[논문]발광층 두께가 삼층 구조 청색 인광 OLED의 효율 특성에 미치는 영향

서유석; 문대규

doi:10.4313/jkem.2010.23.2.143

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We have fabricated simple triple-layer blue-emitting phosphorescent organic light emitting diodes (OLEDs) using different thicknesses of N,N'-dicarbazolyl-3,5-benzene (mCP) host layers doped with bis[(4,6-di-fluorophenyl)-pyridinate-N,$C^{2'}$]picolmate (FIrpic) guest materials. The thick...

We have fabricated simple triple-layer blue-emitting phosphorescent organic light emitting diodes (OLEDs) using different thicknesses of N,N'-dicarbazolyl-3,5-benzene (mCP) host layers doped with bis[(4,6-di-fluorophenyl)-pyridinate-N,$C^{2'}$]picolmate (FIrpic) guest materials. The thicknesses of mCP:FIrpic layers were 5, 10, and 30 nm. Driving voltage, current and power efficiencies were investigated. The current efficiency was higher in the 10 nm thick mCP:FIrpic device, resulting from the better electron-hole balance. The device with 10 nm mCP:FIrpic layer exhibited the maximum current efficiency of 22.5 cd/A and power efficiency of 7.4 lm/W at a luminance of 1000 cd/$m^2$.

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문제 정의

BCP는 HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위가 크기 때문에 정공저지층으로 주로 사용되는 물질이나[9], 전자 수송 능력이 있어 전자수송층으로도 사용된다[10]. 본 논문에서, 삼층 구조의 청색 인광 OLED에 있어서 발광층인 FIrpic 도핑된 mCP 층의 두께를 조절함에 의해 발광층의 두께가 OLED의 효율 특성에 미치는 영향을 조사하였다.
본 논문에서는 청색 인광 OLED의 구조를 단순화하기 위해 정공수송층(Hole Transport Layer, HTL), 발광층(Emission Layer, EML), 전자수송층 (Electron Transport Layer, ETL) 만을 이용하여 OLED를 제작하였다. 이를 위해, 발광층으로는 mCP를 이용하였으며, 정공수송층으로는 삼중항 에너지가 높아 발광층 내에서 생성된 삼중항 여기자를 가둠과 동시에 정공 전달 능력이 우수한 1,1-bis [4-bis(4-methylphenyl)-aminophenyl]cyclo hexane (TAPC)를 사용하였다[8].

제안 방법

였다. OLED의 양극을 형성하기 위해 photo-lithography 공정을 이용하여 ITO 패턴을 형성하였다. ITO 패턴을 isopropyl alcohol을 이용하여 세정한 후 진공증착(vacuum evaporation)을 이용하여 유기물을 증착하였다.
본 연구에서 정공수송층으로 TAPC, 발광층으로 FIrpic 도핑된 mCP, 전자수송층으로 BCP를 이용하여 3층 유기물 구조의 청색 인광 OLED를 제작하고 효율 및 구동 특성을 조사하였다. 소자의 구동전압, 전류효율, 전력효율은 발광층의 두께에 의존하였다.
그림 1에 본 실험에서 사용된 청색 인광 OLED의 소자 구조를 나타내었다. 유기물과 금속을 증착하기 위한 진공도는 약 10^-6 torr였으며, 유기물 층과 금속의 증착속도는 각각 0.1 및 1 nm/s로 유지시켰다. 제작된 OLED는 전류-전압-휘도 측정을 위해 Keithley 2400 소스/미터, 미놀타 CS1000 spectroradiometer 및 포토다이오드를 이용하였다.
정공수송층으로 TAPC를 40 nm 증착하였다. 이 후 청색 인광 소자의 호스트 재료로 mCP를, 게스트 재료로 10 wt%의 FIrpic을 동시에 증착하였다. mCP:FIrpic 층의 두께는 5, 10 및 30 nm로 변화시켰다.

