[논문]교류 음 전압에 따른 형광 OLED의 전계 발광 특성

서정현; 양재웅; 백경갑; 주성후

doi:10.5695/jkise.2019.52.2.72

[국내논문] 교류 음 전압에 따른 형광 OLED의 전계 발광 특성
Electroluminescent Characteristics of Fluorescent OLED with Alternating Current Negative Voltage 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.52 no.2, 2019년, pp.72 - 77

서정현 (대진대학교 신소재공학과) , 양재웅 (대진대학교 신소재공학과) , 백경갑 (대진대학교 전자공학과) , 주성후 (대진대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

To study the characteristics of AC driven OLED, we fabricated the fluorescent OLEDs and analyzed the electroluminescence characteristics of OLEDs with AC negative voltage. The luminance and the current density of the OLED decreased, and the number and size of the dark spots increased in proportion to the duration time and level of the applied AC negative voltage. The current efficiency of the OLED was improved when high AC negative voltage was applied within a short time. When the AC negative voltage of 10 V was applied for 1 minute, the efficiency was improved by 12.4%. Also, the degradation of luminance and current efficiency due to the duration of light emission was improved in the case of OLED applied for 1 minute with 10 V AC negative voltage. These are expected as a result of the improvement of the leakage current characteristics by eliminating the short-circuit region formed by the defect of the OLED at the AC negative high voltage. As a result, the continuous application of AC negative voltage reduced the luminance and the current density of OLED, but the temporary application of AC negative voltage with the proper time and voltage could improve the efficiency and lifetime of OLED.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Structure of fluorescent OLED.
그림 Fig. 2. AC negative voltage supply circuit board for OLED (a) schematic diagram, (b) board image.
그림 Fig. 3. Current density and luminance of OLED with AC negative voltage application time
그림 Fig. 4. Light emitting image of OLED with AC negative voltage application time.
그림 Fig. 5. Current efficiency of OLED with AC negative voltage application time.
그림 Fig. 6. Characteristics of OLED with reverse aging. (a) luminance, (b) current efficiency.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 적색 형광 OLED를 열 기상 증착법으로 제작하여 교류전원의 음 전압(negative voltage) 성분이 OLED의 전계발광 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 정류회로를 이용하여 양 전압 성분을 제거한 다양한 전압의 교류 음전압을 OLED에 인가하여 시간에 따른 전압밀도, 발광휘도, 전류발광효율의 변화를 측정하였다.

