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1 저작자표시 - 비영리 - 동일조건변경허락 2.0 대한민국 이용자는아래의조건을따르는경우에한하여자유롭게 이저작물을복제, 배포, 전송, 전시, 공연및방송할수있습니다. 이차적저작물을작성할수있습니다. 다음과같은조건을따라야합니다 : 저작자표시. 귀하는원저작자를표시하여야합니다. 비영리. 귀하는이저작물을영리목적으로이용할수없습니다. 동일조건변경허락. 귀하가이저작물을개작, 변형또는가공했을경우에는, 이저작물과동일한이용허락조건하에서만배포할수있습니다. 귀하는, 이저작물의재이용이나배포의경우, 이저작물에적용된이용허락조건을명확하게나타내어야합니다. 저작권자로부터별도의허가를받으면이러한조건들은적용되지않습니다. 저작권법에따른이용자의권리는위의내용에의하여영향을받지않습니다. 이것은이용허락규약 (Legal Code) 을이해하기쉽게요약한것입니다. Disclaimer

2 2012 년 8 월 석사학위논문 대면적 OLED 조명소자의 보조전극전산모사 조선대학교대학원 첨단부품소재공학과 ( 소재공학전공 ) 이건웅

3 대면적 OLED 조명소자의 보조전극전산모사 Computer Simulation on Auxiliary Electrode for Large Area OLED Lighting Devices 2012 년 8 월 24 일 조선대학교대학원 첨단부품소재공학과 ( 소재공학전공 ) 이건웅

4 대면적 OLED 조명소자의 보조전극전산모사 지도교수 신동찬 이논문을공학석사학위신청논문으로제출함 2012 년 4 월 조선대학교대학원 첨단부품소재공학과 ( 소재공학전공 ) 이건웅

5 이건웅의석사학위논문을인준함 위원장조선대학교교수박진성 ( 인 ) 위원조선대학교조교수강현철 ( 인 ) 위원조선대학교부교수신동찬 ( 인 ) 2012 년 5 월 조선대학교대학원

6 목 차 List of Tables ⅳ List of Figures ⅴ ABSTRACT ⅶ 제 1 장서론 1 제 2 장이론적배경 3 제 2.1절유기발광소자 (OLED) OLED조명의정의 OLED조명의특징 3 제 2.2절 OLED구조및동작원리 OLED의원리 OLED의구조 IR-drop OLED의소자의전류-전압 (I-V) 특성 12 제 2.3절 OLED의분류 발광재료 발광방식 구동방식 22 제 2.4절 OLED의제조공정 기본적인 OLED 제조공정 26 i

7 2.4.2 OLED 증착기술 전산모사방법 28 제 3 장실험방법 31 제 3.1절 OLED 소자제조 31 제 3.2절소자측정 35 제 3.3절전산모사모듈제작 35 제 4 장결과및고찰 39 제 4.1절시뮬레이터검증 39 제 4.2절보조전극간거리에따른전류-전압특성 41 제 4.3절보조전극간거리에따른 Total current density 특성 42 제 4.4절 Alq3 두께에따른전류-전압곡선및 Total current density 특성 48 제 4.5절 NPB 두께에따른전류-전압곡선및 Total current density 특성 51 제 4.6절 Alq3와 NPB의두께에따른전류-전압곡선및 Total current density 특성 54 제 5 장결론 57 참고문헌 58 ii

8 감사의글 61 iii

9 List of Table Table 1. OLED structure according to the driving method 24 Table 2. Material parameter used simulation of the OLED lighting device 38 iv

10 List of Figures Fig. 1. Driving methods of OLED lighting 6 Fig. 2. Charge carrier injection process at the Mater-organic layer interface 14 Fig. 3. Log current log voltage plot 15 Fig. 4. Exciton formation process OLED 16 Fig. 5. Structure and the light emitting principles of OLED 17 Fig. 6. (a)structural diagram of OLED lighting (b)diagram of OLED lighting 18 Fig. 7. Diode to conduct (a)equilibrium (b)forward-biased (c)reverse-biased 19 Fig. 8. I-V curve of PN junction 20 Fig. 9. Structure of PMOLED and AMOLED 25 Fig. 10. Fabrication process of OLED lighting device 30 Fig. 11. Thermal evaporator for fabrication of device 32 Fig. 12. Structure of OLED thermal evaporator chamber 33 Fig. 13. Manufacture OLED lighting test device 34 Fig. 14. Input and output of ATLAS system 36 Fig. 15. Base structure of OLED lighting devices for simulation 37 Fig. 16. I-V characteristics of simulation model and measure model 40 Fig. 17. I-V curve by auxiliary electrode space 44 v

11 Fig. 18. Total current density by auxiliary electrode space 45 Fig. 19. Total current density rate of 20% point from edge with auxiliary electrode space 46 Fig. 20. Current uniformity mm2 simulation device 47 Fig. 21. I-V curve by thickness of Alq3 layer 49 Fig. 22. Current density by thickness of Alq3 layer 50 Fig. 23. I-V curve by thickness of NPB layer 52 Fig. 24. Total current density by thickness of NPB layer 53 Fig. 25. I-V curve by thickness of NPB and Alq3 layer 55 Fig. 26. Total current density by thickness of Alq3and NPB 56 vi

12 ABSTRACT Computer Simulation on Auxiliary Electrode for Large Area OLED Lighting Devices Keon Ung Lee Advisor : Dong Chan Shin, Ph.D. Department of Advanced Parts and Materials Engineering Graduate School of Chosun University As much attention has been focused on green growth and energy industry, illumination industry also demands high efficiency illumination devices. OLED(organic light emitting diode) lighting is promising next generation lighting device due to thin, light weight, and diffuse lighting source. As the area of OLED lighting device increases, the device however may have non-uniform brightness due to high resistance of ITO layer. In this dissertation, the effects of auxiliary electrode distance and organic layer thickness on total current density and I-V curve of OLED are studied. The basic structure of OLED lighting device is Al(150 nm)/alq3(50 nm)/npb(50 nm)/ito(100 nm)/glass. The distances between the auxiliary electrodes of the OLED lighting device are varied with 1,000 μm, 2,000 μm, 4,000 μm, and 8,000 μm while the thicknesses of the Alq3 and NPB are 50 nm, 100 nm, and 200 nm. Driving voltage of I-V curves shows no change according to the distance between auxiliary electrodes. The turn-on voltage of each device shows exactly same value of 2.0 V at all conditions. When the distance between auxiliary electrodes increases, IR-drop phenomenon is much enhanced due to high resistance of ITO layer. The IR-drop is more affected by thickness of the Alq3 layer than by thickness of NPB or by the distance of the auxiliary electrodes. When the thickness of organic layer vii

13 increases, the IR-drop decreases. To reduce IR-drop and to realize uniform brightness, the resistance of organic layer should be adjusted to the total resistance of cathode and anode. viii

14 초록 대면적 OLED 조명소자의보조전극전산모사 이건웅지도교수 : 신동찬첨단부품소재공학과조선대학교대학원 최근녹색성장및에너지산업에대한관심이높아지면서조명산업에도저전력친환경의새로운조명용광원의필요성이높아지고있다. 특별히 OLED 조명은얇고, 가벼운차세대면광원으로주목받고있다. 조명이대면적화됨에따라 ITO의높은저항때문에불균일발광이일어난다. 본연구에서는보조전극간간격과유기물층의두께가 OLED소자의 total current density와전류-전압곡선에미치는영향을조사하였다. OLED소자의기본구조는 Al(150 nm)/alq3(50 nm)/npb(50 nm)/ito(100 nm)/glass로설계되었다. 전산모사변수로써 OLED소자의기본구조중보조전극의간격을 1,000 μm, 2,000 μm, 4,000 μm, 8,000 μm으로변화시켰으며또한유기물층인 NPB와 Alq3의두께를 50 nm, 100 nm, 200 nm 로변화시켰다. OLED소자에서보조전극의간격이변화하여도모든소자에서구동전압이 2.0 V 로동일하였으며전류-전압곡선도거의영향을받지않았다. 하지만보조전극간거리가증가함에따라 ITO의높은저항으로인하여 IR-drop현상도크게증가하였다. Alq3층의두께증가는 NPB층의두께증가와보조전극간거리보다 IR-drop에큰영향을주었다. 모든소자에서유기물층의두께가증가할때 IR-drop는감소하였다. IR-drop을감소시켜균일한발광을하기위해서는유기층, 양극, 음극의저항을조절하여야한다. ix

