Wearable electronics technology is regarded as a state-of-the-art technology for next-generation elec-tronics to bring greater human convenience. In particular, there has been great interest in “wearable displays” as they have the potential to create a new industry involving not only of the information display itself but also products that represent convergences with other electronic devices such as medical sensors and energy devices. Therefore, researchers have been amassing ways to develop wearable display devices with fabrics and fibers. Thus far, most existing work has demonstrated prototype devices on fibers and textiles with novel fabrication methods. However, there is a large practical gap between reported substrates for wearable electronics and actual fabric for clothes regarding the use of a single fiber material without a weaving process or porous woven fabrics weaved with thick fibers over large meshes. In addition, the low luminance and high operating voltage reported in previous works are barriers to human-friendly wearable electronics. Thus, a high level of efficiency and low operating voltages are clearly required before wearable displays can be realized.
In this paper, we realized the first wearable display based on actual soft fabric, and we reported the first fabric-based organic light- emitting diodes (OLEDs) to the best of our knowledge. We developed planar-ized fabric substrates with ductile polymers such as polyurethane (PU) and poly(vinyl alcohol) (PVA). Thus, the mechanical characteristics, such as the flex stiffness and multidirectional creases, were retained same as bare fabrics. The fabricated top-emitting OLEDs showed reliability in a1000 cyclic bending test with a bend-ing radius of 5 mm. A high current efficiency of around 8 cd/A was realized, and clear green emission was observed up to an emission angle of 70°. We propose wearable displays very similar to actual fabric via sim-ple universalized fabrication methods such as lamination, spin-coating and thermal evaporation.
OLEDs require encapsulation due to their very weak protection against moisture and oxygen. Conventional OLEDs fabricated on glass substrates be can easily encapsulated using glass lids. A glass lid guarantees a sufficiently low water vapor transmission rate (WVTR) of around $10^{-6} g/m^2 day$. However, a glass lid is not flexible, making it difficult to apply them as a type of encapsulations for flexible OLEDs. Thin-film barriers composed of multi-stacked organic and inorganic layers were developed as a means of flexible encapsulation. We suggest OLEDs encapsulated by 3.5 dyads of an aluminum oxide $(Al_2 O_3)-PVA$ multilayers used simultaneously for planarization. The proposed multilayer barriers show a WVTR of approximately $1.8*10^{-5} g/m^2 day$. The encapsulated OLEDs showed unstable operation due to contamination during the encapsulation process and due to the imperfection of the planarization process. To improve the reliability, we modified the PU coating method, the structure of the OLEDs, and the thickness of the top electrodes. Moreover, protective layers composed of inorganic/organic layers formulated by thermal evaporation were inserted to protect the OLEDs from oxygen, moisture and from the TMA precursor before encapsulation. The effects of each step of the proposed method were analyzed via microscope images of the emitting cells and by analyzing the electrical characteristics. Consequently, fabricated OLEDs kept in ambient air showed similar performance levels after 3500 h with a few dark spots. Also, they showed stable operation for 1000 h when driven at a constant current density of $11.1 mA/cm^2$ and lifetime tendencies similar those of glass-based reference OLEDs. While the reliability of the proposed fabric-based OLEDs was improved, degradation of the flex stiffness and the capable bending radius was observed due to the insertion of the barriers and the protective layers, respectively. Further research to improve the mechanical characteristics by optimizing the thickness of layers and by applying new materials is required.
We propose wearable displays very similar to real fabric via a simple universalized fabrications method. Thus, we anticipate that our work will lead to more opportunities, such as wearable displays applicable to industry in the near future.
