Development of Effective Solution-processed Patterning Techniques for High-resolution Display Components

Abstract

디스플레이 구성 요소들의 발전이 유연 신축성 기판 하에서의 장치의 안정적 동작에 초점을 맞추고 있음에 따라, 용액 공정이 기존의 공정의 단점을 보완하기 위한 유망한 박막 형성 공정으로 주목을 받아왔다. 그 중에서, 잉크 재료를 직접 인쇄하는 방식은 공정 시 패터닝 마스크가 필요 없어 패터닝 자유도가 높은 공정이라는 점에서 많은 연구자들이 주목하여 다양한 연구 성과가 보고되었다. 인쇄 공정 중 하나인 잉크젯 프린팅 방식은 매우 신뢰성 있는 인쇄 방식임에도 불구하고, 패터닝의 해상도의 증가가 요구됨에 따라 새로운 고해상도 패터닝 기술 중 하나인 EHD 프린팅 공정 방식이 새로운 대안으로 제시되어 왔다. 본 논문에서는, 원하는 해상도에 따라 잉크젯 프린팅 공정이나 EHD 공정 기술을 선택하여 차세대 디스플레이의 다양한 구성요소들을 손쉽게 패터닝하는 기술에 대하여 제안하였다. 첫 번째로, 잉크젯 프린팅과 전사 공정을 결합한 은 나노와이어 투명 전극의 패터닝 기술을 제시하였다. 복잡한 은 나노와이어의 패터닝 기술은 은나노와이어 투명 전극의 상품화를 가로막고 있다. 은 나노와이어의 경우 훌륭한 전기적 광학적 특성과 기계적 안정성을 가지고 있어 ITO의 대체제로 언급되고 있음에도, 공정 시 패터닝 마스크를 교체해야 하고 고해상도의 마스크 제작시에는 높은 공정 단가가 필요하다는 단점이 존재한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 접착 물질이 섞인 PEDOT:PSS 전도성 폴리머를 원하는 기판에 프린팅하고 그 위에 은 나노와이어가 코팅된 스탬프를 부착시켜, 스탬프로부터 은 나노와이어를 선택적으로 전사시키는 직관적인 패터닝 공정을 개발하였다. 접착물질이 포함되어 있는 PEDOT:PSS를 원하는 패턴으로 인쇄하고, 그 위에 은 나노와이어를 선택적으로 전사함으로써 패터닝 마스크가 필요하지 않으며, 유연 기판 위에 손쉽게 패터닝할 수 있는 길을 열었다. 단순한 투명전극 패터닝 기술을 통해, 훌륭한 유연성을 가지는 디스플레이에 응용할 수 있다. 둘 째로, 은 나노와이어 전극 패턴의 해상도를 높이기 위한 최적화된 고수율 패터닝 기술을 개발하였다. 잉크젯 프린팅의 해상도의 한계와 전사 공정 시에 가해지는 외력에 의한 패턴의 손상은 30 마이크로미터 이하의 미세공정을 방해해왔다. 따라서 은 나노와이어 패턴의 해상도를 향상시키기 위한 최적화된 패터닝 공정이 필요하였고, PVA 물질을 은 나노와이어 층 아래 위치시키는 접착 물질로 선택하였다. PEDOT:PSS를 은 나노와이어 층 위에 프린팅하면, 프린팅된 PEDOT:PSS와 PVA층이 상호 침투 과정을 거쳐 강하게 결합한다. 은 나노와이어는 PEDOT:PSS 와 PVA 층 사이에 붙잡히기 때문에, PEDOT:PSS 패턴 아래에 존재하는 은 나노와이어는 패터닝 공정을 진행하는 동안 손실 없이 남아있게 된다. 본 공정에서 EHD 프린팅을 도입하여, PEDOT:PSS 잉크를 15 마이크로미터 너비의 미세한 패턴형태로 토출할 수 있다. PVA를 이용한 공정 방식의 또다른 장점은 신축성 기판위에 정밀한 패터닝이 가능하다는 점이다. 그러므로 이러한 패터닝 방식은 고해상도를 가지는 고전도도의 신축성 전자소자에 응용 가능하다. 마지막으로, QD가 섞인 폴리머 물질을 EHD 프린팅 공정을 통해 미세 패터닝하여 최적화된 색전환 구조의 제작을 진행하였다. 인쇄된 QD 층의 균일성을 높이기 위해, QD와 광경화 가능한 폴리머 물질을 섞는 공정이 선행되었다. 폴리머 내부에서의 QD의 뭉침 현상과 그에 따른 EHD 공정에서의 노즐 막힘을 방지하기 위해 ligand exchange 공정이 수행되었다. 공정이 수행된 QD의 경우 발광 파장과 흡광 스펙트럼과 같은 QD의 광특성을 유지하였다. 또한, 폴리머와 QD의 혼합물의 경우 고농도의 QD의 경우에도 안정적으로 토출되었다. 적절한 표면처리를 통해 인쇄된 색전환 구조의 경우 렌즈의 형태를 띄고 있었으며, 그 직경은 40 마이크로미터에서부터 20 마이크로 미터까지 조절되었다. 마이크로 LED 광원위에 원하는 두께로 QD 혼합물을 인쇄하였을 때, 혼합물층에 의한 효과를 확인하였으며, 혼합물 잉크는 폴리이미드나 엘라스토머 위에도 프린팅 할 수 있어 차세대 발광소자로 응용할 수 있는 길을 열었다.

