We investigated the optical properties of a dielectric-metal-dielectric (DMD) electrode in relation to the surface morphology of Ag. We intentionally modified the number of voids and the surface coverage of the Ag layer. Normal and oblique incident configurations for transmittance measurement were employed to establish the relations between the Ag morphology and optical transmittance of the DMD electrode. For the configuration of $MoO_3/Ag/MoO_3$, variation in the surface morphology of the Ag minimized the light scattering loss and the absorption of photons. This could lead to 18.6 % enhancement of the transmittance at $\lambda$ = 550 nm. The optical out-coupling was also enhanced in OLEDs, which was based on the MAM anode incorporating the continuous Ag film. The multi-layer electrode ($ZnS/Ag/MoO_3$) was also optimized by investigating the formation of a continuous Ag thin film according to the base layer. The aggregation of the Ag atom was strictly limited on the ZnS layer, which showed the best thermal stability for Ag. The thermally evaporated 7-nm-thick Ag film with surface coverage of 99.6 % was achieved on the ZnS layer. We fabricated the ZnS (25 nm)/Ag (7 nm)/$MoO_3$ (5 nm) (Z25A7M5) multi-layer electrode, optimized through the numerical calculation. The transmittance of 83 % at $\lambda$ = 550 nm and sheet resistance of 9.6 Ohm/sq were recorded from the Z25A7M5 electrode. These results were mainly attributed to the uniform film-like morphology of the Ag thin film. The flexible OLEDs, based on the Z25A7M5 anode also showed feasible I-V-L characteristics compared to those of ITO-based devices.
Also, we demonstrated a high performance flexible multi-barrier containing a silica nanoparticle-embedded organic-inorganic hybrid (S-H) nanocomposite and $Al_2O_3$. The multi-barrier was prepared by low-temperature $Al_2O_3$ atomic layer deposition and with a spin-coated S-H nanocomposite. The moisture barrier properties were investigated with a water vapor transmission rate (WVTR), estimated by a Ca test at $30^\circ C$, 90% R.H.. Moisture diffusion was effectively suppressed by the sub-700 nm thick multi-barrier incorporating well-dispersed silica nanoparticles in the organic layer. A low WVTR of $1.14 \times 10^{-5}g/m^2$ day and average transmittance of 85.8% in the visible region were obtained for the multi-barrier. After bending under tensile stress mode, the moisture barrier property of the multi-barriers was retained. The multi-barrier was successfully applied to thin-film encapsulation of OLEDs. The thin-film encapsulated OLEDs showed practicable current-voltage-luminance (I-V-L) characteristics and stable real operation over 700 hours under ambient conditions.
Lastly, the design and fabrication of flexible organic light-emitting diodes (FOLEDs) with the Z25A7M5 multi-layer electrode and a moisture barrier coating, which are developed in previous work are demonstrated, and their reliability and mechanical characteristics are assessed. Bending stress of the multi-layer structure is investigated based on nonlinear finite-element analysis (FEA). The neutral axis (NA) position can be strategically adjusted by the introduction of a buffer layer of UV-curable cycloaliphatic epoxy hybrid materials (hybrimer), synthesized via a sol-gel reaction. The optimized multi-layer structure, proposed as the result of FEA is validated by related experiments. Regarding the bending characteristics, the water vapor transmission rate (WVTR) of the hybrimer-coated moisture barrier is much lower than that of a non-coated sample. The encapsulated FOLEDs, which are coated by hybrimer achieve an almost identical performance to that of non-bending samples in spite of 30-days exposure to $30^\circ C$ and 90 % R.H. after a bending test with a radius of 1 cm. During this period, the occurrence of dark spots caused by moisture penetration is effectively suppressed. Collectively, these results suggest that the bending characteristics of hybrimer-coated samples are remarkably improved with the theoretical prediction of the NA position.
