새로운 전자 수송 층 구조를 사용한 효율적인 백색 인광 유기발광다이오드의 제작 및 특성연구 = (A) Study on the Fabrication and Characterization of Efficient Phosphorescent White Organic Light-Emitting Diodes (WOLEDs) Using New Electron Transporting Layer

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Since 1987, with Tang and VanSlyke’s discovery of efficient organic light-emitting diodes (OLEDs), there have been many studies to enhance the high efficiency of OLEDs. Recently, OLEDs have attracted increasing attention for use in various potential applications, including as a solid light source and
flat panel displays (FPDs), as a back light unit for liquid crystal displays, because of the many advantages such as a wide viewing angle, compactness, flexibility, high resolution, fast response time, and an easy manufacturing process. Therefore, one of the promising next generation display technologies
is the use of OLEDs. However, OLEDs have various defects, in particular, devices stability and high power consumption are major issues in the used of OLEDs in applications such as for solid light source and as a FPDs. However, remains a challenge. A key requirement for achieving such high efficiency is that all electrically generated excitons must be employed for emission.
WOLEDs that combine fluorescent blue emitters with phosphorescent green and red ones have been developed recently. Devices comprising fluorescent blue emitters present rather low efficiencies at an illumination-relevant luminance because only the singlet states of the fluorescent blue emitters contribute to the light emission. As one of the primary colors, the corresponding blue OLEDs exhibit external quantum efficiencies and luminous efficiencies, much lower than those reported for green and red OLEDs. Therefore, many researchers have studied structure optimization of Phosphorescent WOLEDs (PHWOLEDs) and proper recombination zone which are important as charge balance and reducing energy loss.
Many researchers have investigated the high efficiency and low operation voltage device performance in OLEDs. In general, OLEDs consist of an anode for hole injection, a cathode for electron injection and an emitting layer with charge recombination in which excitons are formed. The mobility of a hole is
higher than that of an electron by about a centuple, and as a result, non-emissive cationic species form in the emission layer. Accordingly, there is an obstruction of hole-electron recombination, followed by the formation of a dark spot, luminance decay and subsequent low efficiency of the device. Many methods have been reported to obtain higher efficiencies and improve the electronic characteristics by balancing the hole-electron pairings in the EML. Many researchers have researched the injection of balanced carriers into the emitting layer. A typical method is that the electron transport layer (ETL) is doped with an-type dopant such as Ca, Mg, and Li with a low work function.
They lead to an efficient electron injection from the cathode into the emission layer. However, the fabrication of OLEDs treated with a n-type metal dopant is very difficult and complex because the n-type metal dopant materials are very reactive and sensitive in the open atmosphere. In this study, to obtain a high efficiency and improve the device’s electronic characteristics, we studied OLEDs using the lithium-quinolate (Liq) as a dopant for the ETL. We have demonstrated efficient white PHOLEDs (PHWOLEDs) using BAlq and 10% Liq doped Balq as double-electron transporting layer system. The
structure of optimized device was ITO / NPB (500Å) / mCP (100Å) / mCP : FIrpic (8wt%, 120Å) / TPBi (5Å) / mCP : Ir(pq)2acac (3wt%, 30Å) / TPBi : FIrpic (8wt%, 150Å) / BALq (150Å) / BALq : Liq (10wt%, 150Å) /Liq (20 Å) / AL (1000Å). The maximum current efficiency and maximum external quantum efficiency of 31.7 cd/A and 15.7 %. In this study, we have demonstrated that the device performance of OLEDs can be improved by using a mixed electron transport structure. When the Liq was doped in BAlq, the electrical properties such as the driving voltage and efficiency were enhanced by about 30 % ~ 40 % because of the lowered electron injection barrier and good interfacial contact between the cathode and the ETL. Therefore, it can be concluded that improved electron injection leads to the balanced charge recombination of holes and electrons and enhanced the electrical properties of the device.

국문 초록 (Abstract)

