[학위논문]고효율, 고발광 특성의 Alq3 기반 저분자 유기발광다이오드의 개발에 관한 연구 Study on Experimental Fabrication of Alq3-Based Organic Light-Emitting Diodes for High Efficiency and Brightness원문보기
21세기에 들어서 정보화 사회로의 움직임이 더욱 가속화되고 있으며 이에 따라 정보를 언제 어디서나 주고받을 수 있어야 하는 필요성에 따라 정보 디스플레이는 기존의 CRT(Cathode Ray Tube) 디스플레이로부터 평판 디스플레이(FPD: Flat Panel Display)[1]로 비중이 점차 옮겨가고 있는 추세이다. 그 중 ...
21세기에 들어서 정보화 사회로의 움직임이 더욱 가속화되고 있으며 이에 따라 정보를 언제 어디서나 주고받을 수 있어야 하는 필요성에 따라 정보 디스플레이는 기존의 CRT(Cathode Ray Tube) 디스플레이로부터 평판 디스플레이(FPD: Flat Panel Display)[1]로 비중이 점차 옮겨가고 있는 추세이다. 그 중 LCD(Liquid Crystal Display)[2]는 가볍고 전력소모가 적은 장점이 있어 평판 디스플레이로서 현재 가장 많이 사용되고 있으며 앞으로도 상당기간 수요 측면에서 강세를 유지할 것으로 예측된다. 그러나 LCD는 자체 발광소자가 아니라 별도의 광원을 필요로 하는 수광 소자이기 때문에 밝기, 명암비, 시야각, 그리고 대면적화 등에 기술적 한계가 있어 이러한 단점을 극복할 수 있는 새로운 평판 디스플레이를 개발하려는 노력이 전 세계적으로 활발하게 전개되고 있다. 이러한 평판 디스플레이의 요구로 나타난 새로운 평판디스플레이 기술 중의 하나가 유기EL(Organic Electroluminescence)[3] 디스플레이로서 저전압구동, 높은 발광 효율, 넓은 시야각, 그리고 빠른 응답속도 등의 특성으로 고화질 동영상을 표현할 수 있는 장점이 있기 때문에 차세대 평판 디스플레이로서 현재 제품화를 넘어 대형화를 위한 기술개발이 활발하게 진행되고 있다. 유기 전기 발광 현상은 1965년에 W. Helfrich, M. Pope 등에 의해서 안트라센(anthracene)[4] 단결정을 이용하여 실현되었으나, 발광효율이 낮고 수 백 볼트의 고전압을 필요로 했기 때문에 학문적인 관심을 끄는 정도에 그쳤다. 그러나 1986년에 미국 Eastman Kodak 사의 C. W. Tang[5]에 의하여 유기착화합물(tris-8-hydroxyquinolinato aluminium, Alq3) 박막을 이용하여 저전압 구동, 고휘도의 유기EL 소자를 개발한 후 전 세계적으로 연구가 활발히 진행되기 시작했다. 그리고 1990년에 영국 Cambridge대학의 R. H. Friend 교수팀에 의해 PPV(poly-p-phenylenevinylene)박막을 이용한 고분자 유기EL 소자가 발표되었다.[6] 이와 같이 재료 측면에서 유기저분자와 유기고분자를 이용하는 두 유기EL 분야 모두 급속한 발전을 이루어 현재까지 천연색 정보표시소자에 필요한 적, 녹, 청색의 발광효율이 우수한 유기발광다이오드(OLED; Organic Light-Emitting Diode) 소자가 모두 개발되었다. 그러나 OLED는 현재 상업화 되어있는 무기 반도체 발광 소자에 비하여 그 효율 및 안정성이 낮은 단점이 있다.[7] 또한 OLED는 과도한 전류에 의한 열적 안정성 등이 많은 문제점으로 지적되고 있고 이로 인한 수명의 저하가 큰 단점으로 지적되고 있다.[8, 9] 따라서 낮은 전류밀도에서 높은 효율과 견고한 내구성을 지닌 OLED에 대하여 많은 분야에서 연구가 계속 되고 있다. 효율적이고 안정한 OLED를 위해서는 각기 다른 특성을 갖는 유기물간의 계면 접착력 향상, 전극과 유기물과의 계면 접착력 향상, 전극 사이에 적층되어 있는 유기물 내부에서의 에너지 장벽에 따른 전하의 주입효율 향상 및 발광 유기층(EML; Emitting Layer) 내부에서의 정공(hole)-전자(electron)쌍 형성의 확률 증대를 통한 재결합 효율 향상 등을 통하여 보다 향상된 성능을 갖는 OLED를 제작 할 수 있다. 