White Tandem Organic Light-Emitting Diodes Using Red and Blue Fluorescent Materials

(1)

한국표면공학회지 J. Kor. Inst. Surf. Eng.

Vol. 48, No. 3, 2015.

http://dx.doi.org/10.5695/JKISE.2015.48.3.115

<연구논문>

ISSN 1225-8024(Print) ISSN 2288-8403(Online)

적색과 청색 형광 물질을 사용한 백색 적층 OLED

박찬석, 공도훈, 강주현, 윤성혁, 주성후^*

대진대학교 신소재공학과

White Tandem Organic Light-Emitting Diodes Using Red and Blue Fluorescent Materials

Chan-Suk Park, Do-Hun Kong, Ju-Hyun Kang, Sung-Hyuk Yun, Sung-Hoo Ju^*

Department of Advanced Materials Science & Engineering, Daejin University, Pocheon 487-711, Korea (Received June 1, 2015 ; revised June 17, 2015 ; accepted June 20, 2015)

Abstract

We studied white tandem organic light-emitting diodes using red and blue fluorescent materials. White 2 units tandem OLEDs were fabricated using Alq

₃

:Rubrene (3 vol.% 5 nm) and SH-1 : BD-2 (3 vol.% 25 nm) as emitting layer (EML). The device with Alq

₃

: Rubrene (3 vol.% 5 nm) / SH-1 : BD-2 (3 vol.% 25 nm) showed yellowish white emission with a Commission Internationale de l'Eclairage (CIE) coordinates of (0.442, 0.473) at 1,000 cd/m

²

, and variation of CIE coordinates was low with (0.44 ± 0.002, 0.472 ± 0.001) from 500 to 3,000 cd/m

²

. White 3 units tandem OLEDs were fabricated by additory stacking the blue or white layer as EML. CIE coordinates of 3 units tandem OLEDs with stacked blue and white layer was low variation of (0.293 ± 0.008, 0.36 ± 0.005) and (0.412 ± 0.002, 0.423 ± 0.001) from 500 to 3,000 cd/m

²

, respectively. Our findings suggest that stacked OLED was possible to controlling CIE coordinates and producing excellent color stability.

Keywords : OLED, Tandem, White, Color stability

1. 서 론

기존의 대표적인 조명인 백열등과 형광등은 백열 등의 경우 낮은 효율로 인하여 사용이 규제되고 있 는 추세이며, 형광등의 경우에는 백열등의 5 ~ 6배 에 달하는 효율에도 불구하고 수은과 납이 함유되 어 있어 중금속 사용규제로 인하여 사용이 제한되 고 있어, 이를 대체 할 수 있는 환경 친화적인 차 세대 광원이 필요하다.¹⁾이러한 추세에 따라 대표 적인 신광원이라 할 수 있는 LED (Light Emitting Diode), OLED (Organic Light Emitting Diodes)와 같은 반도체 조명의 개발이 확대되고 있고 미래 조 명의 트랜드를 구현할 수 있는 광원이 바로 OLED

일 것으로 전망되고 있다.²⁾ OLED는 친환경 소재 에 의하여 고효율의 광원을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 타 광원들과 달리 발열이 거의 없고 1 ~ 2 mm 두께의 매우 얇은 면광원 형태로 제작이 가 능하며, 투명하거나 유연한 면광원으로도 제작이 가 능하여 매우 높은 디자인 자유도를 제공할 수 있다.

또한, IT 기술과의 융합을 통하여 감성조명으로도 응용이 가능할 것으로 기대된다.^3-6)OLED의 발광휘 도 및 수명을 향상시킬 수 있는 방법으로 적층구조 OLED가 많은 관심을 받고 있고, 색 안정성 향상을 위한 연구가 필요하다.^7-8)

본 연구에서는 OLED를 이용하여 발광 효율과 색 안정성을 향상시키기 위하여 적색과 청색 형광 물 질을 사용하여 2파장 방식의 백색 발광 적층 OLED 를 제작하였다. 제작된 OLED의 전기적 광학적 특 성을 분석하기 위하여 전류-전압-휘도(I-V-L), 발광 스펙트럼 및 CIE 1931 색좌표를 측정하여 적층 구

