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문제 정의
- 본 연구에서는 AC/DC 변환기 없이 교류전원에 직접 연결하여 동작하는 OLED를 구현하기 위하여 형광 OLED를 제작하고, 제작된 OLED에 교류 전원과 직류 전원을 연결하여 OLED를 구동하였다. 교류 전원과 직류 전원을 인가하여 구동한 OLED의 특성을 비교 분석하기 위하여 전류-전압-휘도 (I-V-L), 발광효율, 발광 스펙트럼 및 색 좌표를 측정하였다.
제안 방법
- 전압은 전류측정 장치를 경유하는 과정에서 발생하는 전압 손실로 인한 오차를 최소화하기 위하여 OLED 부하 단에 디지털 멀티미터 (Hioki, 3280-10)를 직접 연결하여 측정하였다. OLED 소자에 인가되는 교류 전압 파형 및 피크 전압은 디지털 오실로스코프 (Agilent, DSO-X-2012A)를 부하 단에 연결하여 측정하였다.
- OLED를 AC/DC 변환기 없이 교류전원에 직접 연결하여 동작하는 OLED를 구현하기 위하여 형광 OLED를 제작하고, 제작된 OLED에 교류 전원과 직류 전원을 연결하여 OLED의 특성을 비교하였다.
- OLED를 제작하기 위하여 면저항 10 Ω/□의 ITO (indium tin oxide)가 증착된 유리 기판을 사용하여 1.0 × 10-6 torr 이하의 고진공에서 열 기상증착 방식을 사용하여 유기물 1.5 Å/s, LiF 0.5 Å/s, Al 2 Å /s의 증착 속도로 유기물 및 금속 박막을 증착하였다.
- 교류전원 인가 시 과전압 인가에 따른 OLED의 손상을 방지하기 위하여 OLED의 한쪽 단에 스위치를 달아 입력 전압을 디지털 멀티미터 (Hioki, 3280-10)로 측정하여 조정한 후에 전원을 인가하였다. OLED에 인가되는 교류 전류를 측정하기 위하여 교류 전류 측정이 가능한 디지털 멀티미터 (Yokogawa, TY520)를 전원 공급 장치와 OLED 사이에 직렬로 연결하였고. 전압은 전류측정 장치를 경유하는 과정에서 발생하는 전압 손실로 인한 오차를 최소화하기 위하여 OLED 부하 단에 디지털 멀티미터 (Hioki, 3280-10)를 직접 연결하여 측정하였다.
- 본 연구에서는 AC/DC 변환기 없이 교류전원에 직접 연결하여 동작하는 OLED를 구현하기 위하여 형광 OLED를 제작하고, 제작된 OLED에 교류 전원과 직류 전원을 연결하여 OLED를 구동하였다. 교류 전원과 직류 전원을 인가하여 구동한 OLED의 특성을 비교 분석하기 위하여 전류-전압-휘도 (I-V-L), 발광효율, 발광 스펙트럼 및 색 좌표를 측정하였다.
- 5 V씩 단계적으로 증가시켜가며 전압을 인가하였다. 교류전원 인가 시 과전압 인가에 따른 OLED의 손상을 방지하기 위하여 OLED의 한쪽 단에 스위치를 달아 입력 전압을 디지털 멀티미터 (Hioki, 3280-10)로 측정하여 조정한 후에 전원을 인가하였다. OLED에 인가되는 교류 전류를 측정하기 위하여 교류 전류 측정이 가능한 디지털 멀티미터 (Yokogawa, TY520)를 전원 공급 장치와 OLED 사이에 직렬로 연결하였고.
- OLED에 인가되는 교류 전류를 측정하기 위하여 교류 전류 측정이 가능한 디지털 멀티미터 (Yokogawa, TY520)를 전원 공급 장치와 OLED 사이에 직렬로 연결하였고. 전압은 전류측정 장치를 경유하는 과정에서 발생하는 전압 손실로 인한 오차를 최소화하기 위하여 OLED 부하 단에 디지털 멀티미터 (Hioki, 3280-10)를 직접 연결하여 측정하였다. OLED 소자에 인가되는 교류 전압 파형 및 피크 전압은 디지털 오실로스코프 (Agilent, DSO-X-2012A)를 부하 단에 연결하여 측정하였다.
- 직류 구동 방식과 교류 구동 방식의 OLED 휘도, 발광 스펙트럼은 Photo Research사의 PR-650 Spectrascan을 사용하여 측정하였다.
