OLED 소재 수명

OLED에 사용되는 유기 소재는 공유 결합 화합물이며, 공유 결합 자체의 결합 세기가 약하기 때문에 유기 소재를 OLED 소자에 적용할 경우 소자 구동시 유기물의 공유 결합을 해리시킬 수 있는 다양한 과정들에 의하여 유기물의 분해가 일어나게 된다.

발광 에너지 및 엑시톤 수명

유기물의 분해 과정 중 하나는 엑시톤 생성시 분자가 가진 엑시톤 에너지에 의한 분해 과정이다. 발광 과정에서 유기물 내에 일중항 엑시톤 및 삼중항 엑시톤이 생성될 경우 엑시톤은 에너지를 흡수하여 가지고 있는 상태이기 때문에 엑시톤이 존재하는 시간 동안 유기물을 엑시톤 에너지에 노출되어 손상을 입을 수 있으며, 결합 에너지가 엑시톤 에너지에 비하여 작을 경우에는 결합이 분해될 수 있다. 적색, 녹색 및 청색 발광 재료를 비교하면, 적색 발광 재료는 엑시톤 에너지가 작으면, 청색 발광 재료는 엑시톤의 에너지가 크기 때문에 청색 발광 재료가 엑시톤 에너지에 의하며 재료가 손상을 입을 가능성이 크므로 청색 발광 재료가 발광시 재료 안정성이 저하되며, 수명 측면에서 불리하다. 반면 적색 발광 재료는 엑시톤 에너지가 작으며, 대부분의 공유 결합 에너지가 적색 발광 에너지보다 크기 때문에 발광시에도 재료 안정성이 우수하고, 장수명을 구현할 수 있다. 유사하게 재료 안정성은 발광 전 엑시톤이 존재하는 엑시톤 수명에 의해서도 영향을 받으며, 엑시톤 수명이 길 경우에는 공유 결합으로 구성된 유기물이 에너지를 오랜 시간 동안 가지고 있으므로, 결합이 손상을 받을 가능성이 커지기 때문에 소자 수명 측면에서 불리하다. 따라서, 재료 안정성을 확보하기 위해서는 엑시톤 수명을 최소화하는 것이 중요하다. 또한, 동일한 색좌표를 갖는 적색, 녹색, 및 청색 발광 재료라도, 단파장에서 발광하는 성분을 최소로 포함하는 발광 재료가 재료 안정성 측면에서 유리하다. 동일 색좌표에서 단파장 성분이 많은 경우에는 단파장 성분에 해당하는 엑시톤의 에너지가 크기 때문에 발광하기 전 엑시톤 상태에서 유기 소재가 손상을 입어 수명을 감소시키게 된다. 따라서 좁은 스펙트럼을 갖는 것이 단파장 성분을 최소화할 수 있기 때문에 수명 측면에서 유리하다.

 

발광 물질의 발광 에너지 뿐 아니라 호스트의 발광 에너지도 소자의 수명에 영향을 미친다. 발광층에서는 호스트로부터 도펀트로의 에너지 전이가 주된 발광 메커니즘이며, 에너지 전이 과정은 호스트의 발광과 도펀트의 흡수 사이의 중첩을 필요로 하는 forster 에너지 전이를 포함한다. 도펀트의 발광 파장이 동일할 경우 도펀트의 stokes 이동이 작을 경우와 클 경우를 비교해 보면 stokes 이동이 클 경우에는 호스트의 발광 파장이 도펀트의 흡수 파장과의 중첩을 위하여 stokes 이동이 작을 경우와 비교하여 더 단파장에 위치해야 한다. 따라서 호스트의 발광 에너지가 커지게 되며, 소자의 수명 측면에서 불리하다, 따라서, 도펀트의 경우 가능하면 작은 stokes 이동을 갖는 것이 에너지 전이를 위한 호스트의 발광 에너지를 최소화할 수 있기 때문에 소자 수명 측면에서 유리하다.

결합 해리 에너지

OLED 소자 내의 유기물의 주요한 분해 과정은 소재의 반복적인 산화와 환원 과정에 의한 분해이다. OLED 소자 내부에서는 정공과 전자의 주입에 의하여 유기 재료에 양성 폴라론과 음성 폴라론이 반복적으로 생기고 사라지는 과정이 발생한다. 따라서, 산화 과정과 환원 과정에서 유기물이 손상 받지 않고 안정적으로 존재할 수 있어야 한다. 따라서, 산화 과정과 환원 과정에서 유기물이 손상 받지 않고 안정적으로 존재할 수 있어야 한다. 많은 유기물들이 폴라론이 존재하지 않는 상태에서는 우수한 안정성을 보이지만 폴라론이 생성시에는 안정성이 떨어지는 경향을 보이므로, 폴라론 존재시 소재의 안정성을 확보해야 한다. 정공을 주로 이동시키는 정공 수송 물질의 경우에는 양성 폴라론 존재시 안정성이 중요하며, 전자를 주로 이동시키는 정자수송 물질의 경우에는 음성 폴라론 존재시 안정성이 중요하다. 그러나, 소자 구동시에는 일부 전자가 정공 수송층으로 누설될 수 있으며, 정공이 전자 수송층으로 누설될 수 있기 때문에 정공 수송층의 음성 폴라론 존재시 안정성 및 전자 수송층의 양성 폴라론 존재시 안정성도 중요하다. 호스트의 경우에는 양성 폴라론과 음성 폴라론이 모두 생성되므로, 두 환경 모두에서 우수한 안정성이 필요하다.