFT as parasitic capacitor is not needed, but that the process is difficult. However, Park reported that JOLED revealed when self-alignment is used the number of masks used can be reduced and increases performance. This structure is applied to OLED TV by LG Display.

 

Lastly, Park gave the safety of device as the last issue. Oxide TFT can exhibit degradation effects from light, oxygen, hydrogen, and moisture. Park reported that hydrogen particularly has great effect on the safety. He explained that although the current prevailing OLED TFT is LTPS, as the panel becomes larger there will be technological competition between oxide and LTPS. Reporting that TFT which is cost efficient and shows high performance in diverse factors such as resolution will dominate the market, Park concluded his presentation.

 

 

 

[2015 OLED 결산 세미나] 2016년 주목해야 할 Oxide TFT 기술은?

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유비산업리서치가 12월 4일 개최한 ‘2015 OLED 결산 세미나’에서 한양대학교 박진성 교수는 ‘OLED용 산화물 TFT 기술 동향’이라는 제목의 강연을 통해 산화물 TFT와 관련된 산업, 기술적 이슈를 되짚고 2016년 주목해야 할 TFT 기술에 대해 생각해보는 시간을 가졌다.

Oxide TFT는 a-Si TFT에 비해 mobility와 대면적 균일도가 높다는 장점이 있어 대면적 OLED 패널 중심으로 적용되는 추세이며 LG 디스플레이의 OLED TV에 적용되고 있다.

박 교수는 oxide TFT에 관련해서 크게 4가지 이슈가 있다고 밝혔다. 먼저 신뢰성에 대한 이슈에 대해 발표했다. 기본적으로 oxide TFT는 비정질 상태이지만 결정화할 경우 density와 결정성이 높아지기 때문에 산소가 빠져나가지 않고 제자리를 지키고 있어 defect이 적으며 신뢰성이 높다. 일본의 SEL과 Sharp는 CAAC(C-Axis Aligned Crystal) 구조와 관련된 oxide TFT 논문을 발표하였으며, 코넬 대학에서는 기판의 온도를 올리고 산소의 분압을 조절해서 CAAC oxide TFT를 제작했다.

두 번째 이슈로는 조성비가 있다고 밝혔다. 박 교수는 조성비는 TFT의 이동도에 가장 밀접하게 연관되어 있는 특성이라고 발표하며 최근에는 IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)를 중심으로 연구가 진행되었지만 다른 조성비를 가진 oxide TFT에 대한 연구결과도 지속적으로 나오고 있다고 밝혔다. 예를 들어 ITZO(Indium Tin Zinc Oxide)는 이동도가 30cm/V·Sec까지 올라간다는 성과가 나오기도 했으며 BOE에서 관련 연구를 하고 있다. 또한 IZTO에 G을 추가한 IGZTO는 이동도와 신뢰성이 더 올라갔다는 연구결과가 발표되었으며 ZnON(Zinc Oxide Nitride) TFT는 100cm/V·Sec까지 이동도가 올라갈 수 있다는 연구결과가 발표되었다. BOE는 ZnO TFT를 적용해 14.1인치의 AMOLED의 데모버전을 선보이기도 했다.

세 번째 이슈로는 소자의 구조가 있다고 발표했다. 박 교수는 top gate구조를 oxide TFT에 사용할 경우 기생 capacitor를 없앨 수 있어 효율을 높일 수 있지만 oxide TFT에 적용할 경우 공정이 어렵다는 단점이 있다고 밝히며 “하지만 JOLED에서 self-align을 사용할 경우 mask 수를 줄일 수 있고 특성이 좋아진다는 연구결과가 나왔으며 같은 구조를 LG 디스플레이에서 OLED TV에 적용하고 있다.”라고 발표했다.

박 교수는 마지막 이슈로 소자의 안정성을 꼽았다. Oxide TFT는 빛과 산소, 수소, 수분에 특성이 하락하는 degradation 현상이 나타날 수 있다. 특히 수소가 안정성에 큰 영향을 준다고 발표했다. 박 교수는 현재 OLED TFT의 주류는 LTPS이지만 패널이 대면적화 될수록 oxide와 LTPS와의 기술 경쟁이 나타날 것이고 cost efficiency와 해상도 등 다양한 factor에서 높은 성능을 발휘하는 TFT가 시장을 장악할 것이라고 밝히며 발표를 마쳤다.