Organic materials based electronics have been the focus of attention to commercialization of flexible electronics and flexible photovoltaics. Although organic materials have a wide variety of advantages, severe sensitivity to water vapor has inhibited the practical use of OLEDs and OPVs. Desired encapsulation materials have to not only block the permeation of water molecules into organic devices, but also maintain transparency, thin film, and, especially flexibility. To satisfy OLEDs barrier requirement (extremely low WVTR value 10-6 g/m2 day), recently the researches of polymer/inorganic multi-layer water vapor barrier films which show enhanced barrier properties have been reported. However, a complex process makes these films more expensive and vulnerable to bending stress due to 5~6 stacked bulky layers.
Most researches of water vapor barrier films have mainly centered on fabricating robust and defect-free inorganic layers in order to reduce the number of layers. On the other hand, polymeric materials which act as a planarization and an increase in the diffusion path of water vapor in multi-layer films have not much studied. Conventional polymeric materials are thermally unstable and have low water barrier properties, but for high performance multi-layer barrier films novel polymeric materials must have low WVTR and thermal stability for depositing inorganic layers at high temperature.
Organic-Inorganic hybrid materials for application in water vapor barrier films have been reported. Organic-Inorganic hybrid materials show an improved thermal stability and enhanced water barrier properties due to their characteristics remedying shortcomings of both the organic and inorganic materials. Moreover, changing precursors, controlling the sol-gel process, and adding additives allow us to easily tune the characteristics of Organic-Inorganic hybrid materials. Through these modifications, we are able to synthesize a dense inorganic structure, highly crosslinked organic linkages, and water interactive species in Organic-Inorganic hybrid materials. These distinctive features are promising requisites to lead enhanced water vapor barrier properties.
In this study, we reported Epoxy based hybrid materials showing enhanced water vapor barrier properties and thermal stability by using a transparent and thermally stable GFRHybrimer(Galss fabric reinforced Hy-brimer) substrate for fabricating thin water vapor barrier films. We synthesized dense and large epoxy oligosi-loxane particles by using only T species precursors through the sol-gel reaction. To adjust the features of or-ganic parts which mainly affect water vapor barrier properties, we tried to increase in the number of functio-nalities in organic groups, change the types of polymerization, and add different crosslinkers. Furthermore, we added silica nano-particles into Epoxy Hybrimer to improve the water vapor barrier properties, which is nano-composite method. Multi-layers (1dyad) barrier films are fabricated, and showed significantly enhanced water barrier properties; Inorganic (Al2O3) layers are deposited by atomic layer deposition. The permeability values (WVTR) of Epoxy Hybrimer barrier films were measured by the Ca degradation method and MOCON test. Finally, we performed extended life-time of OLEDs encapsulated with the fabricated Epoxy barrier films to demonstrate water vapor properties in real devices.
유기재료를 바탕으로 한 전자소자는 유연한 태양전지 또는 유연한 전자소자의 개발을 위해 큰 관심을 받아왔다. 비록 유기 전자 재료들이 다양한 장점들이 있지만, 수분에 민감한 특성 때문에 OLED 또는 OPV의 실제적 사용이 제한되었다. 이러한 유기 전자 소자를 위한 봉지 재료는 수분의 투과를 잘 막아야 할 뿐만 아니라 투명성과 유연한 특성을 만족시켜야 한다. 매우 낮은 수분 투과 특성(WVTR 10-6 g/m2 day)을 만족시키기 위해서 최근의 연구에서 유기와 무기층이 교대로 존재하는 다층 수분 차단 필름이 보고되었다. 하지만 5층 이상으로 제조 해야 만 하는 매우 복잡한 공정으로 인해서 공정비용이 증가할 뿐만 아니라 유연성을 위한 굽힘 응력에 취약하다.
최근에 여러 층이 반복되는 다층 수분 차단 막의 layer를 줄이기 위해서 결함이 없고 수분에 매우 강한 무기 층을 증착하기 위한 연구가 집중적으로 수행 되었다. 하지만, 다층 수분 차단 막에서 평탄화 그리고 수분 확산 거리를 길게 만드는 역할을 하는 유기재료(고분자 층)에 대한 연구는 많이 수행 되어지지 않았다. 일반적인 고분자 재료들은 열 적으로 불안정하고 매우 낮은 수분 차단 특성을 가지고 있어서, 다층 수분 차단 막을 위한 높은 수분 차단 특성을 보장하기 위해서 새로운 고분자 재료는 낮은 수분 투과도와 고온 무기 증착 공정을 가능케 위한 열 적 안정성을 가지고 있어야 한다.
수분 차단 필름의 응용을 위한 유-무기 하이브리드 재료가 활발히 연구되어 왔다. 유-무기 하이브리드 재료는 유기 재료와 무기 재료의 단점을 상쇄할 수가 있기에 높은 열 적 안정성과 향상된 수분 차단 특성을 가지고 있어서 기존의 고분자 재료를 대체 할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 간단히 출발물질을 바꾸거나 솔-젤 공정의 조절, 그리고 가교제와 같은 additives를 첨가 함을 통해서 유-무기 하이브리드 재료의 특성을 쉽게 조절 할 수 있다. 이러한 변화를 통해서, 치밀한 구조의 무기 또는 유기 구조 그리고 물과 상호작용 할 수 있는 작용기를 가진 유-무기 하이브리드 재료를 손 쉽게 합성할 수 있다. 위의 유-무기 하이브리드 재료의 흥미로운 특성들이 수분 차단 특성을 증가 시킬 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구에서 수분 차단 필름을 제조하기 위해서 열 적으로 강한 GFRHybrimer를 기판으로 사용하여 수분 차단 특성이 향상된 에폭시 기반의 하이브리드 필름을 보고 하였다. 치밀하고 큰 에폭시 올리고실록산 입자를 T종으로 이루어진 출발물질을 사용함을 통해서 합성하였다. 유-무기 하이브리드 재료에서 전체 수분 차단 특성을 좌우하는 유기 그룹의 특성을 조절하기 위해서 유기 작용기의 수를 증가 시켰고, 유기 중합반응을 조절하였으며, 다양한 가교제를 첨가하였다. 그리고 실리카 나노 입자를 에폭시 하이브리머에 균일하게 분산시켰고, 이를 통해 향상된 수분 차단 특성을 가진 실리카-하이브리드 nanocomposite 재료를 제조 할 수 있었다. 실제 응용을 위해 다층 수분 차단 필름이 제작 되었고, Al2O3 무기층을 atomic layer deposition 방식으로 증착하여 매우 향상된 수분 차단 특성을 얻을 수 있었다. 마지막으로 실제적응용을 위해서, 제조된 에폭시 하이브리드 수분 차단 필름을 OLED 소자에 봉지하여 OLED life-time test를 수행 하였다. 에폭시 하이브리드 재료의 수분 투과도는 Ca test와 MOCON test를 통해서 측정되었다.
