9. OLED 봉지공정(OLED Encapsulation) 이야기

뚫리면 죽는다! 와칸다 포레버!

OLED(Organic Light Emitting Devices)는 좋은 화질, 저전력 소비, 다양한 디자인이 가능한 유망한 디스플레이 기술입니다. 1990년대 초창기의 조악했던 최초의 제품들에 비하면 현재의 OLED의 성능과 수명 모두에서 너무나 놀라운 발전을 이루어왔습니다. 그러나 언제나 그래왔듯이 OLED의 최대의 약점은 첫번째도, 두번째도, 마지막 백번째도 수명에 관련된 여러가지 문제점들입니다. 

특히나 OLED의 가장 기본적인 문제는 바로 수분과 산소에 극도로 민감하다는 것입니다. 아주 적은 양의 수분과 산소라도 지속적으로 노출되면 OLED를 이루는 유기물들이 손상을 입게되어 번인(Burn-in)과는 다른 수명 저하 현상이 발생합니다. 번인이 소자가 구동하는 동안의 자체적인 발광효율의 감소 문제라면, 수분과 산소의 노출에 의한 수명 저하는 외부요인에 의한 전방위적인 유기물의 파괴현상을 동반합니다.

따라서, OLED의 봉지(Encapsulation) 공정은 OLED 공정 중 가장 중요한 파트 중 하나이며, 봉지가 제대로 이루어지지 않았을 경우에는 정상적인 구동을 기대하기 어렵기 때문에 효과적인 봉지 공정 방법에 대한 다양한 논의가 이루어져왔고, 정교한 봉지공정을 위해 제조공정 단가 상승의 원인이 되기도 합니다.

수분과 산소는 OLED 소자의 단기적 혹은 장기적인 손상을 가져오게되는데, 본질적으로는 수분과 산소에 의해 유기물 혹은 음극으로 사용되는 전극재료의 물질자체의 변형이나 산화로 인한 손상을 가져오게 됩니다.

<사진1. 수분과 산소에 의한 흑점(Darkspot, 왼쪽)과 구동 스트레스에 의한 번인(Burn-In) 현상 비교>
*출처 Journal of materials Chemistry C 4, 7377(2016)[왼쪽], Rtings.com[오른쪽]

유기물의 열화 매카니즘(Degradation mechanism)중 주요한 요인은 산소가 존재하는 분위기에서의 유기물의 광분해입니다. 유기물질은 기본적으로 구동과정에서 산화환원(Redox)과정을 반복하는데 이는 실제로는 산소가 관여하지 않고 전자를 잃고, 얻는 과정에서 생기는 산화환원 반응입니다. 그런데 유기물에 산소가 노출되면 광강화산화(Light-enhanced oxidation)현상이 발생하고 이 산화상태에서는 물질의 기본적인 특성이 변하며, 발광파장이 변하거나 분자들끼리 반응하여 특성이 저하되는 소광(Quenching) 현상이 발생합니다. 또한, 발광층재료가 아니더라도 전자, 정공 수송층(ETL, HTL)로의 산소의 확산은 전하 이동특성을 저해하는 요인이 됩니다.

또 다른 요인으로는 음극자체와 음극과 유기물 사이의 계면에 침투한 산소와 수분이 이들 음극재료를 산화시키거나 습기에 의한 부풀림현상으로 유기물들의 함몰 혹은 핀홀을 유발하고 이에따라 흑점(Darkspot)을 유도하여 수명에 좋지 않은 영향을 미치게 됩니다. 음극재료 중 특히 이러한 반응에 약한 재료들이 알칼리 금속들인 (Ca, Ba, Mg, LiF)등의 재료가 있습니다.

특히 OLED의 번인 현상과 다르게 수분과 산소에 의한 열화는 흑점을 동반하는 것인데, 이 흑점은 위에 언급한대로 핀홀이나 함몰되는 위치에 전하쏠림현상으로 발생하게 됩니다. 

<사진2. 핀홀(Pin-hole) 및 함몰(Shrinkage)에 의한 흑점 발생>

일반적으로 아무리 완벽한 봉지공정을 거치더라도 재료의 투습도(WVTR, Water Vapor Transmission Rate)가 일정량 존재하게 되는데, 이는 완벽하게 수분과 산소를 막아줄 것 처럼 보이는 글래스재료라도 투습도를 갖고 있습니다. OLED 소자는 봉지방법 자체의 신뢰도 문제, 재료 문제, 결함 등 다양한 루트로 종합적인 투습도를 갖게 되는데 안정적인 소자 구동을 위해서는 50,000시간 이상 동안 값 이하의 투습도를 가져야합니다. 이 양이 얼마나 작은 값인가 하면 아래 그림을 보시면 이해가 조금 되실겁니다.

<사진3. OLED 투습도 요구스펙>

이렇듯 OLED의 수분과 산소에 대한 민감도는 생각한것 이상이라는 것을 알 수 있습니다. 위 같은 조건을 만족한다면 어떻게든 뚫고 지나온 수분과 산소는 봉지공정 중 같이 부착 또는 첨가하는 게터(Getter)라는 수분과 산소흡습제에 의해 제거됩니다. 

최근에는 플렉서블 OLED 디스플레이가 주목을 받고 있는데 접히고 휘는 만큼 봉지재료의 물리적 반복 스트레스 신뢰도 확보가 되지 않으면 파손된 봉지재료 사이로 수분과 산소가 투입하여 OLED 소자의 수명을 갉아먹게 될 겁니다. 과거에도 현재도 미래에도 OLED의 봉지공정은 지속적으로 개선이 될 것이며, 목적과 제조단가에 맞추어 다양한 방법으로 이루어지게 됩니다.