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문제 정의
- 본 연구에서는 기존 OLED 봉지의 공정문제와 방열 문제들을 개선하여 대면적 고휘도 OLED의 특성을 향상하기 위하여 접착제로 필름을 사용하여 금속판을 부착하는 봉지 방법에 대하여 연구하였다. 제작한 OLED 소자의 특성은 전류-전압-휘도(I-V-L)와 수명 측정기를 사용하여 측정하였고, 봉지구조에 따른 방열 성능은 열화상 카메라를 사용하여 측정하였다.
제안 방법
- 기본소자로 Alq3에 Rubrene을 1 vol.% 첨가한 적색 발광을 나타내는 ITO (150 ㎚) / 2-TNATA (50 ㎚) / NPB (30 ㎚) / Alq3:Rubrene (30 ㎚) / Alq3 (30 ㎚) / LiF (0.7 ㎚) / Al (200 ㎚) 의 구조를 적용하였다. 금속판 부착에 의한 소자의 영향을 평가하기 위하여 완충층으로 Alq3와 LiF를 각각 150 ㎚ 증착한 후 Al 150 nm를 다층으로 증착하였다.
- )을 사용하여 측정하였다. OLED의 수명은 항온항습기를 사용하여 30℃의 온도와 60%의 상대습도 분위기에서 초기 휘도를 1,000 cd/㎡로 설정하여 초기 휘도의 50%가 되는 시간을 측정하였다. 방열성능 평가는 FLIR사의 E 60 열화상카메라를 사용하여 측정하였다.
- 기판은 자외선을 조사하고 진공 용기에 장착하여 진공도 1.5×10-1 torr의 산소 분위기에서 플라즈마를 사용하여 표면 처리를 하였다.
- 대면적 고휘도 OLED에 적용 가능한 봉지기술을 개발하기 위하여 방열 효과가 뛰어난 금속판을 이용하여 봉지하였다. 기본소자로 Alq3에 Rubrene을 1 vol.
- 그림 5는 보호막을 형성하지 않은 OLED와 OLED_B2_F_Metal, OLED_B4_F_Metal, OLED_B6_F_Metal, OLED_B8_F_Metal 구조와 OLED_B8_F_Metal 구조에서 금속판 대신 유리판을 부착한 OLED (OLED_B8_F_Glass)의 수명 [18] 특성을 측정한 결과이다. 소자의 수명은 기준 초기 휘도를 1,000cd/㎡로 설정한 후 상대습도 60%, 온도 30℃ 분위기에서 일정한 직류 전압을 인가하여 측정된 휘도가 초기 설정 휘도 값보다 50%가 되는, 즉 휘도가 500 cd/㎡에 도달하는 시간을 측정하였다. 실험 결과 소자의 수명 특성은 보호막을 형성하지 않은 OLED 소자의 경우 4시간, OLED_B2_F_Metal 117시간, OLED_B4_F_Meta189시간, OLED_B6_F_Metal 228시간, OLED_B8_F_Metal 307시간을 나타내었다.
- 15 ㎚/sec의 증착율로 증착하였다. 이후 LiF를 0.05 ㎚/s의 증착율로 0.7 ㎚와 음극 전극으로 Al 200 ㎚를 0.2 ㎚/s의 증착율로 증착하여 기본 OLED를 제작하였다. 제작된 OLED는 금속판을 부착하는 방법에 의한 봉지를 위하여 완충층으로 유기물인 Alq3와 무기물인 LiF를 각각 150 ㎚ 두께로 형성한 후 보호막으로 150 ㎚ 두께의 Al 금속 박막을 다층으로 증착하였으며, 각 Al 금속 박막은 한 층을 증착한 후 30분의 대기 시간을 두고 증착하였다.
- 2 ㎚/s의 증착율로 증착하여 기본 OLED를 제작하였다. 제작된 OLED는 금속판을 부착하는 방법에 의한 봉지를 위하여 완충층으로 유기물인 Alq3와 무기물인 LiF를 각각 150 ㎚ 두께로 형성한 후 보호막으로 150 ㎚ 두께의 Al 금속 박막을 다층으로 증착하였으며, 각 Al 금속 박막은 한 층을 증착한 후 30분의 대기 시간을 두고 증착하였다. 다층 Al 금속 박막 위에 접착 필름을 이용하여 금속판을 부착하였다.