플렉시블 유기 발광 소자는 차세대 디스플레이로써 주목 받고 있으며 소자의 신뢰성 확보와 기계적 특성의 향상은 여러 기관에서 아직도 연구 개발 중에 있다. 본 연구에서는 플렉시블 유기 발광 소자에서의 신뢰성과 기계적 특성 두 가지를 동시에 향상 시킬 수 있는 방안에 대하여 모색 하였다. 이와 관련하여, 기존에 플렉시블 유기 발광 소자의 구성 요소 중 기계적 변형에 취약한 ITO 투명 전극과 유리 기반의 봉지 기술에 대한 대안으로써 투명 다층 전극 및 박막 봉지 기술을 제안하였다. 투명 다층 전극과 관련하여 유전체-메탈-유전체를 기본 구조로 하여 반사 방지막 코팅 기술을 적용하였다. 메탈 층은 은(Ag)를 이용하였으며 은 박막의 표면 형상과 광학적 특성을 조사하여 매우 얇은 은 박막을 형성과정을 전략적으로 이용하여 투명 다층 전극을 최적화 시켰다. 또한 이론적인 계산 결과로써 얇은 은 박막을 둘러싸고 있는 유전체 층의 두께를 결정하였다. 최적화된 투명 다층 전극은 면저항이 9.2 ohm/sq. 로써 기존의 ITO 전극보다 우수한 전기적 특성을 보였으며, 광학적 특성에 있어서도 가시광 영역의 중심인 550 nm 파장대역에서 83 %의 높은 투과도를 기록 하였다. 또한 최적화된 다층 유연 전극은 유기발광 소자에 성공적으로 적용하여 그 우수성을 입증 하였다.
본 연구에서 논의한 박막 봉지 기술은 유-무기 다층 박막의 구조를 기반으로 하는 접근 방식을 택했으며, 카이스트 재료공학과 배병수 교수 연구팀과 공동 연구로 진행 되었다. 최종적으로 제시한 유-무기 다층 수분 장벽의 전체 두께는 대략 480 nm의 초 박막 형태로 10-5 g/m2day 수준의 낮은 투습률을 기록하였다. 또한 플렉시블 유기 발광 소자에 적용하여 산소와 수분에 원천적으로 취약한 유기물 보호에 대한 그 성능의 우수성을 보여주었으며, 기존의 글래스 기반의 인캡슐레이션 된 소자와의 수명 비교에서도 동일한 성능을 기록 하였다.
마지막으로 본 연구에서는 신뢰성과 기계적 특성 향상을 위해 제시한 이 두 가지 요소를 플렉시블 유기 발광 소자에 융합하여 최적화된 소자를 제시하였다. 이 두 가지 요소를 융합하는 과정에서 비선형 유한요소 해석을 이용하여 중립축의 위치를 전략적으로 이동시켜 구부림에 취약한 무기박막에서 발생 하는 기계적 스트레스를 최소화하는 완충 층을 갖는 새 구조를 제시하였다. 본 연구에서 글래스 인캡슐레이션의 대안으로 제시한 유-무기 다층 수분 베리어에 대하여 최적화된 완충 층을 적용하여 유연성 테스트 후의 투습률의 변화를 관찰하여 완충 층의 유무에 따른 구부림 특성이 향상 됨을 이론적 해석과 실험적으로 검증 하였다. 또한 소자 전체 구조에서의 기계적 변형에 따른 스트레스의 분포를 조사하였으며 그 결과 무기박막에서 발생 할 수 있는 균열을 최소화 하여 반복된 구부림 테스트 후에 소자의 특성이 잘 유지될 수 있도록 최적화 된 완충 층의 구조를 제시하였다. 본 연구에서 플렉시블 요소 기술로 제시한 다층 유연 전극과 유-무기 다층 수분 장벽 그리고 최적화된 버퍼의 구조를 도입한 최적화된 소자는 곡률반경 1 cm에서 1000회 벤딩 후 30℃, 90%의 환경에 30일 동안 노출 시킨 후에도 산소와 수분의 침투로 인한 흑점의 발생이 억제 되는 것을 확인 하였으며, 소자의 광학적 전기적 성능이 벤딩 전과 동일 하게 유지 됨을 확인 하였다. 결론적으로 본 연구에서는 플렉시블 유기발광 소자의 신뢰성과 기계적 특성의 향상과 관련하여 최적화된 소자를 기초 분석을 토대로 하여 그 성능을 실험적으로 제시 하였다.
