[논문]ITO/glass 기판 전처리와 음극 전극 증착방법에 따른 OLED 수명 특성

신세진; 장지근; 김민영

ITO/glass 기판 전처리와 음극 전극 증착방법에 따른 OLED 수명 특성
Characteristics of OLED Lifetime by ITO/glass Substrate Pre-treatment and Cathode Deposition Methods 원문보기

반도체및디스플레이장비학회지 = Journal of the semiconductor & display equipment technology, v.7 no.2, 2008년, pp.59 - 62

신세진 (단국대학교 전자공학과) , 장지근 (단국대학교 전자공학과) , 김민영 (백석문화대학 컴퓨터정보학부)

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The Lifetime of OLEDs by ITO/glass substrates cleaning method and cathode deposition method were investigated in the fabrication of green light emitting OLEDs with $Alq_3$-C545T fluorescent system. In our experiments, the optimum cleaning method was obtained at last processing of boiling IPA(isopropyl alcohol). And the optimum deposition methode was obtained at 3 steps deposition rate of Al. The deposition rate of 3 steps progressed changing from $0.5\AA$/sec to $3\AA$/ sec. The green light emitting OLED with plasma treatment at 150W for 2 minutes showed the highest luminance and efficiency of 20000 cd/$m^2$ and 16 lm/W. On the contrary, the OLED device without plasma treatment showed much lower performance with the luminance and efficiency of 3500 cd/$m^2$ and 2 lm/W.

주제어

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문제 정의

본 실험에서는 기판의 전처리 공정 및 음극 증착 공정을 통하여 OLED 소자 공정의 안정성을 확보하기위한 최적조건을 확립하고 소자를 제작하여 그 특성을 평가하였다.
본 연구에서는 ITO/glass 기판의 전처리 공정과 음극 증착 방법에 따라 OLED 소자 수명에 미치는 영향을 조사하기 위하여 녹색 OLED를 제작하였다. 결과적으로 기판 세정의 최종 처리를 IPA로 하고 Al 전극의 증착률을 단계별로 증착한 소자에서 발광 휘도의 향상과 수명이 연장되는 성능 개선을 보였다.

제안 방법

96×64 매트릭스 픽셀(pixel)의 패널을 설계하고 단위 픽셀의 면적을 240×240 µm2으로, 서브 픽셀의 발광면적을 205×45 µm2으로 나타내어 공정에 필요한 마스크를 제작하였다.
Table 2는 Cathode로 사용되는 Al의 증착률에 대한 조건으로 1800Å의 최종 두께를 3Å/s의 증착률로 일정하게 증착 하는 방법과 100Å-0.5Å/s, 500Å-1Å/s, 1200Å-3Å/s로 단계별로 증착하는 방법으로 실험하였다.
계속하여 전자 수송층(electron trans port layer: ETL)으로 300Å 두께의 Alq3를 증착한 후, 시료를 MC(metal chamber)로 옮겨 최종적으로 LiF(10Å)/Al(1800Å)의 음극을 증착하였다.
박막의 증착 과정에서는 시료를 고진공(5×10-8 Torr) 상태의 OC(organic chamber)로 옮기고, open 마스크를 사용하여 600Å 두께의 2-TNATA[4,4’,4"-tris(2-naphthylphenyl-ph enylamino)-triphenylamine] 정공 주입층(hole injection layer: HIL)과 200Å 두께의 NPB [N,N'-bis(1-naphthyl)-N,N'-diphenyl-1,1'-biphenyl-4,4'-diamine]정공 수송층(hole transport layer: HTL)을 형성하였다.
계속하여 전자 수송층(electron trans port layer: ETL)으로 300Å 두께의 Alq3를 증착한 후, 시료를 MC(metal chamber)로 옮겨 최종적으로 LiF(10Å)/Al(1800Å)의 음극을 증착하였다. 봉지 과정에서는 시료를 glove box로 옮기고 디스펜스(dispenser)를 이용하여 UV 경화 방식으로 흡습제가 장착된 뚜껑 유리(encapsulation glass)을 봉합하였다.
소자 안정성에 대한 실험은 조건에 따라 4개의 시편으로 나누어 실험하였다. Fig.
소자 제작 에서는 먼저 ITO(1500Å)/glass 기판으로부터 ITO를 패터닝(patterning)하고 interinsulator(SiO₂: 100Å)와 음극분리 격벽(photoresist:~4 µm)을 형성하여 유기 박막을 증착하기 위한 전단계를 준비하였다. 이 후 패터닝된 기판을 세정 후 PT (plasma treatment chamber)에서 조건에 따라 플라스마 처리를 하였다. 유기 박막을 증착하기 전에 플라스마 처리는 기판 준비 과정에서 생긴 오염을 제거하고 ITO로부터 정공의 주입 장벽을 낮추기 위함이다.
제작된 소자들의 광학적 특성을 바탕으로 구동 전압 10V에서 시간경과에 따라 초기 휘도의 반으로 저하하는 ‘반감 수명’을 조사하였다.

