전기적 기법을 통한 플렉서블 OLED 봉지막의 파괴특성 연구

Abstract

OLED 디스플레이에서의 봉지막(encapsulation layer)은 여러 단계의 발전을 이루어 왔다. 초기부터 현재까지는 금속캔이나 유리를 이용한 봉지막을 형성하고 있으며, 근래에는 OLED 패널의 유리 두께와 무게를 감소시키기 위해 상부 유리를 없애고 박막을 이용하는 박막 봉지 기술이 많이 연구되고 있다. OLED 소자의 특성 상 수분과 산소에 의한 퇴화에 매우 취약하며 이를 방지하기 위해 봉지막은 매우 높은 수준의 수분 방지 특성이 요구되고 있다(< 10-6 g/m2•day). 특히 최근 기술 방향인 플렉서블(flexible) 제품의 경우 사용자 환경에 따라 반복되는 굽힘(bending) 현상이 필연적으로 발생하게 되는데 박막으로 이루어진 OLED 봉지막에 반복적인 굽힘을 가하면 박막에 스트레스(stress)가 가해지며 미세한 크랙(crack)들이 발생되고 이를 통한 수분과 산소의 침투는 플렉서블 OLED 디스플레이 제품에서의 가장 큰 문제점 중에 하나이다. 현재 박막 내 크랙의 발생은 육안을 통해 관찰하거나 크랙에 의한 투습도 변화를 Ca 테스트 등의 방법으로 확인하고 있지만 평가를 위한 시료를 따로 제작하여야 하고 투습 특성 평가에 많은 시일이 소요되는 문제점이 있다. 따라서 완제품 상태에서 단기간의 평가를 통해 크랙의 발생 여부 및 정도를 쉽고 정량적으로 확인할 수 있는 평가 방법이 필요하다. 반복적인 굽힘 동작에 의해 봉지막의 화학적 결합이 끊어져 생성되는 미세한 크랙들은 전자들의 이동 경로를 형성하여 봉지막의 누설 전류 증가를 유발하므로, 굽힘에 따른 봉지막의 누설 전류 측정을 통해 봉지막의 파괴 특성을 분석하는 것이 본 연구의 목표이다. 본 논문에서는 반복 굽힘 평가 시 크랙 발생에 의한 봉지막의 누설 전류(leakage current) 측정을 위해 MIM(metal-insulator-metal)구조를 평가하였다. 플렉서블 기판 상에 Pt를 전면 증착한 하부 전극 형성 후 1000Å 두께의 Al2O3 박막을 스퍼터링(sputtering)공정으로 봉지막을 형성하였고, 상부 전극은 Dot 형태의 Pt 패턴을 형성하였다. 이후 자체 제작한 2-point bending jig로 1000회 이상의 반복 굽힘 평가 시 크랙 발생에 의한 누설 전류의 변화를 굽힘 횟수에 따라 측정하고 굽힘 횟수 별 투습도(WVTR, water vapor transmission rate)와 비교하였다. 이를 통해 반복 굽힘 평가 시 크랙 발생에 따른 봉지막 누설 전류 증가와 투습도의 증가 간 상관 관계를 확인하였으며, 봉지막 투습도 평가를 전기적 측정으로 대체할 수 있는 가능성을 확인하였다. 하지만 스퍼터링 공정으로 형성한 Al2O3 봉지막의 경우 반복 굽힘 평가 시 초기 크랙 발생이 급격히 증가하여 봉지막의 크랙 발생과 누설 전류 증가 간의 정성적인 관계만 확인 가능하며, 정량적 평가를 위해 개선된 실험 수행이 요구되었다. 따라서 저온 CVD(chemical vapor deposition) 공정을 1000Å 두께의 SiNx 봉지막을 형성하였으며 반복 굽힘 평가 시 봉지막 상/하부 전극 영향성을 최소화 하기 위해 ITO 100Å/Pt 100Å/ITO 100Å의 하부 전극 구조 최적화를 진행하였다. 개선된 실험 조건을 바탕으로 SiNx 봉지막의 반복 굽힘 평가와 누설 전류 증가간의 상관성을 평가한 결과 봉지막 누설 전류량이 굽힘 횟수에 따라 선형적으로 점차 증가하는 경향은 나타나지 않았으며 크랙 발생 유무에 따라서만 누설 전류의 급격한 변화가 발생하는 것을 확인하였다. 또한 반복 굽힘 평가 시 누설 전류 측정 영역간 크랙 밀도에 따라 누설 전류 증가량의 급격한 차이가 탐지되었다. 봉지막 반복 굽힘 평가 결과 발생하는 크랙과 누설 전류의 증가간 정량적 상관 관계가 확인되었으며, 동일한 반복 굽힘 평가 시 크랙 미 발생 영역의 누설 전류 변화는 발생하지 않아 이러한 상관성을 재확인하였다. 상기 평가를 통해 반복 굽힘 평가 시 봉지막 크랙 발생에 의한 투습도 증가 현상이 발생하며, 봉지막 누설 전류의 증가가 발생하고 정량적인 상관성을 가지므로 전기적 평가 방법을 통해 봉지막 크랙 발생 감지가 가능함을 확인하였다 이러한 전기적 분석을 이용하면 봉지막의 여러 인자들을 변경하고 개선해가면서 투습 특성을 확인하는데 많은 시간적 절약을 할 수 있고 정량적인 분석을 진행함으로써 보다 명확한 인자 별 유의차를 도출할 수 있을 것이라 기대된다.