16. OLED 박막 봉지공정 원리(TFE mechanism) 이야기 (4) - 계면 접착력(interlayer adhesion)

 

일단 붙어있어야 뭐라도 막는다!

지난 시간까지 OLED의 효과적인 박막 봉지(TFE, Thin Film Encapsulation)을 위해서 다중 다이아드(dyad)를 구성하여 수분과 산소의 침투를 막는 다는 것을 알아보았습니다.

 

다중 다이아드를 구성하면 수분과 산소의 침투 경로를 길어지게 만들어서 지체시간(Lag time)을 늘릴 수 있으므로 OLED가 장시간 안정한 특성을 보이는데 매우 유리해집니다.

 

다중 다이아드(Multi dyad)의 측면 현미경 사진

 

그러나!

 

이 다중 다이아드의 문제점은 바로 성질이 전혀다른 유기/무기층들이 교차로 반복적으로 쌓인다는 것입니다. '왜이게 문제야?' 라고 생각하실수도 있습니다만 조금만 더 생각을 해봅시다. 유기물과 무기물은 전혀 성질이 다르고 이 두 재료가 안정하게 붙어있을만한 이유는 전혀 없습니다.

 

테이프처럼 붙여놓은 것도 아닌데다가 열처리를 해서 달라붙게 한것도 아닙니다. 말그대로 유기물 증착하고 무기물 증착시키고 그냥 반복적으로 눈쌓듯이 쌓아놓은 것에 불과하기 때문입니다.

 

지금까지의 OLED 제품처럼 유리기판에 단단하게(Rigid) 고정된 형태의 OLED이면 그나마 괜찮지만 갤럭시 폴드 등 제품으로 막 세상에 등장하기 시작한 플렉서블 OLED(Flexible OLED)에서는 이 다중 다이아드, 나아가서 각 층들의 계면(Interlayer)들의 접착력(Adhesion)은 매우 아주 매우 중요해 집니다.

 

접착력이 충분하지 않다면 휘는 상태에서 계면들이 들고 일어나서 접촉면들이 벌어지게 되고 이 때문에 수분과 산소에 빠르게 취약해 질 수 있습니다. 또한 물리적인 스트레스가 아니더라도 계면 끝의 옆면으로 침투되는 수분과 산소에 의해 조금씩 틈이 벌어지기 시작하면 그 속도에 가속이 붙어서 문제가 생기게 됩니다. 

 

따라서 계면끼리의 접착력 향상도 중요하지만 옆면을 모두 막는 측면 확산 방지 기술도 굉장히 중요합니다. 이는 엣지 실(Edge seal)을 통해 측면 확산을 막고 막 전체의 유동성을 제한하여 조금이라도 긴 장시간의 수명을 확보 할 수 있게 합니다.

그리고 계면 자체의 접착력을 높이는 방안으로는 밀도가 높은 유기물 중합체 위에 무기막을 스퍼터링(Sputtering) 공법에 의해 증착시킬때 고에너지로 증착시키면 계면 접착력이 향상됩니다. 물론 스퍼터링 시 형성되는 플라즈마가 너무 고에너지라면 유기물도 같이 날아가버리므로 적절한 조건 최적화는 필수적입니다.

 

최근에는 유기물 층에 산화물 나노입자들을 형성시켜 각 층들의 미세한 결함도 막고 접착력도 향상시키는 기술도 연구 중에 있습니다.

 

이렇게 어렵게 형성된 봉지막(Encapsulation layers)들의 접착력은 어떻게 평가 할까요? 전문 장비로 뚝딱 측정하면 되지 않을까 생각들을 하시겠지만 사실 굉장히 어이없는 방법으로 측정합니다.

 

일명 테이프 테스트(Tape test, ASTM D3359)라 불리고 진짜로 여러분들이 아시는 3M 테이프로 접착력을 테스트하는 방법을 사용합니다. 3M에서 나오는 스카치 테이프를 이용한 방법으로 무려 미국재료시험학회(ASTM international, American Society for Testing and Materials)에서 인정하는 테스트 방법입니다.

 

테이프 테스트 방법(ASTM D3359)

 

위 그림과 같이 계면을 가로,세로로 5~7등분을 하여 계면들을 모두 분리시키고, 그 위에 스카치 테이프를 붙였다 떼어서 얼마나 면들이 붙어있나를 테스트하는 방법입니다.

 

 

위 표대로 등급이 매겨지게 되는데 최고 등급이 5B부터 접착력이 형편없는 0B 등급까지 총 6가지 등급으로 매겨집니다. 테이프에 접착면이 하나도 붙어나오지 않으면 최고 등급인 5B이고 5%미만으로 붙어나오면 4B 등급을 부여하는 방식으로 65% 이상 떨어지면 접착력이 형편다는 0B 등급을 받게 됩니다.

 

사실 접착력(Adhesive force)라는 물리적인 단위(kgf/mm)가 있지만 극히 얇은 박막의 경우 특히나 측정하기 쉽지 않고, 같은 단위이지만 변형 단위인 박리력(N/25mm) 등으로 변형하여 사용하기도 하고, 같은 접착력이지만 gf/cm로 변형해서 사용하는 등 한눈에 알아보기 쉽게 통일하여 사용 중이지 않아서 테이프 테스트로 결과를 공유하는 경우가 많습니다.

 

다음시간에는 지금까지 수분과 산소를 막기위해 어떻게 박막들을 구성해야하고 주의해야할 점이 무엇인지를 알아보았는데, 그러면 실제로 봉지를 했을 때 이 막이 얼마나 수분과 산소를 잘 막고 있는지 WVTR(Water Vapor Transmission Rate)과 OTR(Oxygen Transmission Rate)을 측정하는 방법에 대해 알아보도록 하겠습니다.