대상 데이터

소자 제작 에서는 먼저 ITO(1500Å)/glass 기판으로부터 ITO를 패터닝(patterning)하고 interinsulator(SiO2: 100Å)와 음극분리 격벽(photoresist:~4 µm)을 형성하여 유기 박막을 증착하기 위한 전단계를 준비하였다.

성능/효과

본 연구에서는 ITO/glass 기판의 전처리 공정과 음극 증착 방법에 따라 OLED 소자 수명에 미치는 영향을 조사하기 위하여 녹색 OLED를 제작하였다. 결과적으로 기판 세정의 최종 처리를 IPA로 하고 Al 전극의 증착률을 단계별로 증착한 소자에서 발광 휘도의 향상과 수명이 연장되는 성능 개선을 보였다. 특히 수명에 대한 성능 개선은 세정방법 보다는 Al 증착방법에 따른 결과로 나타났으며, 유기층과 Al의 접착력 향상은 층간의 박리 현상을 지연시키는 역할을 하는 것으로 사료된다.
특히, 150W-2 min의 조건으로 플라스마 처리된 소자는 구동전압 10V에서약 20000 cd/m2로 플라스마 처리를 하지 않은 소자에 비하여 약 5배 이상의 고휘도 특성을 나타내었다. 그리고 제작된 소자는 약 11~12V 이상의 전압에서 휘도 특성이 포화되는 경향을 보였는데, 이는 주입 전류가 매우 크게 나타날 경우 엑시톤이 quenching 되거나 전자와 정공의 비 발광성 재결합율이 상대적으로 증가하는 결과로 해석된다. Fig.
특히 수명에 대한 성능 개선은 세정방법 보다는 Al 증착방법에 따른 결과로 나타났으며, 유기층과 Al의 접착력 향상은 층간의 박리 현상을 지연시키는 역할을 하는 것으로 사료된다. 또한 기판의 세정공정과 함께 박막 증착전 플라스마 전처리는 소자의 전기·광학적 특성이 향상되는 결과를 보여주었다.
제작된 소자는 Fig. 4(a)에서 나타나듯이 구동전압 10V에서 세정방법에 따라 Cleaning-A로 세정된 소자가 Cleaning-B로 세정된 소자보다 약 20%의 발광휘도 향상 효과가 나타났으며, Al 증착방법에 따라 Al deposition-A로 증착된 소자가 Al deposition-B로 증착된 소자보다 약 35% 향상된 발광휘도를 나타내었다.
이 그림에서 OLED소자의 전력효율은 구동 전압 5~10V에서 전반적으로 약 5 lm/W이하의 효율을 보여주고 있다. 특히 150W-2 min의 조건으로 플라스마 처리된 소자에서는 구동전압 10V에서 16.19 lm/W의 효율로 다른 소자들에 비하여 월등한 성능을 보이고, 이는 플라스마 처리되지 않은 소자의 효율(1.89 lm/W) 보다 약 8배 이상의 고효율 특성을 나타내고 있다.
결과적으로 기판 세정의 최종 처리를 IPA로 하고 Al 전극의 증착률을 단계별로 증착한 소자에서 발광 휘도의 향상과 수명이 연장되는 성능 개선을 보였다. 특히 수명에 대한 성능 개선은 세정방법 보다는 Al 증착방법에 따른 결과로 나타났으며, 유기층과 Al의 접착력 향상은 층간의 박리 현상을 지연시키는 역할을 하는 것으로 사료된다. 또한 기판의 세정공정과 함께 박막 증착전 플라스마 전처리는 소자의 전기·광학적 특성이 향상되는 결과를 보여주었다.
