칼슘의 전기적특성을 이용한 EL 소자의 봉합에 대한 연구

권오준, 권승호, 백상윤, 유재수

중앙대학교 화학공학과

Study on the Encapsulation of Organic EL Device

Using Calcium's Electrical Properties

Oh Jun Kwon, Seng Ho Kwon, Sang Yoon Paik, Jae Soo Yoo

Dept. of Chemical Engineering, Chung-Ang University

서 론

플라스틱을 이용한 EL소자의 봉합은 다른 방법들에 비해 성능이 떨어지므로 중요하게 생각되지 않던 방법이었다. 이 방법이 요구되기 시작한 이유는 신소재 표시소자로 사용될 유기/고분자 EL소자는 박막구조로 되어있고 플라스틱기판 위에 형성된 ITO 전극 위에 소자를 제작할 수 있으므로 휘는 디스플레이, 깨지지 않는 디스플레이에 적용이 될 수 있다는 이점에서 많은 연구가 되고 있다.

유기/고분자 EL 디스플레이소자는 위의 장점으로 많은 기대를 모으고 있지만 고분자 발광 물질의 경우 수분과 산소 등이  발광 물질사이의 공액사슬에 침입하면 결합을 형성하여 물질 변화를 일으킨다. 따라서, EL 소자는 직접 대기에 노출되면 불안정하기 때문에 소자의 봉합성능은 발광수명과 직접적인 연관이 있고 소자수명을 늘릴수있는 플라스틱 기판에 적용 가능한 봉합문제에 관심이 모아지고 있다.

고분자는 개스 투과도가 유리나 금속에비해 매우크기 때문에 금속이나 유리박막보다 더 두껍게 형성되어야한다. 고분자 물질 중에서도 사용할 물질을 적절하게 선택하면 막의 두께를 줄이면서도 요구하는 성능을 얻을 수 있다. [1,2].

이 론

본 연구는 고분자 물질이 가지는 투과능을 사용하여 각 물질의 봉합공정 후의 성능을 예측하고 봉합후의 표면보호 성능을 공기중에서 높은 반응성을 보이는 칼슘을 이용하여 테스트 하는 방법에 대한 내용이다.

(1) 투과능 계수를 이용한 고분자물질의 투과도 예측[3];

Fick's 법칙에서 정상상태에서 박막을 통과하는 유속[eqn: Jx]는

[eqn: Jx= {P}^{*} { { P}_{1 } -{P}_{2}}over{x}]....................................................(1-1)

([eqn: {P}^{*}=투과능],  [eqn: {P}_{1}, {P}_{2}=] 투과물질의 분압 [eqn: x=두께] )

정상상태 까지의 시간은 Fick's식에서 (1-2)식과 같이 농도로 표시할 수 있다.

[eqn: {C(x,t)}over{Cs}=erfc{({x}over{2sqrt{Dt}})}]................................................(1-2)

([eqn: Cs = 정상상태에서의 농도],[eqn: D=확산계수],[eqn: t=시간] )

투과능이 발휘되는 시간까지 막두께[eqn: x] 로 그림 1과 같이 투과물이 물질내에 퍼지게 되고, 이동이 끝나게 되면 정상상태가 이루어져 고압부분에서 들어온 물질이 저압부분으로 일정한 유속 [eqn: Jx]만큼 흘러 들어간다.

(2) 칼슘을 이용한 봉합성능 측정;

칼슘은 대기중에서 산소나 수분과 격렬하게 반응을 하므로 소자내에 미량으로 투입되는 반응성 개스의 양을 정량화 하는 방법을 구상하였다.

오옴의 법칙으로부터 전계 V가 도체내부에 걸리면 전류는 다음과 같은 식이 된다.

[eqn: I={V}over{ OMEGA }]..................................................................(2-1)

([eqn: I=전류],[eqn: V=전압], [eqn: OMEGA=저항] )

(2-1)에서  [eqn: OMEGA]는 다음 관계가 성립한다.

[eqn: OMEGA= rho {l}over{S}].............................................................. (2-2)

( [eqn: rho=고유저항율], [eqn: l=통과거리], [eqn: S=통과단면적] )

(2-2)에서 [eqn: l]의 변화율을 무시할 수 있게 된다면 다음식과 같은 관계가 되고  S와 V의 함수로 [eqn: I]가 표시된다.

[eqn: I={VS}over{ rho l}].................................................................(2-3)

칼슘을 박막으로 형성하면 반응의 대부분은 표면에서 일어나고 박막의 두께 변화가 생긴다. 칼슘의 양단에 전계를 가하여 전류량을 측정하면,(그림 2) 두께 H는 반응하는 산소나 수분의 양만큼 변화하게 되어 S가 변화하므로 일정 전압을 가하면 전류량이 시간에 따라 변화한다. (그림3) 시간에 따라 변화한 전류량이 시간에 따라 반응한 칼슘의 양과 비례하므로 이를 정리하면 다음의 (2-4)식을 얻는다.