이를 위하여 현재 적용되고 있는 성능향상 기법은 주재료(host)로 부터 억셉터(acceptor)로의 에너지 전이 향상을 위한 극소량의 불순물 주입 공정, 정공의 저지와 같은 특수한 기능을 갖는 다층의 기능성 유기 층의 삽입, 발광 에미터로서 높은 발광특성을 갖는 인광 에미터의 사용 등이 적용되고 있다.[10-16] 그러나 저분자를 이용한 유기 층은 열증착기를 이용하여 유기층을 적층하므로 정공의 저지 등 특정한 기능을 갖는 유기층의 삽입은 공정 시간이 늘어나는 단점이 있다. 또한, 도핑과 같은 제작 방법은 극소량의 도펀트를 유기층 내부에 균일하게 첨가하여야 하므로 소자제작에 어려움이 있다. 또한 인광 에미터를 사용할 경우, 그 효율 및 발광특성은 형광 에미터를 사용한 경우에 비하여 극히 우수하나 높은 발광조건 하에서의 효율 손실이 문제점으로 지적되고 있다. 전술한 문제점을 보완하고 향상된 OLED의 제작을 위하여 본 연구에서는 전자주입강화층(EPL: Electron Pumping Layer)을 EML 내부에 삽입하여 최적의 EML 두께를 정의하였다. 이는 정공-전자쌍의 속박 및 재결합이 정의된 발광층 내부에서 발생되도록 도와주고 이는 재결합 효율의 향상을 수반하여 높은 효율 및 발광성을 갖는 OLED의 제작을 가능케 한다. 저분자 OLED에 사용되는 형광 에미터로서 Alq3는 다른 유기물에 비하여 우수한 전자수송특성 및 발광특성으로 인하여 530 nm의 녹색 파장을 갖는 에미터로 사용함과 동시에 금속음극에서 주입되는 전자를 발광층으로 수송하는 전자수송층(ETL: Electron Transporting Layer)으로서 동시에 사용된다. 그러나 상기와 같이 EML과 ETL을 Alq3 기반으로 하는 저분자 OLED구조가 일반적이기는 하나 EML과 ETL의 특이한 구분이 없으며, 이는 OLED에 전계가 인가되었을 경우, 투명양극에서 주입되는 정공과 금속 음극에서 주입되는 전자간의 엑시톤(exciton) 형성 위치가 확실하게 정의되지 않는다. 다시 말하면 정공과 전자의 재결합이 발광층 내부에서 형성되지 않고, 다른 유기층에서 형성되어 발광 손실이 발생하게 된다. 이러한 구조하의 OLED에서는 다음과 같은 손실을 초래한다. 일반적으로 정공의 이동도(10-4~10-2 cm2/V․s)가 전자의 이동도(10-6~10-4 cm2/V․s)보다 크기 때문에 EML이 정의되지 않은 일반적인 소자에서는 재결합이 발광층이 아닌 전자수송층 또는 금속음극의 계면에서 발생할 확률이 높다.[11,12] 본 연구에서는 EML과 ETL로 동시에 사용되는 Alq3 내부에 알칼리금속화합물[17,18]로 이루어진 EPL을 삽입하여 발광층을 정의하였다. 알칼리금속화합물은 일반적으로 유기물과 금속음극의 계면에 박막형태로 삽입되어 유기물의 밴드밴딩이동(band banding shift)을 통하여 전자의 원활한 주입을 돕는다. 또한 알칼리금속화합물은 n 형의 무기물로서 내부의 전자의 이동을 향상시켜 전기적인 특성을 향상 시킨다.[19,20] 본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서 기본적인 OLED의 구조와 종류 및 발광 메커니즘에 대하여 설명하였고, 제 3장에서는 Alq3를 기반으로 하는 다층구조(multi-layer structure)의 저분자 OLED의 구조와 그 특성을 결정하는 중요한 파라미터 및 효율 향상을 위한 기존의 공정 기법과 이의 문제점을 제시하였다. 제 4장에서는 본 논문에서 새롭게 제안된 Alq3 기반 저분자 OLED의 특이한 설계 구조 및 제작과, 그 특성에 대하여 설명하고, 마지막으로 실험 결과를 토대로 제안된 OLED를 비교 분석한 후, 향후 연구 적용 방향에 대하여 제시 하겠다.
