사진=유연기판 위의 트렌지스터 특성

유연 OLED 디스플레이는 얇고 가벼워 휴대성이 뛰어나고 임의의 형태로 패널 구현이 가능해 차세대 디스플레이로 주목받고 있다. 유연 디스플레이 제작 시 기판은 높은 온도에서 공정이 가능하게끔 유리전이온도가 높고 열팽창계수가 작은 폴리이미드(PI)를 많이 사용하고 있다.

하지만 최근 폴리이미드 기판에 제작된 트렌지스터 특성저하로 인하여 양산에 어려움을 격고 있다. OLED 디스플레이는 트랜지스터에 흐르는 전류의 양으로 디스플레이의 밝기를 제어해야 하는데 트랜지스터의 불안정성으로 인하여 디스플레이의 수율 향상에 어려움을 격고 있다.

이에 성균관대 전자전기공학부 최병덕 교수 연구팀(제1저자 반도체 디스플레이 김효중 박사과정)은 삼성디스플레이 박종우 전무와 공동연구를 통해, 유연 기판에서 제작된 트랜지스터의 신뢰성 메카니즘을 규명하여 유연 디스플레이의 고질적인 문제를 극복하였다.

우선 실제 유리 기판과 유연 기판에서 제작된 트랜지스터에 전기적인 스트레스를 동일하게 인가하여 유연 기판에서 제작된 트랜지스터에서 문턱전압 특이 거동이 발생되는 것을 확인했다. 또한 이러한 비정상적인 문턱전압의 이동은 디스플레이에서 잔상을 유발시킬 수 있다는 것을 입증했다.

사진=polyimide 충전 현상의 개략도 (b) 전기적 스트레스 이후의 기판에 따른 트랜지스터의 문턱 전압의 변화(유리 기판

연구팀은 샘플 캐패시터를 제작하고 스트레스 전후 캐패시턴스–전압 분석 방법을 사용해 유연기판과 실리콘산화막 사이의 계면에서 극성이 유도됨을 확인했다. 실제 스트레스 전후 유기막과 무기막 계면에서의 축적된 전하를 추출하여 시물레이션을 통해 실제 트랜지스터 문턱전압의 비정상인 이동을 유발시키는 원인이 될 수 있다는 것을 검증했다.

나아가 연구팀은 물리적 분석 방법을 통해 유연기판의 충전 현상에 관한 원인이 전기적 스트레스 이후 유연기판에서 기인된 플루오린 이온 때문인 것을 밝혔다.

최병덕 교수는 “유연 기판에서 제작된 트랜지스터의 비이상적인 문턱전압 거동에 대한 원인을 규명한 것으로, 향후 유연기판 기반으로 제작된 유연 소자의 안정성을 획기적으로 개선하는데 큰 역할을 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

본 연구는 산업통상자원부 산업혁신인재성장지원사업의 재원으로 한국산업기술진흥원(KIAT)의 지원을 받아 수행(2020년 차세대디스플레이 동정, 장비, 소재 전문인력 양성사업, 과제번호 : P0012453)되었으며, 연구결과는 권위 있는 국제 학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 4.16(금) 게재되었다.

* 논문명 : Threshold Voltage Instability and Polyimide Charging Effects of LTPS TFTs for Flexible Displays