KR101372441B1 - 플렉시블 발광소자 및 발광소자의 보호층 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광소자를 산소와 수분과 같은 외부 요소로부터 보호함과 동시에 플렉시블 특성을 만족하기 위한 박막의 패시베이션 조성물과 이를 이용한 발광소자의 보호층 형성방법에 관한 것으로, 본 발명의 패시베이션 조성물은, 산화물 또는 질화물의 이원자 물질; 및 상기 이원자 물질 내부의 격자 상수 이내의 크기를 가지며, 상기 이원자 물질의 공극 사이에 개입된 주입 물질;로 구성되는 것을 특징으로 하고, 발광소자의 보호층 형성방법은, 산화물 또는 질화물에 아연 또는 마그네슘이 혼합된 타켓을 준비하는 단계; 필름의 일 면에 스퍼터링으로 상기 타켓을 구성하는 조성물을 증착시키는 단계; 및 발광소자의 기판과 상기 필름을 라미네이팅하는 단계;로 이루어지며, 상기 라미네이팅 단계는, 상기 필름 또는 기판의 측면에 글라스 플릿 페이스트(Glass Frit Paste)를 도포하고, 레이저 경화시키는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

플렉시블 발광소자 및 발광소자의 보호층 형성방법{Display Unition and Passivation Process of Display unit}

본 발명은 발광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광소자를 산소와 수분과 같은 외부 요소로부터 보호함과 동시에 플렉시블 특성을 만족하기 위한 박막의 패시베이션 조성물과 이를 이용한 발광소자의 보호층 형성방법에 관한 것이다.

차세대 발광소자인 유기 전자소자(OLED, OTFT 등)는 저소비전력, 넓은 시야각, 빠른 응답속도 등의 장점을 가지는데, 이러한 OLED의 상용화를 위해서는 발광 효율과 수명에 관한 문제를 극복하여야 한다. 특히, 최근 각광받고 있는 고분자(Polymer) 기판의 OLED는 유연성으로 인하여 플렉시블(Flexible) 발광소자 구현에 큰 장점을 나타낸다. 그러나 고분자 기판의 소자는 고분자 고유의 특성으로 인하여 산소(O₂) 또는 수분(H₂O)에 대한 높은 투과율을 나타내는데, 산소와 수분이 발광소자의 내측으로 유입되는 경우 전극이 산화되거나 소자 자체의 열화가 진행되면서 소자의 신뢰성에 큰 걸림돌이 되고 있다.

한편, 대기중의 산소와 수분의 투과로부터 소자를 보호하기 위하여 패시베이션(Passivation) 기술이 적용되고 있으며, 패시베이션은 금속과 유리를 이용한 캡(Cap) 방식과 무기물 또는 유기물을 이용한 박막(Thin Film) 방식으로 나눌 수 있다. 금속과 유리를 이용한 패시베이션 방식은 산소와 수분의 차단 효율을 우수하지만, 유기발광 다이오드 소자와 같은 차세대 발광소자에서 요구되는 휨성, 얇은 두께, 대면적화 등의 특성에 한계를 나타낸다. 무기물 또는 유기물을 이용한 패시베이션 방식은 수분 투과율이 매우 낮은 무기 또는 유기물 박막을 이용하여 OLED를 단층 또는 다층으로 패시베이션하여 공기 중의 수분과 산소로부터 OLED를 보호하는 방식이다. 무기물 또는 유기물을 이용한 패시베이션 방식은 금속과 유리를 이용한 패시베이션 방식에 비하여 박막에 유리한 특성을 나타낸다.

박막 패시베이션을 위한 무기 또는 유기 물질로는 SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, MgO, Li₃N 같은 산화 또는 질화물이 제안되고 있다. 대기중에는 산소와 질소가 포함되므로 산화 또는 질화물들을 이용한 패시베이션은 일반적인 환경에서 박막 형성이 용이하고, 패시베이션 물질 자체에 의한 소자의 결함(Defect)을 최소로 할 수 있는 장점을 가진다. 그러나, 상대적으로 낮은 극성에 의하여 원자 사이의 간격이 커지며, 이러한 큰 간격에 의하여 산소와 수분의 투과를 방지하는데 한계를 나타내고 있다. 즉, 현재 적용되고 있는 무기 또는 유기물의 박막 패시베이션에 사용되는 이원자 물질의 투습율(WVTR)은 통상 10^-1g/m²·day 정도를 나타내어, 발광소자에서 일반적으로 요구되는 10^-6 g/m²·day 의 투습율을 만족시키지 못하고 있다.

