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문제 정의
- 본 논문에서는 정공수송층의 최적화에 의하여 발광층에서의 적절한 엑시톤 배분과 에너지 전이를 조절하여 청색과 적색의 균형있는 발광을 나타내는 소자 구조의 연구를 통하여 2파장형 백색 인광 OLED 소자의 발광효율을 개선하고자 하였다. 연구를 위하여 정공수송층의 물질과 구조를 변경하여 2파장형 백색 인광 OLED 소자를 제작하였고, 제작된 소자는 전압-전류-발광휘도 및 색좌표와 발광스펙트럼을 측정하여 발광효율 및 색순도의 전기·광학적 특성을 분석하였다.
제안 방법
- 2 Å/s와 2 Å/s의 속도로 증착하였다. 박막 증착 시 박막의 두께와 증착 속도 는 두께 측정 장치(ULVAC, CRTM-9000, Japan)를 사용하여 제어하였다. 제작된 소자의 발광 특성을 측정하기 위해 소스미터(Keithley Instruments, Keithley 2400, USA)를 사용하여 전압과 전류를 인가하고, Spectrascan(Photo Research, PR-650, Chatsworth, California, USA)을 사용하여 발광휘도, 발광스펙트럼 및 색좌표를 측정하였다.
- 양극 전극으로는 150 ㎜ × 150 ㎜의 유리 기판에 증착된 indium tin oxide (ITO)를 아세톤, 이소프로필알콜 및 초순수물로 초음파 세정하고, 사진식각공정을 통하여 ITO의 패턴과 발광 화소를 형성한 후 산소분위기에서 자외선(UV: ultraviolet)과 플라즈마로 표면 처리를 하였다.
- 연구를 위하여 정공수송층의 물질과 구조를 변경하여 2파장형 백색 인광 OLED 소자를 제작하였고, 제작된 소자는 전압-전류-발광휘도 및 색좌표와 발광스펙트럼을 측정하여 발광효율 및 색순도의 전기·광학적 특성을 분석하였다.
- 유기물 증착을 위하여 물질에 따라 분리된 진공장치를 사용하여 연속 공정으로 증착하였고, 유기물 및 금속 증착 시 진공 장치의 진공도는 1.0 × 10-6 torr 이하의 진공상태로 유지하며 증착 공정을 진행하였다.
- 정공수송층에 따른 백색 인광 OLED 소자의 발광 특성을 분석하기 위하여 NPB/TCTA, NPB/mCP와 NPB/TCTA/mCP 구조의 정공수송층과 mCP:Firpic(7 vol.%)의 청색 발광층 및 CBP:Ir(pq)2acac(1 vol.%) 적색 발광층 및 BPhen의 전자수송층을 가지는 OLED 소자를 제작하여 전압-전류-발광휘도 및 발광 스펙트럼을 측정하였다.
- 정공수송층으로는 NPB(N,N′-bis-(1-naphyl)-N,N′-diphenyl-1,1′-biphenyl-4,4′-diamine), TCTA(4,4′,4″-tris-(N-carbazolyl)-triphenlyamine)와 mCP(1,3-bis (9-carbazolyl)benzene)를 적층하여 사용하였다.
- 박막 증착 시 박막의 두께와 증착 속도 는 두께 측정 장치(ULVAC, CRTM-9000, Japan)를 사용하여 제어하였다. 제작된 소자의 발광 특성을 측정하기 위해 소스미터(Keithley Instruments, Keithley 2400, USA)를 사용하여 전압과 전류를 인가하고, Spectrascan(Photo Research, PR-650, Chatsworth, California, USA)을 사용하여 발광휘도, 발광스펙트럼 및 색좌표를 측정하였다. 전류효율과 전력효율 및 외부양자효율은 측정된 전압-전류-발광휘도로부터 계산을 통하여 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- %의 Firpic(iridium(III)bis[4,6-di-fluorophenyl)-pyridinato-]picolinate)을 사용하였고, 적색발광의 경우 모체로는 CBP(4,4′-N,N-dicarbazol-biphenyl)를, 활성제로는 단색 발광의 소자구조에서 최적의 특성을 나타내는 1 vol.%의 Ir(pq)2acac(iridium(III) bis(1-phenylquinoline) acetylace-tonate)를 첨가하여 사용하였다. 전자수송층으로는 BPhen(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)을 사용하였고, 완충층과 음극전극으로는 각각 LiF와 Al을 사용하였다.
- %의 Firpic을 첨가한 mCP와 적색발광을 나타내는 1 vol.%의 Ir(pq)2acac를 첨가한 CBP를 적층하여 백색 인광 OLED 소자를 제작하였다.
- 다층구조의 정공수송층을 가지는 백색 발광 OLED 소자를 그림 1의 구조로 제작하였다. 양극 전극으로는 150 ㎜ × 150 ㎜의 유리 기판에 증착된 indium tin oxide (ITO)를 아세톤, 이소프로필알콜 및 초순수물로 초음파 세정하고, 사진식각공정을 통하여 ITO의 패턴과 발광 화소를 형성한 후 산소분위기에서 자외선(UV: ultraviolet)과 플라즈마로 표면 처리를 하였다.
