OLED의 봉지 후에는 성능과 특성을 평가하여야 합니다. 물론, 산소와 습기의 투과 정도가 가장 중요한 평가 지표이겠지만, 디스플레이에 활용하기 위해서는 가시광선 투과도, 혼탁도(haze) 등의 측정도 중요합니다. 만일, 유연 디스플레이를 위하여 하이브리드 봉지나 박막 봉지가 적용된 경우에는 곡률 반경과 반복 휨에 대한 내구성의 정도와 함께 필름 점착력, 열 안정성 평가도 필요하며, 생산성과 가격에 관한 요소도 무시할 수 없습니다.
가장 중요한 측정은 산소와 수분의 투과 정도입니다. 이는 산소 혹은 수분 투과율(Oxygen or Water Vapor Transmission Ratio, OTR or WVTR)로 표시되죠. 단위는 각각 cm^3(STP)/m^2-day나 g/m^2-day로 표기되는데, 분자는 산소의 부피나 물의 질량, 분모는 면적과 시간(day)에 해당합니다. 즉, 일정 면적에 대해 일정 시간이 경과한 후에 봉지 구조나 봉지막을 투과한 산소의 부피나 물의 질량으로 나타나죠. 물론 부피는 표준 온도와 압력(Standard Temperature and Pressure, STP)에서 측정된 값입니다. 일반적으로 산소 분자에 비해 물 분자의 크기가 작으므로 물 분자에 해당하는 WVTR 값에 비해 산소 분자의 OTR 값이 1/10 정도에 해당한다고 보면 무난하며, 따라서 WVTR을 주로 측정하게 됩니다.
OLED가 TV에서 요구하는 5만 시간의 수명을 갖기 위해서는 WVTR 값이 10^-6g/m^2-day 이하가 되어야 합니다. 물론 OTR은 10^-5cm^3(STP)/m^2-day 이하가 요구되겠죠. 참고로 일반적인 플라스틱 필름의 WVTR 값은 10^1~100g/m^2-day 범위이며, 현재 음식물을 담거나 포장에 필요한 플라스틱 용기, 혹은 필름의 경우 10^-1~10^-2g/m^2-day 정도를 가집니다. 그리고 유기물을 적용한 전기 광학 소자들의 경우 유기물 적용이 많을수록 요구되는 WVTR 수준은 높아지는데, 예를 들어 전기 변색 소자(Electro-Chromic Device, ECD)는 10^-2~10^-3g /m^2-day, 유기 태양 전지(Organic Photo-Voltaics, OPV)의 경우 10^-3~10^-5g /m^2-day 정도를 요구하죠. 현재로서는 OLED가 10^-6 수준으로 가장 까다로운 WVTR을 요구하고 있습니다.
WVTR을 좀 더 실감나게 표현해보죠. 축구장과 비슷한 면적인 가로 50미터, 세로 100미터(실제로는 폭 64~75미터, 길이 100-110미터)에 봉지막이 코팅된 플라스틱 필름을 깔고 물을 채운 뒤 한 달이 경과한 후에 아래로 새어나오는 물의 양을 생각해보겠습니다. 봉지막이 코팅되지 않은 플라스틱 필름의 경우 탱크 트럭 한대나 드럼통 한 개만큼의 물이 새며, 음식물 패키징에 적용되는 10^-2g /m^2-day 정도가 되려면, 패트병 정도의 양이 새어야만 합니다. 나아가서 OPV에서 요구되는 10^-4g /m^2-day 정도를 보이려면 한 스푼 정도, OLED에서는 한 방울 정도를 요구하니 그 난이도가 짐작이 갑니다.
이러한 WVTR의 측정법은 10^-3g/m^2-day 정도까지는 음식물 패키징 필름 등의 용도로 마련되어있지만, 10^-3g/m^2-day 이하 범위의 측정은 아직 완전한 개발이 되지 못한 상태입니다. 즉, 표준화나 객관적으로 공인된 평가법이 아직은 없다는 뜻입니다. 그럼에도 불구하고 비교적 다양한 WVTR 측정 기술이 개발, 발표되어 왔습니다.
