OLED

 OLED(Organic Light Emitting Diode)는 양극과 음극 사이에 발광유기물질이 샌드위치형태로 존재하는 발광소자이다. 여기에 전극을 통해 전류가 흐르면 빛을 내는 전계 발광현상을 뜻한다. 이는 유기물 내로 전하를 주입하여 유기 발광 분자를 바닥상태(ground state)에서 여기상태(excited state)로 만든 후 다시 바닥상태로 돌아오면서 내놓는 에너지가 빛으로 전환되는 원리를 이용한 것이다. 이때 발광하는 소재의 에너지 밴드갭(energy band gap) 크기에 따라 red, green, blue의 영역에 맞는 빛을 발광하도록 소자를 구성할 수 있다.

Figure 1 OLED의 기본 발광 원리

 그림 1은 OLED의 발광 원리와 기본적인 구조를 도식화한 것으로 수백 nm의 두께를 갖는 유기박막과 양극(anode)과 음극(cathode)으로 구성된다. OLED 발광소자가 구동하는 과정은 단계적으로 전극에서 유기물로 전하가 주입되는 과정, 유기물 내에서 전하가 발광층까지 수송되는 과정, 발광층에서 전자와 정공이 만나 여기자(exciton)를 형성하고 재결합하는 세 단계로 나눌 수 있다. 이러한 기본 발광 원리를 원활히 하기 위해, anode에서 정공이 전극과 유기물 사이의 주입을 원활하게 해주는 정공주입층(hole injection layer, HIL), 주입된 정공이 발광층으로 효과적으로 전달하게 하는 정공수송층(hole transport layer, HTL), 전달된 정공과 전자가 만나 빛을 내는 발광층(emissive layer, EML), cathode에서 전자의 주입과 전달을 원활하게 하는 전자수송층(electron layer, ETL)과 전자주입층(electron injection layer, EIL) 등으로 각 기능별로 최적화된 소재들을 적층하는 다층 박막 구조를 사용한다.

편광 OLED

현재 상용화되고 있는 대부분의 OLED는 발광층으로 사용되고 있는 유기 분자들이 등방적 구조를 가지고 있으며 등방적 배열을 하고 있기 때문에 빛의 발광은 편광상태를 가지지 않는 무편광 발광을 하게 된다. 그러나 디스플레이로 사용되는 OLED는 표시 특성 향상을 위해 편광판을 사용하고 이는 OLED가 발광하는 비편광된 빛의 50%만 사용하기 때문에 광효율을 크게 저하시키는 원인이 된다. 편광판을 이용하여 편광된 빛을 이용하는 LCD의 경우에도 마찬가지 상황이다. 편광 OLED 구현 연구는 외광 반사 방지판에 의한 광효율 감소를 극복할 수 있는 breakthrough 기술이며 빛의 세기뿐만 아니라 편광 상태까지 조절하기 때문에 그 응용가능성이 매우 크다고 할 수 있다. 편광 OLED 구현에 사용되는 기술은 디스플레이 특성 향상뿐만 아니라 광통신, 광 기억장치, 태양정지 등의 특성을 향상시키는 응용분야로 확장시킬 수 있으며 유기 반도체, 메모리 bio-chip 등의 새로운 소자 및 제품에 적용 가능하여 신 개념의 소자를 구현할 수 있는 기반 기술이 될 것으로 기대된다.

 선편광 OLED: 비등방적 구조를 가진 유기물은 비등방적인 쌍극자 모멘트가 형성되며 이로 인해 dipole moment 방향으로 편광된 빛만 흡수/발광하는 특성을 갖는다. 비등방적 유기물을 한쪽 방향으로 정렬시킬 경우 유기 박막은 선편광된 빛을 발광한다. 비등방성 유기 분자를 배열시키기 위해서 Langmuir Blotgett(LB) films, direct strectching, rubbing, photoalinment, friction transfer, nanostructure 등의 방법들이 연구되었다.

