For recent several years, white light emitting diodes (white LEDs) have been used as an illumination light source as well as components of display devices because LEDs have advantages such as low power consumption, long life time, and so on. There are several methods to fabricate white LEDs. Among these methods, coating a yellow-emitting phosphor on a blue LED is used widely. And $Y_3Al_5O_{12}:Ce^{3+}$ (YAG:Ce) phosphor has been used as a yellow-emitting phosphor since its excitation band is in blue light region. However white LEDs show poor color rendering property due to the weak emission of the YAG:Ce phosphor in red spectral region. Most of the efforts in the LED research field have been devoted to inorganic phosphors such as YAG:Ce in which the key performances are yet to be improved for practical applications, i.e. high cost, difficulty of color tuning and un-uniform dispersion.
In this study, novel organic dyes as an efficient color conversion material for white LEDs have been investigated. L.Zhang et al. reported triphenylamine derivative, 3-(4-(diphenyl-amino)phenyl)-1-phenylprop-2-en-1-one (DPPO) which emitted yellow light. To modify the emission and excitation properties of DPPO, novel organic dyes, 3-(4-(diphenylamino)-phenyl)-1-(naphthaene-2-yl)prop-2-en-1-one (DPNO) and 3-(4-(diphenylamino)phenyl)-1-(anthracen-2-yl)prop-2-en-1-one(DPAO) were synthesized. By structural analysis with H-NMR, EA, HR-MS, it was found that DPPO, DPNO and DPAO can be synthesized by aldol condensation reaction.
After structural analysis, emission properties of DPPO, DPNO, DPAO was investigated in various conditions. The same molecular concentration (0.1mmol/L) was experimented, the PL emission intensity of DPNO was higher by about 1.5 times than that of DPPO. In addition, the main emission wavelength of synthesized organic dyes was slightly red-shifted by increasing conjugation length. The red-shift of spectrum can be explain by reduction of the energy gap between HOMO and LUMO level due to the addition of conjugated π-electrons. It was also found that DPPO, DPNO and DPAO show positive solvatochromism which is the ability of a chemical substance to show red shift of its emission spectrum due to increase of solvent polarity.
Because the synthesized organic emitting dyes show poor compatibility with conventional LED encapsulants, such as epoxy and silicone, two alternative methods to fabricate white LEDs have been studied. In the first method, white LEDs was fabricated by coating of dye-dispersed α-terpineol having non-volatile liquid phase on the SMD type InGaN blue LED. With this method, 72 of CRI value and 43.3lm/W of luminous efficiency was obtained. In order to improve CRI value of white LEDs fabricated by the first method, red emitting CdSe quantum dots were added to white LEDs. With CdSe quantum dots, white LEDs show 93 of CRI value at the maximum. However, emission intensity of dyes was reduced very quickly during operation. In the second method, dye-dispersed polymer thin film was fabricated. PS, PMMA, PEG polymer films were fabricated by using spin coating method with the solution of polymer and organic dyes. Comparing with liquid solution case, excitation peaks due to $\pi-\pi^*$ transition and $n-\pi^*$ transition were shifted to shorter wavelength. Also, dye-dispersed polymer films show a phenomenon similar to positive solvatochromism in liquid solution. The emission spectra were shifted to longer wavelength with increase of the polarity of solvents.