- 제작된 OLED의 발광휘도, 전력 효율, 색좌표, 발광 스펙트럼 등을 측정하기 위해 Photo Research사의 PR-650 Spectrascan I-V-L 측정기를 사용하여 전기적 특성을 측정하였다. 또한 소자의 수명은 OLED 수명 측정 시스템 (JYS Co.
- 본 연구에서는 기존 OLED 봉지의 공정문제와 방열 문제들을 개선하여 대면적 고휘도 OLED의 특성을 향상하기 위하여 접착제로 필름을 사용하여 금속판을 부착하는 봉지 방법에 대하여 연구하였다. 제작한 OLED 소자의 특성은 전류-전압-휘도(I-V-L)와 수명 측정기를 사용하여 측정하였고, 봉지구조에 따른 방열 성능은 열화상 카메라를 사용하여 측정하였다.
대상 데이터
- OLED 제작을 위한 기판은 면저항 10 Ω/□, 표면 평탄도 10 Å의 특성을 갖는 150 ㎚ 두께의 ITO (indium tin oxide) 양극전극과 크롬 (chromium, Cr) 보조 전극이 증착된 150 ㎜ × 150 ㎜ 크기의 유리 기판을 사용하였다.
- 7 ㎚) / Al (200 ㎚) 의 구조를 적용하였다. 금속판 부착에 의한 소자의 영향을 평가하기 위하여 완충층으로 Alq3와 LiF를 각각 150 ㎚ 증착한 후 Al 150 nm를 다층으로 증착하였다.
- 제작된 OLED는 금속판을 부착하는 방법에 의한 봉지를 위하여 완충층으로 유기물인 Alq3와 무기물인 LiF를 각각 150 ㎚ 두께로 형성한 후 보호막으로 150 ㎚ 두께의 Al 금속 박막을 다층으로 증착하였으며, 각 Al 금속 박막은 한 층을 증착한 후 30분의 대기 시간을 두고 증착하였다. 다층 Al 금속 박막 위에 접착 필름을 이용하여 금속판을 부착하였다. 이와 같이 제작된 OLED의 구조를 그림 1에 나타내었다.
이론/모형
- 제작된 OLED의 발광휘도, 전력 효율, 색좌표, 발광 스펙트럼 등을 측정하기 위해 Photo Research사의 PR-650 Spectrascan I-V-L 측정기를 사용하여 전기적 특성을 측정하였다. 또한 소자의 수명은 OLED 수명 측정 시스템 (JYS Co., Ltd.)을 사용하여 측정하였다. OLED의 수명은 항온항습기를 사용하여 30℃의 온도와 60%의 상대습도 분위기에서 초기 휘도를 1,000 cd/㎡로 설정하여 초기 휘도의 50%가 되는 시간을 측정하였다.
- OLED의 수명은 항온항습기를 사용하여 30℃의 온도와 60%의 상대습도 분위기에서 초기 휘도를 1,000 cd/㎡로 설정하여 초기 휘도의 50%가 되는 시간을 측정하였다. 방열성능 평가는 FLIR사의 E 60 열화상카메라를 사용하여 측정하였다.
성능/효과
- OLED 소자의 전류밀도, 휘도, 발광 효율 특성을 측정한 결과 보호막으로 사용한 Al 층의 수가 증가함에 따라 특성이 향상되어 OLED_B8_F_Metal의 경우 전류밀도 75.17 ㎃/㎠, 휘도 12,150 cd/㎡, 발광 효율 4.5 lm/W의 특성을 나타내었고, 발광스펙트럼과 CIE 좌표는 변화하지 않았다.
- 그림 2(b)는 인가전압에 따른 발광휘도를 나타낸 것으로 각각의 OLED에 대한 인가전압 12 V에서의 발광휘도는11,000 cd/㎡ (OLED), 5,125 cd/㎡ (OLED_B2_F_ Metal), 6,565 cd/㎡ (OLED_B4_F_Metal), 9,303 cd/㎡ (OLED_B6_F_Metal), 12,150 cd/㎡ (OLED_B8_F_ Metal)를 나타내었다. OLED의 발광휘도도 전류밀도와 마찬가지로 보호막으로 형성한 Al층의 두께가 증가할수록 증가하여 Al층의 두께가 1,200 ㎚일 때는 보호막을 형성하지 않은 OLED 보다 높은 휘도를 나타내었다. 전류 밀도와 유사하게 보호막으로 형성한 Al층의 두께가 충분치 않을 때는 금속판 부착 과정에서 OLED에 손상을 주게 되지만 Al 보호막이 두꺼워질수록 외부의 영향으로부터 소자를 안정적으로 보호하게 되어 OLED의 성능이 향상 되는 것으로 판단할 수 있다.