15 제 1 장서론 최근녹색성장및에너지산업에대한관심이높아지면서조명산업에도저전력친환경의새로운조명용광원의필요성이높아지고있다. 조명은전세계전력소모의약 19% 를점유하고있으며이로인해 CO 2 배출량이연간 17억톤인주요한에너지소비원으로서고효율화를위한광원의필요성이대두되고있다. 1)2)3) 1879년에디슨에의하여발명되어현재까지사용되고있는백열등은저렴한비용과다양한용도로인하여일반조명용광원으로가장많이사용되고있다. 그러나효율특성이 20 lm/w에불과해세계각국에서사용규제를논의하거나의결하고있다. 이에반해 1938년에개발되어효율은백열등의 7~8배인형광등은적은열발생과저전력인하여꾸준히사용되고있지만수은을사용한다는문제점을가지고있어이를대체할수있는환경친화적인신규광원이필요하다. 이러한필요성에부합되는신규광원으로서 LED, OLED와같은반도체조명개발이높은관심을받고있다. 4) LED와 OLED는이름자체에서는큰차이가없다. 하지만제조방법및특성등에서는큰차이점이나타난다. LED 조명은차세대조명으로손색이없다. 그이유로는첫째고효율저전력이라는점이다. 현재 LED 광원은백열등전력소비량의 20% 수준에불과하다. 둘째친환경적이다. LED는수은을비롯한다른환경오염물질을포함하고있지않다. 셋째 LED 조명의수명이매우길다. LED 업계에따르면 LED 조명은백열등보다약 80~100배, 형광등보다약 10배의긴수명을가진다고한다. 넷째공간의효율성을들수있다. LED BLU(Back Light Unit) 의두께가이미 1cm 벽을넘어선지오래이다. 반면백열등은주먹만한크기이고, 형광등도 LED 광원두께의 4배가넘는다. 5) 이러한장점에도불구하고 OLED 조명이더각광받는데는 LED는점광원이므로면광원을만들기위해서는도광판이나확산판이필요하며열이많이발생하므로방열판이필요해두께가두꺼워지고소량의자외선이나온다. 반면 OLED 는두께가매우얇은면광원으로얇은면조명으로제작이가능하며자극적이지않는감성조명으로써 LED 조명보다조명으로더적합하다고할수있다. 또 OLED 조명소자는 LED 소자에비해응용범위가넓고구조와제조공정이간단하여공정시간단축및공정장비단순화가가능하다는장점을가지고있다. 6) 최근, OLED는조명용소자 (lighting devices) 로서의가능성에대해서도큰관심을모으고있다. 그러나상용화를위해소자수명을 2~3만시간이상으로향상시켜야하며, 발광효율을높 - 1 -

16 여야하고, IR-drop문제를해결함으로써균일한발광을할수있어야한다. OLED 조명에서의 IR-doop은기존에는없었던문제로써조명이대면적화됨에따라 TCO의높은저항때문에전압강하가발생하여그에따라불균일발광이일어나는한다. 7) 이러한전압강하를줄이기위하여 TCO의표면저항을줄이거나유기물층과 TCO의저항비를조절하는등의방법이연구되고있다. 8) 그러나반복되는공정을통해물질및구조에따른소자성능을확인하는것은시간과비용의문제가크기때문에본연구에서는전산모사프로그램인 ATLAS Tool을이용하여대면적 OLED 조명소자를설계였으며보조전극의간격과유기물층의두께가전류-전압곡선과 total current density에미치는영향을조사하였다

17 제 2 장이론적배경 제 2.1 절유기발광소자 (OLED) OLED 조명의정의 OLED조명소자는전기에너지를광에너지로전환하는반도체자발광소자로써, 기존의광원에비해에너지효율이높고친환경적이며면조명으로이상적인광원으로각광받고있다. 조명용 OLED 소자의기본구조는 Fig.1 에나타내었다. 조명용 OLED는유리판등의기판위에여러층으로된유기물을음극 (cathode) 과양극 (anode) 이감싸고있는샌드위치구조이다. 이러한조명용 OLED소자에수볼트의전압을인가하여전류를흘릴경우유기박막내에서발광하게된다. 즉, 전류주입에의해유기분자를여기상태로올릴경우원래의기저상태로돌아올때여분의에너지를빛으로방출한다. 또한 OLED 조명소자는경량, 고휘도, 높은시야각등의장점을기반으로일반조명, 자동차및의료용조명, 백라이트등의다양한활용이가능하다 OLED 의특징 조명용 OLED는기존의 OLED 공정을그대로사용할수있을뿐아니라구조가단순하여, 미세하고정밀한패턴이필요치않고공정이단순하여대형투자를필요로하지않는다. 디스플레이와조명용 OLED는공통적인기술요소를갖는동시에각각의특징적요소를갖고있다. 9)10)11) 유기발광다이오드의특징을열거하면다음과같다. 1 자발광형이므로콘트라스트 (constrast) 가높다 2 시야각의존성이없어서시인성이우수하다. 3 응답속도가매우빠르다. 4 패널구조가간단하기때문에매우가볍고얇게만들수있다. 5 패널구조가간단하여제조공정을단순화시킬수있어서저가격화가가능하다. 6 완전고체구조이므로견고하다. 7 플라스틱필름등을사용한경우플렉서블조명이가능하다. 유기발광다이오드소자의발광은외부로전압을인가할경우전자와정공의주입이일어나며유기물이여기상태가된다. 이때여기된캐리어가원래의안정한에너지상 - 3 -

18 태로돌아올때여분의에너지를그재료의고유한빛으로방출하게된다. 이러한유기발광다이오드는디스플레이이외에조명기기등의광원으로기대된다. 발광층에여러층의발광영역을만들거나또는여러발광재료를혼합함으로써복수의발광을동시에얻을수있는백색발광이가능하다. 따라서매우얇고가벼우며안전한값싼광원을만들수있어조명세계를크게변화시킬수있다. 12) - 4 -

19 Fig. 1. Structure of OLED lighting device - 5 -

20 제 2.2 절 OLED 구조및동작원리 OLED 의원리 OLED는유기물에서전자가낮은에너지상태로천이하면서발광하게되는데이때천이하는에너지의차이를조절하여색을구현한다. 에너지차이는빛의파장과관련되어있기때문에밴드갭을조절하여원하는파장의빛을구현할수있다. 음극 (Cathode) 과양극 (anode) 에전압을걸어각각전자와정공을주입하여, 양극은정공의주입이용이하도록일함수가작은금속을주로사용한다. 두개의전극사이에유기물을배열하고전기를가하면전자는전자수송층 (ETL: Electron Transport Layer) 을통하여발광층 (EMl: Emission layer) 으로이동하고, 정공은정공수송층 (HTL: Hole Transport Layer) 을통하여발광층으로이동한다. 유기물인발광층내에서재결합할때형성되는높은에너지의여기자가기저상태로떨어지면서빛을발생한다. 이로인해발광층을구성하고있는유기물질의종류에따라빛의색이달라지게되며적색, 녹색, 청색빛을내는각각의유기물질을이용하여모든색의구현이가능하다. 1) 운반자주입단계전극으로부터운반자들이주입되는과정에는운반자가금속과유기물사이의에너지장벽을넘거나관통하는세가지과정의모델이있다. 첫째는 Fig. 2 (a) 와같이낮은전기장에서열적으로활성화되는과정이고둘째는 Fig. 2 (b) 와같이높은전기장에서관통하는과정이며마지막셋째는 Fig. 2 (c) 와같이구조상의결함이나불순물에의해발생한국소적인에너지준위를매개로하는주입이있다. 열전자방출모델은에너지장벽의높이보다큰에너지를갖는운반자들이열여기를통해장벽을넘어유기물로주입되는과정으로운반자의주입에에너지장벽이있다는명백한증거는전류밀도가소자에가해지는전기장에선형적으로좌우되지않고비선형적으로좌우된다는것이다. 열전자방출에서전하가주입될때의에너지장벽의높이 ɸb 를갖는삼각형모양으로가정하면 (2-1) 과 (2-2) 같은식으로나타낼수있다. exp (2-1) - 6 -