제안 방법

그림 2(a)는 교류 음전압 인가를 위한 전원 공급 장치의 회로도이며, 그림 2(b)는 실제 실험에 사용한 교류 음전압 인가 장치의 사진이다. OLED에 전원 공급을 위한 단자는 총 4개 채널로 구성되며, 입력 전원 공급원인 변압기에 정류 다이오드를 연결하여 양 전압 성분을 제거한 교류 음전압 만이 출력되도록 하였다. 각각의 채널은 출력 단에 병렬로 구성된 가변 저항을 이용하여 6, 8, 10, 12 V로 출력 교류 음전압을 조절하였다.
그림 3(a)는 교류 음전압의 인가 시간에 따른 OLED의 전류밀도를 나타낸 것이고, 그림 3(b)는 교류 음전압의 인가 시간에 따른 OLED의 발광휘도를 나타낸 것이다. OLED의 경우 정류특성에 의해 교류 음전압이 인가된 상태에서는 발광하지 않으므로, OLED에 교류 음 전압을 일정 시간 동안 인가한 후 전류-전압-휘도의 측정을 위하여 음 전압인가를 중단한 상태에서 (+) 4.5 V의 직류전원을 OLED에 인가하여 전류-전압-휘도를 측정하였다. 모든 소자에서 음 전압을 인가한 시간이 경과함에 따라 전류밀도 및 발광휘도는 감소하는 결과를 나타내었다.
OLED에 전원 공급을 위한 단자는 총 4개 채널로 구성되며, 입력 전원 공급원인 변압기에 정류 다이오드를 연결하여 양 전압 성분을 제거한 교류 음전압 만이 출력되도록 하였다. 각각의 채널은 출력 단에 병렬로 구성된 가변 저항을 이용하여 6, 8, 10, 12 V로 출력 교류 음전압을 조절하였다. 교류 전원의 과전압방지를 위하여 전원 공급원으로 사용한 변압기의 출력 양단에 바리스터(varistor)를 병렬로 연결하였다.
교류 음 전압 성분이 OLED의 전계 발광특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 다양한 전압의 교류 음 전압을 OLED에 인가하여 시간에 따른 전계발광 특성을 비교하였다. 일정 전압 이상의 교류 음전압이 지속적으로 인가될 경우 OLED의 발광휘도 및 전류밀도를 감소시키고, 인가된 교류 음 전압의 지속시간 및 전압레벨에 비례하여 흑점의 개수와 크기가 증가하였다.
각각의 채널은 출력 단에 병렬로 구성된 가변 저항을 이용하여 6, 8, 10, 12 V로 출력 교류 음전압을 조절하였다. 교류 전원의 과전압방지를 위하여 전원 공급원으로 사용한 변압기의 출력 양단에 바리스터(varistor)를 병렬로 연결하였다. 이때 출력되는 교류 음 전압의 파형과 전압은 디지털 오실로스코프(Agilent DSI-X2013)와 디지털멀티미터(Hioki, 3280-10)를 사용하여 확인한 후에 OLED에 인가하였다.
그림 4는 교류 음 전압 인가 시간에 따른 OLED의 발광 형상의 변화를 나타낸 것이다. 발광 형상은 교류 음 전압을 일정 시간 동안 인가한 후 발광형상의 촬영을 위하여 음 전압 인가를 중단한 상태에서 (+) 4.5 V의 직류전원을 OLED에 인가하여 사진을 촬영하였다. OLED에 인가한 교류 음 전압이 6 V에서는 교류 음 전압을 인가하지 않은 0 V 발광 사진과 비교하여 큰 변화가 생기지 않았으나, OLED에 인가한 교류 음 전압이 8 V 이상으로 상승함에 따라 전압 상승에 비례하여 흑점(dark spot)의 개수와 크기가 증가하는 결과를 나타내었다.
본 연구에서는 적색 형광 OLED를 열 기상 증착법으로 제작하여 교류전원의 음 전압(negative voltage) 성분이 OLED의 전계발광 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 정류회로를 이용하여 양 전압 성분을 제거한 다양한 전압의 교류 음전압을 OLED에 인가하여 시간에 따른 전압밀도, 발광휘도, 전류발광효율의 변화를 측정하였다.

대상 데이터

OLED는 ITO (Indium Tin Oxide), 100 nm / 2-TNATA(4,4,4-tris2-naphthylphenyl-aminotriphenylamine), 60 nm / NPB (N,N′-bis-(1-naphyl)-N,N'-diphenyl-1,1'- biphenyl-4,4'-diamine), 30 nm / Alq₃ (tris(quinolin-8-olato) aluminum) : 1 vol.% Rubrene (5,6,11,12-tetraphenylnaphthacene), 30 nm / Alq₃, 30 nm / LiF, 1 nm / Al, 100 nm 구조로 제작하였다. 소자 제작에 사용한 기판은 10 Ω/□의 면 저항을 갖는 ITO가 증착된 유리 기판을 이용하였다.
소자 제작에 사용한 기판은 10 Ω/□의 면 저항을 갖는 ITO가 증착된 유리 기판을 이용하였다.

이론/모형

이때 출력되는 교류 음 전압의 파형과 전압은 디지털 오실로스코프(Agilent DSI-X2013)와 디지털멀티미터(Hioki, 3280-10)를 사용하여 확인한 후에 OLED에 인가하였다. 교류 음 전압 인가 시간에 따른 OLED의 전계발광 특성 변화는 전류-전압-휘도 측정 시스템을 사용하여 측정하였다[5-6].

