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OLED Encapsulation, TFE is the Top Trend

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  • Expected application of TFE to all edge type and full screen use flexible OLED
  • PECVD manufacturing equipment, 62% of total encapsulation manufacturing equipment market

 

According to 2017 OLED Encapsulation Annual Report published by UBI Research, of OLED encapsulation technology, TFE (thin film encapsulation) will be applied to approximately 70% of total OLED panel in 2021, and become the key encapsulation technology.

OLED display trend is heading toward minimizing bezel for full screen actualization from edge type, and flexible OLED is being considered as the most optimal display for full screen. As such, Chinese panel companies, as well as Samsung Display and LG Display, are concentrating on flexible OLED mass production line investment rather than rigid.

Flexible OLED must be thin and bendable; glass using frit encapsulation Is not suitable and TFE (thin film encapsulation) or hybrid encapsulation must be applied. TFE is a structure that is formed via laminating thin inorganic and organic materials. In the early stages of development, it had 11 layers of complex organic and inorganic material deposition with low yield. However, it now has been reduced to 3 layers and greatly improved productivity, yield, and cost and it is being applied to most of flexible OLED.

 

<Thin film encapsulation development history, 2017 OLED Encapsulation Annual Report>

 

Hybrid encapsulation, which uses barrier film, is being applied to some flexible OLED. However, due to the high cost of barrier film and relatively thick thickness, recent investment is focused on TFE application.

According to UBI Research analyst Jang Hyunjun, TFE encapsulation is expected to continue to be applied to edge type and full screen type flexible OLED panel, and related manufacturing equipment and material market will carry on their growth.

The report explains that TFE’s key manufacturing equipment are inorganic material forming PECVD and organic material forming ink-jet printer. In particular, PECVD is used in inorganic material film formation of hybrid encapsulation as well as TFE. Therefore, PECVD market is estimated to record US$ 6,820 million in 2017-2021, and occupy approximately 62% of the total encapsulation manufacturing equipment market.

 

<PECVD manufacturing equipment market volume, 2017, 2017 OLED Encapsulation Annual Report>

The report includes encapsulation related key manufacturing equipment and material market in addition to encapsulation development history and trend, and key panel companies’ trend.

OLED Encapsulation, TFE가 대세

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■ 모든 edge type과 full screen용 flexible OLED에 TFE 적용 예상

■ PECVD 장비, 전체 encapsulation 장비시장의 62% 점유

 

유비리서치에서 발간한 ‘2017 OLED Encapsulation Annual Report’에 따르면 OLED encapsulation 기술 중 TFE(thin film encapsulation)가 2021년 전체 OLED panel의 약 70%에 적용될 것이며, 핵심 encapsulation 기술이 될 것으로 내다봤다.

 

OLED display trend는 최근 edge type에서 bezel을 최소화하여 full screen을 구현하는 형태로 진행되고 있으며, flexible OLED가 full screen 구현에 최적화된 display로 손꼽히고 있다. 따라서 Samsung Display와 LG Display를 비롯한 중국 panel 업체들도 rigid가 아닌 flexible OLED 양산라인 투자에 주력하고 있는 상황이다.

Flexible OLED는 얇고, 휘어질 수 있어야 하므로 glass를 사용하는 frit encapsulation은 적합하지 않아 TFE(thin film encapsulation) 또는 hybrid encapsulation이 적용되어야 한다.

TFE는 얇은 무기물과 유기물을 적층하여 형성하는 구조로 개발 초기에는 11 layers의 유,무기 적층으로 복잡한 공정과 낮은 수율이었으나 현재는 3layers까지 감소시켜 생산성과 수율, 비용을 크게 향상되어 대부분의 flexible OLED에 적용되고 있다.

 

<Thin film encapsulation 개발 history, ‘2017 OLED Encapsulation Annual Report’>

 

 

일부 flexible OLED에는 barrier film을 사용하는 hybrid encapsulation도 적용되고 있으나 높은 가격의 barrier film과 상대적으로 두꺼운 두께 등으로 인하여 최근 진행되고 있는 투자는 모두 TFE가 적용되고 있는 추세이다.

