백색 유기발광소자 제조에 관한 연구

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

김정문, 이준호, 박진호

영남대학교 응용화학공학부

Studies on the Fabrication of White Organic Light Emitting Diodes

Jeongmoon Kim, Junho Lee and Chinho Park

School of Chemical Engineering & Technology, Yeungnam University

서론

21세기 정보화 사회에서는 대형화 및 평면화 그리고 여러 가지 기능을 포함하는 디스플레이가 필수적인 것으로 전망된다. 지금까지의 정보 디스플레이는 CRT 일변도의 영역에 한정되었으나, 정보화 사회의 발전과 함께 인간이 접할 수 있는 정보의 양이 방대해지고 종류도 다양해짐에 따라 사용환경에 적절히 대응할 수 있는 새로운 개념의 디스플레이가 요구되고 있다. 그 중에서도 LCD, PDP, FED, LED 등의 FPD가 최근 각광을 받고 있고, 앞으로 많이 보급 될 것으로 예상되고 있다. 그 중 가장 광범위하며, 다양한 장점을 가지고 있는 OLED(organic light emitting diodes)가 급부상 할 것으로 예상된다. 유기발광소자는 LCD에 비해서 응답속도가 빠르고 휘도가 뛰어나며, 여러 가지 물질을 도핑하므로써 full-color 구현이 가능하고, 가볍고 얇은 소자를 제작할 수 있으며, 저전압 구동이 가능하다는 장점을 가지고 있다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

유기화합물에 의한 발광현상은 1963년 Pope와 그의 공동 연구자들이 안트라센 단결정으로부터 전기 발광을 처음 발견하였으며, 1987년 Kodak사의 Tang과 Van Slyke[1][2]에 의해 진공증착법을 이용한 정공수송층과 발광층으로 이루어진 적층형 유기발광소자가 발표된 이 후 실용화를 목표로 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.

일반적인 유기 발광소자의 구조는 일함수가 큰 정공주입 전극과 일함수가 작은 전자주입 전극사이에 단층 또는 다층 구조의 유기층이 삽입된 형태로 되어 있다. 유기 EL 소자를 상용화하기[3][4] 위해서는 높은 열적 안정성 및 발광 효율을 갖는 물질의 개발이 필요하며, 유기 EL 소자의 고효율화를 위해서는 캐리어 주입층이나 수송층이 필요하다.

White color를 내는 디스플레이[5][6][7] 소자를 구현하기 위해서는 R(red), G(green), B(blue) 발광특성을 갖는 물질을 적절한 위치에 배치시켜야 하는데 일반적으로 적색 발광을 나타내는 재료로서는 DCM, Nile red 등을 들 수 있고 녹색 발광을 나타내는 대표적인 물질로는 Kodak 사에서 개발한 Alq3 그리고 coronene 등이 있으며, 또한 청색 발광을 나타내는 재료로는 DPVBi, cyclopentadren 유도체 등을 들 수 있다.

본 연구에서는 DPVBi 와 Alq3:Rubrene 사이에 blocking layer 인 □-NPD를 삽입하여 유기발광소자를 제작하였으며, 소자의 전류-전압 특성 및 효율-전압 특성을 조사하였다. 연구에 사용된 백색 유기발광소자의 구조는 blocking layer가 삽입된 다층구조로서 ITO coated glass/CuPc/□-NPD/DPVBi/□-NPD/Alq3:Rubrene/AlLi 으로 되어 있다.

본론

Indium-tin-oxide(ITO)가 코팅된 유리기판을(10 □/□, 2000 Å) 2 □×2 □ 의 크기로 자른 후, 필요한 형상을 구현하기 위해 사진식각공정을 수행한 후 탈이온수와 TCE, 아세톤, 그리고 메탄올을 사용하여 초음파 세정기로 각각 10 분간 cleaning하였다. Cleaning 공정은 ITO-glass에 부착된 먼지, 기름, 지문 등의 이물질을 제거하여 ITO glass 위에 도포 하려는 유기물과 contact을 좋게 하여 박리되는 것을 방지하는 공정이다. Fig. 1은 ITO costed glass의   세정공정을 보인 것이다.

