Korean Journal of Materials Research. October 2021. 586-591
https://doi.org/10.3740/MRSK.2021.31.10.586

ABSTRACT


MAIN

1.서 론

조명은 빛을 밝히는 용도에 그치지 않고 예술, 의료 등 에 활용되고 있고, 친환경 조명에 대한 관심도 높아지 고 있다. 유기전계발광소자(organic light emitting device: OLED)는 전기에너지를 빛 에너지로 변환하는 자체 발 광 소자로 디스플레이 분야에서 고 휘도와 높은 명암 비, 빠른 응답 속도, 단순한 제조 공정 등의 장점을 가 지고 있다.1,2) OLED를 조명용 광원으로 사용할 경우, 별도의 광학 설계 없이도 광원 자체로 면 조명 구현이 가능하고, 다양한 색 조합을 통하여 태양 빛에 가까운 고연색성 조명 구현이 가능하다. 또한 디자인 자유도가 우수하여 다양한 형태의 조명으로 활용이 가능하다.2-4) OLED의 경우 일반적으로 직류 전원에서 구동되기 때문 에 일반가정에서 조명으로 사용하기 위해서는 교류 전 원을 직류 전원으로 변환해주는 변환기를 포함하는 전 원 공급 장치를 채용하고 있다. 전원 공급 장치를 조명 광원과 일체형으로 제작할 경우 장수명의 광원이더라도 전원 공급 장치에 의해 수명이 결정되는 문제가 있다. 또한 OLED를 사용하여 조명 기구를 제작할 경우 광원 자체가 갖는 디자인 자유도가 우수하더라도 큰 부피를 차지하는 전원공급장치에 의해 디자인 자유도에 제한이 생기게 된다. OLED 조명을 변환기없이 교류 전원에 직 접 연결하는 방법으로 구동이 가능하다면 OLED 조명의 구동부가 단순해져 제조 단가를 낮출 수 있고, 전원 공 급 장치가 소비하는 전력만큼 전력 절감이 가능하며, 디 자인 자유도를 극대화할 수 있을 것이다.3-7) OLED를 교 류 전원에 직접 연결하는 방법으로 구동하기 위하여는 교류 구동 OLED의 연구가 필요하다. 교류 구동 OLED 연구를 위하여는 측정 절차가 까다롭고 별도의 전용 측 정 시스템을 필요로 하며, 추가 연구에 많은 비용과 시 간이 요구된다. 교류 구동 OLED의 시뮬레이션은 기존 직류 구동 OLED의 연구 결과를 활용할 수 있어 교류 구동 OLED의 상용화 연구에 기여할 수 있을 것이다.

본 연구에서는 교류 구동 방식 OLED의 연구 접근성 개선을 위하여 직류 전원에 의하여 구동되는 OLED의 전 압-전류-휘도 특성을 이용하여 교류 전원에 의하여 구동 되는 발광 특성을 계산할 수 있는 수학적 모델을 제안 하였다. 수학적 모델의 검증을 위하여 청색 형광 OLED 를 제작하고 직류와 교류 구동 전압-전류-휘도 특성을 측 정한 다음 수학적 모델을 적용한 결과와 비교하였다.

2. 실험 방법

OLED의 제작을 위하여 면 저항 10Ω/□, 두께 150 nm, 1 nm 이내의 표면 평탄도, 85 % 이상의 광 투과도 를 갖는 ITO (indium tin oxide)가 코팅된 유리 기판을 사용하였고, 기판의 표면 특성을 개선하기 위하여 자외 선과 O2 플라즈마 처리를 하였다. 유기 박막과 금속 전 극은 1.0 × 10-6 torr 이하의 고진공 환경에서 열 기상 증착 방식을 이용하여 유기 박막은 0 .15 nm/s, L iq ( 8 - hydroxyquinolatolithium)는 0.05 nm/s, Al은 0.2 nm/s의 속도로 증착하였다.

Fig. 1은 발광 특성의 분석을 위하여 제작한 청색 형 광 OLED의 구조를 나타낸 것이다. 청색 형광 OLED는 ITO, 150 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/BH : BD 3 vol.%, 30 nm/Bphen (4,7-Diphenyl-1,10-phenanthroline), 40 nm/Liq (8-hydroxyquinolatolithium), 0.5 nm/Al, 100 nm 구조로 제작하였다.

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Fig. 1

Structure of OLEDs manufactured for the analysis of emitting characteristics.