또한, 산소와 수분은 고분자 기판의 배면뿐만 아니라 측면으로도 투과될 수 있는데, 무기 또는 유기물의 박막 패시베이션은 고분자 기판의 배면에만 형성되므로 측면으로 투과되는 산소와 수분을 효과적으로 차단하지 못하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 고분자 기판으로 침투하는 산소와 수분의 투과를 효과적으로 차단함으로써, 발광소자의 안정성, 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 박막의 패시베이션 조성물과 이를 이용한 발광소자의 보호층 형성방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 고분자 기판의 배면뿐만 아니라 측면으로 침투하는 산소와 수분의 투과를 차단할 수 있는 발광소자의 보호층 형성방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 패시베이션 조성물은, 산화물 또는 질화물의 이원자 물질; 및 상기 이원자 물질 내부의 격자 상수 이내의 크기를 가지며, 상기 이원자 물질의 공극 사이에 개입된 주입 물질;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 이원자 물질은 SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, MgO, SnO₂, ZnO 및 Li₃N 중 어느 하나로 구성되고, 상기 주입 물질은 Zn 또는 Mg를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 발광소자의 보호층 형성방법은, 산화물 또는 질화물에 아연 또는 마그네슘이 혼합된 타켓을 준비하는 단계; 필름의 일 면에 스퍼터링으로 상기 타켓을 구성하는 조성물을 증착시키는 단계; 및 발광소자의 기판과 상기 필름을 라미네이팅하는 단계;로 이루어진다.

상기와 같은 구성의 패시베이션 조성물은 산화 또는 질화물에 아연을 혼합하여 격자 사이의 간격을 줄임으로써, 수분과 산소의 투과를 효과적으로 차단할 수 있다.

또한, 본 발명의 발광소자는 패시베이션 조성물을 필름상에 형성한 후, 글라스 플릿 페이스트를 이용하여 패시베이션 필름과 고분자 기판의 측면을 봉지함으로써, 측면으로 침투되는 수분과 산소를 차단할 수 있는 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실시예에 따른 발광소자를 나타낸 종단면도,
도 2는 종래의 기술에 및 발명의 실시예에 따른 패시베이션 조성물의 분자 구조를 도시한 모형도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 패시베이션 박막에 대한 투습율을 나타낸 그래프, 및
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발광소자 제조 과정을 나타낸 공정도이다.

본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 바람직한 실시예들에 의해 명확해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실시예에 따른 발광소자를 나타낸 종단면도이고, 도 2는 종래의 기술에 및 발명의 실시예에 따른 패시베이션 조성물의 분자 구조를 도시한 모형도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 패시베이션 박막에 대한 투습율을 나타낸 그래프이다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 기판(210) 상에 제1전극(220), 발광층(230) 및 제2전극(240)이 형성되어 유기 발광소자(200)를 구성하고, 발광소자(200)의 기판(210) 배면에는 필름(110) 상에 패시베이션 박막(120)이 형성된 보호층(100)이 마련되며, 기판(210)과 필름(110)의 측면에는 봉지층(300)이 형성되는 구조를 이룬다. 즉, 본 발명의 발광소자(200)는 보호층(100)과 봉지층(300)에 의하여 기판(210)의 배면 및 측면으로 침투되는 산소와 수분을 모두 차단 가능한 구조를 이룬다.

여기서, 발광소자(200)를 구성하는 기판(210)은 전극(220,240)과 발광층(230)을 안정적으로 형성될 수 있는 베이스를 이루며, 투명성과 플렉시블 특성을 나타내기 위하여 고분자 물질이 주로 사용된다. 제1전극(220) 및 제2전극(240)은 외부에서 인가되는 전위에 의하여 전자(electron) 또는 정공(hole)을 방출하기 위한 구성으로, 기판(210)의 상면에서 발광층(230)을 중심으로 상하 측에 각각 형성된다. 이러한 전극(220,240)은 광학적 투과성을 고려하여 투명 재질의 전극이 이용되며, 일 예로 ITO 전극으로 구성될 수 있다. 발광층(230)은 제1전극(220)과 제2전극(240)에서 방출되는 전자와 정공의 재결합에 의하여 발생하는 에너지를 이용하여 빛을 방출한다. 이러한 발광층(230)은 일반적으로 유기물질이 이용되며, 일 예로 NPB(N, N′-bis-(1-naphthyl)-N, N′-biphenyl-(1,1′-biphenyl)-4, 4′-diamine )와 Alq3(tris-(8-hydroxyquinoline)-aluminum)와 같은 물질로 구성될 수 있다.