[eqn: {TRIANGLE I}over{TRIANGLE t} PROPTO {triangle H}over{triangle t}={triangle mole}over{triangle t TIMES Area TIMES M.W TIMES density}]...................................(2-4)

([eqn: M.W] , density , Area = constant)

실 험

Fick's law를 이용하여 플라스틱 물질별로 가지는 투과능을 사용하여 (1-2)식으로 정상상태까지의 시간을 추정하고 정상상태부터 소자내부로 침입되는 양은 (1-1)에 의해 계산한다. 각 고분자물질을 계산하여 계산된 식으로부터 우수한 봉합물질을 선정 칼슘을 이용한 전류량측정을 통해 실제 봉합후의 문제를 점검한다. 칼슘의 박막제조는 glove box내부에 장착된 열기상 증착기를 이용하여 진공도 10-5torr의 상태에서 칼슘을 200-400nm정도의 두께의 박막을 형성한다. 박막위에 계산된 식으로부터 선정된 고분자물질을 사용한 봉합을 실시하고 칼슘이 증착된 시편 양단에 probe를 연결하여 source measure unit(Keithley 236)으로 시간에 따른 전류의 변화 비율을 측정한다. 전류변화율을 반응한 칼슘량으로 변환시킨다. 반응한 칼슘량은 투입된 반응개스의 양과 같다. 예측량과 반응량이 많은 차이를 보인다면 물질의 투과능 문제가아닌 다른 문제 들이 있을 수 있으므로 봉합 방법을 개선시킨다.

결과 및 토론

직접 디바이스를 제작하여 소자내부의 봉합 상태를 점검하는 방법은 시간과 발광물질의 소모가 많다. 이 점을 보완하기 위하여 칼슘이 발광물질 변화를 일으키는 산소, 수분과 격렬히 반응 한다는 점을 이용하여 반응 후 부피변화를 전기적 저항의 변화로 측정하여 전자소자 내부 환경에서 민감하게 반응하며 제작이 손쉬운 반응성이 높은 센서를 제작하여 봉합성능을 테스트한다.

투과능으로 봉합성능을 예측 할 수 있지만 플라스틱 기판을 적용한후에 다른문제들이 생길수도 있다. 고분자 물질의 선정에 있어서는 투과능 뿐아니라 피착물과 가지는 접착력 등, 작업성도 감안되어야 한다. 테프론은 투과능은 낮으나 다른 물질과 접착이 이루어지지 않는다. 즉, 접착면이 접착을 하지 못하면 소자봉지를 할 수 없게 된다. 이와같이 칼슘을 이용한 테스트방법은 투과능 뿐만아니라 제작방법에 따른 변수까지 정량화 할 수 있는 방법이다.

그림 3은 산소농도가 낮은 기체 분위기에서 칼슘의 전류변화를 시간에 따라 측정한 그래프이다. 이 전류의 변화량이 칼슘이 반응을 통해 박막에서 떨어져나간 칼슘의 양과 비례하므로 기울기가 작을수록 내부안정성이 좋다. 플라스틱 재료들의 가스투과율은 다양하며 산소투과도에서도 104배 이상의 범위에 걸쳐 존재한다. 성능을 높이기 위해 두께를 무한정 늘릴수도 없으므로 개스 투과율이 낮고 작업성이 우수한 물질의 선택은 중요하다.

위의 (1-2)식을 사용하여 예측하면 그림 4와 같이 폴리에스테르가 실리콘고무나 폴리에틸렌에 비해 우수한 성능을보인다. 산소 투과능이 60barrer정도인 실리콘 고무의 경우 1mm 박막에서 10시간 정도만 지나면 85%이상 정상상태에 도달하게 된다. 반면 투과능이 0.0019barrer인 폴리에스테르의 경우 실리콘고무에 비해 3만배 정도 작은 두께로도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 따라서 폴리에스테르를 사용하면 소자의 발광 수명이 연장될수 있다.

하지만, 투과능만으로는 실제 봉합후에 혹은 봉합중에 생기는 문제들에 대해서는 예측할 수가 없다. 따라서, 칼슘을 이용한 테스트를 통하여 봉합의 단순한 투과능 예측 이외에 생기는 문제들에 대하여 좀더 사실에 가깝게 정량화하고 봉합 방법들이 유용한지를 검증하는 방법으로 사용한다.

그림1. 실리콘 고무내부의 산소의                 그림2. 전류량 비교를 위한

시간에 따른 농도변화                       소자의 개략도

그림3. Ca 전극의 시간에 따른          그림4. 물질에 따른 소자 내부의

전류량 변화                            농도변화

참고문헌

[1] J.Shen, D.Wang and E.Langlois, Degradation mechanism in organic light emitting diodes, Synthetic metals (2000)

[2] B. H. Cumpston, I. D. Parker, and K. F. Jenson In situ characterization of the oxidative degradation of a polymeric light emitting device American Institute of Physics (1997)

[3] David V. Ragone Thermodynamics of Materials Jhon Wiley & Sons (1995)

Acknowledgement

본 연구 결과물은 □과학기술부 21세기 프론티어 연구개발 사업 중 지능형마이크로시스템개발사업□의 연구지원을 받아 수행한데 따른 연구 결과물임