Flexible displays consist of multilayered structure, and the individual layeres have to be able to withstand significant bending strain. It is important, therefore, to engineer the multilayer structure such that minimal strain is applied to the device by controlling the neutral plane; close the layer of interest is to the neutral plane, the samller imposed the bending strain. One method in changing the position of the neutral plane is to choose materials with different modulus or by varying the thicknesses of the layers. In this study, we explore the usage of polymer-graphene composite with different concentrations of graphene flakes to systematically vary the modulus in attempt to control the modulus to the desirable values. In addition, graphene is known to have low permeation level to gases or water molecules that has the potential to enhance the barrier properties of encapsulation in organic light emitting diodes (OLEDs). Therefore, the effect of graphene flake contents in the poly(methyl methacrylate) (PMMA) on the gas transition rate to $O_2$ and water molecules was also investigated for PMMA/graphene composites. Different contents of graphene flakes from 0 wt% to 1.0 wt% were mixed to PMMA solution, which is then spin-coated on the polycarbonate (PC) substrates. Nanoindentation for the PMMA/graphene composites revealed that increasing the graphene flake contents in PMMA led to the enhancement of mechanical properties of PMMA/graphene composites. The hardness and Young’s modulus of PMMA with 1.0 wt% graphene flake was 0.21 GPa and 7.6 GPa, respectively, which is ~2.0 times larger than those of PMMA without graphene. The increased Young’s modulus resulted in the shift of neutral plane toward organic emissive layers by $~1.2 \mum$, which in turn, reduced the applied strain to the organic layer, thereby enhancing the mechanical reliability of OLEDs. Furthermore, gas permeability tests to $O_2$ and water molecules indicated that the gas transition rate of PMMA/graphene composites decreased as the contents of graphene in PMMA increased. Randomly mixed graphene in the PMMA efficiently block the $O_2$ and water molecules to transit through PMMA/graphene composites, thereby leading to the enhanced barrier property.
기존의 평판 디스플레이에서 벗어나 유연한 특성을 지닌 디스플레이의 수요가 크게 늘고 있고 관련 분야의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만 밴딩 거동에 의해 소자가 받는 응력 문제로 상용화가 어려운 상태이다. 적층된 디스플레이 구조에서 밴딩 거동 시 각각의 층은 특정 크기, 방향의 응력을 받게 된다. 이때 소자를 서로 다른 방향의 응력이 상쇄되는 기계적 중립면에 위치하게 하여 소자가 받는 응력을 최소화 하는 것이 필요하다. 이 중립면의 위치를 디스플레이 구성 요소들의 구조와 두께를 변화하지 않고 봉지층 내 고분자층의 탄성률 조절만으로 소자 부근으로 이동시켜 소자가 받는 응력을 크게 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 그래핀의 뛰어난 기계적 특성을 이용해 고분자 복합층에 분산시킨 강화제의 함량을 조절하면서 복합층이 탄성률을 크게 증가시켰다. 나노압입 실험을 통해서 PMMA 의 2.9 GPa 의 탄성률을 graphene flake 를 질량비 1%로 섞어서 7.6 GPa 로 증가한 것을 확인하였고, 간단한 OLED 구조에서의 중립면을 소자쪽으로 $1.2 \mum$ 이동시킬 수 있음을 계산을 통해 확인하였다. 이러한 결과들을 통해서 그래핀을 이용한 고분자 복합층의 우수한 특성이 유연 디스플레이 상용화에 큰 역할을 할 수 있을 것이다.
또한 디스플레이의 유연성을 위해 기판과 봉지층에 주로 사용되는 고분자 물질은 기존에 사용되던 유리나 금속 물질에 기체를 잘 투과시켜 발광소자의 산화를 막는데 한계가 있다. 그래핀 강화제는 이론적으로 기체분자를 투과하지 않는 것으로 보고된 바 있어 부가적으로 고분자-그래핀 복합체 구조는 기존의 고분자 박막에 비해 기체투과도를 크게 낮출 수 있다. 불투과 특성을 지닌 그래핀을 고분자 층에 분산시켜 고분자 층 내에서 강화제가 tortuous 길이를 증가시켜 기체분자가 복합층을 통과하는 확률을 크게 낮추는 원리로 막 특성을 낮출 수 있었다. 실제로 PMMA 막 샘플의 산소 투과도는 769 에서 graphene flake 를 질량비 1% 분산시켰을 때 45 g/$m^2$/day 로 약 90% 낮아졌으며, 수분 투과도는 55.4 에서 12.6 g/$m^2$/day 로 약 80% 낮은 막 투과 특성 결과를 얻어 산소와 수분 입자의 투과를 효과적으로 막을 수 있음을 실험적으로 확인하였다
