ITO 표면의 O2 플라즈마 처리를 이용한 OLED의 성능 향상에 관한 연구

김형식, 이준호, 이태진, 김정문, 박진호

영남대학교 응용화학공학부

Studies on efficiency improvement of OLEDs using O2 plasma treatment on indium-tin-oxide

Hyoungsik Kim, Junho Lee, Taejin Lee, Jeongmoom Kim,

Chinho Park

School of Chemical Engineering and Technology, Yeungnam University

서 론

현재 사용되고 있는 정보디스플레이장치에는 CRT 및 FPD를 비롯해 여러 가지 있다. 그 중에서도 LCD, PDP, FED, LED 등의 FPD가 최근 각광을 받고 있고, 앞으로 많이 보급 될 것으로 예상되고 있다. 평판디스플레이는 각각의 장점에 맞는 시장을 향해서 진출할 것이다. 그 중 가장 광범위하며, 다양한 장점을 가지고 있는 OLED(organic-light-emitting-diodes)가 급부상 할 것으로 예상된다. 최근 많이 사용되고 있는 LCD에 비해서 OLED는 소비전력이 낮고, 반응속도가 빠르며 자체 발광소자로 광시야각이 훨씬 넓으며, 종이와 같이 flexible한 기판에도 적용 할 수 있다.

일반적으로 사용될 수 있는 투명전극들은 많이 존재하며 다음과 같다. 주석산화물, 인듐산화물, 아연산화물 그리고 이러한 것들의 화합물들이다. 그 중에서도 ITO는 전기적 특성 및 에칭특성이 우수하고 광투과도가 우수하다는 장점으로 지금까지 개발된 재료 중에서 가장 많이 사용되고 있다[1-6]. 하지만 ITO가 OLED에 사용되는데 있어서 여러 가지 문제점들이 지적되고 있다. 특히 OLED를 구동하는데 있어서 투명전극과 유기물 계면에서의 특성이 대단히 큰 영향을 미친다는 것이 보고 되고 있다[7-10].

그러나 현재 대부분의 OLED를 연구 개발 중인 곳에서는 TFT-LCD와 같이 다른 용도로 생산되고 있는 ITO를 이용하고 있는 실정이다. OLED에 맞게 사용할 수 있는 ITO 부재로 인해서 OLED 소자에 적용할 수 있도록 ITO를 여러 가지 전처리들을 하지 않을 수 없다. 일반적으로 mechanical rubbing, 산처리 그리고 O2 플라즈마처리 등으로 알려져 있다. 그 중에서 O2 플라즈마처리는  ITO와 유기층 사이의 계면 특성 향상에 효과를 보이고 있다는 보고가 있다[11].

ITO 표면의 O2 플라즈마처리로 기대되는 효과로는 (1)높은 극성을 가지는 표면에너지, (2)균일한 표면, (3)낮은 면저항, (4)높은 일함수 등을 가지게 된다고 보고되고 있다[11,12]. 또한 양극에서의 정공주입을 향상시키고, 접촉각의 감소로 ITO 표면에 증착되는 유기물의 morphology의 향상과 morphology향상으로 소자에 발생하는 joule열의 감소 등으로 인해서 OLED에서 lifetime 및 효율의 증가를 얻을 수 있다는 것을 예상 할 수 있다.

본 연구에서는 앞에서 언급한 ITO의 O2 플라즈마처리를 함으로써 얻을 수 있는 효과들을 바탕으로 OLED에서 O2 플라즈마처리 유무에 따라서 OLED의 효율과 lifetime의 변화에 따른 특성에 대하여 조사하였다.

실 험

ITO가 코팅된 유리기판(삼성코닝, 면저항: 7.5□/□)을 가열한 TCE속에서 5분 그리고 acetone, methanol 순으로 초음파 세척으로 각각 10분씩 cleaning을 했다. 각 공정을 마친 다음에는 질소건을 이용하여 건조를 시켰다. 사진식각공정을 통하여 ITO를 만들고자하는 pattern으로 식각액(탈이온수:염산:질산=5:4:1)을 사용하여 식각을 하였다. 그 후 다시 TCE, acetone, methanol 순으로 cleaning을 하였다.

이렇게 ITO patterning이 끝나면 O2 플라즈마처리를 위하여 플라즈마 chamber에 loading을 한다. 진공도가 1 □ 10-2 torr가 되면 질소가스를 이용하여 purge를 적당한 시간동안 시켰다가 다시 1 □ 10-2 torr까지 pumping을 하였다. 그 후, 산소를 흘려서 일정 시간 동안 purge를 시키고, 760 torr까지 산소를 이용하여 압력을 올렸다가 100 mtorr로 압력을 맞추어 주었다. RF generator와 matching box를 이용하여 플라즈마를 발생시킨 후 RF generator의 power를 50W까지 올려서 고정시킨 후 10분간 처리를 하였다. 같은 방법으로 O2 플라즈마 처리만 하지 않은 ITO가 코팅된 유리 기판을 제작하였다. 이렇게 O2 플라즈마처리가 된 ITO가 코팅된 유리기판과 O2 플라즈마처리가 되지 않은 ITO 유리 기판을 thermal evaporator를 이용하여 진공증착을 하였다. 사용된 재료로는 정공수송층으로 diamine계의 TPD(N,N'-diphenyl-N,N'-bis(3-methylphenyl)-

