In recent years, there has been growing interest from numerous consumer and electronic manufacturers to apply flexible displays on the electronic device. A flexible devices have the large potential to revolutionize the way the world interacts with electronics. [1, 2] Nick Colaneri, director of Arizona State University’s Flexible Dis-play Center said “To make a flexible display, the first thing you have to do is get rid of glass”. However, to find an ideal and appropriate substrate for the flexible display is still remain. In fact, plastic substrate is a major con-cern in flexible display field from the old times. [1-3] Polyethersulfone (PES) substrate is the major concern of PM LCD in the late 1990s and polyimide (PI) substrate is become the focus of AMOLED substrate in the present day. [4] Recently, some of plastic substrates such as polyethylene terephthalate (PET, Melenix® from Dupont Teijin Films), polyethylene naphthalate (PEN, Teonex® Q65 from DuPont Teijin Films), poly carbonate (PC, Lexan® from GE), polyethersulfone (PES, Sumilite® from Sumitomo Bakellite) and polyimide (PI, Kapton® from DuPont) and also glass-fiber reinforced composite substrate has been on the spotlight to apply flexible substrate because they are thin, lightweight, durable, conformable and flexible. [2-4] However, there are several major chal-lenges about flexible substrates. General plastic substrate has low glass-transition temperature (Tg) but Tg of glass substrate is ~660°C for the conventional flat panel display. The maximum process temperature is decided near the Tg of substrate, therefore it should be achieved lower TFT manufacturing process temperature or en-hance the thermal stability of the plastic substrate to manufacture TFT on the plastic substrate. Also, dimen-sional stability is critical factor to manufacture the accurate TFT arrays on the plastic substrate. The fabrication process of TFT array include repeated steps of film deposition, photolithography, etching and cleaning. These steps causes dimensional changes on the plastic substrate because it contains heating and cooling process. [4, 5] Generally, coefficient of thermal expansion (CTE, ppm/°C) is critical factor of dimensional stability of plastic substrate. Typically, CTE of plastic substrate is large (50~80 ppm/°C), however glass substrate is 9 ppm/°C. [4-6] This large difference in CTE can cause the negative effects on the dimensional stability on the TFT patterns on the plastic substrate or even plastic substrate may deformed seriously. Among the plastic substrates, polyimide (PI, Kapton® from DuPont) has high glass transition temperature (Tg=300°C) and low CTE (~20ppm/°C) how-ever, it absorbs in the visible light wavelength range (yellow), and therefore, it is not appropriate for transmissive displays or bottom emission OLED displays. [4] Therefore, high process temperature capable transparent flexible substrate with low CTE should be researched to replace glass substrate.
This study presents about thermally stable transparent glass-fabric reinforced hybrimer film using sol-gel derived inorganic-organic material (Hybrimer), vinyl hybrimer. Vinyl hybrimer was reinforced by glass-fabric to reduce the CTE and increase flexibility. To achieve high thermal stability of the hybrimer matrix, this study used vinyl precursors with short organic group (also reactive site for hydrosilylation) which has low steric hindrance to achieve high degree of siloxane bonding and adapt hydrosilylation curing reaction to minimized the unreacted organic and silanol groups with very small amount of catalyst (~ppm). [7, 8] These combinations (short organic group of reactive site for hydrosilylation and hydrosilylation curing reaction) and also optimized amount of cross-linker and catalyst contents contributed to maximize the thermal stability. Moreover, the hybrimer matrix has good optical transparency and property of refractive index controlling which are essential characteristics to fabricate transparent GFRHybrimer film. Based on these properties, GFRHybrimer film have high thermal sta-bility, transparency, low CTE with flexibility. Therefore, GFRHybrimer film can be considered as a strong poten-tial candidates for the flexible substrates.
