Mechanical bahaviour of thin films barrier for OLED encapsulation

Organic light-emitting devices (OLEDs) are extremely sensitive to moisture and oxygen. To prevent such a degradation of the functional layer a thin films barrier is used. The employment of brittle materials in moisture barriers limits greatly the mechanical reliability of flexible electronic devices. Mechanical testing thus represent a fundamental step in device development; performances have to be guaranteed over the entire lifetime. In the view of flexible OLED displays and lighting panels, a significant mechanical interaction is predicted: transport, barrier lamination, handling and direct interaction e.g. touch screen. In this work, indentation test and flexibility tests (2PB and 2PR) are performed evaluating respectively the protection assure by the topcoat layer and the critical failure strain of the brittle material employed in the barrier stack (SiN). The mechanical performance of the thin films barrier is evaluate for different topcoat materials and thicknesses; the effect of SiN layer thickness is also studied. The damage induced in the brittle layer during indentation is evaluated with an in house-developed water permeation test, a convenient barrier structure is employed. The onset of cracks in the barrier layer allow water molecules to penetrate through the barrier stack degrading the device. Barrier mechanical behaviour has been studied for different testing conditions e.g. tip diameter and material. On the other hand, electro-mechanical tests are carried out to measure the critical, residual and intrinsic strain in the SiN layer; crack-channelling theory is employed. The results obtained suggest a complex design of a multilayer barrier in order to optimize the mechanical performances. In the last part of the work a solution is proposed based on the measurements performed.

Organic light-emitting devices (OLED) sono estremamente sensibili all'umidità e all'ossigeno. Per evitare la degradazione dei materiali funzionali sono utilizzate barriere a film sottili. L'impiego di materiali fragili nelle barriere contro l’umidità limita notevolmente l'affidabilità meccanica dei dispositivi elettronici flessibili. Prove meccaniche rappresentano quindi una tappa fondamentale nello sviluppo di un dispositivo; le prestazioni devono essere garantite durante l’intera vita di servizio. Considerando schermi OLED flessibili e pannelli di illuminazione, una significativa interazione meccanica è prevista con il dispositivo stesso: trasporto, laminazione della barriera e l'interazione diretta con il dispositivo e.g. touch screen. In questo lavoro, prove di indentazione e flessibilità (2PB e 2PR) sono utilizzate per valutRE rispettivamente la protezione fornita dallo strato esterno della barriera e la deformazione critica del materiale fragile impiegato nella barriera (SiN). Le prestazioni meccaniche della barriera a film sottili è valutata per diversi materiali e spessori degli strati della barriera; l’effetto della variazione dello spessore di SiN sulle proprietà del materiale stesso viene studiato. Il danno indotto nello strato fragile durante la prova di indentazione viene valutata con test di permeazione di molecole d’acqua attraverso lo barriere, la struttura della impiegata è adatta allo scopo. La formazione di cricche nello strato fragile permette alle molecole d'acqua di penetrare attraverso gli strati della barriera degradando il dispositivo. Il comportamento meccanico della barriera è stato studiato per le diverse condizioni di prova e.g. diametro e materiale della punta impiegata. Prove elettromeccaniche sono effettuate per misurare la deformazione critica, residua e intrinseca nello strato SiN. I risultati ottenuti indicano un progettazione complessa della barriera multistrato è necessaria per ottimizzarne le prestazioni meccaniche. Nell'ultima parte del lavoro una soluzione è proposta in base ai risultati ottenuti.