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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 좌성훈
- 발행연도
- 2022
- 저작권
- 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수10
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오늘날 display technology는 빠르게 발전하고 있으며, 현재 차세대 디스플레이 기술로서 flexible display가 큰 주목을 받고 있다. 특히, organic light emitting diodes (OLED)는 organic 물질의 유연성으로 인해 flexible display 실현을 위해 가장 주목받는 재료이다. 현재 OLED 기반의 smartphone, tablet PC, TV를 포함한 몇몇 상용제품들은 이미 출시되고 있으며, 앞으로 OLED를 활용한 flexible display의 성장은 계속될 것으로 전망된다. 그러나 OLED의 성능은 수분과 산소에 의해 쉽게 저하된다는 문제점이 있어서, flexible OLED 구현을 위해서는 수분과 산소를 차단하기 위한 우수한 성능을 갖는 봉지(encapsulation) 기술의 개발이 필수적으로 요구된다.
따라서 본 연구에서는 roll-to-roll plasma enhanced chemical vapor deposition (R2R-PECVD) 공정을 이용하여 500 mm의 폭을 갖는 대면적의 배리어 필름을 개발하였다. polyethyleneterephthalate(PET) 기판을 이용하여 단일막의 silicon nitride (SiNx), Silicon oxide(SiOx)로 유연 배리어 필름의 증착 공정을 최적화하였다. 반응 가스의 분압비에 따른 SiNx, SiOx 배리어 필름의 광학 특성, 표면 거칠기, 박막 밀도, 화학적 조성, 수분 투과도(water vapor transmission rate, WVTR) 분석 등 다양한 특성 분석을 통해 최적의 증착 공정 조건을 선정하였다. 또한, 배리어 필름의 유연 내구성을 outer/inner bending test와 cyclic bending test를 이용하여 평가하였다. SiNx 필름의 경우, NH3/SiH4 반응 가스 분압비가 3일 때, SiNx 배리어 필름은 가장 높은 박막 밀도와 1.7×10-3 g/m2·day로 우수한 배리어 성능을 보여주었다. SiOx 배리어 필름은 SiH4/N2O 가스 분압비가 1.5일 때, 가장 우수한 박막 밀도, 경도(hardness), 표면 거칠기 특성을 보였으며 WVTR 값이 1.6×10-3 g/m2·day로 우수한 배리어 성능을 보여주었다. SiNx, SiOx 필름은 모두 failure bending radius가 2 mm 이하로 매우 우수한 유연성을 갖는 것을 알 수 있었다. 곡률 반경을 10 mm로 고정하여 10,000 cycle bending test에서도 큰 배리어 성능 변화를 나타내지 않으며 우수한 내구성을 보여주었다.
또한, 앞으로 유연 전자기기들의 상용화가 활발히 이뤄진다면 다양한 야외환경에 노출되기 때문에 거친 환경조건하에서 유연 배리어 필름의 신뢰성과 배리어 특성은 실제 유연 전자소자(flexible electronics) 구현을 위해서는 필수적으로 고려돼야 하는 사항이다. 따라서 고온, 고습 환경에서 배리어 필름의 수분투과도와 cyclic bending test를 통해서 배리어 필름의 산화 mechanism을 연구하였다. 또한, 환경신뢰성 시험 후에 화학적 조성, 박막 밀도, 표면 거칠기의 변화를 관찰하여 배리어 필름의 환경조건에 따른 특성변화를 관찰하였다. 환경신뢰성 실험 결과, 고온, 고습 환경하에서 배리어 필름의 표면 거칠기는 증가하고, 박막의 밀도는 감소하며 SiNx, SiOx 필름에 산화가 발생한 것을 알 수 있었다. SiOx 필름의 경우, 환경신뢰성 시험 후에 표면에 큰 hillock이 형성되며 SiNx에 비해 더 빠르게 산화되었다. WVTR 측정 결과, 고온, 고습 환경에서 보관하는 시간이 증가함에 따라 WVTR 값 또한 증가한 것을 보여주었고, SiNx 필름에 비해 SiOx 필름이 배리어 성능의 저하가 더 크게 발생함을 알 수 있었다. SiNx 필름의 경우 거친 환경조건에서도 곡률반경 10 mm에서 10,000 cycle 동안 배리어 성능을 유지하며 우수한 안정성을 보여주었다.