21 exp exp (2-2) 여기서 J S 는포화전류밀도, A * 는 Richardson상수, m * 는전자의유효질량, k는볼츠만상수, T는온도, h는프랑크상수, 그리고 ɸb는에너지장벽이다. 열전자방출의경우전류밀도가절대온도제곱에비례하므로온도의영향이매우크다고할수있다. 운반자주입에대한또하나의가능성인파울러노르드하임형터널주입은 (2-3) 과같은식으로나타낼수있다. exp (2-3) 여기서 m 0 는자유전자의질량, m * 는유효질량그리고 V는인가전압이다. 위의식에있어서 ~10 6 V/cm 정도의전계강도가인가된경우추정되는터널거리는약 10 nm를넘게되어이는현실적인값이될수없다. 따라서 1nm 정도의터널거리를가정할때유기층분자 / 금속전극계면에는약 10 7 V/cm 의국소적인고전계를발생시켜야한다. 분명히터널주입기구에서전류밀도-전압특성을설명할수있는경우도다수있으나온도특성을측정하면터널기구로는설명하기가어려운경우가많다. 이와같이유기반도체의전류밀도-전압특성의온도의존성은캐리어주입과수송현상에복잡하게연관되어있으며온도에의해변화하는현상이다. 13)14) 2) 운반자이동단계전하운반자가유기물내에주입되면정공은음극쪽으로, 전자는양극쪽으로이동하게된다. 물질내에트랩이없거나, 있어도전하수송층에크게영향을끼치지않는상태라면전하의운송은단위인가전압에대해전하의평균표류속도를나타내는 mobility μ로나타낸다. 이때에나타나는표류전류는 J μ 는 (2-4) 와같은식으로나타낼수있다. 이는 ohmic 전도에해당한다. 여기서 n은자유전하와 Trap 준위의수밀도 n f, n t 의합이고 μ e 는유효 mobility이다. 캐리어이동도를나타내는 μ eff 는아래와같이나타낼수있다

22 (2-4) 이는 ohmic 전도에해당한다. 여기서 n 은자유전하와 Trap 준위의수밀도 n f, n t 의 합이고 μ e 는유효 mobility 이다. 캐리어이동도를나타내는 μ eff 는 (2-5) 와같은식 으로나타낼수있다. (2-5) 이러한 Ohmic 전도는낮은전압에서금속으로부터전하운반자가과도하게주입되지않을때관찰할수있다. 전극을통하여외부로부터전압이가해져서전하가주입되면모든전하가유기물내부로흐를수없게되는데, 이것은공간전하가형성되기때문이다. 유기물은낮은전하운반자이동도때문에주입된전하운반자가쉽게반대쪽전극으로흐르지못하고공간적으로정체되어있는형상을보이는데이를 Space Charge라고한다. 이러한상태에서유기물을통하여흐르는전류는 Space Charge에의해영향을받으며, 이것을공간전하제한전류 (Space Charge Limited Current: SCLC) 라고한다. 유기반도체내에트랩이없는경우 SCLC는 (2-6) 과같은식으로나타낼수있다. (2-6) 여기서 μ eff 는캐리어이동도, ε 0 는진공의유전율, ε유기박막의유전율, V는인가전압, L 은박막두께를나타낸다. 위의식에서 SCLC로전류밀도를결정하는재료물성값의유기물의유전율과이동도이다. 또한전류값은전압의제곱에비례하여박막두께에 3제곱에반비례함을알수있다. 실제로유기반도체내에많은트랩이존재하며캐리어이동에큰영향을미친다. 주입된전자는트랩에갇혀서전류값은감소하게된다. 이경우흐르는전류값은 J 에 θ를곱한값과같다

23 exp (2-7) 여기서 n e 는트랩되지않은전자밀도, n t 는트랩된전자밀도, Nc는전도대하단의유효상태밀도, N t 는트랩에너지준위, E c 는전도대하단의에너지, k B 는볼츠만상수이다. 얕은트랩이존재할때 SCLC에의한전류-전압특성은 Fig. 3의실선으로표시한곡선을가리킨다. 그리고임계전압 V th 는전극으로부터캐리어주입이내부캐리어를초과할경우거의수직하게전류값이증가한후전압의제곱에비례하는전류가흐르게된다. 전류의급격한증가는주입된전자에의해얕은트랩이채워지는상황을반영하는것으로볼수있다. 모든트랩이채워지면다음에주입된전자는실제트랩이없는상태와같은상황이되기때문에트랩이없는 SCLC의관계식으로표현될수있다. 15) 3) 엑시톤형성단계양극과음극에서주입된정공과전자는유기물을통하여발광층쪽으로이동한다. 이동하던정공과전자는발광층의발광영역에서재결합하여정공-전자쌍극엑시톤을형성한다. 엑시톤의형성은 OLED 의발광현상을설명하는데있어필수적이며그형성과정은다음과같다. 첫번째모델에서발광물질을 D, 정공수송물질을 A로표현하면, 정공수송물질의라디칼양이온에의한발광물질의라디칼음이온의직접적인여기가가능하다. (2-8) 또다른모델은서로다른두운반자의반응에의한정공수송물질의여기과정을 포함한다. 이경우는정공수송물질의여기에너지가전의를통하여발광물질로전이 되는과정으로설명하는방법이다. 16) (2-9) (2-10) - 9 -

24 4) 발광단계 OLED의발광에는 Fig. 4과같이형광과인광 2종류가있다. 일반적으로, 형광이란백색광이나자외선등이조사된시간만큼발광하고조사가멈추면즉시발광이없어지는현상을말한다. 전자와정공의재결합에의한여기상태에서기저상태로돌아갈때꼭발광이일어나는것이아니라전이정도에따라서발광이일어나지않고열에너지로방출되는경우도많다. 일반적으로전자에너지가여기상태에서기저상태로돌아가는방법은 2가지가있다첫번째는일중항여기상태에서직접기저상태로돌아가는방법으로, 이때방출되는빛을형광이라한다. 두번째방법은, 불안정한일중항상태에서직접기저상태로돌아가지않고, 에너지가약간안정된상태인삼중항여기자상태를한번경유하여기저상태로돌아가는방법이다. 그리고삼중항상태에서기저상태로돌아갈때방출되는빛을인광이라고한다. 17) OLED 의구조 OLED는 Fig. 5 번과같이양극과음극사이에유기박막층이있는구조를기본으로하고있다. 양극으로는 ITO(indium Tin Oxide) 와같은투명전극을음극에는 Ca, Al, Au 와같은금속을사용한다. 일반적으로기판은유리를사용하지만유연성이있는플라스틱이나 PET 필름등을사용할수있다. 10) 유기박막층의재료는저분자또는고분자물질로구분하는것이일반적이다. 저분자물질은진공증착법으로, 고분자물질은스핀코팅방법으로박막을형성한다. 유기박막층은발광층을위하여단층으로도제작이가능하나, 주로여러유기물질의다층구조로사용하여발광효율을높인다. OLED를다층박막구조로제작하는이유는유기물질의경우정공과전자의이동도가크게차이나므로, 정공수송층과전자수송층을사용하여정공과전자가발광층에효과적으로전달되고, 밀도가균형을이루어야발광효율이높아지기때문이다. 또한음극에서발광층으로주입된전자가정공수송층 / 발광층계면에존재하는에너지장벽에의해유기발광층에갇히게되면재결합효율이향상된다. 19) 엑시톤의확산되는길이는 10~20nm 정도인데, 음극바로앞에사용되는 ETL 의두께가 20~30nm 정도가되게하면발광층이음극으로부터엑시톤확산길이이상으로떨어지게되어엑시톤이음극에의해소멸되는것을방지할수있어발광효율이개선되는효과를얻을수있다. 18) 유기발광다이오드의외부양자 (ƞ ext ) 는 (2-8) 과같이나타낼수있다. 1전하균형 (Chanrge balance) 2여기자생성효율 (ƞ r ) 3여기상태로부터내부발광양자수율 (Ⲫ p ) 4광

