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고온 신뢰성 시험에서 발생된 플렉서블 OLED의 휨 변형
Warpage of Flexible OLED under High Temperature Reliability Test 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.23 no.1, 2016년, pp.17 - 22  

이미경 (서울과학기술대학교 NID 융합기술대학원) ,  서일웅 (서울과학기술대학교 NID 융합기술대학원) ,  정훈선 (서울과학기술대학교 NID 융합기술대학원) ,  이정훈 (서울과학기술대학교 NID 융합기술대학원) ,  좌성훈 (서울과학기술대학교 NID 융합기술대학원)

초록
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플렉서블 OLED는 매우 다양한 유기(organic) 및 무기 물질로 이루어져 있으며, 각 층을 증착하는 과정에 의하여 고온에 의한 휨(warpage)이 발생한다. 휨으로 인하여 발생한 굽힘 변형은 후속 공정에 많은 영향을 미치며, 궁극적으로 생산 수율 및 신뢰성을 저하시킨다. 본 연구에서는 플렉서블 OLED 소자의 고온 환경신뢰성 시험 및 공정 단계에서 발생하는 휨 변형을 수치해석을 이용하여 예측하였으며 실험 결과와 비교하였다. 이를 통하여 휨에 가장 큰 영향을 미치는 재료를 파악하고, 궁극적으로 휨을 최소화 함으로써 플렉서블 OLED의 신뢰성을 향상시키고자 하였다. 휨의 측정 및 수치해석 결과, 편광 필름과 베리어 필름이 휨에 많은 영향을 줌을 알 수 있었으며, OCA가 휨에 미치는 영향은 미미하였다. 플렉서블 OLED의 휨에 가장 큰 영향을 주는 소재는 plastic cover이였으며, 휨을 최소화하기 위한 plastic cover 소재의 최적 물성을 실험계획법으로 계산한 결과, 탄성 계수는 4.2 GPa, 열팽창계수$20ppm/^{\circ}C$ 일 경우 플렉서블 OLED의 휨은 1 mm 이하가 됨을 알 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Flexible organic light-emitting diode (OLED) devices consist of multi-stacked thin films or layers comprising organic and inorganic materials. Due to thermal coefficient mismatch of the multi-layer films, warpage of the flexible OLED is generated during high temperature process of each layer. This w...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 편광 필름의 물성을 변경하는 것은 많은 어려움을 초래할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 플라스틱 커버의 두께 및 물성을 변화시켜 휨의 경향이 어떻게 변화하는지 관찰하고, 휨을 줄일 수 있는 방법에 대하여 연구하였다. 플라스틱 커버의 주재료인 PET 기판 상하부에는 Fig.
  • 2 GPa, 열팽창 계수는 20 ppm/℃ 일 경우 휨은 1 mm 이하로 발생됨을 알 수 있었다. 본 연구를 통하여 플렉서블 OLED의 제조공정에서 발생한 휨을 예측하고, 휨을 줄이기 위한 가이드라인을 제시하였다.
  • 본 연구에서는 플렉서블 OLED의 핵심 소재이며 휨에 가장 큰 영향을 줄 것으로 예측되는 플라스틱 커버, 편광 필름, 베리어 필름 및 PET 기판에 대해서 휨의 영향을 우선적으로 검토하였다. 플라스틱 커버의 하부에 PET, 베리어 필름, 편광 필름의 필름을 OCA로 접합한 3 개의 샘플에 대해서, 80oC로 고온신뢰성 시험 후 상온인 25oC에서 휨을 각각 측정하였다.
  • 따라서, 본 연구에서는 순차적으로 적층된 각각의 필름 혹은 박막들을 고온 신뢰성 시험을 통하여 휨을 측정하였으며, 수치해석을 통하여 검증하였다. 이를 통하여 각각의 필름들이 플렉서블 OLED의 휨에 미치는 영향을 분석하였으며, 각 공정에서의 휨을 최소화하고자 하였다. 휨의 측정은 80℃로 고온 신뢰성 시험 후 샘플을 고온 챔버에서 꺼내어 상온에서 측정하였다.
  • 본 연구에서는 플렉서블 OLED 소자의 고온의 환경신뢰성 시험 및 공정 단계에서 발생하는 휨 변형을 수치해석을 이용하여 예측하였으며 실험 결과와 비교하였다. 이를 통하여 휨에 가장 큰 영향을 미치는 소재를 파악하고, 궁극적으로 휨을 최소화 함으로써 플렉서블 OLED의 신뢰성을 향상시키고자 하였다.
  • 휨의 측정 결과 편광 필름 및 플라스틱 커버가 휨에 미치는 영향이 컸으며, OCA가 휨에 미치는 영향은 매우 적었다. 플렉서블 OLED의 휨에 가장 큰 영향을 주는 플라스틱 커버 소재의 최적화를 통하여 휨을 최소화 할 수 있는 조건을 연구하였다. 실험계획법을 활용하여 계산한 결과 플라스틱 커버 소재의 탄성 계수는 4.

