공기 중에서 안정적인 하이브리드 LED

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-16

전기 소모와 이산화탄소 소모를 줄이기 위한 필요성은 효율적인 빛 생산을 위한 연구를 가속시키고 있다. 전통적인 광소스는 전기를 매우 비효율적으로 빛으로 전환시킨다. 그러나 고체 상태 조명(solid-state lighting, SSL)이 더 효율적이라는 것이 증명되었다. 실제로, 고체 상태 전계 발광(electroluminescent)의 개발이 최근 노벨상 수상에 의해서 인식되었다. 이제 스페인 CETEMMSA 기술 센터 연구진은 하이브리드 LED가 공기 중에서 안정되고 높은 성능을 보인다는 것을 보여주었다. 고체 상태 조명 디바이스는 무기 또는 유기 물질로 만들어진다. 유기 LED는 다중층 마이크로미터 이하의 적층으로 만들어진다. 여기서 각 층은 전하 수송 또는 전계 발광가 같은 다른 기능을 가진다. 전계 발광에 의한 빛을 생산하는 활성층은 전계 발광 폴리머 또는 작은 분자로 이루어졌다. 이런 작은 분자들은 더 효율적인 색을 만들어 낼 수 있도록 조율될 수 있다. 백생광 디바이스는 100lm/W의 효율성에 도달하였으며, 이것은 전통적인 백열전등의 효율인 17lm/W보다 훨씬 더 좋다. 그러나 유기 물질은 수분과 산소에 더 민감하다. 따라서 이런 디바이스는 고성능 포장이 필요하며 비활성 조건 하에서 처리되어야만 한다. 이들 연구진의 하이브리드 LED는 공기 중에서 프로세스될 수 있는 디바이스의 유기 활성화층과 전이 금속 산화물과 결합되어 밀봉이 필요 없다. 이 다이오드는 역전극으로서 불활성 금속의 적용을 허용하는 역전된 주입 방법과 작동한다. 이 구조는 반도체 투명 전극에 의해서 형성되었으며, 보통 전형적으로 인듐 주입된 주석 산화물, 전이 금속 산화물로 만들어진 전자 수송층, 유기 활성층, 무기 정공 수송층, 그리고 금속성 전극으로 만들어졌다. 그러나 상업화를 위해서 더 많은 조건들이 만족되어야 한다. 예를 들어, 비교적 쉽고 제작이 용이한 솔루션 처리가 공기 중에서 가능해야 한다. 그러나 대량 코팅 기술은 유연한 기판을 필요로 한다. 이런 기판은 보통 폴리머로 만들어진다. PET로 제작된 유연한 기판을 위해서, 이들 연구진은 처리 온도를 고려할 필요가 있었다. PED는 섭씨 250도 이상에서 녹는다. 전자 수송층으로 사용되는 산화 금속이 섭씨 400도 이상에서 결정화되기 때문에, 저온에서 작업해야 할 분명한 필요가 있다. 최근 연구에서, 이들 연구진은 섭씨 250도 이하에서 증착하고 슥성하는 것은 매우 유용한 결과를 보인다는 것을 증명하였다. 또 다른 방법으로서, 미리 형성된 나노입자의 사용은 섭씨 150도 보다 더 낮은 온도에서 증착과 어닐링을 허용하여 뛰어난 결과를 발생시켰다. 기판의 광학적 특성으로, PET와 유리는 비슷한 굴절률을 가진다. 유리는 400나노미터 이하의 파장에서 더 투명한다. 전자기 스펙트럼의 녹색 영역에서 색 방출에는 큰 차이가 없다. 그러나 청색 또는 짙은 청색의 다이오드 방출 디자인에서는 투명성이 고려되어야만 한다. 고려해야 할 또 다른 요인은 유연한 기판에 준비된 디바이스가 단단한 기판 상의 다이오드보다 더 열악한 성능을 보인다는 것이다. 이것은 보통 유연한 기판 상의 반도체 전극의 증가된 저항 때문에 ITO 층의 차이에 기인한다. 결함이 없는 유연한 무기 박막을 보장하기 위해서, 층은 반드시 얇아야 한다. 따라서 그것들은 단단한 기판 상에 증착된 더 두꺼운 박막보다 더 저항이 있어야 한다. 기판의 증가된 저항은 디바이스의 성능에 영향을 미친다. 일시적인 전계발광에 의한 전송자 동역학 분석은 전하 이동도가 플라스틱 기판에 의해서 준비된 디바이스의 그것보다 10배까지 더 작았다. 이로 인해서 열악한 성능이 발생한 것이다. 마지막으로, 이들 연구진은 공기 중에서 작동 조건 하에서 다이오드의 성능 저하를 고려해야만 할 필요가 있다. 유리는 PET에 비해서 물 투자율이 낮은 우수한 절연체 물질 중 하나이다. 이런 큰 차이는 디바이스의 성능에 직접적인 영향을 주며, OLED위에 안정적인 캡슐화된 층의 사용을 필요로 하게 만든다. 그러나 하이브리드 LED는 공기 중에서 안정적이며 이들 연구진의 실험에서 유리 및 PET 상에 준비된 디바이스가 작동 조건 하에서 비슷한 수명을 가진 놀라운 안정성을 나타낸다는 것을 보였다. 이들 연구진은 하이브리드 LED가 공기 중에서 안정적이며 높은 성능을 나타낸다는 것을 보였다. 그 결과 이 디바이스는 상업화 가능성이 높지만 유연한 기판을 필요로 한다는 점이 고려되어야 한다. 이들 연구진은 이제 플라스틱 기판의 특성을 고려함으로써 이런 문제를 해결하고자 하고 있다. 첨부 그림. (a) 하이브리드 LED의 개략도. (b) 유리 및 PET 상에 준비된 디바이스에 대한 전하 이동도. (c) 밀봉하지 않은 유리 및 PET 상에 준비된 공기 중의 디바이스에 대한 규격화된 발광 및 작동 시간. 005682_10_fig1.jpg http://spie.org/x111022.xml?highlight=x2408&ArticleID=x111022