KR20090091556A - 산소와 수분 투과의 차단 및 가스 배리어 특성 향상을 위한유/무기 복합 박막 보호층 및 그의 제조방법 - Google Patents

산소와 수분 투과의 차단 및 가스 배리어 특성 향상을 위한유/무기 복합 박막 보호층 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기판 상에 구현된 유기 전자소자의 수분 및 산소 투과를 차단하고 플라스틱 기판(plastic substrate)의 가스 배리어 특성을 향상시키기 위한 유/무기 복합 박막 보호층 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 1) 기판 상의 유기 전자소자, 또는 플라스틱 기판의 전면 또는 전/후면에 광경화성 고분자를 도포하는 단계; 2) 코팅된 광경화성 고분자를 자외선/오존(UV/O3) 조사로 경화시켜 유기 고분자 보호층을 형성하는 단계; 및 3) 형성된 유기 고분자 보호층 위에 두 가지 이상의 무기물이 혼합된 나노 복합물질을 증착하여 무기 박막 보호층을 형성하는 단계에 의해 제조되는, 기판 상에 구현된 유기 전자소자와 플라스틱 기판의 수분 및 산소 투과를 차단하고 가스 배리어 특성을 향상시키기 위한 유/무기 복합 박막 보호층 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 유/무기 복합 박막 보호층은 자외선/오존 경화방식을 이용하여 유기 고분자 보호층의 표면을 친수성화 시킴으로써 상부 보호막과의 접착력을 증가시킬 수 있고, 상기 고분자 표면의 평탄화를 유발하여 광투과율을 크게 향상시킬 수 있으며, 외부로부터의 산소와 수분의 투과를 효과적으로 차단하여 가스 배리어 특성을 향상시킬 수 있다는 장점을 갖는다.
유기 고분자 보호층, 무기 박막 보호층, 광경화성 고분자, 자외선/오존 경화, 유/무기 복합 박막 보호층

Description

산소와 수분 투과의 차단 및 가스 배리어 특성 향상을 위한 유/무기 복합 박막 보호층 및 그의 제조방법{ORGANIC/INORGANIC HYBRID PASSIVATION LAYER FOR BLOCKING MOISTURE/OXYGEN TRANSMISSION AND IMPROVING GAS BARRIER PROPERTY}
본 발명은 기판 상에 구현된 유기 전자소자의 수분 및 산소 투과를 차단하고 플라스틱 기판의 가스 배리어 특성을 향상시키기 위하여 자외선/오존 경화방식으로 제조된 유기 고분자 보호층 및 무기 박막 보호층으로 구성된 유/무기 복합 박막 보호층 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
차세대 시스템으로 각광 받고 있는 유기 전자소자(OLED, OTFT, 태양 전지 및 유기물로 구성되는 소자)의 제품화를 위해서는 소자의 신뢰성을 위한 고품위 박막 보호층의 개발이 선결되어야 한다. 소자의 신뢰성은 소자의 수명과 직결되는 문제로, 유기물을 사용하는 대부분의 유기 전자소자는 대기 중에 존재하는 수분, 산소, 빛 등에 매우 민감하여 분해되기 쉬우며, 열에 대해서도 내구성이 매우 약하여 온도가 상승할 경우 소자의 수명이 감소하게 되는 문제점이 있다. 따라서 수분과 산소에 의한 유기물의 분해와 열화를 방지하기 위하여 다양한 방법이 제시되고 있다.
이러한 방법 중에서 유기전계 발광소자의 보호막에 대한 연구가 활발히 진행 되고 있다. 대한민국 공개특허 제2002-22250호 외 수편의 특허에서는 도 1과 같은 구조로 금속 캡(cap)이나 유리 캡을 씌어 소자를 보호하는 방법을 기술하고 있다. 구체적으로, 도 1은 금속 캡을 사용하여 봉지한 종래의 유기전계 발광소자의 구조를 나타낸 것으로, 양전극 유리 기판(1), 유기 전자소자(OLEDs, 유기 TFT, 태양 전지 및 기타 유기물이 소자의 핵심적인 역할을 하는 소자), 음전극(7)을 갖는 유기전계 발광소자 위에 흡습제(8)가 내장된 SUS 캔이나 유리 뚜껑(9)을 덮고 광경화성 에폭시와 같은 실링제로 봉지를 한 구조이다. 그러나 이 방법으로는 유기소자의 제작 후 수분 및 산소를 완벽하게 차단하는 것이 불가능하여 그 보완책의 마련이 시급한 상태이고, 30인치 이상의 대면적일 경우, 일괄적인 공정 체계는 물론 소자 적용에 한계를 드러내고 있다.
