[논문]유기반도체용 고성능 박막 봉지재의 제조 및 평가

김남수

doi:10.3795/ksme-b.2012.36.10.1049

유기반도체용 고성능 박막 봉지재의 제조 및 평가
Fabrication and Characterization of High-Performance Thin-Film Encapsulation for Organic Electronics 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.36 no.10 = no.325, 2012년, pp.1049 - 1054

김남수 (전자부품연구원 부품소재물리연구센터)

초록
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유기전자재료의 발전으로 박막화, 유연화, 경량화가 가능하면서, 저가의 생산비용으로 제조 될 수 있는 유기반도체의 개발 및 상용화에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 하지만, 유기반도체를 구성하는 유기재료 및 전극재료가 미량의 수분과 반응으로 성능이 저하되는 문제로 상용화의 큰 걸림돌이 되고 있다. 따라서 유기재료 및 전극을 동작환경의 수분으로부터 보호할 수 있는 고성능 투습 방지막 개발에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 본 연구에서는 $SiO_x$/parylene 및 $SiN_x$/parylene 구조를 이용한 다중 구조의 고성능 박막 봉지막을 개발하고, 개발된 박막을 Ca-corrosion test를 이용하여 수분투과율을 측정하였다. 또한 박막 봉지재를 유기태양전지에 적용하여 유기태양전지의 수명과 투습특성과의 관계를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Continued advancements in organic materials have led to the development of organic devices that are thin, flexible, and lightweight and that can potentially be used as low-cost energy-conversion devices. While these devices have many advantages, the environmentally induced degradation of the active materials and the low-work-function electrodes remain a valid concern. Hence, many vacuum deposition processes have been applied to develop low-permeation barrier coatings. In this work, we present the results pertaining to the developed thin-film encapsulation. Multilayer encapsulation involves the use of $SiO_x$ or $SiN_x$ with parylene. The effective water vapor transmission rates were investigated using a Ca-corrosion test. The integration of the developed barrier layers was demonstrated by encapsulating pentacene/$C_{60}$ solar cells, and the results are presented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

^(9-12) 또한, 개발된 투습 방지막의 성능과 유기 반도체에 적용하였을 경우 이에 따르는 수명 향상 관계에 대한 체계적인 연구가 필요하다. 따라서, 본 논문에서는 다중층을 구성하는 단일 무기막 층의 특성과 이를 기본으로 증착된 다중층의 설계 및 특성 평가 결과를 제시한다. 또한, 개발된 투습 방지막을 유기반도체에 적용했을 경우 소자의 연장된 수명과 투습 특성의 상관관계에 대한 결과도 제시된다.
봉지막으로써 투습 특성이 낮은 한층의 SiN_x/parylene 박막을 적용한 경우, 1000 시간 이후에 특성이 열화 됨을 확인할 수 있으며, 네개의 층으로 이루어진 SiN_x/parylene 박막을 적용한 경우, 3000 시간 이상 성능을 유지함을 확인할 수 있었다. 본 논문은 다중 박막층의 수분투습도에 따른 유기반도체의 수명과의 상화관계를 목적으로 연구되었으며, 상용화를 위한 봉지막 구조는 저자의 다른 연구논문에 제시되어 있다.⁽¹¹⁾ 또한, 본 논문에서 제시된 결과 를 토대로 어닐링(annealing)을 통해 성능을 향상시킨 SiN_x/paryele 구조의 봉지막 개발에 대한 결과도 다른 논문에 제시되어 있다.
유기반도체의 상용화를 위해서 박막 봉지재의 개발은 매우 중요한 부분이다. 이를 위해 본 연구에서는 SiO_x/parylene 및 SiN_x/paryelen 구조의 다중층 봉지막을 증착하여 그 성능을 평가하였다. 무기 박막층을 이루는 구조가 작고, 표면 거칠기가 상대적으로 작은 SiN_x가 SiO_x 와 비교해 좋은 성능을 보임을 확인할 수 있었다.