- %의 Ir(pq)2acac(iridium(III) bis(1-phenylquinoline) acetylace-tonate)를 첨가하여 사용하였다. 전자수송층으로는 BPhen(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)을 사용하였고, 완충층과 음극전극으로는 각각 LiF와 Al을 사용하였다. 소자 제작에 사용한 모든 유기물의 증착속도는 1.
성능/효과
- % 첨가하여 제작한 소자에서 1 vol.%가 최적의 적색 인광 OLED 특성을 나타내었다. 따라서 청색발광을 나타내는 7 vol.
- 인가전압이 증가함에 따라 그림 2의 전류증가와 유사하게 발광휘도도 증가하는 경향을 보이고 있다. 6 V에서의 발광휘도를 비교하여 보면 정공수송층으로 NPB/mCP를 사용한 경우 38.4 cd/㎡, NPB/TCTA/mCP를 사용한 경우 685.6 cd/㎡이고, NPB/TCTA를 사용한 경우 1,142 cd/㎡로 NPB/TCTA 구조의 정공수송층을 적용한 경우에 가장 높은 발광휘도를 나타내었고, NPB/mCP 구조의 정공수송층을 사용한 경우 가장 낮은 발광휘도를 나타내고 있음을 알 수 있었다.
- 6 V에서의 전류밀도를 비교하여 보면 정공수송층으로 NPB/mCP를 사용한 경우 0.14 ㎃/㎠, NPB/TCTA/mCP를 사용한 경우 2.80 ㎃/㎠이고, NPB/TCTA를 사용한 경우 5.21 ㎃/㎠로 NPB/TCTA 구조의 정공수송층을 적용한 경우 가장 많은 전류가 흐르고 있고, NPB/mCP 구조의 정공수송층 구조를 사용한 경우 가장 적은 전류가 흐르고 있음을 알 수 있었다.
- 전력효율의 경우는 NPB/TCTA 구조와 NPB/TCTA/mCP의 구조가 거의 유사하게 높은 효율을 나타내었고, 외부양자효율의 경우는 NPB/mCP와 NPB/TCTA/mCP의 구조가 거의 유사하게 높은 효율을 나타내었다. 따라서 정공수송층으로 NPB/TCTA/mCP의 구조를 적용한 백색 인광 OLED가 전력효율 및 외부양자효율에서 높은 효율을 얻을 수 있었다.
- 6 lm/W와 15%을 나타내었다. 전력효율의 경우는 NPB/TCTA 구조와 NPB/TCTA/mCP의 구조가 거의 유사하게 높은 효율을 나타내었고, 외부양자효율의 경우는 NPB/mCP와 NPB/TCTA/mCP의 구조가 거의 유사하게 높은 효율을 나타내었다. 따라서 정공수송층으로 NPB/TCTA/mCP의 구조를 적용한 백색 인광 OLED가 전력효율 및 외부양자효율에서 높은 효율을 얻을 수 있었다.
- 그림에서 전류밀도가 증가함에 따라 전력효율과 외부양자효율은 감소하고 있는 것을 볼 수 있다. 전류밀도가 1 ㎃/㎠일 때의 전력효율과 외부양자효율을 비교하여 보면 정공수송층으로 NPB/mCP를 사용한 경우 11.5 lm/W와 15%, NPB/TCTA를 사용한 경우 14.8 lm/W와 13.7%이고, NPB/TCTA/mCP를 사용한 경우 14.6 lm/W와 15%을 나타내었다. 전력효율의 경우는 NPB/TCTA 구조와 NPB/TCTA/mCP의 구조가 거의 유사하게 높은 효율을 나타내었고, 외부양자효율의 경우는 NPB/mCP와 NPB/TCTA/mCP의 구조가 거의 유사하게 높은 효율을 나타내었다.
- 5 eV로 에너지 준위의 차이가 증가하게 되어 ITO에서 주입된 정공이 발광층으로 수송되기 어려워 높은 인가전압을 필요로 하나 발광층에서의 정공과 전자는 균형을 맞추어지게 되어 높은 발광효율을 나타내는 것으로 판단된다. 정공수송층으로 NPB/TCTA/mCP를 사용한 경우에는 HOMO 준위의 에너지 차이가 ITO와 NPB의 경우 0.3 eV, NPB와 TCTA의 경우 0.3 eV 및 TCTA와 mCP의 경우 0.2 eV로 에너지 차이가 0.3 eV 이하로 낮은 인가전압에서 정공의 주입이 가능하여 높은 발광휘도를 나타낼 수 있고, 정공 수송층에서의 정공수송이 지연되어 발광층에서 정공과 전자의 균형이 이루어져 높은 양자 효율을 얻을 수 있는 것으로 판단된다.
- 정공수송층으로 NPB/mCP, NPB/TCTA와 NPB/TCTA/mCP를 사용하여 제작한 백색 인광 OLED 소자의 1 ㎃/㎠의 전류밀도가 흐르는 인가전압, 전력효율 및 외부양자효율은 각각 7.5 V, 11.5 lm/W와 15%, 5 V, 14.8 lm/W와 13.7%이고, 5.5 V, 14.6 lm/W와 15%로 NPB/TCTA/mCP의 구조를 가지는 정공수송층의 구조에서 가장 우수한 특성을 나타내었다.
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