대한민국 공개특허 제1999-49287호에는 Al2O3, MgO, BeO, SiC, TiO2, Si3N4, SiO2 등과 같은 세라믹 물질을 보호층에 적용하는 방법이 개시되어 있는데, 이 방법은 공정상 높은 온도가 필요하고 그 물질 자체의 물리적 특성 이상의 특성을 기대하기 어렵다는 단점이 있다. 대한민국 특허 제540179호에는 도 2에 나타낸 바와 같이, SiO2와 MgO를 일정 비율로 혼합한 무기 박막 보호층(10)을 단층 및 다층 형태로 제작한 후 여기에 고분자 유기물질을 추가 적층하여 복합 박막 보호층을 완성함으로써 상기 단일 무기물 보호층을 적용하는 방식에 비해 투습율(water vapor transmittance rate, WVTR)과 투산소율(oxygen transmittance rate, OTR)을 낮출 수 있었다. 그러나 상기 방법은 균일한 박막 형성이 어렵고, 박막 계면간 접착강 도가 약하여 수분과 산소의 저항성에 대한 균일도가 저하될 수 있으며, 이렇게 낮은 균일도로 인해 표면 광산란이 발생하여 광투과도 또한 저하될 수 있다는 문제점이 있다.
한편, 플라스틱 기판은 경박 단소, 내충격성, 낮은 열팽창률, 높은 가스 배리어 특성 등을 요구한다. 플라스틱 기판을 디스플레이 및 유기 전자소자의 기판에 적용하는데 있어 가장 큰 문제점은 수분, 산소와 같은 대기 중의 가스 침투를 차단할 수 있는 가스 배리어 특성을 향상시키는 기술의 개발이다. 고분자 수지를 재료로 하는 플라스틱 기판은 유연하다는 장점이 있으나, 기본적인 고유 특성으로 유리 기판과 달리 습기, 산소와 같은 기체가 쉽게 침투하고 각종 용매를 포함한 화학약품에 대한 내화학성이 약하다는 문제가 있다. 고 기능성의 플라스틱 기판을 제조하기 위해서는 기판 표면을 수분과 산소에 대한 투과율이 매우 낮고, 각종 화학약품에 대한 내성이 강한 물질로 보호해 주어야 한다. 또한 플라스틱 기판의 수분과 산소 투과를 차단하기 위해서는 플라스틱 기판과 세라믹 보호막과의 열응력을 낮추고 기판의 표면 거칠기를 완화시키면서 고착된 미세 입자를 쌓아야 한다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 평탄화가 가능한 유기물과 보호 특성이 우수한 세라믹 무기물을 반복적으로 쌓는 다층 보호막 기술의 개발이 요구되고 있다.
이에 본 발명자들은 종래 기술의 문제점을 해결하면서 당분야에 요구되는 필요성을 충족시키기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 기존의 자외선 경화방식 대신에 표면 에너지(surface energy)를 향상시키고 표면 구조를 더욱 치밀하게 형성시킬 수 있는 단파장의 자외선/오존(UV/O3) 경화방식을 이용하여 광경화성 고분자로 제조된 유기 고분자 보호층과 두 가지 이상의 무기물이 혼합된 나노 복합물질을 이용하여 제조된 무기 박막 보호층이 상하 적층구조로 이루어진 유/무기 복합 박막 보호층이 산소와 수분의 투과를 효과적으로 차단하여 소자의 안정성 및 신뢰성을 보장하고 플라스틱 기판의 가스 배리어 특성을 향상시킴을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명의 목적은 산소와 수분의 투과를 효과적으로 차단하여 기판 상에 구현된 유기 전자소자의 안정성 및 신뢰성을 확보하고 플라스틱 기판의 가스 배리어 특성을 향상시킬 수 있는 유/무기 복합 박막 보호층 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 자외선/오존 경화방식으로 광경화성 고분자를 이용하여 제조된 유기 고분자 보호층과 두 가지 이상의 무기물이 혼합된 나노 복합물질을 이용하여 제조된 무기 박막 보호층으로 구성되고, 상기 유기 고분자 보호층과 무기 박막 보호층이 상하 적층구조를 갖는, 기판 상에 구현된 유기 전자소자 또는 플라스틱 기판에 적용되어 산소 및 수분의 투과를 차단하고 가스 배리어 특성을 향상시키는 유/무기 복합 박막 보호층을 제공한다.
또한 본 발명은 상기한 특성을 갖는 유/무기 복합 박막 보호층을 자외선/오존 경화방식을 이용하여 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면 다층 복합 박막 보호층 제조 시 유기 고분자 보호층을 기존의 자외선 경화방식이 아닌 단파장 광원을 사용한 자외선/오존 경화방식을 이용함으로써 치밀한 박막을 형성하고 박막 계면간 접착강도를 증가시켜 수분과 산소 투과에 대한 저항성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 본 발명에 따른 자외선/오존 경화방식은 적용된 유기 고분자 보호층 박막의 표면 평탄화를 가져와 완성된 보호층의 위치에 따른 수분 및 산소의 저항성에 대한 균일도를 향상시킬 수 있으며 표면 광산란을 최소화시켜 광투과도를 향상시킬 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 유/무기 복합 박막 보호층은 유기물로 구성된 유기 전자소자의 보호층 제작에 적용되어 소자의 유기물층을 수분과 산소로부터 효과적으로 보호함으로써 소자의 안정성 및 신뢰성 확보에 크게 기여할 수 있으며 플라스틱 기판에 적용되어 우수한 가스 배리어 특성을 부여할 수 있다.
