OLED — Blehye Dev

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<OLED : Organic Light Emitting Diode>

애노드와 캐소드 두개의 전극 사이에 유기물질을 넣고 전류를 흘려서 전자와 정공이 발광층에서 빛을 내는 자발광 소자

OLED 구조

기판 - 애노드 - HIL - HTL - EML - ETL - EIL - 캐소드 - Encapsulation

HIL : hole injection layer

HTL : hole transmission layer

EML : emission layer

ETL : electron transmission layer

EIL : electron injection layer

OLED Emission Mechanism

다이오드의 애노드와 캐소드에 의해 홀과 전자가 주입된다.

애노드와 캐소드 두개의 전극 사이에 유기물질을 넣고 전류를 흘려준다. 그러면 전자와 홀이 recombine 해서 빛을 낸다.

빛을 더 잘내려면, 발광층에 전자와 홀이 많아야한다.

발광층에서 전자와 홀이 많이 만날 수 있게 도와주는 징검다리 역할을 하는 것이 layer들이다.

애노드 ITO 전극 페르미 레벨에서 발광층으로 홀을 주입하려면 일정 에너지 이상을 줘야 하는데 이게 너무 크기 때문에 에너지 gap을 줄이는 수단으로 중간에 layer들을 넣는 것이다. (OLED에서 layer를 만드는 이유)

유기물질의 경우 전자 정공의 이동속도 차이가 커서 레이어를 만든다.

애노드에서는 전자가 차있는 마지막 레벨인 HOMO에서 전자를 끄집어낸다. 즉 홀 주입한다.

캐소드에서는 전자를 주입하는데, 전자가 차있지 않은 가장 낮은 에너지 레벨인 LUMO에 전자를 주입한다.

전기적 에너지로 발광하는 Electroluminance (EL) 물질로는 유기물과 무기물이 있다.

무기EL은 상대적으로 고전압이 필요하고, 3원색 중 청색 구현이 어렵다.

유기EL은 컬러화가 좋고 저전압에서 동작이 가능하다.

저분자 유기물은 증착공정이 어렵고, 고분자 유기물은 용액공정 가능하다.

Electroluminance 원리 : 형광, 인광

유기 EL 물질이 전기 에너지를 받으면 기저상태에서 여기상태로 올라간다. 그리고 다시 여기상태에서 기저상태로 돌아올 때 그 차이 만큼의 에너지가 빛으로 방출된다.

OLED 장점

1. contrast ratio가 높다. -> black 구현을 잘한다.

2. 시야각이 좋다.

3. response time이 빠르다. -> 빨리 움직이는 물체를 보기에 좋다. (CRT>OLED>LCD)

4. 백라이트가 없으므로 두께가 얇다.

Fluorescence 형광 / Phosphorescence 인광

*형광 : 에너지를 받는 즉시 빛을 낸다.

ground state에 있는 전자가 외부 힘에 의해 여기 됐는데 같은 spin모양(singlet)을 유지 했다가 떨어지면 bandgap에 해당하는 빛을 낸다. 빨리 떨어진다.

*인광 : 에너지를 받고 한참 있다가 빛을 낸다.

ground state에 있는 전자가 외부 힘에 의해 여기 됐는데 spin이 뒤집어지고(triplet) 떨어진다. 근데 이게 파울리법칙에 의해 안된다. 그래서 떨어지면서 상태를 바꾸는데 시간이 오래걸린다. 인광은 빛이 나는데 시간이 오래걸린다.

ground state에서 처음엔 singlet 으로 있다가 singlet 또는 triplet으로 여기되는데 그 비율이 1:3 이다.

그래서 25% 발광효율이 난다. -> 75%를 살리기위해 인광 발광을 시킨다.

발광물질이 빛을 내는데, 발광 효율, 발광 파장을 좋게 하려면 발광물질에 dopant를 넣는다.

-> dopant energy gap을 조절해서 특정 파장의 빛을 만들기 쉽다. (발광 파장 조절)

-> EML 보다 발광 효율이 좋다. -> 수명이 좋아짐

형광에서 dopant가 하는 일 (형광 내부발광효율 25%)

기저상태에 있는 전자가 전류의 에너지를 받아 25%는 같은 spin을 유지해서 여기됐다가 떨어진다. dopant가 없었다면 바로 떨어져서 25%의 효율로 형광 빛을 낸다. 근데 dopant에 의하여 Forester resonance energy transfer 현상이 생긴다.

공진에 의한 에너지 전달이 일어난다. 도너(EML)가 받은 에너지가 공진에 의해서 어셉터(도펀트)로 넘어간다.

처음엔 외부에서 전류를 흘려서 EML을 여기시켰는데 그게 떨어지면서 dopant한테 에너지를 줘서 결국엔 dopant가 여기된다. dopant도 singlet이 떨어지고 형광으로 떨어진다. 그 bandgap 에너지를 빛으로 낸다. 우리가 원하는 파장으로 조절 가능하고 형광 발광 효율을 좋게한다.

75%는 triplet으로 여기되고 dexter transfer에 의해 에너지가 triplet dopant로 간다. 떨어질 때 빛을 내는데 시간이 오래걸린다.

인광에서 dopant가 하는 일 (인광 내부발광효율100%)

기저상태에 있는 전자가 전류의 에너지를 받아 여기됐는데 75%는 spin이 뒤집어진다. 그 인광이 떨어지면서 내는 에너지가 인광 Dopant로 간다. -> Dexter transfer

도너에서 억셉터로 에너지가 가도 여전히 triplet 이다. -> 강제적으로 이리듐(heavy metal)을 dopant에 섞는다.

dopant에 이리듐을 섞으면 스핀을 바꿔준다. 인광발광을 미국 UDC회사가 특허 독점하고 있다.