25 방출효율 (ƞ p ) 의 4개항의곱으로표현한다. 여기서전하균형 γ은전자와정공의주입수송비율 (γ it ) 과전자와정공의재결합확률 (γ r ) 로분리할수있다. 최고의유기발광소자의발광효율을실현하기위해서는이들 4개의인자가모두 100% 에가까운값을얻을수있다. (2-11) (2-12) 여기서,γ는정공수송층과전자수송층의적층구조를형성하고 Ⲫ p 는내부발광양자수율이높은재료를사용함으로써비교적쉽게 100% 그러나유기발광다이오드의양자효율을개선하기위한제 1과제는 ƞ r 을향상시키는것이다. 전자와정공이재결합할때분자내외로부터커다란자극이없는경우스핀배열통계원칙에따라일중항여기자와삼중항여기자는 1:3의비율로형성된다. 15)19) 따라서형광재료를사용한경우 ƞ r 는최대 25% 의낮은발광효율에머무르게된다. 또한제 2의과제는굴절률이높은유기층에서빛을방출하는효율을들수있다. 보통소자의경우 ƞ p 는약 20% 의낮은값을나타내며이것이유기발광다이오드의효율을크게떨어뜨리는원인중의하나가되고있다. 20) 따라서형광재료를발광분자로사용하는한최대외부양자효율은각각의요소를곱하여계산하면된다. 즉, (2-13) 로계산할수있다. 만일삼중항여기자를발광천이분자로써이용할수있다면원리적으로는 3배이상특히일중항에서삼중항으로항간교차 (ISC:Inter system Crossing) 의확률이 100% 이면형광재료보다약 4배의발광효율을향상시킬수있다. 형광재료에있어서도삼중항여기자와삼중항여기자의충돌에의해일중항여기자가생성되어전체일중항여기자의생성확률로서이론적으로는최대 40% 까지 ƞ r 를증가시킬수있다고보고되어져있다. 15)21) 고분자재료에대해서는저분자재료와달리여기자생성비율이 1:3으로나타나지않고일중항여기자가높은비율로생성되는것으로알려져있다. 그럼에도현재의고분자계유기발광다이오드효율은 5% 정도로매우낮다

26 2.2.3 IR-Drop 단위테스트소자에서의효율과수명에대한연구는활발하게이루어지고있지만 OLED가주조명으로사용되기위해서는대면적화가가능해야한다. 하지만소자에사용되는투명전극 (TCO: Transparent conducting oxide) 의저항때문에밝기의균일도가급격히감소하는현상 IR-drop가일어나소자의수명및성능을감소시킨다. 일반적으로전자에서말하는 IR-drop 는 power distribution network 의 RC 성분과회로가소모하는전류에의해서발생한다. 이것은회로의소자들에전달되는공급전압을떨어트려서회로의 timing 불확실성을증가시키고 slew rate를느리게하여결과적으로회로의성능저하와회로에서소모하는전력은증가시킨다. IR-drop는은평균전류또는평균전력과저항에의해서발생하는 Static IR-drop 과시간에따라서변하는전류에의해서발생하는 dynamic IR drop 으로구분할수있다. 조명용 OLED 에서는 static IR-drop이발생한다. 대면적 OLED의 IR-drop를막는방법으로는첫째 TCO의저항을줄여전공이멀리갈수있게하는방법. 둘째 Fig. 6과같이투명전극저항 (R TCO ) 소자저항 (R DEV ) 보다상대적으로높으면전류는패널가장자리부근에서소자로흐르게되어발광균일도는저하된다. 그러므로대면적패널발광균일도를향상하기위해 R TCO 와 R DEV 의비율을고려하여소자구조를설계하는방법. 셋째금속의보조전극과인슐레이터를사용하여 TCO의투과도를유지한채저항을줄이는방법등이연구사용되어지고있다. 22) OLED 의소자의전류 - 전압 (I-V) 특성 OLED는 p형과 n형반도체를붙여놓은 pn접합다이오드이다. 저항이나코일등과같이 pn접합다이오드는인가된전압의극성에따라다이오드를통해흐르는전류의크기가크게달라진다. 다이오드에서 p쪽에높은전위를가진전압을거는것을순방향전압 (forward bias) 를건다고하고, 반대로 n쪽에높은전위를가진전압을거는것을역방향전압 (reverse bias) 를건다고한다. 먼저순방향전압을걸어주었을때는 Fig. 7 (b) 같이 p쪽의양전하를띈정공이 n쪽으로넘어가게되고, n쪽에서 p 쪽으로넘어가는전자도이와같다. 따라서순방향전압이걸린경우다이오드는도체의성질을가진다. 반대로 Fig. 7 (c) 와같이역방향전압을걸어주었을경우공핍영역이커짐에따라전류가흐르지않게된다. 다이오드에서의전류-전압특성은다음과같은식으로나타낼수있다

27 (2-14) 여기서 T 는절대온도, I S 는역방향포화전류 (reverse saturation current), V 는전압 이다. 따라서 OLED 는 (2-10) 식에따라 Fig. 8 과같이비선형전압특성을갖는다. 23)

28 Fig. 2. Charge Carrier injection processes at the Metal-organic layer interface 15)

29 Fig. 3. Current and voltage plot by trapped charge limited current. 15)

30 Fig. 4. Exciton formation process in OLED

31 Fig. 5. Structure and the light emitting principles of OLED device 15)

32 Fig. 6. (a) Structural diagram of OLED light (b) diagram of OLED lighting

33 Fig. 7. Diode to conduct (a) equilibrium (b) forward-biased (c) reverse-biased

34 Fig. 8. I-V curve of PN junction

35 제 2.3 절 OLED 의분류 발광재료 OLED 는유기물층의발광재료에따라분류하는데, 유기물질의분자수가 10 만이하 인것은저분자로, 그이상인것은고분자라고한다. 1) 저분자재료저분자 OLED는저분자량의형광색소를사용하여, 긴수명과발광효율면에서고분자 OLED보다유리하나, 솔벤트등에녹지않아가루형태의형광물질을진공증착하는공정때문에대형화및균일도의유지가어려운단점을가진다. 2) 고분자재료고분자 OLED는낮은구동전압및제조공정이간단하고솔벤트등을이용해녹인용액상태로스핀코팅이나잉크젯방법을사용하여성막하며고해상도와대면적화면구현에서저분자 OLED보다유리하다. 하지만아직기술이검증되지않았고수명이짧아장수명기술을개발중이다. 또한색순도와발광효율면에서저분자방식보다기술이떨어진다 발광방식 전자가전류에의해여기되어생성된엑시톤은그전자쌍의스핀방향에따라단일항엑시톤과삼중항엑시톤으로나뉜다. 단일항엑시톤의경우전자의스핀방향이쌍을이루어있으며, 삼중항엑시톤은전자의스핀방향이나란히놓이게된다. 스핀통계법칙에따라단일항엑시톤은 25% 의비율로생성되면삼중항엑시톤의경우 75% 의비율로생성된다. 1) 형광형광은재결합된여기자의 25% 만을발광에이용할수있기때문에, 내부양자효율이최대 25% 이며, 외부양자효율은이론적으로약 5% 정도밖에도달하지못해저조하지만, 짧은여기수명으로인해수명으로인해손실이거의발생하지않고기저상태로천이하

