KR100545289B1 - 유기전계발광소자의 내부저항 측정 방법 및 장치 - Google Patents

유기전계발광소자의 내부저항 측정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유기전계발광소자에 소정의 정전압 또는 정전류 직류 바이어스와 소정의 진폭과 주파수를 갖는 교류 신호를 중첩하여 인가하고 그 응답신호를 주파수의 함수로 측정하여 얻어진 교류 임피던스 특성으로부터 유기전계발광소자의 내부저항을 측정하는 방법 및 장치를 제공한다.

Description

유기전계발광소자의 내부저항 측정 방법 및 장치{omitted}
도 1은 교류 임피던스 스펙트럼을 측정하여 유기전계발광소자의 내부저항을 측정하는 과정을 표시하는 흐름도.
도 2는 직류 바이어스에 중첩된 교류 신호의 형태를 나타내는 그래프
도 3은 유기발광소자의 임피던스 특성을 복소 평면상에 실수축과 허수축으로 나타낸 그래프.
도 4는 유기발광소자의 임피던스 특성에 해당하는 등가회로.
도 5는 유기발광소자의 열화 특성 측정을 위한 임피던스 측정장치의 개략적인 구성도.
도 6은 [실시예] 에서 측정된 유기발광소자의 임피던스 스펙트럼을 나타낸 그래프. (20) 정상 소자, (21) 불량 소자
본 발명은 유기전계발광소자의 구동시 발광 특성에 큰 영향을 주는 소자의 내부 특성중의 하나인 비선형 내부저항을 측정하는 방법과 장치에 관한 것이다.
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본 발명은 유기전계발광소자의 비선형 내부 특성중의 하나인 내부 저항을 일정 바이어스 조건에서 정량적으로 측정하는 방법과, 내부 저항의 측정을 통하여 구동 특성이 우수한 특성의 유기전계발광소자를 개발하기 위한 실험 장치 및 유기전계발광소자 제조시 내부 저항 측정에 의해 양품과 불량품을 엄밀히 선별하여 품질 확보를 위한 생산 시험 장치를 제공함을 목적으로 한다.
유기전계발광소자는 외부로부터 인가된 전위차에 의해 양극과 음극으로 주입된 전자와 정공이 소자 내부로 이동, 유기 발광층에서 재결합하여 빛을 방출하는 자체 발광소자이다. 발광 휘도와 색도와 같은 유기전계발광소자의 발광 특성은 소자를 구성하는 재료의 특성과 소자의 구조에 따라 다르다. 특히 유기전계발광소자의 발광 휘도는 구동 전압 또는 전류에 의해 직접 제어되므로 소자의 구동 전압과 전류 및 발광 휘도와의 관계는 소자의 특성을 규정하는 기본이 되며, 실제로 이 관계를 이용하여 원하는 발광 휘도를 구현하기 위해 특정 전압 또는 전류를 인가하여 소자를 구동한다.
이와같이 상이한 전자 특성을 갖는 재료의 적층 구조로 이루어진 유기전계발광소자는 구동 바이어스 및 구동 신호의 주파수에 따라 구동 특성이 달라지는 비선형 소자이다. 즉, 동일 소자를 동일 전압 바이어스로 구동하더라도 구동 신호가 직류인 경우와 소정의 주기를 갖는 펄스 신호의 경우 내부 저항의 차이에 의하여 인가되는 전류값은 다르게 된다.
따라서 유기전계발광소자의 내부저항을 측정하기 위해 종래의 정전압 바이어스에 해당하는 전류를 측정하는 전압-전류 특성 곡선 측정 방법은 기본적으로 주파수 0에 해당하는 직류 바이어스에 대한 내부저항을 측정하는 것이므로 이는 실제 구동 조건에서 소자의 동적(dynamic) 특성을 반영하는 인자가 될 수 없다. 적층 구조를 갖는 유기전계발광소자의 전하 수송 인자는 접촉저항, 오옴 저항, 층간 계면에서의 전하 이동 및 축전 등 다양한 요인이 존재하므로 특정 단일 주파수에 해당하는 교류 신호에 대하여 측정한 단일 교류 저항값 역시 소자의 내부 특성을 전체적으로 표현할 수 없다.