대상 데이터

Indium Tin Oxide (ITO)가 코팅된 유리 기판을 이용하여 청색 인광 OLED를 제작하였다. ITO의 면저항은 약 10 Ω/sq.
그림 2에 발광층인 mCP:FIrpic층의 두께를 달리하여 제작한 청색 인광 OLED의 휘도에 따른 전류 효율을 나타내었다. 소자 구조는 ITO/TAPC (40 nm)/mCP:FIrpic (5, 10 및 30 nm, 10%)/BCP (55 nm)/LiF/Al 이었다. 발광층인 mCP:FIrpic 층의 두께가 5 nm일 경우 소자의 최대 전류효율은 17.
본 논문에서는 청색 인광 OLED의 구조를 단순화하기 위해 정공수송층(Hole Transport Layer, HTL), 발광층(Emission Layer, EML), 전자수송층 (Electron Transport Layer, ETL) 만을 이용하여 OLED를 제작하였다. 이를 위해, 발광층으로는 mCP를 이용하였으며, 정공수송층으로는 삼중항 에너지가 높아 발광층 내에서 생성된 삼중항 여기자를 가둠과 동시에 정공 전달 능력이 우수한 1,1-bis [4-bis(4-methylphenyl)-aminophenyl]cyclo hexane (TAPC)를 사용하였다[8]. 전자수송층으로는 2,9- dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (BCP)를 이용하였다.
이를 위해, 발광층으로는 mCP를 이용하였으며, 정공수송층으로는 삼중항 에너지가 높아 발광층 내에서 생성된 삼중항 여기자를 가둠과 동시에 정공 전달 능력이 우수한 1,1-bis [4-bis(4-methylphenyl)-aminophenyl]cyclo hexane (TAPC)를 사용하였다[8]. 전자수송층으로는 2,9- dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (BCP)를 이용하였다. BCP는 HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위가 크기 때문에 정공저지층으로 주로 사용되는 물질이나[9], 전자 수송 능력이 있어 전자수송층으로도 사용된다[10].
1 및 1 nm/s로 유지시켰다. 제작된 OLED는 전류-전압-휘도 측정을 위해 Keithley 2400 소스/미터, 미놀타 CS1000 spectroradiometer 및 포토다이오드를 이용하였다.

성능/효과

9 eV로 알려져 있고[9], HOMO 및 LUMO 에너지 준위는 두께 변화에 의해 변하지 않으므로, 발광층 두께 변화에 의해 전하 주입에 대한 에너지 장벽은 변하지 않는다. 따라서 최대 전류효율 변화는 전기장 변화로 인한 전자와 정공의 균형 증가에 의한 것으로 판단되며, 발광층의 두께가 10 nm일 때 전자와 정공의 균형에 의한 재결합 효율이 가장 높은 것으로 사료된다.
2 V가 필요하다. 또한 발광층의 두께가 5 nm인 소자는 1 cd/m²의 휘도를 위한 발광개시전압(turn-on voltage)이 4.6 V, 1000cd/m²의 휘도를 얻기 위한 전압이 9.2 V인 반면, 30 nm 두께의 소자는 발광개시전압이 5.6 V, 1000cd/m²의 휘도를 얻기 위한 12 V를 나타내어, 두께가 5 nm인 소자에 비해 구동전압이 약 3 V 높았다. 또한, 발광층의 두께가 10 nm인 소자는 5 nm인 소자에 비해 같은 전류를 얻기 위한 전압은 약간 높지만, 같은 휘도를 얻기 위한 전압은 거의 유사하였으며, 이는 그림 2에서 보는 것처럼 두께가 10 nm인 소자의 전류효율이 높기 때문이다.
반면, 10nm 및 30 nm 일 경우 1000∼2000 cd/m²의 휘도 구간까지는 휘도가 증가함에 따라 전류효율이 증가하다, 그 이상의 휘도 구간에서는 휘도가 증가함에 따라 전류효율이 감소하였다. 소자의 최대 전류 효율은 각각 22.5 및 20.0 cd/A로, 발광층의 두께가 10 nm 일 때 가장 높은 전류효율을 나타내었다. 휘도가 증가함에 따른 전류효율의 증가는 재결합 효율의 증가에 인한 것이며, 휘도가 증가함에 전류효율 감소는 삼중항-삼중항 손실에 기인한 것이다[11].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	OLED는 무엇인가?	OLED (Organic Light Emitting Diode)는 양극과 음극으로부터 주입된 정공과 전자가 유기박막에서 재결합됨에 의해 빛을 발광하는 소자로, 응답 특성이 좋고, 시야각 특성이 우수하며, 박형으로 제조가 가능하여 디스플레이에 사용되고 있으며, 조명 등에 응용될 것으로 기대되고 있다[1,2]. 특히, 인광(phosphorescence) OLED는 재결합에 의해 생성된 단일항(singlet) 여기자와 삼중항(triplet) 여기자가 모두 발광에 기여하여, 높은 양자효율 (quantum efficiency)을 얻을 수 있기 때문에 각광받고 있다[3].
	인광(phosphorescence) OLED는 어떤 특징 때문에 각광받고 있는가?	OLED (Organic Light Emitting Diode)는 양극과 음극으로부터 주입된 정공과 전자가 유기박막에서 재결합됨에 의해 빛을 발광하는 소자로, 응답 특성이 좋고, 시야각 특성이 우수하며, 박형으로 제조가 가능하여 디스플레이에 사용되고 있으며, 조명 등에 응용될 것으로 기대되고 있다[1,2]. 특히, 인광(phosphorescence) OLED는 재결합에 의해 생성된 단일항(singlet) 여기자와 삼중항(triplet) 여기자가 모두 발광에 기여하여, 높은 양자효율 (quantum efficiency)을 얻을 수 있기 때문에 각광받고 있다[3].
	청색 인광 OLED의 발광층은 무엇을 이용하였는가?	본 논문에서는 청색 인광 OLED의 구조를 단순화하기 위해 정공수송층(Hole Transport Layer, HTL), 발광층(Emission Layer, EML), 전자수송층 (Electron Transport Layer, ETL) 만을 이용하여 OLED를 제작하였다. 이를 위해, 발광층으로는 mCP를 이용하였으며, 정공수송층으로는 삼중항 에너지가 높아 발광층 내에서 생성된 삼중항 여기자를 가둠과 동시에 정공 전달 능력이 우수한 1,1-bis [4-bis(4-methylphenyl)-aminophenyl]cyclo hexane (TAPC)를 사용하였다[8]. 전자수송층으로는 2,9- dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (BCP)를 이용하였다.