- 전류밀도의 감소는 금속판 부착 봉지 공정에서 OLED가 손상되어 전류밀도가 감소하게 된 결과이다. 그러나 Al의 두께가 900 ㎚ 이상으로 증가한 경우에는 봉지 공정을 수행하지 않은 OLED 보다 높은 전류밀도를 나타내었고, 전반적으로 Al의 두께가 증가할수록 전류 밀도는 증가하는 경향을 나타내었다. 이러한 결과는 Al 층의 두께가 증가함에 따라 OLED를 안정적으로 보호할 수 있어 전류밀도가 증가하게 되고 Al의 두께가 900 ㎚ 이상에서는 봉지하지 않은 OLED 보다 높은 전류밀도가 흐르게 되는 현상이 나타난다.
- 소자의 표면 온도를 측정한 결과 발광휘도가 낮은 경우에는 봉지재로 유리판과 금속판을 사용하는 경우 온도의 차이가 크기 않았으나 발광휘도가 증가할수록 온도 차이는 증가하여 금속판을 사용하는 경우 소자의 표면 온도가 낮음을 확인할 수 있었다. 따라서 고휘도를 요구하는 대면적 OLED 봉지재로 유리판보다 금속판을 사용하는 경우 금속판을 통한 방열에 의하여 소자의 안정성이 향상되는 결과를 확인하였다.
- 6℃를 나타내었다. 또한 발광휘도를 10,000 cd/㎡로 증가시킨 경우 금속판을 부착한 소자의 표면 온도는 91.3℃로 상승하였고, 유리판을 부착한 소자의 표면 온도는 106℃로 매우 높게 상승되었다. 발광휘도를 15,000 cd/㎡로 상승시킨 경우에는 유리판을 부착한 소자는 더 이상 발광하지 않았고, 금속판을 부착하는 소자의 경우에는 표면 온도가 120℃까지 상승하였으나 발광하고 있는 것을 알 수 있었다.
- 이 결과는 보호막으로 형성한 Al 의 두께에 비례하여 소자의 안정성이 향상되어 소자의 수명이 증가한 것이다. 또한 유리판을 부착한 OLED_B8_F_Glass 287시간 보다 금속판을 부착한 OLED_B8_F_Metal의 소자가 307시간으로 7% 개선된 수명을 나타내었다.
- 3℃로 상승하였고, 유리판을 부착한 소자의 표면 온도는 106℃로 매우 높게 상승되었다. 발광휘도를 15,000 cd/㎡로 상승시킨 경우에는 유리판을 부착한 소자는 더 이상 발광하지 않았고, 금속판을 부착하는 소자의 경우에는 표면 온도가 120℃까지 상승하였으나 발광하고 있는 것을 알 수 있었다. 이 결과는 접착재로 필름을 사용하고 금속판이나 유리판을 부착하는 경우 금속판의 열방출 능력이 유리판의 열방출 능력보다 우수하여 소자의 표면 온도를 낮게 유지할 수 있게 되고, 그 결과 소자의 안정성도 향상되는 것을 알 수 있다, 따라서 금속판을 부착하여 OLED를 봉지하기 위하여 안정된 보호막 형성이 필요할 뿐만 아니라 유리판 부착의 경우보다 좋은 열방출 효과로 인해 더 우수한 특성의 소자 제작이 가능함을 알 수 있었다.
- 보호막을 형성하지 않은 OLED 소자의 수명은 4시간이었으나 OLED_B2_F_Metal 117시간, OLED_B4_ F_Metal 189시간, OLED_B6_F_Metal 228시간, OLED_ B8_F_Metal 307시간으로 Al 두께 증가에 따라 수명이 증가하였고, 이 결과는 OLED_B8_F_Glass 287시간 보다 약 7% 증가하는 결과를 얻어 금속판을 부착한 경우가 유리판을 부착한 경우보다 우수한 수명을 얻었다. 소자의 표면 온도를 측정한 결과 발광휘도가 낮은 경우에는 봉지재로 유리판과 금속판을 사용하는 경우 온도의 차이가 크기 않았으나 발광휘도가 증가할수록 온도 차이는 증가하여 금속판을 사용하는 경우 소자의 표면 온도가 낮음을 확인할 수 있었다.