본 발명에 따른 유/무기 복합 박막 보호층은 자외선/오존 경화방식으로 광경화성 고분자를 이용하여 제조된 유기 고분자 보호층과 두 가지 이상의 무기물이 혼합된 나노 복합물질을 이용하여 제조된 무기 박막 보호층으로 구성되고, 상기 유기 고분자 보호층과 무기 박막 보호층이 상하 적층구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 유/무기 복합 박막 보호층은
1) 기판 상의 유기 전자소자, 또는 플라스틱 기판의 전면 또는 전/후면에 광경화성 고분자를 도포하는 단계;
2) 코팅된 광경화성 고분자를 자외선/오존(UV/O3) 조사로 경화시켜 유기 고분자 보호층을 형성하는 단계; 및
3) 형성된 유기 고분자 보호층 위에 두 가지 이상의 무기물이 혼합된 나노 복합물질을 증착하여 무기 박막 보호층을 형성하는 단계에 의해 제조된다.
단계 1)은 보호층을 형성하여 수분 및 산소 투과를 효과적으로 차단하여 기판 상에 구현된 유기 전자소자의 안정성 및 신뢰성을 확보하고 플라스틱 기판의 가스 배리어 특성을 향상시키기 위하여, 먼저 상기 유기 전자소자 또는 플라스틱 기판의 전면 또는 전/후면에 광경화성 고분자를 도포하는 단계이다. 상기에서 광경화성 고분자의 도포는 당분야에 공지된 통상적인 방법, 예를 들면 스핀 코팅법, 스크린 프린팅법, 바코팅법, 잉크젯법, 딥핑법 등에 따라 수행될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서는 스핀 코터(spin coater)를 이용하여 기판 상에 구현된 유기 전자소자, 또는 플라스틱 기판의 전면 또는 전/후면을 덮을 정도로 광경화성 고분자를 도포한다. 이때 광경화성 고분자는 통상적인 두께로 도포되는데, 예를 들면 0.1 내지 10 ㎛가 바람직하다.
본 발명에 사용하기에 적합한 광경화성 고분자로는 광(UV)에 의해 경화될 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 그 대표적인 예로 에폭시계 수지(epoxy resin), 아크릴계 수지(acrlyate resin), 열경화성 폴리이미드(polyimide) 또는 폴리에틸렌(polyethylene) 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 유/무기 복합 박막 보호층이 적용되기에 적합한 기판은 유연성 기판(flexible substrate) 또는 유리 기판(glass substrate)일 수 있는데, 상기 유연성 기판으로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌설폰(PES) 등이 사용될 수 있으며, 그 위에 구현되는 유기 전자소자는 당분야에 통상적인 유기물로 구성된 소자라면 어느 것이나 적용이 가능하고, 대표적인 예로 OLED(organic light-emitting diode), OTFT(organic field-effect transistor), 태양 전지(solar cell) 및 유기물이 소자의 핵심적인 역할을 하는 기타 소자를 들 수 있다.
본 발명에 사용하기 적합한 플라스틱 기판으로는 디스플레이용 기판으로서 범용적으로 사용되어온 폴리에테르설폰, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드 등의 고분자 소재의 기판이 사용될 수 있으며, 그밖에도 이 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 플라스틱 기판이라면 특별한 제약을 요하지 아니하고 모두 적용이 가능하다. 다만, 여러 플라스틱 기판 중에서도 폴리에테르설폰 기판을 선택 사용하는 경우, 투명도가 우수한 장점이 있다.
단계 2)는 기판 상의 유기 전자소자, 또는 플라스틱 기판의 전면 또는 전/후면에 도포된 광경화성 고분자를 단파장의 자외선/오존(UV/O3) 조사로 경화시켜 유기 고분자 보호층을 형성하는 단계이다.
