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문제 정의
- 본 연구에서는 OLED를 이용하여 발광 효율과 색 안정성을 향상시키기 위하여 적색과 청색 형광 물질을 사용하여 2파장 방식의 백색 발광 적층 OLED를 제작하였다. 제작된 OLED의 전기적 광학적 특성을 분석하기 위하여 전류-전압-휘도(I-V-L), 발광 스펙트럼 및 CIE 1931 색좌표를 측정하여 적층 구조에 따른 특성을 분석하였다.
제안 방법
- 그림 8은 색보정과 발광효율 개선을 위하여 청색 소자와 청색이 강한 적색 / 청색 구조의 소자를 추가적으로 적층하여 제작한 3층 적층 구조 OLED를 나타낸 것이다. 2층 적층 구조에서 1,000 cd/m2일 때 FT2-1이 가장 백색에 가까운 발광을 하였으나 색 안정성 면에서는 FT2-3이 가장 안정한 특성을 보여주어 3층 적층 구조에서는 FT2-3의 구조를 기본으로 하고 추가적인 적층을 통하여 색보정을 하는 백색 발광 실험을 진행하였다. FT3-1 소자의 구조는 FT2-3 / Al (0.
- 001)로가장 우수한 색 안정성을 나타내었다. 2층 적층 소자에서 색안정성이 뛰어난 FT2-3을 기본 구조로 하여 청색층과 청색이 강한 백색 발광층 두가지의 발광층을 세 번째 층에 적층하여 3층 형광 백색 적층 OLED를 제작하였다. FT3-1은 500 ~ 3,000 cd/m2에서 (0.
- 면저항 10 Ω/□의 ITO (Indium Tin Oxide)가 증착된 유리 기판위에 열 기상증착 방법으로 1.0 ×10−6 torr 이하의 고진공에서 유기물은 1 Å/s, Liq는 0.5 Å/s, Al은 CGL 층의 경우 0.5 Å/s, 음극층의 경우 2 Å/s, MoOx는 0.5 Å/s의 증착속도로 유기물 및 금속 박막을 증착하여 OLED를 제작하였다.
- 본 연구에서는 백색을 발광하기 위하여 백색의 발광층을 변화시켜 최적의 발광층인 Alq3 : Rubrene(3 vol.% 5 nm)과 SH-1 : BD-2 (3 vol.% 25 nm)을기본 구조로 하여 2층 형광 백색 적층 OLED를 제작하였다. FT2-2는 (0.
- 소자 구조는 ITO / 2-TNATA (4,4,4-tris2-naphthylphenyl- amino -triphenylamine) / NPB (N,N′-bis-(1-naphyl)- N,N'- diphenyl-1,1'-biphenyl-4,4'-diamine) / EML / Bphen (4-7-diphenyl-1,10-phenanlhroline) / Liq / Al의 구조로 발광층(EML)의 구성을 변화시켰다.
- 적층 구조의 백색 발광 OLED를 제작하기 위하여 먼저 그림 1과 같이 4가지 구조를 가지는 단층 구조 백색 발광 OLED를 제작하였다. 소자 구조는 ITO / 2-TNATA (4,4,4-tris2-naphthylphenyl- amino -triphenylamine) / NPB (N,N′-bis-(1-naphyl)- N,N'- diphenyl-1,1'-biphenyl-4,4'-diamine) / EML / Bphen (4-7-diphenyl-1,10-phenanlhroline) / Liq / Al의 구조로 발광층(EML)의 구성을 변화시켰다.
- 제작된 OLED 소자를 발광시키기 위하여 양극인 ITO에 (+) 전압을 인가하고, 음극인 Al에 (−) 전압을 인가하는 전원 인가 장치로 Keithley 2400을 사용하여 전압과 전류를 인가하였고, 소자에서 발광된 휘도 및 발광 스펙트럼은 Photo Research사의 PR650 Spectrascan을 사용하여 측정하였다.
- 본 연구에서는 OLED를 이용하여 발광 효율과 색 안정성을 향상시키기 위하여 적색과 청색 형광 물질을 사용하여 2파장 방식의 백색 발광 적층 OLED를 제작하였다. 제작된 OLED의 전기적 광학적 특성을 분석하기 위하여 전류-전압-휘도(I-V-L), 발광 스펙트럼 및 CIE 1931 색좌표를 측정하여 적층 구조에 따른 특성을 분석하였다.
