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학사학위논문 I-V-L 작동방법 이론 및 데이터 해석 방법 연구

지도교수 양재웅 교수

대진대학교

신소재공학과 신영민

2008년 11월 25일


I-V-L 작동방법 이론 및 데이터 해석 방법 연구

지도교수 양재웅 교수

이 논문을 공학 학사 학위 논문으로 제출함

대진대학교 신소재공학과 신영민 2008년 11월 25일


신영민의 공학 학사학위 논문을 인준함

위원장 주 성 후 (印) 위 원 양 재 웅 (印) 위 원 황 승 준 (印) 위 원 안 재 우 (印) 위 원 나 현 석 (印) 대진대학교 2008년 11월 25일


I-V-L 작동방법 이론 및 데이터 해석 방법 연구

신영민 대진대학교 신소재공학과


I-V-L 작동방법 이론 및 데이터 해석 방법 연구

I-V-L operational method theory and data interpretation method research.

신영민

Youngmin Shin

Abstaract

To under OLED against the structure and a luminous principle of the element break comment, the voltage which it evaluates from OLED elements, electric current, luminous brightness, luminous efficiency, color temperature and color coordinate, against PR-650 where it measures the luminous spectrum comment. To under break helps the gain and loss of the shame which comes out and manpower of the thing for and the equipment which it uses, against PR-650 measurement principle and a method comment. PR-650 it leads, comparison comment DCJTI (15%) and DCJTI (30%) data.


I. 서론

II. 본론 1. 유기발광다이오드(OLED : Organic Lighting Emitting Diode) 가. OLED 구조 나. OLED 발광 원리 다. OLED 소자의 특성 평가법

1) 기본 특성의 평가 2) 발광 효율의 정의와 측정법 2. I-V-L(Current-Voltage-Luminance) 측정기 가. 수치의 이해 나. 장비 사양 다. 측정 원리 라. 측정 방법 마. 비교 분석

III. 결론

IV. 참고문헌


I. 서론

정보디스플레이는 인간과 전자장치와의 정보교환을 행하는 인터페이스를 말한다. 차세대 정보디스플레이라고 불리는 ‘OLED'(Organic Light Emitting Diodes)는 유리나 플라스 틱 등 위에 유기물을 도포해서 그것에 전기를 통하게 하면 유기물이 발광한다는 의미의 디스 플레이이다. 일반적으로 유기물을 절연체라고 생각하지만 어떤 종류의 유기물은 잘 사용하면 전기가 흘려 빛을 낸다. 'OLED'는 우리가 일상생활에서 사용하고 있는 TV 혹은 PC, 휴대폰의 디스플레이, 가전제품 의 표시기판(Panel) 등에 사용할 수 있다. 대부분은 현재 액정이지만 ‘OLED'는 액정에 비해 색이 예쁘고, 얇으며, 시야각의 제한이 없고 값이 싸다. 이런 'OLED'의 특성을 평가하기 위해서는 'OLED IVL 측정시스템‘을 사용해서 평가하여야 한다. 특성평가 항목으로는 전기적, 광학적인 특성이 주로 행해진다. 그리고 캐리어의 이동도 (mobilty), 발광효율, 발광재료 자체의 발광 스펙트럼(PL spectrum), 소자의 EL 스펙트럼의 파 장 비교, CIE 색순도의 조사 등이 있다. 본 논문에서는 ‘OLED IVL 측정시스템’에 대한 전반적인 이해와 작동방법, 데이터 해석방법에 을 연구하고자 한다.


