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문진철 박형기 * 최충석 * 충북테크노파크 * 전주대학교소방안전공학과 (2011. 10. 3. 접수 / 2012. 7. 1. 채택 ) Evaluation of Performance and Reliability of a White Organic Light-Emitting Diode(WOLED) Using an Accelerated Life Test(ALT) Jin-Chel Moon Hyung-Ki Park * Chung-Seog Choi * IT Convergence Center, Chungbuk Technopark * Department of Fire Safety Engineering, Jeonju University (Received October 3, 2011 / Accepted July 1, 2012) Abstract : The purpose of this study is to extract the major factors related to the deterioration mechanism of white organic light-emitting diodes(woled) by performing accelerated testing of temperature, voltage, time, etc., and to develop an accelerated life test(alt) model. The measurement results of the brightness of the WOLED exhibited that their average brightness tended to increase as the operating voltage increased and that the half-life period of the brightness appeared after approximately 400 hours when the operating voltage was 20V and the ambient temperature was 85 o C. It could be seen that although the WOLED showed comparatively the same brightness when the initial acceleration began after the operating voltage was applied to it, its brightness changed excessively after the WOLED s thermal storage had been made. In addition, it was observed that the half-life period was reduced as the ambient temperature and applied voltage increased. The strength of the WOLED which had been maintained in the range of visible light at the maximum load was reduced by the deterioration of the organic light emitting material due to the influence of the operating voltage and temperature, and the reduction of emitted light was small at low voltage and temperature. It could be seen that the failure of the WOLED during the ALT was caused by wear due to load accumulation over time, and that Weibull distribution was appropriate for the life distribution and acceleration was established between test conditions. From the WOLED analysis, it is thought that factors influencing the brightness deterioration are voltage, temperature, etc., and that comprehensive analysis considering discharge control, dielectric tangent margin, etc., would further increase the reliability. Key Words : white organic light-emitting diode(woled), accelerated life test(alt), brightness deterioration, dielectric tangent margin 1. 