대상 데이터
- 소자 구조는 ITO / 2-TNATA (4,4,4-tris2-naphthylphenyl- amino -triphenylamine) / NPB (N,N′-bis-(1-naphyl)- N,N'- diphenyl-1,1'-biphenyl-4,4'-diamine) / EML / Bphen (4-7-diphenyl-1,10-phenanlhroline) / Liq / Al의 구조로 발광층(EML)의 구성을 변화시켰다. FS-1 소자의 발광층으로는 SH-1 : BD-2 (3 vol.% 20 nm) / Alq3 (Tris (8-hydroxyquinolinato)aluminium) : Rubrene (5,6,11,12-tetraphenyl-tetracene)(3 vol.% 10 nm), FS-2 소자의 발광층으로는 SH-1 : BD-2 (3 vol.% 25 nm) / Alq3 : Rubrene (3 vol.% 5 nm),FS-3소자의 발광층으로는 Alq3 : Rubrene (3 vol.% 10 nm) / SH-1 : BD-2 (3 vol.% 20 nm), FS-4 소자의 발광층으로는 Alq3 : Rubrene (3 vol.% 5 nm) / SH-1 : BD-2 (3 vol.% 25 nm) 구조로 소자를 제작하였다.
- 그림 2는 단일 구조 백색 발광 OLED의 FS-4 구조와 FS-2 구조를 적용하여 제작한 2층 적층 OLED 구조를 나타낸 것이다. FT2-1 소자의 구조는 FS-4 / Al (0.5 nm) / MoOx (9 nm) / FS-2 / Al (120 nm), FT2-2 소자의 구조는 FS-2 / Al (0.5 nm) / MoOx (9 nm) / FS-4 / Al (120nm), FT2-3 소자의 구조는 FS-4 / Al (0.5nm) / MoOx (9 nm) / FS-4 / Al (120 nm)로 제작하였다.
- 2층 적층 구조에서 1,000 cd/m2일 때 FT2-1이 가장 백색에 가까운 발광을 하였으나 색 안정성 면에서는 FT2-3이 가장 안정한 특성을 보여주어 3층 적층 구조에서는 FT2-3의 구조를 기본으로 하고 추가적인 적층을 통하여 색보정을 하는 백색 발광 실험을 진행하였다. FT3-1 소자의 구조는 FT2-3 / Al (0.5 nm) / MoOx (9 nm) / 2TNATA (60 nm) / NPB (30 nm) / SH-1 : BD-2 (3 vol.% 30 nm) / Bphen (40nm) / Liq (1 nm) / Al (120 nm), FT3-2소자의 구조는 FT2-3 / Liq (1 nm) / Al (0.5 nm) / MoOx (9 nm) / 2TNATA (60 nm) / NPB (30 nm) / Alq3 :Rubrene (3 vol.% 2 nm) / SH-1:BD-2 (3 vol.% 28 nm) / Bphen (40 nm) / Liq (1 nm) / Al (120 nm)로 제작하였다.
성능/효과
- 1) 이러한 추세에 따라 대표적인 신광원이라 할 수 있는 LED (Light Emitting Diode), OLED (Organic Light Emitting Diodes)와같은 반도체 조명의 개발이 확대되고 있고 미래 조명의 트랜드를 구현할 수 있는 광원이 바로 OLED일 것으로 전망되고 있다.2) OLED는 친환경 소재에 의하여 고효율의 광원을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 타 광원들과 달리 발열이 거의 없고 1~2 mm 두께의 매우 얇은 면광원 형태로 제작이 가능하며, 투명하거나 유연한 면광원으로도 제작이 가능하여 매우 높은 디자인 자유도를 제공할 수 있다. 또한, IT 기술과의 융합을 통하여 감성조명으로도 응용이 가능할 것으로 기대된다.
- 그림 10은 인가전압에 따른 전류 효율을 나타낸 것이다. 3층 적층 FT3-1, 2가 각각 24.2, 24.4 cd/A로 전류밀도, 휘도 그래프와 마찬가지로 적색 발광층을 더 적층한 FT3-2가 높게 나타났다. 적색 발광층이 앞쪽에 증착되어 있는 경우 전류 밀도, 휘도,전류 효율에서 높은 값들이 나타났다.
- 500 ~ 3,000 cd/m2까지 변화할 때 FT3-1, 2 소자는 각각 (0.293 ± 0.008, 0.36 ± 0.005), (0.412 ± 0.002, 0.423 ± 0.001)로 FT3-1, 2 모두 우수한 색 안정성을 나타내었다.
- 001)를 나타내었다. FT2-3소자의 CIE (x, y) 좌표 값의 변화가 (0.001, 0.001)의 이동을 보여 색 안정성이 우수함을 알 수 있었다. 또한 1,000 cd/m2에서의 색좌표는 FT2-1, 2,3의 경우 각각 (0.
- 각 적층 소자에 대한 EL 스펙트럼을 나타낸 것이다. FT3-1은 세 번째 발광층에 청색 발광층만 증착되어 있어 청색 발광 강도가강하게 나타나고 적색 발광 강도가 상대적으로 낮게 나타났다. 세 번째 발광층에 적색 발광층을 2 nm 증착한 FT3-2는 적색 발광 강도가 FT3-1과 비교하여 상대적으로 강하게 나타난 것을 확인할 수 있었다.
- FT3-2는 500 ~3,000 cd/m2에서 (0.412 ± 0.002, 0.423 ± 0.001)로 매우 안정된 색을 나타내었고, 1,000 cd/m2에서 (0.414, 0.424)로 색좌표의 이동이 거의 없는 백색을 나타내었다.