II. 본론 1. 유기발광다이오드(OLED : Organic Lighting Emitting Diode)

정보화 혁명으로 인한 인터넷으로 대표되는 정보의 네트워크가 급진적으로 발전함에 따라 경 제, 의료, 교육, 행정, 교통, 물류, 문화 등의 광범위한 영역에 걸쳐 새로운 사회적 기반이 구축 되고 산업구조도 크게 변화할 것으로 예측된다. 이러한 고도의 정보화 사회가 도래함에 따라 가볍고 얇아 휴대가 간편하고 정보 처리 속도가 빠른 표시장치의 개발이 필요시 되고 있다. 지 금까지의 음극선관(Cathode lay tube: CRT)은 중량, 장치공간, 소비전력 등이 크기 때문에 본 질적인 문제점을 안고 있기 때문에 경박단소의 특징을 갖는 평판 디스플레이(Flat Pannel Display: FPD) 장치가 CRT로서는 해결하기 어려운 문제들을 해결할 수 있는 대안으로 대두되 고 있다. 그 중 액정표시장치(Liquid Crystal Display LCD)는 가볍고 전력소모가 적은 장점이 있어 평 판 디스플레이로서 현재 가장 많이 사용되고 있으며 앞으로도 상당기간 수요 측면에서 강세를 유지 할 것으로 예측된다. 그러나 LCD는 자체 발광 소자가 아니라 수광 소자이며 공정의 복잡 성, 응답속도, 밝기, 대조비(Contrasrt), 시야각, 그리고 대면적화 등에 기술적 한계가 있기 때문 에 이러한 단점을 극복할 수 있는 새로운 평판디스플레이를 개발하려는 노력이 활발하게 전개 되고 있다. 새로운 평판 디스플레이 중 하나인 유기발광다이오드(Organic Lighting Emitting Diode: OLED)는 자체발광형이기 때문에 LCD에 비해 시야각, 대조비 등이 우수하며 공정의 단순화가 가능하고 backlight가 필요하지 않기 때문에 경박형이 가능하며 소비전력 측면에서도 유리하여 연구 개발이 활발히 진행중인 분야이다. OLED는 유기물 박막에 음극과 양극을 통하여 주입된 전자(electron)와 정공(hole)이 재결합 (Recombination)하여 여기자(Excition)을 형성하고 형성된 여기자로부터의 에너지에 의해 특정 한 파장의 빛이 발생되는 현상으로 구동 방법은 크게 수동형 matrix(PM) 및 능동형 matrix(AM) 둘로 나눌 수 있는데 PM소자는 표시 영역이 양극과 음극에 의한 단순 메트릭스 로 구성되어 있고 음극과 양극이 교차되는 부분에서 발광이 가능한 형태로 고휘도가 요구되며 구동전압의 상승, 재료의 수명저하 등의 단점을 가지고 있어 소형 및 저가 디스플레이 제작에 적절하며 이미 상용화가 시작되었다. 반면 AM소자는 표시영역의 각 화소에 스위칭용 TFT를 배치한 것으로 TFT-LCD에서 TFT는 그대로 두되 액정(Liquid Crystal: LC) 및 backlight, 편 광판 등 부품을 없애고 대신 아주 얇은 OLED층을 형성한 것으로 아직 기술의 완성도는 떨어 지지만 향후 PM에 비해 그 발전가능성이 뛰어 나므로 활발히 연구되고 있다. 이와 같이


OLED는 진공이나 가스층이 없이 기판과 얇은 막만으로 이루어진 고체 소자이며 또한 flexible substrate 위에서도 제작이 가능하다는 점에서 대부분의 경쟁 디스플레이 기술에 비해 커다란 장점을 갖고 있다. 발광재료에 따라 저분자 OLED와 고분자 OLED로 나뉠 수 있으며 저분자 OLED는 이미 휴 대폰 및 탑재용 디스플레이로 판매되고 있으며 한국, 일본, 중국 및 대만에 활발히 연구되어 지고 있다. 저분자의 경우 재료의 특성이 잘 알려져 있어 개발이 쉽고 조기 양산이 가능한 장 점이 있으나 수명이 짧고 발광 효율이 낮아 대화면화에 어려움이 있다. 한편 고분자의 경우에 는 저분자에 비해 열적 안정성이 높으며 기계적 강도가 우수하고, 자연색과 같은 색감을 지니 면서 구동전압이 낮기 때문에 디스플레이 응용에 유리하다. 그러나 재료의 신뢰성이 미흡하다 는 단점을 안고 있어 앞으로 이를 해결 할 노력이 연구되고 있다. 가. OLED 구조

OLED에 사용되는 저분자 재료는 OLED의 구조 또는 제조 공정을 살펴보면 쉽게 파악할 수 있다. OLED는 투명 기판 위에 형성된 양극 위에 정공 주입층, 전공수송층, 발광층, 전자수송 층, 전자주입층, 음극을 순차적으로 형성하여 만든 샌드위치 구조로 되어있다. 단일층 또는 이 증층 구조만으로도 빛을 생성시킬 수 있으나 발광효율, 밝기 그리고 안정성 때문에 다층구조가 가장 바람직하다. 유기 단분자의 특성상 각 층은 고 진공 (10-6~10-7torr)상태에서 저항 가열식 열증착(thermal evaporation)을 통하여 형성되며 가능하면 한 층을 증착 한 후 진공을 해제하 지 않은 상태에서 다음 층을 증착 하여야만 재현성 있는 결과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 안 정한 소자를 만들 수 있다. 그러나 고진공 상태에서 여러 가지 유기물을 동일한 진공챔버 (Vaccum Chamber)에서 사용할 경우 상호 오염(Cross Contamination)되는 현상에 의하여 사 용 빈도수가 증가할수록 소자특성이 변하는 경우가 일반적이다. 따라서 한 개의 진공 챔버로 한 종류의 유기물을 사용하는 것이 바람직하며 각 챔버 사이에 버퍼 챔버(buffer chamber)를 증착 하여 공기 중에 노출시키지 않고 진공 상태에서 그대로 이송시키는 것이 이상적이다.