21세기에 접어들면서 정보통신과 컴퓨터의 발달로 디스플레이는 모바일 기기뿐만 아니라 모니터 및 대형 텔레비전의 요구 조건을 충족시킬 수 있는 빠른 응답속도와 낮은 소비 전력, 넓은 시야각을 요구하고 있다. 기존의 디스플레이 시장은 CRT (Cathode Ray Tube) 에서 가볍고 얇아 휴대하기 쉬우며 대형화 제품에 적합한 액정표시장치 (Liquid Crystal Display, LCD) 로 빠르게 대체되고 있지만, 비교적 느린 응답속도와 백라이트 유닛의 필요로 기판의 한계 및 시야각 문제점 등의 여러 문제점을 가지고 있다. 이에 따라 평판 디스플레이의 장점과 정보 처리속도가 빠른 표시장치의 개발이 필요하며, 현재 가장 적합한 디스플레이로 연구되고 있는 디스플레이는 유기 발광 소자 (Organic Light-emitting Diode : OLED) 로서 저소비전력, 자발광, 경량 박형, 넓은 시야각, 그리고 액정 디스플레이(LCD) 대비 천 배 이상 빠른 응답속도 및 높은 콘트라스트 등의 많은 장점을 가지고 있다. 또한, 점광원, 선광원 및 면광원 등 어떤 형태로의 다양한 모양으로 광원의 구현이 가능하므로 차세대 조명 및 디스플레이의 백라이트 유닛 (Backlight Unit ; BLU) 에 적용될 가치가 높으며 소자 구조가 간단하여 제작이 용이하다. 기존의 유리 기판 뿐 만 아니라 플라스틱 기판에 제작이 가능하여 얇고 구부릴 수 있는 디스플레이 (Flexible Display)로서 적합하며, 다양한 연구가 세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 유기 발광 소자의 기본 구조는 ITO (Indium Tin Oxide) 와 같은 투명 전극인 양극과 일함수가 낮은 금속을 사용한 음극 사이에 발광 층이 존재하는 형태이다. 양극과 음극에 직류전압을 걸면, 양극으로부터의 정공과 음극으로부터의 전자가 각각 반대전극을 향해 이동하게 되며, 주입된 전자와 정공은 분자 간을 호핑 (Hopping) 하면서 대향전극을 향해 이동해 감으로서 유기물 내에서 재결합 (recombination) 되어 여기자 (exciton) 를 형성하고, 유기분자의 전자상태가 안정한 상태 (기저상태) 로부터 활성화되어 에너지 적으로 높은 상태 (여기상태) 가 된다. 그러나 여기상태는 대단히 불안정하기 때문에 원래의 기저상태로 되돌아가려 하고, 이때 에너지가 방출되어 빛으로 나타나는데 이것이 유기 발광 소자의 발광원리이다.
여기자의 상태는 일중항 상태 (singlet state) 와 삼중항 상태 (triplet state) 가 1:3 의 비율로 존재하며, 일중항 상태에서 기저상태로 떨어질 때의 발광인 형광은 내부양자효율이 이론적으로 25% 를 넘을 수 없어 그 효율에 한계가 있다. 그러나 중금속을 중심으로 하는 금속 착화합물을 이용하여 여기자의 75% 에 해당하는 삼중항 으로부터의 발광인 인광을 이용하면 내부양자효율을 100% 까지 향상시킬 수 있다.
본 논문에서는 보다 효율적인 백색 인광 유기 발광 소자를 제작하기 위하여, 유기 발광 다이오드 소자에서 문제시되는 hole-electron balance 를 향상시키기 위한 방법으로 기존의 전자 수송 층에 전자 주입 층으로 사용하던 LiQ 를 도핑 하여, 전기적 특성을 평가하고 소자 구조를 최적화 시켰다. 따라서 전자 주입 층에 사용되는 LiQ 의 도핑 농도가 증가함에 따라 소자의 구동 전압이 낮아지고 발광 효율이 증가하는 특성을 관찰 할 수 있었다. 또한 소자 내에 흐르는 전자와 정공의 균형을 더 향상시키기 위하여, 새로운 구조의 전자 수송 층을 제작하였다. 이와 같이, 적절한 전자 수송층을 사용함으로써 최적화시킨 백색 인광 유기발광 다이오드의 특성을 평가하고 경향성을 살펴보았다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 관 계 이 론 4
• 2-1. 유기 발광 다이오드 4
• 2-1-1. 발광 원리 및 동작 단계 4
• 2-1-2. 발광 특성 및 효율 9
• 2-1-3. 유기발광다이오드의 열화 14
• 2-1-4. 구동 방법 15
• 2-1-5. Full Color OLED 제작 방법 18
• 2-2. 백색 유기 발광다이오드 소자 19
• 2-2-1. 백색 유기 발광다이오드의 적용 범위 20
• 2-2-2. 백색 OLED의 소자 특성 평가를 위한 색 원리 20
• 제 3 장 실 험 26
• 3-1. 유기 발광 다이오드의 제작 26
• 3-1-1. 물질 구조 26
• 3-1-2. 기판 처리 28
• 3-1-3. 산소 플라즈마(O2 plasma) 처리 29
• 3-1-4. 박막 증착 29
• 3-1-5. 봉지 32
• 3-1-6. 소자 구조 33
• 3-2. 유기 발광 다이오드의 특성 측정 35
• 3-2-1. UV/vis. 흡광도 및 광 발광 측정 35
• 3-2-2. 전기적 특성 및 전기 발광 측정 36
• 제 4 장 실험 결과 및 고찰 37
• 4-1. FIrpic 과 Ir(pq)2acac 의 UV/vis. 흡광도와 광 발광 스펙트럼 37
• 4-2. 전자 수송 층의 변화에 따른 백색 인광 유기 발광 다이오드의 구조 최적화 39
• 4-3. 전체 두께에 도핑 된 전자 수송 층 구조를 가지는 백색인광 유기 발광 다이오드의 특성 변화 44
• 4-4. 순수한 전자 수송 층과 도핑 된 전자 수송 층의 이중 구조를 가지는 백색 인광 유기 발광다이오드의 특성 변화 49
• 4-5. 발광층 사이에 삽입된 TPBi 층의 위치와 두께에 따른 백색 인광 유기 발광다이오드의 특성 변화 54
• 제 5 장 결 론 59
• 참 고 문 헌 62
• 영 문 초 록 65
• 연 구 실 적 68
• 감 사 의 글 72