- 2층 적층에서 백색 발광을 한 FT2-2보다 3층 적층한 FT3-1, 2 소자가 백색 발광의 안정한 색을 나타내었다. 따라서 우리는 적층에 의해 색좌표의 제어가 가능하고 색 안정성이 뛰어난 OLED의 제작이 가능함을 알 수 있었다.
- 4 cd/A로 향상되었고, 우수한 색 안정성을 나타내었다. 따라서 적층에 의해 색좌표의 제어가 가능하고 색 안정성이 우수한 OLED의 제작이 가능함을 알 수 있었다.
- 표 2는 적층 구조에 의하여 제작된 백색 형광 적층 소자들의 특성을 정리한 것이다. 백색 발광을 하는 3층 적층 소자인 FT3-1, 2 소자가 최대 전류효율 24.2와 24.4 cd/A로 향상되었고, 우수한 색 안정성을 나타내었다. 따라서 적층에 의해 색좌표의 제어가 가능하고 색 안정성이 우수한 OLED의 제작이 가능함을 알 수 있었다.
- FT3-1은 세 번째 발광층에 청색 발광층만 증착되어 있어 청색 발광 강도가강하게 나타나고 적색 발광 강도가 상대적으로 낮게 나타났다. 세 번째 발광층에 적색 발광층을 2 nm 증착한 FT3-2는 적색 발광 강도가 FT3-1과 비교하여 상대적으로 강하게 나타난 것을 확인할 수 있었다.
- 그림 5는 OLED 제작에 사용된 물질들의 에너지 준위를 나타낸 것이다. 에너지 준위에서 적색 형광 모체인 Alq3가 5.8 eV로 청색 형광모체의 HOMO 준위인 5.83 보다 HOMO 준위가 낮아 적색 발광층이 양극 전극 쪽에 위치할 때 에너지 장벽을 낮추는 역할을 하여 이송자 주입이 더 용이하게 되어 전류밀도가 증가할 것으로 판단된다.9) 따라서 그림 3과 4의 결과에서 FT2-3의 전류밀도, 발광휘도, 발광효율이 가장 우수한 특성을 나타내는 것은 에너지 준위에 따른 영향으로 설명될 수 있다.
- 4 cd/A로 전류밀도, 휘도 그래프와 마찬가지로 적색 발광층을 더 적층한 FT3-2가 높게 나타났다. 적색 발광층이 앞쪽에 증착되어 있는 경우 전류 밀도, 휘도,전류 효율에서 높은 값들이 나타났다. 그러나 3층 적층의 경우 앞쪽에 증착된 적색 발광층이 2 nm로 얇게 증착이 되어 있어 청색 발광층이 증착되어 있는 소자와 비교하여 많은 특성 차이를 나타내지는 않았다.
- 표 1은 그림 1의 4가지 형태의 구조로 제작한 백색 형광 OLED의 발광 특성을 정리한 것이다. 전류 발광 효율은 적색 발광층이 양극 전극 쪽에 적층된 FS-3, 4가 청색 발광층이 양극 전극 쪽에 적층된 FS-1, 2보다 높게 나타났고 색좌표도 x, y 좌표 모두 증가하였다. 이 현상은 적색 발광층이 양극 전극 쪽에 위치하면 상층부에서 발광한 청색 빛의 일부를 적색 활성제가 흡수하여 적색 발광이 증가하여 FS-1, 2에 비하여 FS-3, 4 소자가 상대적으로 청색 발광의 세기가 감소하고 적색 발광의 세기가 증가된 백색 발광을 하게 되고 500 ~ 3,000 cd/m2의 휘도범위에서 색 안정성도 향상되는 것으로 설명할 수 있다.
- 그림 3은 2층 적층 OLED의 인가전압에 따른 전류밀도와 휘도를 나타낸 것이다. 첫 번째 발광층의 적색 발광층이 뒤쪽에 적층되어 있는 FT2-2 소자가 가장 낮은 전류밀도와 휘도를 나타내었고, 두 개의 발광층에서 모두 적색 발광층이 앞쪽에 적층되어 있는 FT2-3 소자가 가장 높은 전류밀도와 휘도를 나타내었다.
후속연구
- 2) OLED는 친환경 소재에 의하여 고효율의 광원을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 타 광원들과 달리 발열이 거의 없고 1~2 mm 두께의 매우 얇은 면광원 형태로 제작이 가능하며, 투명하거나 유연한 면광원으로도 제작이 가능하여 매우 높은 디자인 자유도를 제공할 수 있다. 또한, IT 기술과의 융합을 통하여 감성조명으로도 응용이 가능할 것으로 기대된다.3-6) OLED의 발광휘도 및 수명을 향상시킬 수 있는 방법으로 적층구조 OLED가 많은 관심을 받고 있고, 색 안정성 향상을 위한 연구가 필요하다.
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