단계 2)의 자외선/오존 경화공정은 세부적으로 예비경화 → 자외선/오존 조사 → 열경화로 구성되는데, 먼저 단계 1)에서 도포된 광경화성 고분자를 핫플레이트 또는 오븐을 이용하여 70 내지 90℃에서 2 내지 5분간 예비경화를 시키면서 아크릴계 수지 등의 광경화성 고분자에 함유된 첨가물(additives) 및/또는 불순물(impurities)을 서서히 제거한다. 상기와 같이 1차적으로 경화된 광경화성 고분자에 자외선/오존을 조사하여 광경화 공정을 수행한다. 구체적으로, 자외선/오존 조사에 의한 광경화 과정은 170 내지 200 ㎚ 파장의 광원을 1 내지 7분간 조사하면 산소(O2) 분자가 원자 상태로 분해되고 이렇게 생성된 산소 원자에 240 내지 260 ㎚ 파장의 광원을 1 내지 7분간 조사하여 오존을 생성시키면서 이루어진다. 이때 경화에 직접적인 영향을 미치는 주된 광원의 파장대는 240 내지 260 ㎚이고 조사된 광원의 에너지는 2400 내지 3000 mJ/㎠이다. 마지막으로, 광경화성 고분자를 오븐을 이용하여 100 내지 120℃에서 1 내지 2시간 동안 열경화를 수행하여 유기 고분자 보호층을 형성한다. 상기와 같은 자외선/오존 경화공정은 자외선만을 이용한 경화공정에 비해 경화도를 증가시킬 수 있고 계면간의 접착력을 증가시켜 보호층으로서의 기능을 대폭 향상시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서는 핫플레이트를 이용하여 80℃의 저온에서 3분간 예비경화를 시킨 후 184.9 ㎚ 파장의 광원을 5분간 조사하여 산소(O2) 분자를 분해시켜 산소 원자를 생성시키고 이렇게 생성된 산소 원자로부터 오존이 생성되도록 253.7 ㎚ 파장의 광원을 5분간 조사하여 자외선/오존 경화를 수행한다. 이때 경화에 영향을 미치는 주된 광원의 파장은 오존 생성 파장인 253.7 ㎚이고 조사된 광원의 에너지는 2800 mJ/㎠이다. 자외선/오존 경화 후 마지막으로 오븐을 이용하여 120℃에서 2시간 동안 열경화를 수행한다.
단계 3)은 단계 2)에서 형성된 유기 고분자 보호층 위에 두 가지 이상의 무기물이 혼합된 나노 복합물질을 증착하여 무기 박막 보호층을 형성하는 단계이다.
자외선/오존 경화공정에 의해 유연성 기판 또는 유리 기판 상의 유기 전자소자, 또는 플라스틱 기판의 전면 또는 전/후면에 형성된 유기 고분자 보호층 위에 전자선 증착기, 스퍼터(sputter), 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition, PVD), 화학적 기상 증착법(chemiacl vapor deposition, CVD), 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD) 등을 이용하여 두 가지 이상의 무기물이 혼합된 나노 복합물질을 증착하여 무기 박막 보호층을 형성함으로써 유/무기 복합 박막 보호층을 제조한다. 이때 무기 박막 보호층은 통상적인 두께로 증착되는데, 예를 들면 0.1 내지 0.5 ㎛가 바람직하다.
본 발명에 사용되는 나노 복합물질은 금속 산화물, 비금속 산화물, 질화물 및 염 중에서 선택되는 두 가지 이상의 무기물의 혼합물로서, 바람직하게는 알루미늄 산화물(예컨대, Al2O3), 실리콘 산화물(예컨대, SiO2), 실리콘 질화물(예컨대, SiNx), 실리콘 산화질화물(예컨대, SiON), 마그네슘 산화물(예컨대, MgO), 인듐 산화물(예컨대, In2O3), 마그네슘 불화물(예컨대, MgF2) 등이 사용될 수 있다.
이 단계에서 형성된 무기 박막 보호층은 단계 1) 및 2)에 의해 형성된 유기 고분자 보호층의 미세구멍(pinhole), 그레인 경계(grain boundary), 틈(crack)과 같은 결함으로 인해 형성될 수 있는 수분 및 산소 투과 통로를 차단함으로써 이들에 대한 저항 특성을 향상시킬 수 있다.
상기와 같이 형성된 유기 고분자 보호층과 무기 박막 보호층을 반복적으로 형성하여 1쌍 이상의 유기 고분자 보호층과 무기 박막 보호층을 반복적으로 포함하는 다층 적층구조의 유/무기 복합 박막 보호층을 형성할 수 있다. 또한, 단계 1) 및 2) 전에 단계 3)을 먼저 수행하여 유연성 기판 또는 유리 기판 상의 유기 전자소자, 또는 플라스틱 기판의 전면 또는 전/후면에 무기 박막 보호층을 형성한 후 그 위에 유기 고분자 보호층을 증착하여 무/유기 복합 보호층을 형성할 수도 있고, 이러한 순서로 형성된 1쌍 이상의 무기 박막 보호층과 유기 고분자 보호층이 반복적으로 적층된 다층 적층구조의 무/유기 복합 보호층을 형성할 수도 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 유/무기 복합 박막 보호층은 유기 고분자 보호층과 무기 박막 보호층의 상하 적층관계가 뒤바뀌거나 1쌍의 유기 고분자 보호층과 무기 박막 보호층이 다수 개의 층으로 적층되는 구조를 가질 수 있으며, 이들은 모두 수분 및 산소 투과를 효과적으로 차단할 수 있다.
본 발명에 따른 유/무기 복합 박막 보호층의 제조방법은 다음과 같은 특징을 갖는다.
