6-2-2) OLED, 손상과 봉지, 외부로부터의 손상

앞서 말하였듯이 외부 요인으로부터의 손상, 외인성 손상은 습기와 산소의 유입, 열, 빛, 그리고 제작 과정으로부터 발생합니다.  그리고 손상은 암점 생성과 확장, 전기적인 단락에 의한 치명적인 고장(catastropic failure)으로 나타나게 되죠.

외부로부터의 손상

 

먼저 습기가 산소의 유입부터 살펴보죠.  습기가 보호막의 핀 홀이나 틈 등을 통하여 OLED 소자의 전극(주로 음극)에 이르게 되면 역시 전극의 핀홀 등이나 가장자리를 통하여 전극과 유기층의 계면까지 들어가게 되죠.  여기에서 습기, 즉 물 분자는 산소와 수소 기체로 분리되어 산소는 전극과 반을을 하여 금속 산화막을 만들고, 남은 수소 기체로 인해 전극이 부풀어 오르면서 유기층과 격리가 되죠.  금속 산화물은 절연체로 전극 내의 전자가 더 이상 유기층 내부로 주입되기가 어려워지죠.  전자들이 유기층으로 주입되려면 터널링 과정을 거쳐야 하는데, 이를 위해서는 매우 높은 전압을 필요로 하죠.  또한 유기층과 격리된 부분의 전극에서도 역시 전자 주입은 전자의 방출이 일어나지 않는 한 어려워집니다.  산소가 유입된 경우에도 마찬가지로 금속의 산화가 발생, 금속 산화물이 형성됩니다.  따라서 전자들은 절연체가 형상된 부분이나 금속이 유기층으로부터 떨어져 나온 부분에서는 주입이 되지 않아, 이후의 발광층에서 전자 정공쌍의 결합도 이루어지지 않고 따라서 빛이 나오지 않는 영역, 암점이 생기게 되죠.  암점은 시간이 경과하면서 점점 더 커지고.  습기와 산소의 유입은 주로 핀홀이나 틈을 통한 누출(leakage), 혹은 농도차로 인한 침투(permeation)로 발생합니다.  누출을 줄이려면 핀홀이나 틈이 없는 완전한 보호 구조나 보호막이 제공되어야 하며, 침투를 줄이려면, 습기와 산소의 용해도가 낮고, 용해 후 확산 계수가 가급적 적은 소재로 보호 구조나 보호막을 만들어야 하죠.

 

수분과 산소에 의한 손상

 

다음으로 열에 의한 손상입니다.  사실, 열에 의한 손상은 내부에서 발생하는 열이 주 관점이므로 내인성 손상에 가깝죠. 즉, 소자의 작동 과정에서 소자 내부의 온도가 국부적으로 올라가면서 원소들의 상호 확산, 유기물 소재들의 결정화, 이들로 인한 전극의 박리 등이 수반되고, 따라서 빛이 나오지 않는 영역들이 생겨나는 현상으로 대표됩니다.  다만, OLED 소자의 동작 온도 범위에서 상한 온도, 즉, 발광 성능이 급격히 떨어지는 온도인 임계 온도가 유기물 소재(특히, 정공 수송층)의 유리 전이 온도와 거의 선형적으로 비례한다는 점이 확인되었고, 또한 소재 내에서의 국부적인 발열을 억제하기 위하여 공정 중에 박막들의 평탄도를 유지하여야 한다는 점, 그리고 외부로부터의 열 유입까지 고려한다면 외인성 손상의 관점에서도 함께 들여다보아야 합니다.

 

열에 의한 손상

 

세번째로 빛으로 인한 손상입니다.  빛을 만드는 소자가 빛에 의해 손상을 입는다면 다소 어리둥절한 일이죠.  물론, 아직은 그 영향도가 높지 않아서 큰 이슈가 되고 있지는 않지만, 레이저와 같이 높은 에너지의 국부적인 조사에 의해 소자가 손상을 받는다는 점은 확인된 바 있습니다.  아르곤 이온 레이저 빔을 조사할 경우 동심원 모양의 손상이 생겼으며, 조사 시간이 길어질수록 손상 정도도 커져 발광 손실이 증가하였죠.  흥미로운 점은 이러한 손상은 회복이 가능한 것으로 확인되었으며, 특히 상온 회복보다는 약간 온도를 올린 상태에서의 회복이 회복 속도가 더 빠르다는 내용도 보고가 되고 있습니다.  따라서 높은 에너지의 빛을 출력하는 소자, 혹은 그러한 환경에서 사용될 소자들에서는 고려할만한 내용이죠.

 

빛에 의한 손상

 

끝으로, 소자의 제조 과정에서 발생하는 손상, 손상보다는 성능 저하에 관한 이야기입니다.  즉, OLED의 제조 시간이 길어질수록, 특히 소자가 완성되어가는 과정에서 진공(증착기) 챔버 안에 머무르는 시간이 길수록 제작된 소자의 성능(수명)이 저하된다는 사실이 보고되었죠.  이 원인으로는 OLED 재료나 소자 자체로부터의 오염보다는 챔버 내부, 특히 챔버 내 유기물, 플라스틱, 고무 등으로부터의 탈기체 현상이 소자를 오염시킨다는 결과가 발표되었고, 따라서 가급적 짧은 시간안에 소자가 제작될 수 있도록 택트 타임을 줄이는 것이 필요합니다.

 

제조 과정 중의 손상

 

6-2-2. Display 심화, 손상과 봉지, Extrinsic Degradation-복사.pdf

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