가설 설정

  • 1,2) 이러한 플렉서블 전자소자는 향후 웨어러블 전자 소자 기술의 핵심이 될 것으로 예측하고 있다.3) 그러나 플렉서블 전자 소자가 상용화되기 위해서는 아직 여러 기술적 장벽을 해결해야 한다.
  • 1,2) 이러한 플렉서블 전자소자는 향후 웨어러블 전자 소자 기술의 핵심이 될 것으로 예측하고 있다.3) 그러나 플렉서블 전자 소자가 상용화되기 위해서는 아직 여러 기술적 장벽을 해결해야 한다. 현재 플렉서블 전자 소자 분야에서 개발이 가장 빠르게 진행되고 있는 기술은 플렉서블 디스플레이 기술이다.
  • 각 재료들의 물성은 Table 2와 같다. 모든 재료는 탄성 영역 내에 있다고 가정하였으며, 사용된 재료들의 물성은 대부분 관련 기업에서 제공된 데이터를 사용하였다. 그러나, 물성 측정이 어려운 필름, 가령 OCA 필름의 경우 참고 문헌에 있는 데이터를 이용하였다.
  • 유한요소의 휨 해석 모델에 가해지는 열 하중 조건은 고온 신뢰성 조건인 온도 80oC로 열 하중이 가해진 후, 상온인 25oC로 내려간 상태이다. 상온 조건인 25℃를 stress-free 상태로 가정하고 해석을 수행하였다. 플라스틱 커버의 탄성계수는 5.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
휨현상은 OLED 패널에 어떤 영향을 미치는가? 이러한 휨 현상은 OLED 패널에 사용되는 재료들의 열팽창 계수(CTE, coefficient of thermal expansion), 탄성 계수, Poisson’s ratio 및 열전도 계수 등의 소재의 물성들 차이에 의하여 발생하며, 특히 열팽창 계수의 차이(CTE mismatch)에 의하여 발생된 열응력(thermo-mechanical stress)이 주된 요인이다.5,7) 전술한 바와 같이 이러한 휨현상은 OLED 패널 및 소자의 공정 수율과 장기 신뢰성에 영향을 미치게 되고, 궁극적으로는 OLED 소자의 크랙 혹은 층간 계면들 사이에 박리(delamination)의 발생을 초래하게 된다.8) 또한 OLED 재료의 열팽창 계수의 차이가 과도할 경우 각 층의 접합면 혹은 끝단 부분에 응력집중이 발생하여, 계면의 전단 응력과 박리 응력으로 인한 파괴가 발생될 가능성이 매우 높다.
휨 현상이 발생되는 주요 요인은? 이러한 휨 현상은 OLED 패널에 사용되는 재료들의 열팽창 계수(CTE, coefficient of thermal expansion), 탄성 계수, Poisson’s ratio 및 열전도 계수 등의 소재의 물성들 차이에 의하여 발생하며, 특히 열팽창 계수의 차이(CTE mismatch)에 의하여 발생된 열응력(thermo-mechanical stress)이 주된 요인이다.5,7) 전술한 바와 같이 이러한 휨현상은 OLED 패널 및 소자의 공정 수율과 장기 신뢰성에 영향을 미치게 되고, 궁극적으로는 OLED 소자의 크랙 혹은 층간 계면들 사이에 박리(delamination)의 발생을 초래하게 된다.
휨을 계산하는 식으로써 Stoney’s equation을 사용하기 부적합한 이유는? 다층 박막의 휨을 쉽게 계산하는 식으로 Stoney’s equation 등 다양한 수식이 존재한다.11,12) 그러나, OLED는 매우 다양한 물질로 적층된 복잡한 적층 구조로 구성되어 있기 때문에 이러한 휨 현상을 간단한 수식이나 analytical solution을 의하여 예측하는 것이 거의 불가능하다. 가령, 층의 개수가 4개 이상인 경우, 휨을 수식적으로 도출한다는 것은 거의 불가능하다.
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참고문헌 (16)