OLED 소자의 측정은 암실 환경이 구비된 상온의 대 기 환경에서 진행하였다. 직류전원을 인가한 OLED의 전 압-전류-휘도 측정은 직류 전원 공급원으로 Keithley 2400을 사용하였고, 광 측정용 휘도계로 PR-650을 사용 하였다. 교류 전원을 인가한 전압-전류-휘도 특성 측정 을 위한 교류 전원의 인가는 상용 교류 전원 주파수와 파형이 동일한 60 Hz의 사인 파형의 전원을 함수발생기 와 변압기를 사용하여 전압 0.5V씩 단계적으로 증가시 켜가면서 측정하였다. OLED에 인가되는 교류 전류의 측 정은 디지털 멀티미터(Yokogawa, TY520)를 전원 공급 장치와 OLED 사이에 직렬로 연결하였고, 전압은 OLED 부하 단에 디지털 멀티미터(Hioki, 3280-10)를 연결하 여 측정하였다. OLED 소자에 인가되는 교류 전압 파형 및 피크 전압은 디지털 오실로스코프(Agilent, DSO-X- 2012A)를 부하 단에 연결하여 측정하였다.

3. 결과 및 고찰

직류 구동 OLED의 전압-전류-휘도 특성으로부터 교류 구동 OLED의 전압-전류-휘도 특성을 수학적으로 모델링 하기 위하여 다음과 같은 가정을 하였다. 1) OLED에 인 가하는 교류 구동 파형은 이상적인 사인파형이다. 2) 60 Hz 사인 파형의 교류 전원을 인가한 OLED의 전계 발 광 특성은 주파수에 따른 휘도 감소가 나타나지 않는 다. 3) 사인 파형의 교류 실효치 전압은 동일한 레벨의 직류 전압과 일치한다. 4) 60 Hz 사인 파형 교류 전원 의 음 전압은 OLED의 전계 발광 특성에 영향을 주지 않는다.

교류 전압은 교류 신호의 최대 피크 전압(Vp)이 아니 라 교류 전원의 파형을 적분하여 동일한 면적의 직류전 압으로 환산한 교류 전원의 실효치 전압(Ve)을 의미한다 . 교류 전원은 주파수와 임의의 최대 피크 전압을 갖는 사인파이므로 식 (1)과 같이 교류 파형의 1/4 주기에 대 하여 제곱의 적분 후 근을 취하여 계산이 가능하다.8)

(1)
Ve=1π/20π/2(Vpsinθ)2dθ=Vp2

식 (1)을 이용한 OLED의 교류 구동 특성 예측은 문 턱 전압이 0에 가까우며, 전압에 따른 전류밀도, 휘도 변 화가 일차 함수일 때 가능하다. OLED는 다이오드의 발 광 특성으로 문턱 전압 이상에서 전류가 흐르고, 전압 변화에 따른 전류밀도 및 휘도는 선형적이지 않다. 따 라서 식 (1)을 통해 얻은 실효치 전압에 대응하는 직류 구동 전압-전류-휘도 특성을 교류 구동 OLED에 직접 대 입하여 계산할 경우 실제 측정된 발광 특성과 다른 결 과가 나타난다. 식 (1)에서 사인파의 첨두치 전압은 실 효치 전압의 2배이고, 최대 피크 전압이 Vp인 1/4 주 기의 사인 파형을 r개로 분리할 경우 1/4 주기의 사인 파형에 대한 임의의 지점 n에서의 전압은 식 (2)와 같 이 표현할 수 있다.

(2)
Vn=2Vesin(nπ2r),(0nr)

식 (2)에서 Vn은 r개로 분리된 1/4 주기 사인 파형의 임의의 지점 n인 nπ/2r 위상에 대한 전압, Ve는 실효치 전압, nπ/2r는 사인 파형의 위상을 의미한다. 식 (2)에서 사인 파형을 무한에 가깝게 분리할 경우 분리된 임의의 지점 n에서의 전압 Vn은 동일한 값의 직류 전압에 가 까워지므로 동일한 전압의 직류 전원을 인가한 OLED의 전류 밀도와 발광 휘도에 근사하게 된다. 따라서 r개로 분리한 사인 파형의 임의의 지점 n에서의 전압인 Vn에 서의 전류밀도(IVn)와 발광 휘도(LVn)는 r≒ ∞이고, 0≤ n≤ r일 때 식 (3)과 식 (4)로 나타낼 수 있다.

