[논문]Needle 코팅을 이용한 미세 PEDOT:PSS 스트라이프 제작

이진영; 박종운

Needle 코팅을 이용한 미세 PEDOT:PSS 스트라이프 제작
Fabrication of Fine PEDOT:PSS Stripes Using Needle Coating 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.18 no.3, 2019년, pp.100 - 104

이진영 (한국기술교육대학교 창의융합공학협동과정) , 박종운 (한국기술교육대학교 전기.전자.통신공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

We have investigated the feasibility of fabricating fine stripes using needle coating for potential applications in solution-processed organic light-emitting diodes (OLEDs). To this end, we have employed an aqueous poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) solution that has been widely used as a hole injection layer (HIL) of OLEDs and performed needle coatings by varying the process parameters such as the coating gap and coating speed. As expected, the stripe width is reduced with increasing coating speed. However, the central thickness of the stripe is rather increased as the coating speed increases, which is different from other coating processes such as slot-die and blade coatings. It is due to the fact that the meniscus formed between the needle tip and the substrate varies depending sensitively on the coating speed. It is also found that the stripe width and thickness are reduced with increasing coating gap. To demonstrate its applicability to OLEDs, we have fabricated a red OLED stripe and obtained light emission with the width of about 90㎛.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 needle 코팅을 이용하여 OLED화소 형성에 적용할 수 있는 미세 PEDOT:PSS stripe 제조 가능성을 연구하였다. 외경 210μm, 내경108μm를 갖는 needle을 이용하여 토출량 0.
본 연구에서는 슬롯 다이 코팅 외에도 니들 코팅(needle coating)을 이용하여 미세 stripe 박막 형성이 가능한지 연구하였다. Needle 코팅 기술은 미세한 시린지(syringe) needle을 사용하여 미세 패턴을 형성하는 기술로 비용이 저렴하고 공정이 간단한 장점을 가지고 있다.