*

Corresponding Author : Sung-Hoo Ju

Department of Advanced Materials Science & Engineering, Daejin University

E-mail : [email protected]

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우 2 Å/s, MoOx는 0.5 Å/s의 증착속도로 유기물 및 금속 박막을 증착하여 OLED를 제작하였다. 제작 된 OLED 소자를 발광시키기 위하여 양극인 ITO 에 (+) 전압을 인가하고, 음극인 Al에 (−) 전압을 인가하는 전원 인가 장치로 Keithley 2400을 사용 하여 전압과 전류를 인가하였고, 소자에서 발광된 휘도 및 발광 스펙트럼은 Photo Research사의 PR- 650 Spectrascan을 사용하여 측정하였다.

3. 결과 및 고찰

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 -tripheny- lamine) / 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 구 성을 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.

표 1은 그림 1의 4 가지 형태의 구조로 제작한

색 발광의 세기가 감소하고 적색 발광의 세기가 증 가된 백색 발광을 하게 되고 500 ~ 3,000 cd/

^m

²의 휘 도범위에서 색 안정성도 향상되는 것으로 설명할 수 있다.

그림 2는 단일 구조 백색 발광 OLED의 FS-4 구조 와 FS-2 구조를 적용하여 제작한 2층 적층 OLED 구 조를 나타낸 것이다. FT2-1 소자의 구조는 FS-4 / Al (0.5 nm) / MoO_x (9 nm) / FS-2 / Al (120 nm), FT2- 2 소자의 구조는 FS-2 / Al (0.5 nm) / MoOx (9 nm) / FS-4 / Al (120 nm), FT2-3 소자의 구조는 FS-4 / Al (0.5 nm) / MoO_x(9 nm) / FS-4 / Al (120 nm)로 제작하 였다.

그림 3은 2층 적층 OLED의 인가전압에 따른 전 류밀도와 휘도를 나타낸 것이다. 첫 번째 발광층의 적색 발광층이 뒤쪽에 적층되어 있는 FT2-2 소자 가 가장 낮은 전류밀도와 휘도를 나타내었고, 두 개

Table 1. Emission characteristics of white fluorescent single OLEDs.

Max. Current Density (mA/cm

²

)

Max. Current Efficiency (cd/A)

Max. Luminance (cd/m

²

)

CIE

@ 1,000 cd/m

²

CIE (500 ~ 3,000 cd/m

²

)

FS-1 89.2 8.5 6,006 0.293, 0.404 (0.372 ± 0.046,

0.319 ± 0.065)

FS-2 88.8 8.7 7,222 0.245, 0.385 (0.243 ± 0.029,

0.383 ±0.016)

FS-3 90.0 9.7 5,200 0.416, 0.452 (0.406 ± 0.011

0.448 ± 0.004)

FS-4 89.3 9.7 5,211 0.385, 0.435 (0.361 ± 0.025

0.43 ±0.05)

Fig. 1. Structure of white fluorescent single OLEDs.

(3)

의 발광층에서 모두 적색 발광층이 앞쪽에 적층되 어 있는 FT2-3 소자가 가장 높은 전류밀도와 휘도 를 나타내었다.

그림 4는 2층 적층 OLED의 인가전압에 따른 전 류 발광효율을 나타낸 것이다. 2층 적층 FT2-1, 2, 3의 최대발광효율은 각각 17.3, 15.9, 18.2 cd/A로 FT2-3이 가장 높은 발광 효율을 나타내었다.

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 발광 층이 양극 전극 쪽에 위치할 때 에너지 장벽을 낮 추는 역할을 하여 이송자 주입이 더 용이하게 되어 전류밀도가 증가할 것으로 판단된다.⁹⁾따라서 그림 3 과 4의 결과에서 FT2-3의 전류밀도, 발광휘도, 발 광효율이 가장 우수한 특성을 나타내는 것은 에너 지 준위에 따른 영향으로 설명될 수 있다.

