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• 1. 서 론
• 2. 실 험
• 3. 결과 및 분석
• 4. 결 론
• Acknowledgement

1. 서 론

최근 출시되는 다양한 형태의 모바일기기 등은 화면크기의 증가와 함께 보다 얇고 가벼운 제품의 개발을 지향하는 모습을 보이고 있다. 이러한 조건을 위해서는 기존의 여러 부품들과는 차별화된 개념의 부품들이 요구되고 있다. 유기 전계 발광 다이오드인 OLED는 경량화와 대화면화 등에 유리한 여러 고유 특성을 가지고 있어서 최신 제품의 여러 필요한 조건을 두루 만족 시킬 수 있는 매력적인 대안으로 대두되고 있으며, 다양한 연구 결과와 함께 상당수의 시제품과 상용제품의 출시도 시작되고 있다. OLED의 한 분야로서 백색과을 발광하는 W-OLED는 다양한 분야에 적용할 수 있는 특징 요소를 가지고 있으며, 무엇보다도 차세대 solid-state 광원으로 많은 매력적인 잠재 요소를 가지고 있다.^[1] 고분자를 베이스로 한 W-OLED는 비교적 쉬운 공정인 Spin coating 등의 방법으로도 제작할 수 있으며 일반적인 대기압하의 청정조건에서 대량 생산이 가능한 장점을 지니고 있다. 

일반적으로 백색광인 white-light를 가능하게 하는 방법은 2색 혹은 3색의 기본색을 혼합하여 백색광을 구현하는 방법이 사용되고 있는데, OLED에서 백색광을 구현하는 방법은 기본색을 얻는 방법에 따라 크게 두 가지 방법으로 나눌 수 있다. 첫 번째 방법은 능동소자인 OLED를 기본 색별로 각각 구성하고 이를 조합하여 만드는 혼합 광으로 백색광을 얻는 colour-Mixing 방법이다. 다른 방법은 파장변환의 방법을 사용하여 기본 색을 얻고 이들의 혼합광으로 백색광을 구현하는 방법이다. 이 방법은 Down-Conversion 이라는 이름으로 Inorganic W-LED등에서 많이 사용되는 방법으로 Ultra-Violet 혹은 Blue LED에 적절한 형광체가 분산된 LED Package를 이용하여 방사광의 일부가 기본 색이 되도록 파장변환 시키고 이들의 혼합광으로 백색광을 구현 시키는 방법이다.^[2] 

본 연구에서는 Poly-fluorene 계열의 고분자를 사용한 Blue-OLED 를 구성하고 고분자 발광층(Emitting layer)내에 yellow 발광 특성을 갖는 YAG 계열의 무기 형광체를 분산시켜, down-conversion 된 yellow light와 여기 광이자 동시에 주 발광 대역인 blue-light가 하나의 발광층 내에 존재하는 W-OLED를 제시하였다. 이러한 구조의 W-OLED는 유-무기혼성의 Single-Active-Layer를 갖는 Hybrid구조의 W-OLED 로서, 보다 얇은 두께의 구조적 이점과 출력광인 백색광이 면발광되므로 차세대 solid-state lighting 소자로서 커다란 잠재력을 갖게 되리라 기대된다. 

2. 실 험

본 연구에 사용된 W-OLED의 기본 구조는 YAG 형광체가 분산된 약 65nm 두께의 청색 발광 Polyfluorene Emitting layer(EML)에 정공주입층(Hole Injection layer ; HIL)과 정공 수송층(Hole Tranport layer : HTL)으로 각각 100nm 두께의 Titanium oxide Phthalocyanine (TiOPc) 와 N,N- diphenyl-N,N-bis(3-methylphenyl)1-10biphenyl-4,4-dia mine (TPD)가 더해지고 음전극 및 양전극으로 ITO와 Al이 사용된 적층구조이다. 실험에 사용된 polyfluore polymer 는 poly[9,9-di-(2-ethylhexyl)-fluorenyl-2, 7-diyl] end-capped with N,N-bis(4-methylphenyl)-4-aniline의 구조를 갖는 고분자 물질로서 미국 American Dye source 사의 제품을 사용하였다. 분산된 YAG 형광체는 잘 알려진 연소 소성법인 combustion method로 만들어진 Y₂Al₅O₁₂:Ce³⁺ 의 형광체로 약 80nm 이내의 크기를 선별하여 사용하였다.^[3] Figure 1에 실험에 사용된 W-OLED의 구조를 표시하였다. 