36 며발광하기때문에높은효율을기대할수있다. 2) 인광인광은전체엑시톤 75% 를사용함으로서양자효율은높일수있으나, 엑시톤의여기수명이길고이로인한삼중항-삼중항소광현상으로인해에너지가열로손실되어높은발광효율을기대할수없게된다. 또한상온에서높은인광효율을갖는물질을찾아내는것또한쉽지않다. 이러한문제를해결하기위해중금속에리간드를결합하여분자내의강한스핀궤도상호작용을일으켜천이를빠르게하여삼중항엑시톤의방사손실을줄인다. 24) 3) 하이브리드형광소재를사용하는경우에는소자안정성면에서는우수하지만고효율을얻는데한계를가지고있으며, 인광소재를사용하는경우에는고효율을얻을수있지만안정적인청색소재가없다는문제점이있다. 이러한두가지소재의문제점을상호보완하고자하는노력으로청색은형광소재를사용하고그외의색상은인광소재를사용하는하이브리드방식의연구가활발하게진행되고있다. 25) 구동방식 26) 구동방식에따라 Fig. 9과같이분류할수있다. 하나이상의 TFT를사용하여픽셀을동착시키는능동구동방식과구동소자없이양극과음극을매트릭스방식으로교차배열하여전압을인가할때양극과음극이교차되는픽셀에서빛이발생하도록하는수동구동방식으로분류된다. 1) 수동구동방식 (PMOLED; Passive Matrix OLED) 수동형 OLED의경우화면표시영역에양극과음극이교차되는부분인화소에서빛이발생하여화상을표시하는형태이다. 능동형에비해제조방법이간단하나유기재료의열화가빨리진행되어수명이짧으며, 화면이커지면서화소간간섭이발생, 응답속도의지연, 전력소모량의급증등의문제가있으나제어가용이하며, 저가의생산이가능하고리드타임이짧으며디자인설계변경이비교적간단하여현재사용이많이줄었으나저해상도, 소형OLED 의제조및조명에사용되고있다

37 2) 능동구동방식 (AMOLED; Active Matrix OLED) OLED의경우화소마다낮은전류로 TFT(Thin Film Transistor) 구동이가능하여소비전력, 해상도및대면적화측면에서유리하나수동형방식에비해제조공정이복잡하고 TFT회로구성이어렵다는단점이있으나수동형방식에비하여비효율적인 순차발광 단점이해결가능하기때문에전체적으로동시에구동이가능하다

38 Table 1. OLED structure according to the driving method Passive Matrix Duty 구동구동법 (Row line 선택시점등 ) 고휘도고정세화 Row line수증가에따라높은순간휘도요구 Row line수의한계 Active Matrix Static 구동 ( 시점등 ) Row line 수에관계없이고휘도실현가능 저소비 순간휘도 =Row line X 휘도요구휘도의구동전압 구동전력고전압구동저전압구동소형화 구동 IC 외장 구동회로 Panel 내부내장 Simple process 저온 poly Si TFT+ 유기띠소자구조 Low cost 복잡한 Process *PM 의경우높은순간휘도 (Lp) 가요구됨 - 수명, 소비전력에불리

39 Fig. 9. Structure of PMOLED and AMOLED device

40 제 2.4 절 OLED 의제조공정 기본적인 OLED 제조공정 기본적인구조를지닌 OLED의제조공정은순서에따라패턴형성공정, 박막증착공정, 봉지공정및모듈조립공정등으로크게분류한다. Fig. 10 은 OLED 조명소자의제조과정을나타낸다. 전형적인기본 OLED 소자의제조과정을나타낸다. 먼저그림에서의제조공정과같이기판위에양극전극인 ITO를증착한후에 photo 공정을이용하여 patterning을하게된다. 기판의표면에돌기나이물질등은소자의단락및쇼트를초래할수있기때문에반드시제거되어야한다. 보통 ITO의면저항은약 10Ω/ 정도이며, 일함수는대략 5.0 ev 정도이다. 이후, 세정된 ITO/Glass 기판은약 10 0 로열처리하여진공증착을하게되는데, 이는기판상에존재할수있는수분을제거하기위한것이다. 수분은전극의부식시키거나화면의흑점을야기할수있음으로없애야한다. 다음공정부터는진공이나질소등의기체분위기하에서진행하게되는데, 유기발광층을형성한후에음극전극을증착하고매트릭스를구성하기위해다시전극을패터닝하게된다. 일반적으로유기물증착은다층으로도핑 (doping) 이필요하기때문에여러개의증착원이필요하며, 동일한증착장비에서다른증착원에의한오염의문제를방지하기위해셔터 (shutter) 을반드시설치하여야한다. 음극재료로서 Al 이많이사용되는데이는 Ca, Li, Cs 등과같은알칼리금속의전극보다산화에강하며타금속에비하여일함수가낮고전기전도도가우수하다. 그리고소자의봉지공정으로는 cover Glass, 금속케이스나보호막을이용하여소자를감싸게되며, 미량의수분이라도침투하지않도록건조제로서산화바륨 (BaO 2 ) 을함께봉입하게된다. 다음단계로외부구동회로부와접속하여모듈조립공정으로마무리한다. 이상과같이제조공정은매우간단하여, 제조온도가낮아생산성등에서많은장점을가진다. 26) OLED 증착기술 OLED는이미기술한바와같이발광재료, 적층방법및구동방식등에따라여러종류로분류할수있다. 따라서증착장비도매우다양하지만, 저분자 OLED 의제조장비는진공열증착장비 (thermal evaporation system) 를주로사용한다. 증발증착으로

41 박막을형성하는방법은 1857년 Faraday가처음개발하였는데, 불활성기체내에서금속 wire를폭발시키는방식으로박막을증착하였다. 이후 1887년 Nahrwold는백금 wire를 Joule heating 시키는방법으로박막을형성하였다. 유기재료는무기재료와달리높은증기압을가진물질이많고, 증발이가능한온도도 100~500 까지폭넓게분포한다. OLED에서사용하는재료는다음과같은특성을갖는다.1높은증기압을가지며,2고온에서분해및변성이용이하지않고,3분말상태에서열전이도가낮다. 또한, Full color를위해 host 재료에첨가되는도펀트 (dopant) 재료의비율은 0.5~2 mol% 정도로조절이가능하여야한다. 박막증착의원리는진공중에금속이나합금등을가열하여증발하는입자들이기판의표면에박막을형성하는방법으로, 이를진공증착박막법이라한다. 증착되는재료의형성단계를살펴보면, 고체나액체상태의재료가기상으로천이하여소스 (source) 로부터기판으로이동하고, 기판에도달한기상의재료가응축하면서박막을형성한다. 이러한증착법은장치의구성이비교적간단하고, 다양한물질을적용할수있으며, 박막의형성원리가용이하기때문에박막성장이나핵생성이론및박막의물성에대한분석이쉽다는등의특징이있다. 박막을증착하기위해증착물질은충분히기상이되어 vapor하도록가열하여야하며, 이를위해증발원 (evaporation source) 이필요하다. 이때, 증발원이갖추어야할요건으로는먼저증착물질과반응이없어야하고, 가열하였을때에자체증기압이낮아야하며, 산소나질소등의분해가스가발생하지않고, 가공성및열적인순응성이우수하여야한다. 만일, 증착물질과증발원의재료가화학적으로반응을일으키게되면, 오염물질을방출하거나녹는점이변할수있다. 증발원의소재로가장적합한재료로는녹는점이높은내화성금속, 산화물, BN(boron nitride) 및 carbon 등이있으며, 저분자용 OLED 에서는텅스텐 (W) wire 열선으로사용한다. 기존에는텅스텐재질의 boat가장착된저저항가열방식의증발원을이용하여유기재료를증착시켰지만, 가열시에발생하는열분포의불균형으로인하여유기재료와금속증발원의접촉부분에변성이일어날가능성이있어큰문제가될수있다. 따라서열전도가양호하고증발속도에대해조절이용이한구조를가진증발원의개발이매우중요하다. OLED에는여러종류의재료가적층구조로박막을구성되어만일동일한진공챔버내에서증착할경우, 유기증발원상호간의영향이불가피하며, 더욱이도펀트를사용하게되면상호오염의정도가한층심각하게소자에영향을미칠것이다. 그러므로 full color소자를제작하기위해기판상의고정세화증착패턴을형성할수있는 metal shadow mask에관련한기술도갖추어야할것이다. OLED 소자는일반적으로투명전도성의양