그림 6은 1,000 cd/

^m

²에서 각 적층 소자에 대한

EL 스펙트럼을 나타낸 것이다. FT2-1은 첫 번째 발 광층에서 적색 발광층이 아래에 적층되어 있어 첫 번째 발광층의 청색과 두 번째 발광층의 청색을 흡 수하여 적색 빛을 발광하게 되고, FT2-2는 두 번째 적색발광층의 적색이 청색 빛을 흡수하여 적색 발 광을 하게 되지만 첫 번째 발광층의 청색이 앞쪽에 위치하여 청색 발광의 강도가 강하게 나타나고 상 대적으로 적색 발광 강도가 낮게 나타나게 된다. 적 색 발광층이 모두 앞쪽에 있는 FT2-3은 두 발광층 모두에서 청색 빛을 적색 활성제가 흡수·발광하여 적색이 청색 발광피크에 비해 상대적으로 강한 세 기를 나타내었다.

그림 7은 발광 휘도 500 cd/

^m

²에서 3,000 cd/

^m

²까 지의 색좌표를 나타낸 것이다. 2층 적층 소자 중 500 ~ 3,000 cd/

m

²까지 변화할 때 FT2-1, 2, 3 소자는 각 각 (0.4 ± 0.017, 0.456 ± 0.009), (0.354 ± 0.037, 0.421 ± 0.021), (0.439 ± 0.001, 0.472 ± 0.001)를 나타내었다.

FT2-3소자의 CIE (x, y) 좌표 값의 변화가 (0.001,

Fig. 4. Current efficiency vs. applied voltage charac-

teristics of white fluorescent 2 units tandem OLEDs.

Fig. 5. The energy levels of white fluorescent OLEDs.

Fig. 1. Structure of white fluorescent single OLEDs.

Fig. 2. Structure of white fluorescent 2 units tandem OLEDs.

Fig. 3. Luminance and current density vs. applied voltage

characteristics of white fluorescent 2 units tandem

OLEDs.

(4)

0.001)의 이동을 보여 색 안정성이 우수함을 알 수 있었다. 또한 1,000 cd/

^m

²에서의 색좌표는 FT2-1, 2, 3의 경우 각각 (0.401, 0.459), (0.36, 0.425), (0.442, 0.473)을 나타내었다.

그림 8은 색보정과 발광효율 개선을 위하여 청색 소자와 청색이 강한 적색 / 청색 구조의 소자를 추 가적으로 적층하여 제작한 3층 적층 구조 OLED를 나타낸 것이다. 2층 적층 구조에서 1,000 cd/

^m

²일 때 FT2-1이 가장 백색에 가까운 발광을 하였으나 색 안정성 면에서는 FT2-3이 가장 안정한 특성을 보 여주어 3층 적층 구조에서는 FT2-3의 구조를 기본 으로 하고 추가적인 적층을 통하여 색보정을 하는 백색 발광 실험을 진행하였다. FT3-1 소자의 구조 는 FT2-3 / Al (0.5 nm) / MoOx (9 nm) / 2TNATA (60 nm) / NPB (30 nm) / SH-1 : BD-2 (3 vol.% 30 nm) / Bphen (40 nm) / Liq (1 nm) / Al (120 nm), FT3-2소자 의 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 제 작하였다.

그림 9는 3층 적층 OLED의 인가전압에 따른 전 류밀도와 휘도 그래프이다. 백색 단일 OLED 소자 들과 마찬가지로 세 번째 발광층에서도 적색 발광 층이 앞쪽에 적층되어 있는 FT3-2가 전류밀도와 휘 도가 높은 것으로 나타났다.

그림 10은 인가전압에 따른 전류 효율을 나타낸 것이다. 3층 적층 FT3-1, 2가 각각 24.2, 24.4 cd/A 로 전류밀도, 휘도 그래프와 마찬가지로 적색 발광 층을 더 적층한 FT3-2가 높게 나타났다. 적색 발광 층이 앞쪽에 증착되어 있는 경우 전류 밀도, 휘도, 전류 효율에서 높은 값들이 나타났다. 그러나 3층 적층의 경우 앞쪽에 증착된 적색 발광층이 2 nm로

Fig. 8. Structure of white fluorescent 3 units tandem

OLEDs.

Fig. 9. Luminance and current density vs. applied voltage characteristics of white fluorescent 3 units tandem OLEDs.

Fig. 6. The electroluminescent spectra of white fluore- scent 2 units tandem OLEDs.