이 그래프에서 발광휘도는 구동전압 10V에서 플라스마 처리된 소자(약 5000~6000 cd/m²)가 플라스마 처리를 하지 않은 소자(약 3500 cd/m²)에 비해 전반적으로 휘도가 상승하였다. 특히, 150W-2 min의 조건으로 플라스마 처리된 소자는 구동전압 10V에서약 20000 cd/m2로 플라스마 처리를 하지 않은 소자에 비하여 약 5배 이상의 고휘도 특성을 나타내었다. 그리고 제작된 소자는 약 11~12V 이상의 전압에서 휘도 특성이 포화되는 경향을 보였는데, 이는 주입 전류가 매우 크게 나타날 경우 엑시톤이 quenching 되거나 전자와 정공의 비 발광성 재결합율이 상대적으로 증가하는 결과로 해석된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저분자 OLED의 특징은?	저분자 발광 재료를 이용한 OLED는 현재 상용화단계에 있으며, 기존의 대표적인 평판 디스플레이(flat panel display)인 LCD(liquid crystal display)와 PDP (plasma display panel)를 대체할 차세대 디스플레이 소자로 각광을 받고 있다. 저분자 OLED의 특징으로는 물질의 합성이 용이하며, 다층 박막 구조의 형태로 만들기가 쉽다는 점이다. 전류구동 소자인 유기 발광다이오드는 전극으로부터 발광층까지 다층 박막을 통해 전자와 정공의 주입과 이동, 그리고 발광층에서 엑시톤(exciton)의 형성과 재결합에 의하여 밴드 갭 에너지에 해당하는 고유의 빛을 발산한다.
	OLED의 장점은?	OLED(organic light emitting diode)는 유기물을 형광층으로 사용하며, 소자의 전기적 특성이 다이오드 특성과 유사하여 유기 발광다이오드라고 불리운다. OLED는 광 시야각, 초고속 응답, 자체 발광 등의 장점 때문에 소형에서 대형에 이르기까지 동화상 표시매체로서 손색이 없으며, 소비전력이 작고, 경량박형으로 제작할 수 있기 때문에 평판 디스플레이용으로 가장 적합한 소자이다[1,2].
	본 연구에서는 ITO/glass 기판의 전처리 공정과 음극 증착 방법에 따라 OLED 소자 수명에 미치는 영향을 조사하기 위하여 녹색 OLED를 제작하였다, 이에 대한 실험 결과는?	본 연구에서는 ITO/glass 기판의 전처리 공정과 음극 증착 방법에 따라 OLED 소자 수명에 미치는 영향을 조사하기 위하여 녹색 OLED를 제작하였다. 결과적으로 기판 세정의 최종 처리를 IPA로 하고 Al 전극의 증착률을 단계별로 증착한 소자에서 발광 휘도의 향상과 수명이 연장되는 성능 개선을 보였다. 특히 수명에 대한 성능 개선은 세정방법 보다는 Al 증착방법에 따른 결과로 나타났으며, 유기층과 Al의 접착력 향상은 층간의 박리 현상을 지연시키는 역할을 하는 것으로 사료된다. 또한 기판의 세정공정과 함께 박막 증착전 플라스마 전처리는 소자의 전기·광학적 특성이 향상되는 결과를 보여주었다.

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