불완전 에너지 전이를 이용한 백색 유기물발광소자

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

송 태준, 고 명수, 조 성민

성균관대학교 공과대학 화학공학과

White-light-emitting organic electroluminescent device based on interlayer sequential energy transfer

Taejoon Song, Myungsoo Ko, Sungsoo Lee Sungmin Cho

Department of chemical Engineering, Sungkyunkwan University, Suwon 440-746, Korea

서론

본 연구에서는 도펀트의 양을 조절하여 불완전한 에너지 전이를 통한 백색발광을 구현할 수 있는 유기발광소자를 제작하였다.  또한 본 연구에서 제작된 소자는 전압 변화에 민감하지 않아서 인가되는 전압을 변화시켜서 발광강도를 조절하여도 백색의 발광을 위한 색좌표 상의 값을 유지 할 수 있다.

이론

최근 유기발광소자는 LCD에 비하여 넓은 광 시야각, 빠른 응답속도, 박막화 가능 등의 좋은 특성으로 인하여 차세대 FPD로서 각광받고 있다. 유기 발광 소자는 1987년 미국의 이스트만 코닥사의 탕이 처음으로 개발하여 약 15년간 눈부시게 성장하였으며, 일본의 파이오니아사에서 카오디오용 소자를 만들어 처음으로 상품화하였다.  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 삽입함으로써 전하의 재결합 영역을 조절함으로써 백색을 발광하는 유기물 발광소자를 제작하는 방법이 있다.  첫 번째 방법은 두 번째 방법에 비해 인가되는 전압에 따른 색좌표값의 변화가 작으며, 전하의 이동을 제어하기 위한 제어층이 없으므로 비교적 높은 효율을 얻을 수 있다.

유기발광소자로 천연색을 구현할 수 있는 방법으로는 크게 세가지로 나눌 수 있다.  그 중 하나는 R, G, B를 각각 패터닝 하는 방법이다.  두 번째 방법은 일본의 이데미추코산이라는 기업에서 연구한 것으로 RGB중 가장 단판장인 파란색 발광층을 형성하여 이 파장을 down conversion할 수 있는 물질을 사용하여 각각의 RGB를 형성하는 방법이다.  세 번째로는 백색을 나타내는 유기발광소자에 칼라 필터를 이용하여 각각의 RGB를 나타내는 방법이다.  이러한 방법중에서 첫 번째 방법인 각각의 RGB를 패터닝하는 방법은 현재 가장 발전해 있으며 대부분의 기업에서 상품화 하려고 하는 방법이다.  그러나 이러한 구조의 경우에는 고화질을 위하여 각각의 RGB를 위한 미세 패턴의 마스크를 사용해야 하는데, 이러한 기술이 아직 미흡한 상황이다.  이러한 문제를 해결 할 수 있는 방법중에 하나가 백색발광소자를 이용한 천연색의 구동이다. 따라서 본 연구에서는 천연색 구현이 가능한 백색발광소자에 관하여 연구하였다.  또한 이러한 백색 발광자는 LCD의 백라이트로도 사용이 가능하기 때문에 그 이용도가 상당히 높다고 할 수 있다.

실험

본 연구에 사용된 ITO glass는 면저항이 15□/□ 이며 필요한 형상을 구현하기 위해 염산증기를 이용하여 습식식각을 수행한 후 탈이온수와 trichloroethylene(TCE), 아세톤, 그리고 메탄올을 사용하여 각각 10분씩의 초음파 세척을 하였다. 소자 제작에 사용한 물질로는 정공주입층 물질로 phthalocyanine copper complex (CuPc)를 사용하였고 전공수송층으로는  4,4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl (□-NPD), 전자수송층 물질로는 tris-(8-hydroxy-chinolinato)-alumicum (Alq3)를 사용하였으며, 파란색 발광 물질로 4,4-bis(2,2-diphenylvinyl)-1,1-biphenyl (DPVBi), 녹색 물질로 파란색 발광층에 coumarin6을 도핑하였다.  붉은색 발광물질로 Alq3(호스트)와 DCJTB(도판트)을 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 증착되었다.  또한 백색 발광을 이루기 위하여 coumarine6와 DCJTB의 도핑농도를 조절하였다.  제조된 소자는 fiber optic spectrometer (S2000)으로 발광스펙트럼을 측정하였고, 광도계 (Kethley 236)를 이용하여 발광강도를 측정하여 소자의 특성을 분석하였으며, 색좌표를 통하여 소자의 백색발광 정도를 관찰하였다.

결론

Table 1은 본 연구를 위해 제작된 백색 발광소자의 개략도이다.  표에서 보는 바와 같이 두 가지 구조의 발광소자를 제작하였고, 이것들 중에서 (B)는 (A)의 소자를 제작하기 위한 중간과정으로서, 파란색 발광층에 녹색 도펀트 물질을 극소량 도핑하여 에너지 불완전전이를 유도한 구조이다.  (B)의 경우는 백색발광을 얻기 위하여 (A)소자의 구조에 빨간색 발광층을 더하여 제작된 소자이다.  Fig. 1(a)는 제조된 소자(A)의 색좌표이다.  그림에서 알 수 있듯이 도펀트량의 조절로 DPVBi와 coumarine6의 중간정도의 영역에서 발광함을 알수 있었다.  이는 호스트에서 도펀트로의 에너지 전이에서 도펀트의 양을 극소량으로 조절함으로써 호스트에서도 본래의 발광색을 얻을 수 있다는 것을 보여준다.  Fig. 1(b)는 (A)소자의 발광스펙트럼이다.  그림에서 알 수 있듯이 하나의 peak이 아닌 파란색과 녹색이 같은 층에서 나타남을 알 수 있다.  Fig. 2(a)는 제조된 소자 (B)의 색좌표이다.  여기서는 소자(A)의 녹색발광물질이 도핑된 파란색 발광층 외에 독립된 빨간색 발광층을 삽입함으로써 색좌표에서 빨간색 영역으로의 이동을 유도하였다. 그림에서 보면 중심부에 표시된 백색발광영역에 정확하게 조절하지는 못했지만, 이 구조로서 백색발광을 구현할 수 있다는 것을 보여주었다. Fig. 2(b)는 소자(B)의 발광스펙트럼으로서 세 개의 peak이 나타남을 볼 수 있다.  이는 이론부분에서 말했듯이 칼라필터를 이용한 풀칼라 구현에서는 빛의 삼원색인 삼색 각각의 발광이 필요하다. 따라서, 이 그림은 풀칼라 디스플레이에 활용할 수 있는 구조라는 것을 보여준다.  이와 같이, 에너지 불완전 전이를 이용한 백색발광소자는 전하 제어층을 이용한 소자에 비해서 높은 효율을 얻을 수 있으며, 전압변화에 민감하지 않는 특성을 보여준다.

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

Structure	Order of emitting layers
A	B(host) : G(dopant)
B	B : G / R

(a)                                           (b)

Fig. 1. EL emission spectra (a) and CIE chromaticity diagram (b) of structure (A)

(a)                                           (b)

Fig. 2. EL emission spectra (a) and CIE chromaticity diagram (b) of structure B