한국표면공학회지 J. Korean Inst. Surf. Eng.
Vol. 52, No. 2, 2019.
https://doi.org/10.5695/JKISE.2019.52.2.72
<연구논문>
ISSN 1225-8024(Print) ISSN 2288-8403(Online)
교류 음 전압에 따른 형광 OLED의 전계 발광 특성
서정현a, 양재웅a, 백경갑b, 주성후a,*
a대진대학교 신소재공학과, b대진대학교 전자공학과
Electroluminescent Characteristics of Fluorescent OLED with Alternating Current Negative Voltage
Jung-Hyun Seoa, Jae-Woong Yanga, Kyeong-Kap Paekb, and Sung-Hoo Jua,*
a
Department of Advanced Materials Science & Engineering, Daejin University, Pocheon 487-711, Korea
b
Department of Electronic Engineering, Daejin University, Pocheon 487-711, Korea (Received 8 June, 2018 ; revised 20 February, 2019 ; accepted 24 March, 2019)
Abstract
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.
Keywords : OLED, Alternating current, Negative voltage, Reverse aging, Dark spot
다층구조 녹색 형광 유기 전계 발광 소자(OLED : organic light emitting diode)가 보고된 이후 OLED 는 차세대 광원 소자로 많은 연구가 진행되고 있다 [1-6]. OLED는 별도의 광학 설계 없이 면광원 형 태의 조명 구현이 가능하고, 종이처럼 얇고 가벼우 며, 발광 색을 결정하는 재료의 다양성으로 인하여 고연색성의 발광이 가능하며, 디자인 자유도가 우 수하여 다양한 용도와 형태의 조명으로 사용이 가 능하다[2-6]. 조명 분야에서 OLED의 경우 직류(DC
: direct current) 전원을 이용하여 구동하는 것이 일 반적이며, 교류(AC : alternating current) 전원을 직 류 전원의 형태로 만들기 위해 AC / DC 변환기를 포함하는 SMPS(switched mode power supply) 방식 이 주로 사용한다. OLED를 상용 교류전원에 직결 로 연결하여 최소한의 보호 회로로 구동할 경우, OLED 조명의 제조원가 절감이 가능하며, 전원 공 급 장치에 의해 결정되는 수명이 OLED에 의해 결 정되어 조명장치의 수명을 크게 개선할 수 있다. 또 한 전원 공급 장치가 소비하는 전력만큼 효율이 개 선되며, 디자인 자유도를 크게 향상시킬 수 있다[5-6].
OLED를 60 Hz의 교류 전원에서 구동할 경우 직 류 구동 OLED 보다 낮은 전압에서 발광이 시작되
*
Corresponding Author: Sung-Hoo Ju
Department of Advanced Materials Science & Engineering, Daejin University
Tel: +82-31-539-1985 ; Fax: +82-31-539-1980
E-mail: [email protected]
고, 낮은 전압 영역에서 직류 구동보다 우수한 효 율을 나타내는 결과를 보여주었다. 또한 여러 개의 OLED를 직렬로 연결하여 상용 교류전원에서 직결 로 OLED 구동이 가능함을 확인한 바가 있다[5].
그러나 OLED 교류 구동의 경우 교류 양 전압 성 분의 높은 첨두치 전압이 OLED의 열화를 일으켜 고전압 영역에서 직류 구동보다 빠르게 열화 되어 휘도 및 효율이 감소하는 결과를 나타내었다. 다만 OLED가 허용할 수 있는 적절한 전압 범위의 교류 양 전압에서는 열화 없이 교류 구동이 가능함을 확 인하였다[6].
본 연구에서는 적색 형광 OLED를 열 기상 증착 법으로 제작하여 교류전원의 음 전압(negative voltage) 성분이 OLED의 전계발광 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 정류회로를 이용하 여 양 전압 성분을 제거한 다양한 전압의 교류 음 전압을 OLED에 인가하여 시간에 따른 전압밀도, 발광휘도, 전류발광효율의 변화를 측정하였다.
