Passivation Layer를 사용한 유기발광소자에 관한 연구

이태진, 이준호, 김형식, 김정문, 박진호

영남대학교 응용화학공학부

Studies on the OLEDs using Passivation Layer

Taejin Lee, Junho Lee, Hyong Sik Kim, Jeongmoon Kim and Chinho Park

School of Chemical Engineering & Technology, Yeungnam University

서론

오늘날의 정보화시대에 있어서 인간과 컴퓨터 기기와의 인터페이스로서, 정보전달의 매체로서 정보디스플레이 소자는 매우 중요한 역할을 담당하고 있다. 이러한 시대의 요구에 따라서 얇고, 가벼우며, 소비전력이 낮은 평판형 디스플레이(Flat Panel Display, FPD)가 주목을 받고 있다. 최근에는 유기발광소자(Organic Light Emitting Diodes, OLEDs)가 차세대 디스플레이로 각광을 받기 시작하고 있다.

1987년 이후 C.W. Tang 과 S.A. VanSlyke 등에[1,2] 의해 유기 박막을 이용한 다층 구조의 소자가 개발되면서부터 유기물을 이용한 발광소자는 빠른 속도로 발전되어져왔다. 유기발광소자를 상업적으로 이용하기 위해서는 발광효율의 향상과 수명(lifetime)의 문제를 해결해야 한다. 여러 연구 그룹들에[3-7] 의해서 소자의 성능과 수명을 개선시키기 위한 연구가 진행되어져왔다.

상업적인 full-color display를 실현하기 위해서는 회로의 집적도 향상과 다층 구조를 지향하는데, 발광 화소(pixel)의 크기가 미세화됨에 따라 누화(cross talk)현상이 심해진다. 이를 해결하기 위해서는 유전율이 낮은 물질을 이용하여야 한다. 일반적으로 알려진 증기 증착이 가능한 저유전율 물질들로는 parylene(poly- p-xylylene), polyimide, teflon-AF, polynaphthalene 등이 있다[8-13]. 이 중에서 parylene은 2.35-3.15의 낮은 유전율을 가지며, 증기 증착이 가능하고, 수분 투과성이 낮으며, 미세한 틈을 pinhole의 생성 없이 코팅할 수 있고, 저온증착이 가능하여 열팽창계수가 낮으며, 화학적으로 안정해 용매에 대한 저항성도 크다. Parylene과 그 유도체들은 저유전율 재료들 중에서도 물성이 우수한 재료이기 때문에 회로 기판과 hybrids에서 conformal 코팅재료로 다년간 사용되어졌으며, 현재 초집적회로(ULSI)의 층간 절연체(interlayer dielectric)로 사용하기 위해 활발한 연구가 진행되어지고 있다. 그러나 차세대 디스플레이로 주목받고 있는 유기발광소자에서는 parylene의 특성을 이용한 연구나 문헌은 보고되지 않은 실정이다.

본 연구에서는 [2.2]paracyclophane을 사용하여 parylene-N 박막을 증착하는 방법을 이용하여[13] 유기발광소자의 passivastion layer로 parylene 박막을 사용한 소자의 효율 및 수명을 향상에 미치는 영향을 살펴보았다.

실험

사진식각공정에 의해서 회로가 형성된 ITO 기판을 TCE, acetone, methanol 순으로 초음파세척을 각각 10분씩 세정한다. 각 유기용매로 기판을 세정한 후에 N2 gas로 blowing하여 건조시켰다. 이렇게 세정된 기판을 thermal evaporator 반응기 내부로 투입하였다.

반응기 내부의 진공도를 2.0×10-6 torr로 유지하면서 유기물, 금속전극 순으로 진공증착을 실시한다. Passivation layer가 소자의 수명에 미치는 영향을 알아보기 위해서 양극, 정공수송층, 전자수송층 및 발광층, 그리고 음극으로 간단한 소자의 구조를 선택하였다. 사용되어지는 재료로는 양극은 ITO 기판을 사용하였으며, 정공수송층으로는 diamine 계열의 TPD(N,N'-diphenyl-N,N'-bis(3-methyl phenyl)-1,1'-biphenyl-4,4-diamine)를 사용하였고, 전자수송층 및 발광층으로는 Alq3(8-hydroxyquinoline-aluminum)를 사용하였으며, 음극전극으로는 AlLi alloy를 사용하였다. Fig. 1에 유기발광소자의 구조를 나타내었다.

제작되어진 소자는 parylene 박막증착장치의 반응기 내부로 투입하였다. 전구체로 사용되어지는 [2.2]paracyclophane 약 500mg을 전구체 용기에 넣은 후 진공도를 10-3 torr 로 유지한다. 전구체 운반기체로는 Ar(99.999%)을 사용하였다. 전구체는 110℃의 온도에서 승화된 후 운반기체에 희석되어 튜브전기로에 유입되면 650℃ 이상의 온도에서 p-xylylene 단량체로 분해된다. 생성된 단량체는 증착반응기 안으로 들어가 0℃에서 parylene 박막을 형성한다. 공정을 진행하는 동안 전체 line을 가열 테이프로 감아 140℃ 이상의 온도를 유지하여 전구체가 전체 공정 line에 응축되는 것을 방지하였다. Parylene 증착 공정에 관한 개략도를 Fig. 2에 나타내었다.