추가적으로 10-3 g/m2·day 이하의 배리어 성능 구현을 위하여 수분을 흡착하는 특성을 갖는 fluorine doped silicon oxide(SiOF) 필름을 활용한 다층막 수분 배리어 필름을 제작하였다. 반응 가스로는 SiF4와 N2O 가스를 사용하였고, 반응 가스 분압에 따른 SiOF 필름의 화학적 결합, 조성, 굴절률 등의 특성을 평가하였다. 특히, SiF4/N2O 가스 분압이 1일 때, SiOF 필름의 fluorine 함량이 가장 높으며, 이때 가장 낮은 굴절률을 가지면서 우수한 흡습성을 갖는 경향이 관찰되었다. SiOF 필름의 흡습성을 활용한 배리어 필름의 제작을 위해 SiOF 필름을 interlayer로 활용하여 SiNx 필름과 SiNx/SiOF/SiNx 구조의 다층막 배리어 필름을 제작하였다. 다층막 배리어 필름의 WVTR 측정 결과 SiF4/N2O 가스분압이 1일 때, 3.94×10-4 g/m2·day의 가장 우수한 배리어 성능을 갖는 것을 알 수 있었다. 이와 더불어 SiOF 필름을 활용한 다층막 배리어 필름은 93.32%의 우수한 가시광선 투과율을 나타냈고, SiNx 단일막 필름에 비해 약 90%의 배리어 성능의 향상을 나타내며 광학적 특성과 배리어 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 우수한 배리어 필름을 제작하였다.
따라서 본 연구에서는 roll-to-roll plasma enhanced chemical vapor deposition (R2R-PECVD) 공정을 이용하여 500 mm의 폭을 갖는 대면적의 배리어 필름을 개발하였다. polyethyleneterephthalate(PET) 기판을 이용하여 단일막의 silicon nitride (SiNx), Silicon oxide(SiOx)로 유연 배리어 필름의 증착 공정을 최적화하였다. 반응 가스의 분압비에 따른 SiNx, SiOx 배리어 필름의 광학 특성, 표면 거칠기, 박막 밀도, 화학적 조성, 수분 투과도(water vapor transmission rate, WVTR) 분석 등 다양한 특성 분석을 통해 최적의 증착 공정 조건을 선정하였다. 또한, 배리어 필름의 유연 내구성을 outer/inner bending test와 cyclic bending test를 이용하여 평가하였다. SiNx 필름의 경우, NH3/SiH4 반응 가스 분압비가 3일 때, SiNx 배리어 필름은 가장 높은 박막 밀도와 1.7×10-3 g/m2·day로 우수한 배리어 성능을 보여주었다. SiOx 배리어 필름은 SiH4/N2O 가스 분압비가 1.5일 때, 가장 우수한 박막 밀도, 경도(hardness), 표면 거칠기 특성을 보였으며 WVTR 값이 1.6×10-3 g/m2·day로 우수한 배리어 성능을 보여주었다. SiNx, SiOx 필름은 모두 failure bending radius가 2 mm 이하로 매우 우수한 유연성을 갖는 것을 알 수 있었다. 곡률 반경을 10 mm로 고정하여 10,000 cycle bending test에서도 큰 배리어 성능 변화를 나타내지 않으며 우수한 내구성을 보여주었다.
