[논문]저분자 인광 유기발광 소자

전순옥; 육경수; 이준엽

저분자 인광 유기발광 소자 원문보기

인포메이션 디스플레이 = Information display, v.10 no.4, 2009년, pp.12 - 21

전순옥 (단국대학교 공과대학 고분자시스템공학과) , 육경수 (단국대학교 공과대학 고분자시스템공학과) , 이준엽 (단국대학교 공과대학 고분자시스템공학과)

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AI 본문요약
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문제 정의

현재 양산되는 유기발광 소자는 대부분 형광발광물질을 사용하고 있으나, 발광 효율의 개선을 통한 소비전력 감소를 위하여 인광 발광물질 로의 대체가 절실히 요구되고 있다. 본 논문에서는 OLED 소자에 사용 되는 최근의 인광 유기 발광 재료 및 소자의 개발동향에 대하여 살펴보고 향후 개발 방향에 대하여 논하고자 한다.
최근의 인광 OLED소자를 위한 재료 및 소자 구조의 개발동향에 대하여 살펴보았다. 현재에도 OLED를 이용한 제품이 속속들이 출시되고 있지만 OLED 응용 분야의 하나인 디스플레이 분야에서 제품의 모바일 기기 탑재와 대형화가 진행됨에 따라서 소비 전력과 수명이 가장 큰 이슈이다.

제안 방법

소자 구조 측면에서 효율 개선을 위하여 가장 널리 사용한 방법은 기존의 형광소자의 정공수송층 및 전자수송 층을 단층 구조에서 이층 구조로 적용하여, 기존의 전하 수송층과 삼중항 에너지가 높은 전하수송층 (엑시톤 방지층)을 동시에 사용하였다. 엑시톤 방지층을 발광층과 접촉하는 층에 추가적으로 사용하여 발광층의 삼중항 엑시톤의 소광을 방지하였다. 그러나, 최근에는 높은 삼중항 에너지를 갖는 물질을 단독으로 정공수송층 또는 전자수송층으로 적용하여 기존의 형광소자와 동일한 구조로 일반적으로 소자를 구성하고 있다.

