OLEDs have great potential for use in next-generation flat-panel displays due to their many advantages, such as their fast response, low power consumption and potential for use with flexible displays. However, reliability issues remain as a major challenge for mass production at present. The organic materials used in OLEDs are very sensitive to oxygen and water vapor. The water vapor transmission rate (WVTR) requirements in organic electronics are stricter than those of any other packaging application. In an OLED, the WVTR must be less than $10^{-6} g/m^2$day. To reduce the weight of the device and realize a full potential of OLEDs, a technology that replaces glass encapsulation is indispensable. Although polymers have been considered as promising candidates for these substrates, the enormously rapid permeation of this setup is known to be a major obstacle. Therefore, a barrier-coating technique is essential before the great potential of OLEDs can be realized. The permeation properties of multi-barriers were discussed by Graff, et al. using classical Fickian diffusion models. The effective diffusion path was increased using an alternating layer design.
The lifetime and electroluminescence of OLEDs are directly affected by the formation of non-emitting are-as known as dark spots, which accelerate with continuous operation. Various mechanisms of the dark spots have been studied. Crystallization of the organic material by Joule heating and local decomposition of the ITO/organic interface have been reported as possible origins of the dark spots. It was also revealed, by Liew et al., that cathode delamination is a primary factor in the growth of the dark spots. The growth of the dark spots due to external factors can be blocked by a reliable encapsulation method. Research in relation to the multi-barrier encapsulation method has been done in which a vacuum process was utilized. Atomic layer deposition (ALD) and chemical vapor deposition (CVD) have also been shown to provide a high-quality layer. However, a vacuum-based deposition process requires considerable time and lowers the price competitiveness. Although a multi-barrier design provides high performance with low WVTR values, encapsulation without dark spots is quite challenging. A protective layer for passivation using a vacuum process is crucial for avoiding damage during the passivation process.
In this work, we report a simpler multi-barrier encapsulation method for OLEDs involving the use of a solution process, prepared UV-curable epoxy hybrid materials and the low-temperature deposition of MgO. We also performed a Ca test at 30 ℃ and 90 % R.H. A multi-barrier of 6 dyads on 100-μm thick PET resulted in a water vapor transmission rate (WVTR) of 4.9 x $10^{-6} g/m^2$day and optical transmittance of 81.8 % in the visible region (350 nm ~ 850 nm). Directly coated hybrid materials on top of the devices serve as a protective layer in the passivation process. They also function as permeation barrier. A passivated device using the multi-barrier design showed no dark spots. It also demonstrated performance identical to that of glass-lid encapsulation devices. After driving of 740 hours with a constant current source under ambient conditions, a half-life time of 15000 hours was estimated by the stretched exponential decay (SED) model with an initial luminance value $L_0$ = 1000 cd/$m^2$.
Organic-Light Emitting Diode(OLED) 소자는 차세대 평판 디스플레이로서 수 많은 잠재력을 가지고 있다. 빠른 응답 속도와 저전력의 소자 구동은 OLED 소자의 최대의 강점이며 투명 디스플레이와 플렉시블 디스플레이 응용에도 많은 장점을 가지고 있다. 하지만 소자의 신뢰성 문제는 현재 대량생산과 관련하여 최대의 이슈가 되고 있다. OLED 소자에 사용 되고 있는 유기 재료 물질은 원천적으로 산소와 습기에 취약하다. 실질적으로 OLED 응용에 있어서 encapsulation부분에서 요구되고 있는 Water Vapor Transmission Rate (WVTR) 값은 $10^{-6} g/m^2$day 이하의 투습율을 요구된다고 보고 되고 있다 [1]. 이러한 수치는 다른 어떤 패키징 응용 분야보다도 현저히 낮은 수치이다. 소자의 무게를 줄이고 OLED의 많은 잠재력을 발휘하기 위해서는 기존의 Glass lid를 이용한 encapsulation 방법을 대체할 새로운 passivation 기술은 필수 적이다. 비록 현재까지는 polymer 계열의 기판이 glass를 대체하기 위한 유력한 후보가 되고 있지만 외부로부터 빠른 속도로 침투해 오는 습기와 산소로 인해 그 응용이 매우 제한적이다. 플라스틱 기판의 투습율은 매우 높은 것으로 보고되고 있다 [2]. 따라서 이를 해결 하고자 유연성을 갖는 동시에 기계적, 물리적, 화학적 특성이 좋은 플라스틱 기판 위에 barrier-coating을 하여 소자의 무게를 줄이는 동시에 유연성과 낮은 투습율을 달성 하려는 접근 들이 이루어 지고 있다.
