Toward white-emission through two strategies : Synthesis of light-emitting benzothiadiazole based hyperbranched polymers and fabrication of flexible, light-emitting, electro-spun sheets by multi-nozzle electrospinning process

국문 초록 (Abstract)

우리 생활과 밀접한 관련을 맺고 있는 백색 조명은 낮의 태양광을 대신하여 현대인의 생활을 편안하게 하였을 뿐만 아니라, 액정 디스플레이와 같은 화면 표시 장치의 백라이트 유닛에 적용되어 적, 녹, 청색 발광을 유도하는 요소로 사용되고 있다. 따라서 백색 발광 물질은 우리 삶에서 아주 중요한 요소라 할 수 있겠다. 뿐만 아니라, 조명의 발달로 인하여 단순히 밝게 해주는 장치를 벗어나 심미적 요소로 사용됨에 따라 다양한 모양의 면광원은 더욱 가치있는 장치가 되고 있다. 또한 액정 디스플레이를 대체할 장치로 유기발광다이오드가 많은 연구가 이루어지고 있으며, 현재 많은 상품으로 개발되고 있다.
따라서 본 논문에서는 백색 유기 발광 다이오드에 대한 연구를 하였다. 백색 발광을 위해서 적, 녹, 청색 발광을 위한 요소가 필요하지만, 이들간의 에너지 전이 현상 때문에 청색과 녹색의 비율을 조절하기에 많은 어려움을 겪고 있다. 이러한 에너지 전이 현상을 최소화하기 위하여 분자 구조가 구 형태를 유지 하고 있는 초분지 고분자의 도입으로 인해서 선형 고분자에 대비해서 에너지 전이 현상을 감소시킬 수 있었다. 본 논문에서 합성한 고분자는 폴리벤조싸이아다이아졸계 유도체를 주쇄로 하고 있으며, 합성법에는 스즈키-크로스 커플링 반응이 사용되었다. 녹색 발광을 위한 요소로 벤조싸이아다이아졸 단량체를, 녹색 발광을 위한 요소로 비스싸이에닐벤조싸이아다이아졸 단량체를 사용하였으며, 이 단량체들의 함량 조절에 따라 합성된 초분지 공액화 고분자들의 다양한 형광색 발광을 확인할 수 있었다. 또한, 엑시톤-이주 현상에 의해서 용매에 녹아있는 용액상태에서의 형광색은 모두 청색을 발광하고 있지만, 박막으로 형성된 고체상태에서는 모두 다른 형광색이 발광하고 있음을 확인하였다. 본 논문의 합성된 초분지 공액화 고분자들 중 3가지를 선택하여 유기 발광 다이오드의 발광층으로 사용하여 유기 발광 다이오드를 제작하였으며, 이들 중 한 고분자는 백색을 발광하였다. 뿐만 아니라, 기존에 발표된 초분지 공액화 고분자를 사용한 유기 발광 다이오드의 효율보다 높은 효율을 나타내는 유기 발광 다이오드를 제작하였다. 결국, 단량체 함량 조절만으로 다양한 색을 발광하는 초분지 공액화 고분자를 합성하였으며, 한 고분자만으로 백색 발광을 유도 하였다.
이 뿐만 아니라, 본 논문에서는 전기방사 장치를 이용하여 유연 디스플레이를 만들기 위하여 연구하였다. 적녹청 발광 물질들 간의 에너지 전이 현상을 최소화 하기 위하여 다중 노즐 전기방사를 도입하였다. 전기방사 장치의 방사 노즐을 3개를 이용하여 적, 녹, 청색 발광 물질을 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)에 첨가하여 각각의 색을 발광하는 수 마이크로미터 직경의 섬유를 만들었으며, 이들 섬유는 한 부직포를 형성하게 되고, 각 적, 녹, 청색 발광이 혼합되어 하나의 색을 발광하는 부직포를 제작하였다. 각 발광 요소의 물질로는, 청색에는 안트라센, 녹색에는 쿠마린 6 그리고 적색에는 로다민 B가 사용되었다. 본 논문에서 제작한 부직포들은 적녹청 색을 각각 발광하는 섬유들로 구성되어있지만, 위 3가지 물질의 첨가 비율을 조절함에 따라 다양한 색을 발광하는 부직포들을 제작할 수 있었다. 또한 섬유뿐만 아니라, 수 마이크로 직경을 갖는 비드를 전기방사를 이용하여 제작할 수 있었으며, 비드와 섬유로 함께 구성되어있는 부직포를 제작하였다. 이 부직포들 역시 각 색을 발광하는 물질의 첨가 비율을 조절함에 따라 다양한 색을 발광하고 있음을 확인하였다. 뿐만 아니라, 위 두가지 종류의 부직포들 중 발광 물질의 특정 첨가 비율에서 백색 발광을 확인하였다. 다중 노즐 전기방사을 사용하여 제작된 백색 발광 부직포와 같은 첨가 비율로 단일 노즐 전기방사를 이용하였을 경우 에너지 전이 현상에 의해서 백색 발광을 하지 못하였다. 이는 다중 노즐 전기방사법이 에너지 전이 현상을 방지하기 위하여 탁월한 선택이라는 사실을 입증 해주었다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• 1. Conjugated polymers for OLEDs 1
• 2. Hyperbranched polymers for the emitting layer of OLEDs 1
• 3. Exciton migration 3
• 4. Electrospinning 5
• 5. Flexible light emitting devices (FLEDs) 7
• 6. White light emitting devices and energy transfer 8
• 7. Research objectives 9
• Ⅱ. Multi-color emission from hyperbranched polymers: Variable feed ratios of RGB fluorophores in the polybenzothiadiazole backbone 11
• 1. Experimental 11
• 1.1 Materials 11
• 1.2 Characterization 11
• 1.3 Polymer light emitting diode (PLED) fabrication and measurement 12
• 1.4 Polymer Synthesis 13
• 2. Results and discussion 23
• 2.1 Properties of the hyperbranched polymers 23
• 2.2 Optical properties 25
• 2.3 Exciton migration by change in polymer concentration 36
• 2.4 Test of EL devices consisting of hyperbranched polymers 38
• Ⅲ. Multi-nozzle electrospinning method for white emission without energy transfer 43
• 1. Experimental 43
• 1.1 Preparation of RGB dye-doped PMMA solutions 43
• 1.2 Characterization 43
• 1.3 Electrospinning process 44
• 2. Results and discussion 45
• 2.1 Schematic diagram of multi-nozzle electrospinning for white light emitting sheets 45
• 2.2 Method of multi-nozzle electrospinning 45
• 2.3 Microscopic observations 48
• 2.4 Optical properties 48
• 2.5 Analysis of fluorescence lifetime 59
• 2.6 Fluorescence microscopy observations 62
• 2.7 CIE XY chromaticity diagram 62
• 2.8 Fluorescent luminescence (FL) images of the samples 65
• Ⅳ. CONCLUSIONS 66
• Reference 68
• ABSTRACT 73