본 발명의 기술적 과제는 소정의 바이어스에서 측정 주파수에 상관없이 유기전계발광소자의 구동 특성을 반영하는 내부저항을 측정하기 위하여, 소정의 주파수 영역에 대하여 복수의 주파수에 대한 임피던스를 측정하여 얻어진 임피던스 스펙트럼을 저항, 축전기, 유도자 등 선형 소자로 구성된 등가회로에 대응시켜 유기전계발광소자의 내부저항을 측정하는 방법과 장치를 제공하는데 있다.
유기전계발광소자에 소정의 직류 바이어스와 함께 소정의 주파수와 진폭을 갖는 교류 전압 또는 전류 신호를 중첩하여 인가하고 전압 및 전류 응답 신호를 측정하여 소자의 임피던스를 구한다. 동일한 상태의 동일 소자의 임피던스 값은 중첩 교류 신호의 주파수에 따라 다르며 그 차이는 소자의 내부 특성에 따라 다르다. 또한 측정된 소자의 임피던스 값은 유기전계발광 소자 구동 바이어스에 따라 변화한다.
일정한 전압 또는 전류 바이어스에 대하여 유기전계발광소자의 내부저항은 주파수에 따라 변화하므로 소자의 구동 특성을 일관성 있게 반영하는 기준이 될 수 없다. 따라서 소정의 주파수 영역에 대하여 복수의 주파수에 대한 임피던스를 측정하여 얻어진 임피던스 스펙트럼을 측정하고, 저항(Resistor), 축전기(Capacitor), 유도자(Inductor) 등 복수의 선형 소자로 구성된 등가회로(Equivalent circuit)가 나타내는 임피던스 함수에 대응시켜 저항 성분을 구한다. 이와 같이 임피던스 스펙트럼으로부터 구해진 저항성분은 주파수에 따라 변하는 양이 아니므로 소자의 내부 특성을 대표하는 기준이 될 수 있다. 정전압 또는 정전류 바이어스 조건에서 복수의 교류 주파수에 대해 측정한 임피던스 스펙트럼으로부터 등가회로를 이용하여 유기전계발광소자의 내부저항을 구하는 방법을 [도 1]에 간략히 도시하였다.
유기전계발광소자의 교류 임피던스를 측정하기 위하여 [도 2]과 같이 정전압 바이어스(Vb) 또는 정전류 바이어스(Ib)에 소정의 진폭과 주파수(f)를 갖는 교류 신호를 중첩하여 인가한다. 이 때 측정된 전압 및 전류 신호는 바이어스에 교류 신호가 중첩된 같은 형태의 신호이나 소정의 교류 성분의 진폭(VO 및 IO)과 위상차((φ)를 갖는다. 소자의 임피던스 값은 복소수로 표시되며 측정된 신호의 교류 성분으로부터 임피던스(Z)를 다음과 같이 구한다.
Figure 112003503401022-pat00001
유기전계발광소자의 임피던스 값은 측정에 사용된 교류 신호의 주파수에 따라 차이가 발생한다. 소정의 주파수 영역의 다른 주파수에 대하여 임피던스를 연속하여 측정하면 소자의 임피던스는 주파수의 함수로 나타낸 임피던스 특성 곡선으로 표시할 수 있으며, 유기전계발광소자는 일반적으로 임피던스의 실수부를 X축으로, 허수부를 Y축으로 하는 좌표계에서 [도 3]과 같은 반원 모양의 랜들(Randle) 곡선을 나타낸다.
측정된 임피던스 특성곡선으로부터 저항 성분을 추출하기 위하여 저항(Resistor), 축전기(Capacitor), 유도자(Inductor) 등 복수의 선형 소자로 구성된 등가회로(Equivalent circuit)를 설정한다. 랜들 곡선에 대하여 직렬저항(Rs)과 병렬저항(Rp) 및 병렬축전기(Cp)의 세 개의 선형소자로 구성된 등가회로를 [도 4]에 나타내었다. 주파수 f 에 대하여 이 등가회로가 나타내는 복소 임피던스 함수는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112003506534910-pat00009
소정의 주파수 범위에서 주파수의 함수로 측정된 임피던스 스펙트럼을 [식 2]와 같이 Rs, Rp, Cp 등 부정형 성분을 갖는 임피던스 함수에 근사(fitting)하면 측정 유기전계발광소자의 내부저항 성분인 Rs 및 Rp 를 결정할 수 있다. 이 때 구해진 Rs 및 Rp 값은 각기 직렬저항성분, 병렬저항성분을 의미하며 전체 내부저항은 Rs 과 Rp 의 합으로 결정된다.
