OLED의 다층 박막 봉지 방식은 캔 방식이나 하이브리드 방식과는 달리 별도의 봉지 구조물을 필요로 하지 않습니다. 즉, 음극까지 증착한 후, 이 위에 연이어서 무기층과 유기층을 번갈아 증착을 하여 다층 박막을 형성하는 방식이죠. 따라서, 별도의 봉지용 공정 라인에 대한 부담이 적고 택트 타임이 짧아지며, 다층 박막 봉지가 적용된 OLED는 전면 발광이 가능하며, 두께와 무게가 최소화되며, 특히 플라스틱 기판에 적용될 경우 유연성 측면에서도 가장 유리합니다.
이러한 다층 박막 구조는 기본적으로 무기층과 유기층이 번갈아서 증착, 형성이 되는데 실제로 산소나 수분을 막아주는 것은 무기층의 역할입니다. 따라서 산소와 수분의 누설(leakage)을 막으려면 나노 크기의 핀 홀이 없어야 하며, 또한 침투(permeation)을 가능한 줄이려면 산소와 수분에 대한 용해도와 확산 계수가 낮아야 하죠. 즉, 소재를 잘 선택하여서 완전한 공정을 하여야 합니다. 특히, 면적이 커질수록 핀 홀에 전혀 없는 무기막을 형성하기가 어려워지므로, 두 층 이상을 쌓아서 핀 홀이 발생하더라도 그 위치가 달라져 산소나 수분의 이동 경로를 길게 하는 다층막 방식을 사용합니다.
유기층의 역할도 서너 가지 정도로 요약할 수 있습니다. 먼저, 무기층을 연이어 증착할 경우 무기층들간에 발생하는 응력(stress)를 완화(relaxation)시켜서 추후 틈(crack)이 발생하지 않도록 하죠. 또한 표면에 요철이 있을 경우, 유기물의 되흐름(reflow) 특성을 이용하여 표면을 평탄화(planarization) 시켜서 후속 공정에 도움을 줍니다. 특히, 잉크 젯 공정을 이용할 경우, 두께 1마이크론 이상의 유기층 형성이 가능하여 표면의 오염물을 덮어 오염에 따른 부작용을 줄일 수도 있으며, 패터닝이 가능하고, 재료의 사용 효율이 높다는 장점들이 있습니다. 그리고 플라스틱 기판의 OLED에서는 유기층이 휨을 더 자유롭게 하는 역할도 하죠. 이러한 이유로 인해 다층 박막 봉지는 무기층과 유기층이 번갈아 코팅이 되는 구조를 선호하며, 궁극적으로는 ‘무기층 – 유기층 – 무기층’으로 두 개의 무기층 중간에 유기층이 삽입된 3층막 봉지가 최적화된 구조입니다. 물론 단일 무기층으로 봉지를 완성하려는 시도도 있지만, 아직은 성능과 생산성을 만족시키지 못하고 있습니다.
유기층의 경우, 잉크 젯 프린팅과 함께 급속 기화(flash evaporation) 등과 같이 다양한 공법과 유기물들이 사용되고 있지만, 무기층의 경우 주로 적용되는 공법은 스퍼터링, 플라즈마 화학 기상 증착(Plasma-Enhancement Chemical Vapor Deposition, PECVD), 그리고 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD)입니다. 스퍼터링은 대면적, 저가격 공정이고 PE-CVD는 CVD 방식 중에서는 가능한 낮은 온도에서 양질의 박막을 얻을 수 있다는 장점이 있죠. 특히 ALD 공정의 경우, 원자층들이 순차적으로 차곡차곡 증착됨으로써 막의 질도 우수하고 단차 피복성(step coverage)도 우수하여 봉지 성능이 우수한 무기막 형성이 가능하죠. 다만, 공정 시간이 길고 온도가 높다는 한계가 있었는데, 연구 개발을 통하여 OLED에 적합하도록 짧은 공정 시간, 저온 공정을 특징으로 하는 ALD 장비들이 등장을 하고 있습니다.
OLED 봉지용 다층 박막 구조는 산소와 수분의 투과도가 10^-5 ~ 10^-6 범위(단위는 cm^3(STP)/m^2-day나 g/m^2-day)를 유지하여야 하는 점에 더하여, 공정과 생산성, 디스플레이 성능 등을 고려한 여러 특성들이 요구됩니다. 즉, 공정 온도는 100도 이하가 이상적이며, 250 nm/min 이상의 증착 속도, 제로에 가까운 응력, 90% 이상의 가시광선 투과도, 우수한 접착력, 유연성 등을 필요로 하죠. 이러한 요구 조건들과 향후, 어떤 봉지 방식들이 더 등장할지, 그리고 OLED 봉지에 관한 성능 측정 등에 대하여 이야기를 이어가 봅니다.
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# 더! 생각해보기
a. OLED에서 박막 봉지 방식은 과연 이상적일까
b. OLED 제조 회사들의 봉지 기술의 개발 및 활용 전략들을 조사, 분석해보자
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