13. OLED 박막 봉지공정 원리 (TFE mechanism) 이야기 (1) - 단일막

어떻게 그 작은 수분과 산소가 막힐까?

지난시간까지는 박막봉지공정(TFE, Thin Film Encapsulation)의 종류에 대해서 알아보았습니다. 박막 봉지를 직접하든(Direct TFE) 라미네이트 하든(Lamination TFE) ,결국 박막봉지는 여러 유무기층으로 이루어 지게 됩니다.

그런데 무작정 아무재료나 조건으로 그냥 얇게 여러층을 쌓는다고 효과적으로 수분과 산소를 막기는 어렵습니다. 재료마다 다양한 특징들이 있기 때문입니다. 게다가 최근 출시되는 폴더블 디스플레이에 적용되려면 물리적인 스트레스까지 고려해야합니다. 

이러한 이유 때문에 박막봉지공정에도 상당히 디테일한 연구가 필요한 분야입니다.

박막봉지공정 원리 이야기는 몇번에 걸쳐 진행될 예정이며, 이번 시간에는 단일막 상태에서의 침투에 대해 이야기를 해보겠습니다.

단일박막(Single thin layer)로 박막봉지를 하는 경우는 많이 없지만 결국 다중박막(Multi thin layer)도 여러개의 단일박막이 이루어지는 것이니 단일박막내에서 이루어지는 수분, 산소 침투 원리를 알아야합니다.

단일박막의 투습도(WVTR, Water Vapor Transmission Rate) 과 산소투과율(OTR, Oxygen Transmission Rate)를 결정하는 요인은

박막의 두께

박막의 확산도

박막의 용해도

가 있습니다.

이 세가지 팩터는 휴지가 물에 젖는 과정을 생각해보면 이해가 쉽습니다. 물 1리터를 방수를 해야한다고 생각해봅시다. 물1리터를 차단하려면 휴지는 엄청난두께가 필요합니다. 왜냐하면 휴지는 물을 쉽게 확산시켜버리고 심지어 물에 녹기까지 합니다. 그러다보니 이 높은 확산도와 용해도를 보상해주기에 휴지가 두껍게 필요합니다.

그런데 패트병재질의 막으로 막는다고 생각해봅시다. 패트병은 물을 확산시키지도 용해되지도 않습니다(물론 매우 작긴하지만 확산을 시키긴 함). 그러니 휴지에 비해 매우 얇은 막으로도 물 1리터를 효과적으로 막아낼 수 있습니다.

박막은 물이나 산소에 노출되기 시작하면 노출된 부분을 시작으로 점점 확산되어가기 시작합니다. 재료가 용해도가 0이라면 박막의 결함이나 미세한 틈으로 침투되어가는 과정도 포함됩니다.

그렇게 시간이 흐른 뒤 지체시간(Lag time)이라 불리는 임계점에 이르면 드디어 침투가 시작됩니다. 

그런데 봉지용 박막이 요구하는 투습도 스펙인 를 만족하면서 투명하며 유연한 단일 박막을 만드는 것은 거의 불가능에 가깝습니다. 그래서 단일 박막으로는 정도의 수준을 만족하는 수준이면 됩니다.

이 수치는 유기물로는 달성이 어렵고 무기물이 필요합니다. 보통은 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 티타늄(Ti) 산화물 등이 사용됩니다. 산화물의 특징상 용해도는 낮지만 박막의 미세한 크랙과 불순물 등에 의해서 산소와 수분이 확산됩니다.

그래서 이러한 무기물 층을 얇고 틈이 없이 고밀도로 만들려면 증착공정 시 증착 에너지, 기판온도, 증착 속도 등의 최적화가 매우 중요합니다. 기판이 플라스틱 등의 내구성이 약한 재료일 경우 마냥 높은 에너지와 온도로 박막을 제작할 수 없기 때문에 이 과정은 매우 어렵습니다.

다음시간에는 박막의 결함(Defect)이 유발하는 작용들에 관해서 다루어 보겠습니다.