2. 실험 방법
그림 1은 교류 음 전압이 OLED의 전계발광특성 에 미치는 영향을 분석하기 위하여 제작한 적색 형 광 OLED의 구조와 각 층의 두께를 나타낸 것이다.
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-tetraphenyl- naphthacene), 30 nm / Alq3, 30 nm / LiF, 1 nm / Al, 100 nm 구조로 제작하였다. 소자 제작에 사용한 기판 은 10 Ω/□의 면 저항을 갖는 ITO가 증착된 유리 기 판을 이용하였다. 소자를 구성하는 각 층은 1.0 × 10-6 torr 이하의 고진공 상태에서 열 기상 증착 법 을 이용하여 유기물은 1.5 Å/sec, LiF는 0.5 Å/sec, Al은 2 Å/sec의 증착속도로 박막을 형성하였다[5-6].
그림 2(a)는 교류 음전압 인가를 위한 전원 공급 장치의 회로도이며, 그림 2(b)는 실제 실험에 사용 한 교류 음 전압 인가 장치의 사진이다. OLED에 전 원 공급을 위한 단자는 총 4개 채널로 구성되며, 입 력 전원 공급원인 변압기에 정류 다이오드를 연결 하여 양 전압 성분을 제거한 교류 음 전압 만이 출 력되도록 하였다. 각각의 채널은 출력 단에 병렬로 구성된 가변 저항을 이용하여 6, 8, 10, 12 V로 출 력 교류 음전압을 조절하였다. 교류 전원의 과전압 방지를 위하여 전원 공급원으로 사용한 변압기의 출력 양단에 바리스터(varistor)를 병렬로 연결하였
다. 이때 출력되는 교류 음 전압의 파형과 전압은 디지털 오실로스코프(Agilent DSI-X2013)와 디지털 멀티미터(Hioki, 3280-10)를 사용하여 확인한 후에 OLED에 인가하였다. 교류 음 전압 인가 시간에 따 른 OLED의 전계발광 특성 변화는 전류-전압-휘도 측정 시스템을 사용하여 측정하였다[5-6].
3. 결과 및 고찰
그림 3(a)는 교류 음 전압의 인가 시간에 따른 OLED의 전류밀도를 나타낸 것이고, 그림 3(b)는 교
Fig. 1. Structure of fluorescent OLED.
Fig. 2. AC negative voltage supply circuit board for
OLED (a) schematic diagram, (b) board image.
류 음 전압의 인가 시간에 따른 OLED의 발광휘도 를 나타낸 것이다. OLED의 경우 정류특성에 의해 교류 음 전압이 인가된 상태에서는 발광하지 않으 므로, OLED에 교류 음 전압을 일정 시간 동안 인 가한 후 전류-전압-휘도의 측정을 위하여 음 전압 인가를 중단한 상태에서 (+) 4.5 V의 직류전원을 OLED에 인가하여 전류-전압-휘도를 측정하였다. 모 든 소자에서 음 전압을 인가한 시간이 경과함에 따 라 전류밀도 및 발광휘도는 감소하는 결과를 나타 내었다. 그림 3(a)의 내부에 삽입된 그래프는 OLED 를 제작한 직후 (+) 4.5 V의 직류전원을 인가하여 흐르는 전류밀도(I0)에 대하여 교류 음 전압을 922 분 동안 인가한 후 (+) 4.5 V의 직류전원을 인가하 여 흐르는 전류밀도(I922)를 감소율(decreasing ratio, (I922/I0) × 100%)로 나타낸 것이다. 그림 4(b)의 내 부에 삽입된 그래프는 OLED를 제작한 직후 (+) 4.5 V의 직류전원을 인가한 OLED의 휘도(L0)에 대 하여 교류 음 전압을 922분 동안 인가한 후 (+) 4.5 V의 직류전원을 인가한 OLED의 휘도(L922)를 감소율(decreasing ratio, (L922/L0) × 100%)로 나타낸 것 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. 그러나 OLED에 인가한 교류 음 전 압의 증가에 의하여 음 전압을 인가한 시간이 경과 함에 따라 음 전압의 증가에 비례하여 전류밀도 및 발광휘도가 크게 감소하는 결과를 나타내었다. 이 러한 결과는 충분히 높은 교류 음 전압이 OLED에 지속적으로 인가될 경우 소자가 발광하지 않은 상 태에서도 소자의 전류밀도 및 발광휘도의 감소를 유발하는 원인이 됨을 보여주는 결과이다.