[ 그림 1. OLED 소자구조 ]


나. OLED 발광 원리

무기물을 사용한 전기발광은 전기장이며 어떤 형광체에 적용될 때 광이 방출하는 현상을 말 하며, 여기서 형광체는 일반적으로 반도체 물질이다. OLED는 실제 전기발광과 전하 주입 전기 발광의 두 형태로 말할 수 있다. 실제 전기발광에서는, 전압이 두 전극 사이에 직접적이거나 간접적으로 적용될 때 발광현상이 발생된다. 전하 주입 전기발광에서는, 전극으로부터 주입된 운반자(Carrier)들에 의해 단결정 반도체 내의 p-n접합(Junction)으로 전기장이 적용될 때 빛이 방출하게 된다. 발광의 세기는 인가전압이 증가함에 따라 증가하게 된다. 일함수가 높은 금속 은 정공 주입 전극으로, 낮은 것은 전자 주입 전극으로 주로 쓰인다. 발광된 빛이 소자 밖으로 나오게 하기 위하여 기판과 기판 방향 전극이 발광 파장영역에서 흡수가 거의 없는 투명한 것 을 사용한다. 투명한 전극으로 일함수가 큰 인듐주석산화물(indium-tin-oxide: ITO)이 정공 주 입 전극으로 많이 쓰인다. ITO가 입혀진 유리 혹은 플라스틱 기판 위에 유기물과 일함수가 낮 은 금속을 각각 진공 증착하는 방법으로 소자가 만들어진다. 일함수가 낮은 금속으로는 알루미 늄(Al), 미그네슘(Mg), 인듐(In), 칼슘(Ca) 등의 금속 혹은 그들의 합금이 주로 많이 쓰인다. 이 와 같은 과정으로 제작된 소자는 다음의 몇 단계를 거쳐 발광을 일으킨다. 첫째, 전하 캐리어 주입(charge carrier injuction) 단계 : 일함수가 높은 전극을 양극으로 하 고, 일함수가 낮은 전극을 음극으로 하여 순방향 바이어스(forword bias)를 소자에 가함으로써 전자와 정공을 발광층(emitting layer)에 주입한다. 둘째, 전하 캐리어 이동(charge carrier transport) 단계 : 전극에서 유기물로 전자와 정공이 주입될 때 무기물 반도체에서와 마찬가지로 전자는 음극에서 전도대(conduction band)로, 정공 은 양극에서 가 전자대(balance band)로 주입되며, 주입된 전자와 정공이 발광층 내에서 전자격자 상호작용(electron-latticed interaction)으로 각각 음성 및 양성 폴라론(polaron)을 생성한 다. 이때 생성된 폴라론들은 유기물에 가해진 전기장 하에서 분자의 사슬을 따라 반대 전극으 로 이동된다. 셋째, 여기자 생성 단계 : 생성된 폴라론이 발광체내의 어느 한 부분에서 만나 재결합하여 일 중항 폴라론 여기자(singlet polaron excition)를 형성하게 된다. 넷째, 발광 단계 : 이들 여기자가 발광소멸 하게 되면 폴라론과 익사이톤의 에너지 갭에 해당 하는 빛이 발생하게 된다.


[ 그림 2. 유기발광다이오드의 발광 메카니즘 ]


다. OLED 소자의 특성 평가법 1) 기본 특성의 평가

OLED 소자의 특성 평가 항목으로는 전압-전류 밀도특성, 휘도-전압 특성, 휘도-전류 밀도 특성, 소자수명(휘도 반감 수명), EL 스펙트럼, 색순도, 발광효율(양자 효율, 전력 효율, 전류 효율)과 같은 기본 특성이 측정된다. 전압 인가에 의한 전류 주입과 캐리어 수송의 정보를 얻 기 위해 전류-전압 특성을 조사한다. 발광이 일어나는 임계 전압과 어느 정도의 전압까지 소자 가 견딜 수 있는가를 알기 위해 휘도 특성 그리고 주입 전류에 대해 휘도 변화를 나타내는 휘 도-전류밀도 특성을 조사한다. OLED 소자로부터 발광특성이 사용한 발광 재료에 기인하는가 에 대한 특성은 발광 재료 자체의 PL 스펙트럼과 소자의 EL 스펙트럼을 비교함으로써 알 수 있다. 이러한 기본 특성 평가에 사용되는 단위 소자의 크기는 사각 2∼5mm 크기로서 사각 3∼5cm 유리 기판 위에 수 개 단위로 만들 수 있다. 측정은 OLED소자를 고정하는 홀더(holder), 전원, 휘도계, 제어용 컴퓨터 등으로 구성된 측정 시스템을 사용한다. 전원은 정전류 제어가 가능한 10-6∼0.1A 정도까지 조절 가능하도록 설정되고 출력 전압은 최대 20V가 입력 가능한 기기가 바람직하다. 실제 측정에서는 전류 밀도는 10-5∼1A/cm2까지 단계적으로 조작하여 소자로부터의 발광 강 도를 휘도계로 측정하여 컴퓨터로 전송, 특성 테이터를 얻게 된다. 수명 측정은 초기 휘도를 나타내는 정전류 조건하에서 연속 구동한 경우에 휘도 및 전압 변화를 측정한다. EL 발광의 스펙트럼은 멀티채널 분광 장치로 측정한다. 색순도는 측정한 스펙트럼으로부터 평가하며, 발광 효율은 발광 스펙트럼과 휘도-전압 또는 휘도-전류 밀도의 측성으로부터 산출 할 수 있다. 2) 발광 효율의 정의와 측정법