보호층(100)은 패시베이션 박막(120)을 이용하여 고분자 기판(210)의 배면에 형성되며, 배면에서 투과되는 산소와 수분을 차단하여 고분자 기판(210)을 보호한다. 패시베이션 박막(120)을 이용한 보호층(100)은 발광 소자의 고분자 기판(210)에 직접 형성되는 것도 가능하지만, 필름(110) 상에 형성된 후 기판(210) 배면에 라미네이팅되는 것이 바람직하다. 패시베이션 박막(120)을 위한 스퍼터링 공정시 발생하는 플라즈마는 소자의 특성을 저하시키므로, 필름 상에 패시베이션 박막을 형성 후 필름을 소자에 라미네이팅하는 것이 소자의 특성 저하를 방지할 수 있다. 이때, 패시베이션 박막 형성을 위한 필름으로는 투명 재질의 고분자 물질이 이용될 수 있다.

특히, 본 발명에서 패시베이션 박막(120)을 구성하는 조성물은 산화물 또는 질화물의 이원자 물질에 단원자 물질이 혼합되는 구조를 이룬다. 즉, SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, MgO, SnO₂, ZnO, Li₃N 등의 이원자 물질에 Zn 또는 Mg와 같은 단원자 물질이 혼합된다. 대기중에는 많은 양의 산소와 질소가 포함되어 자연상태에서도 산화 및 질화가 이루어지므로, SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, MgO, SnO₂, ZnO, Li₃N와 같은 산화물 또는 질화물을 패시베이션 물질로 이용하는 경우 일반적인 환경에서 박막 형성이 용이하게 이루어질 수 있는 장점이 있다. 또한, 대기중의 산소와 질소에 의하여 고분자 필름(110) 표면에 버퍼층이 형성될 수 있으므로, 별도의 버퍼층을 형성하지 않더라도 필름(110)과 박막(120) 사이에 결함(defect)이 발생하지 않는 장점을 나타낸다.

그러나 상기한 이원자 물질은 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 일반적으로 원자 사이가 0.5nm 내지 0.7nm 정도의 간격을 이룬다. 또한, 산소와 수분 입자는 0.32nm 내지 0.33nm의 직경을 가지는데, 이원자 물질은 원자 사이의 큰 간격 즉, 큰 격자 상수로 인하여 산소나 수분이 쉽게 투과되는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 이원자 물질의 격자 사이에 Zn 또는 Mg와 같은 단원자 물질을 주입하여, 산소나 수분이 투과될 수 있는 간격을 메우는 구조를 이룬다. 즉, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, SiO₂의 이원자 물질의 원자 사이에 격자 상수보다 작은 0.14nm의 직경을 가지는 Zn이 메워짐으로써, 격자 사이의 간격이 짧아져 산소와 수분의 침투가 차단된다.

여기서, 이원자 물질로는 SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, MgO, SnO₂, ZnO, Li₃N와 같은 산화물 또는 질화물 외에 Ⅱ-Ⅵ족 또는 Ⅲ-Ⅴ족 물질로 구성되는 것도 가능하다. 또한, 주입 물질로는 이원자 물질의 격자 상수 이내의 직경을 가지는 물질이 가능하며, Zn 또는 Mg가 이용될 수 있다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 SiO₂에 Zn이 혼합된 Si_xZn_{1 - x}O₂를 이용한 패시베이션 박막에 의한 산소 투과도는 SiO₂를 이용한 패시베이션 박막의 투과도에 비하여 현저하게 감소되었음을 확인할 수 있다. 이는 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, SiO₂ 격자 사이의 공간에 Zn이 메워져 산소와 수분의 투과를 차단하였기 때문이다.