42 극과음극전극사이에여러층의유기층을포함하여구성하는데, 즉 ITO, 절연층, HIL, HTL, EML, ETL, HBL 및음극을차례로적층한구조이다. 이상기술한 OLED의각공정은순차적으로수행하게되는데, 다음과같은특성을잘고려하여야한다. 1 대화면기판에균일한표면특성을가진박막의증착이가능하여야한다. 2 봉지공정에서지연되는 TCAT time이단축되어일광공정에서생산효율이극대화되어야한다. 3 Full color 소자의생산이가능한미세 alignment 기술을확보하여야하다. 4 재료의안정적인공급과관련된주변기술의개선이필요하다. 5 shadow mask에의한유기막의오염을방지하여야한다. 이와같은 OLED의특징을고려하여지속적인개선이이루어져야할것이다. 15)26) 전산모사방법 유기화합물박막층에서의전하이동도를전산전산모사를해석하기위한방법으로 Poole-Frenkel 모델이나 W.G. Gill 모델이일반적으로적용되어지고있다. 1) Poole-Frenkel 모델 Poole-Frenkel mobility 모델은다음과같은식으로나타낼수있다. exp (2-15) exp (2-16) 여기서 μ npf 와 μ ppf 는각각 Poole-Frenkel의전자와정공의이동도를나타낸다. 또 μn0와 μp0 은각각전자와전공의 zero field mobility 이고 E는 electron field 이다. DELTAEN.PFMOB 와 DELTAEP.PFMOB는각각전공과전자의 zero electric field 활성화에너지이다. BETAN.PFMOB와 BETAP.PFMOB는각각전자와전공의 Poole-Frenkel 인자이다. T neff 는전자의유효온도로다음과같이정의할수있다. (2-17)

43 T peff 는전자의유효온도로다음과같이정의할수있다. (2-18) 만약 E0N,PFMOB, E0P.PFMOB, E0Nauto.PFMOB, E0Pauto.PFMOB 등을사용할경우단순화 된 poole-frenkel 공식을사용할수있다. 27) exp (2-19) exp (2-20) 2) W.G.Gill 모델 W.G.Gill 모델은전계효과와온도의영향을동시에고려한것으로 (2-21) 로나타내 어진다. exp (2-21) (2-22) 여기에서 μ 01, β PF, T 0 는실험테이터곡선으로부터구할수있는상수들이고, E는무전계시의활성화에너지 (activation energy) 이며 T는유기박막층의온도이고 K B 는볼츠만상수를각각나타낸다. 28) 그러나위의 2-17와같은온도인자를고려하는경우는많은실험을통하여각각의유기물재료에대한온도별로전하이동도의전계의존성그래프를구하여상수인자들을도출해야함하는어려움이있다. 28)29) 그래서본논문에서는 IV-curve와 total current density를구하기위하여상기 Poole-Frenkel 관계식에서필요로하는전자정공의이동도와 band gap등을기초데이터로적용였다

44 Fig. 10. Fabrication process of OLED lighting device

45 제 3 장실험방법 제 3.1 절 OLED 소자제조 유기물층을증착하기전에기판의표면상태가증착된박막의특성에커다란영향을미치기때문에본실험에서는 OLED소자를제작을위하여 150 nm두께로패터닝된 mm2 ITO(Indium Tin Oxide, 신한 )glass를 Cleaning Station을이용하여 30분간 soap처리를하였으며 QDR(Quid Dump Rinse) 과 SRD(Spin Rinse Dry) 은각각 15분간세척하여준비하였다. Fig. 11의유기증착장비를사용하여세척된 ITO 기판을 Load Lock Chamber에넣고진공을만든후로봇암으로 Plasma Treatment Chamber에서플라즈마처리를하였다. 플라즈마의발생조건은 O2 가스를 50 SCCM 유량을주입하며 RF power를 150W로설정한뒤 90초간플라즈마처리를하였다. 발생된 Plasma는 ITO를세정할뿐만아니라 ITO표면에산소를추가하여일함수를높이는역할을한다. Alq3과 NPB층은 thermal evaporation법을사용하여 Mask를이용하여기판을회전시키면서증착하였고증착두께는각각 40 nm이였다. 양극으로써는 Al 증착하였으며두께는 100 nm 이였다. 증착이완료된 OLED 소자는수분과산소에매우취약하기때문에진공이나불활성기체내에서밀봉패키징을하여테스트소자를제조하였다

46 Fig. 11. Thermal evaporator for fabrication of devices

47 Fig. 12. Structure of OLED thermal evaporator chamber

48 Fig. 13. manufactured OLED lighting test device

49 제 3.2 절소자측정 테스트소자로제조된 2 mm x 2 mm 크기의 OLED 소자는 Source meter(kiethley 2440) 을사용하여전류-전압특성과휘도를 chromameter(minolta CS-1000) 에의해평가하였다. 전류-전압과휘도는 1 V에서 5 V까지 step 0.1 V단위로전기적특성을비교분석하였다. 제 3.3 절전산모사모듈제작 대면적 OLED 조명소자제작을하기위한전산모사프로그램은 silvaco( 제조사 ) 의 ATLAS Tool을사용하였다. ATLAS는물기학기반의 2D와 3D 전산모사프로그램으로 VWF(Virtual Wafer Fab) INTERACTIVE TOOLs로제작되었다. VWF로는 DECKBUILD, TONYPLOT, DEVEDIT, MASKVIEWS, OPTIMIZER 가포함된다. ATLAS의전기적특성으로는 UTMOST device적성격과 SPICE modeling 소프트웨어이다. Fig. 14는 ATLAS의입력과출력을보여준다. 대부분의 ATLAS는 2가지값을입력한다. 첫번째는아틀라스를실행하기위한명령어및텍스트파일이며두번째는전산모사의구조를규정하는구조파일이다. 아틀라스는 3가지의출력파일을보인다. 제 1유형은전산모사로써경과과정과에러를보여주는 Run-Time output 제 2유형은장치분석으로부터모든단자의전압과전류를저장한로그파일이다. 제 3유형은 2D와 3D로바이어스포인트의변화되는값을표시하는 Solution files 이다. 전산모사를위한 OLED 소자의기본구조는 Fig. 15에서보이는것같이 Al(cathode) /Alq3 /NPB /Insulator /Silver(auxiliary Electrode) /ITO /Glass로 anode 보조전극간거리는 1000 μm로구성하였다. 또한보조전극이미치는영향을알아보기위하여전극으로음극은 Al을양극으로는 Silver 보조전극을설정하였으며 ITO는면저항을갖는 conductor 로설정하였다. 전산모사변수로써는 auxiliary Electrode의간격을 1000 μm, 2000 μm, 4000 μm0, 8000 μm으로하고, NPB 과 Alq3의두께를각각 50 nm, 100 nm, 200 nm으로설정하였다. 전산모사에사용된파라메터는 Table. 2 에서나타내었으며그외의물질에대한파라메터는 ATLAS Tool에서제공하였으며기타필요한인자는논문을통해얻었다. 32)33)34)35)36)

50 Fig. 14. Input and output of ATLAS system

51 Fig. 15. Base structure of OLED lighting devices for simulation

52 Table 2. Material parameter used simulation of the OLED lighting devices Band gap (ev) Zero field Hole mobility (cm 2 /Vs) Zero field Electron mobility (cm 2 /Vs) Electron affinity (ev) Work function (ev) resistiv ity (Ω cm ) Alq3 2.8 (35) 9.16e-10 (32) 1.51e-7 (32) 2.8 (34) NPB 2.3 (35) 5.28e-6 (32) 2.6e-4 (32) 2.4 (34) silver 4.52~4.74 (36) Al 4.06~4.26 (36) ITO 10-4(33)

53 제 4 장결과및고찰 제 4.1 절시뮬레이터의검증 본연구에서사용되는전산모사의타당성을검증하기위하여실험을통해서제조된테스트소자와전산모사를통해얻어진전류-전압결과를검증하기위하여 Fig.16에나타내었다. 테스트소자는 Al(150 nm )/ Alq3(40 nm )/ NPB(40 nm )/ ITO(100 nm )/ Glass로구로제조되었으며발광면적은 2 2 mm2이다. 전산모사를사용된구조는 Al(150 nm )/ Alq3(40 nm )/ NPB(40 nm )/ ITO(100 nm )/ Glass로소자의크기를 1 mm로설계하여전산모사를검증한 I-V 곡선을특성의비교를통하여이루어졌다. 그림에서보여주는것처럼테스트소자의경우구동전압은 2.0 V 이었지만전산모사에서사용된모듈에서는 1.8V로전산모사에사용된모듈에서 0.2 V정도작게나타났다. 또한 5 V 에서테스트소자의경우전류는 A 이고전산모사에사용된모듈에서는 A 로전산모사에서사용된모듈에서조금높게나타났다. 이와같은결과로부터테스트소자에서얻어진결과와전산모사를통해얻어진결과는오차범위에해당되며거의같은결과를얻었다