최근 들어 백색 LED는 디스플레이용 광원뿐만 아니라, 조명용 광원으로도 사용되고 있다. 백색 LED가 각광받고 있는 이유는 적은 에너지 소비, 긴 수명 등의 장점을 지니고 있기 때문이다. 백색 LED를 제조하기 위한 여러 방법들 중 청색 LED 위에 황색 발광 무기형광체를 도포하는 것이 가장 널리 쓰이고 있으며, $Y_3Al_5O_{12}:Ce^{3+}$ (YAG:Ce)형광체는 청색 파장 영역에 여기 밴드가 위치하고 있어 황색 무기형광체로 주로 사용되어 왔다. 하지만 YAG:Ce형광체의 발광 스펙트럼에는 적색 파장 영역의 빛이 결핍되어 있으므로, 이를 이용하여 제조한 백색 LED는 좋지 못한 연색 특성을 나타낸다. 또한 현재까지 백색 LED용 파장전환물질에 관한 연구는 주로 YAG:Ce 과 같은 무기형광체에만 초점을 맞추어 이루어져 왔으며, 무기형광체는 비용이 많이 들고, 발광 특성의 조절이 매우 어려우며, 봉지재에 잘 분산이 되지 않는 문제점을 지니고 있다.
본 연구에서는 백색 LED 구현을 위한 파장전환물질로써 새로운 유기 발광 염료를 합성하고 그 특성을 분석하였다. L. Zhang은 청색 LED에 의해 여기되어 황색 발광을 나타내는 3-(4-(diphenyl-amino)phenyl)-1-phenylprop-2-en-1-one (DPPO)라는 트리페닐아민계 유기 염료를 보고하였다. DPPO의 여기 및 발광 특성을 조절하기 위하여, 새로운 구조의 유기 염료인 3-(4-(diphenylamino)-phenyl)-1-(naphthaene-2-yl)prop-2-en-1-one (DPNO) and 3-(4-(diphenylamino)phenyl)-1-(anthracen-2-yl)prop-2-en-1-one(DPAO)을 합성하였다. H-NMR, 원소분석, 질량분석을 통하여, 알돌축합반응을 통한 DPNO, DPAO의 합성이 가능함을 확인하였다.
다음은 DPPO, DPNO, DPAO의 발광특성을 다양한 조건에서 고찰해 보았다. 같은 농도(0.1mmol/L)에서 측정하였을 때, DPNO의 최대 발광 세기가 DPPO보다 1.5배 높게 나타났다. 또한, conjugation length가 증가함에 따라 합성된 유기 염료들의 발광파장이 미세하게 장파장 쪽으로 이동하였다. 이러한 스펙트럼의 적색이동은 conjugated π-electron의 추가로 인한 HOMO와 LUMO사이의 에너지 차이 감소에 의한 것으로 설명할 수 있다. 한편, DPPO, DPNO, DPAO는 용매의 극성이 증가함에 따라 발광파장이 장파장 쪽으로 이동하는 현상인 positive solvatochromism을 나타내는 것을 확인하였다.
합성된 유기 염료들이 에폭시나 실리콘과 같은 기존의 LED봉지재와 좋지 못한 공정적합성을 나타내었기 때문에 백색 LED를 제조하기 위해 두 가지 다른 방법을 시도하였다. 첫 번째 방법에서는 비휘발성 용매인 α-terpineol에 유기 염료들을 분산시켜 청색 LED위에 도포하였다. 이 방법으로 제조한 백색 LED는 72의 Color Rendering Index(CRI)값을 나타내었으며, 최대 43.3lm/W의 luminous efficiency를 얻을 수 있었다. 첫 번째 방법으로 제조한 백색 LED의 CRI값을 향상시키기 위하여 적색발광 CdSe 양자점을 첨가하였고, 이를 통해 최대 93의 CRI값을 얻었다. 하지만, 유기 염료에 의한 발광 세기는 구동 시간이 증가함에 따라 매우 빠르게 감소하였다. 두 번째, 방법에서는 유기 염료가 분산된 고분자 필름을 제조하였다. 유기 염료가 분산된 PS, PMMA, PEG 필름을 스핀 코팅을 통해 제조하였고, 액상의 경우와 비교해 볼 때, $π-π^*$ 전이와 $n-π^*$ 전이에 의한 여기 밴드가 단파장 쪽으로 이동하는 것을 관찰하였다. 또한, 유기 염료가 분산된 고분자 필름은 액상 용액에서의 positive solvatochromism과 유사한 현상을 나타내었다.
