색섞임을 이용한 저분자량 백색광 유기물 발광소자

이성수, 송태준, 조성민

성균관대학교 공과대학 화학공학과

Low-molecular-weight white organic-light-emitting-devices using color mixing

Sungsoo Lee, Taejun Song, Sung M. Cho

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University,

Suwon 440-746, Korea

서론

백색을 발광하는 유기물 발광소자는 액정표시장치(LCD)의 광원용, 혹은 조명용 분야와 같은 잠재적인 응용분야 때문에 많은 관심을 불러일으키고 있다.  액정표시장치의 광원용으로 사용될 백색을 발광하는 유기발광소자는 고휘도, 고효율의 발광을 해야하며 또한 백색광의 색좌표 값(CIE color coordinator)인 (0.33,0.33)을 나타내야 한다.  이러한 백색 발광을 하는 유기발광소자를 제조하기 위한 방법이 몇 가지 보고되었다(1-8).

가장 널리 알려진 방법으로는 고분자 호스트 층에 각각의 파란색, 붉은색, 그리고 녹색의 도판트를 함께 형성함으로써 불완전한 에너지 전이를 통하여 백색을 발광하는 유기물 발광소자를 제조하는 방법이 있고(9-12), 두 번째 방법으로는 두 가지(13) 혹은 세 가지(14) 발광층을 전자수송층과 정공수송층 사이에 형성하고 여기에 전하의 이동을 제어할 수 있는 유기물 층을 주입함으로써 전하의 재결합 영역을 조절함으로써 백색을 발광하는 유기물 발광소자를 제작하는 방법이 있다.

이러한 방법 중에서 두 번째 방법은 인가되는 전압이 증가함에 따라 전하의 상대적인 이동도의 차이에 의하여 재결합 영역이 변화하게 되어 원하는 휘도로 원하는 색좌표 상의 값을 얻기가 힘들다.

본 연구에서는 두 가지 발광층 혹은 세 가지 발광층을 정공수송층과 전자수송층 사이에 다층구조로 적층하여, 전하의 재결합 영역을 조절하기 위하여 전하의 이동을 제어할 수 있는 유기물을 삽입하거나 혹은 발광층 중에서 하나의 발광층을 두껍게 함으로써 원하는 백색을 발광하는 소자를 제작하였다.

실험

본 연구에 사용된 ITO glass는 면저항이 15□/sq. 이며 필요한 형상을 구현하기 위해 염산증기를 이용하여 습식식각을 수행한 후 탈이온수와trichloroethylene(TCE), 아세톤, 그리고 메탄올을 사용하여 초음파 세척을 하였다. 마지막으로 O2 plasma를 통하여 100W, 10분간 표면처리를 하였다. 정공주입층 물질로는 phthalocyanine copper complex (CuPc)를 사용하였고 전공수송층과 전하이동을 막기 위한 유기물로는 4,4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl- amino]biphenyl (□-NPD), 전자수송층 물질로는 Alq3를 사용하였으며, 파란색 발광 물질로 4,4-bis(2,2-diphenylvinyl)-1,1-biphenyl (DPVBi), 오랜지색 발광물지로 Alq3(호스트)와 Rubrene(도판트)을 사용하였다. 그리고 붉은색 발광을 위하여 Alq3를 호스트 물질로 사용하고 도판트 물질로는 4-(dicyanomethylene)-2-t-butyl-6(1,1,7,7-tetramethyljulolidyl -9-enyl)-4H-pyran (DCJTB)를 사용하였다.  금속 전극으로는 Al:Li 합금을 사용하였으며, 이는 모두 진공 증착법에 의해서 2×10-6 torr에서 증착하였다.  정공주입층의 두께는 10nm로 증착하였고, 전공 및 전자 수송체의 두께는 25nm로 증착하였으며, 발광층의 두께는 각각 15nm로 고정하였다.  또한 오랜지색 발광을 이루기 위하여 Rubrene의 도핑농도를 5wt%로 고정하였으며, 붉은색 발광을 위해서는 DCJTB를 5wt% 도핑하였다. 전하이동 억제층인 □-NPD 층의 두께를 조절하여 재결합 영역의 변화를 알아보았다.  또한 세가지 발광층을 이용하였을 경우에는 마지막 발광층의 두께를 증가시켜 백색발광을 이루려 하였다. 제조된 소자는 발광스펙트럼, 그리고 발광강도를 측정하여 소자의 특성을 분석하였으며, 색좌표를 통하여 소자의 백색발광 정도를 관찰하였다.

