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문제 정의
- 본 연구에서는 ITO 박막의 표면거칠기에 따라서 OLED 소자의 전기적 및 광학적 특성이 어떠한 영향을 받는지를 조사하였다. 표면 거칠기를 인위적으로 조절하기 위하여 반도체 공정인 노광 및 에칭 공정을 이용하였다.
제안 방법
- α-NPB, Alq3는 1~1.5 Å/s의 증착속도로 각각 400 Å, 400 Å을 증착하였고, LiF와Al은 증착속도를 2 Å/s 이상으로 하여 각각 5Å과 1000 Å 일정하게 증착하였다.
- 본 실험에는 현재 TFT-LCD 양산에 사용되고 있는 2000 Å 두께의 ITO 가 증착된 glass(corning 7059)를 기판으로 사용하였다 (면저항 ; Rs<10 Ω/□). ITO 를 부분적으로 식각하기 위하여 ITO-coated glass 위에 스핀 코팅법으로 PR (photo resistor)을 도포하고 100초 동안 소프트 베이크를 행하였다. 그리고 제작된 노광마스크를 사용하여 4초간 노광(model Q-4000, QUINTEL TECH, USA)을 실시하였고 현상 후 5분간 하드베이크를 실시하여 표면에 PR을 선택적으로 도포하였다.
- PR의 간격은 2 µm이며 너비 또한 2 µm로 일정한 패턴을 유지하였다. PR이 도포된 ITO-coated glass 는 HCl로 각각 2, 3, 4분 동안 식각하였다. 시간별로 ITO-coated glass 를 식각하여 α-step (model P-2, TECOR, USA)으로 두께를 측정하였다.
- Spectrometer ((model CS-1000A, KONICA MINOLTA SENSING INT, JPN))를 이용하여 제작된 OLED 소자의 전류밀도-전압 (I-V), 휘도-전압 (L-V) 특성을 측정하였다. 소자의 안정적인 측정을 위하여 0~10 V 범위에서 측정하였다.
- ITO 를 부분적으로 식각하기 위하여 ITO-coated glass 위에 스핀 코팅법으로 PR (photo resistor)을 도포하고 100초 동안 소프트 베이크를 행하였다. 그리고 제작된 노광마스크를 사용하여 4초간 노광(model Q-4000, QUINTEL TECH, USA)을 실시하였고 현상 후 5분간 하드베이크를 실시하여 표면에 PR을 선택적으로 도포하였다. PR의 간격은 2 µm이며 너비 또한 2 µm로 일정한 패턴을 유지하였다.
- 또한 소자의 신뢰성 및 수명도를 측정하기 위해서 각각2, 3, 및4분 동안 화학적 식각된 ITO-coated glass 기판 위에 유기물을 400 Å 증착하여 OLED 소자를 제작하고 90분간 소자에 7V의 전압을 계속 인가한 후 I-V-L을 재측정하여 처음 데이터와 비교하였다.
- 시간별로 ITO-coated glass 를 식각하여 α-step (model P-2, TECOR, USA)으로 두께를 측정하였다.
- 이렇게 제조된 기판 위에 OLED 소자를 제작하기 위해서 rf-power 150W에서 3분간 산소 플라즈마를 이용하여 전처리를 한 후, 진공도 10−6 torr에서 α-NPB, DPVB, Alq3, LiF, Al 의 순서로 각각 진공에서 증착하였다.
- 표면 거칠기를 인위적으로 조절하기 위하여 반도체 공정인 노광 및 에칭 공정을 이용하였다. 이렇게 준비된 서로 다른 표면 거칠기를 가지는 ITO 기판 위에 -NPB, Alq3, LiF, Al 의 순서로 진공증착하여 OLED 디바이스를 제작하고 전기적 및 광학적 특성을 평가하였다.
- 표면 거칠기가 OLED 소자의 I-V-L 특성에 영향을 미치지만, 특히 중점적으로 문제가 되는 부분을 파악하기 위하여 가혹 실험인 retention 실험을 행하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 실험에는 현재 TFT-LCD 양산에 사용되고 있는 2000 Å 두께의 ITO 가 증착된 glass(corning 7059)를 기판으로 사용하였다 (면저항 ; Rs<10 Ω/□).
- 본 연구에서는 ITO 박막의 표면거칠기에 따라서 OLED 소자의 전기적 및 광학적 특성이 어떠한 영향을 받는지를 조사하였다. 표면 거칠기를 인위적으로 조절하기 위하여 반도체 공정인 노광 및 에칭 공정을 이용하였다. 이렇게 준비된 서로 다른 표면 거칠기를 가지는 ITO 기판 위에 -NPB, Alq3, LiF, Al 의 순서로 진공증착하여 OLED 디바이스를 제작하고 전기적 및 광학적 특성을 평가하였다.
성능/효과
- 1) 유기물 두께 증가에 따른 OLED 소자의 I-V-L 특성의 감소는 유기물 단위 두께에 인가되는 전압, 즉 전계 (electric field)의 감소 때문이라고 판단된다.
- 2) 표면 거칠기가 증가할수록 turn on voltage 가 증가하고 I-V-L 특성이 감소함을 알 수 있다. 하지만, 표면 거칠기 증가에 따른 I-V-L 특성의 감소 효과는 유기물 두께의 효과에 비해서는 상당히 작다
- 3) 90분간 7V를 인가한 후 측정된 OLED 소자의 휘도는 소자 제작 후 바로 측정된 휘도에 비해 상당히 감소하였다. 또한, 식각 시간이 증가함에 따라서 휘도의 감소량도 증가함을 알 수 있다.
- 4) ITO 박막의 표면 거칠기가 거칠수록 OLED 소자의 수명이 짧아진다. 이는 표면 거칠기가 커짐으로 인하여 그 위에 증착되는 유기물 및 음극 물질의 열악한 step coverage 때문으로 판단된다.
- 이는 소자의 신뢰성 및 수명을 측정하기 위한 것이다. 90분간 7V를 인가한 후 측정된 휘도는 소자 제작 후 바로 측정된 휘도에 비해 상당히 감소한 것으로 측정되었다. 또한, 식각 시간이 증가함에 따라서 휘도의 감소량도 증가함을 알 수 있다.
- 표면 거칠기가 증가할수록 turn on voltage 가 증가하며 전류밀도 및 휘도 특성이 지속적으로 감소함을 알 수 있다. 상기한 바와 같이 비록 표면 거칠기에 따라서 전계의 차이가 그리 크진 않지만, 이 실험 결과부터 표면 거칠기는 분명히 OLED 소자의 I-V-L 특성과 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다.
- 이상의 결과들로부터 표면 거칠기에 의해서 OLED 소자의 전기적 및 광학적 특성은 분명히 영향을 받고 있으며, 특히 소자를 지속적으로 사용하게 되면서 소자 특성의 열화 (degradation) 정도의 차이가 표면 거칠기에 매우 크게 의존함을 알 수 있다. 이러한 현상은 PVD (physical vapor deposition) 법인 evaporation 의 고유한 특성이면서 문제점인 step coverage 에 기인하기 때문으로 판단된다.
후속연구
- OLED 의 효율을 향상시키기 위해서는 전극물질의 개발 및 전극의 표면처리, 전자와 정공이 수적인 균형을 이루며 효율적으로 재결합 할 수 있는 소자의 구조 및 발광효율이 큰 물질의 개발 등이 요구된다. 특히 ITO 기판의 경우, 다양한 표면처리 방법에 의해서도 소자의 성능을 향상 시킬 수 있다.
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