대상 데이터
- 소자 구조는 ITO / 2-TNATA (4,4,4-tris2-naphthylphenyl-aminotriphenylamine) / NPB (N,N′-bis-(1-naphyl)-N,N'-diphenyl-1,1'- biphenyl-4,4'-diamine) / Alq3 (tris(quinolin-8-olato) aluminum) : 1 vol.% Rubrene (5,6,11,12- tetraphenylnaphthacene) / Alq3 / LiF / Al으로 구성하여 형광 OLED를 제작하였다.
성능/효과
- 그림 5는 직류구동과 교류구동 OLED의 발광휘도를 나타낸 것이다. 그림 5(a)에서 인가전압 6 V 이하에서는 교류구동 OLED의 발광휘도가 직류구동 OLED보다 높은 값을 나타내었으나, 보다 높은 인가전압에서는 낮은 발광휘도를 나타내었다. 그림 5(b)의 전류밀도에 대하여는 낮은 전류밀도에서는 직류구동과 교류구동 OLED의 발광휘도가 유사한 값을 나타내었으나, 50 ㎃/㎠ 이상의 전류밀도에서 교류구동 OLED의 휘도가 감소하는 현상이 나타났다.
- 그림 5(a)에서 인가전압 6 V 이하에서는 교류구동 OLED의 발광휘도가 직류구동 OLED보다 높은 값을 나타내었으나, 보다 높은 인가전압에서는 낮은 발광휘도를 나타내었다. 그림 5(b)의 전류밀도에 대하여는 낮은 전류밀도에서는 직류구동과 교류구동 OLED의 발광휘도가 유사한 값을 나타내었으나, 50 ㎃/㎠ 이상의 전류밀도에서 교류구동 OLED의 휘도가 감소하는 현상이 나타났다.
- 110 V로 구동되는 각각의 OLED 소자에 걸리는 전압과 휘도를 측정하여 표 3에 나타내었다. 각 소자에 인가되는 평균전압은 9.17 V, 평균휘도는 1,175 cd/㎡로 이에 대한 균일도는 각각 99.0%, 94.4%의 우수한 특성을 나타내었다, 이상의 결과로부터 OLED의 경우에서도 교류전원 구동방식에 의한 구동 가능성을 확인하였다.
- 그림 6은 직류구동과 교류구동 OLED의 전류발광효율과 전력발광효율을 나타낸 것이다. 교류구동 OLED는 최대 8.2 cd/A, 8.3 lm/W의 발광효율을 나타내어 직류구동 OLED의 7.3 cd/A와 5.3 lm/W에 비해 각각 12.1%, 55.4%의 효율이 개선된 결과를 나타내었다. 이러한 현상은 저전압에서 최대 피크 전압에 의한 개선에 의한 것으로 설명할 수 있다.
- OLED 소자구조에서 전자 수송층의 발광이 전압상승에 따라 점차적으로 커짐을 확인할 수 있다 [4,5]. 그 결과, 색 좌표도 인가전압이 증가함에 따라 점차 녹색 영역으로 이동하였다. 발광스펙트럼 및 색 좌표의 이동은 형광 OLED의 에너지띠 구조로 설명할 수 있다.
- 따라서 교류구동 OLED의 최대피크전압은 저전압 저전류, 저휘도 영역에서는 발광효율 개선에 유리하게 작용하였다. 그러나 고전압, 고전류, 고휘도 영역에서는 직류구동 OLED가 보다 우수한 특성을 나타내었다.
- 이러한 현상은 저전압에서 최대 피크 전압에 의한 개선에 의한 것으로 설명할 수 있다. 그러나 인가전압이 증가함에 따라 교류 구동에 의한 효율의 증가는 줄어들어 10 V 이상의 고전압에서는 역전되는 현상이 나타났다. 10 V 이상의 인가전압에서 교류 구동의 휘도와 효율이 감소하는 현상은 직류구동 보다 상대적으로 #배 높은 최대 피크 전압으로 운송자의 과잉 주입을 유발하여 발생하는 roll-off 현상에 의한 특성 저하로 설명할 수 있다.
- 이러한 현상은 저전압에서 최대 피크 전압에 의한 개선에 의한 것으로 설명할 수 있다. 그러나 인가전압이 증가함에 따라 교류 구동에 의한 효율의 증가는 줄어들어 10 V 이상의 고전압에서는 역전되는 현상이 나타났다. 10 V 이상의 인가전압에서 교류 구동의 휘도와 효율이 감소하는 현상은 직류구동 보다 상대적으로 #배 높은 최대 피크 전압으로 운송자의 과잉 주입을 유발하여 발생하는 roll-off 현상에 의한 특성 저하로 설명할 수 있다.
