Process time and deposition rate dependent device characteristics of OLEDs = 공정시간과 Alq3 증착 율에 의한 유기 EL 소자의 특성

국문 초록 (Abstract)

유기 발광 소자는 평판 디스플레이의 응용에 있어서 많은 장점을 가지고 있기 때문에 활발한 연구가 진행 되고 있다. 본 연구에서는 진공도가 ∼4 × 10^-8 Torr 의 진공 챔버 내에서 공정 시간과 유기 물질인 Alq₃ 증착 율이 소자 특성에 얼마나 영향을 미치는 지를 연구하였다.
유기 발광소자의 경우, 다층 박막의 형태로 제작되는데 패널 양산 시에는 각 챔버에서 마스트 얼 라인과 챔버 간의 이동 때문에 소자가 완성되는데 많은 시간이 걸리게 된다. 공정시간의 지연은 소자특성 저하의 원인으로 예상되며 이것은 챔버 내에 있는 잔여 가스들이 소자 표면의 분자 간 상호 반응을 통해서 유기 EL 의 특성을 저하시킨다고 말할 수가 있다.
유기 물질 Alq₃ 의 증착 율에 관한 연구도 증착 율에 따른 밀도의 영향보다는 잔여 가스들이 소자에 더 큰 영향을 미치고 있음을 확인할 수가 있었다.
소자 제작 시간을 1시간, 2시간, 3시간, 그리고 4 시간으로 하여 소자를 제작하였고 Alq₃ 증착 율에 관한 연구는 0.3 Å/s, 1.0 Å/s 그리고 1.5 Å/s 로 나누어서 실험하였다.
I-V-L 특성과 수명 측정을 통하여 소자들의 특성을 비교 하였고, XRD 와 AFM 을 통해서 증착 율에 따른 Alq₃ 의 두께와 밀도를 알 수 있었다. 챔버내에서의 잔여 가스 측정은 RGA (Residual Gas Analyzer)를 이용하였다.
공정 시간이 4 시간일 때 상대적 전류밀도와 광 휘도가 각각 68 % 와 56 % 로 현저하게 감소하였고 소자 수명 또한 35 % 로 떨어짐을 확인했다.
증착 율이 0.3 Å/s 일 때 9 V 에서 상대적 광 휘도는 1.0 Å/s 와 1.5 Å/s 에 비해서 74 % 효율을 얻었다. 소자 수명 또한 23 % 의 특성 감소를 보았다.
이번 연구를 통해서 공정 시간이 길수록 소자의 특성이 빠르게 저하되고 있음을 확인할 수가 있었고, Alq₃ 증착 율에 따른 변화도 소자 특성에 많은 영향을 미치고 있음을 알 수가 있었다. 이는 챔버내에 있는 O, O₂, H₂O, CO 그리고 CO₂ 등의 잔여 가스들에 의한 반응이 소자를 제작하는 동안 유기 물질을 저하시키는데 중요한 역할로 작용하고 있다고 판단되어 진다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

OLEDs have been researched due to their advantages for applications in flat panel displays. In this research, we studied how the process time and deposition rate of organic material affect the device characteristics in a vacuum chamber (∼4 × 10^-8 Torr). To fabricate the OLEDs, long process time is needed to prepare multi-layered structure. Because of cluster type production system[1], the substrate has to move among process chambers and align in each chamber. This implies that effect of residual gases brings out OLED property. The work based upon deposition rate for thin film(Alq₃) also infers the bigger effect of the residual gases than one of density.
We prepared OLED devices with the process time varied from 1 hour to 4 hour with 1 hour step and ones with the deposition rate for 0.3 Å/s, 1.0 Å/s and 1.5 Å/s.
The current-voltage-Luminance (I-V-L) and lifetime characteristics were measured using a computer controlled programmable system consisting of Keithley 237, Keithley 2400 and Si photo-diodes.
Organic thin film density for deposition rate and the film roughness were analyzed using XRD and AFM, respectively. And the residual gases of the chamber were analyzed with Residual Gas Analyzer(RGA).
When process time is 4 hour, not only was relative efficiency of current density and luminescence at a constant voltage 8 V prominently deteriorated into 68 % and 56 % compared with the shortest process time respectively, but aging of the device also obviously was degraded into relative efficiency 35 %.
When the deposition rate Alq3 is 0.3 Å/s, relative efficiency of luminescence at 9 V conspicuously shown 74 % compared with 1.0 Å/s and 1.5Å/s.
Device lifetime also evidently shown 23 %.
The presented work in this article shows that the properties of the devices are rapidly deteriorated as the process time increases, significantly affected by deposition rate variation for the thin film. We come to the conclusion that the remnant gases such as O, O₂, H₂O, CO and CO₂ play an important role in degrading organic materials during the device processing.

목차 (Table of Contents)

• Acknowledgements
• Contents = ⅰ
• List of Figures = ⅲ
• List of Tables = ⅵ
• Abstract = ⅶ
• Chapter 1. Introduction = 1
• Chapter 2. Theory = 3
• 2.1. Physical property of OLEDs = 3
• 2.1.1. Fundamental structure of OLEDs = 3
• 2.2. Physical operation of OLEDs = 11
• 2.2.1. Injection of charge = 11
• 2.2.1.1. Thermionic emission = 11
• 2.2.1.2. Field emission = 12
• 2.2.2. Transport of charge = 14
• 2.2.2.1. Space-charge limited current = 14
• 2.2.2.2. Trap-charge limited current = 15
• 2.2.3. Recombination between electron and hole = 16
• Chapter 3. Experimental system = 20
• 3.1. Inductively coupled plasma (ICP) source = 22
• 3.2. Thermal evaporation source = 22
• 3.3. Characterization methods = 24
• 3.3.1. Thickness measurement of organic thin film with X-ray diffraction(XRD) measurement = 24
• 3.3.2. Atomic force microscopy (AFM) = 28
• 3.3.3. Optical emission spectroscopy (OES) of ICP source = 29
• 3.3.4. Current density[mA]-voltage[v]-luminescence[cd/m2](I-V-L) measurement = 30
• 3.3.5. Residual gas analyzer (RGA) = 31
• 3.4. Device preparation and fabrication = 32
• 3.5. Device measurement procedure = 34
• Chapter 4. Results and Discussion = 35
• 4.1. Characterization of OLEDs = 35
• 4.2. Process time-dependent device characteristics of OLED = 37
• 4.2.1. Electrical property of OLED using [I-V-L] measurement = 37
• 4.2.2. Analysis using Residual Gas Analyzer (RGA) = 46
• 4.2.3. Stability of the device using [T-V-L] measurement = 48
• 4.3. Deposition rate dependent device of OLED = 50
• 4.3.1. Thickness measurement of organic thin film Alq3 = 50
• 4.3.2. AFM study = 53
• 4.3.3. Electrical property of OLED using [I-V-L] measurement. = 56
• 4.3.4. Stability of the device using [T-V-L] measurement = 64
• Chapter 5. Conclusion = .66
• References = 68
• 국문 요약 = 71