OLED 소자의 발광 효율은 Table 2. 에서 보여 주듯이 몇 개의 정의가 있다. 발광 효율 단위 정의 외부 양자 효율 % 방출 광자 수 / 주입 전자 수 양자효율 내부 양자 효율 % 발생 광자 수 / 주입 전자 수 전력 효율 lm/W 전 광량(광속) / 전력 시감효율 전류 효율 cd/A 정면 휘도 / 전류 밀도 Table 2. OLED 소자에 사용되는 대표적인 발광 효율


시감 효율과 양자 효율로 크게 나눌 수 있다. 일반적으로 디스플레이의 효율을 표현하는 것은 소자로부터 방출된 전체 광량(광속[lm])을 인가된 전력[W]으로 나눈 값, 즉 전력효율 ηe[lm/W] 가 사용된다. OLED 소자를 완전한 확산 면광원으로 가정한 경우 식(1)에서와 같이 휘도계로 측정한 휘도 L[cd/m2]와 소자에 인가한 전력 밀도 Pi[W/m2]로부터 전력 효율 ηe를 구할 수 있다.    식(1)      ×      광량(광속)은 인간의 눈에 의한 분광 감도(표준 비시감도)를 포함한다. 시감도는 황록영역 (555nm)에서 최대가 되고 청색과 적색 영역에서 급격히 저하한다. OLED 소자에서 가장 널리 사용되는 발광 효율은 단위 전류당 휘도 크기를 나타내는 전류 효율 ηc[cd/A]이다. 전류 효율 은 소자의 인가전압에는 무관하기 때문에 발광 재료 자체의 발광 성능을 표현하기에 적합하다. 같은 발광 재료를 사용하여 적층 구조나 전극 구조의 차이에 따라 전압이 다를 수도 있으며 이 경우에도 전압 크기에 영향을 받지 않고 재료 간의 성능을 비교할 수가 있다. 전류 효율은 식(2)로 표현할 수 있다.          식(2)     

양자 효율에는 내부 양자 효율과 외부 양자 효율이 있다. 소자 내부에서 발생한 광자 수로부 터 산출한 방법이 내부 양자 효율이며, 소자 외부로 방출된 광자 수로 계산하는 것이 외부 양 자 효율이다. 외부 양자 효율(ηext)은 내부 양자 효율(ηint)과 광 방출 시 효율 ηout을 사용하여 다음 식(3)과 같이 표현된다. ηext = ηout / ηint 식(3) 내부 양자 효율 ηint는 소자에 주입된 전자수 Nin에 대해 발생한 광자수 Nem으로 표현한다.    식(4)  





실제로 측정 되는 양자 효율은 외부 양자 효율로서 식(5)으로 표현된다.  

   ≤             

식(5)


여기서 L은 휘도[cd/m2], J는 전류 밀도[A/m2], λ는 파장, F(λ)는 EL 스펙트럼, y(λ)는 표전 비시감도를 나타낸다. 이 외에 e는 전하량, h는 플랑크 상수, c는 광속도를 나타내며 Km은 최 대 시감도(683 lm/W)이다. 식(5)를 이용하여 휘도계로 측정한 정면 휘도와 전류 밀도, EL 스펙트럼으로부터 외부 양자 효율을 구할 수 있다.. 이를 휘도 환산법이라 부른다. 이 외부 양자 효율은 시감도를 포함하지 않으므로 발광 파장이 다른 발광 재료들을 서로 비교하거나 발광 기구를 고찰하는 데 적합한 방법이다. 이 방법은 ① 소자로부터 발광 방사 패턴이 완전 확산면일 것 ② 발광 스펙트럼이 각도에 의해 변화하지 않을 것 ③ 휘도계의 측정 정밀도의 오차를 무시할 수 있을 것 방사 패턴은 소자 내의 유기층의 두께에 따라 빛의 간섭 현상에 의해 다르게 나타난다. 발광 은 앞쪽으로 향하는 경우와 비스듬하게 향하는 경우가 있다. 여러 층의 발광 층을 갖는 백색 발광의 경우는 각도에 의해 발광 스펙트럼이 변화하는 현상도 나타난다. 이 경우 휘도 환산법 을 사용하기는 곤란하다. 휘도계를 사용하지 않고 발광의 전 광량(광속)을 조사하는 방법으로는 대형 포토다이오드를 소자 전면에 부착하는 방법이 있다. 이 방법은 간편하면서도 높은 정밀도로 측정이 가능하다. 그러나 가장 신뢰성이 높은 측정법 은 적분구를 사용한 방법이다. 적분구는 소자로부터 방사 패턴이 어떤 형태라도 모든 광량을 모을수 있는 측정 시스템이다. 검출부는 폴리크로미터를 통하여 고감도의 CCD(Charge Coupled Device) 라인 센서를 이용하여 저휘도로부터 고휘도 영역까지 외부 양자 효율을 측정 할 수 있다. 측정 시스템 전체는 신뢰할 수 있는 표준 광원을 사용하여 엄밀하게 교정되게 때 문에 정밀도가 우수한 측정이 가능하다.