21세기에 들어서 정보화 사회로의 움직임이 더욱 가속화되고 있으며 이에 따라 정보를 언제 어디서나 주고받을 수 있어야 하는 필요성에 따라 정보 디스플레이는 기존의 CRT(Cathode Ray Tube) 디스플레이로부터 평판 디스플레이(FPD: Flat Panel Display)[1]로 비중이 점차 옮겨가고 있는 추세이다. 그 중 LCD(Liquid Crystal Display)[2]는 가볍고 전력소모가 적은 장점이 있어 평판 디스플레이로서 현재 가장 많이 사용되고 있으며 앞으로도 상당기간 수요 측면에서 강세를 유지할 것으로 예측된다. 그러나 LCD는 자체 발광소자가 아니라 별도의 광원을 필요로 하는 수광 소자이기 때문에 밝기, 명암비, 시야각, 그리고 대면적화 등에 기술적 한계가 있어 이러한 단점을 극복할 수 있는 새로운 평판 디스플레이를 개발하려는 노력이 전 세계적으로 활발하게 전개되고 있다. 이러한 평판 디스플레이의 요구로 나타난 새로운 평판디스플레이 기술 중의 하나가 유기EL(Organic Electroluminescence)[3] 디스플레이로서 저전압구동, 높은 발광 효율, 넓은 시야각, 그리고 빠른 응답속도 등의 특성으로 고화질 동영상을 표현할 수 있는 장점이 있기 때문에 차세대 평판 디스플레이로서 현재 제품화를 넘어 대형화를 위한 기술개발이 활발하게 진행되고 있다. 유기 전기 발광 현상은 1965년에 W. Helfrich, M. Pope 등에 의해서 안트라센(anthracene)[4] 단결정을 이용하여 실현되었으나, 발광효율이 낮고 수 백 볼트의 고전압을 필요로 했기 때문에 학문적인 관심을 끄는 정도에 그쳤다. 그러나 1986년에 미국 Eastman Kodak 사의 C. W. Tang[5]에 의하여 유기착화합물(tris-8-hydroxyquinolinato aluminium, Alq3) 박막을 이용하여 저전압 구동, 고휘도의 유기EL 소자를 개발한 후 전 세계적으로 연구가 활발히 진행되기 시작했다. 그리고 1990년에 영국 Cambridge대학의 R. H. Friend 교수팀에 의해 PPV(poly-p-phenylenevinylene)박막을 이용한 고분자 유기EL 소자가 발표되었다.[6] 이와 같이 재료 측면에서 유기저분자와 유기고분자를 이용하는 두 유기EL 분야 모두 급속한 발전을 이루어 현재까지 천연색 정보표시소자에 필요한 적, 녹, 청색의 발광효율이 우수한 유기발광다이오드(OLED; Organic Light-Emitting Diode) 소자가 모두 개발되었다. 그러나 OLED는 현재 상업화 되어있는 무기 반도체 발광 소자에 비하여 그 효율 및 안정성이 낮은 단점이 있다.[7] 또한 OLED는 과도한 전류에 의한 열적 안정성 등이 많은 문제점으로 지적되고 있고 이로 인한 수명의 저하가 큰 단점으로 지적되고 있다.[8, 9] 따라서 낮은 전류밀도에서 높은 효율과 견고한 내구성을 지닌 OLED에 대하여 많은 분야에서 연구가 계속 되고 있다. 효율적이고 안정한 OLED를 위해서는 각기 다른 특성을 갖는 유기물간의 계면 접착력 향상, 전극과 유기물과의 계면 접착력 향상, 전극 사이에 적층되어 있는 유기물 내부에서의 에너지 장벽에 따른 전하의 주입효율 향상 및 발광 유기층(EML; Emitting Layer) 내부에서의 정공(hole)-전자(electron)쌍 형성의 확률 증대를 통한 재결합 효율 향상 등을 통하여 보다 향상된 성능을 갖는 OLED를 제작 할 수 있다. 