OLED 소자의 효율 인자

내부 및 외부 양자 효율

OLED 소자 효율에 영향을 미치는 인자는 소자 내부에서의 효율에 영향을 미치는 인자와 내부에서 발생한 빛이 외부로 발광할 때 효율에 영향을 미치는 인자로 구분할 수 있다. 소자 내부에서 효율에 영향을 미치는 주요 인자로는 전하 균형, 발광 재료 종류 및 엑시톤 발광 전이 비율 등이 있다.

 

전하 균형은 소자 내부에서의 정공과 전자 개수의 균형을 의미하며, 소자 내부에서 최대 효율을 얻기 위해서는 주입된 전자가 모두 엑시톤으로 전환되어야 하기 때문에 정공와 전자의 개수는 항상 같아야 하며, 주입된 전자와 정공은 발광층에서 외부로 누설되지 않아야 한다. 이 경우 전자의 손실 없이 모든 전자가 엑시톤으로 전환될 수 있다. 전하 균형을 통하여 최대로 엑시톤을 형성한 경우, 엑시톤은 일중한 엑시톤 25% 삼중항 엑시톤 75%의 비율로 형성된다. 발광 물질이 형광 물질인 경우에는 일중항 엑시톤 25%만을 발광에 이용할 수 있기 때문에. 내부에서의 최대 발광 효율은 25%이다. 발광 물질이 인광 물질인 경우에는 일중한 엑시톤과 삼중항 엑시톤을 모두 발광에 이용할 수 있기 때문에 내부에서의 최대 발광 효율을 100%이다. TADF 발광 물질의 경우에도 일중항과 삼중항 엑시톤을 모두 발광에 활용 가능하기 때문에 최대 발광 효율은 100%이다. 엑시톤 형성 후에는 모든 엑시톤이 발광 전이로 광자로 전환되어야 한다. 다른 손실 과정 없이 모든 엑시톤을 전환하게 되면 형광 발광 물질은 내부에서 전자의 광자 전환 효율이 최대 25%가 가능하며, 인광이나 TADF 발광 물질은 내부에서 전자의 광자 전환 효율이 최대 100%가 가능하다. 즉 전하 균형을 맞추고, TADF 또는 인광 발광 물질을 사용하고, 모든 엑시톤을 광자로 전환하면 소자 내부에서 최대 100%의 내부 양자 효율을 구현할 수 있다.

형광 및 인광 소자의 효율

OLED 소자 내부에서의 효율을 최대화하기 위해서는 전하 균형을 통하여 엑시톤을 손실 없이 형성하고, 형성된 엑시톤을 광자로 100% 전환하는 과정이 요구된다. 이를 위해서는 소자 구조를 구성하는데 있어서 각 층의 물리적 인자들을 최적화하는 과정이 필요하다. 첫 번째 조건은 정공과 전자의 균형을 맞추는 것이며, 정공과 전자의 균형을 맞추기 위해서는 anode부터 정공 주입 및 cathode로부터 전자 주입을 원활하게 해야 하며, 이를 위해서는 HOMO 에너지 준위 및 LUMO 에너지 준위를 전극으로부터 계단식으로 제어하여 발광층에서 전자와 정공의 균형을 확보해야 한다. 이와 함께 엑시톤의 형성은 발광층에서 이루어지기 때문에 전하 수송층을 통한 전하 주입 특성 제어와 함께 발광층 내에서의 정공과 전자의 균형을 유지해야 한다. 발광층에서의 정공과 전자의 균형을 유지하기 위해서는 발광층에서 전하를 이동하는 역할을 하는 호스트가 중요하며 호스트는 정공과 전자를 모두 잘 주입하고 이동시키는 바이폴라 특성을 보여야 한다.

효율의 Roll-off

OLED 패널에서는 계조를 용이하게 조절하기 위하여 전류 밀도 또는 휘도와 관계 없이 효율이 일정해야 한다. 휘도에 따라 효율이 달라지게 되면 계조 제어가 어렵기 때문에 패널 적용에 있어서 어려움이 있으며, 저휘도와 고휘도에서 동일한 효율을 보이는 것이 가장 이상적이다. 그러나, OLED 소자는 고휘도로 갈수록 효율이 저하되는 현상을 보이며 이러한 현상을 효율 roll-off하고 한다. 효율 roll-off 현상은 OLED 패널 적용을 위하여 최소화해야 하며, 일반적으로 형광 소자에서는 적은 효율 roll-off를 보이나 인광 및 TADF 소자에서는 큰 효율 roll-off가 관찰된다.

 

일반적으로 발광층에서 엑시톤을 형성하여 발광시 발광층에는 일중한 엑시톤, 삼중항 엑시톤, 양성 폴라론 및 음성 폴라론이 존재한다. 정공과 전자가 균형을 이루어 모두 엑시톤을 형성하게 되면 폴라론이 형성되지 않지만, 일반적으로는 완벽하게 정공과 전자의 균형을 이루기 어렵기 때문에 엑시톤과 함께 폴라론이 발광층에 존재하게 된다. 엑시톤을 형성하기 전의 폴라론과 발광하기 전의 엑시톤들은 발광층 내에서 상호간에 충돌할 수 있으며, 엑시톤과 폴라론들은 다양한 형태로 충돌하게 된다.