 

유비리서치의 장현준 선임연구원에 따르면 “TFE encapsulation은 edge type과 full screen type의 flexible OLED panel에 지속적으로 적용될 것으로 예상되며, 관련 장비와 재료시장이 지속적으로 성장할 것”이라 밝혔다.

 

보고서에 따르면 TFE의 핵심 장비는 무기물을 형성하는 PECVD와 유기물을 형성하는 ink-jet printer이며, 특히 PECVD는 TFE 뿐만 아니라 hybrid encapsulation의 무기막 형성에도 적용된다. 따라서 PECVD 시장은 2017년부터 2021년까지의 68.2억달러의 시장 규모로서 전체 encapsulation 장비시장에서 약 62%를 차지할 것으로 예상했다.

 

<PECVD 장비 시장 규모, 2017, ‘2017 OLED Encapsulation Annual Report’>

 

이번에 발간된 보고서에서는 encapsulation의 개발 히스토리와 동향, 주요 Panel 업체들의 동향을 비롯하여 encapsulation 관련 핵심 장비들과 재료 시장을 다루고 있다.

OLED encapsulation용 transparent gas barrier film 시장, 어디까지 성장 가능할까?

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현재 flexible AMOLED의 encapsulation은 유기 박막과 무기 박막을 적층하는 thin film encapsulation과 최소한의 passivation과 gas barrier film을 laminating하는 hybrid encapsulation이 양산에 적용 중에 있다. 대면적 AMOLED panel은 빛이 기판방향으로 발광되는bottom emission 구조로 양산되고 있기 때문에 metal foil을 적용한 hybrid encapsulation이 적용되고 있다.

하지만 mobile용 flexible AMOLED panel 에 적용중인 TFE 방식은 고가의 장비들이 사용되어 투자비용이 높아지고 공정 수가 늘어나 양산 효율이 낮아지는 단점이 있어 cost 절감에 적합하지 않다.  대면적에서는 고해상도와 고휘도가 요구되어짐에 따라 top emission 구조의 AMOLED panel이 개발 중이며, top emission 구조 적용 시 투명한 encapsulation이 필수적이다.

이러한 트랜드에 따라 next encapsulation에 대한 필요성이 대두되고 있으며 특히 transparent gas barrier film encapsulation에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재 양산 적용 중인 hybrid 구조에 적용되는 transparent gas barrier film은 encapsulation 요구조건인 10-6  g/m2day 의 WVTR보다 낮은 10-4 g/m2day의 WVTR 제품이 적용 중이지만 R&D 단계에서는  10-6  g/m2day  WVTR 개발이 완료된 상황으로 transparent gas barrier film만으로 encapsulation이 가능해 질 수 있으며 이와 관련된 연구개발도 활발히 이루어 지고 있는 추세이다.

유비산업리서치에서 발간한 2016 OLED Encapsulation Report에 따르면 “Transparent gas barrier film encapsulation은 TFE보다 투자비용을 줄일 수 있으며 대면적 top emission 구조에도 적용 가능하여 높은 시장 성장이 기대되는 encapsulation이다.”라고 밝혔다.

유비산업리서치는 2017년 이후 추가되는 mobile과 대면적 신규라인에서 transparent gas barrier film을 적용한 encapsulation이 적용될 경우 transparent gas barrier film시장은 2020년 약 US$ 700 million 규모까지 성장 가능할 것으로 분석하였다.

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[2015 OLED 결산 세미나] 고려대학교 홍문표 교수, 플렉시블 OLED의 핵심이슈를 되짚다.

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4일 유비산업리서치가 개최한 ‘2015 OLED 결산 세미나’에서 고려대학교 홍문표 교수는 ‘Flexible AMOLED용 Gas Barrier 기술개발 현황’이라는 제목의 강연을 통해 플렉시블 OLED의 개요와 기술적인 이슈, 플렉시블 OLED에 적용되는 encapsulation들에 대하여 심층적으로 이해하는 시간을 가졌다.

플렉시블 디스플레이는 기존의 평판 디스플레이의 특성을 그대로 유지하면서 기존 유기기판이 아닌 깨지지 않으며, 휘거나 구부리거나 말 수 있는 유연한 기판 위에 제작된 디스플레이를 의미한다. 홍 교수는 플렉시블 디스플레이는 소비자와 패널 maker를 동시에 만족시킬 수 있는 차세대 디스플레이라고 강조하며 OLED가 LCD보다 더 유용하게 적용할 수 있는 분야라고 밝혔다.

