고분자 정보 소재

미래의 정보통신 사회 개념도 “ 미래의 정보통신 기술은 범 과학기술의 집약 ” 언제 어디서나 누구와도 정보 교환 Intelligent Multimedia Humanized Personal 미래의 정보통신 사회에서는 언제 어디서나 누구와도 정보를 교환할 수 있어야 되고 intelligient와 multimedia의 성능을 가져야 하며, 노약자의 security monitoring과 원격 진료 등의 기능을 갖추어야 한다고 생각합니다. 따라서 미래의 정보통신 기술은 IT-NT-BT가 융합된 새로운 system을 창출하면서 과학기술의 집약체가 될 것으로 생각됩니다. “ 미래의 정보통신 기술은 범 과학기술의 집약 ”

Signal Processor (OTFT) Plastic Information System (PIS) 유연한 플라스틱 기판에 각종 센서, 정보디스플레이소자, 신호처리용 칩, 전원장치용 태양전지 등을 집적한 시스템 가볍고, 유연하며, 대면적 제작이 가능하므로 다양한 활용도 기대 EL Display NOx Sensor Signal Processor (OTFT) CO2 Sensor Polymer Solar Cell H2O/O2 Sensor 유기EL Display Plastic 기판 본 연구진에서는 ITRC 과제 공고 후 여러 번의 회의를 거치면서 어떤 방향으로 연구를 집중해야 될지 많은 고심을 한 결과 Plastic Information System, 즉 PIS 발음은 평화를 뜻하는 peace와 같은 새로운 개념을 도출하였습니다. 즉 flexible 기판에 표시소자, 신호처리용 transistor, 그리고 구동 전원인 고분자 solar cell을 장착하고 보건/의료/환경과 관련된 분자기계를 센서로 도입한 total solution 형태의 PIS를 탄생시켰습니다. PIS의 장점은 가볍고 유연하며 대면적이 가능하고 다양한 기능을 갖도록 설계되었다는 것입니다.

PIS의 장점 1. Advantages of organic semiconductors 1. Room temperature process 2. Simple process 3. Low cost 4. Large size Spin coating Vacuum evaporation Inkjet printing Silk screen 2. Advantages of plastic substrates PIS를 구성하기 위해서는 기본적으로 유기반도체 재료와 flexible 기판은 필수적입니다. 유기반도체의 장점은 저온 및 단순한 공정이 가능하고 다양한 박막기법을 도입하여 대면적화가 가능하다는 장점이 있습니다. 그리고 flexible 기판은 충격에 강하며 무게와 두께가 각각 유리의 15%와 30%에 불과하다는 것입니다. 1. Robust 2. Weight : 1/6 of glass 3. Thickness : 1/3 of glass 4. Flexibility Roll-to-roll process

기술 예측 2위: Flexible Transistor (MIT) 1위: Portable Information Devices (George Washington Univ.) 5위: Sensor (다보스 포럼) 3위: Wearable Computing (SRI) ↓ 공통점 전자 소재가 핵심 역할을 수행함 저희들이 추구하는 연구 방향은 외국의 여러 기관에서 예측한 기술 경향과 상당히 일치하고 있으며 예로서 MIT에서는 flexible transistor를 2위로 GW 대학은 Portable Information Device를 1위로, 그리고 sensor와 wearabel computer 등이 상당히 높은 ranking에 있습니다. 이와 같은 기술의 공통점은 전자소재가 핵심적인 역할을 담당하고 있습니다. 예로서 PR은 patterning 후 developing하면 없어지지만 유기EL, solar cell 그리고 유기박막 트랜지스터에 적용되는 재료는 모두 active materials로 소자의 특성을 결정짓는 핵심적인 재료입니다. -SRI 예측자료-

학제간 연계 필요성 화학 물리 고분자 전자공학 新樹種 Plastic Information System 개발 본 연구과제는 대표적인 학제간 연구가 이뤄져야 획기적인 연구결과를 도출할 수 있습니다. 따라서 화학-물리-고분자-전자공학 관련 교수님들과 대학원생들이 유기적으로 각 세부과제에 참여하고 있으며 특히, 세부 과제간 벽이 없을 정도로 즐겁게 연구개발에 몰두하여 신수종 PIS를 개발할 것입니다.

