Study on increasing durability of wrap around black material for tiled displays

Introduction Content

Recent advancements in micro LED displays.
Pad Prining Process and Wrap-around electrodes and black overcoating technology for tiled display.
Enhance durability and reliability of black overcoating material under high temperature and humidity.
Material improvement Mechanism
Improvement experiment Results and Conclusions

발표 내용은 아래와 같습니다.

현재 마이크로 LED를 이용한 디스플레이 현황을 간단히 소개하고 타일식으로 패널을 붙여서 만들때 필요하는 Wrap around 배선 공정을 설명할 것입니다. 저희는 여러 공법 중 pad printing 공법을 사용했고, 이 공법을 어떻게 하는지 간단히 설명할 것입니다.

그리고 기존에 사용하던 패드 프린팅 black 오버코팅막, 줄여서 Black OC를 사용할 때 생기는 신뢰성 불량을 어떻게 극복할 수 있었는지 실험내용을 설명할 것입니다.

또한 개선 메커니즘을 설명하기 위하여 건축학 저널에서 읽은 논문에서 단서를 찾은 포졸라닉 반응을 설명하고, 이 반응이 저희가 사용한 Black OC 재료의 내구성을 증가시킨 이유라고 추론했습니다 .

이 연구는 향후 마이크로 LED를 이용한 디스플레이 산업 발전에 큰 도움이 될 것이라 기대하고 있습니다.

Micro LED

Much higher brightness levels without the risk of burn-in than LCD, OLED
More energy-efficient than LCD, OLED displays, which makes them ideal for use in wearables like smartwatches.
Edgeless small(ex:10.x inch) modules, which can be tiled together to create large, seamless displays, giving them an advantage over LCD and OLED screens.

여러분은 이미 집에 LCD 또는 OLED TV를 한대씩 보유하고 있거나 보유한 곳에서 LCD, OLED TV를 본적이 있을 것입니다.

40인치를 넘어 50인치, 60인치, 70인치로 사이즈가 커지면서 TV 가격은 기하급수적으로 높아집니다. 그 이유는 여러가지가 있을 수 있지만 수율 저하 및 생산 단가가 높아지기 때문입니다.

이러한 문제점을 해결하고자 10인치대의 패널을 타일식으로 붙여서 사이즈를 무한히 키울 수는 없을까 많은 연구원들이 생각했고, 결국 삼성전자는 2018년 모듈러 디스플레이를 전시회에서 보여주었고, 더월이란 브랜드명으로 현재 판매를 하고 있습니다.
반도체 공정으로 만든 무기 EL을 매우 작게 만든 Micro LED는 고휘도를 내면서도 잔상, 수명문제가 있는 기존 LCD, OLED를 넘어서는 궁극의 디스플레이로 기대가 컸고, 대형 tv 시장에서 상품화되면서 더욱 기대가 되는 신기술로 부각되고 있습니다.

이것을 가능하게 한 것은 타일식으로 붙일 때 패널과 패널 사이의 seam이 보이지 않도록 edge less 패널을 만들었기 때문입니다.

본 연구는 이러한 Wrap around 배선 공법과 그 재료 개발에 대한 것입니다.

source : Samsung Newsroom

Tiled Display

다음은 대략적인 타일식 디스플레이의 전면 사진과 측면 사진입니다. 보시는 것과 같이 10인치 정도의 작은 패널을 여러장 붙여서 100인치 이상의 TV를 만들기 위해서는 패널내의 PIXEL 피치와 동일한 사이즈로 패널 Edge의 micro LED와 인접 패널 edge의 micro led 거리가 되어야 합니다. 이렇게 seamless 패널을 만들기 위해서 글래스에 구멍을 뚫고 배선을 연결하여 후면의 전원보드에서 나오는 신호를 전면으로 전달하는 방법도 있지만 충격에 매우 취약한 약점이 있습니다. 그래서 저희는 보시는 것처럼 글래스 edge 쪽에서 전면, 옆면, 뒷면으 감싸는 구조로 배선을 만들고 그 배선을 보호하는 Black OC를 덮는 공법을 사용하였습니다. 이 경우, Dead space를 최소로 만들어 seamless 타일식 대형 디스플레이를 만들 수 있었습니다.

Pad Printing

Pad printing method that allows smooth printing of curved surfaces

다음은 우리가 wrap around 배선 공정 개발에 사용한 pad printing 공법을 보여주는 동영상입니다. 이러한 pad printing 공법은 현재 컵의 곡면에 문양을 넣거나 자동차 곡선부에 도색을 하는 등 여러 산업에서 사용하있습니다.