- 5 lm/W(OLED_B8_F_Glass)를 나타내었다. 봉지하지 않은 OLED의 전력발광 효율 2.7 lm/W와 비교하였을 때 보다 보호막으로 형성한 Al의 두께가 900 ㎚ 이상에서 향상된 특성을 나타내었고, 보호막으로 Al을 1,200㎚ 증착하고 금속판을 부착한 OLED의 발광 효율은 67% 향상된 결과를 얻었다. 이러한 결과는 보호막으로 형성된 Al의 두께가 증가하여 소자의 안정성이 증가되어 발광 효율이 개선된 것으로 판단된다.
- 보호막을 형성하지 않은 OLED 소자의 수명은 4시간이었으나 OLED_B2_F_Metal 117시간, OLED_B4_ F_Metal 189시간, OLED_B6_F_Metal 228시간, OLED_ B8_F_Metal 307시간으로 Al 두께 증가에 따라 수명이 증가하였고, 이 결과는 OLED_B8_F_Glass 287시간 보다 약 7% 증가하는 결과를 얻어 금속판을 부착한 경우가 유리판을 부착한 경우보다 우수한 수명을 얻었다. 소자의 표면 온도를 측정한 결과 발광휘도가 낮은 경우에는 봉지재로 유리판과 금속판을 사용하는 경우 온도의 차이가 크기 않았으나 발광휘도가 증가할수록 온도 차이는 증가하여 금속판을 사용하는 경우 소자의 표면 온도가 낮음을 확인할 수 있었다. 따라서 고휘도를 요구하는 대면적 OLED 봉지재로 유리판보다 금속판을 사용하는 경우 금속판을 통한 방열에 의하여 소자의 안정성이 향상되는 결과를 확인하였다.
- 소자의 수명은 기준 초기 휘도를 1,000cd/㎡로 설정한 후 상대습도 60%, 온도 30℃ 분위기에서 일정한 직류 전압을 인가하여 측정된 휘도가 초기 설정 휘도 값보다 50%가 되는, 즉 휘도가 500 cd/㎡에 도달하는 시간을 측정하였다. 실험 결과 소자의 수명 특성은 보호막을 형성하지 않은 OLED 소자의 경우 4시간, OLED_B2_F_Metal 117시간, OLED_B4_F_Meta189시간, OLED_B6_F_Metal 228시간, OLED_B8_F_Metal 307시간을 나타내었다. 이 결과는 보호막으로 형성한 Al 의 두께에 비례하여 소자의 안정성이 향상되어 소자의 수명이 증가한 것이다.
- 발광휘도를 15,000 cd/㎡로 상승시킨 경우에는 유리판을 부착한 소자는 더 이상 발광하지 않았고, 금속판을 부착하는 소자의 경우에는 표면 온도가 120℃까지 상승하였으나 발광하고 있는 것을 알 수 있었다. 이 결과는 접착재로 필름을 사용하고 금속판이나 유리판을 부착하는 경우 금속판의 열방출 능력이 유리판의 열방출 능력보다 우수하여 소자의 표면 온도를 낮게 유지할 수 있게 되고, 그 결과 소자의 안정성도 향상되는 것을 알 수 있다, 따라서 금속판을 부착하여 OLED를 봉지하기 위하여 안정된 보호막 형성이 필요할 뿐만 아니라 유리판 부착의 경우보다 좋은 열방출 효과로 인해 더 우수한 특성의 소자 제작이 가능함을 알 수 있었다.
- 봉지하지 않은 OLED나 보호막으로 사용한 Al 의 두께를 증가시켜도 Rubrene 발광은 오차 범위 안에서 유사하게 나타났다. 이러한 현상은 봉지 공정에서 보호층 증가와 봉지재로 금속판을 사용하는 경우 발광 스펙트럼에는 영향을 미치지 않는다는 점을 확인할 수 있었다.
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