유기 발광 재료의 합성과 소자 제작에 관한 연구

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

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

강민웅,김종성

경원대학교 화학공학과

The study on the synthesis of organic EL material and

fabrication device

Minwoong Kang and Jongsung Kim

Department of Chemical Engineering, Kyungwon University

서론

1987년 Eastmann Kodak사의 C.W[eqn: rm Tang^[1]]에 의해 단분자인 AlQ3((Tris8-quinolinolato)Aluminum))를 이용한 진공 증착 박막 구조의 EL(Electroluminesence) 소자가 발표된 이후 유기 EL에 대한 연구가 활발히 진행 되었다. 유기 EL 소자는 발광 메카니즘이 발광 다이오드와 유사한 캐리어 주입형이며 액정 소자와는 달리 자발광으로 낮은 구동 전압에서 높은 휘도를 낼수 있다. 또한 유기 발광체는 그 합성 경로가 다양하고 합성된 분자의 성질이 그대로 나타나고 분자 구조에 따라 다양한 색상을 나타내므로 full color화가 가능한 EL 소자를 제작할 수 있는 장점이 있다.

일반적으로 유기 EL소자에 쓰이는 유기물은 단분자와 고분자로 나눌 수 있다. 고분자인 경우 유기 EL 소자 제작에 비교적 간단하고 비용이 적게드는 장점이 있으나 발광 효율이 떨어지는 단점이 있다. 단분자인 경우 유기 EL 소자의 발광 효율이 고분자에 비해서 상당히 높은 장점이 있으나, 결정화가 잘 일어나고 제조 공정이 번거롭고 유기 EL 소자 제조 장비인 진공 증착 장비가 고가인 단점이 있다. 하지만 단분자가 가지는 뛰어난 특성과 효율 때문에, 단점을 보완하는 연구가 지금도 활발히 진행되고  있으며, 최근 이러한 단분자를 진공 증착하여 디스플레이 소자로 만든 시 제품이 개발 되고 있다. 본 연구에서는 발광층 및 전자 수송층으로 많이 사용되며, 녹색 발광 계열의 대표적 유기 단분자인 AlQ3를 합성 하였고, 진공 증착에 의해 유기 EL소자를 제작 후 소자 특성을 평가 하였다.

합성

본 연구에서는 8-Hydroxyquinoline(Aldrich, purity 99%)과 Aluminium triethoxide(Aldrich, purity 97%)를 N2 분위기에서 반응시켜 AlQ3를 합성 하였고 정제 후 진공 증착에 의해 유기 EL소자를 제작하였다.  AlQ3는 일반적으로 Aluminium chelates 화합물으로부터 합성하나 본연구에서는 metal-alkoxide로부터 합성 하였다[2,3,4,5]. Toluene을 정제 후 solvent로 사용 하엿고 Aluminium triethoxide 8.1g과 8-Hydroxyquinoline 29.3g을 (1:4 의 몰비) 2L의 toluene에서 N2 분위기 하에 110□에서 1시간 동안 서서히 가열한 후 3시간 동안 reflux시키면서 반응시켰다[6]. 반응 후 침전된 녹색을 띤 노란색 발광체를 진공 여과 하여 진공 건조기에서 40시간 건조 시켰다. 약 29g의 최종 생성물을 얻었다.

그림. 1은 합성 실험에  사용된 재료와 생성물인 AlQ3 ,그리고 EL소자 제작에서 HTL(Hole Transfer Layer)쓰인 TPD(N,N`-Dimethyl-N,N`-di(m-toly)bezidine)의 화학 구조도를 나타내었다.

8-Hydroxyquinoline                         Aluminium triethoxide

AlQ3                                         TPD

그림. 1 각 유기물의 화학 구조.

유기 EL소자의 제작

본 연구에서 합성한 AlQ3를 사용하여 완성된 EL소자의 모습과 적층 구조는 그림. 2에 나타 내었다.

그림.2 완성된 EL 소자 및  적층 구조.