공정 순서는 음각판에 금속 재료나 안료 등을 넣고, 실리콘 패드로 찍으면 프린팅 재료가 실리콘 패드로 전사가 됩니다. 그 이후 내가 찍고자 하는 피사체에 다시 프린팅 재료를 전사를 합니다. 매우 간단하게 곡면부에 프린팅을 하는 공법이지만 전자 재료에 사용하기 위해서는 재료와 설비, 공정개발이 추가적으로 진행되어야했고, 상품화가 되기 위해서는 신뢰성 테스트에 통과할 만한 내구성 있는 재료, 공정 기술을 확보해야 했습니다.

Wrap Aroud Electrode and Black OC

Electrodes formed on both sides of the glass

Ag paste electrode formation through Pad Printing

Microscope Images

Problem and Motivation

Experiments

문제를 해결하기 위하여 Black OC의 조성 중 Amine계의 경화제 넣는 방법과 CaCO3 Filler를 추가하는 방법, 마지막으로 에폭시 수지를 에스터 수지계열로 바꾼 방법들을 사용했습니다. 기존 재료 포함 4종의 재료를 슬라이드 글래스에 패드 프린팅 공법으로 만든 후 고온 고습 신뢰성 평가를 한 후 스크래치 테스트를 했습니다. 결과는 CaCO3 filler를 넣은 재료와 epoxy를 eter 수지로 바꾼 것이 접착력이 우수했습니다. binder 는 printing 품질에도 영향을 주기 때문에 우리는 CaCO3 filler 추가하는 방향으로 개선책을 세우고, 넣는 양을 조절하면서 최적값을 찾는 실험을 추가하였습니다. 마찬가지로 pad printing을 한 후 85도 85% 고온고습 WHTS 조건에 500H 넣은 후 스크레치 테스트를 했는데, 보시는 결과차럼 5WT%와 10WT% 에서는 일부 박리가 일어나는 모습이 보였고 최적값을 15WT%로 조건을 잡았습니다.

OC Material Composition Change

Scratch test result after WHTS storage test

\(CaCO_{3}\) contents Change

Results

그리고 이 조건으로 만든 Black OC를 MICRO LED 패널 옆면에 pad printing 한 후 고온 고습 조건 테스트를 진행하고 결과를 살펴보았습니다. 이전 재료와는 달리 이 조건에서는 BLACK OC가 배선과 접착력이 좋으면서도 신뢰성 조건 후에도 박리가 생기지 않았습니다. 그 이유를 찾기 위하여 다음과 같은 분석을 진행했습니다.

이것은 신뢰성 전후 단면 모습입니다. 신뢰성 전에 CaCO3와 SiO2가 있는 Black OC 에서 신뢰성 후는 이중층이 생기면서 최외곽부에 Filler 가 없이 binder로만 이루어진 층이 생겨났습니다. 성분 조성비 변화를 알기 위하여 EDS (에너지 분산 분광법)을 사용하여 각 영역의 조성비를 살펴보았습니다. 결과적으로 신뢰성 후 이중층은 예상했던 대로 안쪽층엔 CaCO3, SiO2 필러 성분들이 많이 검출되었고, 바깥층은 상대적으로 적게 검출되었습니다.

Cross sectional FIB-SEM and EDS

Cross sectional FIB-SEM and EDS

Discussion

Reaction Mechanism of OC for WHTS

Mechanism :
- Curing Process: \(CaCO_{3}\) transforms into CaO, releasing \(CO_{2}\).
- Humidity Reaction: CaO reacts with water, forming calcium hydroxide.
- Cement Formation: Calcium hydroxide reacts with \(SiO_{2}\) fillers to form insoluble calcium silicate hydrate (C-S-H), providing strong adhesion.

그럼 왜 이런 현상이 일어났고, 그것이 어떻게 Black OC의 내구성을 증가시켰는지 찾아내는 것이 중요했습니다. 그래서 여러 논문들을 검색하던 중 건축학 저널에서 씨멘트의 소결 실험 논문을 보고 단서를 찾았습니다.

아래는 포졸라닉 반응식입니다. 탄산칼슘을 포함한 석회가루는 열을 받으면 산화 칼슘으로 변화하고 물을 만나면 수산화 칼슘이 되는 발열 반응이 생깁니다. 이것이 모래와 같은 산화 규소와 결합할 경우, CSH 라는 매우 단단한 구조물이 생기는데, 이것이 씨멘트, 모르타르와 같은 건축의 기본이 되는 반응식입니다.

이걸 바탕으로 어떻게 SiO2만을 포함한 Black OC에 CaCO3 를 첨가했을 때 고온고습 조건에서 매우 단한한 구조물과 내구성을 가지게 되는지를 설명할 수 있게 되었습니다.

Conclusion

The novel approach of integrating CaCO3 filler into black OC material, coupled with optimized Ag paste, significantly improves adhesion and durability.
This advancement paves the way for robust and reliable wrap-around electrodes for micro LED tiled displays, enabling the production of ultra-large premium TVs.
Further research on exploring alternative fillers of Black OC and optimizing the Ag paste sintering process to achieve even greater adhesion and durability.