제안 방법

이러한 유기재료 및 전극층의 수분과 산소에 의한 열화특성 때문에, 기존 봉지재의 경우 Fig. 3(a)에서 보여지듯이, 유리와 유리 사이에 유기반도체를 구성하는 박막을 증착하고, 특수 밀폐재를 이용하여 측면을 통한 산소와 수분의 침투를 막아주었다. 하지만, 이러한 구조는 유연전자 분야의 적용이 불가하므로, Fig 3(b)에서 보여지듯이, 고분자재료의 유연성 기판 및 박막을 이용한 새로운 봉지재 개발 및 연구가 필요하다.
본 실험에서 이용된 무기 박막은 플라즈마화학 증착법(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 장비를 이용하여 증착 하였으며, SiO_x와 SiN_x 기반의 두 무기막을 증착하여 그 특성을 비교하였다. 플라즈마화학증착법을 이용한 박막 증착에 대한 자세한 조건은 Table 1 에 정리되어 있다.
증착된 다중층의 투습특성을 평가한 후, 유기반도체의 적용 가능성 확인 및 적용 시 성능 확인을 위하여, 개발된 다중 봉지막을 유기태양전지에 적용하여, 그 성능을 평가해 보았다. 실험에 사용된 유기태양전지는 기존에 발표된 소자를 동일하게 제작하여 사용하였다.
특히 증착 조건 중 증착기밀실 내의 온도는 유기반도체의 적용을 위하여 플라즈마화학증착법의 일반적인 증착 온도인 250 °C 보다 낮은 110 °C 에서 증착하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 유기태양전지는 기존에 발표된 소자를 동일하게 제작하여 사용하였다. ⁽¹⁴⁾ 본 실험에 사용된 유기태양전지의 구조는 ITO/pentacene (45 nm)/C₆₀ (50 nm)/BCP (8 nm)/Al 으로 이루어졌다. 유리기판 위에 증착된 유기태양전지를 대상으로 SiO_x/parylene 구조보다 좋은 성능을 보인 SiN_x/parylene 구조의 봉지막을 적용하였다.
본 논문에 개제된 Focused Ion beam (FIB)를 이용한 다중층의 단면 사진은 Sarah Wagner (Air Force Research Laboratories)의 도움을 받았다.
증착된 다중층의 투습특성을 평가한 후, 유기반도체의 적용 가능성 확인 및 적용 시 성능 확인을 위하여, 개발된 다중 봉지막을 유기태양전지에 적용하여, 그 성능을 평가해 보았다. 실험에 사용된 유기태양전지는 기존에 발표된 소자를 동일하게 제작하여 사용하였다. ⁽¹⁴⁾ 본 실험에 사용된 유기태양전지의 구조는 ITO/pentacene (45 nm)/C₆₀ (50 nm)/BCP (8 nm)/Al 으로 이루어졌다.
⁽¹⁴⁾ 본 실험에 사용된 유기태양전지의 구조는 ITO/pentacene (45 nm)/C₆₀ (50 nm)/BCP (8 nm)/Al 으로 이루어졌다. 유리기판 위에 증착된 유기태양전지를 대상으로 SiO_x/parylene 구조보다 좋은 성능을 보인 SiN_x/parylene 구조의 봉지막을 적용하였다. 다증층의 증착 과정이 유기 반도체에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 증착 전후의 유기태양전지의 전기적 특성을 측정하였고, 결과는 Fig.

이론/모형

플라즈마 화학증착법 및 페럴린 화학증착법을 이용하여 교차 증착시킨 다중층의 투습 특성은 Ca corrosion test 를 이용하여 측정되었다. 다중층의 경우 경우, Fig.