임피던스 스펙트럼을 임피던스 함수에 근사하는 방법으로 초기 Rs, Rp, Cp 를 정하여 각 주파수에 대한 임피던스를 임피던스 함수로부터 계산하여 이 값과 측정 값과의 차이의 제곱을 모든 주파수에 대하여 합산한 제곱편차를 계산한 후 Rs, Rp, Cp 값을 일정한 규칙에 따라 바꾸어 가며 반복하여 최소의 제곱편차를 나타내는 Rs, Rp, Cp 값을 결정하는 최소제곱법에 의한 비선형 회귀 근사법을 사용할 수 있다.
유기전계발광소자의 내부저항을 측정하기 위한 장치는 [도 5]에서 나타낸 바와 같이 구성된다. 주 제어부인 디지털 제어부(10)에서 설정된 출력신호 가운데 정전류 또는 정전압 바이어스는 바이어스 출력부(11)에서, 소정의 진폭과 주파수를 갖는 교류 신호는 교류신호 발생부(12)에서 각기 디지털-아날로그 변환기를 거쳐 입출력단자(14)를 통해 유기전계발광소자에 출력 제어되며, 유기전계발광소자 양단의 전압과 전류의 변화는 신호검출부(13)에서 디지털 신호로 변환되어 디지털 제어부어 제공된다. 측정 신호는 임피던스 연산부(16)에서 복소 임피던스 값으로 연산되어 데이터 저장부(15)에 제공되며 또한 데이터 출력부(17)를 통해 디지털 파일, 프린터 또는 디스플레이 장치에 출력된다. 본 임피던스 측정 장치는 복수의 교류 신호주파수에 대하여 연속적으로 임피던스를 측정하여 임피던스 스펙트럼을 데이터 저장부(15)에 저장 및 데이터 출력부(17)에 출력할 수 있다. 또한 임피던스 함수설정부(18)에서는 소정의 등가회로를 설정하여 임피던스 함수를 임피던스 연산부(16)에 제공하고, 임피던스 연산부(16)는 측정된 임피던스 스펙트럼을 임피던스 함수에 근사하여 임피던스 함수를 구성하는 인자를 추출 및 내부저항값을 산출하여 이를 데이터 저장부(15)에 저장 및 데이터 출력부(16)에 출력할 수 있다.
[실시예]
인듐주석산화물(Indium tinoxide) 투명전극에 정공수송층 TDP (N,N' -diphenyl-N,N' -bis(3-methylphenyl)-1,1-biphenyl-4,4' -diamine), 유기발광층 Alq3 (Tris-8-hydroxyqinolinato Aluminum) 및 알루미늄 캐소드로 적층 구성된 유효 발광면적 2 ㎟ 의 유기발광소자의 구동 특성을 측정하였다. 정전압 구동시 소자 (20)은 전압 10V에서 120 Cd/㎡ 의 발광휘도를 나타내었으며 소자 (21)은 같은 조건에서 발광하지 않았다. 이들 유기발광소자의 양단에 [도 5]와 같이 구성된 임피던스 측정 장치를 연결하여 3V 정전압 바이어스와 50 mV 진폭의 정현파 교류 신호를 인가하여 임피던스를 측정하였다. 이 때 교류 신호의 주파수 범위는 10 Hz에서 1 MHz 이었다. [도 6]은 초기 측정된 임피던스 스펙트럼을 임피던스 실수부를 X축으로, 허수부를 Y축으로하는 Nyquist 그래프로 출력한 결과이다. 유기발광소자의 임피던스 특성 곡선은 랜들 곡선 형태를 나타내었으며, 이를 랜들 등가회로의 복소 임피던스 함수에 최소제곱법으로 비선형 회귀 근사를 실시하여 저항 성분을 추출하였다. 각 소자에 대한 직렬저항성분, 병렬저항성분 및 전체내부저항을 산출하여 [표 1]에 나타내었다. 발광하지 않은 불량 소자 (21)은 정상 소자에 비해 약 1/100의 작은 내부저항을 나타내었다.