Figure 1. Structure of proposed W-OLED

실험의 순서는 ITO Glass 절단 및 식각, 정공 주입층과 정공 수송층 형성, 그리고 형광체가 분산된 PFO EML 를 만든 후 음전극을 제작하여 Device를 완성하는 순서로 진행하였다. 먼저 25*25mm 크기의 ITO glass에 3mm폭의 stripe pattern을 갖도록 ITO를 식각하여 patterened ITO glass를 만들고 아세톤, Isopropylalcohol(IPA), Deionized Water의 순서로 초음파 세척하여 ITO glass 표면을 세척하고 질소로 불어 건조시켰다. 세척된 ITO glass 위에 정공주입층인 TiOPc를 spin casting의 방법으로 형성하여 60℃ 진공오븐에서 두 시간 동안 건조하고, 이어 정공수송층인 TPD를 spin coation의 방법으로 형성하고 동일하게 60℃ 진공오븐에서 2시간 건조한 후, 상온의 질소 분위기 Globe Box 내에서 6시간 동안 추가로 건조시켰다. 80nm 이하의 크기로 선별된 YAG 형광체는 toluene을 용매로 제작된 PFO 용액 속에 PFO의 2wt%의 비율로 첨가하여 고르게 분산시켰다. PFO-YAG 분산액을 2500rpm 30초 동안 spin coating 하여 65nm 두께의 EML 층을 얻었고, 용매로 사용된 tolune 을 천천히 휘발시키기 위해 질소 분위기의 Globe-Box 내에서 6시간이상 건조시키고 동일한 globe-box 내에 있는 진공증착기로 3mm 폭의 Al 음전극을 130nm의 두께로 증착하여 device를 완성하였다. 하나의 ITO glass에는 9mm² 넓이의 셀이 9개 구성된다. 그리고 비교군으로 YAG가 첨가되지 않은 동일 구조의 OLED를 제작하여 I-V 특성을 비교하였다.

제작된 W-OLED 및 OLED 의 전기-광학 특성은 Keithley 2400 source meter 와 PR-650 Spectra scan spectroradiometer를 사용하여 I-V 특성과 밝기 등의 측정을 수행하였다. 

3. 결과 및 분석

실험에 사용된 YAG 형광체의 크기는 80nm 이하가 되도록 선별하였으나 제작된 PFO 발광층의 두께는 65nm 정도 이다 이는 YAG 형광체 중의 일부가 Al 음전극에 직접적으로 닿는 결과를 초래한다. Al 음전극에 직접 닿는 YAG 형광체의 정도를 알아보기 위하여 9mm² 면적에 65nm 의 부피를 가지는 PFO EML 층과 첨가된 2wt% YAG 형광체의 부피비를 알아보았다. 이를 위해서는 PFO 고분자와 YAG의 정확한 밀도를 알아야하나 이를 정확히 측정하기는 쉬운 일이 아니므로 이론 밀도에 근접하는 유사한 PFO의 밀도 ~1g/cm^-3[4]와 알려진 YAG 형광체의 밀도 4.55g/cm^-3를 이용하여 계산하였다. 2wt% 첨가된 YAG의 체적은 65nm PFO 체적 대비 약 0.4% 정도로 계산 되었으며 60nm 이하 크기의 YAG 형광체도 상당 수 있을 것이므로 실제 Al 음전극과 직접 닿는 형광체의 접촉면적은 무시할 수 있을 것으로 생각된다. 아울러 spin coating으로 만든 EML과 진공 증착한 Al 계면의 상태는 평탄하지 않으므로 계면에서의 반사와 scattering 현상으로 YAG 형광체의 발광 효율이 좋을 것으로 기대된다. 

제작된 W-OLED와 YAG가 첨가 되지 않은 순수한 Blue OLED의 전기적 특성인 I-V 특성을 조사하였다. YAG 형광체의 역할은 전기적 특성의 변화가 아니라 발광된 Blue 발광 에너지를 Yellow로 파장 변환하는 PL의 역할을 하므로 YAG 형광체의 첨가에 관계없이 OLED의 I-V 특성은 비슷할 것으로 생각하였으나 실제 결과에는 많은 차이가 있었다. 