54 Measured Simulated 1.0 Current (ma) Voltage(V) Fig. 16. I-V Characteristics of Simulated model and Measured model

55 제 4.2 절보조전극간거리에따른 IV-curve 특성 Fig. 17은기본구조중에서양극보조전극의간격을 1000 μm, 2000 μm, 4000 μm, 8000μm로변화시킨모듈에전류를 0 V에서 5V 까지변화시켜전산모사한전류-전압곡선을나타낸것이다. Fig. 17에서보여주는것처럼보조전극의간격을 1000 μm에서 8000 μm까지증가시켜도전류-전압곡선은거의변화하지않았다. 이와같이보조전극의간격이증가하여도전류-전압곡선이변화하지않는것은 Schottky equation 식으로설명할수있다. 37) exp (4-1) 여기서 n 은이상계수로서이상적인 schottky 접합이형성될경우 1 의값을가진다. V d 는인가된바이어스이고, T 는온도, k 는볼츠만상수, 그리고 I sat 은포화전류이다. 포 화전류 (I sat ) 는일반적으로다음의식으로나타낸다. exp (4-2) 여기서 φ B 는 effective barrier height, S 는다이오드의전극면적그리고 A * 는 Richardson 계수이다. 순방향전압강하 (V F ) 는아래와같은식으로표현할수있다. (4-3) 여기서 J F 는 V F 에서의전류밀도이고, 때문에전류밀도등의값이같다고가정할경우 소자의저항에변화가없어전류 - 전압곡선에큰변화가없는것으로사료된다. 38)39)

56 1.0x x mm 2000 mm 4000 mm 8000 mm Current (A) 6.0x x x Voltage (V) Fig. 17. I-V curve by the space of auxiliary electrode

57 제 4.3 절보조전극간거리에따른 Total current density 특성 Fig. 18은기본구조중에서보조전극의간격을 1000 μm, 2000 μm, 4000 μm, 8000 μm으로변화시킨모듈에전류를 0 V에서 5 V 까지변화시켜전산모사한 Total current density를나타낸것이다. 보조전극간간격을 1000 μm, 2000 μm, 4000 μm, 8000 μm으로변화시킨모듈의 edge에서의 total current density는각각 1.68E-7 A/m 2, 1.48E-7 A/m 2, 1.4E-7 A/m 2, 1.38E-7 A/m 2 으로 anode보조전극간거리가멀어짐에 edge에서의 total current density가소폭감소하였고 center에서의 total current density는각각 4.86E-8 A/m 2, 1.75E-8 A/m 2, 5.59E-9 A/m 2, 1.44E-9 A/m 2 로보조전극간간격이 1000 μm와 8000 μm의 total current density는 30배이상의차이를나타내었다. 이는전기전도로설명할수있다. 전도체속의어떤점을단위시간에흐르는전하량이전류이며, 전류의방향이수직인단위단면적을통과하는전류는전류밀도 j이다. 운반에관한일반법칙에의하면 x-축방향으로전류가흐를때그전류밀도는아래와같은식에서와같이전위의기울기에비례한다. (4-4) 비례상수 k 는그도체의전도율이다. 전기장 E 는 E=-σΦ/σx (4-5) 로정의되며따라서 (4-4) 식은 (4-5) 식과같이나타낼수있다. (4-6) 위의식 (4-4) 와식 (4-5) 둘다 Ohm의법칙을나타내는식이다. Ohm의법칙을더일반적인꼴로변환시키기위해서길이가 l이고단면적이 A인전도체를생각할때이전도체의양단사이의전위차를 Φ=Φ 2 -Φ 1 이라도하면 E=(Φ 2 -Φ 1 )/l= Φ/l로된다. 이전도체를흐르는전류 I와전류밀도사이에는 I=jA의관계가있다. E와 j에관한이들식 를넣으면식 (4-7) 이나온다

58 (4-7) 또한전도도는 L=kA/l 로정의된다. 따라서 (4-8) 전도체의저항 R 은 R=1/L=l/kA=pl/A 로정의된다. 여기서 은저항도이다. 이정 의를사용하면 Ohm 의법칙인다음식으로나타낼수있다. 40) (4-9) 이러한 Ohm법칙은보조전극간거리가멀어짐에따라서 ITO의저항으로인하여생긴것으로사료된다. Fig. 19는 Fig. 18의결과로부터 edge와보조전극간간격의 20% 지점의 total current density의비를나타낸그래프이다. Anode 보조전극간격이 1000 μm에서 60%, 2000 μm에서 32%, 4000 μm에서 12%, 8000 μm에서 3% 로 total current density의비는보조전극의간격과반비례하였다. 이것은일반적으로 OLED의투명전극의로사용되는 ITO의높은저항으로인해발생하는 IR-drop이보조전극의간격이가까워짐에따라감소하는것이다. 22) Fig. 20는 DMS에서 PSPICE Tool을사용하여 OLED Panel의전류분포를전산모사결과를보여주고있다. FIg. 20(a) 와 (b) 는보조전극두께와폭에따른전산모사한결과로써전류비균일도가각각 36.06%, 16.7%1 15.4%, 11.6% 로나타났다. 이것은본논문의결론과일치하며보조전극이 OLED panel 에있어발광균일도에큰기여를하는것으로생각된다하지만보조전극의간격을최소화하여도 IR drop를완전히제거할수없다는의미로해석할수있다

59 Total current density (ma/mm 2 ) 1E-4 1E mm 2000 mm 4000 mm 8000 mm 1E The distance between auxiliary electrode (mm) Fig. 18. Total current density by the space of auxiliary electrode

60 J 20% /J e (1000) (2000) (4000) (8000) Auxiliary electrode distance (mm) Fig. 19. Total current density rate of 20% points from edge of auxiliary electrode

61 Fig. 20. Current ununiformity at mm2 simulation device

62 제 4.4 절 Alq3 두께에따른전류 - 전압곡선및 Total current density 특성 Fig. 21은전산모사의기본구조중홀수송층으로사용되어진 NPB를 50 nm로고정하고전자수송층이자발광층으로사용되어진 Alq3층의두께를 50 nm, 100 nm, 200 nm로변화시켰을때의전류-전압곡선이다. 두께가변화하여도구동전압은 1.8V로동일한결과를나타내었으나전류-전압곡선의기울기는감소하였다. Alq3층의두께가증가함에따라 I-V곡선의기울기가감소하는이유는 Alq3층의두께가증가함에따라소자의저항이증가하여때문으로사료된다. Fig. 22는 Fig. 21과동일한조건으로전산모사하여얻어진 total current density의결과를나타낸것이다. Alq3의두께 50nm에서의 total current density는 edge부분에서 2.62E-4 ma/ μm 2 이고중앙에서 1.15E-4 ma/ μm 2 로 total cueernt density는 56% 의차이를나타내었으며 100nm에서는 7.03E-5 ma/ μm 2 와 5.37E-5 24% 의차이가나타났고, 200nm에서는 9.04E-6와 8.62E-6로 5% 의차이를나타내었으며 Alq3의두께가증가함에따라 total current density는감소하였으나 IR drop은증가하였다. 이것은유기 El에사용되는많은유기반도체재료는낮은전계 (<10 4 V/ cm ) 에서전기적으로절연체적인특성을나타내는경우로생각할수있다. 예를들어안트라센진공증착막은 Ω cm의저항률을나타낸다. 15)41) 또한 Fig. 6번과같이 OLED 소자저항등가모델에서보듯이수직방향으로투명전극저항 (R ITO ) 이수직방향으로소자저항 (R TCO ) 보다상대적으로높으면전류는패널가장자리부근에서소자로흐르게되어발광균일도는저하된다. 22)