- 그림 7은 직류구동과 교류구동 방식 OLED의 전압에 따른 발광스펙트럼 변화를 나타낸 것이다. 두 OLED 소자 모두 전압 증가에 따라 520 ㎚ 피크 대역의 발광기여도가 증가함을 알 수 있다. 해당 녹색영역의 발광은 Alq3에 의한 발광이다.
- 10 V 이상의 인가전압에서 교류 구동의 휘도와 효율이 감소하는 현상은 직류구동 보다 상대적으로 #배 높은 최대 피크 전압으로 운송자의 과잉 주입을 유발하여 발생하는 roll-off 현상에 의한 특성 저하로 설명할 수 있다. 따라서 교류구동 OLED의 최대피크전압은 저전압 저전류, 저휘도 영역에서는 발광효율 개선에 유리하게 작용하였다. 그러나 고전압, 고전류, 고휘도 영역에서는 직류구동 OLED가 보다 우수한 특성을 나타내었다.
- 실험 결과에서는 6.1 ∼ 6.2 V 구간에서 직류구동과 교류구동 OLED의 전류밀도가 거의 같아져 이를 기준으로 낮은 전압 구간에서는 최대 피크전압의 영향이 지배적인 구간이고, 높은 전압구간은 비발광 구간의 영향이 지배적인 구간으로 구분할 수 있다.
- 그림 4는 직류구동과 교류구동 OLED의 전압-전류 특성을 나타낸 것이다. 인가전압 6 V 이하 구간에서의 전류밀도는 교류구동 OLED가 더 높은 전류 밀도를 나타내었으나 인가전압 6 V 초과 구간에서는 직류구동 OLED가 더 높은 전류 밀도를 나타내었다. 이 결과에서부터 4차 다항함수의 적합식 (fitting function)인 식 (2)와 식 (3)을 유추하였다.
- 전류발광효율과 전력발광효율은 교류구동 OLED에서 최대 8.2 cd/A, 8.3 lm/W의 발광효율을 나타내어 각각 12.1%, 55.4%의 효율이 개선된 결과를 나타내었다. 그러나 인가전압이 증가함에 따라 교류구동에 의한 효율의 증가는 줄어들어 10 V 이상의 고전압에서는 역전되는 현상이 나타났다.
- 전압-전류 특성은 인가전압 6 V 이하 구간에서의 전류밀도는 교류구동 OLED가 더 높은 전류 밀도를 나타내었으나 인가전압 6 V 초과 구간에서는 직류구동 OLED가 더 높은 전류 밀도를 나타내었다. 이 현상은 저전압 구간에서 교류 전원의 첨두치 전압이 교류구동 OLED의 비발광 영역에 의한 전류밀도 특성을 충분히 보상해 주지만, 전압 상승에 따라 첨두치 전압에 의한 전류밀도 보상이 점차 낮아지게 되어 일정 전압 이상에서는 비발광 영역에 의한 영향이 커지게 되어 나타난 결과이다.
- 이 현상은 저전압 구간에서 교류 전원의 첨두치 전압이 교류구동 OLED의 비발광 영역에 의한 전류밀도 특성을 충분히 보상해 주지만, 전압 상승에 따라 첨두치 전압에 의한 전류밀도 보상이 점차 낮아지게 되어 일정 전압 이상에서는 비발광 영역에 의한 영향이 커지게 되어 나타난 결과이다. 직류구동과 교류구동 OLED의 발광휘도는 인가전압 전류 밀도와 유사하게 6 V 이하에서는 교류구동 OLED의 발광휘도가 직류구동 OLED보다 높은 값을 나타내었으나, 6 V 초과 인가전압에서는 낮은 발광휘도를 나타내었다.
- 총 12개의 OLED 소자를 직렬로 연결하여 110 V의 교류전원을 인가하여 점등시킨 결과 각 소자에 걸리는 평균전압은 9.17 V, 평균휘도는 1,175 cd/㎡, 균일도는 각각 99.0%, 94.4%의 우수한 특성을 나타내었다, 이상의 결과로부터 OLED의 경우에서도 교류전원 에 의한 구동 가능성을 확인하였다.
후속연구
- LED 조명의 경우 LED 소자를 직렬로 배열하는 방법으로 AC / DC 변환기 없이 교류전원에서 구동하는 연구들이 진행되고 있다 [2]. OLED 조명에서도 AC / DC 변환기 없이 교류전원에 직접 연결하는 방법으로 구동이 가능한 OLED 소자를 제작할 수 있다면 OLED 조명의 구동부가 단순해져 제조단가를 낮출 수 있고, 전원 공급 장치가 소비하는 전력만큼 전력절감이 가능하며, OLED 조명의 최대 장점인 디자인 자유도를 극대화할 수 있을 것이다.
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