그림 4는 교류 음 전압 인가 시간에 따른 OLED 의 발광 형상의 변화를 나타낸 것이다. 발광 형상 은 교류 음 전압을 일정 시간 동안 인가한 후 발광 형상의 촬영을 위하여 음 전압 인가를 중단한 상태 에서 (+) 4.5 V의 직류전원을 OLED에 인가하여 사 진을 촬영하였다. OLED에 인가한 교류 음 전압이 6 V에서는 교류 음 전압을 인가하지 않은 0 V 발 광 사진과 비교하여 큰 변화가 생기지 않았으나, OLED에 인가한 교류 음 전압이 8 V 이상으로 상 승함에 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 나타 날 수 있다[7-8]. 따라서 그림 4의 교류 음 전압을
Fig. 3. Current density and luminance of OLED with
AC negative voltage application time
Fig. 4. Light emitting image of OLED with AC negative
voltage application time.
인가한 OLED의 전압과 인가 시간에 비례하는 흑 점의 크기와 개수 증가는 OLED에 형성된 구조적 결함에서 발생하는 전하 쏠림현상에 의해 결함을 중심으로 비 발광 영역이 증가한 것으로 볼 수 있다.
그림 5는 교류 음 전압 인가 시간에 따른 OLED 의 전류발광효율 변화를 나타낸 것이다. 교류 음 전 압을 인가하지 않은 0 V와 6 V의 교류 음 전압을 인가한 OLED의 경우 교류 음 전압 인가 시간에 따 른 전류발광효율의 변화는 거의 나타나지 않았다.
8 V, 10 V, 12 V의 교류 음 전압을 인가한 OLED의 경우 전류발광효율이 증가하는 결과를 나타내었다.
이러한 결과는 OLED의 결함으로 인해 미세하게 형성된 단락영역(short area)을 충분히 높은 교류 음 전압이 끊어주어 전원인가 시 발생하는 누설전류 특성을 개선하는 리버스 에이징(reverse aging) 효과 에 의한 결과로 예상된다[9-11]. 교류 음 전압을 OLED에 인가 한 후 전류발광효율이 최대로 개선 된 지점은 교류 음 전압이 8 V인 경우에는 7 분 동
안 인가한 경우에 11.7% 증가한 결과를 나타내었 고, 교류 음 전압이 10 V인 경우에는 1 분 동안 인 가한 경우에 12.4% 증가하였으며, 12 V인 경우에 는 1분 동안 인가한 경우에 9.1% 증가한 전류발광 효율을 나타내었다. 따라서 10 V의 교류 음 전압 을 1 분 동안 인가한 OLED에서 전류발광효율이 가장 많이 개선된 결과를 나타내었다. 또한 교류 음 전압의 인가전압이 상승함에 따라 OLED의 전류발 광효율이 최댓값에 도달하는 시간은 짧아지며, 최 대 전류발광효율에 도달한 지점에서 교류 음 전압 을 지속적으로 인가할 경우 전류발광효율은 조금씩 감소하는 결과를 나타내었다. 그림 4와 그림 5에서 오랜 시간동안 교류 음 전압을 인가할 경우에는 비 발광 영역을 발생시켜 발광휘도와 전류발광효율을 감소시키나 적절한 시간동안 교류 음 전압을 인가 할 경우 전류발광효율을 개선하는 효과가 있음을 알 수 있다.
그림 6은 교류 음 전압의 리버스 에이징 효과에 따른 OLED의 전계 발광 특성 변화를 분석하기 위 하여 교류 음 전압 인가 시간에 따른 발광휘도와
Fig. 5. Current efficiency of OLED with AC negative
voltage application time.
Fig. 6. Characteristics of OLED with reverse aging. (a)
luminance, (b) current efficiency.