첫째, 자외선/오존 경화방식을 이용하여 기존의 자외선 경화방식에 비해 수분과 산소 투과를 효과적으로 차단할 수 있는 고분자 박막의 유기 고분자 보호층을 형성한다. 자외선/오존 경화방식은 유기 고분자 보호층의 표면 에너지를 향상시키고 친수성화를 유도하여 상부 보호층과의 접착력을 향상시킨다. 또한 유기 전자소자 상에 전면적인 보호층의 형성뿐만 아니라 해당 소자의 면적 이상의 전면적인 보호층 및 반복적인 보호층의 형성도 가능케 하여 대면적 유기전계 발광소자의 수직방향 및/또는 수평방향으로 침투할 수 있는 수분과 산소의 투과 경로를 효과적으로 차단함으로써 소자의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
둘째, 자외선/오존 경화방식에 의해 극표면이 친수성화된 유기 고분자 보호층은 수분에 대한 흡습특성을 지녀 잔존하고 있는 수분을 표면에 흡착함으로써 수분에 의한 소자 손상을 최소화할 수 있다.
셋째, 자외선/오존 경화방식에 의해 제조된 유기 고분자 보호층은 고밀도 경화효과(highly crosslinking effect)를 기대할 수 있어 수직 방향으로 침투할 수 있는 수분과 산소의 투과 경로를 차단하여 투습 및 투산소 특성을 효과적으로 저하시킬 수 있다.
넷째, 상기와 같이 제조된 유기 고분자 보호층에 두 가지 이상의 무기물이 혼합된 나노 복합물질을 이용하여 무기물 혼합 보호층을 적층함으로써 수분과 산소의 투과를 효과적으로 차단할 수 있는 유/무기 복합 박막 보호층을 제조할 수 있다.
상기한 바와 같은 특성을 갖는 본 발명의 유/무기 복합 박막 보호층은 외부로부터의 산소와 수분의 투과를 효과적으로 차단하여 유기 전자소자의 안전성 및 신뢰성을 확보하고 플라스틱 기판의 가스 배리어 특성을 향상시키는데 매우 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 유/무기 복합 박막 보호층의 특성을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명에 따른 유/무기 복합 박막 보호층이 적용된 유기 발광소자의 구조를 나타낸 단면도로서, 유기 발광소자의 전면을 유기 고분자 보호층(10)이 둘러싸고 있고 그 위를 무기 박막 보호층(11)이 둘러싸 보호하고 있는 구조이다. 이때 유기 고분자 보호층(10)은 광경화성 고분자로 아크릴계 레진을 사용하여 형성하고, 무기 박막 보호층 (11)은 마그네슘 산화물과 실리콘 산화물이 적당한 비율로 혼합된 나노 복합물질, 예컨대 MS-31(MgO:SiO2 = 3:1 wt%)을 사용하여 증착한다. 이렇게 적용된 유/무기 복합 박막 보호층은 상호간의 결함(defects)을 보완해 줌으로써 수분과 산소의 투과를 효과적으로 차단할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 유/무기 복합 박막 보호층이 플라스틱 기판의 전면에 적용된 구조를 나타낸 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 유/무기 복합 박막 보호층이 플라스틱 기판의 전/후면 모두에 적용된 구조를 나타낸 단면도로서, 플라스틱 기판에 적용된 유/무기 복합 박막 보호층은 수분과 산소의 투과를 효과적으로 차단하여 기판의 가스 배리어 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 6은 플라스틱 기판 위에 본 발명에 따른 유/무기 복합 박막 보호층이 다층 적층 형태로 적용된 구조를 나타낸 단면도로서, 우수한 수분 및 산소 투과 차단효과 및 향상된 가스 배리어 특성을 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 유/무기 복합 박막 보호층의 단면 및 표면을 주사전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 관찰한 사진이다. 도 7의 (a)는 본 발명에 따른 유/무기 복합 박막 보호층에서 무기 박막 보호층의 표면을 나타낸 것으로, 수분과 산소의 투과 통로를 제공할 수 있는 그레인(grain)이 거의 형성되지 않은 매우 비정질화 되어 있는 상태임을 확인할 수 있다. 도 7의 (b)는 본 발명에 따른 유/무기 복합 박막 보호층에서 유기 고분자 보호층의 표면을 나타낸 것으로, 표면에 미세구멍(pinhole) 또는 기공(pore)이 형성되지 않고 상당히 균일하게 도포되어 있음을 확인할 수 있다. 도 7의 (c)는 본 발명에 따른 유/무기 복 합 박막 보호층의 단면으로서 기판 위에 무기 박막 보호층이 형성되고 그 위에 유기 고분자 보호층이 증착된 구조를 나타낸 것이고, 도 7의 (d)는 도 7의 (c)의 구조와는 반대로 기판 위에 유기 고분자 보호층이 형성되고 그 위에 무기 박막 보호층이 증착된 구조를 나타낸 것으로, 이들 모두는 이종 박막 물질임에도 불구하고 계면특성이 매우 우수하며 두 박막의 생성 자체가 매우 치밀하게 이루어져 있음을 알 수 있다.
