Graphene-Polyimide 복합 Film 기판을 적용한 Flexible OLED 제작 및 특성에 관한 연구 = Synthesis and Characterization of Graphene-Polyimide Composite Films for Flexible OLED Display Substrate

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The graphene-polyimide composite films were fabricated for application to the flexible substrates of flexible organic light emitting diodes(OLEDs). We first synthesised poly(amic acid)s which could be converted to lear polyimide film with high transmittance to visible light and high thermal stability. In order to increased the mechanical property of the polyimide film we tried to make graphene-polyimide composite films and then used them as flexible substrates to make flexible OLEDs. Some important results are as following.

1. The poly(amic acid)s exhibited high clarity and transmittance to visible light when bulky –CF3 group containing aromatic dianhydride and aromatic diamine monomers were used.

2. The imidization of poly(amic acid)s to polyimide film was close to 100% after heat treatment at 250℃ for 120 min. as checked by FT-IR spectrometer. The Tg of the polyimide films could be optimized by the control of the aromatic diamine monomers with the requirement of optical property of the polyimide films.

3. The addition of very small amount of partially reduced graphene oxide(rGO) resulted in significant increase of mechanical property in the graphene-polyimide composite film. Up to 0.3 wt% of rGO the graphene-polyimide composite film exhibited high transmittance and low b* values in the haze meter measurement. The thermal degradation temperature was also increased with the rGO filler and weight loss was 10% at 500℃. The coefficient of thermal expansion(CTE) was also decreased with the rGO filler.

4. The mechanical strength of the graphene-polyimide composite film was increased up to 0.7 wt% of rGO and then decreased when rGO content was 1.0 wt%.

5. The flexible OLED devices made with graphene-polyimide composite films as substrate showed both higher luminescence (8,788 cd/m2) and current efficiency (2.37 cd/A) compare to the commercial polyimide film.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 기계적 물성 및 열적 특성이 향상된 플렉시블 디스플레이 기판 소재용 Graphene-Polyimide 복합 필름의 제작과 특성에 관한 연구를 진행하였다. PI 필름은 디스플레이 고온 공정에 비교적 적합한 열안정성을 보유하고 있으나 광투과성의 향상이 요구된다. 하지만 광투과성을 확보하기 위해 –CF3기와 같은 작용기가 적용이 되면서 일반적인 갈색 PI 필름에 비하여 기계적 물성 및 열적 안정성이 떨어지게 된다. 따라서 이를 보완하기 위하여 그래핀을 적용하여 높은 투과율이 유지되면서 기계적 물성 및 열적 안정성이 보완된 Graphene-Polyimide 복합 필름을 제작하였다. 그리고 flexible OLED의 기판으로서 적용을 하여 소자를 제작하고 휘도 및 전류효율 특성을 측정하였다. 본 연구의 중요한 결과를 정리하면 다음과 같다.

1. 투명한 PI 필름을 만들기 위해 전기음성도가 크고 부피가 큰 –CF3기 포함하는 방향족 디아민과 방향족 무수물 단량체를 사용하여 PAA를 합성하였다. 이렇게 만들어진 PI 필름은 가시광선 영역에서 높은 선명도와 투과율을 나타내는 것을 확인 할 수 있었다.

2. PAA의 열처리 온도와 시간이 증가함에 따라 이미드화율이 증가됨을 확인할 수 있었고, 250℃에서 120분 일 때 이미드화율이 거의 100%에 가깝게 나타난다는 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 PI 필름의 Tg는 광학적 특성과 함께 방향족 디아민 단량체의 제어에 의해 최적화 할 수 있다는 것을 확인 할 수 있었다.

3. Graphene-Polyimide 복합 필름에 사용된 rGO는 극소량의 첨가만으로도 기계적 물성이 상당히 증가한다는 결과를 확인할 수 있었다. 그리고 UV-Vis spectrometer로 측정한 결과 rGO 함량이 최대 0.3wt%로 합성되었을 때 높은 투과율과 낮은 b*값을 나타냄을 확인하였다. 열분해 온도의 경우 rGO의 함량이 증가함에 따라 10%의 무게손실이 발생하는 온도가 500℃ 이상에서 점차 증가하는 측정결과를 확인 할 수 있었다. 또한, 열팽창 계수도 마찬가지로 rGO의 함량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보임을 확인 할 수 있었다.

4. Graphene-Polyimide 복합 필름의 기계적 강도는 rGO 함량이 0.7wt%로 증가할 때 까지는 그 특성이 증가함을 확인하였고 rGO 함량 1.0wt%에서는 감소하는 결과를 확인 할 수 있었다.

5. Graphene-Polyimide 복합 필름 기판으로 Flexible OLED 소자를 제작한 결과 최대 휘도는 rGO(0.1wt%~0.3wt%)/PIF가 7909~8788 cd/m2, 상용 PI가 3405 cd/m2 로 나타났음을 확인하였다. 또한, rGO(0.1wt%~0.3 wt%)/PIF가 2.28~2.37 cd/A, 상용 PI가 2.1 cd/m2 최대 전류 효율이 나타났음을 확인하였다. 결과적으로 합성한 필름 기판이 상용 PI 필름 기판에 비해 flexible OLED 소자 특성이 우수함을 확인할 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1. 플렉시블 디스플레이 개론 1
• 2. PI(Polyimide) 기판의 필요성 및 응용분야 6
• 3. 그래핀(Graphene) 신소재 10
• 4. OLED 구조 및 발광 메커니즘 18
• 5. 본 연구의 목적 21
• II. 실 험 25
• 1. 시약 및 재료 25
• 2. PI 필름의 제조 30
• 2-1. PI의 합성 30
• 2-2. 이미드화 방법 및 PI 필름의 제조 34
• 3. Graphene-Polyimide 복합 필름의 제작 37
• 4. ITO/Ag/ITO 투명 전도막 증착 39
• 5. Flexible OLED 소자의 제작 42
• 6. 측정기기 및 분석 49
• III. 결과 및 고찰 53
• 1. FT-IR 분석 53
• 2. 광학적 특성 58
• 3. 열적 특성 62
• 4. 기계적 특성 66
• 5. rGO의 분산 특성 70
• 6. Flexible OLED 소자의 전기/광학적 특성 72
• IV. 결 론 77
• 참 고 문 헌 79
• 영 문 초 록 83