증착된 parylene의 박막 두께는 표면단차측정기인 □-step profilometer (VEECO, Dektak3)를 이용하여 측정하였고, 박막의 표면은 광학현미경(NIKON, ME600)과 SEM(HITACHI, S-4200)에 의해서 관찰하였다. 완성된 소자는 DC power supply (ED-200E)로 DC 전압을 인가하여 휘도계(MINOLTA, CS-100)를 사용하여 소자의 광학적 특성을 측정하였으며, 전기적 특성은 semiconductor parameter analyzer(HP 4145B)를 사용하였다. 소자의 수명 측정은 대기 중에서 일정한 DC 전압을 공급하여 최초로 측정된 휘도의 50%가 되는 시간을 측정하였다.

결과 및 고찰

본 연구는 실온 이하의 온도에서 [2.2]paracyclophane을 이용하여 parylene-N 박막증착을 하기 위해 운반기체의 유량을 50 sccm, 전구체 용기의 온도를 110℃, 전기로에서 전구체 분해 온도는 700℃, 증착 압력은 1 torr, 증착 반응기 내부의 소자에 증착 온도는 0℃를 기준 조건으로 하였다. 기준 조건 하에서 유기발광소자 위에 저유전율을 가지는 재료인 parylene-N 박막을 passivation layer로 사용하여 소자의 효율과 수명에 미치는 영향을 조사하였다. 박막 증착은 약 3시간 동안 진행하였으며, 증착된 박막의 두께는 약 1.3 □였고, 증착속도는 약 70Å/min이였으며, 육안으로 관찰된 박막의 표면은 깨끗하였다. 광학현미경과 SEM을 사용하여 표면 상태를 자세히 관찰하였다. Fig. 3에 표면을 1,000배와 5,000배로 확대한 SEM 사진을 나타내었다. Fig. 3에서 보이듯이 박막표면은 pinhole의 생성없이 고르게 증착되어졌으며, 결정성을 가지지 않는 비정질 형태로 bulk하게 생성됨을 알 수 있었다.

Parylene 박막을 증착한 유기발광소자와 parylene 박막을 증착하지 않은 소자의 전기적인 특성은 I-V 측정을 통해 비교하여 본 결과 거의 차이가 없음으로 미루어 증착된 parylene 박막이 소자의 제조에 사용되어진 유기물질이나 금속과의 계면에서 내부반응이 일어나지 않음을 짐작할 수 있다. 그러나 수명과 휘도의 관계를 측정해서 살펴본 광학적인 특성은 Fig. 4에서 보는바와 같이 parylene 박막이 증착된 소자가 그렇지 않은 소자에 비해서 수명이 약 2배정도 증가함을 보여준다. 이는 pinhole의 생성 없이 고르게 코팅된 parylene 박막이 수분투과성이 낮은 특성으로 인하여 대기 중의 환경으로부터 소자를 보호하는 passivation 역할을 해주기 때문인 것으로 사료된다. 유기발광소자의 음극에 사용되어지는 금속들, 예를 들면 Ca, MgAg alloy, AlLi alloy 등은 대체로 반응성이 강해 대기 중에 그대로 방치할 경우에 쉽게 산화가 될 수 있으며, 또한 유기물 표면도 대기 중의 수분과 반응하여 산화되기 때문에 소자의 수명이 짧아지게 된다. 유기발광소자의 수명저하현상을 줄이기 위해서 봉합(encapsulation)공정이 불가피하게 되는데, parylene 박막을 이용하면 제작된 소자를 보호하기 위한 봉합공정과 누화현상을 줄이기 위한 층간절연체로도 이용할 수 있다.

차후에 박막의 증착속도와 증착수율을 높이고, 유기발광소자에 사용되어지는 재료들과의 계면현상을 조사해 소자의 봉합공정에 응용에 관한 연구를 계속 진행할 것이다.

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 (1997).

2. C.W. Tang, S.A. VanSlyke and C.H. Chen, J. Appl. Phys., 65, 3610 (1989).

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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).

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8. T.-M. Lu and J.A. Moore, MRS Bulletin, 22, 28 (1997).

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10. L. You, G.-R. Yang, C.-I. Lang, J.A. Moore, P. Wu, J.F. McDonald, and T.-M. Lu, J. Vac. Sci. Technol. A., 11, 3047 (1993).

11. S. Dabral, X. Zang, X.M. Wu, G.-R. Yang, L. You, C.-I. Lang, K. Hwang, G. Cuan, C. Chiang, H. Bakhru, R. Olson, J.A. Moore, T.-M. Lu, and J.F. McDonald, J. Vac. Sci. Technol. B., 11, 1825 (1993).

12. G.-R. Yang, S. Ganguli, J. Karcz, W.N. Gill and T.-M. Lu, J. Cryst. Growth, 183, 385 (1998).

13. E.J. Kim, S.K. Kim, R.-H. Park, and J.-T. Kim, HWAHAK KONGHAK, 36, 896 (1998).

Fig. 1. Schematic of OLEDs deposited parylene films using passivation layer

Fig. 2. Schematic of chemical steps in the formation of parylene films

Fig. 3. SEM photographs of the surface morphology of parylene films (a) at ×1000,         (b) at ×5000

Fig. 4. Lifetime of OLEDs at 6.0V DC