참고문헌 (12)

C. W. Tang and S. A. VanSlyke, "Organic electroluminescent diodes", Appl. Phys. Lett., Vol. 51, No. 12, p. 913, 1987.

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정동희, 김상걸, 홍진웅, 이준웅, 김태완, “버퍼층과 음전극에 따른 유기 발광 소자의 전기적 특성과 발광 효율”, 전기전자재료학회논문지, 16권, 5호, p. 409, 2003.

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M. A. Baldo, D. F. O'Brien, Y. You, A. Shoustikov, S. Sibley, M. E. Thompson, and S. R. Forrest, "Highly efficient phosphorescent emission from organic electroluminescence", Nature, Vol. 395, p. 151, 1998.

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C. Adachi, R. C. Kwong, P. Djurovich, V. Adamovich, M. A. Baldo, M. E. Thompson, and S. R. Forrest, "Endothermic energy transfer: A mechanism for generating very efficient high-energy phosphorescent emission in organic crystals", Appl. Phys. Lett., Vol. 79, No. 13, p. 2082, 2001.

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R. J. Holmes, S. R. Forrest, Y. J. Tung, R. C. Kwong, J. J. Brown, S. Garon, and M. E. Thompson, "Blue electrophosphorescence using exothermic host-guest energy transfer", Appl. Phys. Lett., Vol. 82, No. 15, p. 2422, 2003.

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D. R. Whang, Y. You, S. H. Kim, W. I. Jeong, Y. S. Park, J. J. Kim, and S. Y. Park, “A highly efficient wide-band-gap-host material for blue electrophosphorescent lightemitting devices", Appl. Phys. Lett., Vol. 91, p. 233501, 2007.

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H. Kanno, R. J. Holmes, Y. Sun, S. K. Cohen, and S. R. Forrest, "White stacked electrophosphorescent organic light-emitting devices employing MoO3 as a chargegeneration layer", Adv. Mater., Vol. 18, p. 339, 2006.

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J. Lee, N. Chopra, S. H. Eom, Y. Zheng, J. Xue, F. So, and J. Shi, "Effects of triplet energies and transporting properties of carrier transporting materials on blue phosphorescent organic light emitting devices", Appl. Phys. Lett., Vol. 93, p. 123306, 2008.

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I. G. Hill and A. Kahn, "Organic semiconductor heterointerfaces containing bathocuprine", J. Appl. Phys., Vol. 86, No. 8, p. 4515, 1999.

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Y. Li, K. Fung, Z. Xie, S. T. Lee, L. S. Hung, and J. Shi, "An efficient pure blue organic light-emitting device with low driving voltages", Adv. Mater., Vol. 14, No. 18, p. 1317, 2002.

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M. A. Baldo, C. Adachi, and S. R. Forrest, "Transient analysis of organic electrophosphorescence II. transient analysis of triplet-triplet annihilation", Phys. Rev. B, Vol. 62, No. 16, p. 10967, 2000.

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