성능/효과

SiNx/parylene 구조의 다중박막층이 증착된 유기태양전지는 항온항습 기밀실에서 20 °C/ 50 % RH 조건으로 보관 되었으며, 전기적 소자 특성은 규칙적으로 측정되었다.
9 에 나와 있다. 그래프에 제시되어진 결과에서 확인되듯이 SiN_x/paryelen 구조의 다중층 증착 전 후 유기태양전지의 전기적 특성은 크게 변하지 않았으므로, 박막 증착 공정이 유기태양전지 미치는 영향은 미미하다는 결론을 내렸다.
시간변화에 따른 특성 변화는 Fig 10 을 통해 확인할 수 있다. 그래프에서 보여지듯이 봉지막이 없는 유기태양전지의 경우 공기 중에 노출된 후 200 시간 내에 특성이 열화되는 것을 확인할 수 있는 반면, 다중층의 봉지막이 적용된 유기태양전지의 경우, 해당 다중층의 투습 특성에 따라 성능을 유지하는 시간이 다름을 확인할 수 있었다. 봉지막으로써 투습 특성이 낮은 한층의 SiN_x/parylene 박막을 적용한 경우, 1000 시간 이후에 특성이 열화 됨을 확인할 수 있으며, 네개의 층으로 이루어진 SiN_x/parylene 박막을 적용한 경우, 3000 시간 이상 성능을 유지함을 확인할 수 있었다.
또한 SiO_x 와 SiN_x로 구성된 층을 비교하면, SiN_x로 구성된 다중층의 봉지막이 좋은 성능을 보여주었다. 이는 Fig.
무기 박막층을 이루는 구조가 작고, 표면 거칠기가 상대적으로 작은 SiN_x가 SiO_x 와 비교해 좋은 성능을 보임을 확인할 수 있었다. 또한 다중층 막을 이루는 막층이 증가할수록 방습에 대한 봉지 성능이 증가함을 보여줬으나, 일정 개수가 증가하면 향상되는 경향이 감소됨을 확인할 수 있었다. 또한 다중층의 봉지 성능이 향상될수록 유기태양전지의 수명도 연장됨을 확인할 수 있었다.
또한 다중층 막을 이루는 막층이 증가할수록 방습에 대한 봉지 성능이 증가함을 보여줬으나, 일정 개수가 증가하면 향상되는 경향이 감소됨을 확인할 수 있었다. 또한 다중층의 봉지 성능이 향상될수록 유기태양전지의 수명도 연장됨을 확인할 수 있었다.
이를 위해 본 연구에서는 SiO_x/parylene 및 SiN_x/paryelen 구조의 다중층 봉지막을 증착하여 그 성능을 평가하였다. 무기 박막층을 이루는 구조가 작고, 표면 거칠기가 상대적으로 작은 SiN_x가 SiO_x 와 비교해 좋은 성능을 보임을 확인할 수 있었다. 또한 다중층 막을 이루는 막층이 증가할수록 방습에 대한 봉지 성능이 증가함을 보여줬으나, 일정 개수가 증가하면 향상되는 경향이 감소됨을 확인할 수 있었다.
그래프에서 보여지듯이 봉지막이 없는 유기태양전지의 경우 공기 중에 노출된 후 200 시간 내에 특성이 열화되는 것을 확인할 수 있는 반면, 다중층의 봉지막이 적용된 유기태양전지의 경우, 해당 다중층의 투습 특성에 따라 성능을 유지하는 시간이 다름을 확인할 수 있었다. 봉지막으로써 투습 특성이 낮은 한층의 SiN_x/parylene 박막을 적용한 경우, 1000 시간 이후에 특성이 열화 됨을 확인할 수 있으며, 네개의 층으로 이루어진 SiN_x/parylene 박막을 적용한 경우, 3000 시간 이상 성능을 유지함을 확인할 수 있었다. 본 논문은 다중 박막층의 수분투습도에 따른 유기반도체의 수명과의 상화관계를 목적으로 연구되었으며, 상용화를 위한 봉지막 구조는 저자의 다른 연구논문에 제시되어 있다.
와 비교해 표면거칠기가 (Roughness) 작고, 훨씬 작은 입자들이 박막을 구성함을 확인할 수 있다. 이러한 세밀한 구조로 이루어진 SiN_x로 이루어진 다중층이 수분의 침투를 효과적으로 막아 주는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

(9-12) 또한, 개발된 투습 방지막의 성능과 유기 반도체에 적용하였을 경우 이에 따르는 수명 향상 관계에 대한 체계적인 연구가 필요하다. 따라서, 본 논문에서는 다중층을 구성하는 단일 무기막 층의 특성과 이를 기본으로 증착된 다중층의 설계 및 특성 평가 결과를 제시한다.
따라서, 본 논문에서는 다중층을 구성하는 단일 무기막 층의 특성과 이를 기본으로 증착된 다중층의 설계 및 특성 평가 결과를 제시한다. 또한, 개발된 투습 방지막을 유기반도체에 적용했을 경우 소자의 연장된 수명과 투습 특성의 상관관계에 대한 결과도 제시된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단일막의 한계를 극복하기 위해 진행되는 연구에는 어떠한 것들이 있는가?	이러한 단일막의 한계를 극복하기 위해, 유기와 무기막을 교차 증착한 다중 박막 봉지재의 개발과 서로 다른 종류의 무기막을 교차하여 증착한 투습 방지막에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. (9-12) 또한, 개발된 투습 방지막의 성능과 유기 반도체에 적용하였을 경우 이에 따르는 수명 향상 관계에 대한 체계적인 연구가 필요하다.
	개발된 봉지재의 성능은 어떠한 지표로 평가되는가?	일반적으로, 개발된 봉지재의 성능은 수분 투과율 (WVTR, Water vapor transmission rate) 측정으로 평가된다. 일반적인 고분자 재료 필름의 수분 투과율은 1 -40 g/m 2 day 로 측정된다.
	유리와 유리 사이에 유기반도체를 구성하는 박막구조의 문제점은 무엇인가?	3 (a)에서 보여지듯이, 유리와 유리 사이에 유기반도체를 구성하는 박막을 증착하고, 특수 밀폐재를 이용하여 측면을 통한 산소와 수분의 침투를 막아주었다. 하지만, 이러한 구조는 유연전자 분야의 적용이 불가하므로, Fig 3(b)에서 보여지듯이, 고분자재료의 유연성 기판 및 박막을 이용한 새로운 봉지재 개발 및 연구가 필요하다. 특히, 유기재료층 및 전극의 수분과의 민감한 반응 때문에 매우 높은 수준의 투습방지막이 필요하다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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