녹색 인광 유기발광다이오드에서 전하 조절층의 두께 변화가 성능에 미치는 효과에 대한 연구 Effect of Changing the Thickness of Charge Control Layer on Performance of Green Phosphorescent Organic Light-Emitting Diodes원문보기
본 연구에서는 전하 조절층을 이용하여 녹색 인광유기발광다이오드의 효율의 향상을 나타냈다. 양극성의 4,4,N,N'-dicarbazolebiphenyl (CBP)를 호스트와 전하 조절층으로 사용하여 발광층 내에서 전하의 이동을 원활하게 할 수 있다. 게다가 전하 조절층의 삽입으로 엑시톤을 효과적으로 발광층 내에 제한하여, 삼중항-삼중항 소멸 현상을 억제할 수 있음을 확인하였다. 발광층의 전체 두께는 유지하고, 전하 조절층의 변화를 준 다섯 개의 소자를 제작하여 최적화된 전하 조절층의 두께를 이용한 Device D는 외부 양자 효율 16.22%와 휘도 효율 55.76 cd/A의 성능을 보였다.
본 연구에서는 전하 조절층을 이용하여 녹색 인광 유기발광다이오드의 효율의 향상을 나타냈다. 양극성의 4,4,N,N'-dicarbazolebiphenyl (CBP)를 호스트와 전하 조절층으로 사용하여 발광층 내에서 전하의 이동을 원활하게 할 수 있다. 게다가 전하 조절층의 삽입으로 엑시톤을 효과적으로 발광층 내에 제한하여, 삼중항-삼중항 소멸 현상을 억제할 수 있음을 확인하였다. 발광층의 전체 두께는 유지하고, 전하 조절층의 변화를 준 다섯 개의 소자를 제작하여 최적화된 전하 조절층의 두께를 이용한 Device D는 외부 양자 효율 16.22%와 휘도 효율 55.76 cd/A의 성능을 보였다.
We investigated green phosphorescent organic light-emitting diodes (PHOLEDs) with charge control layer (CCL) to produce high efficiency. The CCL and host material which was 4,4,N,N'-dicarbazolebiphenyl (CBP) of bipolar property can control the carrier movement in emitting layer (EML). The performanc...
We investigated green phosphorescent organic light-emitting diodes (PHOLEDs) with charge control layer (CCL) to produce high efficiency. The CCL and host material which was 4,4,N,N'-dicarbazolebiphenyl (CBP) of bipolar property can control the carrier movement in emitting layer (EML). The performance improvement by the insertion of CCL was realized to the well confined exciton and the reduced triplet exciton quenching effect in EML. Five types of devices (Device A, B, C, D, and E) were fabricated following the thickness of CCL within EML. The properties of device D using optimized thickness of CCL showed external quantum efficiency of 16.22% and luminous efficiency of 55.76 cd/A, respectively.
We investigated green phosphorescent organic light-emitting diodes (PHOLEDs) with charge control layer (CCL) to produce high efficiency. The CCL and host material which was 4,4,N,N'-dicarbazolebiphenyl (CBP) of bipolar property can control the carrier movement in emitting layer (EML). The performance improvement by the insertion of CCL was realized to the well confined exciton and the reduced triplet exciton quenching effect in EML. Five types of devices (Device A, B, C, D, and E) were fabricated following the thickness of CCL within EML. The properties of device D using optimized thickness of CCL showed external quantum efficiency of 16.22% and luminous efficiency of 55.76 cd/A, respectively.
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문제 정의
본 논문에서는 발광층 내에 양극성의 전하 조절층을 호스트와 동일한 물질인 4,4,N,N'-dicarbazolebiphenyl (CBP)를 삽입하여 발광층 내에서 전자와 정공을 효과적으로 분배하였고, 삼중항 엑시톤을 효과적으로 발광영역 내에 제한시키기 위한 연구를 진행하여 전하 조절층의 두께의 변화가 소자의 성능에 미치는 영향을 확인하였다 [13].