Figure 2 다양한 유기 분자 정렬 방법

 지금까지의 연구들은 비등방성 물질 개발 및 유기 분자 정렬 방법 중심이었고 정렬 mechanism 및 정렬도 향상에 관한 연구가 거의 진행되지 않았다. DDLAB에서는 유기 발광 소재의 기초 과학의 이해를 바탕으로 분자 정렬도 향상, 유무기 복합체를 이용한 고편광/고효율 OLED 개발을 목표로 연구를 진행한다.

 응용연구: 현재 LCD의 backlight는 무편광 발광을 하며 선편광으로 전환시키기 위해서 선편광판을 사용하고 이로 인해 빛의 50%가 감소한다. Backlight를 선편광 OLED로 대체할 경우 100%에 가까운 빛을 모두 투과시킬 수 있으며 투과율은 최대 2배 가까이 향상시킬 수 있다.

 OLED로 3D display를 구현하기 위해서는 pixel별로 우원편광과 좌원편광을 발광해야한다. 하지만 편광된 빛이 필요하기 때문에 편광판과 패턴된 위상지연판이 필요하며 편광판에 의해 발광한 빛의 50%가 흡수된다. 본 연구팀에서는 영역별로 다른 수직된 정렬상태를 유도하여 편광된 빛을 발광시키며 패턴된 위상지연판이 아닌 일반적인 위상지연판의 빛의 감소 없이 영역별로 우원편광과 좌원편광을 발광시킬 수 있다.

 원편광 OLED: 디스플레이에서 사용되고 있는 OLED는 반사 특성을 가지고 있는 cathode에 의해 강한 외부광이 반사되어 대비비를 크게 감소시키기 때문에 표시 특성 저하를 막기 위하여 외광 반사 방지판(원편광판)을 사용한다. 그림 2는 외광 반사 방지 원리를 나타낸다.

 유기 발광 소자에서 발광된 빛의 편광 상태는 유기 분자의 비등방적 정렬상태 및 분자 정렬도에 의해 결정된다. 편광상태가 조절되기 위해서는 비등방적 유기 발광 분자에서 발광된 선편광의 빛이 발광층 내에서 위상 지연을 겪어야 한다. 하지만 일반적으로 비등방적 유기 분자는 표면 조건에 따라 일축으로 정렬된 구조로 정렬된 분자 배열로 유도되며 이 구조의 경우 유기 분자에서 발광된 빛이 위상지연을 겪을 수 없기 때문에 선편광 이외의 타원편광상태로 조절할 수 없다. 본 연구팀은 비등방성 공액 고분자에 chiral dopant를 도핑하여 twist 구조를 설계 및 구현하였으며 이 구조에서는 유기 분자에서 발광된 선편광의 빛이 발광층 내에서 위상 지연을 겪기 때문에 편광 상태가 바뀔 수 있고 chiral dopant의 농도를 조절하여 구조 및 발광된 타원/원 편광 특성을 조절 할 수 있다.

 원편광 효율 향상: 외광 반사 방지를 위한 원편광판이 적용된 OLED의 광효율 향상을 위해서는 타원/원 편광 발광 OLED 소자가 필요하다. 무편광, 선편광 발광의 경우 원편광판으로 이루어진 외광 반사을 50%이상 투과할 수 없다. 원편광 비율이 높아질수록 광효율이 향상되며 다음과 같은 광효율 향상이 나타난다.

 그림 3(a, b)는 원편광비에 따른 g-factor 변화와 g-factor에 따른 광효율 향상을 나타낸다. 3:1의 원편광비로 발광할 경우 1의 g-factor 값을 가지며 이는 50%의 광효율 향상을 기대할 수 있다. 그림 3 (c)는 무편광, no rubbing 우원편광, rubbing 우원편광 OLED의 원편광판 종류에 따른 사진이다. 유사한 밝기로 소자가 발광할 때에 우원편광판을 원편광 OLED에서 더 많은 빛이 투과하는 것을 볼 수 있으며 rubbing을 할 경우 no rubbing에 비해 더 많이 투과한다. 그러므로 외광반사 방지를 위해 우원편광자를 사용해야하는 OLED에서 휘도 개선 효과를 얻을 수 있다.

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