(3)
IVnIdc(Vn)=Idc(2Vesin(nπ2r))

(4)
LVnLdc(Vn)=Ldc(2Vesin(nπ2r))

식 (3)과 식 (4)에서 Idc(Vn)과 Ldc(Vn)은 사인 파형의 임의의 지점 n에서의 전압인 Vn과 동일한 전압 레벨의 직류 전원을 인가한 OLED의 전류 밀도와 발광 휘도를 나타낸다. 실효치 전압 Ve는 직류 전압 Vdc로 표현할 수 있고, 1/4 주기의 사인 파형을 r개로 분리한 임의의 지 점 n에서의 전압인 Vn에서의 전류밀도(IVn)와 발광 휘도 (LVn)의 합을 구하여 평균을 하면 최대 피크 전압이 2Vdc인 사인 파형의 교류 전원을 인가한 OLED의 전 류밀도(Iac)와 발광 휘도(Lac)에 대한 식 (5)와 식 (6)을 얻을 수 있다.

(5)
Iac=n=0rIdc(2Vdcsin(nπ2r))2r

(6)
Lac=n=0rLdc(2Vdcsin(nπ2r))2r

임의의 교류 전압에 대한 전류 밀도와 발광 휘도의 값 을 식 (5)와 식 (6)으로부터 계산하기 위하여 직류 구동 에 의하여 측정한 OLED의 전류 밀도와 발광 휘도 값 의 수식화가 필요하다. 전류 밀도와 발광 휘도 값의 수 식화는 직류 구동 OLED의 전압-전류 밀도와 전압-발광 휘도 그래프로부터 적합식을 유도하여 얻어진다. 적합식 은 OLED의 재료나 소자 구조에 따른 전계발광특성을 반 영하므로 정확한 적합식 유도가 시뮬레이션의 결과 도 출에 중요한 요소이다. 정확한 적합식 유도를 위하여 직 류 전원 OLED의 전류발광효율 특성을 이용하여 발광효 율이 증가하는 구간, 안정적으로 유지되는 구간, 감소하 는 구간으로 나누어 설정할 수 있다.

Fig. 2는 직류 전압 증가에 따른 OLED의 전류발광효 율을 나타낸 것이다. Fig. 2에서 3.5 ~ 6.5V 구간(Region 1)은 직류 전압의 상승에 비례하여 운반자가 발광층에 도 달하여 재결합 효율이 증가하는 구간이고, 6.5 ~ 10.5 V 구간(Region 2)은 최대 발광효율이 안정적으로 유지되는 구간이며, 10.5 ~ 12 V 구간(Region 3)은 운반자 과잉으 로 발광 효율의 감소가 일어나는 구간이다. 따라서 운 반자 주입 특성에 따른 전류발광효율의 변화를 반영하 여 3개의 구간으로 분할할 수 있다.

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Fig. 2

Current efficiency characteristics of DC driving OLED.

Fig. 3은 직류 전압의 증가에 따른 OLED의 전류 밀 도와 발광 휘도를 나타낸 것이다. 직류 구동 OLED의 전 류 밀도와 발광 휘도의 수식은 Fig. 2의 전류발광효율 의 변화를 반영하여 운반자 주입 특성에 따른 3개의 구 간으로 분할하여 적합식을 도출하였다. 식 (7.1) ~ (7.3)은 Fig. 3의 OLED 전류 밀도에 대한 입력전압 3.5 ~ 6.5V (Region 1), 6.5 ~ 10.5 V (Region 2), 10.5 ~ 12V (Region 3) 구간의 적합 식을 나타낸 것이다. 식 (8.1) ~ (8.3)은 Fig. 3의 OLED 발광 휘도에 대한 입력전압 3.5 ~ 6.5V (Region 1), 6.5 ~ 10.5 V (Region 2), 10.5 ~ 12 V (Region 3)의 구간별 적합 식을 나타낸 것이다. 따라서 식 (7)과 식 ( 8 )을 이용하면 임의의 전압에서 전류 밀도와 발광 휘도의 근사 값을 얻을 수 있다.