가설 설정
Indium-tin-oxide (ITO)가 코팅된 유리 기판에서 ITO의 두께는 180 nm, 표면저항은 10 Ω/sq 이다. 기판의 표면 상태는 증착된 박막의 특성에 커다란 영향을 미친다. 기판의 표면에 존재하는 불순물과 미립물질은 증착된 유기물의 변형, ITO와 유기물간의 계면 특성 저하, 전압 인가 시 불순물이 타버리거나 ITO와의 접촉 불량등에 의하여 부분적 또는 전체적으로 발광이 일어나지 않는 현상이나 소자수명의 단축에 영향을 끼친다.
제안 방법
본 논문에서는 양극성의 CBP 전하 조절층을 발광층 내에 삽입하여 녹색 인광 유기발광다이오드를 제작하였다. 전하 조절층의 두께 변화를 통해 최적화된 두께가 5 nm임을 결정하였고, 전하 조절층에 의한 녹색 인광 유기발광다이오드의 성능 향상은 다음과 같이 설명 할 수 있다.
각 소자의 정공 수송층, 삼중항 엑시톤 장벽층, 정공 장벽층, 전자 수송층, 그리고 전자 주입층으로 4,4'-bis[N-(naphthyl)-N-phenylamino]biphenyl (NPB, 50 nm), TCTA (10 nm), TPBi (10 nm), 4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (Bphen, 30 nm), 그리고 Liq (2 nm)를 각각 증착하였다. 삼중항 엑시톤 장벽층과 정공 장벽층 사이에 위치한 발광층은 녹색 인광 도판트인 Ir(ppy)3를 호스트인 CBP에 8%의 농도로 도핑하여 30 nm 의 두께를 기준으로 제작하였으며, 발광층을 15 nm 씩 분할하여 각 발광층 사이에 양극성을 가지고 있는 CBP를 x nm의 두께로 변화를 준 전하 조절층을 삽입하여 그들의 전계발광 특성 변화를 관찰하였다.
대상 데이터
1 Å/sec, aluminum (Al)은 10 Å/sec 의 속도로 증착하였고 박막의 두께는 quartz thickness monitor를 이용하여 조절하였으며, 이를 이용해 도핑농도 또한 조절하였다. 증착 과정에 사용된 유기 재료와 Liq는 (주)EM index사에서 구입하여 실험을 진행하였고, 음극으로 사용된 Al은 씨그마알드리치를 통해 구입하였다. 소자 제작이 끝난 후, 소자와 수분과의 접촉을 막기 위하여 N2 gas로 채워져 있는 글로브 박스 안에서 흡습제인 barium-oxide를 넣고, 투명한 유리 기판으로 봉지과정을 하였다.
데이터처리
소자 제작이 끝난 후, 소자와 수분과의 접촉을 막기 위하여 N2 gas로 채워져 있는 글로브 박스 안에서 흡습제인 barium-oxide를 넣고, 투명한 유리 기판으로 봉지과정을 하였다. 유기발광다이오드의 전기적인 특성 및 전계 발광을 측정하기 위해 Keithley 238 high current source measure unit을 이용하였고, Minolta CS-1000A chroma meter를 이용해 전계발광 특성을 평가하였다.
이론/모형
ITO 표면의 평탄성 문제와 ITO와 정공수송층간의 접촉 계면에 적절한 일함수를 갖도록 하기 위하여 유기물 열 증착 과정 전에 2 × 10-2 Torr에서 125 W 로 2 분간 산소플라즈마 처리를 하였다. 본 실험에서 모든 유기박막은 5 × 10-7 Torr의 진공도에서 진공 열 증착법에 의하여 제작되었으며, DOV사의 진공 증착 장비를 이용하여 소자를 제작하였다. 유기물질은 1.
성능/효과
전하 조절층의 두께 변화를 통해 최적화된 두께가 5 nm임을 결정하였고, 전하 조절층에 의한 녹색 인광 유기발광다이오드의 성능 향상은 다음과 같이 설명 할 수 있다. 1) 양극성의 호스트 물질인 CBP를 전하 조절층으로 사용함으로써 전자와 전공의 이동을 원활하게 하여 전하 축적의 억제를 통해 넓은 재결합 영역을 형성하였고, 2) 도판트에 비해 높은 삼중항 에너지 준위로 인해 엑시톤을 효과적으로 발광영역에 제한시킴으로써, 삼중항-삼중항 소멸현상의 영향을 감소 시켰다. 이러한 전하 조절층을 적용하여 고효율의 인광 유기발광다이오드를 제작할 수 있다.
