다양한 상대 음이온을 갖는 증강 현실 및 가상 현실 디스플레이 컬러필터용 적색 시아닌 염료에 관한 연구

Abstract

High-resolution OLED display panels such as microdisplays used in AR/VR devices require a top emission structure, manufactured via low-temperature process. This enables the use of dyes with excellent color characteristics that are not suitable for high-temperature process. Cyanine dyes have clear and bright chromatic properties but have low thermal and photo-stabilities. To address this, we synthesize a cyanine dye employing weakly coordinating anions (WCAs) and fabricate spin-coated color filters. Thermal stability and spectral properties of synthesized dyes and color filters were analyzed by TGA and UV spectrometer. Photo-stability of color filters was evaluated using a Xe lamp. Dyes with delocalized charge distribution by introducing WCAs show superior optical properties, solubility, and stability compared to parent dyes and improved photo-stability of color filters. The new cyanine dye is expected to be applied to high-resolution microdisplay panels. |가상현실(VR) 및 증강현실(AR) 시장이 확대됨에 따라 기술의 효과적인 구현과 사용자의 미디어 몰입감 증대를 위해 VR/AR 장치에서 고해상도 마이크로디스플레이의 활용이 요구되고 있다. 다양한 마이크로디스플레이 중 마이크로 OLED는 우수한 이미지 품질, 빠른 응답 시간 등의 특징을 갖고 있어 많은 VR, AR 장치에서 각광받고 있다. 미세한 픽셀 크기로 만들어져야 하는 OLED 마이크로디스플레이는 white OLED를 증착하고 포토리소그래피 공정으로 컬러필터를 패터닝하는 방식을 채택한다. 또한 OLED 마이크로디스플레이는 실리콘 기판 위에서 제조되기 때문에 전면발광 구조를 가지며 이는 높은 개구율을 제공하므로 VR/AR 장치에 적합하다. 전면발광 구조의 OLED는 고온에 취약한 발광 소자 위에 컬러필터를 구현하기 때문에 100℃의 저온 공정이 요구된다. 기존의 컬러필터 공정은 고온에서 진행되어 안료와 같은 높은 내구성을 가진 색재가 요구되었고 우수한 색특성을 가진 염료 사용이 제한되었다. 하지만 저온의 OLED 컬러필터 공정은 상대적으로 내구성이 낮지만 광학적 특성이 우수한 염료의 사용 가능성을 열어주었다. 저온 공정이 가능하며 적절한 내구성, 우수한 색특성을 가진 컬러필터용 염료 개발은 차세대 고해상도 OLED 마이크로디스플레이에 활용 가능할 것이다. 본 논문에서는 VR/AR 디바이스용 고해상도 OLED 마이크로디스플레이에 적합한 신규 적색 cyanine 염료 개발에 대한 연구를 진행하였다. 우수한 흡광도, 적절한 내구성 및 용해도를 갖춘 cyanine 염료를 설계하기 위해 3가지 주요 전략을 도입했다. 색상 강도가 높은 양이온성 cyanine 발색단을 모체 염료로 합성하였다. Cyanine 염료 모체에 부피가 크고 대칭적인 구조의 4가지 이미드계 상대 음이온을 도입하여 차폐 효과를 통해 염료의 안정성을 향상시키고자 하였다. 마지막으로 공정용매에 대한 용해도를 높이기 위해 methacrylate group을 cyanine 염료 모체에 도입하였다. 합성한 cyanine 염료에 대하여 광학적 특성, 내열성, 용해도를 분석하여 컬러필터 색재로써 적합성을 확인하였다. 분석 결과를 바탕으로 C3-TFSI, C3m-TFSI를 컬러필터 염료로 선정하고, 컬러필터용 고분자 바인더와 혼합하여 컬러필터 용액을 제조하였다. 염료 기반 컬러필터는 포토리소그래피 공정을 통해 제작하였으며 컬러 필터의 미세패턴 이미지, 광투과 특성, 안정성을 분석하였다. 제작된 컬러필터는 모두 600~650nm의 적색 투과영역에서 95 ~ 99%의 높은 광투과율을 보이고, 100㎛의 미세패턴도 안정적으로 형성되었다. 내열, 내광, 내화학성은 C3m-TFSI이 C3-TFSI보다 전반적으로 우수하며 이는 methacrylate group과 컬러필터 고분자 바인더의 고분자 레진 분자사슬 간 중합에 의한 결합력 증가에 기인한 것으로 판단된다. 부가적으로 컬러필터의 청색 투과영역 광 투과율을 감소시키고자 음이온성 yellow 염료와 배위결합된 cyanine 염료를 합성하고 컬러필터를 제작하여 보색효과를 확인하였다. 300~480nm에서 약 80%의 광 투과율을 10% 이하로 낮춰 광학적 특성을 향상시키는 결과를 도출하여 컬러필터에 활용 가능성을 확인하였다. 이 논문은 염료 합성 기술과 염료 기반 컬러필터의 제조 방법을 포함하고 있다. 유기 염료의 광학적 특성, 용해도 및 내열성 분석과 염료 기반 컬러필터의 광학적 특성, 미세패턴 이미지, 안정성 분석, 보색 효과를 부여한 염료 기반 컬러필터의 광학적 특성 분석에 대해 연구를 진행하였다. 본 연구에서 개발한 cyanine 염료는 VR/AR 디바이스용 고해상도 OLED 마이크로디스플레이의 컬러필터에 유망한 후보가 될 것으로 기대된다.