(7.1)
Idc,3.56.5V=0.15Vdc42,6014Vdc3+17.134Vdc250.323Vdc+55.282
(7.2)
Idc,6.510.5V=0.0894Vdc4+3.3789Vdc343.06Vdc2+236.3Vdc480.76
(7.3)
Idc,10.512V=6.535Vdc2+181.83Vdc1111.4

(8.1)
Ldc,3.56.5V=9.4367Vdc4+158.83Vdc3+1020.2Vdc22937.1Vdc+3176.4
(8.2)
Ldc,6.510.5V=7.6136Vdc4+276.47Vdc33423.2Vdc2+18336Vdc36549
(8.3)
Ldc,10.512V=1152Vdc2+27923Vdc160158

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Fig. 3

Characteristics of OLED according to an increase of DC voltage. (a) current density and (b) luminance.

교류 구동 OLED의 전류 밀도와 발광 휘도를 다음과 같이 계산할 수 있다. 예를 들어 교류의 실효치 전압 3.5 V에서 OLED의 전류 밀도와 발광 휘도를 계산하기 위 하여 사인 파형의 1/4 주기인 0에서 π/2까지 1 8 0개의 구 간으로 분리하면 샘플 개수 r = 18 0이고, 직류 전압은 실 효치 전압과 동일하여 Vdc= 3.5V로 설정하여 식 (5)와 식 (6)에 적용할 수 있다. 식 (5)와 식 (6)에서 실효치 전 압이 3.5V인 경우 최대 피크 전압 2Vdc2 ´ 3.5 V로 4.949747 V이고, 2r은 360이다. 따라서 3.5V의 교 류 전원을 인가한 OLED의 전류 밀도와 발광 휘도의 계 산식은 식 (9)와 식 (10)으로 표현할 수 있다.

(9)
Iac,3.5V=n=0180Idc(4.949747sin(nπ360))360

(10)
Lac,3.5V=n=0180Ldc(4.949747sin(nπ360))360

Table 1은 식 (7) ~ (10)을 이용하여 교류의 실효치 전 압 3.5V에서의 전류 밀도와 발광 휘도를 계산한 것이 다. No.(n)은 사인 파형의 1/4 주기인 0에서 π/2까지 180개의 구간으로 분리하여 각 구간에 대하여 번호를 부 여한 것으로 n은 1부터 1 8 0까지 1씩 증가한다. Deg.(θ) 는 사인 파형의 1/4 주기인 0도(0)에서 90도(π/2)까지를 180개의 구간으로 분리하여 0.5도에서부터 90도까지 0.5 도씩 증가한다. sin(/360)은 식 (9)와 식 (10)에서 전 류 밀도와 발광 휘도를 계산하는 과정으로 1/4 주기인 0에서 π/2까지 1 8 0개의 구간으로 분리한 n값이 1로부터 180까지 증가하는 과정의 값을 계산한 것이다. 4.949747 ´ sin(/360)은 실효치 전압이 3.5V인 경우의 최대 피크 전압 2Vdc인 4.949747 V를 앞에서 구한 sin(/360)와 곱하여 나타낸 값이다. 보정 계수(correction factor)는 장 치의 오차를 보정하기 위한 값이다. 실험에서 사용한 전 원공급장치를 오실로스코프로 측정한 결과 2Vdc의 0.96 배로 측정되어 장치의 편차를 보정하기 위하여 보정 계 수를 0.96으로 정하고 보정된 결과를 보정값(correction) 에 나타내었다. Iac,3.5VLac,3.5V는 Fig. 3의 적합식으로부 터 도출한 식 (7)과 식 ( 8 )을 식 (9)와 식 (10)에 대입한 결과이다. 결과 값에서 교류 위상의 변화에 의해 문턱 전압 이하의 전압이 입력되는 전압 구간은 전류 밀도와 발광 휘도가 0의 값이 나와야 하지만, 계산 결과에서는 적합식의 특성으로 인하여 음수의 값이 나오게 된다. 따 라서 음수 값은 0으로 처리하여야 하므로 Table 1의 음 수 값을 나타내는 No. 1 ~ 79까지의 전류밀도 값과, No. 1 ~ 8 7까지의 발광 휘도 값은 0으로 계산한다. 계산에 의 하여 실효치 전압 3.5V의 교류전압을 인가한 OLED는 Table 1과 같이 전류밀도 0.04770 mA/cm2, 발광 휘도 2.78911 cd/m2의 값을 얻을 수 있다. 3.5 V의 교류전압 에서의 전류 밀도와 발광 휘도를 얻는 과정을 다른 교 류전압조건에서도 반복하여 수행하면 교류 구동에 의한 OLED의 전계발광특성에 대한 계산 값을 얻을 수 있 다. 교류 구동 OLED의 전계발광특성 예측을 위한 교 류 전압의 인가 범위는 교류의 첨두치 전압이 직류 전 압의 2 배 이므로 직류 전압 범위의 1/2 배까지 설 정한다. 따라서 교류 전원 인가 시 OLED의 전압 범 위를 직류 전압의 1/2 배에 근사한 8 .5 V까지 설정하 였다.

