Analysis of Light-Emitting Devices in Terms of Recombination Processes and Its Application to Reliability

Abstract

최근 수십 년간, 반도체 기반의 발광 소자는 증착 기술, 구조 개선 등과 같은 공정 기술의 혁신과 청색 등 단파장을 내는 새로운 물질의 발견을 통해 그 응용 범위가 크게 확장되었다. 반도체 기반의 조명 광원은 백열 전구, 형광등과 같은 기존의 광원보다 높은 에너지 효율을 가지므로 다양한 분야에서 기존의 광원을 빠르게 대체하고 있다. 그러나 고효율, 고출력의 발광 소자가 요구됨에 따라 기존의 반도체 기반 광원의 성능 개선이 더욱 요구되고 있다.

이에 따라, 소자 동작에 주요한 요인이 무엇인지 분석하여 이를 바탕으로 소자 성능의 개선 방향을 설정하는 것이 매우 중요하다. 일반적으로, 소자의 성능을 보여주는 대표적인 특성으로는 광 출력, 주입 전류, 동작 전압 등이 있다. 소자 성능의 개선을 위해서는 서로 연관 관계를 갖는 이러한 특성들의 유기적인 이해가 반드시 필요하다.

본 논문에서는 무기 결정 반도체 기반의 발광 소자에서 재결합 특성을 이해하는 방법을 유기 발광 소자에 적용하여 재결합 특성을 이해할 수 있는 도구를 재정의하였고, 이를 바탕으로 소자 구동에 따른 열화 메커니즘을 재결합의 관점에서 규명하였다. 본 논문의 2장에서는 각 소자에서 일어날 수 있는 발광, 비발광 재결합 메커니즘을 비교하고, 이로부터 파생되는 효율, 운반자 재결합 방정식을 유기 발광 소자에 적용하였다.

각 발광 소자의 재결합 특성의 정확한 이해를 바탕으로, 3장에서는 유기 발광 소자에서의 발광 재결합의 특성을 이론적, 실험적으로 분석하였다. 이를 분석하기 위해 광 량과 발광 전류가 비례함을 이용하여, 전류-전압의 형태로 발광 재결합 특성을 조사하였다. 이러한 다이오드의 전기적 특성은 이상 계수로 파악이 가능하여, 각 소자마다 발광 전류와 이상 계수간의 관계를 조사하였다. 유기 발광 소자의 재결합 메커니즘은 전자, 정공의 큰 이동도 차이로 인해, 한 종류 운반자만의 움직임으로 기술할 수 있음을 보였다.

3장에서는 발광 재결합으로 인한 전류가 전압에 따라 단일 지수함수적으로 증가함을 보였다. 그러나, 비발광 재결합이 발생하는 실제 소자에서는 발광 재결합만으로 구동에 따른 소자의 특성 저하 원인을 밝히기에는 부족한 면이 있다. 4장에서는 운반자 재결합 방정식을 통해 발광 소자를 등가회로화 하였으며, 각 회로 성분을 재결합 특성을 가늠할 수 있는 정량적 인자로 나타낼 수 있었다. 이러한 방법을 활용하기 위해, 전자, 정공 모두 주입되는 소자와 전자 또는 정공만 흐르게 설계된 3종의 소자를 준비하여 동일 조건에서 구동시 어떤 운반자의 특성 변화가 소자의 열화에 영향을 주는지 확인하였다.

5장에서는 유기 발광 소자의 전류 구동에 따른 열화 메커니즘을 운반자 재결합, 수송의 관점에서 해석하였다. 열화의 영향을 구분하기 위해 동일한 특성을 갖는 소자를 저전류 구동, 고전류 구동하여 시간에 따른 특성 변화를 관찰하였다. 일정한 전압에서 소자의 전류, 광량을 시간에 따라 나타낸 결과, 초기 열화시에는 소자의 성능이 오히려 증가하고 일정 시간 후 감소함을 관찰하였다. 이러한 현상을 해석하기 위해 2장에서 정의된 발광 소자의 효율을 구성하는 인자들의 의미를 해석함으로써, 소자 특성의 변화는 운반자 주입 인자의 변화에 그 원인이 있음을 밝혔다. 또한, 운반자 주입에 영향을 준 원인이 소자 증착 과정에서 일어날 수 있음을 이론적, 실험적 근거를 통해 검증하였다. 이 결과는 4장에서 등가회로 모델링을 통해 얻은 열화의 원인과 일치함을 확인할 수 있었다.

본 논문에서는 발광 소자 내 재결합 특성의 이해를 바탕으로 소자의 발광 재결합 특성과 열화 원인을 분석하였으며 열화 메커니즘의 모델을 제시하였다. 본 논문의 연구는 중요성이 더욱 커지고 있는 유기 발광 소자의 특성을 단시간 내에 확인할 수 있는 측정법의 개발에 밑거름이 되리라 기대되며, 이러한 소자가 생활 전반에 더욱 확산되는 데 기여할 것이다.