플렉서블 디스플레이는 다양한 형태로 구현이 가능해 휴대폰, 태블릿 뿐만 아니라 전자책, 롤러블 TV, 의류 및 의료 등 다양한 분야에 적용할 수 있다. 현재 디스플레이 시장에서 양산되고 있는 플렉서블 디스플레이는 높은 온도에서 공정이 가능하게끔 유리전이온도가 높고 열팽창계수가 작은 polyimide(PI)를 기판으로 사용하고 있다.

하지만 최근 PI 기판 위에 제작된 트랜지스터에 전압, 온도 스트레스가 인가되었을 때 문턱전압의 비이상적인 거동에 대한 이슈가 많이 보고되고 있다. 트랜지스터의 비이상적인 거동은 플렉서블 OLED 디스플레이의 휘도 차이를 발생시켜 잔상을 유발시킬 수 있다.

이에 성균관대 전자전기공학부 최병덕 교수 연구팀(제1저자 김효중 박사)은 이러한 비정상적인 문턱전압의 유발을 방지하는 새로운 구조의 트랜지스터를 제안했다.

연구팀은 앞선 연구에서 유리 기판과 PI 기판에서 제작된 트랜지스터에 전기적인 스트레스를 동일하게 인가하여 PI 기판에서 제작된 트랜지스터에서 문턱전압 특이 거동이 발생되는 것을 확인하고, 이러한 비정상적인 문턱전압의 이동은 디스플레이에서 잔상을 유발시킬 수 있다는 것을 입증했다. 나아가 전기적, 물리적 분석 방법을 통해 PI 충전 현상의 원인이 전기적 스트레스 이후 PI에서 기인된 플루오린 이온 때문인 것을 밝혔다.

이번 연구에서는 전압, 온도 스트레스 이후 PI로부터 유발된 플루오린 이온이 극성을 띠는 것을 방지하지 위해 barrier 막을 SiOCH/SiO2로  제안했다. barrier 막은 반도체 층 아래에 증착되어 OLED나 TFT에 산소 및 수분 침투 방지의 역할을 하며, SiOCH 막은 유전율이 낮으며 절연체 특성이 우수하다고 알려져 있다. 스트레스 이후 PI로부터 유발된 전자친화도가 높은 플루오린 이온을 SiCOH 막내 상대적으로 약한 본딩을 가진 Si-C 결합이 Si-F로 대체되어 극성 유발 현상이 발생하지 않는 것을 규명하였다. 실제 트랜지스터에서는 비정상적인 문턱전압의 변동이 일어나지 않고, 최종적으로 디스플레이 패널에서 잔상이 개선되는 것을 확인했다.

최병덕 교수는 “polyimide 기판에서 제작된 트랜지스터의 비이상적인 문턱전압 거동에 방지할 수 있는 새로운 구조의 트랜지스터를 제안한 것으로, 향후 유연 소자의 화질 문제를 개선하는데 큰 역할을 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

본 연구는 한국연구재단(과학기술부)의 지원(No.2021R1F1A1061206)을 받아 수행되었으며, 연구결과는 국제 학술지 ACS applied materials & interfaces(IF: 9.229)에 3.16(수) 게재되었다.

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