전류발광효율을 나타낸 것이다. D1은 10 V의 교류 음 전압을 1 분 동안 인가한 후 8.5 V의 순방향 직 류전원을 인가하여 경과 시간에 따라 측정한 발광 휘도와 전류발광효율을 나타낸 것이다. D2는 10 V 의 교류 음 전압을 1 분 동안 인가한 후 8.5 V의 순방향 직류전원을 인가하는 과정의 총 13회에 걸 쳐 10 V의 음 전압 교류전원을 1분 동안 인가한 것이다. D2의 교류 음 전압 인가는 I-V-L 측정 전 에 직류전원 공급을 중단한 상태에서 진행하였다.
D3은 교류 음 전압을 인가하지 않고 8.5 V의 순방 향 직류전원을 인가한 경우이다. 초기 발광휘도와 초기 전류발광효율은 D1의 경우 1,029 cd/m2, 6.13 cd/A이고, D2는 1,035 cd/m2, 6.12 cd/A이며, D3는 1,041 cd/m2, 5.65 cd/A이다. 8.5 V의 순방향 직류 전원을 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 5.60 cd/A로 초기 특성 대비 발광 휘도는 52.0%, 전류발광효율은 91.4%로 감소하였 다. D3은 초기 발광 특성과 비교하여 922분이 경 과한 후 발광휘도와 전류발광효율은 448 cd/m2, 4.81 cd/A로 초기 특성 대비 발광휘도는 43%, 전류 발광효율은 85.1% 수준으로 감소하였다. 10 V의 교 류 음 전압을 1 분 동안 인가한 D1의 경우 교류 음 전압을 인가하지 않은 D3보다 발광휘도와 전류 발광효율이 11.2%, 6.9% 개선된 결과를 나타냈다.
D2의 경우에는 D1과 비교하여 발광휘도와 전류발 광효율 감소의 차이가 크지 않으나 D2의 경우 발 광휘도는 2.2%, 전류발광효율은 0.6% 더 감소한 결 과를 나타냈다. 결과적으로 교류 음 전압을 지속적 으로 인가할 경우 OLED 구동 시 시간에 따른 휘 도 및 효율 감소를 가속 시킬 수 있으나, 적절한 교 류 음 전압의 인가에 의해서 OLED 구동 시 발광 시간에 따른 휘도 및 효율 감소를 완화시킬 수 있 음을 알 수 있다.
4. 결 론
교류 음 전압 성분이 OLED의 전계 발광특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 다양한 전압의 교 류 음 전압을 OLED에 인가하여 시간에 따른 전계 발광 특성을 비교하였다. 일정 전압 이상의 교류 음 전압이 지속적으로 인가될 경우 OLED의 발광휘도 및 전류밀도를 감소시키고, 인가된 교류 음 전압의 지속시간 및 전압레벨에 비례하여 흑점의 개수와
크기가 증가하였다. OLED의 전류발광효율은 적절 한 교류 음 전압을 짧은 시간에 인가할 경우 개선 되는 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 인 해 미세하게 형성된 단락영역을 높은 전압의 교류 음 전압이 끊어주어 전원인가 시 발생하는 누설전 류를 개선함에 따른 결과로 판단된다. 10 V의 교 류 음전압을 1분간 인가한 OLED의 경우 발광 지 속시간에 따른 OLED의 발광휘도 및 전류발광효율 저하가 완화되는 결과를 나타내었다. 즉, 적절한 시 간과 전압의 교류 음 전압을 인가하면 발광효율을 개선하는 역할 뿐만 아니라 OLED 구동 시 수명도 개선할 수 있음을 알 수 있다. 그러나 교류 음 전 압을 지속적으로 인가할 경우 OLED의 전계발광 특성 저하를 가속 시킬 수 있음도 확인하였다.
결론적으로 OLED에 교류 음 전압을 지속적으로 인가할 경우 OLED의 발광휘도 및 전류밀도를 감 소시킬 수 있으나, 절절한 시간과 전압의 교류 음 전압을 OLED에 인가할 경우 OLED의 발광효율 및 수명을 개선시킬 수 있다.
References