2. I-V-L(Current-Voltage-Luminance) 측정기

발광 소자에 인가된 전압과 전류에 의하여 발광하는 빛의 특성을 측정한다. 측정 항목으로는 전압, 전류, 발광 휘도(Brightness), 발광효율(lm/W, cd/A, %), 색온도(광원 의 빛을 수치적으로 표시하는 방법, 어떤 물체가 빛을 띄고 있을 때, 이 빛과 같은 빛을 띄는 흑체의 온도를 이용하여 물체의 색온도를 결정), 색 좌표(CIE 좌표), 발광 Spectrum이 있다. 가. 수치의 이해 1) 전압

물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것처럼 전하는 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동 한다. 이때 전위의 차이가 전압이다. 낮은 곳보다 높은 곳에서 떨어지는 물이 더 많은 에너지 를 갖고 있듯이, 전압이 클수록(전위차가 클수록) 더 많은 전기에너지를 갖고 있다. 그리고 높 이 차이가 없으면 물이 흐르지 않듯이 전압이 0이라면 전류가 흐르지 않는다. 가) Volt(V)

1C의 전하가 두 점 사이에서 이동하였을 때에 하는 일이 1J일 때의 전위차이다. 나) Coulomb(C)

1A의 전류가 1초 동안 흐를 때 이동하는 전하의 양이다.(한 개의 양성자나 전자가 가지는 전 하량의 크기는 1.6 x 10-19C) 다) Joule(J)

1N(뉴턴)의 힘으로 물체를 힘의 방향으로 1m 만큼 움직이는 동안 하는 일 또는 그렇게 움직 이는 데 필요한 에너지이다.(1J = 1N·m = 1kg·m²/s² = (1000g)·(100cm)²/s² = 105dyn·100cm = 107erg) 2) 전류

물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르듯이 전하는 전기적인 위치에너지가 높은 곳에서 낮은 곳 으로 이동한다. 물이 흐르는 이유가 중력때문이라면 전류는 기전력(起電力)이라는 힘에 의해 흐른다. 전류가 흐르는 길을 전기회로라 하며, 이는 물이 흐르는 수로(水路)에 대응된다. 그리 고 전류에 의하여 에너지를 공급받는 장치를 부하(負荷)라 하고, 이것은 물에 의해 돌게 되는 물레방아에 대응된다.


가) Ampere(A)

도선(導線)의 임의의 단면적을 1초 동안 1C의 정전하(정지한 전하, 양전하)가 통과할 때의 값 이다. 나) 전류밀도(current density)

도체의 단면에서 단위 면적당 흐르는 전류를 의미한다. 수식에서는 J로 표시하며, 단위는 A / m2 등을 사용한다. 3) 휘도

우리가 광원이 비추는 물체의 표면을 보면 그 면이 빛나 보이고 또한 반투명한 물체의 표면 에 빛을 비추어보면 앞면과 뒷면을 보면 눈이 부시게 보인다. 따라서 물체표면의 명암감과 광 원의 눈부심에 가장 관계가 큰 것은 빛의 강도와 물체나 광원의 휘도에 있다. 즉 사람이 물체 를 인식할 수 있는 것은 빛이 비추어지는 물체 표면의 휘도 차이와 각각의 물체의 속성으로 인한 반사율 때문이고, 또한 물체 표면에 떨어지는 빛의 휘도 차이가 같으면 사람이 사물을 식 별할 수 없다. 그러므로 사람이 사물을 식별할 수 있는 것은 빛이 비추어지는 사물표면의 휘도 차이로 인한 것이다. 가) Candela(cd)

광도의 가장기본적인 단위, 101,325 Pa의 압력에서 백금의 응고점 온도에 있는 흑체의 1/60cm2의 표면에 수직인 방향의 광도를 1 cd로 정의한다. (태양의표면 : 1,650,000,000 cd/m2 ,밝은 백열등의 필라멘트 : 7,000,000 cd/m2, 보름달의 표면 : 2500 cd/m2, 형광등 : 6000 cd/m2) 촛불 하나가 가지는 밝기의 실험적인 양을 근래에 정량화(cd = lm/sr) 나) Steradian

입체각의 크기를 나타내는 국제단위계의 보조 단위로 전구면의 중심에 대한 입체각은 4π이다. 다) Lumen(lm)

빛의 광선속을 측정하는 단위(시간의 따른 광의 변화율) 파장 555nm의 빛이 1/683W의 일률을 가질 때 1 lm


1 cd의 균일한 광도의 광원으로부터 단위입체각의 부분에 방출되는 광속을 1 lm으로 정의, 1 cd의 점광원에서 방출되는 전광속은 4π lm이다. 라) Lux

1m2의 넓이에 1 lm의 광속이 균일하게 분포되어 있을 때의 면의 조명도, 1 cd의 점광원으로 부터 1m 떨어진 곳에 있는 광선에 수직인 조명도를 말한다. 1루멘의 빛이 1제곱미터에 들어오는 양(� lux = lm/m2) 4) 발광 효율 가) 양자효율 (1) 외부 양자 효율(%)