기판으로는 ITO(Indium Tin Oxide)유리( 14mm□25mm□0.8mm, 10□/□, 삼성 코닝)를 사용하였으며 정공수송층, 발광층으로는 각각 TPD, AlQ3를 사용 하였다. ITO유리는 사진 식각 공정에 의해 하부 전극막 패턴을 형성하였다. 이때 포토 레지스트와 현상액으로는 Shielpy사의 AZ1518과 AZ351을 사용하였으며, 에칭액으로는 HCl :[eqn: RmHNO_3] : D.I Water=10 : 3 : 1 (Vol)의 조성으로 조제하여 사용 하였다.  TPD와AlQ3는 진공 증착법에 의해 [eqn: rm6□10^-6]torr의 압력하에서 각각 450□,650□의 두께로 증착하였고, 상부 전극막으로는 Al(99.999%)을 2000□의 두께로 증착하여 사용 하였다. 이때 shadow mask를 사용 하여 상부 전극막 패턴을 형성하여 발광면적이[eqn: rm4mm^2]가 되도록 제작 하였다

특성평가

본 연구에서 합성된 AlQ3와 상용화된 AlQ3를 UV-Visible 및 FT-IR spectrum 분석을 통해 비교 하였고, 이를 그림. 3에 나타내었다. UV-Visible spectrum은 HEWLETT PACKARD사의 HP-8453으로 관찰 하였고, FT-IR spectrum은 BRUCKER사의 VECTOR-22로 관찰 하였다.

그림. 3 합성한 AlQ3의 UV-Visible, FT-IR spctrum.

그림. 3에서 TCI사의 AlQ3의 경우 400nm 에서의 최대 흡광도를 보이며, 본 연구에서 합성한 AlQ3의 경우 에도 동일한 파장에서 최대 흡광도를 나타내는 것을 알 수 있다.     또한, FT-IR spctrum도 유사한 functional gruop을 보여 주고 있다.

그림.4 EL소자의 전류-전압 특성.          그림.5 EL소자의 휘도-전압 특성.

그림. 6 EL소자의 양자효율-전류특성.

합성한 AlQ3를 사용하여 EL 소자를 제작한 후 전류-전압(I-V) 특성은 electrometer(KEITHELY-2400, Source meter), 휘도 및 양자 효율은 Luminance meter(KEITHELEY-485, Autoranging Picometer)를 사용하여 대기중에서 측정하였다.

그림. 4은 EL소자의 전류-전압 특성을, 그림. 5는 휘도-전압, 그림. 6은 양자효율-전류 특성을 보여 준다. 그림. 4에서 EL 소자의 turn-on 전압이 약 6V에서 관찰되어 발광되었으며,  그림. 5에서 EL소자가 약 20V정도에서 휘도가 최대치인 약 380cd/m2 발광을 나타 내었다 . 그림. 6에서 양자효율은 들어간 Carrier대 나온 eletron수를 %로 나탄낸 것이다. 양자 효율은 전류 밀도가 약 0.0013(mA/cm2)일때 양자 효율의 최대치인 약 0.0010(%) 나타내는 것으로 관찰되었다.

결론

본 연구에서는 EL소자의 발광 재료로 많이 사용되고 있는 AlQ3를 합성하여 그 발광 특성과 구조를 관찰 하였다. 합성된 AlQ3와 상용화된 AlQ3의 spectrum 비교 분석을 하였으며 소자 제작 비교 후 발광을 확인 하였다.

감사

본 연구는 신소재 응용 연구센터(KRRC)에서 연구비 지원을 받아 수행 되었습니다.

참고문헌

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

[2] Kroll, W.R., Kuntz, I. & Birnbaum, E., J. organometal Chem., 26 (1971), 313.

[3] Newmann, W. P., Libigs Ann., 653 (1962), 157.

[4] Pansynkiewics, S. & Dowbor, K., J. organometal. Chem., 43 (1972), 75.

[5] A. Y. Sonsale., & Mrs. Sarada Gopinathan & G.gopianathan., Indian J. Chem

14A (1976), 408.

[6] 日本 公開 特許 公報, 公開日 (1993)10월26일, 特開平5-279371.