제안 방법

코팅 도중 needle tip 과 기판 사이에 형성되는 메니스커스(meniscus) 및 용액 분포를 area scan camera (acA1300-30gm, BASLER)를 사용하여 측정하였다. 3D laser microscope (VK-8700, KEYENCE)를 사용하여 코팅된 stripe의 프로파일을 측정하였다.
다음으로 코팅 갭에 따른 박막 특성 변화를 조사하기 위하여 최적(고) 코팅속도 27 mm/s에서 코팅 갭을 20μm, 50μm, 70μm로 변화시키며 코팅을 진행하였다.
001ml/min, 코팅 갭 70μm, 코팅 속도 27 mm/s에 서 폭 91 μm와 두께 98nm를 갖는 PEDOT:PSS stripe를 제조하였다. 또한 이를 이용하여 비슷한 폭(발광)을 갖는 인광 적색 OLED stripe를 제작하는데 성공하였다. 본 연구에서 다른 코팅(슬롯, 블레이드) 공정과 달리, needle 코팅은 코팅 속도가 증가할수록 오히려 중심두께가 증가하는 현상을 발견하였다.
롤 필름 위에 needle 코팅을 이용하여 토출량 0.001ml/min, 코팅 갭 70μm, 코팅 속도 27 mm/s에서 미세 PEDOT:PSS를 stripe 코팅 한 뒤 열 증착기(thermal evaporator)를 사용하여 적색 인광 OLED 소자를 제작하였다.
마지막으로 needle 코팅을 습식기반 OLED 디스플레이 공정에 적용할 수 있는지 알아보기 위하여 전도성 PEDOT:PSS (PH1000, Clevios)를 이용하여 미세 OLED stripe를 제작하였다 (Fig. 7). 롤 필름 위에 needle 코팅을 이용하여 토출량 0.
먼저 needle 코팅의 여러 변수들을 조절하여 최소 코팅폭을 형성할 수 있는 최적의 조건을 조사하였다. 이를 위해 코팅 갭은 20μm, 유량은 0.
발광층(EML, emission layer)으로는 4,4'-bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl (CBP)에 Bis[2-(3,5-dimethylphenyl)-4-methyl-quinoline] (acetylacetonate) iridium(III) Ir(mphmq)2acac을 8wt% 도핑하여 15nm 두께로 증착하였다.
이를 위해 코팅 갭은 20μm, 유량은 0.001ml/min로 설정한 후 코팅 속도를 변경하며 stripe 폭 및 두께 변화를 측정하였으며 그 결과를 Figs.
Needle 코팅을 디스플레이나 반도체 분야에 적용하기 위해서는 보다 좁은 폭을 갖는 스트라이프 박막을 형성할 필요가 있다. 이를 위해서 코팅 시 needle에 형성되는 용액 분포를 정밀하게 분석하였으며 코팅 갭, 코팅 속도 등 공정 변수(process parameters)에 따른 박막 특성 변화를 측정/분석하였다.
발광층(EML, emission layer)으로는 4,4'-bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl (CBP)에 Bis[2-(3,5-dimethylphenyl)-4-methyl-quinoline] (acetylacetonate) iridium(III) Ir(mphmq)2acac을 8wt% 도핑하여 15nm 두께로 증착하였다. 정공 차단층(HBL, hole blocking layer)으로는 4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (Bphen)을 10nm 증착하였으며, 전자 수송층(ETL, electron transport layer)으로는 tri-(8-hydroxyqunoline) aluminum (Alq3)를 30nm 증착하였다. 전자 주입층(EIL, electron injection layer)으로는 lithium fluoride (LiF)를 사용하여 1nm 두께로 증착한 후 음극으로 aluminum (Al)을 100nm 두께로 증착하였다.
1wt% 첨가하였다. 최소 폭을 갖는 stripe을 제작하기 위하여 코팅 속도(coating speed), 기판과 needle 간의 코팅 갭(gap) 등의 변수들을 조절하면서 코팅을 진행하였다. 코팅 도중 needle tip 과 기판 사이에 형성되는 메니스커스(meniscus) 및 용액 분포를 area scan camera (acA1300-30gm, BASLER)를 사용하여 측정하였다.
최소 폭을 갖는 stripe을 제작하기 위하여 코팅 속도(coating speed), 기판과 needle 간의 코팅 갭(gap) 등의 변수들을 조절하면서 코팅을 진행하였다. 코팅 도중 needle tip 과 기판 사이에 형성되는 메니스커스(meniscus) 및 용액 분포를 area scan camera (acA1300-30gm, BASLER)를 사용하여 측정하였다. 3D laser microscope (VK-8700, KEYENCE)를 사용하여 코팅된 stripe의 프로파일을 측정하였다.
1(b)와 같이 needle을 거치대에 고정한 후 polyethylene terephthalate (PET) 롤 기판 필름과 수직이 되도록 설치하였으며 시린지 펌프(11 Elite I/W single, Harvard Apparatus)와 연결하였다. 코팅 용액으로 OLED 정공 주입층(hole injection layer, HIL)용으로 널리 쓰이는 수계 PEDOT:PSS (Clevios AI 4083)을 사용하였으며 젖음성을 높여 용액이 필름 위에 코팅이 잘되도록 하기 위해 불소계 계면활성제를 0.1wt% 첨가하였다. 최소 폭을 갖는 stripe을 제작하기 위하여 코팅 속도(coating speed), 기판과 needle 간의 코팅 갭(gap) 등의 변수들을 조절하면서 코팅을 진행하였다.

대상 데이터

실험을 위해 210μm 외경과 108μm 내경을 갖는 needle(Hamilton 사 구매)을 사용하였다 (Fig.
외경 210μm, 내경108μm를 갖는 needle을 이용하여 토출량 0.001ml/min, 코팅 갭 70μm, 코팅 속도 27 mm/s에 서 폭 91 μm와 두께 98nm를 갖는 PEDOT:PSS stripe를 제조하였다.
정공 차단층(HBL, hole blocking layer)으로는 4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (Bphen)을 10nm 증착하였으며, 전자 수송층(ETL, electron transport layer)으로는 tri-(8-hydroxyqunoline) aluminum (Alq3)를 30nm 증착하였다. 전자 주입층(EIL, electron injection layer)으로는 lithium fluoride (LiF)를 사용하여 1nm 두께로 증착한 후 음극으로 aluminum (Al)을 100nm 두께로 증착하였다. Fig.
정공 주입층으로 KHI-001 (Duksan Neolux)을 15nm 증착하였고 정공 수송층(HTL, hole transport layer)으로 N,N'-Bis(3-methylphenyl)-N,N' -bis(phenyl)-benzidine (TPD)를 40nm 증착하였다.

