폴더블 장치 및 그 제조 방법

발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 발광 장치는 평평하고 단단한 형태에서 구부러지거나 유연한 형태로 발전해왔습니다.

• 특히 2차원 구조에서는 볼 수 없는 새로운 특성을 제공하는 3D 구조 디스플레이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

• 하지만 발광 소재 자체의 한계와 각 부품 간의 결합 문제로 인해, 복잡한 3D 구조를 안정적으로 구현하는 데에는 기술적인 어려움이 있었습니다.

기술의 필요성

• 기존의 한계를 극복하고, 자유롭게 2D와 3D 형태를 오가며 다양한 3차원 구조를 형성할 수 있는 새로운 구조의 폴더블 장치가 필요합니다.

• 형태가 변형된 후에도 안정성과 우수한 성능을 유지하며, QLED와 같은 다양한 소자에 적용될 수 있는 범용적인 제조 방법의 개발이 시급합니다.

구현 방법

기술의 원리

본 발명은 소자층 위에 '폴딩층'과 '에칭 정지층'을 쌓고, 레이저를 이용해 폴딩층만 선택적으로 정밀하게 에칭하여 접히는 선(폴딩 라인)을 만드는 새로운 구조를 제안합니다. 이를 통해 복잡한 3D 구조를 자유자재로 구현할 수 있습니다.

• 소자층 (QLED): 실제 빛을 내는 QLED 소자가 배치되는 층으로, 상하부 인캡슐레이션층이 수분과 공기로부터 소자를 보호합니다.

• 에칭 정지층 (Etch Stop Layer): 소자층과 폴딩층 사이에 위치하며, 레이저 에칭 시 소자층이 손상되지 않도록 보호하는 역할을 합니다. 레이저 에칭 문턱값이 높은 Ag, Cu, Au 등의 금속이 사용됩니다.

• 폴딩층 (Folding Layer): 에칭 정지층 위에 배치되는 폴리머(예: 에폭시 수지) 층입니다. 레이저로 이 층을 부분적으로 에칭하여 '폴딩 라인'을 형성하면, 장치가 이 라인을 따라 쉽게 접힐 수 있습니다.

• 이중 에칭 정지층 구조: 레이저 에칭 문턱값이 서로 다른 두 개의 에칭 정지층(예: 순수 Ag와 Ag-Al 합금)을 사용하면, 레이저 강도를 조절하여 에칭 깊이를 두 단계로 제어할 수 있습니다. 이를 통해 완만한 폴딩과 예리한 폴딩을 하나의 장치에서 동시에 구현하는 등 더욱 복잡한 3D 구조 제작이 가능해집니다.

구체적인 구현 방법

1. 소자층 형성: 기판 위에 QLED 소자를 포함하는 소자층을 형성합니다.

2. 에칭 정지층 및 폴딩층 형성: 소자층 위에 제1 에칭 정지층, 제1 폴딩층, 제2 에칭 정지층, 제2 폴딩층을 순서대로 증착합니다.

3. 레이저 부분 에칭: 전력 제어가 가능한 레이저를 사용하여 원하는 패턴으로 최상단 폴딩층(제2 폴딩층)을 부분적으로 에칭하여 1차 폴딩 라인을 형성합니다.

4. 선택적 2차 에칭: 더 강한 레이저 에너지로 제2 에칭 정지층을 제거하고, 그 아래의 제1 폴딩층을 에칭하여 2차 폴딩 라인을 형성합니다.

5. 기판 분리: 에칭 공정이 완료된 후, 초기 공정에 사용된 기판을 분리하여 초박형 폴더블 장치를 완성합니다.

기술의 장점

• 자유로운 2D-3D 변형: 간단한 압축력만으로 평면(2D)에서 입체(3D) 구조로 쉽게 변형할 수 있으며, 비행기, 나비, 별 등 다양한 맞춤형 3D 아키텍처 제작이 가능합니다.

• 우수한 안정성 및 성능: 에칭 정지층이 레이저 에칭과 기계적 변형 과정에서 소자를 완벽하게 보호합니다. 수차례의 복잡한 폴딩 후에도 모든 픽셀이 손상 없이 안정적인 발광 특성을 유지합니다.

• 정밀한 폴딩 제어: 이중 에칭 정지층 구조와 레이저 강도 조절을 통해 에칭 깊이를 제어함으로써, 폴딩의 곡률 반경을 정밀하게 조절할 수 있습니다.

• 높은 범용성 및 제조 편의성: QLED 뿐만 아니라 다양한 전자 소자에 적용 가능하며, 2D 장치의 사전 프로그래밍과 레이저 에칭만으로 쉽게 제조할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구에서는 제안된 폴더블 장치 구조의 실효성을 검증하기 위해, 에칭 정지층의 효과, 레이저 에너지를 통한 에칭 깊이 제어 가능성, 그리고 기계적 변형에 따른 장치의 전기적 안정성을 평가하는 실험을 수행하였습니다.

실험 방법 및 과정

1. 소재별 에칭 문턱값 분석: Ag, ITO, Al, 에폭시 등 각 소재에 레이저를 조사하여 에칭이 시작되는 문턱값 에너지를 측정하고 비교 분석하였습니다.

