기판 전극 광원
Bottom emitting – bottom contact Top emitting – top contact Brain
나) OPD 향상 기술 개발
- OPD 향상을 위해서는 주입되는 전하량이 높아야 하고 이를 위해 p-type 또는 n-type 도핑 등의 적용이 필요함.
아래 그림과 같이 배면발광 OLED소자 구조에서 전자 주입층에 Li도핑을 통해 n-type 도핑층을 도입하고, normal 구 조와 inverted구조에 따른 소자의 OPD를 비교함. 제작된 소자의 측정 결과 아래 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 inverted 구조가 normal 구조보다 동일 전압에서 더 높은 휘도를 보이는 것을 확인함.
그림 38 (좌) normal 구조, (우) inverted 구조
그림 39 소자 구조에 따른 (좌) 전압-전류밀도 및 (우) 휘도 특성
- 아래 그림에서 확인할 수 있는 바와 같이 소자 구조 및 각 기능 층 두께에 따라 서로 다른 OPD 특성을 보이며, inverted structure가 normal structure 보다 더 높은 OPD를 보임. Inverted 구조에서 HTL의 두께가 35 nm, ETL1의 두께가 20 nm 일 때, OPD는 0.60 mW/mm2 로 가장 높은 값을 보임.
그림 40 소자 구조 및 두께에 따른 OPD 특성
- 이러한 결과를 바탕으로 청색 inverted 구조 OLED(활성자극 광원)를 PI 기판에 적용 및 Atomic Layer Deposition (ALD) 공정이 적용된 Al2O3 박막을 상부 박막 봉지층으로 적용하여 소자를 제작함. 아래 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 PI기판에 상부 박막 봉지를 적용하였을 경우 글래스 기판 및 글래스 봉지를 적용한 소자에 비해 OPD가 약 34.5% 감소하나, 1차년도 목표값인 0.3 mW/mm2를 달성함.
그림 41 기판, 전극 및 봉지조건에 따른 OPD 특성
- 아래 그림에서 나타낸 바와 같이 PI 기판 및 SiNx 층이 있는 소자의 경우 PI 기판 내의 반사로 인해 전계발광 스 펙트럼의 모양이 변하였으나, peak 파장 위치 및 반치폭은 크게 변하지 않는 것을 확인할 수 있음.
그림 42 기판, 전극 및 봉지조건에 따른 정규화된 전계발광 스펙트럼
- 추가 적인 OPD 향상 기술 검토를 위해, 아래 그림에 나타낸 구조의 inverted 청색 OLED를 적층한 tandem 소자를 제작 및 평가함. Tandem 구조를 적용함으로써, single 소자에 비해 좀 더 OPD가 향상되는 효과를 확인. 특히, Micro lens array (MLA)를 적용할 경우 OPD가 20% 정도 상승됨을 확인.
그림 43 청색 Tandem (좌) 소자 구조 및 (우) HTL 두께에 따른 소자의 OPD 특성 및 발광이미지
- 아래 그림에 나타낸 스펙트럼 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이, Tandem 구조에서도 약 460 nm peak 파장을 갖는 발광 스펙트럼이 잘 유지되었고, HTL 두께에 따라 발광 스펙트럼의 변화는 없었음.
그림 44 HTL 두꼐에 따른 inverted 청색 tandem OLED 소자의 정규화된 전계발광 스펙트럼
- Top-emitting 구조의 광원을 적용하게 되면. 기판의 투과도를 고려하지 않아도 되는 장점이 있음. 일반적으로 유연 기판으로 사용되는 Polyimide (PI)의 경우, 광자극을 위해서 사용하는 파장인 460 nm에서 흡수가 있기 때문에, 광 손실이 생길 수 있음. 생체자극을 위해서는 OPD（optical power density)를 높이는 것이 중요하므로, 광손실을 줄 이는 것이 필요함.
- 아래 그림과 같은 구조의 top-emitting OLED를 Glass 기판 및 PI 기판 위에 제작함. 광학적 특성 변화를 위해서 HTL의 두께를 30 nm ~ 60 nm로 변경하였고, 각 소자의 OPD를 적분반구를 이용하여 측정하였음. HTL의 두께가 증가함에 따라 소자의 OPD가 감소하는데, 이는 소자의 발광 파장과 OLED의 공진구조가 SHTL이 30 nm에서 가장 잘 맞고, 두께가 두꺼워지면서 공진파장도 장파장으로 이동함에 따라 발광파장과의 간섭이 작아지기 때문임.