서론 * 유기재료에전계를가하여전기에너지를빛으로바꾸는유기발광다이오드 (OLED; Organic Light Emitting Diodes) 는광시야각, 초박형, 고화질등의장점이있어서디스플레이로응용이요구되고있다. OLED 를이용한조명은기존의광원에서발휘할수없는특징이있어서기존조명기기의대체및새로운형태의조명시장을창출할수있다. OLED 를이용한조명은온실가스배출량의억제및전기에너지절감정책등과연계되어국가별중요한연구 To whom correspondence should be addressed. enetek@naver.com 주제이다. OLED 조명은기존광원의오염요소인수은, 중금속등의사용규제에서자유로울수있기때문에환경적측면에서도가능성이높게예상되고있다. 또한감성디자인이중요시되는조명, 투광성을필요로하는조명등에적합한발광소자로분류되어많은연구가진행되고있다 1,2). 반면에차세대조명으로활용가능성이높을것으로판단되는백색유기발광다이오드 (WOLED; White Organic Light Emitting Diodes) 에대한발광소자의개발, 소자의휘도및수명평가등에대한연구는초기적인단계이다. 차세대조명으로개발된 WOLED 의신속한보급및개선을위해서는가속수명시험 (ALT; Accelerated Life Test) 을통한수명예측모델의개발및신뢰성평가기술의확립도병행되 13

문진철 박형기 최충석 어야한다. WOLED 소자는유기물과금속전극, 투명전극사이의접착력이좋지않기때문에구동전압및온도가높을수록계면전압및열팽창계수의차이에의한소자내부의열화, 투명전극의돌출부와유기물증착두께의차이로인한전계집중에의한암점 (data spot), 고휘도를얻기위한높은구동전압, 외부습기의노출, 유기물박막이성장될때두께편차등에의한열화 ( 劣化 ) 로발광휘도가떨어지는것으로보고되고있다 3-6). 따라서본논문에서는백색발광원으로개발된 WOLED 의온도, 전압, 시간등의가속특성시험을통해서열화메커니즘의주요인자를추출및가속수명모델개발을위한인자를발굴하는데있다. 2. 실험방법 실험에사용된 WOLED 소자는 PMOLED 소자의형태를가지며, Fig. 1 은제작된 WOLED 의개략도이다. 유기물은높은증기압을가지며고온에서분해및변성이용이하지않고분말상태에서열전이도가낮은특성을가져야한다. 풀칼라 (full color) 의경우는호스트 (host) 와불순물 (dopant) 의비율은 0.5~ 2 mol% 정도로제어가가능해야한다. 유기물증착순서는투명전극, 절연층, 격벽층이형성된기판위에정공주입층 (HIL; Hole Injection Layer), 정공수송층 (HTL; Hole Transport Layer), 전자수송층 (ETL; Electron Transport Layer), 발광층 (EML; Emitting Layer), 완충층 (HBL; Hole Buffer Layer), 알루미늄 (Al; aluminum) 등을차례로진행한다. HIL 은소자의정공주입이원활하도록하기위해프탈로시아닌구리 (CuPc; Copper Phthalocyanine) 를사용하여 1.0 10-6 torr 이하의진공상태에서증착한다. HTL 은양극으로부터주입되는정공을 EML 로수송하는물질이며 -NPB 물질을사용한다. EML 은음극과양극 Fig. 1. Typical structure of a WOLED with an organic layer. 으로부터공급된정공과전자의재결합이이루어지면서발광이일어나는영역이다. 이물질의고유파장에따라여러가지 EML 을구현하게되며발광효율의향상을위해호스트와도펀트의조절이가능하다. ETL 은전자의원활한수송을목적으로하며 Alq3 의물질을사용한다. HBL 은금속전극과유기층사이의계면특성을개선하기위해사용하는데두께는 1~10A 정도이며플루오르화리튬 (LiF; Lithium fluoride) 을사용한다. 투명전도막인 ITO 에양극전극을형성하고절연층과격벽층을형성한후에유기물을증착한다. 유기물층상부에는음극을형성하여봉지 (encapsulation) 과정을거친후 WOLED 를제작한다 7-10). WOLED 소자의유기물층의두께및증착조건은 Table 1 과같으며, 크기는 2.5 인치이다. Table 1. Organic layer and deposition condition Organic layer Thickness [A ] Dep. Rate[A /s] HIL 600 2 HTL 150 0.5 BD 8% 8 DH 258 3 GD 0.65 0.43 GH 238 1 RD 2% 2 RH 397 3 ETL 310 0.5 LiF 5 0.1 Al 1500 15 WOLED 의 ALT 을위한요소는 OLED 의열화에대한주요인자, 고장메커니즘의온도및구동전압등을기초로추출되었다. WOLED 의 ALT 온도를 60~85 o C 로성정한근거는기존 OLED 의시험온도 60 o C 와유리전이온도 (Tg) 85 o C 를기준으로산출되었다. 