정보화의 대중화에 따라 다양한 정보를 시각화하여 인간에게 전달하는 디스플레이로서 장소, 시간에 관계없이 종이처럼 얇고 가볍고 유연한 플렉시블 디스플레이가 최근 학문적, 산업적으로 많은 관심을 받고 있다. 플렉시블 디스플레이를 구현하기 위해서는 플렉시블 기판 (박형 유리, 메탈 호일, 플라스틱) 저온 공정용 유-무기 소재, 플렉시블 일렉트로닉스 그리고 패키징 기술 등이 복합적으로 필요하다. 이중에서 플렉시블 기판은 디스플레이의 성능, 신뢰성, 가격을 결정하는 가장 중요한 부품으로 인식되고 있다. 또한 플라스틱 기판은 예전부터 디스플레이 분야의 관심사였다. 90년대 중 후반에 PM LCD의 최고 관심사 중 하나는 PES 기판이었고, 현재에는 AMOLED 용 기판으로 PI가 주목 받고 있다. 플렉시블 디스플레이에 적합한 특성이 있어 적용이 검토되고 있는 플라스틱 기판의 종류에는 PET, (Melenix® from Dupont Teijin Films), PEN (Teonex® Q65 from DuPont Teijin Films), PC (Lexan® from GE), PES (Sumilite® from Sumitomo Bakellite) 그리고 PI (Kapton® from DuPont) 등이 있다. 이와 같이 일반적인 플라스틱 기판은 낮은 내열성을 (Tg= <200°C) 가지고 있다. 이중 가장 높은 내열성을 갖고 있는 것은 PI (Tg= ~300°C) 인데 이는 가시광 영역에서 불투명한 단점 때문에 응용분야가 제한적이다. 일반적인 플라스틱 기판에서 수행되는 공정의 최대 온도는 유리전이 온도 근처에서 결정이 된다. 따라서 플라스틱 기판 위에 TFT를 형성하기 위해서는 TFT 공정온도를 낮추거나 플라스틱 기판의 내열성을 높여야 한다. 기판의 내열 특성만큼 중요한 것이 um급 정밀도를 갖는 TFT array 구현을 위한 치수 안정성이다. TFT array의 제작 공정에는 기판온도를 상승시키는 가열과정과 온도를 낮추는 냉각과정이 반복되는데 이때 기판이 팽창 또는 수축하는 치수 변동이 나타난다. 이런 치수 변동 때문에 신뢰성 있는 TFT 구현이 어렵다. 일반적으로 플라스틱 기판의 치수안정성은 플라스틱 필름이 가지고 있는 열팽창계수 (CTE: Coefficient of Thermal Ex-pansion) 으로 평가한다. 온도 증가에 따른 기판의 변형 정도를 나타내는 열팽창계수는 ppm/°C 로 나타내며, 유리 기판의 CTE는 9 ppm/°C 이며 PI기판을 제외하고는 대부분의 플라스틱 기판의 CTE 는 40~80ppm/°C 로 크다. 이처럼 높은 CTE는 온도 변화에 따라 TFT 패턴의 치수변동이 커지게 되어 심한 경우 기판이 변형되어 공정이 불가능 하다. 따라서 플렉서블 기판으로 사용하기 위해서는 열 안정성, 낮은 CTE 그리고 투명한 플렉시블 기판이 요구된다.
본 연구는 솔-젤 반응으로 제작한 유-무기 하이브리드 재료 (Hybrimer)를 이용하여 플렉시블 기판으로 적용이 가능한 열에 안정하며 낮은 CTE를 갖는 투명 유리섬유 강화 복합체 기판 (GFRHybrimer film)을 제작하는 것이다. GFRHybrimer film의 열 안정성을 위해 hy-brimer matrix를 만드는 솔-젤 반응 시 hydrosilylation이 가능하며 최소한의 입체 장애를 가지는 유기 그룹을 갖는 출발 물질을 사용하여 실록산 결합 (Si-O-Si)이 최대로 형성되어 열 안정성에 좋지 않은 영향을 주는 미 반응 그룹이 최소가 되게 하였다. 그리고 hydrosilylation에 필요한 가교제와 촉매의 양도 최적화 하여 높은 열 안정성을 확보했다. 또한 hydrosilylation은 미량의 촉매 (ppm)만 있어도 촉매 역할을 하며, 남아있는 미 반응 실란올 그룹도 결합에 참여시키는 장점이 있다. 짧은 유기 그룹과 hydrosilylation등의 이유로 열에 안정한 hybrimer matrix를 만들었다. 그리고 GFRHybrimer film의 치수 안정성을 위해 낮은 CTE와 높은 유연성을 갖는 유리섬유를 강화제로 사용하여 높은 CTE를 갖는 hybrimer matrix (~180 ppm/°C) 에 강화하여 GFRHybrimer film의 낮은 CTE(16ppm/°C) 와 유연성을 얻을 수 있었다 또한 투명성은 hybrimer matrix와 유리섬유의 굴절률을 미세하게 일치시켜 확보할 수 있었다. 이렇게 만들어진 GFRHybrimer film은 질소 분위기에서250°C 와 300°C에서 180분 동안 무게 감소가 각각 0.4wt% 와 1.2wt%정도로 안정하고, 25°C에서 225°C까지 낮고 일정한 CTE (~17 ppm/°C)로 유리섬유 강화가 잘 되어 GFRHybrimer film의 열 안정성과 치수 안정성을 확인하였다. 또한 GFRHybrimer film투명성은 가시광 영역에서 88%정도로 높은 광투과도와 4.0의 낮은 haze를 가지고 있고 구부림 그리고 내구성 실험을 통해 GFRHybrimer film의 높은 유연성과 내구성을 확인하였다. 따라서 플렉시블하고 투명하며 열 안정성과 치수 안정성을 갖는GFRHybrimer film은 투명 플렉시블 디스플레이 기판에 응용 가능 할 것이라고 생각한다.