OLED (Organic Light Emitting Diode)

OUTLINE I. Overview II. 종류 III. 제작과정 IV. 장비 견학 및 설명 V. 실습

I. Overview A. 정의 OLED: Organic Light Emitting Diode 외부 전기장이 유기물내에서 전자와 정공이 결합하여 자체 발광하는 소자 1963년 Pope 등에 의해 처음 발견됨 2004년 4월 7일 산업자원부 기술표준원으로부터 명칭이 표준화됨.

OLED 특성 응답속도가 빠르다 (약 수 s) - 동화상 재생에 적합 - LCD의 1000배 수준 자체 발광형 - 어두운 곳이나 외부의 빛이 들어 올 때도 시인성이 좋다. - 넓은 시야각 (160o 이상) - 면발광으로 인한 균인한 빛 3. 초박막 가능(소자 두께: 100~300 nm(기판 제외)) - 가볍고 얇은 제품에 적합 (휴대용 Display, 벽걸이 TV등) 낮은 소비 전력 - 표시 부분만 빛이남 고휘도 발광 (수만 ~ 수십만 cd/m2) - 옥외용으로 사용 가능

개략적인 OLED 개발 연대기 Year 저분자 OLED PLED 1963 최초의 유기 EL 특성 확인 (안트라센, 400V, New York Univ.) 1982 최초의 특허 (Kodak) 1987 최초의 실제적인 구조 Tang(Alq3) (Kodak) 1990 최초의 특허(Cambridge Univ.) 1997 최초의 단색 제품 출시(Pioneer) 1999 Color AMOLED(Kodak/Sanyo) 2000 Multi-color OLED 휴대폰 탑재(Pioneer/Motorola) Color AMPLED 보고 (CDT/Seiko Epson) 2001 15.1-inch AMOLED 개발(SDI) 17” 풀칼라 잉크젯 AMPLED(Toshiba) 2002 외부창용 OLED 256 color(SOLED) Philips 면도기 첫 PLED 제품 2003 Digital Camera용 디스플레이 시판(Kodak/Sanyo) 40” Tiled AMPLED 잉크젯 (Seiko-Epson) 2005 21” TV용 OLED 개발(삼성전자)

Display 비교 구분 OLED LCD PDP FED CRT 응답속도 O(수 s) X(수십 ms)  시야각 O X 백라이트 필요없슴 필요 소비전력 두께 무게 저가격화

Display 비교 LCD CRT LCD projection

Display 비교 PDP LCD DLP (Digital Light Processing)

Structure Comparison between OLED and LCD OLED A-Si TFT /LTPS TFT AMOLED AMLCD C/F B/L a-Si TFT / LTPS TFT LC 5-6 층수 >10 <2mm 두께 6mm 3g 무게 10g 35mW 소비전력 150mW <0.1mS 응답속도 >25mS -25~65 동작온도 0~50

LCD 對比 유기 LED LCD 유기 LED

미래형 플라스틱 디스플레이 CRT LCD PDP 유기 EL Flexible 디스플레이

Flexible 유기 디스플레이의 현황 a) PM-PLED (DuPont) b) 스크린 프린팅방법을 이용한 PM-PLED (DNP) c) PM-OLED (ETRI) d) PM-OLED (UDC) e) Full color PM-OLED (Pioneer)

Flexible 디스플레이의 조건 전극 ⇒ Flexible & 고 전도도 (무기물 → 전도성 고분자) (단분자 →고분자) 발광층 형성 방법 (Patterning) 스핀코팅 → 스크린 프린팅 or 잉크젯 프린팅 기판 ⇒ Flexible !! (Glass 기판 → 플라스틱 기판)

전도성 고분자 (Conducting Polymers)

청색 녹색 적색

II. 종류 구조: PM OLED AM OLED Bottom Emission Top Emission 형광 재료: 단분자 인광 재료: 단분자 인광 고분자

PM & AM OLED 구조

Device Structure of OLED Pixel Depending on Emitting Materials Fl. OLED Emission Layer Glass substrate Anode Hole Injection Layer Hole Transport Layer Electron Transport Layer Cathode Ph. OLED Glass substrate Anode HIL Blocking Layer Cathode Electron Transport Layer Emission Layer HTL PLED Emission Layer Glass substrate Anode Hole Transport Layer Cathode