성능/효과

65 cd/A이다. 8.5 V의 순방향 직류전원을 인가한 시간이 922 분 경과한 후 발광휘도 및 전류발광효율은 D1의 경우 558 cd/m², 5.66 cd/A로 초기 특성 대비 휘도는 54.2%, 전류발광효율은 92% 수준으로 감소하였다. D2는 초기 발광 특성과 비교하여 922분이 경과한 후 발광휘도는 539 cd/m², 전류발광효율은 5.
5 V의 직류전원을 인가한 OLED의 휘도(L₉₂₂)를 감소율(decreasing ratio, (L₉₂₂/L₀) × 100%)로 나타낸것 것이다. 922분 동안 교류 음 전압을 인가한 OLED의 전류밀도는 인가한 교류 음 전압이 0, 6, 8, 10, 12 V에서 각각 5.6, 6.7, 16.7, 24.5, 40.8% 감소하였고, 발광휘도는 인가한 교류 음 전압이 0, 6, 8, 10, 12 V에서 각각 3.7 5.0, 10.4, 22.3, 40.27% 감소하였다. 6 V의 교류 음 전압을 인가한 OLED는 교류 음 전압을 인가하지 않은 0 V의 OLED와 비교하여 전류밀도와 발광휘도의 감소가 크지 않았다.
4%로 감소하였다. D3은 초기 발광 특성과 비교하여 922분이 경과한 후 발광휘도와 전류발광효율은 448 cd/m², 4.81 cd/A로 초기 특성 대비 발광휘도는 43%, 전류발광효율은 85.1% 수준으로 감소하였다. 10 V의 교류 음 전압을 1 분 동안 인가한 D1의 경우 교류음 전압을 인가하지 않은 D3보다 발광휘도와 전류발광효율이 11.
OLED를 60 Hz의 교류 전원에서 구동할 경우 직류 구동 OLED 보다 낮은 전압에서 발광이 시작되고, 낮은 전압 영역에서 직류 구동보다 우수한 효율을 나타내는 결과를 보여주었다. 또한 여러 개의 OLED를 직렬로 연결하여 상용 교류전원에서 직결로 OLED 구동이 가능함을 확인한 바가 있다[5].
5 V의 직류전원을 OLED에 인가하여 사진을 촬영하였다. OLED에 인가한 교류 음 전압이 6 V에서는 교류 음 전압을 인가하지 않은 0 V 발광 사진과 비교하여 큰 변화가 생기지 않았으나, OLED에 인가한 교류 음 전압이 8 V 이상으로 상승함에 따라 전압 상승에 비례하여 흑점(dark spot)의 개수와 크기가 증가하는 결과를 나타내었다. OLED의 흑점은 소자에 형성된 핀홀(pin-hole)이나 함몰(shrinkage)과 같은 구조 결함에 수분과 산소가 침투하거나 결함 위치에 전하 쏠림 현상으로 나타날 수 있다[7-8].
일정 전압 이상의 교류 음전압이 지속적으로 인가될 경우 OLED의 발광휘도 및 전류밀도를 감소시키고, 인가된 교류 음 전압의 지속시간 및 전압레벨에 비례하여 흑점의 개수와 크기가 증가하였다. OLED의 전류발광효율은 적절한 교류 음 전압을 짧은 시간에 인가할 경우 개선되는 효과를 얻을 수 있었다. 전류발광효율이 가장 우수한 조건은 10 V의 교류 음 전압을 1 분 동안 인가한 조건에서 나타났으며, 전류발광효율이 12.
6% 더 감소한 결과를 나타냈다. 결과적으로 교류 음 전압을 지속적으로 인가할 경우 OLED 구동 시 시간에 따른 휘도 및 효율 감소를 가속 시킬 수 있으나, 적절한 교류 음 전압의 인가에 의해서 OLED 구동 시 발광시간에 따른 휘도 및 효율 감소를 완화시킬 수 있음을 알 수 있다.
그러나 교류 음 전압을 지속적으로 인가할 경우 OLED의 전계발광특성 저하를 가속 시킬 수 있음도 확인하였다. 결론적으로 OLED에 교류 음 전압을 지속적으로 인가할 경우 OLED의 발광휘도 및 전류밀도를 감소시킬 수 있으나, 절절한 시간과 전압의 교류 음전압을 OLED에 인가할 경우 OLED의 발광효율 및 수명을 개선시킬 수 있다.