소자 외부로 방출된 광자 수로 계산하는 것이 외부양자효율이다. 방출 광자 수 / 주입 전자 수 ηext = ηout / ηint 식(3) (2) 내부 양자 효율(%)

소자 내부에서 발생한 광자 수로 산출한 방법이 내부양자효율이다. 발생 광자 수 / 주입 전자 수    식(4)  



나) 시감효율 (1) 발광 효율(lm / W) :



전 광량(광속) / 전력          ×        

(2) 전류 효율(cd / A) :

정면 휘도 / 전류 밀도

             

5) 색온도

식(1) 식(2)

광원의 빛을 수치적으로 표시하는 방법이다. 어떤 물체가 빛을 띄고 있을 때, 이 빛과 같은 빛을 띄는 흑체의 온도를 이용하여 물체의 색온도를 결정한다. 보통 실제 온도보다 약간 높은 값을 가진다.


이상적인 흑체[完全黑體]가 방출하는 빛의 색은 플랑크의 복사법칙(輻射法則)에 의해 온도에 의해서만 정해진다. 물체가 가시광선을 내며 빛나고 있을 때 그 색이 어떤 온도의 흑체가 복사 하는 색과 같이 보일 경우, 그 흑체의 온도와 물체의 온도가 같다고 보고 그 온도를 물체의 색 온도라고 한다. 즉, 물체의 색온도는 같은 색광의 흑체의 온도(절대온도 K)로 표시된다. 가령 전구의 빛은 2,800K, 형광등의 빛은 4,500∼6,500K, 정오의 태양빛은 5,400K, 흐린 날의 낮빛은 6500∼7000K, 맑은 날의 푸른 하늘 빛은 1만 2000∼1만 8000K 정도의 색온도이다. 색 온도의 측정법은 국제적으로 정해져 있으며, 적당한 색유리 필터와 표준광원을 써서 측정한다. 색온도는 일반적으로 실제 온도보다 다소 높게 매겨진다.

[ 그림 3. 온도별 색표현 ] 6) 색좌표

인간의 눈은 세 개의 색채 수용기를 갖고 있기 때문에, 모든 가시광선의 분포도는 3차원 도형 이 된다. 그러나 색은 밝기와 색도의 두 가지 요소로 나눌 수 있다. 예를 들어, 흰색은 밝은 색 이며, 회색은 동일한 흰색의 좀 더 어두운 형태로 표현할 수 있다. 즉 흰색과 회색은 밝기는 다르지만 색도는 같은 색이다. CIE XYZ 색공간은 Y 값이 밝기 또는 조도의 값이 되도록 설계되어 있다. 따라서 어떤 색의 색도는 두 개의 값 X, Y, Z로부터 계산된 값 x, y로 표현할 수 있다. 

  


  

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x, y, Y로 표현된 색공간은 CIE xyY 색공간이라 부르며, 실제로 색깔을 나타내기 위한 용도 로 많이 사용된다.

[ 그림 4. CIE 1931 색공간의 색도분포표 ] 그림 4. 에서 외곽의 곡선 모양 경계선은 단색광에 해당하며, 각각의 단색광의 파장이 나노미 터로 표시되어 있다. 색도분포표는 특정한 파장을 가진 빛에 인간의 눈이 어떻게 반응할 것인 가를 보여주는 표이며, 물체의 색깔을 직접 표현하는 수단은 아니라는 것에 주의하라. 인간의 눈에 보이는 물체의 색깔에는 광원의 색깔 또한 영향을 미치기 때문이다. ① 색도분포표는 평균적인 인간의 눈에 보이는 모든 색깔을 표현한다. 따라서 이 그림은 인간 의 눈에 보이는 모든 가뭇을 표현한 것이라 할 수 있다. 바깥쪽의 곡선 경계선은 스펙트럼 위 치라 부르며, 단색광의 색깔에 해당한다. 아래쪽의 직선 경계선은 보라색 선이라 부른다. 이 선 에 해당하는 색깔은 경계 위치에 있기는 하지만 단색광으로는 표현할 수 없는 색깔이다. 보다 채도가 낮은 색깔은 가운데 영역에 존재하며, 한가운데에는 흰색이 있다.