디스플레이 구조 Bottom Emission OLED Top Emission OLED

AMOLED 기술 정리표 분류 기술방식 장점 단점 재료 형광 저분자 양산 검증 저효율 인광 저분자 장수명-고효율 양산 검증 필요 고분자 대형화 용이 낮은 구동전압 패터닝 어려움 발광 구조 배면 발광 PMOLED 이미 적용됨 고해상도 적용 어려움 전면 발광 고해상도 적용 용이 색상 및 효율 유리 광학적 균일도 확보 어려움 패터닝 방식 독립 증착 패터닝 용이 발광체 고유색상 유리 대형화 어려움 고해상도 적용시 생산성 저하 우려 색변환/ 컬러필터 방식 생산성 높음 저효율 및 색순도 저하 LCD와의 차별성 적음 잉크젯 프린팅 공정 변수가 많음 LITI 재료에 무관함 열에 의한 특성 저하 LITI: Laser Induced Thermal Imaging

단분자 OLED 유기 EL 소자의 기본 구조

The Principle of the Operation of OLEDs ITO HTL EML ETL Cathode Difference in Potential Electric Field E

Photoluminescence와 Electroluminescence 비교 Fluorescence • Electroluminescence Phosphorescence • Photoluminescence

Excitation and Deactivation Jablonski diagram

h+ e- h+ + e- pair Singlet exciton Triplet exciton Emission External emission Phosphorescence Fluorescence(~25%) 25 % 75 %

Wavelength, nanometers (nm) hv Cathode Anode HTL EML HBL ETL Visible light Orange X-rays Ultraviolet light Violet Green Yellow Infrared Radio light waves Blue Red 400 500 600 700 Wavelength, nanometers (nm)

(Electron affinity, eV) Energy Levels of Metals and Others Sample Work Function (eV) Au 5.14 ITO 4.7 Zn 4.33 Al 4.3 Mg 3.7 MgAg 3.6 Ca 2.9 Li 2.32, 3.1 Sample HOMO (IP, eV) LUMO (Electron affinity, eV) Band Gap (eV) Alq3 5.8 3.1 2.7 PBD 6.2 2.6 3.6 MEH-PPV 5.1 (4.96) 3.0 (2.73) 2.1 (2.23) CN-PPV 5.7 3.5 2.2 PPV 5.1 (5.4) 2.6 (2.1) 2.5 PVK 5.4 (6.1) 1.9 TPD 5.5 2.3 3.2

Emitting Materials

정공 주입 물질

정공 수송 유기 단분자

정공 저지 유기 단분자 전자 수송 단분자

전자수송 단분자

고분자 OLED

Poly(p-phenylenevinylene)s Light-Emitting Polymers for PLEDs Poly(fluorene)s Poly(p-phenylenevinylene)s Poly(thiophene)s Buffer Layer

인광 단분자 OLED Fluorescence • Electroluminescence Phosphorescence • Photoluminescence

Excitation and Deactivation Jablonski diagram

Fluorescence vs Phosphorescence (HOMO) (LUMO) Cathode (Al) Anode(ITO) (electron) (hole) singlet(25%) triplet(75%) Dopant (energy transfer) Host (Electron Injection) (Hole Injection) + (Hole, Electron Transporting) (Hole/Electron Balance in EML) (Emitting Capacity) 인광/형광의 가장 큰 차이점 (Carrier Trapping) Intersystem -crossing

Spin Statistics of Excited States h+ Electrical excitation Optical excitation 25% 75% Light Emission ISC Fluorescence Phosphorescence (Spin Allowed) (Spin Forbidden) Singlet(symmetric) Triplet(anti-symmetric)

Ligand Centered 3-* Transition 형광 emitting (ground state) singlet excited state triplet 인광 (계간전이) 3 p* 1 p* ▶ Ligand centered 3 p-p* transition 에너지를 결정하는 주요 요인은 3p* 의 에너지이며, 이는 conjugation 늘어남에 따라 낮아지는 즉 red-shift 하는 경향을 보인다.

Progress of OLED Efficiency PHOLED PLED 2003 Science, 1996