25%는 forester resonance transfer에 의해서 에너지를 dopan에 줘서 여기된 siglet dopant로 간다. heavy metal에 의해 여기된 singlet이 여기된 triplet으로 바뀌고 여기된 triplet이 다시 기저상태로 떨어질 때 singlet으로 떨어진다.

OLED에서 red, green 은 인광물질로 만들 수 있는데 blue는 인광으로 못만들고 형광으로 만든다.

blue는 형광으로 빛을 내기 때문에 효율이 떨어진다.

OLED 외부 발광효율은 인광은 최대 20%, 형광은 최대 5%이다.

OLED는 전류구동소자

OLED는 전류밀도에 대해 밝기가 선형적이다. OLED는 한 flame time 동안 일정 전류를 흘리면 그에 대한 밝기가 나온다.

-> 정전류원이 필요한다. -> 구동 트랜지스터, 스위치 소자가 필요하다.

LCD는 캐패시터에 전압을 걸어서 E-field를 형성하고 액정 배열이 바뀌어서 빛이 지나가는 양을 결정한다. LCD는 전압구동소자이다.

Bottom Emission

bottom emission은 애노드가 투명, 캐소드가 불투명전극이다. top emission은 애노드가 불투명, 캐소드가 투명전극이다.

bottom emission은 빛이 캐소드에서 반사해서 애노드를 통해 90% 정도 거의 다 나온다. 캐소드 불투명 전극으로는 알루미늄, 구리 등이 있는데, 비저항이 굉장히 작다. 그래서 전류가 방해 받지 않고 흐른다. 근데 ITO 투명 전극은 비저항이 좋지 않다. top emission의 경우에서 캐소드가 ground인데 ITO투명전극을 쓰면 전위차에 의해서 0V가 아니게 된다.

ground에 모든 화소에서 나온 전류가 다 흐르니까 큰 전류가 흐른다. 이때 전압 drop이 안생겨야 한다. 똑같은 전압을 걸었을 때 어떤 화소는 밝고 어떤 화소는 어둡고 그럴수가 있다. (위치별로 ground상태가 바뀐다.)대형 디스플레이 같은 경우는 캐소드의 비저항이 큰 것을 써야할 필요가 있다. top emission이 발광 효율이 좋지만, 이건 캐소드를 ITO투명 전극을 써야한다. 그러면 ground가 불균일해지는 문제가 생긴다. 대형TV일 경우엔 더 심각해짐. 그렇기때문에 top emission이 발광효율이 좋아도 bottom emission을 쓴다. 이걸 보완하기 위해서 top emission에서 망간은을 쓰는데 이때 transmission은 40%밖에 안된다. 원래 ITO의 transmission은 약 90%임.

bottom emission 은 빛이 애노드를 통해 거의 다 지나간다. 시야각이 좋고 색감은 좋지 않음.

top emission은 빛이 애노드에서 반사돼서 올라가는데 다 통과를 못시키고 60%~70%는 반사시킨다. 다시 돌아와서 반사돼서 올라간다. 그래서 빛의 간섭이 발생한다. OPD가 맞으면 보강간섭을 일으켜서 특정 파장의 색이 세진다. 이걸 Microcavity 효과 라고 한다. 색도에서 gamut이 엄청 좋아진다. 하지만 시야각은 좋지 않다. 휴대폰의 gamut이 TV보다 훨씬좋다. 그리고 휴대폰은 시야각 상관이 없으니까 괜찮음. 또 top emission은 하나의 디스플레이 안에서 캐소드와 애노드 사이의 폭이 일정해야한다. 그래야 red는 red색이 나고 blue는 blue 색이 난다. TV는 면적이 크기 때문에 공정상 오차를 맞추기가 어렵다.

*top emission이 여러 장점이 있음에도 불구하고 TV는 bottom emission을 쓰는 이유?

1. 시야각이 좋다

2. 두께와 관련해서 공정이 용이하다

3. 캐소드 비저항이 더 좋다.

OLED는 스위칭 트랜지스터, 구동 트랜지스터 필요하고, LCD는 스위칭 트랜지스터만 있으면 된다.

여기서 스위칭 트랜지스터는 a-si로 많이 썼다. 휴대폰은 LTPS를 썼다.

근데 OLED는 전류를 일정하게 흘려줘야해서 전류 특성이 좋아야한다. a-si로는 어려워서 Oxide TFT(산화물반도체)를 쓴다.

OLED TV는 산화물반도체를 쓰고, 휴대폰은 LTPS를 쓴다. (휴대폰은 화소 하나하나를 작게 만들어야하므로. 이동도가 훨씬 높아야함)

MOSFET saturation영역에서 수식에 따르면 Vgs에 의해 트랜지스터에 흐르는 Ids전류가 정해진다. 그래서 다이오드에 정전류를 가할 수 있다. 근데 Vth가 화소 위치마다 시간마다 다 다르다. 똑같은 전압을 가해도 전류가 달라짐.

-> 보상해야 한다. 외부, 내부보상

small molecule EL (저분자계) vs polymer EL (고분자계)

저분자 유기물을 용액성이 없다. 물에 취약해서 진공에서 공정한다. 증착공정한다.

멀티레이어, 성능이 잘 나온다. 수명이 좋다. 전류대비 밝기가 좋다. evaporation 공정 특성상 재료 효율이 안좋다. 비쌈

고분자 유기물은 용액성이 있다. 용액공정한다. 싱글레이어. 재료효율 100% 싸다. 성능이 별로임. 원하는 밝기가 안나옴. 수명이 짧다.