성능/효과

8에서 보이듯, OLED stripe의 발광 폭은 대략 90μm으로 PEDOT:PSS stripe 폭과 거의 같으며 경계 구분이 뚜렷하게 보였다. 또한 전 영역에서 균일하게 발광하는 것을 확인하였다. 하지만 봉지(encapsulation) 공정을 거치지 않았기 때문에 소수의 dark spot이 나타났다.
또한 이를 이용하여 비슷한 폭(발광)을 갖는 인광 적색 OLED stripe를 제작하는데 성공하였다. 본 연구에서 다른 코팅(슬롯, 블레이드) 공정과 달리, needle 코팅은 코팅 속도가 증가할수록 오히려 중심두께가 증가하는 현상을 발견하였다. 이는 needle tip과 기판 사이에 형성되는 meniscus가 코팅속도가 증가하면서 변화(좁아짐)하기 때문이다.
즉, strip 폭은 106μm (코팅 갭=20μm)에서 103μm(코팅 갭=50μm), 91 μm(코팅 갭=70μm)으로 감소하였으며 stripe 두께도 145nm (코팅 갭=20μm)에서 114nm(코팅 갭=50μm), 98 nm(코팅 갭=70μm)로 감소하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	용액 공정의 장점은?	용액 공정(solution process)은 저비용, 고효율, 높은 확장성 등의 장점으로 인해 미세 박막 형성을 요하는 센서, 메탈전극, 태양전지, 디스플레이 등 다양한 분야에서 적용되고 있다[1]. 용액 공정은 미세 패턴 형성에 적합한 프린팅(printing) 공정과 대면적 박막 형성이 용이한 코팅(coating)공정으로 나뉜다[2].
	용액 공정의 적용 분야는?	용액 공정(solution process)은 저비용, 고효율, 높은 확장성 등의 장점으로 인해 미세 박막 형성을 요하는 센서, 메탈전극, 태양전지, 디스플레이 등 다양한 분야에서 적용되고 있다[1]. 용액 공정은 미세 패턴 형성에 적합한 프린팅(printing) 공정과 대면적 박막 형성이 용이한 코팅(coating)공정으로 나뉜다[2].
	needle coating 기술의 장점은?	본 연구에서는 슬롯 다이 코팅 외에도 니들 코팅(needle coating)을 이용하여 미세 stripe 박막 형성이 가능한지 연구하였다. Needle 코팅 기술은 미세한 시린지(syringe) needle을 사용하여 미세 패턴을 형성하는 기술로 비용이 저렴하고 공정이 간단한 장점을 가지고 있다. 이러한 needle 코팅을 이용하여 은나노와이어(AgNWs)를 기반으로 하는 용량성 센서(capacitive sensor)가 제작되었고[4] 하이브리드 폴리머를 사용한 나노테르밋(nanothermite) 스틱을 제작하는 연구[5], 전자 회전 PVP 나노파이버(nanofiber)를 제작하는 연구[6] 등이 진행되었다.

참고문헌 (6)

Ye, D., Ding, Y., Duan, Y., Su, J., Yin, Z, and Huang, Y., "Large-Scale Direct-Writing of Aligned Nanofibers for Flexible Electronics," Small, Vol. 14, p. 1703521, 2018.

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Kim, B. et al., "High-Resolution Patterns of Quantum Dots Formed by Electrohydrodynamic Jet Printing for Light-Emitting Diodes", Nano Lett., Vol. 15, pp. 969-973, 2015.

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Yoo, S., Lee, J., and Park, J., "Simulation of Capillary Flow Along a Slot-die Head for Stripe Coatings," J. of The Korean Society of Semiconductor & Display Technology, Vol. 18, pp. 51-52, 2019.
Li, R., Hu, A., Zhang, T., and Oakes, K., "Direct Writing on Paper of Foldable Capacitive Touch Pads with Silver Nanowire Inks," ACS Appl. Mater. Interfaces, Vol. 6, pp. 21721-21729, 2014.

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Wang, H. et al., "Direct Writing of a 90 wt% Particle Loading Nanothermite," Adv. Mater., Vol. 31, p. 1806575, 2019.

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Matatagui, D. et al., "Real-Time Characterization of Electrospun PVP Nanofibers as Sensitive Layer of a Surface Acoustic Wave Device for Gas Detection," J. Nanostruct., Vol. 21, pp. 1-8, 2014.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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