유기EL의 원리및 물질

소개글

유기EL의 원리및 물질에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 유기EL의 개요

2. 유기EL의 발광 메카니즘

3. 유기발광 물질의 종류

4. 유기EL 소자제작과정

5. 유기EL의 효율

본문내용

흔히 내부양자효율(Internal Quantum Efficiency), 외부양자효율(External Quantum Efficiency), 전력효율(Power Efficiency), 그리고 발광효율(Luminous Efficiency)의 4가지로 표현된다. 내부양자효율은 이론적으로 가능한 효율로서 주입된 전체 전하(정공+전자)수에 대한 방출되는 광자수의 비율로서 다음과 같이 표현된다.
ηINT = γ × ηr × φf (식 1)
(식 1)에서 γ는 정공 및 전자의 균형 인자, φf는 일중항 여기자 생성효율 및 형광효율이다. 그러나 실질적으로 전기발광 후 방출되는 빛은 유기박막, 전극, 그리고 기판의 영향 때문에 이론적인 양보다 훨씬 줄어들게 된다. 그 중에서 가장 큰 영향을 미치는 부분은 기판에 의한 굴절 및 반사이다. 따라서 아래의 식과 같이 외부양자효율이 결정된다.
ηEXT
{ 1} over {2n^2 }
× ηINT (식 2)
(식 2)에서 n은 유리의 굴절율로서 일반적으로 1.5의 값을 가진다.
전력(에너지)효율은 주입된 전체 외부 전기에너지에 대하여 방출된 광자의 에너지의 비를 표현한 것으로서 다음과 같이 표현된다.
ηE
{ N_p} over {N_e }
×
{ ε_p} over {eV_app }
(식 3)
(식 3)의 Np와 Ne는 광자 및 전하의 수이고, εp는 방출되는 광자의 평균에너지이며 Vapp는 인가전압이다. 마지막으로 발광효율은 전력효율과 유사하나 방출되는 광자의 에너지 단위를 디스플레이의 밝기를 측정하는 통상 단위인 칸델라를 사용한 것으로 다음과 같이 표현된다.
ηL =
{π× L} over { J × V }
(식 4)
(식 4)에서 J는 전류밀도이며 단위로[A/㎡]를 사용하며, V는 인가전압, L은 밝기로서 단위는[cd/㎡]이다. 일반적으로 일중항 여기자에 의한 발광을 이용하는 OLED의 경우 스핀 통계학상 내부양자효율이 25[%]를 넘을 수 없으며 외부양자효율은 5[%]이하이나 최근 인광물질을 사용하여 삼중항을 발광에 활용함으로써 외부양자효율이 10[%]를 넘어선 획기적인 결과를 얻었다.
4. OLED의 수명
유기전기발광소자의 수명은 무기물을 주로 다루는 물리학자들 및 전기전자공학자들에 의해서 유기물이라는 이유로 초기부터 논란의 대상이 되어왔다. 그러나 지금은 이미 일부가 상품화된 상태이며 지속적으로 장수명화 기술이 발전하고 있다. 아래에 유기전기발광소자의 수명에 영향을 미치는 내부 및 외부 원인, 그리고 해결방법을 간단히 요약하였다.
가. 열화의 내부원인 및 해결방법
가장 주요한 원인은 유기물질의 전기·화학적 불안정성에 의한 여기 상태에서의 반응 및 열화이다. 유기전기발광소자는 음극 및 양극에서 전자와 정공이 끊임없이 주입되어 박막상태의 유기물질을 1초에 약 10억번 이상 들뜨게 만든 후 빛을 생성시키는 원리로 동작된다. 따라서 여기 상태의 유기 분자가 불안정하여 다른 구조로 변성되거나 이웃하는 분자와 서로 반응을 일으켜 발광기능이 없는 구조로 전환될 경우 이러한 부분이 발광억제부분(Luminescent Quenching Site)으로 작용하여 소자의 수명은 급속히 저하된다. 따라서 이러한 반응은 박막을 구성하고 있는 유기분자들이 확률적으로 동일하게 일으킬 수 있기 때문에 소자를 구동시키는 초기 단계부터 변화를 관측할 수 있다. 기초적인 검증 실험으로서 소자를 제작하여 진공 또는 질소 분위기에서 수십 번 On-Off를 반복했을 때에도 밝기 및 색상이 크게 변하지 않으면 일반적으로 초기상태의 발광 안정성(Emission Stability)이 있다고 판단할 수 있다. 만일 패키징(Packaging 또는 Encapsulation)이 완벽하지 않아서 산소가 존재할 경우 광학적, 열적, 또는 전기적인 힘에 의해서 산소가 촉매 작용을 하거나 직접 반응에 참여하여 유기박막을 열화 또는 분해시킨다.27),28),29) 유기 단분자를 사용하는 경우에는 도핑을 하여 발광중심(Emission Center)을 도핑 분자로 변화시키면 이러한 열화 속도가 매우 느려져서 장수명을 확보할 수 있다.27) 고분자의 경우 대표적인 예가 PPV 유도체와 같이 비닐결합(Vinyl Bond)을 가진 유기 화합물들이며 [그림 6]과 같이 일중항 산소에 의해서 발광 억제 부분인 알데하이드(Aldehyde)로 변하게 된다.28),29) 따라서 산소 투과를 억제할 수 있는 보호층(Protection Layer)의 도입이 필수적이다. 또 다른 원인은 유기 박막과 투명 양극전극 또는 금속 음극전극사이의 접착력이 근본적으로 좋지 않기 때문에 구동전압 및 온도가 높을 경우 계면 전압 차이 및 서로 다른 열팽창 계수 때문에 층간 분리가 일어나 소자가 열화된다. 이런 경우 구동전압을 낮추고 유리전이온도가 높은 유기물질을 사용하면 문제점을 해결할 수 있다.
분해에 의한 발광 고분자의 열화
나. 열화의 외부원인 및 해결방법
유기전기발광소자 대부분은 구동전압, 휘도, 그리고 효율을 최적화하기 위해서 리튬 등과 같은 수분에 민감한 금속을 소량 함유한 합금을 사용한다. 또한 사용하는 유기물질 대부분이 파이전자(Phi Electron)를 가지고 있기 때문에 정도에 따라 다르지만 물분자와 상호작용을 하게된다. 따라서 공기중의 수분 또는 이미 기판 등에 부착된 수분은 소자를 구동하지 않고 단순히 보관만 할 경우에도 서서히 전극 및 유기 박막을 공격하여 흑점(Dark Spot)을 만든다. 이미 상품화에 성공한 일본의 파이오니아전자는 흡습제인 산화바륨 화합물(BaO Complex)을 패키징시 부착하여 내부에 존재하는 수분 및 장시간 구동시 외부로부터 침투하는 수분을 제습하는 기술을 특허화 하였다. 즉, 단순한 패키징 만으로는 1,000시간 내외의 수명은 확보할 수 있으나 상용화 수준에는 미치지 못한다. 그러나 최근 독성이 강한 BaO의 환경적 규제 때문에 CaO로 대체하는 것이 거의 완료 단계에 와 있다. 그 외에 최근에는 패키징의 일환으로 산화무기물 또는 반응성 고분자를 증착 하는 연구들이 진행되고 있다.
OLED의 수명에 미치는 흡습제의 영향(사진: 85℃에서 500시간 동안 보관 후 측정)

키워드

유기EL,   디스플레이,   OLED