이를 위하여 현재 적용되고 있는 성능향상 기법은 주재료(host)로 부터 억셉터(acceptor)로의 에너지 전이 향상을 위한 극소량의 불순물 주입 공정, 정공의 저지와 같은 특수한 기능을 갖는 다층의 기능성 유기 층의 삽입, 발광 에미터로서 높은 발광특성을 갖는 인광 에미터의 사용 등이 적용되고 있다.[10-16] 그러나 저분자를 이용한 유기 층은 열증착기를 이용하여 유기층을 적층하므로 정공의 저지 등 특정한 기능을 갖는 유기층의 삽입은 공정 시간이 늘어나는 단점이 있다. 또한, 도핑과 같은 제작 방법은 극소량의 도펀트를 유기층 내부에 균일하게 첨가하여야 하므로 소자제작에 어려움이 있다. 또한 인광 에미터를 사용할 경우, 그 효율 및 발광특성은 형광 에미터를 사용한 경우에 비하여 극히 우수하나 높은 발광조건 하에서의 효율 손실이 문제점으로 지적되고 있다. 전술한 문제점을 보완하고 향상된 OLED의 제작을 위하여 본 연구에서는 전자주입강화층(EPL: Electron Pumping Layer)을 EML 내부에 삽입하여 최적의 EML 두께를 정의하였다. 이는 정공-전자쌍의 속박 및 재결합이 정의된 발광층 내부에서 발생되도록 도와주고 이는 재결합 효율의 향상을 수반하여 높은 효율 및 발광성을 갖는 OLED의 제작을 가능케 한다. 저분자 OLED에 사용되는 형광 에미터로서 Alq3는 다른 유기물에 비하여 우수한 전자수송특성 및 발광특성으로 인하여 530 nm의 녹색 파장을 갖는 에미터로 사용함과 동시에 금속음극에서 주입되는 전자를 발광층으로 수송하는 전자수송층(ETL: Electron Transporting Layer)으로서 동시에 사용된다. 그러나 상기와 같이 EML과 ETL을 Alq3 기반으로 하는 저분자 OLED구조가 일반적이기는 하나 EML과 ETL의 특이한 구분이 없으며, 이는 OLED에 전계가 인가되었을 경우, 투명양극에서 주입되는 정공과 금속 음극에서 주입되는 전자간의 엑시톤(exciton) 형성 위치가 확실하게 정의되지 않는다. 다시 말하면 정공과 전자의 재결합이 발광층 내부에서 형성되지 않고, 다른 유기층에서 형성되어 발광 손실이 발생하게 된다. 이러한 구조하의 OLED에서는 다음과 같은 손실을 초래한다. 일반적으로 정공의 이동도(10-4~10-2 cm2/V․s)가 전자의 이동도(10-6~10-4 cm2/V․s)보다 크기 때문에 EML이 정의되지 않은 일반적인 소자에서는 재결합이 발광층이 아닌 전자수송층 또는 금속음극의 계면에서 발생할 확률이 높다.[11,12] 본 연구에서는 EML과 ETL로 동시에 사용되는 Alq3 내부에 알칼리금속화합물[17,18]로 이루어진 EPL을 삽입하여 발광층을 정의하였다. 알칼리금속화합물은 일반적으로 유기물과 금속음극의 계면에 박막형태로 삽입되어 유기물의 밴드밴딩이동(band banding shift)을 통하여 전자의 원활한 주입을 돕는다. 또한 알칼리금속화합물은 n 형의 무기물로서 내부의 전자의 이동을 향상시켜 전기적인 특성을 향상 시킨다.[19,20] 본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서 기본적인 OLED의 구조와 종류 및 발광 메커니즘에 대하여 설명하였고, 제 3장에서는 Alq3를 기반으로 하는 다층구조(multi-layer structure)의 저분자 OLED의 구조와 그 특성을 결정하는 중요한 파라미터 및 효율 향상을 위한 기존의 공정 기법과 이의 문제점을 제시하였다. 제 4장에서는 본 논문에서 새롭게 제안된 Alq3 기반 저분자 OLED의 특이한 설계 구조 및 제작과, 그 특성에 대하여 설명하고, 마지막으로 실험 결과를 토대로 제안된 OLED를 비교 분석한 후, 향후 연구 적용 방향에 대하여 제시 하겠다.