Fig. 7. CIE (x, y) coordinates of white fluorescent 2

units tandem OLEDs.

(5)

얇게 증착이 되어 있어 청색 발광층이 증착되어 있 는 소자와 비교하여 많은 특성 차이를 나타내지는 않았다.

그림 11은 1,000 cd/

^m

² 각 적층 소자에 대한 EL 스펙트럼을 나타낸 것이다. FT3-1은 세 번째 발광층 에 청색 발광층만 증착되어 있어 청색 발광 강도가

강하게 나타나고 적색 발광 강도가 상대적으로 낮게 나타났다. 세 번째 발광층에 적색 발광층을 2 nm 증 착한 FT3-2는 적색 발광 강도가 FT3-1과 비교하여 상대적으로 강하게 나타난 것을 확인할 수 있었다.

그림 12는 500 cd/

^m

²에서부터 3,000 cd/

^m

²까지의 색좌표를 나타낸 것이다. 500 ~ 3,000 cd/

^m

²까지 변 화할 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. 1,000 cd/

^m

² 에서 FT3-1은 (0.296, 0.362), FT3-2는 (0.414, 0.424)로 모두 백색을 나타내었다.

표 2는 적층 구조에 의하여 제작된 백색 형광 적 층 소자들의 특성을 정리한 것이다. 백색 발광을 하 는 3층 적층 소자인 FT3-1, 2 소자가 최대 전류효 율 24.2와 24.4 cd/A로 향상되었고, 우수한 색 안정 성을 나타내었다. 따라서 적층에 의해 색좌표의 제 어가 가능하고 색 안정성이 우수한 OLED의 제작 이 가능함을 알 수 있었다.

Fig. 11. The electroluminescent spectra of white fluores- cent 3 units tandem OLEDs.

Fig. 12. CIE (x, y) coordinates of white fluorescent 3 units tandem OLEDs.

Fig. 10. Current efficiency vs. applied voltage charac- teristics of white fluorescent 3 units tandem OLEDs.

Table. 2. Emission characteristics of white fluorescent tandem OLEDs.

Max. Current Density (mA/cm

²

)

Max. Current Efficiency (cd/A)

Max. Luminance (cd/m

²

)

CIE

@ 1,000 cd/m

²

m

²

CIE (500 ~ 3,000 cd/m

²

)

FT2-1 59 17.3 6,432 0.401, 0.459 (0.4 ± 0.017,

0.456 ± 0.009)

FT2-2 42.3 15.9 5,397 0.36, 0.425 (0.354 ± 0.037,

0.421 ± 0.021)

FT2-3 73.4 18.2 8,668 0.442, 0.473 (0.439 ± 0.001,

0.472 ± 0.001)

FT3-1 48.7 24.2 9,738 0.296, 0.362 (0.293 ± 0.008,

0.36 ± 0.005)

FT3-2 47.5 24.4 9,448 0.414, 0.424 (0.412 ± 0.002,

0.423 ± 0.001)

(6)

서 (0.354 ± 0.037, 0.421 ± 0.021)를 나타내었다. 그 러나 FT2-3은 1,000 cd/

^m

²에서 (0.442, 0.473)으로 적색 쪽으로 이동된 백색 발광을 나타내었고 500 ~ 3,000 cd/

m

²의 휘도에서 (0.439 ± 0.001, 0.472 ± 0.001)로 가장 우수한 색 안정성을 나타내었다. 2층 적층 소자 에서 색안정성이 뛰어난 FT2-3을 기본 구조로 하여 청색층과 청색이 강한 백색 발광층 두가지의 발광층 을 세 번째 층에 적층하여 3층 형광 백색 적층 OLED 를 제작하였다. FT3-1은 500~3,000 cd/

^m

²에서 (0.293±

0.008, 0.36 ± 0.005)로 색의 변화가 적었고, 1,000 cd/

^m

² 에서 (0.296, 0.362)로 백색 발광을 하였다. FT3-2는 500~

3,000 cd/

m

²에서 (0.412 ± 0.002, 0.423 ± 0.001)로 매우 안정된 색을 나타내었고, 1,000 cd/

^m

²에서 (0.414, 0.424) 로 색좌표의 이동이 거의 없는 백색을 나타내었다.