S1 S2 S3 S4
NPB 60 nm
Ag 25 nm
HIL 2 nm
ETL 300 nm
BH:BD (%) 20 nm
HTL 30 nm 40 nm 50 nm 60 nm
HIL 10 nm
Al 100 nm
Substrate Glass or Polyimide
@ 20 mA S1 S2 S3 S4
Glass 0.365 mW/mm2
0.35 mW/mm2
0.29 mW/mm2
0.23 mW/mm2
PI - - 0.28
mW/mm2
0.23 mW/mm2
그림 46 top emitting OLED 구조 및 구조에 따른 OPD
- 아래 그림에서 확인할 수 있는 바와 같이 HTL의 두께가 두꺼워진다고 하더라도 전기적으로는 크게 변화가 없고, 발광 스펙트럼의 경우에는 장파장 방향으로 peak이 이동하는 것을 확인할 수 있음.
그림 47 HTL의 두께에 따른 전류-전압-휘도 특성 및 발광 스펙트럼 변화
- S3와 S4 구조에서의 결과를 보면, Glass 기판 및 PI 기판에서 소자의 OPD가 거의 같게 나오는 것을 확인할 수 있 음. (S1 및 S2 구조에서는 소자 측정 못함.) 전기적 특성도 크게 차이가 없고, 발광 스펙트럼도 동일한 것을 아래 그림을 통해서 확인할 수 있음.
그림 48 S1 구조에서 기판의 종류에 따른 소자의 특성
다) 유연전극을 이용한 10ch 광자극 어레이 개발
그림 49 광자극/생체전극 복합어레이 구조 모식도. (a) 상부발광/상부접합 구조, (b)하부발광/하부접합 구조
- 생체신호 감지 및 광자극을 위해 유연전극을 활용하여 임플란터블 광자극 어레이를 개발하고자 함. 광자극과 생체 신호 감지를 진행하기 위해서는 위의 그림에서 나타낸 것과 같이 크게 2가지 타입으로 제작될 수 있음. 우선 위의 그림 (a)에서 보는 것과 같이 상부발광/상부접합 구조로 제작하는 것임. 상부접합구조로 제작할 경우 뇌가 제작된 소자 위쪽으로 접합되게 되며 이 때 광자극을 진행하기 위해서는 상부발광구조의 광원을 사용해야 함. 상부발광구 조의 경우 하부전극이 불투명하게 설계되고 상부전극이 투명하게 설계됨. 이러한 구조의 장점으로는 광원의 상부 에 폴리머가 없으므로 광손실 없이 광자극을 할 수 있는 장점이 있음. 반면 상부투명전극의 재료적 제약으로 인해 다소 높은 반사율의 상부투명전극을 사용해야 하며 이로 인한 공진구조 형성으로 광원의 파장이 제한되고 효율이 나빠질 수 있음. 위의 그림 (b)에 나타낸 구조는 하부발광/하부접합 구조로 이 경우 광원의 하부전극으로 투명전극 을 사용하고 상부전극으로 고반사율의 전극을 사용함. 하부에 투명전극을 생성하기 때문에 높은 자유도의 투명전 극 물질을 선택할 수 있으며 반사율이 낮은 전극을 사용함으로써 공진구조로 야기되는 여러 가지 문제점으로부터 자유로울 수 있음. 이에 본 광자극 어레이에서는 하부발광구조를 이용하여 10채널을 가지는 광자극 어레이를 제작 하고자 함.
- 광자극을 하기 위해서는 두개골을 직접 열어 뇌에 부착해야 함. 이 때 쥐의 두개골을 수술을 통해 열어야 하는데 쥐의 뇌의 크기가 작고 생존상태에서 측정하기 위해서는 두개골 절개가 1.5mm x 1.5mm 이내의 크기만 가능함.
이러한 수술적 한계로 인해 광자극 OLED 광원의 크기는 약 200um로 결정함.
- 광자극에 의한 뇌의 영향을 확인하기 위해서는 전기신호의 검출이 필요하며 이를 위해 유연 광자극 어레이 내부 에 자극을 측정하기 위한 전극 부착용 hole을 삽입함.