② 가시광선 내의 모든 색깔은 양의 x, y, z 값으로 모두 나타낼 수 있다. (따라서, X, Y, Z 값으로도 나타낼 수 있다.) ③ 이 도표에서 임의로 두 개의 점을 찍으면, 각각의 두 색을 섞어서 나타낼 수 있는 모든 색 깔은 두 점을 잇는 직선 위에 존재한다. 또한, 세 개의 색깔을 섞어 나타낼 수 있는 모든 색깔 은 세 점으로 이루어진 삼각형 안에 존재한다. (그 이상의 여러 개의 색깔에 대해서도 마찬가 지이다.) ④ 두 색을 똑같은 양만큼 섞어 만들어진 색은, 두 점의 한가운데에 있지는 않다. 다시 말해, xy 색도표 상의 거리는 두 색의 차이와 일치하지는 않는다. 색공간 상의 거리가 곧 색의 차이 를 나타내는 색공간은 후에 만들어진 CIE L*u*v*(1960) 색공간, 혹은 CIE L*a*b*(1976) 색공 간이다. ⑤ 곡선 모양 공간에서 유추할 수 있는 것처럼, 세 개의 색깔을 섞어 인간이 볼 수 있는 모든 가뭇을 표현하는 방법은 존재하지 않는다. 인간 시각의 가뭇은 삼각형이 아니기 때문이다. ⑥ 흰색은 (x, y) = (1/3, 1/3) 지점에 존재한다.


나. 장비사양 1) 측정기기

: Photo Research Co. - Spectral Range : 380nm ∼ 780nm - Spectral Bandwidth : 8nm (fwhm) - Spectral Accuracy : ± 2nm - Luminance Accuracy : ± 2% to NIST Traceable Standard at 2856K - Color Accuracy : 0.0015(CIE 1931 x), 0.001(CIE 1931 y) at Illuminant A - Output : RS-323

(가) PR-650 (Spectroradiometer)

2) Dark Box & Measurement Stage

(가) Motion Stage : X, Y, Z 3축 Stage, Manual Handle Control - Detector Stage : X, Y Axis Manual - OLED Stage : X Axis Manual (나) BW CCD Camera & Monitor - Image Device : 1/3" interline CCD - 10" BW CCTV Moniter (다) Dark Box : Al Profile + Black Formax Plate

3) SMU(Keithley-2400)

: Keithley

- Power output : 22W - Current Capability : Min ± 10pA Max ± 1.05A - Voltage Capability : Min ± 10uV Max ± 21 ± 210V - Ohms Range : < 0.2Ω to 200MΩ - Basic Accuracy : I (0.035%), V (0.015%), Ω (0.06%) - Interface : RS-232 interface - Memory : 5000 point, 2500 point reading buffer


다. 측정원리

테스트를 시작 후 OLED에서 빛이 발광하기 시작하면 PR-650의 대물렌즈를 통해서 빛이 들 어가게 된다.

[ 그림 5. PR-650의 Aperture ] 대물렌즈 안의 Black spot (1° aperture) 그림 5. 를 통과한 복사광이 측정된다. 7° field of view 안의 나머지 빛은 second partially silvered mirror에 반사되고, 이 에너지의 40%는 뒤에 partial mirror가 있는 sync detector에 투과되고 나머지 60%는 사용자가 Target 위에 측정대 상에 1° Aperture 를 정확하고 확실하게 정렬하기 위해 대안렌즈 쪽으로 보내진다.

[ 그림 6. 복사광의 분광 ]


그림 6.에서 복사광이 Concave diffraction grating에 똑바로 도달하면 이 radiation을 380nm 에서 780nm의 연속된 색으로 분광시켜서 포토다이오드 위에 분광된 스펙트럼으로 Focus 한 다. 포토다이오드에 검출된 색은 Red(700nm), Green(546nm), Blue(436nm)의 범위에서 그림 7.의 식에서처럼 적분값으로 계산되어서 3자극치 X, Y, Z의 값으로 나오게 된다.

[ 그림 7. 스펙트럼의 분광 ] X, Y, Z의 값으로써 색좌표를 구하게 된다. 

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이렇게 구해진 식의 x, y의 값은 색좌표로 표현이 되어진다. Y의 값은 휘도이다. CIE 시스템에서는 이들 x, y, Y라는 3가지 숫자로 Color의 색상, 채도, 밝기의 벡터값을 표현 할 수 있다.


라. 측정방법

① Power on(PC, CCD 모니터, PR-650, Keithley 2400) ② PC상의 IVL Tester 실행 ③ Jig에 샘플설치 및 전원 연결(발광을 원하는 셀의 단자를 찾아 극성을 확인한 후 전원 연결) ④ CCD 카메라를 통해서 보이는 측정할 셀의 Focus를 잡는다. ⑤ 소프트웨어에 IVL 측정을 위한 설정 값을 입력한다. - 측정 횟수 : 지정한 측정을 반복 수행한다. - Control Src : 입력 전원의 종류, SMU(Source Measure Unit)의 소스를 설정한다.(Volt / Current) - SMU Range IV / IVL 모드 투입전원의 최대값을 설정 L 모드 OLED 셀에 인가되는 전압 값 - SMU protect : SMU의 Measure값의 한계를 설정한다. 이는 과도한 전압 및 전류를 차단하기 위해서 설정한다. - Measure Mode : 측정하고자 하는 모드를 선택한다.(L / IV / IVL) L 모드 휘도(cd/m2), 색좌표 값(x, y)을 측정한다. IV 모드 Source, Measure 값을 측정한다. (V, mA) IVL 모드 L모드와 IV모드를 동시 수행한다. - 파형 : 투입전원의 파형을 설정한다. DC파 : 고정된 값을 입력 V or A(입력값), Measure Count(측정 횟수) IV 모드 Interval(측정 간격), Delay(지연 시간) V or A(입력값), Measure Count(측정 횟수) IVL 모드 Interval(측정 간격) 계단파 : 일정 간격의 값을 차례로 입력 IV 모드 Start(초기값), End(종료값), Inc(증가폭), Delay(지연시간) IVL 모드 Start(초기값), End(종료값), Inc(증가폭) ⑥ Graph Setup 창에서 표시할 그래프를 선택한다. ⑦ 측정시작 버튼을 누른다. ⑧ 나오는 데이터를 통해서 소자의 평가를 한다.