봉지층(300)은 글라스 플릿(Glass Frit)의 봉지재를 이용하여 고분자 기판(210) 및 고분자 필름(110)의 측면에 형성되며, 측면에서 투과되는 산소와 수분을 차단하여 고분자 기판(210)을 보호한다. 글라스 플릿은 투명한 유리 분말 성분으로 일반적으로 사용되는 봉지재인 UV 경화제에 비하여 수분과 산소의 투과를 완벽하게 차단할 수 있는 장점을 나타낸다. 이러한 봉지층(300)은 글라스 플릿 페이스트를 발광소자(200)의 고분자 기판(210)과 보호층(100)의 고분자 필름(110) 측면에 도포한 후, 레이저로 경화함으로써 형성 가능하다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발광소자 제조과정을 나타낸 공정도이다. 본 발명의 발광소자는 별도의 공정에서 고분자 필름(110) 상에 패시베이션 박막(120)을 형성한 후, 발광소자의 고분자 기판(210) 배면에 필름(110)을 합지하는 과정으로 이루어진다.

구체적으로 살펴보면, 패시베이션 박막(120)은 스퍼터링(Sputtering) 공정으로 형성하는데, 스퍼터링에 사용되는 타겟으로는 SiO₂ 와 Zn을 7:3 내지 5:5의 중량비로 혼합한 펠릿을 미리 제조하여 준비한다(S11). 이 후, 스퍼터링 챔버 내에 고분자 필름(110)을 투입하면서 필름 상면에 패시베이션 박막(120)을 형성한다(S12). 여기서 패시베이션 박막은 플렉시블 특성을 보장함과 동시에 산소 및 수분의 투과를 효율적으로 차단하고, 벤딩(bending)에 의하여 박막이 파손되지 않는 범위 내에서 가능한 얇은 두께로 형성하는 것이 바람직하며, 본 발명에서는 200nm 이하의 두께로 형성한다.

한편, 패시베이션 박막이 형성된 필름의 측면에 글라스 플릿 페이스트(Glass Frit Paste)를 도포하고(S13), 별도의 공정에서 제조된(S21) 발광소자의 고분자 기판에 합지한다(S14). 이 후, 고분자 필름(110)의 측면에 도포된 글라스 플릿 페이스트를 레이저(Laser)로 경화시켜 라미네이팅하는 과정으로 이루어진다(S15). 즉, 발광소자(200)의 고분자 기판(210) 배면에 보호층(100)을 형성함과 동시에 측면에는 봉지층(300)을 형성함으로써, 배면과 측면으로부터의 산소 및 수분 침투를 방지할 수 있는 구조를 가진다. 여기서, 라미네이팅 과정은 발광소자의 고분자 기판(210)에 보호층의 고분자 필름(120)을 합지한 후, 기판(210) 또는 필름(110)의 측면에 글라스 플릿 페이스트를 도포하고, 이를 레이저 경화하는 과정으로 이루어질 수도 있다.

이상에서 본 발명에 있어서 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

100 : 보호층
110 : 고분자 필름 120 : 패시베이션 박막
200 : 유기소자 210 : 고분자 기판
220,240 : 전극 230 : 발광층

Claims (4)

1. 기판 상에 제1전극, 발광층 및 제2전극이 형성되는 발광소자;
   필름 상에 SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, MgO, SnO₂, ZnO 및 Li₃N 중 어느 하나로 구성되는 이원자 물질에 Zn 또는 Mg이 주입된 패시베이션 박막이 증착되어 상기 기판 배면에 합지되는 보호 필름; 및
   글라스 플릿 페이스트가 상기 기판과 상기 필름의 측면에 도포된 봉지층;으로 구성되는 플렉시블 발광소자.
2. 삭제
3. 삭제
4. SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, MgO, SnO₂, ZnO 및 Li₃N 중 어느 하나로 구성되는 이원자 물질에 Zn 또는 Mg이 주입된 타켓을 준비하는 단계;
   필름의 일 면에 스퍼터링으로 상기 타켓을 구성하는 조성물을 증착시키는 단계; 및
   발광소자의 기판에 조성물이 증착된 상기 필름을 합지하는 단계;
   합지된 상기 발광소자의 기판과 상기 필름의 측면을 글라스 플릿 페이스트로 도포하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광소자의 보호층 형성방법.
   

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