  1. G. P. Crawford, Editor, "Flexible flat panel displays", Wiley, Chichester (2005). 

  2. J. H. Ahn, H. Lee, and S. H. Choa, "Technology of flexible semiconductor/memory device", J. Microelectron. Packag. Soc., 20(2), 1 (2013). 

  3. Y. Zhang and P. L. P. Rau "Playing with multiple wearable devices: exploring the influence of display, motion and gender", Computers in Human Behavior, 50, 148 (2015). 

  4. J. H. Kim and J. W. Park, "Improving the flexibility of largearea transparent conductive oxide electrodes on polymer substrates for flexible organic light emitting diodes by introducing surface roughness", Organic Electronics, 14(12), 3444 (2013). 

  5. A. W. J. Gielen, M. Barink, J. van den Brand, and A. M. B. van Mol, "The electro-thermal-mechanical performance of an OLED: a multi-physics model study", 10th. Int. Conf. on Thermal, Mechanical and Multiphysics Simulation and Experiments in Micro-Electronics and Micro-Systems, Euro-SimE, 1 (2009). 

  6. C. G. Kim, H. S. Choi, M. S. Kim, and T. S. Kim, "Packaging substrate bending prediction due to residual stress", J. Microelectron. Packag. Soc., 20(1), 21 (2013). 

  7. T. Mizutani, T. Ikeda, K. Miyake, and N. Miyazaki, "Warpage analysis of an LCD panel under thermo-mechanical and hygro-mechanical stress", Electronic Materials and Packaging, EMAP 2007. International Conference, 1 (2007). 

  8. M. K. Yeh, L. Y. Chang, and M. R. Lu, "Bending stress analysis of flexible touch panel", Microsyst Technol, 20 (8), 1641 (2014). 

  9. C. J. Chiang, C. Winscom, S. Bull, and A. Monkman, "Mechanical modeling of flexible OLED devices", Organic Electronics, 10(7), 1268 (2009). 

  10. H. Y. Low, and S. J. Chua, "Mechanical properties of organic light-emitting thin films deposited on polymer-based barrier substrate: potential for flexible organic light-emitting displays", Mater. Lett., 53(4), 227 (2002). 

  11. G. G. Stoney, "The tension of metallic films deposited by electrolysis", Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character, 82(553), 172 (1909). 

  12. K. Roll, "Analysis of stress and strain distribution in thin films and substrates", J Appl Phys, 47, 3224 (1974). 

  13. C. C. Lee, Y. S. Shih, C. S. Wu, C. H. Tsai, S. T. Yeh, Y. H. Peng, and K. J. Chen, "Development of robust flexible OLED encapsulations using simulated estimations and experimental validations", J. Phys. D: Appl. Phys. 45(27), 275102 (2012). 

  14. N. Murata, "Adhesives for optical devices", Electronic Components and Technology Conference, 1178 (1998). 

  15. Y. Wang and P. Hassell, "On-line measurement of thermally induced warpage of BGAs with high sensitivity shadow moire", The International Journal of Microcircuits and Electronic Packaging, 21(2), 191 (1998). 

  16. W. Lin and M. W. Lee, "PoP/CSP warpage evaluation and viscoelastic modeling", Electronic Components and Technology Conference, 1576 (2008). 

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