폴더블/롤러블 유기전자소자를 위한 저온공정의 초박막 이중층 봉지막 연구

Abstract

현재 유기전자소자의 가치는 다방면으로 인정되고 있으며 전세계적으로 이에 대한 관심이 증가하고 있다. 유기전자소자는 고온 증착이 필요한 무기전자소자와 달리 진공 증착을 통한 상온공정이 가능하며, 가볍고 투명하다. 무엇보다 높은 유연성으로 폴더블/롤러블을 넘어선 웨어러블까지 그 응용이 가능하기 때문에 향후 차세대 기술에 필수적인 소자이다. [1] 이 뿐만 아니라 단순한 전자기기의 플랫폼을 넘어서 바이오, 헬스 케어의 플랫폼으로도 자리잡아 삶의 질 향상에 주력을 가하고 있다. [2] 유기전자소자는 유기 발광 다이오드, 유기 태양 전지, 유기 트랜지스터 그리고 유기 센서 등으로 분류되어 있다. 유기 발광 다이오드는 대량의 정보를 시각화 하여 기계와 사람의 인터페이스 역할을 하며[3] 유기 태양 전지는 무한한 태양 에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 역할을 한다. 현재 페로브 스카이트 태양 전지가 단 기간의 급격한 효율 향상을 이뤄 그 관심이 더욱 증폭되고 있다. 2009년에 3.8 %의 광변환 효율에서 시작하여[5] 현재 2019년 8월 한국 화학 연구소에서 25.2 %의 효율까지 달성하였다고 보고되었다. 그 동안의 실리콘 태양 전지와 비교하였을 때 매우 활발한 효율상승을 보이고 있어 많은 연구가 진행되고 있다. 이 외에 유기 트랜지스터, 유기 센서가 있으며 이는 인체 내의 생체 신호를 감지하여 모니터링 하는 헬스케어 전자제품에 응용되고 있다. [6] 이러한 다기능의 유기전자소자들을 개별적으로만 사용하는 것은 그 효과에 제한이 있다. 따라서 유연한 하나의 기판위에 다기능의 여러 유기전자소자들을 모듈화 한다면 그 효과는 배가 될 것이다. 하지만 유기전자소자들은 수분과 산소에 취약하며 유리전이온도가 낮은 유기물질을 사용하기 때문에 저온에서 제작되는 봉지막이 필수적으로 필요한 상황이다. [7][8] 이로 인해 본 연구에선 소자의 열화를 일으키지 않으며 다기능의 유기전자소자 모두에 제약없이 봉지 가능한 봉지막을 제안하였다. 가장 낮은 열안정성을 갖는 페로브 스카이트 태양전지의 요구 공정온도 이하에서 봉지막 공정이 이루어졌으며 가장 수분, 산소에 민감한 유기 발광 다이오드가 요구하는 10$^{-6}$g/m$^2$day 대의 WVTR을 만족하였다. 그 뿐만 아니라 유기전자소자의 유연성에 제한을 두는 봉지막의 유연성 또한 스트레스 조절을 통해 증가시켰다. 즉, 본 연구에서 제안하는 봉지막은 40 ℃의 저온에서 증착 되었으며 총 115 nm의 얇은 봉지막 두께로 9.94×10$^{-6}$g/m$^2$day의 WVTR을 달성하였다. 또한 1.75R곡률의 1,000번의 굽힘 변형을 실행한 후에도 봉지 특성이 유지됨을 보였다. 이로인해, 본 연구에서는 어떠한 유기전자소자든 제약없이 봉지 가능한 봉지막을 제작하여 폴더블/롤러블이 가능한 유기전자기기를 상용화할 수 있는 봉지막을 제안한다.