웨어러블 전자소자 기술은 차세대 전자소자로 각광받고 있으며, 특히 웨어러블 디스플레이는 일반적인 디스플레이 소자 뿐 만 아니라 의료용 센서, 에너지소자 등 다른 전자소자에서 정보전달 역할을 함으로 수요가 클 것으로 예측된다. 따라서 직물과 섬유 기반의 웨어러블 디스플레이 연구가 이루어지고 있으며 프로토 타입의 제품을 제시하고 있다. 하지만 기존의 연구 결과에서 사용된 기판은 두꺼운 섬유를 우븐 형태로 꼬아놓은 것으로 실제 옷감에 사용되는 직물과 차이가 크며 섬유를 이용한 결과도 제작된 섬유를 어떻게 방직을 할지에 대해 제시하지 못하고 있기 때문에 상용화되기 어렵다. 또한 낮은 휘도와 높은 발광 전압 등의 낮은 소자 성능 문제를 보이고 있으며, 따라서 웨어러블 디스플레이를 구현하기 위해서 높은 수준의 발광 효율과 낮은 구동 전압을 가지는 소자 성능이 필요하다.
본 논문에서는 실제 옷 등에 사용되는 직물 기판을 기반으로 유연하며 동작 전압이 낮고 높은 발광 효율을 가지는 유기발광소자를 디스플레이 소자로 가지는 웨어러블 디스플레이를 처음으로 개발하였다. 특히 직물 자체의 물리적 성능이 변하지 않도록 분석을 진행하며 기판의 평탄화 공정을 개발하였으며, PU와 PVA 를 이용한 평탄화를 통해 강연도 및 방추도의 특성평가에서 기존의 직물 기판의 특성을 저하시키지 않는 소자를 개발할 수 있었다. 유리기판과 동일한 성능을 가지는 유기발광소자를 직물 위에 구현하였으며 전류효율은 8-10 cd/A 로 높으며, R=5 mm, 1000회 bending 에 대해 신뢰성을 보였다. 결론적으로 대면적 공정이 가능하며 상용적으로 이용되는 라미네이션, 스핀코팅, 열증착 공정 방법을 이용하였으며 실제에 가까운 직물 기판을 기반으로 개발을 하여 상용화에 유리한 웨어러블 디스플레이를 구현하였다.
개발된 웨어러블 디스플레이는 유기발광 소자를 디스플레이 소자로 이용하며, 따라서 산소와 수분에 매우 민감하다. 기존에 상용적으로 사용되는 유리 lid는 $10^{-6} g/m^2 day$ 의 충분히 낮은 투습율을 보이지만 유연하지 않아서 플렉서블 소자에 적용하기 힘들다. 다층박막 형태의 유기물/무기물 배리어는 낮은 투습율을 확보할 수 있으며 동시에 유연하기 때문에 플렉서블 유기발광소자의 봉지에 적합하다. 3.5 dyads $Al_2 O_3/PVA$ 다층박막 배리어를 이용해 소자를 봉지하였으며 동시에 평탄화 층으로 사용하였다. 제안된 구조는 $1.8*10^{-5} g/m^2 day$ 의 낮은 투습율을 보이며 유기발광소자를 봉지하기에 충분히 낮은 수치이다. 봉지 공정 자체에 대한 신뢰성 향상을 위해 직물의 평탄화 공정 개선, 소자 구조 최적화, 상부 전극 두께 최적화 및 열증착을 이용한 보호층 삽입 등을 통해 봉지 공정과정에서 발생하는 수분과 산소 유입으로부터 최대한 유기발광소자를 보호하였다. 이 과정에서 소자 구조 변경에 따른 암점 형성 및 확장 속도 등에 대한 분석을 통해 제시된 공정 개선이 소자에 신뢰성 개선에 미치는 경향을 분석하였다. 결과적으로 $11.1 mA/cm^2$ 의 전류밀도로 구동 시 1000 시간 동안 구동이 가능한 소자를 제작할 수 있었으며 glass 기반 reference 소자와 동일한 경향을 가지는 수명 측정 결과를 보였다. 하지만 신뢰성을 향상시키기 위해 보호층 및 봉지층이 삽입되는 과정에서 소자의 강연도와 bending 특성이 저하되는 문제가 발생하였다. 이는 무기막 두께를 줄이고 새로운 유기물을 찾는 방법을 통해 개선해야 한다.
본 연구에서는 실제 직물과 일반적으로 상용화된 공정 기술을 이용한 웨어러블 디스플레이 소자를 제안하였다. 따라서 본 연구의 결과가 가까운 미래에 웨어러블 디스플레이가 산업에 적용되는데 기여할 수 있다고 생각된다.