아래 Figure 2 에 OLED의 I-V 특성을 나타내었다. OLED 소자에 흐르는 전류밀도가 달라지는 지점인 문턱전압의 크기는 YAG 형광체의 첨가유무에 관계없이 약 15V 정도로 유사하나 이후의 전류밀도의 변화는 눈에 띄게 큰 차이를 나타내었다. YAG가 첨가된 W-OLED의 전류밀도는 20V 이상의 전압에서 꾸준히 증가하여 22V-28V의 구간에서는 Blue-OLED 대비 약 두배의 전류밀도 크기를 나타내었다. 이는 매우 고무적인 것으로 비전도성인 YAG 형광체의 첨가가 전류밀도의 증가를 가져왔다는 것을 의미하는 것이며 이와 같은 현상은 다른 OLED 연구에서 LiF 등의 절연막을 Anode 혹은 Cathode 에 추가하여 전체 소자의 전류특성을 개선하거나,^[5] Emitting Layer에 나노크기의 금속 분말을 첨가하여 plasmon 효과에 의한 국소 전계의 변화가 나타나는 현상^[6]과 유사하게 설명될 수 있으리라 생각된다.

Figure 2. I-V Characteristics of OLEDs

전류밀도가 증가하는 영역에서의 전류밀도 증가 추세를 알아보기 위해 전류밀도의 미분값(전류밀도 증가율)의 그래프를 Figure 3 에 나타내었다. W-OLED는 약 25V-26V의 구간에서 전류밀도 증가율이 눈에 띄게 달라지는 현상을 나타내었다. 뿐만 아니라 다른 구간에서도 몇 차례 소규모의 전류밀도 증가율 변화가 관찰된다. 이것은 첨가된 YAG 형광체의 표면에 존재하는 표면전하가 미치는 영향일 것으로 추측한다. 분산된 YAG 형광체의 크기는 최대 80nm 정도이나 다양한 크기의 형광체가 존재하고 이들의 표면전하 크기도 여러가지이다. 분산된 YAG는 OLED에 동작전압이 인가되면 PFO 고분자 EML 내에서 충방전되며 OLED의 전류 특성의 변화가 나타나는 것으로 생각할 수 있다. 

Figure 3. Slope rates of OLEDs

전류밀도증가의 특이점을 나타내는 25V부근의 EL Spectra 를 Figure 4 에 나타내었다. 

Figure 4. EL Spectra of OLEDs

25V의 동작 전압이 인가된 W-OLED에서는 상당한 정도의 yellow spectrum 특징을 볼 수 있으며, 이는 발광된 Blue light에 의한 YAG의 PL특성(Down-Conversion)에 기인하는 것으로 설명되고 분산된 YAG 형광체가 적절히 역할을 수행하고 있는 것을 알 수 있다. 

지금까지 알아본 W-OLED의 동작은 EML 영역에 분산된 YAG 형광체에 의하여 Blue light에서 yellow light로의 down-conversion이 일어나고 이들의 혼합광에 의해 B+Y=White 의 보색 혼합에 의한 백색광 구현이 가능함을 보였다. 아울러 첨가된 YAG 형광체를 통하여 Down-Conversion 뿐만 아니라 형광체 입자의 표면 전하에 기인하는 OLED 전류 특성변화 가설을 제시하였다. 전류구동형 소자인 OLED의 특성상, W-OLED의 동작 전압은 전류 밀도의 증가율이 큰 변화를 나타내지 않는 범위에서 지속적인 동작이 가능할 것이므로 본 연구에서 제시된 W-OLED의 조건에서는 15V에서 25V사이의 전압이 소자의 동작을 적절히 조절할 수 있는 전압조절 범위 일 것으로 판단된다.

형광등 조명하에서의 W-OLED 의 동작모습을 Figure 5에 나타내었다. 

Figure 5. Operation of W-OLED under FL lamp

실험에서 제작한 W-OLED 의 전체 두께는 1.1t의 ITO glass를 포함하여 2mm 이내이며 Mobile기기에 많이 사용되는 0.55mm 의 ITO glass를 사용하면 전체 두께가 1mm 이하인 Super Thin W-OLED가 구현가능 할 것으로 생각한다. 

4. 결 론

1mm 이내의 두께로 제작 가능한 Super thin 구조의 면발광 W-OLED를 제시하고, blue 및 down conversion된 yellow 의 혼합에 의한 white light가 가능함을 보였다. PFO 내에 분산된 YAG 형광체는 down-conversion 된 yellow light의 특징을 여실히 보여 주었고 가해준 동작전압에서 YAG의 첨가에 의해 전류밀도가 2배 이상 증가하였다. 

본 연구에서는 단순한 구조와 실용적인 접근을 가능하게 하는 백색 면발광 W-OLED 소자가 제시되었고, 향후 형광체의 적절한 조절과 소자제작 기법의 최적화를 통하여 보다 나은 결과가 얻어질 수 있으리라 기대한다. 

Acknowledgement

“이 논문은 2010학년도 부경대학교의 지원을 받아 수행된 연구임 (PK-2010-0064)”