Table 1

Calculation results of current density and luminance at sampling number 180 and Vrms 3.5 V.

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Fig. 4는 직류전원을 인가한 OLED의 전류 밀도와 발 광 휘도 측정값과 교류 전원을 인가한 OLED의 전류 밀 도와 발광 휘도의 측정값 및 계산 값을 나타낸 것이 다. 그림에서 전류 밀도와 발광 휘도는 OLED에 인가 된 전압이 증가함에 따라 지수 함수적으로 증가하는 OLED의 일반적인 경향을 나타내고 있다. 교류 구동 OLED의 실험에 의한 측정 결과와 직류 구동 OLED의 실험에 의한 측정 결과로부터 계산에 의하여 도출한 교 류 구동 OLED의 계산 값을 비교하면 두 결과가 거의 일치함을 알 수 있다. 교류 구동 OLED의 실험에 의한 측정값과 계산에 의한 결과의 편차는 전류 밀도의 경우 평균 4.7%, 발광 휘도의 경우 평균 2.9%를 나타내었다.

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Fig. 4

Comparison of measured and calculated values for (a) current density and (b) luminance of OLED.

Fig. 5는 직류와 교류 전원을 인가한 OLED의 전류 발 광 효율과 전력 발광 효율의 측정값과 직류전원을 인가 한 발광효율로부터 계산에 의하여 얻은 교류 구동 값을 비교하여 나타낸 것이다. 전류 발광 효율과 전력 발광 효율 또한 계산에 의하여 도출된 결과가 실험에 의하여 측정한 값과 매우 유사한 결과를 나타내었다. 계산에 의 하여 도출된 결과는 교류 구동 OLED의 실제 측정값과 비교하여 전류 발광 효율과 전력 발광 효율은 평균 1.9 %의 편차를 나타내었다. 실제 측정값과 계산한 값의 편 차는 OLED 소자 간 편차, 전원공급장치와 계측 장치의 오차 등으로부터 기인한 것으로 발광 효율 1.9% 편차 는 매우 낮은 수준으로 판단된다.

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Fig. 5

Comparison of measured and calculated values for (a) current efficiency and (b) power efficiency of OLED.

이상의 결과로부터 교류 구동 OLED의 특성을 직류 구 동 OLED의 특성에 대한 수학적모델링 과정을 통하여 매 우 높은 정확도로 도출할 수 있음을 알 수 있다.

4.결 론

교류 구동 OLED의 연구를 위하여 교류 구동 OLED 의 특성을 수학적으로 모델링하였다. 수학적 모델링으로 부터 OLED의 직류 구동 시 전계 발광 특성을 통해 교 류 전계 발광 특성을 예측하였다. 시뮬레이션 결과와 측 정값을 비교해본 결과 매우 흡사한 결과를 보여 식에 대 한 적합성을 검증하였다. OLED의 직류 구동 발광 효율 은 직류 전압의 상승에 의하여 운반자가 발광층에 도달 하여 재결합 효율이 증가하는 구간, 최대 발광효율이 안 정적으로 유지되는 구간, 운반자 과잉으로 발광 효율의 감소가 일어나는 3개 구간으로 분할하여 적합식을 도출 하고, 직류 구동 OLED의 전류 밀도와 발광효율로부터 교류 구동 OLED의 전류 밀도와 발광 효율을 계산하였 다. 그 결과 전압-전류-휘도 특성으로부터 측정값과 계 산 값은 전류 밀도의 경우 4.7%, 발광 휘도의 경우 2.9 %, 전류발광효율과 전력발광효율은 1.9%의 편차를 나타 내었다. 본 연구의 결과는 교류 구동 OLED 전계 발광 측정 시스템을 구축하지 않더라도 시뮬레이션을 통하여 교류 구동 방식 OLED 소자 연구가 가능함을 보여주었 고, 교류 구동 방식 OLED의 전계 발광 특성을 분석하 는데 있어 유용한 도구로 활용 가능할 것으로 전망한다.

<저자소개>

서정현

대진대학교 신소재공학과 박사

주성후

대진대학교 신소재공학과 교수

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