하기 표 1은 종래의 자외선 경화방식으로 제작된 복합 박막 보호층의 계면간 접착성(adhesion)과 본 발명에 따라 자외선/오존 경화방식으로 제작된 유/무기 복합 박막 보호층의 계면간 접착성을 ASTM 3359-93B에 명시된 방법에 따라 측정하여 비교한 결과이다. 표 1에서 보는 바와 같이, 기존의 자외선 경화방식에 비해 자외선/오존 경화방식을 이용하여 제조된 유/무기 복합 박막 보호층이 박막 계면간 접착특성이 우수하고, 이러한 특성은 수직방향은 물론 수평방향으로 침투할 수 있는 수분과 산소를 효과적으로 차단할 수 있음을 확인하였다.
상부층 물질→ 하부층 물질↓ MS-31 UV로 경화된 아크릴계 수지 UV/O3로 경화된 아크릴계 수지
유리 92% 3% 4%
PES 98% 65% 96%
ITO 71% 2% 3%
MS-31 × 7% 37%
UV로 경화된 아크릴계 수지 93% × ×
UV/O3로 경화된 아크릴계 수지 98% × ×
도 8은 본 발명에 따른 유/무기 복합 박막 보호층의 구성 물질들에 대한 자외선-가시광 투과도를 나타낸 그래프이다. 그래프에서 보는 바와 같이, 각 물질들의 광투과도는 80% 이상으로 높은 광투과 특성을 나타내는데, 이러한 결과는 본 발명에 따른 유/무기 복합 박막 보호층이 향후 상부발광형(top emissive type) 유기전계 발광소자의 보호층으로 매우 유용하게 적용될 수 있음을 나타내는 것이다.
도 9는 자외선/오존 경화시간에 따른 유기 고분자 보호층 표면의 평탄화 과정을 보여주는 원자힘 현미경(Atomic Force Microscope, AFM) 사진이다. 이때 사용된 자외선/오존 장치는 분당 5 ㎚의 유기물 식각속도를 나타내는데, 이러한 유기물 식각특성은 고분자 박막에서 표면 고도가 낮은 부분과 높은 부분의 상대적인 식각 속도차로 인하여 표면 평탄화를 가져오게 된다. 도 9에서 보는 바와 같이, 기존의 자외선 경화방식에서는 3.244 ㎚의 평균 거칠기를 보였으나(a), 1.5분(b), 3분(c) 및 5분(d)간의 자외선/오존 경화를 거치면서 평균 거칠기가 1.149 ㎚로 개선됨을 확인하였다. 이렇게 개선된 유기 고분자 보호층의 표면 거칠기는 다층 구조의 보호막 제작 시 도 6과 같이 균일한 박막두께를 지니는 보호층의 제작을 가능케 하며 계면에서의 광산란을 최소화함으로써 광투과도를 향상시킬 수 있다.
도 10은 자외선/오존 경화시간에 따른 표면의 접촉각 변화를 나타내는 그래프이다. 그래프에서 보는 바와 같이, 기존의 자외선 경화방식에 비해 자외선/오존 경화방식은 단시간의 경화시간에도 불구하고 소수성이던 표면을 친수성으로 변화시키는 것을 확인할 수 있다. 기존 방식에 따른 자외선 경화에서 접촉각이 감소하게 되는 원인은 자외선 조사 시 발생되는 미량의 오존이 표면에 약간의 친수성기를 유발시키기 때문인 것으로 보인다. 그러나 그 양이 매우 미미하여 표면의 극성을 크게 변화시키는 것은 불가능하다. 반면, 본 발명에 따른 자외선/오존 경화에서는 자외선/오존 장비의 램프가 파장이 짧아 에너지가 높아져 분자의 결합을 절단할 수 있어 초기 3 내지 5분간 다량의 오존이 발생하게 된다. 이렇게 발생되는 오존의 양이 자외선 단일 조사 시보다 훨씬 많고 장비에서 생성된 자외선과 오존이 경화되어 단시간의 경화에도 불구하고 친수성화가 두드러짐을 확인할 수 있다. 이렇게 극성이 변화된 유기 고분자 보호층의 표면은 상부 및 하부 계면간의 접착강도를 강화시킬 수 있으며, 상기에 언급한 바와 같이 표면 거칠기를 개선할 수 있다.
도 11은 자외선으로 경화된 아크릴계 고분자 박막과 자외선/오존으로 경화된 아크릴계 고분자 박막 및 이들 각각을 포함하는 유/무기 복합 박막 보호층의 투습 특성을 비교한 그래프이다. 그 결과, 일반적인 자외선 경화방식에 비하여 본 발명에 따른 자외선/오존 경화방식을 채택하는 경우 단일 아크릴계 박막뿐만 아니라 유/무기 복합 박막 보호층에서 수분 저항성이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 본 발명에 따른 유/무기 복합 박막 보호층이 유연성 유기전계 발광소자에 매우 유용하게 적용될 수 있음을 제시한다.