본 발명이 직접적인 발광휘도의 측정 없이 유기전계발광소자 구동시 주파수 특성에 따라 변하지 않는 명확한 내부저항값을 정량적으로 측정할 수 있는 방법 및 장치를 제공함으로써 유기전계발광소자 제조시 내부 특성의 우수한 소자를 개발할 수 있고 장시간 구동시 소자의 열화 특성을 정량적으로 평가하여 소자의 수명 측정에 활용할 수 있으며, 양산시 내부저항 측정에의해 양품과 불량품을 엄밀히 선별하여 효율적인 품질 확보를 위한 생산 시험 장치를 구현할 수 있다.

Claims (10)

  1. 유기전계발광소자를 구동하는 정전압 또는 정전류 바이어스에 측정영역에 속하는 소정의 주파수를 갖는 교류 신호를 중첩하여 인가하고 측정된 전압 및 전류 응답 신호로부터 교류 임피던스를 측정하는 제 1의 과정과,
    상기 측정 영역에 속하는 복수의 주파수의 교류 신호에 대하여 상기 제 1의 과정을 반복하여 상기 유기전계발광소자의 임피던스 스펙트럼을 측정하는 제 2의 과정과,
    상기 임피던스 스펙트럼을 저항기(Resistor), 축전기(Capacitor) 및 유도자(Inductor)를 포함하는 선형 소자로 구성된 등가회로에 근사하여 저항성분을 산출하는 제 3의 과정을 포함하여
    상기 유기전계발광소자의 저항성분을 측정함으로써, 상기 유기전계발광소자의 내부저항 특성을 파악하는 것을 특징으로 하는 유기전계 발광소자의 내부저항 측정 방법.
  2. 청구항 제 1항에 있어서 상기 교류 신호는,
    단일 주파수로 표현되는 정현파 신호임을 특징으로 하는 유기전계발광소자의 내부저항 측정 방법.
  3. 청구항 제 1항에 있어서 상기 교류 신호는,
    단일 주파수 성분을 갖는 복수의 정현파를 균등 중첩한 푸리에 변환 신호임을 특징으로 하는 유기전계발광소자의 내부저항 측정방법.
  4. 청구항 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서 상기 교류 신호의 주파수는,
    최저 10 Hz에서 최고 1 MHz 범위인 것을 특징으로 하는 유기 전계발광소자의 내부저항 측정 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 제 1항에 있어서 상기 제 3의 과정은,
    상기 주파수를 독립 변수로 하고 상기 등가회로를 구성하는 상기 선형 소자를 매개변수로 하는 복소 함수를 이용하는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자의 내부저항 측정방법.
  8. 청구항 제 1항에 있어서 상기 임피던스 스펙트럼의 상기 등가회로에의 근사는,
    최소제곱법에 의한 비선형 회귀 근사법임을 특징으로 하는 유기전계발광소자의 내부저항 측정 방법.
  9. 청구항 제 1항에 있어서 상기 임피던스 스펙트럼의 상기 등가회로에의 근사는,
    복소 좌표계에서 도시된 상기 임피던스 스펙트럼의 기하학적 특징량으로부터 저항 성분을 산출하는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자의 내부저항 측정 방법.
  10. 유기전계발광소자에 정전압 또는 정전류 직류 바이어스를 제공하는 바이어스 출력부(11)와,
    구동 바이어스에 중첩될 정전압 또는 정전류 교류 신호를 발생하는 교류신호 발생부(12)와,
    상기 유기전계발광소자 양단의 전압 및 전류 신호를 검출하여 디지털 신호로 변환하는 신호검출부(13)와,
    상기 유기전계발광소자 양단에 접촉되어 제어 및 측정 신호를 전달하는 입출력단자(14)와,
    상기 신호검출부(13)에서 측정된 상기 전압 및 전류 신호로부터 복소 임피던스를 구하고, 측정된 임피던스 스펙트럼을 임피던스 함수에 근사하여 내부저항값을 산출하는 임피던스 연산부(16)와,
    소정의 등가회로를 설정하여 상기 임피던스 함수를 제공하는 임피던스 함수설정부(18)와,
    연산 결과를 저장하는 데이터 저장부(15)와,
    상기 연산 결과를 디스플레이 장치 또는 인쇄장치에 출력하거나 디지털 데이터로 출력하는 데이터 출력부(17)와,
    상기 각 부를 총괄 제어하는 디지털 제어부(10)
    를 포함하는 유기전계발광소자의 내부저항 측정 장치.
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