정공 주입 효율 향상을 통한 유기물 발광소자의

성능 개선에 관한 연구

고 대진, 이 성수, 양 호식, 조 성민

성균관대학교 공과대학 화학공학과

Improvement of OLED performance by enhancing efficiency

for hole injection

Daejin Ko, Sungsoo Lee, Hosik Yang, and Sung M. Cho

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University,

Suwon 440-746, Korea

서론

21세기 정보통신 사회에서 디스플레이 산업은 반도체 산업과 더불어 매우 큰 비중을 차지하게 될 것으로 전망된다. 정보디스플레이 소자는 CRT(cathode ray tube), LCD(liquid crystal display), PDP(plasma display panel), FED(field emission display), VFD(vacuum fluorescent display) 등을 들 수 있는데, 최근에는 OLED(organic light emitting diode)로 불리우는 유기물 발광소자가 차세대 디스플레이를 위한 하나의 방안으로서 새로이 각광을 받기 시작하고 있다.  OLED는 평판형 디스플레이로서 가장 활용이 많이 되고 있는 LCD에 비해 응답속도가 빠르며 자체 발광성을 지니기 때문에 휘도가 크고 가벼우면서도 얇은 디스플레이로서의 응용이 가능하다는 큰 장점이 있기 때문에 국내외적으로 활발한 연구가 진행되고 있다.

저분자량 유기물을 활용하는 OLED의 경우에 녹색 발광(약 550nm)을 위한 대표적인 발광물질은 Alq3(8-hydroxyquinoline-aluminum)로서[1] 이 물질은 여러 가지의 유기물 색소를 도핑하여 다른 파장 영역의 발광물질로서도 활용되고 있다[2-6].  Alq3는 발광물질이면서도 또한 동시에 전자 수송층으로 활용되며 이와 함께 주로 활용되는 정공 수송층으로는 diamine 계의 TPD(N, N'-diphenyl-N, N'- bis (3-methylphenyl)-1, 1'- biphenyl - 4, 4'- diamine)를 들 수 있다.  OLED는 정공 주입 전극으로서 투명전극인 ITO(Indium-Tin-Oxide)를 사용하고 그 위에 유기물 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층을 차례로 적층한 후 전자 주입 전극인 금속전극을 진공증착하여 제작한다. 이때 정공 주입 전극인 ITO와 유기물 사이의 정공 주입효율을 높이기 위해 CuPc (copper-phthalocyanine)[7]이나 PANI (poly- aniline)[8,9], 혹은 PEDOT (poly(3,4-ethylene dioxythiophene) ) [9,10], m-MTDATA(4,4',4''-Tris(N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino)-tri phenylamine) 등의 박막을 사용하기도 한다. 또한 금속전극으로서는 Mg:Ag나 Ca, 혹은 Al : Li 등의 일함수가 비교적 작은 금속이 주로 활용된다.

본 연구에서는 유기 EL 소자에서 정공 이동층과 ITO 양극사이의 다양한 buffer layer들의 효과, 각 유기물 층의 두께에 따른 전류-전압 특성 및 ITO 종류에 따른 표면 상태에 관한 연구를 수행하였다. 세척된 ITO 표면은 매우 거칠기 때문에 표면상에 TPD와 같은 유기물이 매우 얇은 박막의 형태로 진공 증착이 되는 경우 피복성이 좋지 않기 때문에 전도성 고분자인 PANI나 PEDOT와 같은 박막을 스핀 코팅하거나 m-MTDATA 혹은 CuPc를 진공 증착하게 되면 ITO 표면의 피복성이 향상되기 때문에 정공 주입효율을 높일 수 있을 것으로 기대된다. 연구에 사용된 EL 소자의 구조는 다층구조로서 Al:Li/Alq3/TPD/buffer layer/ITO 이며, 각 유기물 층의 최적 두께를 제시하였다.

실험

본 연구에 사용된 ITO glass는 면저항이 20□/sq. 이며 필요한 형상을 구현하기 위해 염산증기를 이용하여 습식식각을 수행한 후 탈이온수와 아세톤, 그리고 메탄올을 사용하여 초음파 세척을 하였다. 정공 이동층 물질로는 TPD를 사용하였고 전자이동층 및 발광층 물질로는 Alq3를 채택하였으며, 금속 전극으로는 Al:Li 합금을 사용하였다. 이는 모두 진공 증착법에 의해 2×10-6 torr에서 다양한 두께로 증착하였다. buffer layer 물질로 사용된 PEDOT은 spin coating과 drying 과정을 통하여 박막을 형성 시켰으며, m-MTDATA 및 CuPc는 진공 증착법으로 2×10-6 torr에서 증착되었다. 또한 ITO종류에 따른 EL 소자의 특성에 관한 연구를 위해 서로 다른 업체의 ITO(1)과 ITO(2)를 사용하여 특성을 비교하였다.