1,1'-biphenyl-4,4-diamine)를 사용하였고, 전자수송층 및 발광층으로는 Alg3(8-hydroxyquinoline-aluminum)를 사용하였다. 소자의 구조는 O2 플라즈마처리의 특성을 알아보기 위해서 간단한 소자구조를 선택했으며, 음극으로 사용되는 금속은 AlLi 합금(9:1)을 사용하였다.  이렇게 완성된 소자의 휘도 특성은 휘도계(Minolta, CS-100)를 사용하여 측정하였고, 전기적 특성은 semiconductor parameter analyzer(HP 4145B)를 사용하여 측정하였다. 광학적 및 전기적 특성의 측정이 완료된 OLED는 DC-power supply(ED-200E)를 이용하여 DC-power를 공급하여 휘도계로 측정하였다. lifetime의 측정은 초기 휘도의 반이 되는 시점을 반감기라 두고, 이 반감기까지 되는 시간을 lifetime이라 정의하였다. O2 플라즈마처리 된 OLED와 되지 않은 OLED를 비교측정 하였으며, OLED의 lifetime측정 시 외부 조건은 모두 같게 두고 측정을 하였다. 초기소자의 밝기는 100cd/m2에서 시작하여 그 반이 되는 50cd/m2이 되는 시점(lifetime)을 측정하였다.

결과 및 고찰

O2 플라즈마처리가 되지 않은 OLED(1)과 O2 플라즈마처리가 된 OLED(2)의 특성을 분석하기 위해서 먼저 전류-전압 특성을 측정하였다. 그림1에서는 OLED(1)과 OLED(2)의 전기적인 특성을 측정하였다. OLED(1)과 OLED(2)의 전압에 따른 전류가 큰 차이를 보이지 않는 것을 볼 수 있었다. 그림2에서는 O2 플라즈마처리가 되지 않은 OLED(1)의 휘도 대 효율을 나타내었다. 8V에서 3020cd/m2을 나타냈으며, 이때 효율은 1.24lm/W가 구해졌다. 그림3에서는 O2 플라즈마처리가 된 OLED(2)의 휘도 대 효율을 나타내었다. 8V에서 5280cd/m2가 나왔고 이때 효율은 3.26lm/W가 구해졌다. 그림4에서는 OLED(1)과 OLED(2)의 효율(lm/W)을 비교하였다. OLED(2)의 효율이 OLED(1)에 비해서 2배 이상 증가 한 것을 볼 수 있었다. 그림5와 6은 제작된 OLED(1)과 OLED(2)의 lifetime을 측정하였다. OLED(1)의 lifetime은 16분 정도 였으며, OLED(2)에서의 lifetime은 상당히 증가된 것을 볼 수 있었다. 그림4-6의 결과를 종합해보면 O2 플라즈마처리에 의한 효율의 증가와 lifetime의 향상측면에 대한 효과가 상당히 큰 것으로 확인되었다. 앞에서 말한 O2 플라즈마 처리의 여러 가지 효과들이 OLED의 성능 개선에 상당한 비중을 차지하고 있다는 것을 증명한다.

OLED에서 양극으로 사용되는 ITO의 O2 플라즈마처리는 OLED에서의 효율과 lifetime의 향상에 상당한 효과를 보여주고 있다. 따라서, ITO의 전처리공정에서 빠질 수 없이 중요한 공정이라는 것을 다시 한번 확인 할 수 있었다.

감사의 글

본 연구는 1999년도 과학재단 특정연구과제 분야(과제번호: 1999-1-307-003-3)지원 연구비에 의하여 수행되었으며 이에 감사 드립니다.

Reference

1) I. Hamberg and C. G. Grandqvist, J. Appl. Phys. 59(8) (1986) 2950.

2) E. Kaneko, Liquid Crystal Displays, KTK Scientific, Tokyo(1987).

3) J. R. Bellingham, A. P. Mackenzie and W. A. Philips, Appl. Phys. Lett.        58(22) (1991) 2506.

4) P. K. Nomura, K. Konishi and H. Matsuda, J. Electochem. Soc.               138(2) (1991) 631.

5) J. R. Bellingham, W. A. Philips and C. J. Adkins, Thin Solid Films           195 (1991) 631.

6) J. E. Costellamo, Handbook of Display Technology, Academic Press,           New York (1992).

7) C.Adachi, T.Tsutsuj and S.Saito: Appl. Phys. Lett. 15(1989)

8) M. Ishiko, K. Utsugi, K Nunomura, S. Takano and C.Tani:

Proc. Int. Display Reseach Conference, Kyoto, 1989, p.704

9) S. Egusa, A.Miura, N. Gemma and M. Azuma: Jpn. J. Appl. Phys. 33         (1994) 2741

10) S. Egusa: Oyo Buturi 64 (1995) 1230 [in Japanese].

11) Shizuo Fujita, Takeshi Sakamoto, Kentaro Ueda, Kazuki Ohta and             Shigeo Fujita : Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 36(1997) pp.350-353

12) J.S.Kim, F.Cacialli, M.Granstrom, R.H.Friend, N.Johansson, W.R.               Salaneck, R. Daik, W. J. Feast: Synthetic Metals 101(1999)111-112

그림.1 제작된 OLED(1)과 OLED(2)의 I-V특성		그림.2 OLED(1)의 휘도 및 효율

그림.3 50W에서 10분동안 O2플라즈마 처리된 OLED(2)의 휘도 및 효율		그림.4 OLED(1)과 OLED(2)의 효율 비교

그림.5 OLED(1)의 lifetime 측정		그림.6 50W에서 10분동안 O2플라즈마 처리된 OLED(2)의 lifetime 측정