전하 조절층의 삽입으로 계면의 수 및 총 두께의 증가로 녹색 인광 유기발광다이오드에서 전류 밀도 및 휘도의 감소를 통해 효율의 저하가 예상되었지만, 발광층 내에서 국부적으로 축적될 수 있는 전자와 정공의 이동을 용이하게 하여 엑시톤을 효율적으로 분배하였고, 도판트 물질보다 높은 삼중항 에너지 준위를 갖는 호스트 및 전하 조절층으로 인하여 생성된 엑시톤을 효과적으로 발광영역 내에 제한하여서 삼중항-삼중항 소멸 현상을 효과적으로 억제하였고, 그로 인하여 소자의 성능이 향상되었음을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유기발광다이오드의 장점은?
A. Van Slyke가 두 개의 유기물 층으로 유기발광다이오드를 제작한 이후로 유기발광다이오드의 해상도, 휘도, 응답속도 등이 우수하고 넓은 시야각과 자발광으로 인한 초박막의 디스플레이와 flexible 디스플레이로의 제작에 적합한 유기발광다이오드가 차세대 디스플레이로서 활발히 연구가 진행되어 왔다 [1-5]. 그 중에서도 미국 Princeton 대학의 S.
삼중항-삼중항 소멸 현상의 억제를 위해 어떤 연구가 필요한가?
그러나 인광 엑시톤의 긴 여기 수명으로 인해 고전류에서의 현저한 효율 저하가 관측되었고, 이는 삼중삼-삼중항 소멸에 의한 현상으로 설명할 수 있다 [8]. 삼중항-삼중항 소멸 현상의 억제를 위해 호스트, 도판트 재료의 최적화 및 재결합 영역의 확장을 통한 소자구조의 최적화를 위한 연구가 필요하게 되면서, 인광 유기발광다이오드에서 고효율의 발광을 얻기 위해 전자와 정공의 균형을 맞추기 위한 양극성의 호스트 재료 선택과 더불어 삼중항 엑시톤을 발광층 내에 제한하여 재결합 영역을 넓히기 위한 연구들이 활발하게 진행되고 있다 [9-12].
유기발광다이오드의 문제점은?
Forrest 연구그룹이 원자번호가 큰 중금속을 이용하여 전자와 정공의 재결합에 의한 엑시톤을 100%까지 활용한 인광 유기발광다이오드의 제작에 대한 연구가 보고되면서, 유기발광다이오드의 효율이 급격히 향상하게 되었다 [6, 7]. 그러나 인광 엑시톤의 긴 여기 수명으로 인해 고전류에서의 현저한 효율 저하가 관측되었고, 이는 삼중삼-삼중항 소멸에 의한 현상으로 설명할 수 있다 [8]. 삼중항-삼중항 소멸 현상의 억제를 위해 호스트, 도판트 재료의 최적화 및 재결합 영역의 확장을 통한 소자구조의 최적화를 위한 연구가 필요하게 되면서, 인광 유기발광다이오드에서 고효율의 발광을 얻기 위해 전자와 정공의 균형을 맞추기 위한 양극성의 호스트 재료 선택과 더불어 삼중항 엑시톤을 발광층 내에 제한하여 재결합 영역을 넓히기 위한 연구들이 활발하게 진행되고 있다 [9-12].
참고문헌 (18)
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S. R. Forrest, P. E. Burrows, Z. Shen, G. Gu, V. Bulovic, and M. E. Thompson, The stacked OLED (SOLED) : a new type of organic device for achieving high-resolution full-color displays, Synth. Met., 91, 9 (1997).
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J. R. Koo, S. J. Lee, G. W. Hyung, D. H. Im, H. S. Yu, J. H. Park, K. H. Lee, S. S. Yoon, W. Y. Kim, and Y. K. Kim, Enhanced life time and suppressed efficiency roll-off in phosphorescent organic light-emitting diodes with multiple quantum well structures, AIP Advances, 2, 012117 (2012).
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Z. B. Wang, M. G. Helander, Z. W. Liu, M. T. Greiner, J. Qiu, and Z. H. Lu, Controlling carrier accumulation and exciton formation in organic light emitting diodes, Appl. Phys. Lett., 96, 043303 (2010).
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