Blocking layer 두께에 따른 백색 유기발광소자 제조에 관한 연구

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

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

이준호, 김정문, 박진호

영남대학교 응용화학공학부

Studies on the fabrication of White Organic Light Emitting diodes by blocking layer thickness

Junho Lee, Jeongmoon Kim and Chinho Park

School of Chemical Engineering & Technology, Yeungnam University

서론

21세기의 가장 특성적인 발전 형태의 하나는 고도 정보화 사회로 향하고 있는 것이다. 이러한 정보의 교환에 있어 매우 중요한 부분의 하나는 정보를 기록, 송신, 저장하는 것이며, 정보의 양이 방대해 짐에 따라 주어진 부피에 많은 양의 정보를 처리하기 위해 계속 고밀도화가 이루어져 왔다. 또한 이러한 시대적인 요구에 적절히 대응할 수 있는 정보디스플레이가 필수적으로 필요하며, 그 필요성에 맞는 디스플레이의 개발도 지속적으로 이루어지고 있다.

유기발광디스플레이(Organic light emitting display: OLED)는 평판디스플레이의 대부분을 차지하고 있는 TFT-LCD를 대체 할 수 있는 디스플레이로서, TFT-LCD에 비해 경량화가 가능하고 고휘도, 고해상도를 구현할 수 있으며, 제조 공정이 간단하여 저렴한 가격으로 제조할 수 있으며 full color의 대면적화가 가능하며 응답속도가 빠르고 시야각이 넓다는 장점을 가지고 있다. 또한 Flexible substrate를 이용하여 종이와 같이 휘어질 수 있는 디스플레이에도 적용할 수 있다는 큰 장점을 가지고 있다.

유기화합물에 의한 발광현상은 1963년 Pope와 공동 연구자들이 안트라센 단결정으로부터 전기 발광을 처음 발견하면서 알려지게 되었다. 그 뒤로도 많은 연구자들에 의해 향상된 성능을 가지는 유기발광소자를 만들려는 노력이 끊임없이 진행되었으며, 1987년 Kodak사의 Tang[1][2]과 Van Slyke에 의해 진공증착법을 이용한 정공수송층과 발광층으로 이루어진 적층형 유기발광소자가 발표된 후 여러 연구 그룹들에[3][4][5][6][7] 의해서 실용화를 목표로 연구개발이 더욱 활발히 진행되고 있다. 1990년대와 2000년 대를 거치면서 기술적으로 상당한 발전이 이루어졌으며, 현재 기술수준은 단색인 경우 2만 시간 이상이 가능하게 되어, 1997년 말에 Pioneer사에서 차량용 FM 리시버용 모노 칼라 유기 EL 디스플레이(256 × 64 pixel, 녹색)의 상품화에 성공하였으며 그 후에는 1999년 카스테레오용 Multi-color(64 × 256 dot, 4색) 유기EL 디스플레이를 시장에 투입되기 시작하였으며 또한 5인치 또는 10인치형의 단순 matrix 구동에 의한 color display의 시제품이 전시되기 시작하면서 OLED의 본격적인 제품화가 기대되고 있다. 현재 삼성 SDI사가 세계 최대 크기인 15.1 inch급 active matrix 유기발광 디스플레이를 발표하였으며 이것은 저온 폴리 실리콘 TFT 기판 위에 저분자 막을 형성하여 26만 색을 나타낼 수 있고, XGA(해상도 기준/1024 × 768) 해상도를 가지는 것으로 알려지고 있다.