성능/효과

26) 의 색특성을 나타내었다. Silane 계열의 호스트 물질이 넓은 밴드갭으로 인하여 호스트와 도판트 사이의 전하가 trapping 되는 현상이 강하게 나타남에도 불구하고 상대적으로 좋은 효율이 구현되었다. 실리콘 단위와 카바졸 단위를 조합한 호스트 물질도 개발되었으며, 높은 삼중항 에너지로 인하여 진청색 인광 도펀트로의 에너지 전달이 효과적인 것으로 보고되었다.
그러나, 이층 구조의 발광층 구조는 정공과 전자의 재결합이 두 발광층의 계면에서 주로 나타나게 되는 문제점이 있으며, 계면에서의 엑시톤 밀도가 높아 삼중항 -삼중항 소멸 현상에 의하여 고휘도에서의 급격한 효율 감소가 나타나게 된다. 녹색 인광 소자에서 TCTA를 호스트로 사용한 발광층과 TAZ를 호스트로 적용한 발광층을 이층 구조로 사용하여 77 lm/W의 높은 효율을 얻을수 있었다.
1%의 높은 양자효율을 구현하였다. 또한 바이폴라 특성을 갖는 호스트 물질로서 fluorene 구조에 방향족 아민 단위와 포스핀 옥사이드 단위를 동시에 포함하는 호스트 재료를 개발하여 청색 인광 소자에서 높은 효율을 얻었다. 그러나, 현재 진청색 소자에 적용할 수 있는 호스트 재료는 매우 제한적이며, 따라서 다양한 청색 인광 호스트 재료의 개발이 요구 되고 있다.
34) 를 갖는 하늘색의 FIrpic을 사용하였을 경우, 외부 양자효율 20% 가 구현되었다^[7-9]. 또한 밴드갭이 4.1eV 인 silicon 계열의 호스트 물질인 UGH2와 UGH3를 Fir6와 도핑하여 소자를 제작한 결과 양자효율이 13.9% 및 (0.16, 0.26) 의 색특성을 나타내었다. Silane 계열의 호스트 물질이 넓은 밴드갭으로 인하여 호스트와 도판트 사이의 전하가 trapping 되는 현상이 강하게 나타남에도 불구하고 상대적으로 좋은 효율이 구현되었다.
최근에는 Zn 계열의 호스트 물질들이 널리 연구 되고 있으며, 양자효율 20% 수준의 높은 효율과 장수명을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. 또한 새로운 계열의 적색 인광 호스트 물질로서 포스핀 옥사이드 계열의 호스트 물질도 개발되었으며, 특히 낮은 도핑 농도인 1 % 의도핑 농도에서 최적의 특성을 나타내 기존의 호스트 물질에 비하여 도펀트의 사용량이 매우 적은 장점을 보였다. 적색 인광소자의 경우 현재 상용화되어 사용되고 있으나, 지속적으로 소비전력 개선을 위한 호스트 및 도펀트 재료의 개발이 필요하다.
FCNIr은 phenylpyridine 리간드 유도체를 리간드 구조로 포함하고 있는 도펀트 물질로서 phenylpyridine 구조의 phenyl 단위에 강한 전자 받게인 F와 CN 치환기를 도입하여 진청색을 구현하고 있다. 색좌표의 x 및 y 값이 0.15 이하의 값을 나타내고 있으며, mCP 호스트와 발광층을 구성시 9%의 양자효율과 11 cd/A 의 전류 효율을 구현하였다. 이 외에도 카벤 계열의 리간드를 포함하고 있는 청색 인광 도펀트도 알려져 있으며, pyrazole유도체를 리간드로 포함하는 Ir 계열의 청색 인광 도펀트도 (0.
최근 연구에서는 Ir에 가장 많이 쓰이고 있는 phenylpyridine 리간드에 cyclic alkene치환기를 적용하여 안정성과 효율을 개선한 도펀트로서 (tris(2-(1-cyclohexenyl)pyridine)iridium) Ir(chpy)₃와 (tris(2-(3-methyl-1-cyclohexenyl)pyridine)iridium) Ir(mchpy)₃ 물질이 개발되었다. 호스트인 CBP와 소자를 제작하였때 양자 효율 14.6%를 갖는Ir(ppy)₃에 비하여 Ir(chpy)₃와 Ir(mchpy)₃가 각각 18.7% 와 17.1% 의 양자 효율을 보이며, 3.4V의 낮은 구동전압을 가지고 있다. 이러한 효율 증가는 rigid 하며, bulky 한 cyclic alkene의 치환기로 인하여 구조적 안정성이 증가하는 것에 기인한다^[6].
대표적으로 정공수송 특성을 갖는 TCTA 호스트와 전자수송특 성을 갖는 TPBI를 혼합 호스트 구조로 적용할 경우 효율이 향상되는 결과가 보고되었다. 혼합 호스트 구조는 효 율 개선뿐 아니라 인광 소자의 문제점의 하나인 고휘도에 서의 효율 감소를 방지하는데도 효과적이며, 기존의 단일 호스트에 비하여 고휘도에서의 효율 감소가 현저히 저하 되는 결과를 얻을 수 있었다. 기존의 단일 호스트 구조 적용시 발광 영역이 정공수송층 또는 전자수송층 쪽으로 치우치는 반면에 혼합 호스트 구조 적용시에는 넓은 발광 영역을 갖는 것으로 알려져 있으며, 이에 따라 단위 부피당 엑시톤 밀도가 감소하며 고휘도에서의 삼중항 엑시톤 소광이 감소하게 된다.
효율적인 에너지 전달을 할 수 있는 소자 구조도 인광 소자의 효율 증가에 있어서 효과적이며, 적색 인광 소자의 효율 향상을 위하여 호스트와 적색 인광 도펀트에 에너지 전달을 원할하기 위한 sensitizer로 녹색 인광 도펀트를 적용한 구조에서 효율 증가가 관찰되었다. 호스트로부터 적색 도펀트로 에너지 전달이 어려운 발광층에 녹색 도펀트를 sensitizer로 적용함으로서 호스트로부터 녹색 도펀트로 에너지 전달이 효율적으로 일어나고, 다시 녹색 도펀트의 에너지가 적색 도펀트로 전달되어 호스트로부터 적색 도펀트로의 에너지 전달이 효율적으로 일어나게 된다.