제작된 소자의 EL 특성은  전류-전압 곡선과 휘도 측정에 의해 분석되었다.

결과 및 고찰

Fig. 1 과 Fig. 2 에는 기본적인 EL소자 제작을 위해 다양한 두께의  정공 이동층과 발광층을 증착하였을 경우에 대한 전류-전압 곡선이다. 그림에서 보여지듯 TPD와 Alq3모두 45nm일 때 가장 좋은 특성을 보였다. Fig. 2 에서 Alq3의 두께가 45nm이하에서 더 좋은 I-V특성을 보이는 것으로 생각되나 사실 이 두께에서는 소자의 발광보다는 터널링에 의한 누설전류가 지배적이라고 할 수 있다.

Fig. 3은 PEDOT이 buffer layer로 사용되었을 경우의 전류-전압 곡선이다. ITO의 일함수는 4.7eV이고 TPD의 일함수는 5.3eV이기에 0.6eV차이의 계면 장벽에 의해 소자의 구동전압 및 휘도 특성이 낮아지게 된다. 이를 보완하기 위해 mid-gap state를 형성하는 PEDOT이 buffer layer로 사용되었을 경우 전류-전압 성능이 괄목할만하게 향상됨을 보이고 있다. PEDOT의 최적 조건인 45nm 에서의 효율 특성을 Fig. 4 에 나타내었으며 4V에서 395cd의 휘도와 1.54 lm/W 의 효율을 보였다. PEDOT 대신에  m-MTDATA를 사용한 경우를 Fig. 5 에 나타내었다. m-MTDATA의 삽입 역시 소자특성의 향상을 보였으며, 이는 m-MTDATA가 계면의 에너지 장벽을 낮추어 주었거나 혹은 계면의 거칠기를 감소시켰기 때문이라고 판단된다.

Fig. 6 에는 서로 다른 종류의 ITO를 사용하여 소자를 제작하였을 경우의 휘도 특성을 나타내었다. 이는 ITO glass의 제작 과정에 따라 표면 에너지의 차이에 의해 일함수가 다를 수 있음을 나타내는데 ITO(2)가 더 좋은 성능을 보임을 알 수 있다. 이러한 결과는  ITO표면의 차이 혹은 일함수의 차이에 기인된다고 생각되며 AFM 분석과 XPS 분석을 통해 어느 영향에 기인하는지가 조사되었다.

참고문헌

1. C.W. Tang and S.A. VanSlyke, Appl. Phys. Lett., 51, 913 (1987)

2. C.Adachi, S.Tokito, T.Tsutsui and S.Saito, Jan. J. Appl. Phys., 27,     L713 (1988)

3. C.Adachi, T.Tsutsui and S.Saito, Appl. Phys. Lett., 55, 1489 (1989)

4. C.W. Tang and S.A. VanSlyke, Appl. Phys. Lett., 65, 3610 (1989)

5. C.Adachi, T.Tsutsui and S.Saito, Appl. Phys. Lett., 56, 799 (1990)

6. C.Adachi, T.Tsutsui and S.Saito, Appl. Phys. Lett., 57, 531 (1990)

7. S.A.Van Slyke, C.H.Chen, and C.W.Tang, Appl. Phys. Lett., 69, 2160    (1996)

8. A.J.Heeger, I.D.Parker, and Y.Yang, Synth. Met., 67, 23 (1994)

9. S.A.Carter, M.Angelopoulos, S.Karg, P.J.Brock, and J.C.Scott, Appl. Phys.       Lett., 70, 2067 (1997)

10. J.S.Kim, M.Granstrom, R.H.Friend, N.Johansson, W.R.Salaneck, Daik,          W.J.Feast, and F.Cacialli, J. Appl. Phys., 84, 6859 (1998)

Fig. 1. I-V characteristics for different thicknesses of TPD layer

Fig. 2. I-V characteristics for different thicknesses of Alq3

Fig. 4 Luminescence and power

efficiency for an OLED with

PEDOT buffer layer

Fig. 3 I-V characteristics for         different thicknesses of PEDOT buffer layer

Fig. 5 I-V characteristics for different thicknesses of m-MTDATA layer

Fig. 6 Difference in luminance in case of using different ITO substrates