63 1.0x x nm NPB 50 nm Alq3 100 nm Alq3 200 nm Alq3 Current (A) 6.0x x x Voltage (V) Fig. 21. I-V curve by thickness of 50 nm, 100 nm and 200 nm Alq3 layer

64 Total current density (ma/mm 2 ) 3.5x x x x x x x nm NPB 50 nm Alq3 100 nm Alq3 200 nm Alq3-5.0x Auxiliary electrode distance (mm) Fig. 22. Current density by thickness of 50 nm, 100 nm and 200 nm Alq3 layer

65 제 4.5 절 NPB 두께에따른전류 - 전압곡선및 Total current density 특성 Fig. 23은기본구조중 Alq3를 50nm로고정하고 NPB의두께를 50 nm,100 nm, 200 nm 로변화시켰을때의결과로써 Fig. 19를 NPB층의두께가증가하여도구동전압은 1.8 V 로크게변화하지않았으나기울기는소폭감소하였다. Fig. 24은 NPB층의두께변화에따른 total current density의결과로써 NPB층의두께가증가는 Alq3의두께와같은경향성을보였다. 하지만발광층의 Alq3 층의영향력이더컸다. 이는소자에전압을인가하면상대적으로주입장벽이낮은 ITO/NPB 계면에정공주입이일어나고 NPB와 Alq3 의계면으로이동한다. 이시점에서 NPB 내에는이미다량의정공이주입되어있으며 NPB/Alq3 계면에도달하며축적하고있을것으로생각되어진다. 이에따라전압강하는주입장벽이큰 Al/Alq3 계면에서또는상대적으로이동도가작은 Alq3 내에서일어나는것으로사료된다. 따라서 NPB를증가시킨소자에서는전류-전압곡선이크게변화를하지않지만 Alq3의박막두께를변화시킬경우전류-전압곡선은변화하게된다. 15)

66 1.0x x nm Alq3 50 nm NPB 100 nm NPB 200 nm NPB Current (A) 6.0x x x Voltage (V) Fig. 23. I-V curve by thickness of 50 nm, 100 nm and 200 nm NPB layer

67 Total current density (ma/mm 2 ) 3.5x x x x x x x nm Alq3 50 nm NPB 100 nm NPB 200 nm NPB -5.0x Auxiliary electrode distance (mm) Fig. 24. Total current density by thickness of 50 nm, 100 nm and 200 nm NPB layer

68 제 4.6 절 Alq3 와 NPB 두께에따른전류 - 전압곡선및 Total current density 특성 Fig.25는기본구조중 NPB와 Alq3의두께를동시에 50nm, 100nm, 200nm로변화시켜전산모사하여얻어진전류-전압곡선의결과를나타낸것이다. Alq3층과 NPB층이동시에변화하여도구동전압은 1.8V로나타났으며전류-전압곡선의기울기는두께가증가함에따라크게감소하였다. Alq3층과 NPB층이동시에증가하였을때는두개의유기물층의전기적특성이동시에감소하기때문으로생각된다. Fig.26은 Fig.25와동일한조건으로전산모사하여얻어진 total current density의결과를나타낸것이다. NPB층과 Alq3층이 50 nm 일때는 edge에서는 2.62E-4 ma/ μm 2 와 1.15E-4로 56% 차이를보였으며 100 nm에서는 5.61E-5와 4.53E-5로 19% 차이가나타났고 200 nm에서는 5.49E-6 ma/ μm 2 와 5.32E-6 ma/ μm 2 로 3% 의차이가나타나 Alq3와 NPB층이동시에증가할때는 edge와중앙의차가크게감소하는것을알수있다. 따라서이상적인전류-전압곡선의기울기가큰것이반도체에서는이상적이지만 OLED에서는기울기가크면전류가 edge부분에서대부분흐르고중앙에서는흐르지못하기때문에 IR-drop 현상은더심화되고기울기가작은것은 IR-drop 현상은감소되지만반대로동일한휘도를얻기위해서는큰전류를인가하여야하기때문에 OLED소자에서는적당한기울기를가지는소자의제조가필요하다

69 1.0x x10-10 Alq3: NPB 50 nm : 50 nm 100 nm :100 nm 200 nm :200 nm Current (A) 6.0x x x Voltage (V) Fig. 25. I-V curve by thickness of 50 nm, 100 nm and 200 nm NPB and Alq3 layer

70 Total current density (ma/mm 2 ) 3.5x x x x x x x Alq3: NPB 50 nm : 50 nm 100 nm: 100 nm 200 nm: 200 nm -5.0x Auxiliary electrode distance (mm) Fig. 26. Total current density by thickness of 50 nm, 100 nm and 200 nm NPB and Alq3 layer

71 제 5 장결론 본연구에서는전산모사프로그램인 ATLAS Tool을이용하여대면적 OLED 조명소자를설계였으며보조전극의간격과유기물층의두께가전류-전압곡선과 total current density에미치는영향을조사하였다. 전산모사에서사용한기본구조와동일하게제조된테스트 OLED 소자에서얻어진전류-전압결과는오차범위에해당되는거의같은결과를얻었다. 전산모사에사용된기본기조중보조전극의간격을 1000 μm에서 8000 μm까지증가시켜도전류-전압곡선은거의변화하지않았으나 total current density 는보조전극의간격과반비례하여감소하였다. 이는보조전극의간격을최소화하여도 IR-drop를완전히제거할수없다는것을의미한다. Alq3층, NPB층또는두층이동시에변화하여도구동전압은동일하였다. Alq3층과 NPB층의전류-전압곡선의기울기는 NPB < Alq3 < Alq3와 NPB의두께가증가하였을때더크게감소하였다. edge와중앙의 total current density 차는보조전극간격 > NPB > AlQ3 > Alq3와 NPB층의두께가증가할수록크다는것을알수있다. 따라서반도체에서는전류-전압곡선의기울기가큰것이이상적이지만 OLED에서는기울기가크면전류가 edge부분에서대부분흐르고중앙에서는흐르지못하기때문에 IR-drop 현상은더심화되고기울기가작은것은 IR-drop 현상은감소되지만반대로동일한휘도를얻기위해서는큰전류를인가하여야하기때문에 OLED소자에서는적당한기울기를가지는소자의제조가필요하다. 앞으로 OLED는발광소자이기때문에전기적특성뿐만아니라광학적특성까지전산모사할수있다면대면적 OLED 연구및상용화에있어큰기여를할것으로생각된다

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75 감사의글 대학원 2년이라는시간이길다고생각했었는데정말눈깜짝할사이에지나간것같습니다. 더알고자열심히, 성실히공부하려고했는데 2년이지난오늘다시생각해보면후회가되는일이너무많습니다. 그래도오늘의결실이있기까지저를믿고, 가르쳐주시고, 격려해주신많은분들께감사드리기위해이글을작성합니다. 우선항상자상한지도와격려로이끌어주신신동찬교수님께진심으로머리숙여감사하다는말씀을드리고싶습니다. 교수님께서지도해주신내용을항상생각하며, 어딜가든지부끄럽지않은교수님의제자가되도록노력하겠습니다. 그리고미력한논문에대하여후덕한논문심사로무사히학위를받을수있도록도움주신이현규교수님, 이종국교수님, 이은구교수님, 박진성교수님, 양권승교수님, 강현철교수님께진심으로감사의마음을전합니다. 그리고가족처럼항상격려해주시고, 다독거려주신오용택교수님감사인사드립니다. 오용택교수님올해에는꼭담배끊으시길기원합니다. 꼬맹이들이좋아할것같습니다. 교수님건강도좋아지실것같습니다. 매일사고만치는후배를위해자주조언을주는효균이형, 박세연누나, 석의형부족한선배를위해자신의일처럼도움을준송원, 서인하, 김무열, 구보라, 이유리, 만달칸칸프로사드, 최건, 김수연그리고많은후배들이없었으면대학원생활을무사히마무리하지못했을것입니다. 마지막으로불러만봐도가슴이따뜻해지는 부모님, 지금까지저를믿고용기를불어넣어주신아버지, 어머니에게진심으로감사드립니다. 이제학교라는테두리를넘어하나의사회인으로발돋움하려합니다, 항상노력하고앞으로전진하는사람이되도록노력하겠습니다. 감사합니다