도 12a12b는 본 발명에 따른 자외선/오존 경화방식으로 아크릴계 수지를 경화시켜 제조한 유기 고분자 보호층과 나노 복합물질을 포함하는 무기 박막 보호층이 반복적으로 적층된 구조를 갖는 유/무기 복합 박막 보호층의 투습 특성을 나타낸 것으로, 도 12a는 3층으로 적층된 유/무기 복합 박막 보호층의 투습 특성을 나타낸 것이고, 도 12b는 6층으로 적층된 유/무기 복합 박막 보호층의 투습 특성을 나타낸 것이다. 그 결과, 상기와 같이 다층 적층구조를 갖는 유/무기 복합 박막 보호층이 도 11에 나타낸 2층 구조의 유/무기 복합 박막 보호층에 비하여 수분 투과율이 현저히 저하되어 우수한 투습 차단 특성을 나타냄을 확인하였다. 구체적으로 2층 구조의 유/무기 복합 박막 보호층의 투습율은 10-3인 반면, 다층 적층구조의 유/무기 복합 박막 보호층은 3층의 경우에는 10-4의 투습율을, 6층의 경우에는 10-6의 투습율을 나타내어 수분 및 산소 차단 특성이 매우 우수함을 알 수 있었다. 이러한 결과는 아크릴계 고분자 물질에 수분 및 산소 투과율이 낮은 나노 복합물질을 혼합하여 유/무기 혼합층을 형성하면 우수한 수분 및 산소 차단효과를 기대할 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 유/무기 혼합층을 반복적으로 적층하면 상기한 차단효과를 더욱 향상시킬 수 있음을 나타내는 것이다.
이상으로 본 발명 내용의 특정 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
도 1은 금속 캡을 사용하여 봉지한 종래의 유기 전자소자의 구조를 나타낸 단면도이고,
도 2는 무기 박막 보호층에 고분자 유기물질이 적용된 종래의 유기 전자소자의 구조를 나타낸 단면도이고,
도 3은 본 발명에 따라 자외선/오존 경화방식으로 제조된 유/무기 복합 박막 보호층이 적용된 유기 전자소자의 구조를 나타낸 단면도이고,
도 4는 본 발명에 따라 자외선/오존 경화방식으로 제조된 유/무기 복합 박막 보호층이 적용된 플라스틱 기판의 구조를 나타낸 단면도이고,
도 5는 본 발명에 따라 자외선/오존 경화방식으로 제조된 유/무기 복합 박막 보호층이 반복적으로 적용된 플라스틱 기판의 구조를 나타낸 단면도이고,
도 6은 본 발명에 따라 자외선/오존 경화방식으로 제조된 유/무기 복합 박막 보호층이 양면에 적용된 플라스틱 기판의 구조를 나타낸 단면도이고,
도 7은 본 발명에 따라 자외선/오존 경화방식으로 제조된 유/무기 복합 박막 보호층의 단면과 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이고,
(a) MS-31 무기 박막 보호층의 표면
(b) 아크릴계 수지 유기 고분자 보호층의 표면
(c) 무/유기 복합 박막 보호층의 단면
(d) 유/무기 복합 박막 보호층의 단면
도 8은 본 발명에 따라 자외선/오존 경화방식으로 제조된 유/무기 복합 박막 보호층의 자외선-가시광 투과도를 나타낸 그래프이고,
도 9는 본 발명에 따라 자외선/오존 경화방식으로 광경화성 고분자의 처리 시 처리시간에 따른 평탄화 진행과정을 원자힘 현미경(AFM)으로 관찰한 사진이고,
(a) 1.5분간 자외선 경화 처리
(b) 1.5분간 자외선/오존 경화 처리
(c) 3분간 자외선/오존 경화 처리
(d) 5분간 자외선/오존 경화 처리
도 10은 본 발명에 따라 자외선/오존 경화방식으로 광경화성 고분자의 처리 시 처리시간에 따른 표면의 접촉각 변화를 나타내는 그래프이고,
도 11은 본 발명에 따라 자외선/오존 경화방식으로 제조된 유기 고분자 보호층과 기존의 자외선 경화방식으로 제조된 유기 고분자 보호층의 수분 투과도를 나타낸 그래프이고,
도 12a12b는 본 발명에 따른 유기 고분자 보호층과 무기 박막 보호층이 각각 3층 및 6층으로 반복적으로 적층된 유/무기 복합 박막 보호층의 수분 투과도를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 양전극 기판, 2: 정공 주입층
3: 정공 전달층, 4: 발광층
5: 전자 전달층, 6: 전자 주입층
7: 음전극, 8: 흡습제
9: 금속 혹은 유리 재질의 보호막 기판
10: 유기 고분자 보호층 11: 무기 박막 보호층
12: 플라스틱 기판, 100: 유/무기 복합 박막 보호층

Claims (21)

1) 기판 상의 유기 전자소자, 또는 플라스틱 기판의 전면 또는 전/후면에 광경화성 고분자를 도포하는 단계;
2) 코팅된 광경화성 고분자를 자외선/오존(UV/O3) 조사로 경화시켜 유기 고분자 보호층을 형성하는 단계; 및
3) 형성된 유기 고분자 보호층 위에 두 가지 이상의 무기물이 혼합된 나노 복합물질을 증착하여 무기 박막 보호층을 형성하는 단계를 포함하는, 수분과 산소 투과를 차단하고 가스 배리어 특성을 향상시키기 위한 유/무기 복합 박막 보호층의 제조방법.