플렉시블 디스플레이에는 크게 기판과 TFT array 공정, 디스플레이 공정 이라는 3가지의 기술적인 이슈가 있으며 application과 cost 등 부수적인 이슈들이 있다. 이 날 홍 교수는 기판, 디스플레이 공정에 대한 핵심 기술에 대한 내용을 발표했다.

플렉시블 디스플레이에는 유리기판이 아닌 휘어질 수 있고 충격에 강한 플라스틱 기판을 사용한다. 그래서 플라스틱 기판을 다루는 handling 기술은 플렉시블 디스플레이 제작에 핵심적인 기술로 꼽힌다. 홍 교수는 “Handling 기술에는 adhesive를 사용해서 플라스틱 기판을 carrier glass에 붙이고 공정을 진행하는 film lamination 방식과 PI기판을 carrier glass에 코팅한 후 공정을 진행하는 vanish coating 방식이 주요하게 쓰인다.”고 밝히며 어떤 방식을 사용하던지 플라스틱 기판을 glass에서 떼내는 debonding 기술이 수율에 결정적인 역할을 한다고 강조했다.

홍 교수는 이어서 디스플레이 공정 중 encapsulation 기술에 관해 논했다. Encapsulation 기술은 디스플레이의 수명을 증가시키기 위해 OLED panel의 성능에 영향을 주는 수분과 산소의 투습을 방지하는 기술을 말하며 OLED panel의 수율을 결정짓는 핵심 공정이기 때문에 각 OLED panel 제조 업체는 최적의 encapsulation 기술을 찾는데 집중하고 있다.

현재 플렉시블 OLED에 적용되는 encapsulation의 핵심 이슈로는 barrier coating에 대한 것이 가장 중요하게 꼽힌다. Barrier coating은 기존 유리기판을 플라스틱으로 대체하면서 발생하는 한계를 극복하기 위해 플라스틱 기판에 부착하는 코팅을 말한다. 플렉시블 encapsulation에는 기존 glass encapsulation에 쓰이는 can type나 frit seal과 같은 기술이 사용될 수 없기 때문에 플렉시블에 적용 가능한 face seal이나 TFE과 같은 기술이 사용된다. 또한 투습되는 산소와 수분의 양은 10-6g/m2day이하가 되어야 하기 때문에 고성능의 barrier coating 기술이 필요하다.

플렉시블 OLED에 barrier coating이 사용될 때 일반적으로 3가지 문제가 발생한다. 먼저 물리적으로 크랙이나 파티클이 발생할 수 있다. 이와 관련하여 홍 교수는 공정 관리를 잘해주면 해결 가능하다고 밝혔다. 두번째로는 플라스틱 필름의 표면에 마이크로 단위 크기의 defect가 발생할 수 있다. 이에 대해서는 공정을 최적화해서 해결 가능하다고 밝혔다. 마지막으로 나노사이즈의 pin hole이 생기는 문제가 발생할 수 있는데 이에 대해서는 barrier coating을 다층박막으로 형성해 해결할 수 있다고 밝혔다.

홍 교수는 보통의 OLED 패널을 제작할 때는 encapsulation 층의 두께가 크게 이슈가 되지 않지만 플렉시블 OLED 패널을 제작할 때는 두께가 핵심적인 이슈가 된다고 강조하며 PECVD로 passivation 층을 올리고 그 위에 gas barrier cover plate를 합착하는 hybrid 구조의 encapsulation이 이에 대한 솔루션이 될 수 있다고 발표했다.

또한 Hybrid encapsulation 제조 시 가장 적합한 공정 기술은 R2R이지만 CVD를 R2R에 적용할 경우 적절한 특성이 나오지 않기 때문에 sputtering을 사용하는 방향으로 연구되고 있다고 하며, sputtering 장비에 반사판을 설치하여 중성화 빔이 방출하도록 유도하면 target 박막을 안정화시켜 기존 sputtering 공정 중에 발생되는 defect를 줄일 수 있다고 밝혔다.