Study on Mechanical Durability of Oxide Thin Film Transistor for Wearable/Stretchable Display Applications

Abstract

백라이트 (Backlight)가 없는 올레드 (OLED) 디스플레이의 등장에 따라 디스플레이 제조업체는 보다 다양한 폼 팩터를 가진 디스플레이를 개발할 수 있게 되었다. 폴리이미드, UTG (Ultra Thin Glass)와 같은 유연 기판과 커버 윈도우 (cover window) 소재의 개발 또한 폴더블/플렉시블 OLED 디스플레이 구현을 가능하게 만들었다. 폴더블 스마트폰은 제품이 이미 상용화 단계에 이르렀고, 디스플레이 시장에는 롤러블 TV와 같은 프리미엄 TV가 등장하고 있다. 디스플레이의 폼팩터는 계속 진화하고 있으며 이 중 스트레처블 디스플레이는 자유로운 폼팩터를 가지는 차세대 디스플레이로 널리 연구되고 있다. 스트레처블 디스플레이의 응용 분야 중 하나로는 웨어러블 디스플레이가 있다. 현재 대표적인 웨어러블 디스플레이는 형태 변형이 제한된 스마트 워치이다. 그러나 향후 웨어러블/스트레처블 디스플레이는 인체에 ​​직접 부착하여 헬스 케어, 전자 의류 등 다양한 기능을 수행할 수 있을 것이다. 본 논문에서는 기계적 응력이 산화물 박막 트랜지스터에 미치는 영향을 연구하였다. 먼저 폴더블/롤러블 디스플레이의 상용화 기판인 폴리이미드 기판 위에 비정질 산화물 박막 트랜지스터를 제작했다. 그리고 동적 굽힘 응력 하에서 비정질 산화물 박막 트랜지스터의 열화 거동과 열화메커니즘을 연구하였다. 이 연구는 현재 플렉시블 디스플레이의 기판 구조에서 비정질 산화물 박막 트랜지스터의 열화 요인을 먼저 확인해보는 목적으로 진행하였다. 다음으로, 열가소성 폴리우레탄 기판 상부에 섬 구조의 폴리이미드를 전사하는 공정을 통해 아일랜드 구조를 갖는 박막 트랜지스터와 회로를 제작하였다. 아일랜드 형태의 폴리이미드와 열가소성 폴리우레탄 필름 하이브리드 구조를 적용하여 만든 박막 트랜지스터는 굽힘과 연신이 모두 가능하였다. 그리고 웨어러블/스트레처블 디스플레이 응용을 위해 아일랜드형 비정질 산화물 박막 트랜지스터의 기계적 내구성을 평가하였다. 아일랜드형 비정질 산화물 박막 트랜지스터는 폴리이미드 기판 위에 제작된 비정질 산화물 박막 트랜지스터에 비해 반복 굽힘에 대한 기계적 내구성이 더 강한 것으로 확인되었다. 이 결과는 열가소성 폴리우레탄 기판과 폴리이미드 아일랜드 영역 간의 영률의 차이로 인해 기인되었다. 아일랜드형 비정질 산화물 박막 트랜지스터의 경우에는 반복적인 연신 테스트도 수행하였다. 반복적인 연신 응력으로 인한 비정질 산화물 박막 트랜지스터의 문턱전압 변화는 관찰되지 않았고, 전계 포화 이동도의 약간의 감소만 관찰되었다. 이후, 이러한 박막 트랜지스터의 열화가 실제 회로에 미치는 영향을 알아보기 위해 아일랜드형 2 트랜지스터 1 커패시터(2T1C) 올레드 화소 회로를 제작하였다. 그리고 반복적인 굽힘 응력이 회로 내 드라이빙 (driving) 박막 트랜지스터를 열화시켜 실제 올레드의 밝기를 변화시킬 수 있음을 회로 측정을 통해 확인하였다. 반면에 반복적인 연신 응력은 측정 결과에 큰 영향을 미치지 않았다. 마지막으로 아일랜드형 박막 트랜지스터 및 회로의 기계적 내구성을 향상시키는 공정을 개발했다. 3㎛ 두께의 유기 보호막을 적용하여 아일랜드형 박막 트랜지스터의 기계적 내구성을 향상시켰다. 유기 보호막을 적용하여 250,000번의 반복 굽힘 테스트와 10,000번의 반복 스트레칭 테스트 후에도 박막 트랜지스터의 전기적 특성이 거의 저하되지 않음을 확인하였다. 그 원인은 유기 보호막의 도포에 따라 폴리이미드 아일랜드가 외부 스트레스에도 보다 안정된 상태(평탄한 상태)를 유지할 뿐만 아니라 아일랜드 내에서 박막 트랜지스터가 중립면에 가깝게 위기하기 때문임을 확인하였다. 마지막으로 아일랜드형 올레드 화소 회로와 논리 회로에도 유기 보호막을 적용하였다. 250,000번의 반복 굽힘 시험과 30,000번의 반복 신축 시험을 연속적으로 수행한 후에도 올레드 화소 회로와 인버터 회로는 눈에 띄는 열화 없이 정상 동작함을 확인하였다. | Flexible display such as foldable smartphones have reached the commercialization stage, and premium TVs such as rollable TVs are appearing in the display market. The form factor of the display continues to evolve, and the stretchable display has been widely studied as a next-generation form factor-free display. One of the applications of stretchable display is wearable display. Currently, a representative wearable display is a smart watch with limited shape deformation. However, wearable/stretchable display can perform various functions such as healthcare and electronic clothing by attaching directly to the human body. In this thesis, we studied the effect of mechanical stress on oxide thin film transistors. First, we fabricated an a-IGZO TFTs on polyimide (PI) film, which is the commercialized substrate of a foldable/rollable display. And the deterioration behavior and degradation mechanism of TFTs under dynamic bending stress were studied. Next, island-type TFTs and circuits were manufactured through the process of transferring PI islands to the upper part of the thermoplastic polyurethane (TPU) substrate. And the mechanical durability of island-type TFTs is studied for wearable/stretchable display application. The Island-type TFTs showed less deterioration under bending test compared to the film-type TFTs. This result was due to the difference in Young's modulus between the TPU substrate and the PI islands. In the case of island-type TFTs, dynamic stretching test was also performed. The Vth shift of the TFT due to repeated stretching stress was not observed, and only a slight decrease in saturation mobility was observed. An island-type two transistor 1 capacitor (2T1C) OLED pixel circuit was manufactured to examine the effect of TFT deterioration on the circuit operation. And it was confirmed that repeated bending tests can increase the brightness of OLED by increasing current flow in driving TFT. Finally, we developed a novel process to improve the mechanical durability of the island-type TFTs and circuits. Through the application of 3 ㎛-thick organic passivation layer, the mechanical durability of the island-type TFT and circuit was remarkably improved. Through the application of the organic passivation layer, the electrical properties of the TFT hardly deteriorated even after 250,000 repeated bending tests and 10,000 repeated stretching tests. Finally, an organic passivation layer was applied to island-type 2T1C and logic circuits. It was confirmed that the 2T1C circuits and the invertor circuits operate normally without any noticeable deterioration even after 250,000 repeated bending tests and 30,000 repeated stretching tests were continuously performed.