2. 에칭 깊이 제어 실험: 서로 다른 에칭 정지층 구성을 가진 4가지 장치(A, B, C, D)를 준비하고, 레이저 에너지 크기를 변화시키며 에칭되는 깊이를 측정하여 에칭 정지층의 단계별 제어 효과를 확인하였습니다.

3. 벤딩 및 안정성 테스트: 에칭 깊이를 다르게 한 장치들에 동일한 압축 스트레인을 가하여 벤딩 반경의 변화를 측정하고, 폴딩 후에도 QLED의 전류-전압(J-V) 특성이 안정적으로 유지되는지 확인하였습니다.

실험 결과

실험 결과, Ag(은)는 다른 소재에 비해 월등히 높은 레이저 에칭 문턱값을 보여 에칭 정지층으로서 매우 효과적임을 확인했습니다. Ag 에칭 정지층이 있는 경우, 레이저 에너지를 높여도 폴딩층인 에폭시만 선택적으로 제거되고 QLED 소자층은 손상되지 않았습니다.

특히, 에칭 깊이를 다르게 한 장치들의 벤딩 실험에서 에칭 깊이가 깊을수록(10μm 에칭) 더 작은 벤딩 반경(0.047mm)으로 예리하게 접히는 것을 확인하여, 에칭 깊이 조절을 통해 폴딩 형태를 제어할 수 있음을 증명했습니다.

또한, 예리한 폴딩을 포함한 다양한 기계적 변형 후에도 QLED의 전기적 특성은 안정적으로 유지되어, 본 기술의 높은 안정성과 신뢰성을 입증하였습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 동적 3D 디스플레이: 보는 각도에 따라 다른 정보를 표시하는 팝업형 3D 디스플레이, 웨어러블 기기 등에 활용할 수 있습니다.

• 종이접기(Origami) 전자공학: 비행기, 나비, 피라미드, 별, 개구리 등 복잡한 형태로 접을 수 있는 전자 장치 및 로봇 개발에 적용 가능합니다.

• 다기능 스크린: 하나의 큰 화면을 여러 개의 서브 스크린으로 나누어 사용하는 다기능, 다중 화면 디스플레이를 구현할 수 있습니다.

• 의료 및 헬스케어: 인체에 부착하거나 삽입할 수 있는 유연하고 변형 가능한 의료 기기 및 센서 개발에 응용할 수 있습니다.

기대효과

• 차세대 디스플레이 시장 선점: 기존 폴더블 기술을 뛰어넘는 완전한 3D 변형 기술을 통해 차세대 디스플레이 시장에서 기술적 우위를 확보할 수 있습니다.

• 새로운 애플리케이션 창출: 기존에 없던 형태의 전자제품 디자인을 가능하게 하여, 스마트폰을 넘어 다양한 산업 분야에서 새로운 시장과 부가가치를 창출할 것으로 기대됩니다.

• 제조 공정 혁신: 레이저를 이용한 간편한 사전 프로그래밍 방식으로 복잡한 3D 구조를 구현함으로써, 제조 비용과 시간을 절감하는 공정 혁신을 이끌 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

폴더블 디스플레이 및 QLED 기술 시장은 폭발적인 성장세를 보이고 있습니다. 폴더블 디스플레이 시장은 2030년 349억 4,300만 달러 규모에 이를 것으로 전망되며(CAGR 19.57%), 특히 폴더블폰 OLED 패널 시장은 2029년까지 5,000만 대를 넘어설 것으로 예상됩니다.(출처) (출처)

양자점 디스플레이(QLED) 시장 또한 2032년까지 452억 7,000만 달러 규모로 성장(CAGR 29.2%)할 것으로 예측되는 등, 본 기술이 적용될 전방 시장의 성장 잠재력은 매우 높다고 할 수 있습니다.(출처)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

폴더블 디스플레이 시장은 한국의 삼성과 LG가 기술을 주도하는 가운데, 중국의 BOE, 화웨이 등이 정부의 지원을 등에 업고 빠르게 추격하는 양상입니다. 최근 중국 BOE는 삼성디스플레이를 제치고 폴더블 패널 시장 점유율 1위를 차지하기도 했습니다. 2026년으로 예상되는 애플의 시장 진입은 경쟁을 더욱 심화시키고 시장 성장을 가속화할 중요한 변수가 될 전망입니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 소비자 가전의 혁신: 스마트폰 시장의 성숙기에 접어들면서, 폴더블과 같은 새로운 폼팩터가 소비자들의 교체 수요를 자극하는 핵심 동력으로 작용하고 있습니다.

2. 애플리케이션 확장: 스마트폰을 넘어 태블릿, 노트북, 웨어러블 기기 및 자동차용 디스플레이로 폴더블 기술의 적용이 확대되면서 새로운 성장 기회가 열리고 있습니다.

3. 차세대 기술과의 융합: 증강현실(AR)/가상현실(VR) 헤드셋, 투명 디스플레이 등 미래 기술과 결합하여 몰입감 높은 사용자 경험을 제공하며 시장을 확장할 잠재력이 큽니다.