후속연구

또한 포스핀 옥사이드와 방향족 아민 단위를 모두 포함하는 호스트 물질도 개발되어 녹색 인광 소자에서 우수한 특성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 그러나, 녹색 인광 소자의 수명은 형광녹색소자에 비하여 저하되고 있으므로, 수명 개선을 위한 호스트 및 도펀트 재료의 추가 개발이 필요하다. 특히 엑시톤의 누설을 방지할 수 있는 바이폴라 호스트 재료의 개발이 요구된다.
특히 청색 인광소자의 경우 진청색을 낼 수 있는 도펀트 물질 및 이를 위한 호스트 물질이 많이 개발되어 있지 않아 이에 대한 개발이 시급히 요구된다. 또한 발광 물질의 개발 뿐만 아니라 높은 삼중항 에너지를 가지며 안정성을 갖는 전하전달 물질에 대한 개발과 소자의 구조 개선도 필요하며, 이러한 연구개발이 종합되어야 상용화 가능한 인광소자의 개발이 가능할 것으로 예상된다. 이러한 재료에 대한 개발과 소자 구조 개선을 통하여 OLED가 디스플레이 및 조명의 대명사로서 자리잡을 수 있을 날을 기대해 본다.
또한 발광 물질의 개발 뿐만 아니라 높은 삼중항 에너지를 가지며 안정성을 갖는 전하전달 물질에 대한 개발과 소자의 구조 개선도 필요하며, 이러한 연구개발이 종합되어야 상용화 가능한 인광소자의 개발이 가능할 것으로 예상된다. 이러한 재료에 대한 개발과 소자 구조 개선을 통하여 OLED가 디스플레이 및 조명의 대명사로서 자리잡을 수 있을 날을 기대해 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적인 OLED 소자의 구조는?	OLED 소자는 크게 양극(anode), 정공전달층(hole transport layer), 발광층(emission layer), 전자전달층(electron transport layer) 및 음극(cathode)의 다층 박막구조로 이루어져 있으며 효율적인 전하의 주입을 위하여 정공전달층과 전자 전달층을 2개 또는 3개의 박막층으로 다양화하기도 한다. 발광층의 유기발광 메커니즘은 형광 발광과 인광 발광으로 구분 되며 형광 발광은 최대 25%의 내부 양자 효율을 나타내고 있는 반면 인광 발광은 최대 100% 의 내부 양자 효율을 구현 할 수 있다.
	인광은 이론적으로 형광 대비 몇 배의 효율 달성이 가능한가?	현재 녹색, 적색 및 하늘색 계열의 청색 인광 전기발광소자의 경우 내부양자 효율이 100 %에 가까운 높은 효율이 보고되고 있지만, 진한 청색 인광 전기발광소자의 경우 현재까지 높은 효율이 구현되지 못하고 있는 상황이다. 인광은 이론적으로 형광 대비 4배의 효율 달성이 가능하다. 일반적으로 여기 상태에 서의 일중항 상태와 삼중항 상태의 비율은 1:3으로 형성 되게 되며, 형광재료의 경우 일중항 상태만 발광에 이용 하고, 인광 재료의 경우 일중항 상태와 삼중항 상태를 모두 발광에 이용할 수 있기 때문에 이론적인 발광 효율의 비율은 형광 재료와 인광 재료가 1:4의 비율이 된다.
	인광 소자에 사용되는 전하수송물질은 삼중한 엑시톤의 소광을 막기 위하여 높은 삼중항 에너지를 요구하는 이유는?	형광 소자와는 달리 인광소자는 삼중항 상태에서 발광을 하게 되며, 발광층 주변의 전하수송층의 삼중항 에너지가 낮을 경우 발광층의 삼중항 엑시톤이 전하수송층으로 전달되어 엑시톤이 소멸되는 현상이 나타나게 되므로 효율이 감소하게 된다. 특히 삼중항 엑시톤의 여기상태의 lifetime이 0.1 ~ 100 μs로서 길기 때문에 엑시톤의 확산 거리가 최대 100 nm 로 알려져 있다. 따라서 인광 소자에 사용되는 전하수송물질은 삼중항 엑시톤의 소광을 막기 위하여 형광소자에 사용되는 전하수송물질에 비하여 높은 삼중항 에너지를 요구하며, 전하수송의 역할과 엑시톤 방지의 두가지 역할을 동시에 하게 된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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