정공 주입층 물질로는 CuPc를 사용하였고, 정공 이동층 물질로는 □-NPD[4,4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl]를 사용하였으며, 발광층으로는 DPVBi[4,4-bis(2,2-diphenylvinyl)-1,1-biphenyl]를 푸른색 발광물질로 사용하였으며, 붉은색 발광물질로  Rubrene이 도핑된 Alq3를 사용하였다. 또한 정공 차단층 물질로 □-NPD[4,4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl]를 사용하여 두께에 따른 소자의 발광 색상 변화를 관찰하였으며 전자 수송층 물질로는 Alq3[tri(8-quinolinolato) aluminium (Ⅲ)]를 사용하였다. 그리고 금속 전극으로는 AlLi 합금을 사용하였다. 이는 모두 4 × 10-6 torr에서 etching 한 ITO 금속 위에 CuPc, □-NPD, DPVBi, □-NPD, Alq3:Rubrene 순으로 shadow mask를 써서 thermal evaporation을 통해 진공 증착 하였다. AlLi alloy cathode역시evaporation을 통해 진공 증착 하였다.

유기 EL 소자의 두께는 Dektak 3030 stage profiler로 측정하였으며 전류-전압 특성은 semiconductor parameter analyzer (HP 4145B)로 측정하였으며, 클로즈업 렌즈 (No. 110, □=40.5 mm)가 장착된 휘도 측정기(CS-100, Minolta co.)를 사용하여 인가전압에 따른 휘도를 측정하였다.

결론

본 연구는 blocking layer 인 □-NPD 두께 변화에 따른 white organic light emitting diode의 전기적 특성에 관한것으로, blocking layer 두께에 따라서 전하수송체의 이동을 제한함으로써 재결합의 위치를 변화시켜 발광색상을 조절하고자 하였다. Fig. 2는 유기발광소자의 제조 공정을 나타낸 도표이다. Fig. 3은 백색 발광하는 유기발광소자의 전류-전압 특성 그리고 효율-전압 특성을 나타낸 그래프이다. 소자의 turn-on voltage는 6 V 부근이며 이 때 소자의 효율은 0.85 lm/W 로 나타났으며 점차적으로 전압이 높아질수록 소자의 효율은 급격히 감소하였다. Fig. 4는 백색 유기발광소자의 에너지 밴드 diagram을 나타낸 것이다. 두 가지 색깔로서 white color를 구현하기 위해 DPVBi 와 Alq3:Rubrene 사이에 blocking layer인 □-NPD를 삽입하였으며, 인가된 전압이 낮을 경우에는, 정공의 이동에 비하여 상대적으로 전자의 이동이 제약을 받아 재결합이 오렌지 발광층에서 일어나게 되는 것이다.  그러나 인가된 전압을 높이게 되면 강한 전기장에 의해서 에너지 장벽을 넘을 수 있는 전자들이 생기게 되며 이러한 전자에 의해서 푸른색 영역에서 발광이 시작되는 것이다. Fig. 5는 백색 유기발광소자의 CIE chromaticity coordinate를 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 blocking layer의 두께가 2 nm 인 경우 유기발광소자에 가해진 전압이 6 V인 경우에는 오렌지색으로 발광하게 되며 점차적으로 소자에 가해진 전압이 높아지면서 백색 발광하게 된다. 차후 유기발광소자의 구조 변화에 따른 소자의 휘도 및 효율에 관한 연구와 더불어 공정 최적화 연구를 계속 수행해 나갈 것이다.

감사의 글

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

참고문헌

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

[2]. C. W. Tang, S. A. VanSlyke, and C. H. Chen, J. Appl. Phys. 65, 3610

(1989)

[3]. Organic Electroluminescent Materials and Devices, eds. S. Mlyata and S. Nalwa       (Grodon and Breach Science, Amsterdam), 1997.

[4]. J. Kido and Y. Hzuml, Chem. Lett., (1997) 633.

[5]. H. Nakada and T. Tohma, EL96, Berlin (1996) 385.

[6]. T. Wakimoto, R. Murayama, K. Nagayama, Y. Okuda. H. Nakada and T. Toham,      SID int. Symp, Dig. Tech. Pap., San Diego (1996) 849.

[7]. S. Miyaguchi, S. Ishivuka, T. Wakimoto, J. Funaki, Y.     Fukuda, H. Kubota, K.      Yoshida, T. Watanabe, H. Ochi, T. Sakamoto, M. Tsuchida, I. Ohshita and T.         Thoma, Ext. Abst. 9th Int.Workshop on Inorganic and Organic

Electroluminescence (1998) 137.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Fig. 1. Cleaning process of ITO coated glass Fig. 2. Fabrication process of OLED

Fig. 3. I-V characteristics of blue OLED   Fig. 4. Estimated energy diagrams

Fig. 5.The CIE chromaticity coordinate