11. 글래스, 금속 캔 봉지공정(Glass, metal can encapsulation) 이야기

OLED에 튼튼한 뚜껑을 만들어 주자.

OLED는 유기물로 이루어진 전자 디바이스입니다. 유기물은 수분과 산소에 노출되면 빠르게 원래의 특성을 잃어버리고 소자가 열화(Degradation)되고 맙니다. 이러한 사실은 초창기의 OLED 개발때부터 당연히 인지되어있던 사실들이었기 때문에 산소와 수분의 노출을 최소화 시킬 수 있도록 봉지(Encapsulation) 라는 컨셉을 내놓게 됩니다. 

사실 컨셉이라고 해보았자 보온병을 뚜껑으로 막아 외부와 내부의 열을 차단하듯이 봉지공정도 소자내부에 수분과 산소가 침투하지 못하도록 막는 것이 기본임은 당연합니다. 그러나 어떻게 막느냐가 고민일 수 있는데, 초창기에도 그랬지만 현재까지도 대부분의 OLED 기판(Substrate)의 재료가 유리이기 때문에 봉지재료로 첫번째로 거론된것도 글래스입니다. 

글래스와 금속 캔(Metal can)은 봉지재료로 초창기에 사용하였고, 투명도에서 극명한 차이를 보이기 때문에 목적에 맞는 분야에 선택적으로 적용되었습니다. 먼저 금속 캔은 불투명하기 때문에 오로지 배면 발광(Bottom emission)에만 적용할 수 있습니다. 최초의 상업용 OLED를 선보였던 파이오니어(Pioneer)에서 이 금속 캔이 봉지재료로 사용되었습니다. 초창기에는 배면구조로만 OLED가 만들어졌기 때문에 형태 가공에서 편의성이 있었던 금속캔이 봉지재료로 사용되었으나, 그 이후 전면 발광(Top emission)과의 호환성 등을 고려하여 투명한 글래스로 대체하게 됩니다.

앞으로의 내용들은 글래스 인캡슐레이션 공정에 대해서만 언급하도록 하겠습니다. 일단 글래스 인캡을 하려면 먼저 기판과 인캡 글래스를 접착하는 과정이 필요한데 이 접착 방법은 두가지 방법으로 구분할 수 있습니다. 

UV resin 접착 : 점도가 있는 에폭시(Epoxy)로 자외선(UV)에 반응하여 빠르게 굳어 접착성이 뛰어나고 수분과 산소 투과율이 낮은 재료.

-장점 : 공정이 간단하다.

-단점 : 비교적 산소, 수분 투과율(WVTR, OTR)이 높다.

Glass frit : 녹는점이 낮은 유리로, 기판과 인캡 글래스 사이에 놓고 열을 가하면 쉽게 녹아서 두 글래스를 접착시키는 재료.

-장점 : 유리재료이기 때문에 산소, 수분 투과율이 낮다.

-단점 : 공정이 어렵다.

OLED 소자 내 수분과 산소의 농도는 0.1ppm을 유지해야하며 이를 임계점으로 봅니다. 위 두가지 방법 중 UV resin의 경우에는 투습도(WVTR)가 정도 수준인데 mil이라는 단위는 길이 단위로 입니다. 따라서 하루에 대략 0.025mm의 속도로 서서히 수분이 침투합니다. 그러다가 UV resin의 두께 만큼 모두 침투하면 임계점으로 보고 그 다음 부터는 수분이 지속적으로 침투되기 시작합니다. 

<사진1. 시간에 따른 투습량 변화와 UV resin이 도포된 encap glass>

사진1을 보면 일정시간동안은 UV resin의 두께만큼 수분이 투과하는 시간이 있기 때문에 투습량이 0이지만, UV resin 두께만큼 투습된 후로는 투습도(WVTR, Water Vapor Transmission Rate) 만큼 지속적으로 OLED 소자내부로 수분이 침투되기 시작합니다. 이는 OLED 소자 수명에 치명적인 영향을 끼치기 때문에 반드시 흡습제(Getter)가 인캡 글래스 내에 첨가해야합니다.

흡습제는 대부분 CaO(Calcium Oxide)같은 실온에서 빠른속도로 산소와 수분에 화학적으로 반응 할 수 있는 알칼리 토금속 산화물들을 이용합니다. 주기율표의 2족 원소들 중 Ba, Ca, Sr이 효과적이며 이러한 산화물들을 표면적을 넓혀서 파우더 형태나 스티커 형태의 접착시트에 산화물을 도포하여 부착하게 됩니다. 투습되기 시작한 이후에도 이러한 흡습제들의 영향으로 OLED 소자의 수명을 어느정도 보장할 수 있게 됩니다. 

<사진2. 봉지 공정도>

사진2는 봉지공정순서를 그림으로 나타내 보았습니다.

1. 유기물이 증착완료된 OLED 기판과 인캡 글래스를 준비합니다. 이때 반드시 질소분위기의 글러브박스 등 산소와 수분이 완전히 차단된 환경에서 공정이 진행되어야 합니다.

2. 인캡 글래스에 UV resin을 디스펜서(Dispenser)로 도포하고 흡습지(Getter)를 부착합니다. 전면 발광의 경우에는 투명한 흡습지나 발광면적을 피하여 흡습지를 부착 또는 뿌려서(파우더) 준비를 완료합니다.

3. OLED 기판과 인캡 글래스는 부착합니다. 이때는 단지 물리적으로 살짝 올려놓는 것일 뿐 접착력은 가지고 있지 않습니다.

4. 유기물 영역을 가리는 Mask를 댄 후 자외선(UV)를 노광(Exposure)시킵니다. UV resin은 자외선 영역의 빛에 반응하여 강한 접착력을 갖는 동시에 경화되어 기판과 인캡글래스를 단단히 붙잡습니다. 동시에 수분과 산소의 투과를 효과적으로 막을 수 있게 됩니다. 제품에 따라서 열처리도 하여 더 단단히 경화시킵니다.

5. 봉지 공정이 완료되었고, 도포 결함 등을 확인합니다.

위 공정을 완료하게 되면 OLED의 수명을 크게 늘려 줄 수 있는 준비가 완료됩니다.