본 연구에서는 blocking layer인 □-NPD를 오렌지색 발광 물질과 푸른색 발광 물질 사이에 삽입하여 blocking layer의 두께에 따른 소자의 발광 색상 변화에 대해서 연구하였으며, 또한 blocking layer 두께가 백색 유기발광소자의 전기적 특성에 어떤 영향을 주는지에 대해서 조사, 분석하였다. 연구에 사용된 저분자 유기발광물질은 DPVBi[4,4-bis(2,2-diphenylvinyl)-1,1-biphenyl]를 푸른색 발광물질로 사용하였으며, 오렌지색 발광물질로  Rubrene이 도핑된 Alq3를 사용하였으며, □-NPD[4,4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl]를 사용하여 전하수송체의 이동을 제한하였다.  또한 정공주입 효율을 향상시키기 위하여 양극과 정공수송층 사이에 정공주입층을 형성하였다.

본론

10 □/□의 면저항 및 2000 Å의 두께를 가지는 Indium-tin-oxide(ITO)가 코팅된 유리를 2 □×2 □ 의 크기로 자른 후, 필요한 형상을 구현하기 위해 염산 증기를 사용하여 습식식각을 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 CuPc[Copper (Ⅱ) phthalocyanine]를 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 파란색 발광물질로 사용하였으며, 오렌지색 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, Alq3:Rubrene, □-NPD, DPVBi 순으로 shadow mask를 써서 thermal evaporation을 통해 진공증착하였다. 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 연구에서는 정공 차단층 두께 변화에 따른 유기발광소자의 전기적 특성 즉 휘도 및 효율에 관한 것으로 정공 차단층 두께 변화가 전하의 이동에 어떤 영향에 주는지에 관해서 조사하였다. Fig. 2는 유기발광소자의 전반적인 제조공정을 나타낸 것이다.  정공 차단층 두께에 따른 백색 발광하는 유기발광소자의 HOMO-LUMO 에너지 준위의 정렬을 Fig. 3에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 □-NPD의 두께가 얇은 경우에는 Alq3:Rubrene 층에서 재결합이 이루어지기 쉬우며 두께가 두꺼울수록 점차적으로 DPVBi 층에서 재결합이 이루어지기Fig. 4는 백색 발광하는 전기적 특성을 나타낸 그래프이다. 백색 유기발광소자의 turn-on voltage는 6 V 부근이며, 6 V에서 백색 유기발광소자의 효율은 1.07 lm/W 이며 점차적으로 voltage가 올라갈수록 유기발광소자의 효율은 감소하였다. Fig. 5는  정공 차단층 두께에 따른 백색 유기발광소자의 CIE chromaticity coordinate를 나타낸 것이다. □-NPD의 두께가 1 nm 인 경우 오렌지색 발광을 하였으며 □-NPD의 두께를 7 nm로 한 경우에는 파란색 발광을 하였다. 그러나 정공 차단층인 □-NPD를 오렌지색 발광을 하는 Alq3:Rubrene과 파란색 발광을 하는 DPVBi 사이에 삽입한 구조에서는 전압 변화에 따라 발광 색상의 변화는 크게 일어나지 않았다. 차후 백색 발광하는 유기발광소자의 공정 최적화를 위해서  소자의 구조를 변화시켜 가면서 다양한 연구를 계속 수행해 나갈 것이다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

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]. C. Adachi, K. Nagai, and N. Tamoto, Appl. Phys. Lett., 66, 2697 (1995).

[4]. C. Hosokawa, H. Higashi, H. Nakamura, and T. Kusumoto, Appl. Phys. Lett., 67, 3853 (1995).

[5]. S. Fujita, T. Sakamoto, K. Ueda, K. Ohta and S. Fujita, Jpn. J. Appl. Phys., 36, 350 (1997).

[6]. C.C. Wu, C.I. Wu, J.C. Sturm, and A. Kahn, Appl. Phys. Lett., 70, 1348 (1997).

[7]. B. Winkler, F. Meghdadi, S. Tasch, B. Evers, I. Schneider, W. Fischer, F. Stelzer, and G. Leising, Synth. Met., 102, 1083 (1999).

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

Fig. 3 The estimated energy diagrams    Fig. 4 Electrical characteristics of white OLED

Fig. 5 The CIE chromaticity coordinate