마. 비교분석

적색 활성제로 DCJTI을 사용하여 Alq3와 동시 증착하는 방법에 의하여 Alq3와 활성제의 비가 85:15, 70:30 로 증착된 OLED 소자를 측정하였다. 각 조건에 따른 OLED 소자의 인가전압에 대한 전류밀도의 변화를 그림8. 에 나타내었다.

[ 그림 8. Dopant 비율에 따른 인가전압에 따른 전류밀도 ] 15%의 비율로 증착된 OLED 소자가 30%의 소자보다 같은 전압에서 전류밀도가 높은 것을 볼 수 있다.

[ 그림 9. Dopant 비율에 따른 인가전압에 따른 발광 휘도 ]


15%의 비율로 증착된 OLED 소자가 30%의 소자보다 같은 전압에서 발광휘도가 높은 것을 볼 수 있다.

[ 그림 10. Dopant 비율에 따른 인가전압에 따른 발광 효율 ] 15%의 비율로 증착된 OLED 소자가 30%의 소자보다 같은 전압에서 발광효율이 높은 것을 볼 수 있다.

[ 그림 11. Dopant 첨가에 따른 인가전압에 따른 전력 효율 ]


15%의 비율로 증착된 OLED 소자가 30%의 소자보다 같은 전압에서 전력효율이 높은 것을 볼 수 있다.

[ 그림 12. Dopant 비율에 따른 발광스펙트럼 ] 그림 12. Dopant 비율에 따른 발광스펙트럼을 보면 Dopant 각 파장 영역은 DCJTI(15%) 613nm, DCJTI(30%) 625nm 영역을 나타내고 있다.

[ 그림 11. Dopant 첨가에 따른 인가전압에 따른 양자 효율 ]


15%의 비율로 증착된 OLED 소자가 30%의 소자보다 같은 8.5V이하의 전압 양자효율이 낮음 을 볼 수 있다. 8.5V 이상에서는 30%의 소자가 낮아지는 것을 볼 수 있다. 13V에서 다시 30% 의 소자가 더 좋아짐을 볼 수 있다.

[ 그림 12. DCJTI(15%), DCJTI(30%)의 색영역 ] DCJTI(15%), DCJTI(30%)는 그림 12. CIE 색좌표에 빨간색 영역을 (x=0.6~0.7, y=0.3~0.4) 나타내었다.


III. 결론

위와 같이 OLED의 기본 구조 및 발광 원리에 대해서 살펴보았고, 본 논문의 주 내용인 'OLED IVL 측정시스템‘에 대해서 설명하였다. 본 논문을 작성하면서 OLED의 전반적인 내용과 OLED를 측정하는 시스템인 PR-650의 이론 및 원리에 대해서 알 수 있었다. 앞으로 디스플레이 산업을 이끌어 나갈 OLED 소자의 기술적 분야는 이미 다각도로 연구가 되고 있지만, 효율성의 측면에서 보다 나은 제품 생산을 위하여 꾸준한 연구 개발이 필요한 시 점이다. 따라서 OLED 측정 시스템을 더 효율적으로 사용한다면 더 나은 제품 생산에 기여할 수 있다고 생각한다. 현재 디스플레이 산업에서 더 얇고 가벼운 것이 선호되고 있는 상태에서 OLED에 대한 폭넓 은 연구가 진행되어 지금보다 더 혁신적인 OLED 소자의 개발이 이루어 질 것으로 예상한다.


IV. 참고문헌

[1] 이주석, 이상남(2008), 박막제조방식에 따른 OLED의 전도성 및 발광특성 평가, 부경대학교 공과대학 화상정보공학부 [2] 키도준지(2004), 에디슨 이후의 대혁명, 광문각 [3] 이운규(2007), 고 효율 2파장 백색 유기 발광 소자의 발광 특성, 석사학위논문, 한밭대 산업 대학원, 1-3 [4] 이경재, 심나영, 신선호(2008), 차세대 디스플레이 선두주자 - OLED, 전기전자재료21(1), 5-10 [5] PHOTO RESEARCH(1999), PR-650 SpectraScan SpectraColorimeter Instruction Manual [6] 박승옥 (2008) “색체 광학” 강의 자료 [7] 소림 준개, 원산 가일, 박대희 “디스플레이 공학” 인터비젼 2005 [8] 주성후, 양재웅 “정보 디스플레이 공학 개론” 대진대학교 특성화사업단


IVL논문