이러한 결과는 OLED의 결함으로 인해 미세하게 형성된 단락영역(short area)을 충분히 높은 교류 음전압이 끊어주어 전원인가 시 발생하는 누설전류특성을 개선하는 리버스 에이징(reverse aging) 효과에 의한 결과로 예상된다[9-11]. 교류 음 전압을 OLED에 인가 한 후 전류발광효율이 최대로 개선된 지점은 교류 음 전압이 8V인 경우에는 7 분 동안 인가한 경우에 11.7% 증가한 결과를 나타내었고, 교류 음 전압이 10 V인 경우에는 1 분 동안 인가한 경우에 12.4% 증가하였으며, 12 V인 경우에는 1분 동안 인가한 경우에 9.1% 증가한 전류발광효율을 나타내었다. 따라서 10 V의 교류 음 전압을 1 분 동안 인가한 OLED에서 전류발광효율이 가장 많이 개선된 결과를 나타내었다.
6 V의 교류 음 전압을 인가한 OLED는 교류 음 전압을 인가하지 않은 0 V의 OLED와 비교하여 전류밀도와 발광휘도의 감소가 크지 않았다. 그러나 OLED에 인가한 교류 음 전압의 증가에 의하여 음 전압을 인가한 시간이 경과함에 따라 음 전압의 증가에 비례하여 전류밀도 및 발광휘도가 크게 감소하는 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 충분히 높은 교류 음 전압이 OLED에 지속적으로 인가될 경우 소자가 발광하지 않은 상태에서도 소자의 전류밀도 및 발광휘도의 감소를 유발하는 원인이 됨을 보여주는 결과이다.
1% 증가한 전류발광효율을 나타내었다. 따라서 10 V의 교류 음 전압을 1 분 동안 인가한 OLED에서 전류발광효율이 가장 많이 개선된 결과를 나타내었다. 또한 교류 음전압의 인가전압이 상승함에 따라 OLED의 전류발광효율이 최댓값에 도달하는 시간은 짧아지며, 최대 전류발광효율에 도달한 지점에서 교류 음 전압을 지속적으로 인가할 경우 전류발광효율은 조금씩 감소하는 결과를 나타내었다.
따라서 10 V의 교류 음 전압을 1 분 동안 인가한 OLED에서 전류발광효율이 가장 많이 개선된 결과를 나타내었다. 또한 교류 음전압의 인가전압이 상승함에 따라 OLED의 전류발광효율이 최댓값에 도달하는 시간은 짧아지며, 최대 전류발광효율에 도달한 지점에서 교류 음 전압을 지속적으로 인가할 경우 전류발광효율은 조금씩 감소하는 결과를 나타내었다. 그림 4와 그림 5에서 오랜 시간동안 교류 음 전압을 인가할 경우에는 비발광 영역을 발생시켜 발광휘도와 전류발광효율을 감소시키나 적절한 시간동안 교류 음 전압을 인가할 경우 전류발광효율을 개선하는 효과가 있음을 알 수 있다.
5 V의 직류전원을 OLED에 인가하여 전류-전압-휘도를 측정하였다. 모든 소자에서 음 전압을 인가한 시간이 경과함에 따라 전류밀도 및 발광휘도는 감소하는 결과를 나타내었다. 그림 3(a)의 내부에 삽입된 그래프는 OLED를 제작한 직후 (+) 4.
그러나 OLED에 인가한 교류 음 전압의 증가에 의하여 음 전압을 인가한 시간이 경과함에 따라 음 전압의 증가에 비례하여 전류밀도 및 발광휘도가 크게 감소하는 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 충분히 높은 교류 음 전압이 OLED에 지속적으로 인가될 경우 소자가 발광하지 않은 상태에서도 소자의 전류밀도 및 발광휘도의 감소를 유발하는 원인이 됨을 보여주는 결과이다.
교류 음 전압 성분이 OLED의 전계 발광특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 다양한 전압의 교류 음 전압을 OLED에 인가하여 시간에 따른 전계발광 특성을 비교하였다. 일정 전압 이상의 교류 음전압이 지속적으로 인가될 경우 OLED의 발광휘도 및 전류밀도를 감소시키고, 인가된 교류 음 전압의 지속시간 및 전압레벨에 비례하여 흑점의 개수와 크기가 증가하였다. OLED의 전류발광효율은 적절한 교류 음 전압을 짧은 시간에 인가할 경우 개선되는 효과를 얻을 수 있었다.