먼저, 칼슘 테스트가 있습니다. 칼슘의 경우 산화가 되면 투명해지면서 전도도가 감소하죠. 이를 이용하여 봉지된 구조 안에 칼슘 박막 혹은 칼슘 전극을 배치하고 외부로부터 유입된 습기에 의해 칼슘이 산화되는 정도를 광 투과도나 저항 변화로 측정. WVTR을 산출합니다. 이 때 측정 시간 단축을 위해 가혹 테스트를 하는데, 외부 조건은 보통 상대 습도 100%, 온도는 60도 이상을 적용하죠. 이 방법으로 10^-6g/m^2-day 수준까지의 WVTR을 측정할 수 있으나, 칼슘의 증착 후 테스트 과정이 주로 실험실 단위로 이루어지므로 객관적인 신뢰도가 높지는 않습니다.
현재까지 비교적 객관성이 검증된 WVTR 측정법은 3중 수소 테스트입니다. 용어 그대로 3중 수소로 이루어진 물 분자들을 이용하는데, 봉지막을 통과하여 나오는 물 분자의 수를 3중 수소에서 방출되는 방사선을 측정, 산출하는 방법이죠. WVTR을 10^-7g/m^2-day 수준까지 얻을 수 있지만, 방사선 기기이므로 이에 걸맞은 환경이 구축되어야 합니다.
그리고, Mocon사의 WVTR 테스트기는 음식물 패키징 시절부터 상용화된 장비로 제품이 출시되어 있습니다. 최근에는 질량분석기에서 개량된 전기화학식 센서 기술을 적용하여 10^-5g/m^2-day 범위까지 측정이 가능하다고 알려져 있죠. 이로부터 외삽법을 적용, 그 이상의 수준을 가늠하기도 합니다. 이 외에도 질량 분석이나 형광을 이용한 측정, 암점(dark spot) 판독 등의 방법이 제안되고 있어 새로운 연구 영역이 마련되고 있는 중입니다.
WVTR에 더하여 가시광선 투과도를 측정함으로써 OLED에서 만들어진 빛이 반사나 흡수 과정을 거쳐 어느 정도가 빠져 나오는지가 평가되어야 합니다. 최소 90% 이상의 투과도를 요구하고 있죠. 혼탁도(haze)는 봉지막을 투과한 빛이 산란되면서 시야를 벗어나는 정도를 의미하며 이는 1% 이하가 필요합니다.
그리고 필름 접착력은 용어 그대로 필름이 잘 부착되어 있는 정도인데, 이는 망상 모양의 흠집에 대한 테이프 측정(cross-hatch tape test)이나 긁어가면서 하는 접착력 측정(scrape adhesion test) 등의 방법을 사용하며, 어떤 경우라도 떨어지는 부분이 없는 100%가 만족되어야 합니다.
곡률 반경과 반복 휨에 대한 내구성은 곡률 반경(Radius of Curvature, ROC) 값을 줄여가면서 접고 피는 반복 동작을 통하여 평가되는데 접는(foldable) 폰까지 만족하려면 RoC는 1 mm 혹은 그 이하까지 내려가야 합니다.
열 안정성의 경우, 사용 환경이나 응용도에 따라 요구 조건이 다를 수 있지만 기본적으로는 150도의 온도에서 1분을 유지하여도 금이 가는 등의 손상이 없어야 하죠. 이러한 여러 측정법들 현재 잘 확립되어 있으며 측정 기기들 또한 각 용도와 목적에 맞도록 구입, 설치가 가능합니다. 끝으로 제품의 기본적인 요건인 생산성 관련 검증도 필요하게 되죠. 즉, 택트 타임과 생산 면적의 확장성은 물론, 원재료와 공정 비용, 응용 제품까지 고려한 검증과 분석을 필요로 합니다.
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# 더! 생각해보기
a. 투습률 측정 방법은 계속 개발이 진행되고 있죠는데,최근의 기술들을 좀 더 알아보자
b. OLED의 응용을 위해 이 외에도 더 측정이나 평가가 필요한 요소들이 있을까
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