As the development of the display components is focused on the stable operation of the devices on plastic and elastomeric platform, solution-process has received attention as a prospective deposition technique to supplement the drawbacks of the conventional process. Among them, numerous papers about the printing method of the material ink have been reported due to its high degree of patterning without needing an extra patterning mask. Although inkjet printing is a promising method, a demand for electrohydrodynamic (EHD) printing has emerged for high-resolution patterning technology. In this Ph.D. dissertation, I suggested facile patterning techniques of various elements for next-generation displays by utilizing inkjet printing or EHD printing according to the desired resolution. First, the complicated patterning process of the silver nanowire (AgNW) transparent electrodes hinders their commercialization. Although AgNWs have excellent optoelectronic properties and mechanical stability, which can be mentioned as replacements for indium tin oxide, the patterning mask of the AgNWs needs to be replaced for changing the patterns, and the expensive fabrication cost is required for the high-resolution mask. To overcome those issues, I developed a straightforward patterning method of the AgNWs based on the inkjet printing of the adhesive-blended poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) polymer patterns on the target substrate for transfer of AgNWs from the elastomeric stamp. The transfer process of AgNWs only onto the pre-printed polymer patterns enables a facile patterning without needing a patterning mask. The transfer-based patterning technique can be conducted on the plastic substrate, and the patterned AgNWs can be adopted to flexible display applications with superior flexibility. Second, the resolution limit of the inkjet-printing process and the external force during the lamination of AgNW-coated PDMS stamp interrupted the fine patterning of the AgNWs with a feature size under 30 µm. Therefore, an optimized patterning approach should be needed to enhance the resolution of the AgNW patterns. Poly(vinyl alcohol) (PVA) was selected as an adhesive located under the spray-coated AgNW. When the printed PEDOT:PSS was deposited on the AgNWs, the conductive polymer and underlying PVA layer formed an interpenetration network. As a result, the AgNWs were captured between the PEDOT:PSS and PVA layer, and the AgNWs with a formation of the previously printed PEDOT:PSS pattern remained without damage after the removal process. The EHD printing of the PEDOT:PSS was also implemented to demonstrate precise micropatterns with a width down to 15 µm. Another advantage of the PVA-assisted method is the precise patternability of the AgNWs on the elastomeric substrate. Therefore, this patterning approach can be applied to highly conductive and stretchable electronics with high resolution. Finally, I investigated the optimized patterning process of the quantum dot (QD) color conversion structure with EHD printing. To improve the uniformity of the printed QD layer, producing a mixture of photocurable polymer and QD was preceded. The ligand exchange treatment was conducted to prevent the aggregation of QD in the polymer matrix and resulting nozzle clogging during the EHD printing. The ligand-exchanged QD maintained its optical properties, such as emission wavelength and absorbance spectrum. In addition, the composite of polymer and QD showed stable jetting conditions even in the case of a high concentration of the QD. Through the proper surface treatment, the printed color conversion structure was formed in a lens-shaped structure with a diameter from 40 µm to 20 µm. After printing the composite on the micro-LED light sources with the desired thickness, the composite layer demonstrated its color-conversion effect. Furthermore, the blended QD ink can be printed on the surface of the polyimide and elastomer, which can pave the way for next-generation light-emitting devices.