전압의범위는현재시판중인제품의휘도가 180 cd/m 2 정도이므로연구성과의비교분석을위해본시료의구동전압범위도휘도 180 cd/m 2 이상이발광되는 16~20 V 를적용하였다. 즉, WOLED 의구동전압에따른휘도는 14 V 에서 180 cd/m 2, 16 V 에서 220 cd/m 2, 18 V 에서 310 cd/m 2, 20 V 에서 400 cd/m 2 등이다. ALT 조건은 Table 2 와같은 L4 (22) 직교배열표를사용하였다. 또한 WOLED 의초기휘도가 50% 감소되는시간의반감기를기준으로하여고장으로규정하였다. WOLED 고장의근거는 IEC 60050-191 에서아이템이요구기능을수 14 Journal of the KOSOS, Vol. 27, No. 4, 2012

Table 2. Test matrix for an accelerated life test Factor Run Temperature( o C) Voltage(V) Number of sample 1 85 16 10 2 85 20 10 3 60 20 10 4 60 16 10 행하지못하게되는사건 (event) 을근거로제시하고있다. 그러나그값은지극히추상적인의미로해석되므로본실험의신뢰성을높이기위해 WOLED 의초기휘도가 50% 감소되는시간의반감기를고장으로판단하였다. 3. 가속수명모델개발및수명예측 WOLED 의휘도측정시간은 JIS C 5003 을적용했으며, 구동시간에따른휘도변화는 4 회측정한후평균휘도가적용되었다. Fig. 2 는 WOLED 소자의구동시간에따른휘도감소변화를측정한결과시험전 WOLED 소자는 60 o C/20 V 및 85 o C/ 20 V 에서는 400~410 cd/m 2 이며, 60 o C/16 V 및 85 o C/ 16 V 에서는 250~260 cd/m 2 정도의초기휘도를나타냈다. 이것은구동전압이높을수록평균휘도가증가하는경향과일치하는것이다. 시간에따른휘도의측정결과구동전압이높고온도가높은 85 o C/ 20 V 에서는약 400 hr. 이후, 60 o C/16 V 는 500 hr. 이후에서휘도반감기가나타났다. 다. 주위온도가 60 o C 일때약 10hr. 경과되었을때 181 cd/m 2 정도의최고점을나타냈으며, 시간의경과에급격한휘도감소를확인할수있었다. 특히약 250 hr. 경과되었을때휘도는 108 cd/m 2 이하로급격히감소하였고, 700 hr. 경과된후에는정격휘도의 50% 이하를나타냈다. 본실험에서적용된온도범위 (40 o C, 60 o C, 80 o C) 에서 ATL 1,000hr. 이내에초기휘도의 50% 이하를나타냈으며, 주위온도가높을수록휘도의반감기수명이짧아짐을알수있었다. Fig. 4 는주위온도를 25 o C 로일정하게유지하고인가전압을변화시켰을때휘도의변화를나타낸것이다. 초기가속이시작되는지점에서휘도의변화가크게나타내는것으로측정되었고, 인가전압이높을수록휘도가높은것으로확인되었다. 인가전압 20 V 에서약 8 hr. 경과되었을때가장높은 412 cd/m 2 가측정되었고, 800 hr. 경과되었을때최초휘도의 50% 이하로측정되었다. 인가전압이 16 V 일때초기휘도가 50% 이하에도달하는시간은약 1,050 hr. 이었으며, 18 V 일때는약 900 hr. 이후에 50% Fig. 3. WOLED brightness change according to temperature. Fig. 2. WOLED Luminance(cd/m 2 ) measurement systems. Fig. 3 은구동전압을 14V 로일정하게유지하고온도변화에따른휘도의변화를나타낸것이다. 초기가속이시작되는지점에서는동일한휘도를나타냈으나 WOLED 의축열이형성된이후부터는휘도의변화가심하게발생하는것을알수있었 Fig. 4. WOLED brightness change according to voltage. 한국안전학회지, 제 27 권제 4 호, 2012 년 15