Organic light-emitting diodes (OLEDs) have attracted considerable attention due to their high brightness, high efficiency, and potential applications in mobile and full-color flat-panel displays. Improvements have been made since the first efficient organic light-emitting diode was reported. The sim...
Organic light-emitting diodes (OLEDs) have attracted considerable attention due to their high brightness, high efficiency, and potential applications in mobile and full-color flat-panel displays. Improvements have been made since the first efficient organic light-emitting diode was reported. The simplest OLED structure consisting of a single organic material sandwiched between an anode and a cathode suffers from poor recombination efficiency. This is because in most organic materials, the hole mobility is much larger than electron mobility so that most of the carriers recombine in a region close to cathode. It is important, therefore, to balance the number of holes and electrons injected from electrodes into an emitting zone to archive a high level of recombination efficiency. To improving recombination efficiency, multi-layer structures to be introduced functional layers, low work function cathodes and proper injection configuration, and molecular doping processes have been used. Here one of the biggest problems is that layers with a small molecular weight are processed by vacuum evaporation, and it is generally experienced that the process time is taken in the longer term as introducing of additional organic layers. Especially, in the molecular doping process using co-evaporation system, it is hard to maintain the infinitesimal ratio of emissive dopant in the organic layers of OLEDs. To solve this problem, we first consider an electron pumping layer (EPL) for improving the injection property of electron. A thin lithium fluoride as anEPL is inserted in interface of an emitting layer (EML) in which recombination process take place and an electron transporting layer (ETL). This improvement has been attributed to tunneling injection by constitution of heterojunction, as sufficient potential difference may be maintained between an EML and ETL in the presence of an EPL. In this work, we investigate the effect of position of EPL and various thickness of EML on the device brightness and efficiency with conventional Alq3-based OLED structure furthermore without doping processes. This concept is based on the assumption that the highest occupied molecular orbital (HOMO)level can be lowered by band bending, and that the band bending is induced by the different functions of the Alq3 layer and the EPL and thus, the lowering of the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) level. As results, it enhances the electron injection, carrier balance to achieve a high level of recombination efficiency in emission zone to be defined by the EPL. Because the performance of the device depends on the position of an EPL in the Alq3, we firstly, investigated on the optimal position in which the EPL improves the electron injection, carrier balance, and recombination efficiency.
Organic light-emitting diodes (OLEDs) have attracted considerable attention due to their high brightness, high efficiency, and potential applications in mobile and full-color flat-panel displays. Improvements have been made since the first efficient organic light-emitting diode was reported. The simplest OLED structure consisting of a single organic material sandwiched between an anode and a cathode suffers from poor recombination efficiency. This is because in most organic materials, the hole mobility is much larger than electron mobility so that most of the carriers recombine in a region close to cathode. It is important, therefore, to balance the number of holes and electrons injected from electrodes into an emitting zone to archive a high level of recombination efficiency. To improving recombination efficiency, multi-layer structures to be introduced functional layers, low work function cathodes and proper injection configuration, and molecular doping processes have been used. Here one of the biggest problems is that layers with a small molecular weight are processed by vacuum evaporation, and it is generally experienced that the process time is taken in the longer term as introducing of additional organic layers. Especially, in the molecular doping process using co-evaporation system, it is hard to maintain the infinitesimal ratio of emissive dopant in the organic layers of OLEDs. To solve this problem, we first consider an electron pumping layer (EPL) for improving the injection property of electron. A thin lithium fluoride as anEPL is inserted in interface of an emitting layer (EML) in which recombination process take place and an electron transporting layer (ETL). This improvement has been attributed to tunneling injection by constitution of heterojunction, as sufficient potential difference may be maintained between an EML and ETL in the presence of an EPL. In this work, we investigate the effect of position of EPL and various thickness of EML on the device brightness and efficiency with conventional Alq3-based OLED structure furthermore without doping processes. This concept is based on the assumption that the highest occupied molecular orbital (HOMO)level can be lowered by band bending, and that the band bending is induced by the different functions of the Alq3 layer and the EPL and thus, the lowering of the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) level. As results, it enhances the electron injection, carrier balance to achieve a high level of recombination efficiency in emission zone to be defined by the EPL. Because the performance of the device depends on the position of an EPL in the Alq3, we firstly, investigated on the optimal position in which the EPL improves the electron injection, carrier balance, and recombination efficiency.
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