Hole blockiong층을 이용한 유기 EL 소자의 발광 효율 개선

강민웅, 김종성

경원대학교 화학공학과

The improvement of luminance efficiency of organic

EL device via hole blocking layer

Minwoong Kang and Jongsung Kim

Department of Chemical Engineering, Kyungwon University

서론

1987년 Eastmann Kodak사의 C.W[eqn: rm Tang^[1]]에 의해 [eqn: rm Alq_3]를 이용한 박막 구조의 EL 소자가 발표된 이후 유기 EL에 대한 연구가  활발히 진행되고 있다. 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 분자 구조에 따라 다양한 색상을 나타내므로 full color화가 가능한 EL 소자를 제작할 수 있는 장점이 있다.

일반적으로 유기 EL소자는 ITO전극위에 정공수송층, 발광층, 전자수송층을, 차례로 적층하고 상부 전극막을 증착하여 제조 하는데, 최근 정공블록층을 도입하여 적, 녹색 발광 효율을 개선한 연구가 발표되고 있다[eqn: rm^[2,3] .] 정공블록층은 정공을 발광층내에 가두어 전자와 정공의 재결합 확률을 높여주는 효과가 있다고 랄려져있다.[eqn: ~]본[eqn: ~]연구에서는[eqn: ~]Bathocuproine(BCP;[eqn: ~]2,9-Dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)을 정공블록층 물질로 사용한 EL소자를 제작하여 EL소자의 발광 효율에 대한 정공블록층의 영향을 조사하였다.

BCP는 □전자가 퍼져 있는 평면 구조의 분자로서, 전자수송의 hopping length가 짧아 electron mobility가 매우[eqn: rm높으며^[4]][eqn: ^[4]], 따라서 전자수송층으로 사용 가능한 것으로 알려져 있다. 하지만 최근에 BCP를 정공블럭층으로 사용한 연구들이 발표되고 있다.

본 연구에서는 ITO/PVK/BCP[eqn: /rm Alq_3]/Al 구조의 유기 EL 소자를 제작하였고 BCP의 두께를 변화 시키면서 EL소자의 I-V 특성, 휘도, 양자 효율 특성을 측정하였다.

실험

본 연구에서 사용된 유기물의 화학 구조 및 EL소자의 적층구조는 그림. 1과 같다. 기판으로는 ITO유리(14mm□25mm□0.8mm, 10□/□, 삼성 코닝)를 사용하였으며,[eqn: ~]정공수송층,[eqn: ~]정공블록층,[eqn: ~]전자수송층으로각각[eqn: ~]PVK(Poly(9-vinylcarvazole),TCI)BCP(2,9-Dimthyl1-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline,Aldrich),[eqn: rmAlq_3](tris(8-quinolinolato)aluminium, TCI)를 사용 하였다. ITO유리를 사진 식각 공정에 의해 하부 전극막 패턴을 형성하였다. 이때 포토레지스트와 현상액으로는 Shielpy사의 AZ1518과 AZ351을 사용하였으며 에칭액으로는 HCl :[eqn: RmHNO_3] : D.I Water=10 : 3 : 1 (Vol)의 조성으로 조제하여 사용 하였다.

패턴의 두께는 2mm이고 패턴간의 각격은 2mm, 모서리간의 각격은 4mm로 하

였다. PVK는 Chloroform([eqn: RMCHCl_3])에 녹여 spin coating 한 후 50℃에서 2분간 baking하여 solvent를 제거하고 표면을 안정화 시켰다.

BCP와[eqn: rmAlq_3]는 진공 증착법에 의해 [eqn: rm6×10^-6]torr의 압력하에서 증착하였다. 상부 전극막으로는 Al(99.999%)을 증착하여 사용 하였고 이때 shadow mask를 사용 하여 상부 전극막 패턴을 형성하여 발광면적이[eqn: rm4mm^2]가 되도록 하였다. PVK,[eqn: rmAlq_3]와 Al의 두께는 각각 500Å, 650Å, 2000Å 였다. 그림. 2는 제조된 EL소자를 보여준다.

EL소자의 휘도 특성은 Luminance meter (KEITHLEY-485, Autoranging Picome

ter)를 사용하여 측정하였고, 전류-전압(I-V) 특성은 electrometer(KEITHLEY-2400, Source meter)를 사용하여 대기중에서 측정하였다.

PVK                              [eqn: rmAlq_3]

AL

[eqn: rmAlq_3]                                                                       BCP

PVK

ITO

BCP                           적층 구조

그림. 1 각 유기물의 화학 구조 및 EL 소자의 적층구조

결과 및 토론

본 연구에서는 정공블록층인 BCP의 두께를 450Å, 550Å, 650Å, 750Å, 850Å 로 변화를 주어서 EL소자를 제작하였다.

그림. 3은는 EL소자의 전류-전압 특성을, 그림. 4는 휘도-전압, 그림. 5는 양자효율-전류 특성을 보여 준다. 그림. 3에서 정공수송층이 없는 소자는 turn-on 전압이 정공수송층이 있는 소자에 비해 낮지만, 약 30V 정도에서 최고점을 보이다가 감소하는 것을 볼수 있다. BCP의 두께가 증가함에 따라 turn-on 전압이 증가하지만, 최대 전류 밀도는 더 높아진 것을 알 수 있다 BCP의 두깨가 850Å인 소자의 경우에는 측정범위 내에서 turn-on 이 이루어지지 않았다. 그 이유는 정공블록층이 너무 두꺼워 전자의 수송이 이루어지지 않은 것으로 사료된다.

그림. 4에서 EL소자들은 20V이상에서 발광하기 시작한다. 정공블록층이 없는 소자의 경우 30V에서 최대 휘도가[eqn: rm20cd/m^2] 였고 이후 급격히 감소하였다. 정공블록층의 두께 증가함에 따라 전압은 증가 하지만 휘도는 높아짐을 볼 수 있다. 750Å소자의 경우 50V에서 최대 휘도가 [eqn: rm25cd/m^2]였다. 850Å의 소자의 경우에는 정공블록층이 너무 두꺼워 전혀 발광을 되지 않았다.

그림. 5에서 양자효율은 들어간 Carrier대 나온 eletron수를 %로 나탄낸 것이다.

그림. 2 완성된 EL소자            그림. 3 EL소자의 전류-전압 특성

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

양자효율은 정공블록층의 두께가 증가할수록 증가하여 650Å일 때 0.0005%의 최대치를 보였지만 그 이상의 두께에서는 감소하였다. 따라서 발광 효율을 높히기 위해서는 정공블록층의 도입과 적절한 두께조절이 필요함을 알 수 있다.

결론

BCP를 정공블록층으로 사용하여 유기EL 소자를 제작하였다. 정공블록층은 정공을 방광층내에 가두어 양자효율을 높히는 효과가 있었다. 하지만 효율적인 휘도를 얻기 위해서는 적절한 재료 선택 및 두께 조절이 필요하였다.

참고문헌

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

[2] D. Myung Shin, B.C Shon, J.H KIm, Thin solid films., 363 (2000)252-254

[3] Y.Sato, S. Ichinosawa, T.Ogata, M. Fugono, Y. Murata, Synth. Met., 25(2000)111

[4] Jae-Ho Choi, S.H Jung, et al, Material Science and Eng., B85 (2001)96