결과 및 고찰

Table 1은 본 연구를 위해 제작된 백색 발광소자의 개략도이다.  표에서 보는 바와 같이 다섯 가지 구조의 백색 발광소자를 제작하였고 이것들 중에서 (a)와 (b)는 두 가지 발광층으로 소자를 구성하였으며, (c), (d), 그리고 (e) 구조는 세 가지 발광층을 사용하여 백색을 발광하는 소자를 제작하였다.  Fig. 1은 제조된 소자의 CIE color coordinte 이다.  Fig. 1(a)와 (b)의 경우는 2색을 이용한 백색발광소자이기 때문에 색좌표 상의 값이 이 두가지 색인 파란색과 노란색의 색좌표값 사이에서 움직이는 것을 볼 수가 있다.  이 구조에서 전자의 흐름을 제어하기 위하여 블로킹 층으로 □-NPD를 삽입하였고 이러한 블로킹 층의 영향 때문에 두 가지 색에서 균형있게 발광을 하여 백색광을 얻었다. 만약 블로킹 층을 삽입하지 않으면 이 두가지 색중에서 전자수송층에 가까운 발광층( fig. 1(a)의 경우에는 노란색, Fig. 1(b)의 경우에는 파란색)은 거의 발광하지 않는다.  따라서 2색을 이용한 백색발광소자의 경우 블로킹 층의 삽입은 필수적이다.  그러나 2색의 발광층을 이용할 경우에는 이 백색광으로부터 칼라 필터를 이용하여 다시 천연색을 나타내야 하는데 천연색의 경우 파란색, 녹색, 붉은색의 3색이 있어야 가능하다. 이러한 점에서 2색을 이용한 백색발광소자는 한계가 있으며, 천연색 구현에는 사용할 수 없고 응용의 한계가 있다.  이러한 이유에서 3색을 이용한 백색발광소자를 제작하였으며, 이러한 구조의 소자의 색좌표를 Fig. 1(c), (d), (e)에 나타내었다.  Fig. 1(c)와 (d)에서와 같이 3색을 이용한 백색발광 소자의 경우에도 블로킹 층을 이용하여 백색을 구현할 수 있었다.  3색을 이용한 소자에서 블로킹 층을 삽입하지 않으면 2색 발광층의 경우에서와 마찮가지로 전자수송층에 가까운 마지막 발광층은 거의 발광하지 못하여 백색광을 구현하기가 힘들다.  따라서 백색을 구현하기 위해서는 3색의 발광층 사이에 블로킹 층을 삽입해야 하는 데 Fig.1 (c)의 경우에는 두 번째와 세 번째 발광층 사이에 블로킹 층을 삽입하여 백색을 발광하였으며, Fig. 1 (d)의 경우에는 3색 발광층 사이사이에 블로킹 층을 삽입하여 백색을 발광한 경우이다.  그러나 이렇게 블로킹 층을 삽입한 백색발광소자의 경우 블로킹의 영향으로 발광휘도가 어느 정도 떨어지는 현상을 피할 수 없다.  본 연구에서 이러한 블로킹 층을 삽입하지 않고 백색발광소자를 제조하였고 이러한 소자의 색좌표가 Fig. 1(e) 이다.  이 소자의 블로킹 층이 삽입되지 않았음에도 백색을 발광하게 한 방법은 세 번째 발광층의 두께를 나머지 발광층보다 증가시킴으로써 가능하였다.

참고문헌

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Table 1. The orders of emitting layers for Fabricated white light emitting OLEDs.

Structure	Order of emitting layers
Ⅰ	B / BL / Y
Ⅱ	Y / BL / B
Ⅲ	G / R / BL / B
Ⅳ	R / BL / G / BL / B
Ⅴ	B / G / R

(b)

(a)

(c)

(d)

(e)

Fig. 1. The CIE chromaticity diagram at various applied voltages; (a) structure (I), (b) structure (Ⅱ), (c) structure (Ⅲ), (d) structure (Ⅳ), and structure (Ⅴ).