OLED의 전류발광효율은 적절한 교류 음 전압을 짧은 시간에 인가할 경우 개선되는 효과를 얻을 수 있었다. 전류발광효율이 가장 우수한 조건은 10 V의 교류 음 전압을 1 분 동안 인가한 조건에서 나타났으며, 전류발광효율이 12.4% 개선되었다. 이러한 결과는 OLED의 결함으로 인해 미세하게 형성된 단락영역을 높은 전압의 교류음 전압이 끊어주어 전원인가 시 발생하는 누설전류를 개선함에 따른 결과로 판단된다.
10 V의 교류 음전압을 1분간 인가한 OLED의 경우 발광 지속시간에 따른 OLED의 발광휘도 및 전류발광효율저하가 완화되는 결과를 나타내었다. 즉, 적절한 시간과 전압의 교류 음 전압을 인가하면 발광효율을 개선하는 역할 뿐만 아니라 OLED 구동 시 수명도 개선할 수 있음을 알 수 있다. 그러나 교류 음 전압을 지속적으로 인가할 경우 OLED의 전계발광특성 저하를 가속 시킬 수 있음도 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다층구조 녹색 형광 유기 전계 발광 소자가 많이 사용되는 이유는 무엇인가?	다층구조 녹색 형광 유기 전계 발광 소자(OLED : organic light emitting diode)가 보고된 이후 OLED는 차세대 광원 소자로 많은 연구가 진행되고 있다[1-6]. OLED는 별도의 광학 설계 없이 면광원 형태의 조명 구현이 가능하고, 종이처럼 얇고 가벼우며, 발광 색을 결정하는 재료의 다양성으로 인하여 고연색성의 발광이 가능하며, 디자인 자유도가 우수하여 다양한 용도와 형태의 조명으로 사용이 가능하다[2-6]. 조명 분야에서 OLED의 경우 직류(DC : direct current) 전원을 이용하여 구동하는 것이 일반적이며, 교류(AC : alternating current) 전원을 직류 전원의 형태로 만들기 위해 AC / DC 변환기를 포함하는 SMPS(switched mode power supply) 방식이 주로 사용한다.
	OLED의 구동하는 방법은 어떻게 되는가?	OLED는 별도의 광학 설계 없이 면광원 형태의 조명 구현이 가능하고, 종이처럼 얇고 가벼우며, 발광 색을 결정하는 재료의 다양성으로 인하여 고연색성의 발광이 가능하며, 디자인 자유도가 우수하여 다양한 용도와 형태의 조명으로 사용이 가능하다[2-6]. 조명 분야에서 OLED의 경우 직류(DC : direct current) 전원을 이용하여 구동하는 것이 일반적이며, 교류(AC : alternating current) 전원을 직류 전원의 형태로 만들기 위해 AC / DC 변환기를 포함하는 SMPS(switched mode power supply) 방식이 주로 사용한다. OLED를 상용 교류전원에 직결로 연결하여 최소한의 보호 회로로 구동할 경우, OLED 조명의 제조원가 절감이 가능하며, 전원 공급 장치에 의해 결정되는 수명이 OLED에 의해 결정되어 조명장치의 수명을 크게 개선할 수 있다.
	OLED를 60Hz 교류 전원에서 구동할 경우 어떤 현상이 나타나는가?	또한 전원 공급 장치가 소비하는 전력만큼 효율이 개선되며, 디자인 자유도를 크게 향상시킬 수 있다[5-6]. OLED를 60 Hz의 교류 전원에서 구동할 경우 직류 구동 OLED 보다 낮은 전압에서 발광이 시작되고, 낮은 전압 영역에서 직류 구동보다 우수한 효율을 나타내는 결과를 보여주었다. 또한 여러 개의 OLED를 직렬로 연결하여 상용 교류전원에서 직결로 OLED 구동이 가능함을 확인한 바가 있다[5].

참고문헌 (11)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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