- OLED 광원을 제작하기 위해서는 유기물 증착 시스템을 장비의 공정마진을 고려한다면 OLED의 align margin은 최 소 150um를 확보해야 함. 또한 OLED를 증착한 후 패터닝 공정을 진행할 때 OLED의 손상을 방지하기 위해서는 외곽-OLED간의 간격이 200um이상이어야 함. 따라서 이 2가지를 고려하면 외곽-OLED의 공정마진이 350um가 필 요함. 이상을 정리하면 아래 그림과 같음.
그림 50 동물 실험을 위한 임플란터블 광원 요구사항
- 임플란터블 유연 광자극 어레이를 설계하기 위해서는 공정마진이 확보되어야 함. 아래 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 얼라인 마진 문제로 인해 2가지 문제가 생김. 우선 OLED마진으로 1.5mm x 1.5mm 이내 광자극 측정용 hole 이 들어가지 않음. 두번째로 중앙에 hole을 뚫을 경우 cathode 마진이 최대 300um로 공정장비가 요구하는 350um 를 확보할 수 없음. 이상의 문제점을 요약하면 아래 그림과 같음.
-그림 51 임플란터블 광원 설계 이슈
- 임플란터블 유연 광자극 어레이를 설계하기 위해 우선적으로 어레이를 제작하기 위한 공정을 확립하였음. 공정 순 서의 경우 높은 온도의 공정을 먼저 제작하고 낮은 온도의 공정을 나중에 제작하고자 하였으며 기보유한 기술을 최대한 활용하고자 하였음. 임플란터블 광원을 제작하기 위한 공정을 나타내면 아래 그림과 같음.
그림 52 임플란터블 광원 공정 모식도
- 우선 PI를 코팅하고 etch stopper및 OLED의 배리어 역할을 할 수 있는 물질을 증착함. 이후 전극을 형성하고 상부 PI를 덮은 후 패터닝함. 이때 PI의 소결공정이 450도로 진행됨. 패터닝된 PI와 전극 위에 300도 공정을 이용하는 ITO를 형성하고 100도 이내의 공정이 가능한 OLED를 증착함. 이후 100도 이내의 공정으로 thin film encapsulation 및 패터닝을 진행하고 마지막으로 LLO를 통해 PI를 유리기판으로 떼어내어 유연한 임플란터블 광자극 어레이를 완성시킴. 이러한 공정을 바탕으로 임플란터블 광원을 아래 5개 그림에 나타낸 바와 같이 설계하였음.
그림 53 임플란터블 광원 설계도면 OLED부
- 광자극 부분은 광원의 개수는 10개로 설계하였고 전기자극 측정용 hole은 2개로 설계하였음. 광원에 전원을 공급 하기 위한 배선의 굻기는 40um, 배선 간격은 30um로 설계함. cathode는 모든 광원에 물리게 되며 cathode 폭은 50um로 설계하였음. skull에 직접 닿는 부분은 아래 그림에 좀 더 자세히 나타내었음.
그림 54 임플란터블 광원 설계도면 OLED부 – 상세
- ITO와 배선이 겹쳐지는 부분은 25um로 설계하였고 ITO의 면적은 마진을 고려하여 245um x 220um로 설계하였음.
실제 OLED pixel의 면적은 200um x 200um로 설계하였음. 아래 그림에서 설명한 바와 같이 이렇게 설계할 경우 cathode의 공정마진이 300um로 부족해짐. 하지만 좌우 마진이 더 이상 없으므로 이 경우 좀 더 세밀한 공정을 통 해 50um 오차를 극복하기로 함. 다른 문제점으로는 상하 마진의 경우 250um로 100um나 부족하게 됨. 이를 해결 하기 위해 아래 그림에서 나타낸 것과 같이 상하 offset을 -100~+100um로 설계하여 마진을 확보하였고 이 중 공
실제 OLED pixel의 면적은 200um x 200um로 설계하였음. 아래 그림에서 설명한 바와 같이 이렇게 설계할 경우 cathode의 공정마진이 300um로 부족해짐. 하지만 좌우 마진이 더 이상 없으므로 이 경우 좀 더 세밀한 공정을 통 해 50um 오차를 극복하기로 함. 다른 문제점으로는 상하 마진의 경우 250um로 100um나 부족하게 됨. 이를 해결 하기 위해 아래 그림에서 나타낸 것과 같이 상하 offset을 -100~+100um로 설계하여 마진을 확보하였고 이 중 공