또한, 앞으로 유연 전자기기들의 상용화가 활발히 이뤄진다면 다양한 야외환경에 노출되기 때문에 거친 환경조건하에서 유연 배리어 필름의 신뢰성과 배리어 특성은 실제 유연 전자소자(flexible electronics) 구현을 위해서는 필수적으로 고려돼야 하는 사항이다. 따라서 고온, 고습 환경에서 배리어 필름의 수분투과도와 cyclic bending test를 통해서 배리어 필름의 산화 mechanism을 연구하였다. 또한, 환경신뢰성 시험 후에 화학적 조성, 박막 밀도, 표면 거칠기의 변화를 관찰하여 배리어 필름의 환경조건에 따른 특성변화를 관찰하였다. 환경신뢰성 실험 결과, 고온, 고습 환경하에서 배리어 필름의 표면 거칠기는 증가하고, 박막의 밀도는 감소하며 SiNx, SiOx 필름에 산화가 발생한 것을 알 수 있었다. SiOx 필름의 경우, 환경신뢰성 시험 후에 표면에 큰 hillock이 형성되며 SiNx에 비해 더 빠르게 산화되었다. WVTR 측정 결과, 고온, 고습 환경에서 보관하는 시간이 증가함에 따라 WVTR 값 또한 증가한 것을 보여주었고, SiNx 필름에 비해 SiOx 필름이 배리어 성능의 저하가 더 크게 발생함을 알 수 있었다. SiNx 필름의 경우 거친 환경조건에서도 곡률반경 10 mm에서 10,000 cycle 동안 배리어 성능을 유지하며 우수한 안정성을 보여주었다.
추가적으로 10-3 g/m2·day 이하의 배리어 성능 구현을 위하여 수분을 흡착하는 특성을 갖는 fluorine doped silicon oxide(SiOF) 필름을 활용한 다층막 수분 배리어 필름을 제작하였다. 반응 가스로는 SiF4와 N2O 가스를 사용하였고, 반응 가스 분압에 따른 SiOF 필름의 화학적 결합, 조성, 굴절률 등의 특성을 평가하였다. 특히, SiF4/N2O 가스 분압이 1일 때, SiOF 필름의 fluorine 함량이 가장 높으며, 이때 가장 낮은 굴절률을 가지면서 우수한 흡습성을 갖는 경향이 관찰되었다. SiOF 필름의 흡습성을 활용한 배리어 필름의 제작을 위해 SiOF 필름을 interlayer로 활용하여 SiNx 필름과 SiNx/SiOF/SiNx 구조의 다층막 배리어 필름을 제작하였다. 다층막 배리어 필름의 WVTR 측정 결과 SiF4/N2O 가스분압이 1일 때, 3.94×10-4 g/m2·day의 가장 우수한 배리어 성능을 갖는 것을 알 수 있었다. 이와 더불어 SiOF 필름을 활용한 다층막 배리어 필름은 93.32%의 우수한 가시광선 투과율을 나타냈고, SiNx 단일막 필름에 비해 약 90%의 배리어 성능의 향상을 나타내며 광학적 특성과 배리어 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 우수한 배리어 필름을 제작하였다.
목차
- 요약 ⅰ표목차 ⅴ그림목차 ⅵI. 서 론 11.1 연구 배경 및 목적 1Ⅱ. 이론적 고찰 52.1 봉지 기술 (Encapsulation technology) 52.2 수분 투과의 원리 92.3 OLED 제작을 위한 TFE의 요구사항 122.4 Water vapor transmission rate (WVTR) 152.5 Thin film encapsulation 제작 공정 192.6 Thin film encapsulation 연구 동향 222.7 유연 전자소자의 유연내구성 28Ⅲ. 실험 방법 303.1 배리어 필름 제작 303.2 배리어 필름의 특성 평가 방법 32Ⅳ. SiNx, SiOx 배리어 필름의 공정 최적화 344.1 SiNx 배리어 필름의 특성 분석 344.2 SiNx 배리어 필름의 유연성 평가 394.3 SiOx 배리어 필름의 특성 분석 434.4 SiOx 배리어 필름의 유연성 평가 534.5 결론 56Ⅴ. 배리어 필름의 환경신뢰성 연구 575.1 환경 조건에 따른 배리어 필름의 화학적 특성 분석 575.2 환경조건에 따른 배리어 필름의 표면 모폴로지 및 박막 밀도 특성 분석 655.3 환경조건에 따른 배리어 성능 평가 695.4 환경조건에 따른 배리어 필름의 유연성 평가 715.5 결론 75Ⅵ. SiOF 필름을 이용한 배리어 필름 개발 766.1 SiOF 필름의 특성 분석 766.2 SiOF 필름을 활용한 다층막 필름의 배리어 성능 평가 856.3 결론 88Ⅶ. 결 론 89참고문헌 91
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