근래에 와서는 이러한 접근 방법들이 필수적으로 인식이 되고 있으며 여러 학술지에 이와 관련된 연구들이 보고 되고 있다. 따라서 OLED의 여러 가능성을 현실화 하기 위해서 barrier coating 기법은 필수적이라 할 수 있다. Barrier coating 기법뿐만 아니라 다층 보호막 구조에서의 습기나 산소의 침투에 대한 메커니즘을 분석하여 다층 보호막에서의 투습 성질을 Fickian diffusion model을 이용한 연구가 Graff에 의해 보고되었다 [3]. 산소나 습기의 diffusion 경로는 여러 보호막을 번갈아 가며 쌓아진 다층 구조에서 효과적으로 증가하여 외부로부터 침투하는 투습율을 최소화 할 수 있게 되었다. OLED 소자에서 dark spot으로 알려져 있는 국부적으로 발광이 되지 않는 spot은 소자 수명과 전장 발광과 관련하여 직접적으로 연관이 된다. Dark spot의 발생 원인은 아직까지 명확하지는 않다. 연속적인 구동에 의해서 spot 사이즈의 확대는 가속화 되는 것으로 알려져 있다. Joule heating에 의한 소자 내의 유기물질의 crystallization과 ITO와 유기물질 간의 접촉면에서의 decomposition이 dark spot의 발생 원인으로서의 가능성을 가지고 있다는 연구 결과가 보고 되었다 [4],[5]. Dark spot의 발생 원인이 이러한 내적인 요인에서뿐만 아니라 외적인 요인에서의 발생 연구 결과 또한 보고 되었다. Cathode의 delamination이 dark spot의 생성 및 확장과 관련하여 직접적인 관계가 있다는 것이 Liew에 의해서 밝혀졌다 [6]. 이렇게 외적인 요인으로 인하여 발생하는 dark spot들은 고성능의 encapsulation 방법에 의해서 효과적으로 막을 수 있게 된다. 그 중 가장 효과적인 방법은 앞서 언급한 multi barrier를 이용하는 것이다. Multi barrier를 이용한 encapsulation 방법에 대한 연구는 현재 여러 연구팀에 의해서 활발히 진행 중에 있다.
현재 진행 되고 있는 연구들의 대부분이 진공 장비를 기반으로 하고 있다. Atomic Layer Deposition (ALD)와 Chemical Vapor Deposition(CVD) 계열의 장비를 사용한 다층 보호막이 고성능의 multi barrier를 제공해 준다는 것은 이미 여러 학술지에 보고 되었다 [7],[8]. 하지만 이러한 진공 기반의 공정 과정들은 많은 시간을 소비하게 되고 대부분의 장비들이 고가의 장비 이므로 가격 경쟁력을 잃게 된다. 이러한 장비들을 이용하여 multi barrier 코팅을 했을 시 낮은 투습율을 달성 한다 하여도 이 다층 박막을 OLED 소자에 적용 하는 작업은 매우 까다롭다. 대부분의 유기물들이 진공 장비를 통해 passivation 시 소자의 degradation을 피하기가 매우 어렵고 dark spot이 발생하게 된다. 따라서 이를 방지 하기 위해서 설계된 multi barrier구조 이외에도 passivation 공정 과정에서의 소자 degradation을 막을 수 있는 buffer layer가 추가적으로 필요하게 된다 [9]. 본 연구에서는 Organic??inorganic 다층 보호막에 있어서 유기 박막은 UV-curable epoxy hybrid 재료를 사용하고 무기 박막에 대해서는 저온 공정으로 형성된 MgO박막을 이용하였다. 기존의 진공 장비 기반의 multi barrier와는 달리 유기 박막을 형성할 시에 solution process를 이용 함으로서 저가격의 보다 간단한 공정이 이루어 지도록 하였으며, passivation시 유기 박막은 gas barrier역할을 함과 동시에 passivation에 대한 buffer layer로서의 역을 할 수 있도록 multi barrier의 구조를 사용하였다. 이러한 점들이 본 연구와 기존의 multi barrier에 관련한 연구와의 차별화된 점이라 할 수 있다. 본 연구에서는 최적화된 multi barrier를 이용하여 실제적으로 OLED 소자를dark spot이 없이 passivation 하였으며, multi barrier가 적용된 소자의 I-V-L 특성과 장시간의 수명에 대해서 기존의 Glass-lid encapsulation된 소자와 비교하여 동일한 성능을 보임을 실험적으로 증명하였다. 또한, multi barrier의 특성과 관련하여 구조에 따른 투습율의 변화와 광학적 투과 도에 대해서 비교 분석 하였으며 본 연구의 최종 목적은 고성능의 multi barrier제작과 함께 성공적인 OLED 소자의 passivation으로 그 성능을 입증하는데 있다.