문진철 박형기 최충석 (a) 20 V at 85 o C (a) 16 V at 60 o C (b) 16 V at 85 o C Fig. 5. Luminance decay curves versus for time(hr.). 이하의휘도를나타낸것으로보아인가전압이높을수록휘도의반감기수명이짧아짐을알수있었다. Fig. 5 는설정된온도와전압에대한최대부하의가시광선영역의세기를나타낸것이다. Fig. 5(a) 는 85 o C/20V 에서가시광선의파장세기는 512 nm 에서 0.0095 정도의세기를가지는반면 500 hr. 경과한 WOLED 소자의경우는 0.0035 정도로감소하며, 85 o C/16 V 에서는 448 nm 에서 0.0058 정도이고, 500 hr. 경과후에는약 0.0015 로감소하였다. 이것은가시광선영역에서초기의가시광세기가구동전압및온도의영향으로유기발광재료의열화에의한감소로판단된다 11,12). Fig. 6 은 60 o C 에서인가전압의변화에따른가시광선의세기를나타낸것이다. Fig. 6(a) 는 60 o C/16 V 에서의최대부하시파장에따른가시광선세기는 0.0058 이고, 500 hr. 후동일파장대역에서 0.0017 정도를나타냈다. Fig. 6(b) 는 60 o C/20V 에서의최대부하시파장에따른가시광선세기는 0.0078 이며, 500 hr. 후동일파장대역에서 0.0032 정도를나타냈다. 즉, 발광의세기는낮은전압및온도에서발광감소가적게일어난다는것을확인할수있었다 11,12). (b) 20 V at 60 o C Fig. 6. Luminance decay curves versus for time(hr.). Fig. 7 은 ALT 에서관측된고장시간을시험조건별로와이블확률용지에타점한것이다. 각시험조건별데이터들이직선에가깝게배치되어있고, 각시험조건의수명분포추정선이서로평행하게나타난것을볼수있다. 이로부터고장의원인은시간의경과에따른부하누적에의한원인으로마모고장 (wearout failure) 이라할수있으며, 수명분포는와이블분포 (weibull distribution) 가적합하고각시험조건사이에가속성이성립한다는것을알수있다. 온도와구동전압을고려하여일반화된선형모델로가정하여수명분포를와이블로가정하면, 와이블분포의척도모수 ( ) 와온도 (T), 전압 (V) 사이의수명 - 스트레스관계식은 (1) 과같다. exp exp ln ln ln (1) 여기서, ɑ 0, ɑ 1, ɑ 2 는상수이고, k 는볼쯔만상수 8.617 16 Journal of the KOSOS, Vol. 27, No. 4, 2012

10-5 ev/k, E 는활성화에너지 ev 이다. 와이블분포와식 (1) 의수명 - 스트레스관계식으로가정하고, 수명예측소프트웨어 ALTA 7 pro.(accelerated Life Testing Data, Reliasoft Co.) 를이용하여 ALT 데이터를분석한결과는다음과같다. 여기서, 는형상모수로서증가형고장율분포를갖게되고고장확률밀도함수는정규분포를따르게된다. 따라서 WOLED 소자에대한수명 - 스트레스관계식과가속계수는식 (2) 및식 (3) 과같이추정될수있다 7-11). (a) Life pattern ln ln (2) exp ln exp exp (3) exp (b) Accelerated factor Fig. 8. Life-stress relationships for WOLED DC Voltage. Fig. 7. Weibull probability plot for test data. Fig. 8 은전압에따른수명 - 스트레스관계를나타낸것이다. 온도와전압인자에대한와이블분포의형상모수 ( ) 는 6.2824 로추정되었다. 이것은조명용 WOLED 소자의휘도열화에의한파괴는전 형적인마모고장이라고볼수있으며신뢰성시험을통하여추정할수있다. 조명용으로가능한 WOLED 소자의수명 - 스트레스관계식및가속계수 (AF; Acceleration Factor) 을추정한결과휘도열화에미치는 AF 의크기는전압, 온도등의순으로구동전압조건이 WOLED 소자의열화 (degradation) 에미치는영향이크다고할수있다. 만일 WOLED 소자의사용조건을 25 o C, 구동전압 14 V 의설계조건으로수명을예측하는경우식 (2) 에온도, 전압조건을대입하면지속적인사용시간은 (25, 14) = 950( 시간 ) 으로평균수명 (mean life) 을추정할수있으며, 실제사용시간을 1 일 2 시간으로가정한다면 475 일정도가능하다고할수있다. 이것은 WOLED 소자의다양한주요인자들에의한열화 ( 劣化 ) 의변수들중에전압과온도에관한수명과스트레스와의관계를설명할수있으나전극, 유기물의증착조건및종류, 구동방법등의변수 한국안전학회지, 제 27 권제 4 호, 2012 년 17