제1항에 있어서,
단계 1)에서 광경화성 고분자가 에폭시계 수지(epoxy resin), 아크릴계 수지(acrlyate resin), 열경화성 폴리이미드(polyimide) 및 폴리에틸렌(polyethylene)으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서,
단계 1)에서 광경화성 고분자가 스핀 코팅법, 스크린 프린팅법, 바코팅법, 잉크젯법 또는 딥핑법에 의해 도포되는 것을 특징으로 하는 제조방법,
제1항에 있어서,
단계 1)에서 광경화성 고분자가 0.1 내지 10 ㎛의 두께로 도포되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서,
단계 1)에서 유기 전자소자가 유연성 기판(flexible substrate) 또는 유리 기판(glass substrate)인 기판 상에 구현되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 유연성 기판이 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC) 및 폴리에틸렌설폰(PES)으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서,
단계 1)에서 플라스틱 기판이 폴리에테르설폰, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 폴리이미드로부터 선택되는 고분자 소재의 기판인 것을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서,
단계 2)에서 자외선/오존 경화공정이 예비경화 → 자외선/오존 조사 → 열경화로 이루어지는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 예비경화가 단계 1)에서 도포된 광경화성 고분자를 70 내지 90℃에서 2 내지 5분간 저온 처리하여 수행되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 자외선/오존 조사가 예비경화된 광경화성 고분자에 170 내지 200 ㎚의 광원 파장대에서 2400 내지 3000 mJ/㎠의 광원 에너지를 1 내지 7분간 조사하여 산소 분자를 원자 상태로 분해한 후 240 내지 270 ㎚의 광원 파장대에서 2400 내지 2700 mJ/㎠의 광원 에너지를 1 내지 7분간 조사하여 산소 원자로부터 오존을 생성시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 열경화가 자외선/오존 조사된 광경화성 고분자를 100 내지 120℃에서 1 내지 2시간 동안 고온 처리하여 수행되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서,
단계 3)에서 나노 복합물질이 금속 산화물, 비금속 산화물, 질화물 및 염 중 에서 선택되는 두 가지 이상의 무기물의 혼합물인 것을 특징으로 하는 제조방법.
제12항에 있어서,
상기 나노 복합물질이 알루미늄 산화물, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산화질화물, 마그네슘 산화물, 인듐 산화물, 및 마그네슘 불화물로 구성된 군으로부터 선택되는 두 가지 이상의 무기물의 혼합물인 것을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서,
단계 3)에서 나노 복합물질이 전자선 증착기, 스퍼터(sputter), 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition, PVD), 화학적 기상 증착법(chemiacl vapor deposition, CVD) 또는 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서,
단계 3)에서 나노 복합물질이 0.1 내지 0.5 ㎛의 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계들을 반복적으로 수행하여 1쌍의 유기 고분자 보호층/무기 박막 보 호층을 다층 적층구조로 형성하는 것으로 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서,
단계 1) 및 단계 2) 전에 단계 3)을 먼저 수행하여 무기 박막 보호층을 형성한 후 그 위에 유기 고분자 보호층을 증착하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제17항에 있어서,
상기 단계들을 반복적으로 수행하여 1쌍의 무기 박막 보호층/유기 고분자 보호층을 다층 적층구조로 형성하는 것으로 특징으로 하는 제조방법.
제1항의 방법에 의해 제조된, 유기 고분자 보호층과 무기 박막 보호층으로 구성되고, 상기 유기 고분자 보호층과 무기 박막 보호층이 상하 적층구조를 가지며, 기판 상에 구현된 유기 전자소자 또는 플라스틱 기판에 적용되어 산소 및 수분의 투과를 차단하고 가스 배리어 특성을 향상시키는 유/무기 복합 박막 보호층.
제19항에 있어서,
상기 유/무기 복합 박막 보호층이 1쌍의 유기 고분자 보호층과 무기 박막 보호층이 반복적으로 형성되어 다층 적층구조를 갖는 것을 특징으로 하는 유/무기 복합 박막 보호층.
제19항에 있어서,
상기 유/무기 복합 박막 보호층이 유기 고분자 보호층 위에 무기 박막 보호층이 증착되거나 무기 박막 보호층 위에 유기 고분자 보호층이 증착된 상하 적층구조를 갖는 것을 특징으로 하는 유/무기 복합 박막 보호층.
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