문진철 박형기 최충석 를대표하지는않는다. 따라서조명용 WOLED 소자의경우가속수명모델의개발과수명의예측은많은신뢰성시험을근거로이루어져야한다 11,12). Table 3 은본실험을통해서해석된가속수명의추정을제시한것이다. Table 3. Accelerated life estimate calculated by this experiment Parameter 점추정치 90% 양측신뢰구간 90% 단측신뢰하한신뢰상한신뢰하한 8.2203 6.5093 10.3809 - B 5 746.82 655.33 851.08 674.53 B 10 815.17 725.49 915.93 815.17 M.T.T.F 1010.74 921.47 1108.65 940.49 여기서, 는형상모수, B 5 는시료중에서 5% 의고장이발생할때가지걸린시간이며, B 10 는 10% 의고장이발생했을때의값이다. 또한 M.T.T.F (mean time to failures) 는실험에사용된 WOLED 의평균고장시간을나타낸다. 4. 결론 본연구는 WOLED 소자의가속수명모델개발및수명예측에대한분석을통해서다음과같은결과를얻었다. 1) WOLED 의휘도측정에서구동전압이높을수록평균휘도가증가하는경향과일치하는것이확인되었고, 구동전압 20V 이고주위온도 85 o C 일때약 400hr. 이후에휘도반감기가나타났다. 2) WOLED 에구동전압을인가하고초기가속이시작되는지점에서는비교적동일한휘도를나타냈으나 WOLED 의축열이형성된이후부터는휘도의변화가심하게발생하는것을알수있었고, 주위온도및인가전압이높을수록휘도의반감기수명이짧아지는것으로확인되었다. 3) 최대부하의가시광선영역의세기를유지하던 WOLED 는구동전압및온도의영향으로유기발광재료의열화에의해감소가발생하고, 낮은전압및온도에서발광감소가적게일어나는것으로확인되었다. 4) ALT 에서 WOLED 의고장원인은시간의경과에따른부하누적에의한마모고장이라할수있으며, 수명분포는와이블분포가적합하고각시험조건사이에가속성이성립한다는것을알수있 었다. 5) WOLED 소자의수명과스트레스관계식및가속계수를추정한결과휘도열화에미치는인자는전압, 온도등이열화에미치는영향이큰것을알수있었다. 즉, WOLED 소자의다양한주요인자들에의한열화 ( 劣化 ) 의변수들중에전압과온도에관한수명과스트레스와의관계를설명할수있으나전극, 유기물의증착조건및종류, 구동방법등뿐만아니라다양한변수에의해수명을지배할수있는것으로판단되는바과학적인근거에의한반복적인검증을통해서가속수명모델의개발이가능할것으로판단된다. 참고문헌 1) 문대규, 백색광을이용한 OLED 조명기술, 전자부품, 2003. 2) 추혜용, OLED 조명산업동향및향후전망, IT Society Magazine, 2009. 3) J. E. Knox, Chemical Failure Modes of AlQ3-Based OLEDs: AlQ3 hydrolysis, Phys. Chem. Chem. Phys., Vol. 8, pp. 1371~1377, 2006 4) V. K Shukla, Light Induced Effects on the Morphology and Optical Properties of Alq3 Small Molecular thin Film, Synthetic Metals, Vol. 156, pp. 387~397, 2006. 5) X. Y, Synthetic, Stable and Current Independent white Emitting Organic Diode, Synthetic Metals, Vol. 729, pp. 9~13, 2002. 6) C. Y Kwong, Efficiency and Stability of Different Alq3 Derivatives in OLED applications, Materials Science and Engineering, B 116, pp. 75~81, 2005. 7) V. I. Adamovich, High Temperature Operation and Stability of Phosphorescent OLEDs, Current Applied Physics, Vol. 5, pp. 15~19, 2005. 8) Y. F Liew, Effect of Organic Layer Combination on Dark Spot Formation in Organic Light Devices, Chemical Physics Letter, Vol. 394, 275~279, 2004. 9) P. Cusumano, Effect of Driving Methode on the Degradation of Organic Light Emitting Diodes, Synthetic Metals, Vol. 139, pp. 657~661, 2003. 10) M. Ishii, Luminance Decay Mechanisms in Organic Light-Emitting, R&D Review of Toyota CRDL, Vol. 38 No. 2, pp. 55~60, 2003. 11) 최충석, 문진철, 박형기, 가속수명시험을이용한조명용 WOLED 의수명예측에관한연구, 한국조 18 Journal of the KOSOS, Vol. 27, No. 4, 2012

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