용매에 녹는 Alq3가 달린 고분자를 이용해 제작된 OLED의 주요 특성과 효율적 구조
The main characteristics and efficient structure of OLEDs fabricated using soluble Alq3 pendent polymer
초록/요약
본 실험은 본교 유기화학 연구팀에서 합성된 Alq₃가 달린 고분자 poly-Alq₃의 기본적 광발광(Photoluminescence)성질을 관찰하여 OLED 소자재료로 그 타당성을 확인하였고, 다음으로 습식공정을 통한 소자제작이 가능한지를 실제로 spin-coating을 이용해 확인하였다. 먼저 poly-Alq₃의 PL측정을 통해, 발광저분자 Alq₃와 중추(backbone)고분자를 형성하는 스틸벤 유도체(stilbene derivative)의 여기과정 및 광발광 근원을 규명하면서 Alq₃의 고유 PL 성질이 잘 유지됨을 확인하였다. poly-Alq₃만을 발광층으로 사용한 시범 EL소자의 경우, Alq₃의 뛰어난 전자 수송력과 초록색의 고유 EL을 유지하고 있었으나, 정공(hole) 부족으로 인해 여기자(exciton)의 드문 형성 및 낮은 발광성 재결합(radiative recombination)으로 매우 낮은 EL 효율을 보였다. 따라서, 원활한 정공(hole) 수송을 위해 정공 수송 물질(hole-transporting material)로 잘 알려진 NPB를 혼합하였고, 이에 따라 새로운 에너지 전달관계(Forster energy transfer)가 발생하면서 PL에도 변화가 일어남을 확인하면서, 이 혼합물로 EL 소자 만들기를 시도하였다. EL 소자 제작 시, 일반적인 경우 NPB는 열증착 방식을 이용해 단독으로 하나의 층을 형성시키는 것이 보통이지만, 강한 산성 용매에 녹아 있는 poly-Alq₃를 더 할 경우 NPB층이 지워지는 문제가 발생할 뿐만 아니라, 습식공정 목적에 다소 벗어났다. 따라서 NPB를 poly-Alq₃와 같은 용매(THF)에 녹여 혼합함으로써, spin-coating을 이용한 습식공정으로 발광층(EML)을 형성할 수 있었고, EL 성능은 poly-Alq₃만을 발광층으로 사용했을 때보다 한층 더 개선될 수 있었다. 하지만 여전히 많은 정공(hole)들은 발광층에서 전자(electron)와 발광성 재결합을 하지 못하고 빠져나갔다. 그러므로 이 빠져나가는 정공들을 발광층에 가두기 위해서, HOMO 준위가 더욱 낮은 Bebq2를 발광층과 전극사이에 삽입하였다. 그 결과, 예측된 바와 같이 발광층에서 전극으로 빠져나가는 정공들이 효과적으로 차단될 수 있었고 매우 우수한 EL성능을 보였다. 이 소자는 기존 poly-Alq₃만을 사용한 시범소자에 비해서는 ~10⁴배, NPB와 혼합한 발광층을 사용한 소자에 비해서는 최대 250배 가량 향상된 EL 휘도를 보였으며, 전체적으로 비슷한 수준의 전류밀도를 유지하면서도 낮은 turn-on 전압을 보였다. 결과적으로 본 실험을 통해, 우수한 발광성질을 가진 저분자를 고분자로 합성하여 용매에 잘 녹을 수 있도록 하는 것은, 현재 OLED 제작 시 대두되고 있는 고효율에 비해 높은 제작비용의 문제를 습식공정으로 해결 할 수 있는 방법임을 확인 할 수 있었다. 뿐만 아니라, 이런 의도로 합성된 기능성 고분자를 실제 소자에 적용시킬 때 발생되는 문제들, 즉 광물리적 특성 변화와 NPB의 특정 혼합비 등을 미리 관찰함으로써, 향후 다른 기능성 발광고분자를 합성하고, 그것을 실제소자로 실현시키는데 필요한 토대를 마련했다 할 수 있다.
more초록/요약
We synthesized a novel tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum (Alq₃) pendent polymer, poly-Alq₃, and then demonstrated that light-emitting layers of poly-Alq₃ or blends of poly-Alq₃ and NPB could be formed as a soluble process via spin-coating. Photoluminescence measurement made sure that outstanding luminescent properties of Alq₃ constituents were well preserved as well as showed energy transfer from stilbene derivative to Alq₃ moiety. The test device with a poly-Alq₃ EML showed that Alq₃ pendent polymer maintained good electron-transporting characteristics of Alq₃ molecules, but EL performance of this device was poor although the greenish emission was consistent with the PL spectrum of Alq₃. We attributed the poor EL performance of this device to the lack of holes in an EML. To facilitate higher concentration of holes in EML, we mixed well-known holetransporting material NPB with poly-Alq₃ and then observed that the PL feature had changed as new Forster energy transfer occurred. Blends of NPB and poly-Alq₃ were also compatible with a solution-based process such as spin-coating, and EL performance of devices using these blends as EML material were more improved. Nevertheless, it appeared that most of holes escaped EML without recombining radiatively with electrons. Thus, in order to prevent holes escaping from blend-EML layer, we added a Bebq2 layer between the B-4 EML and a double-layer cathode of LiF-Al because HOMO of Bebq2 is lower than HOMOs of NPB and Alq₃. Consequently, Bebq2-layer's holeblocking effect was fairly successful so that more EL improvement was observed as we expected. EL of the B-4 EML device with a Bebq2 layer was as high as ~1670 cd/m2 at ~12 V: not only about 250 times improvement than the device without a Bebq2 layer but also ~10⁴ times from the test device with only poly-Alq₃ EML layer, keeping similar current density and rather lower turn-on voltage.
more목차
목차 = i
국문요약 = iii
그림차례 = v
표차례 = vii
I. 서론 = 1
II. 본론 = 3
A. 유기발광소재의 일반적 특징 = 3
1. 공액고분자 (conjugated polymer) = 3
2. 광발광(Photoluminescence: PL) = 9
B. OLED(Organic Light-Emitting Diode)의 일반적 특징 = 13
1. 전자 발광(Electroluminescence: EL) = 13
2. 전하주입 = 15
3. 전하 수송 = 16
C. 발광 저분자가 달린 기능성 고분자 합성과 EL 소자 현황 = 21
III. 실험 = 22
A. poly-Alq₃ 고분자 합성 = 22
B. PL 스펙트럼 측정을 위한 poly-Alq₃ 박막 제작 및 측정 = 22
C. poly-Alq₃를 이용한 시범 소자 제작 = 22
D. poly-Alq₃와 NPB의 혼합물 제작 = 24
E. poly-Alq₃와 NPB의 혼합물로 박막 제작 및 EL소자 제작 = 24
F. 정공을 발광층에 가두기 위해 Bebq₂층을 삽입한 소자제작 = 24
G. EL 스펙트럼 측정 = 24
IV. 실험결과 = 25
A. poly-Alq₃의 광물리 및 발광 특성 = 25
1. 490nm 중심의 PL 영역 = 28
2. 260nm 근처의 PLE 영역 = 41
3. 320nm 근처의 PLE 영역과 380nm 중심의 PL 영역 = 42
4. 1:5 poly-Alq₃의 EL 특성 = 43
B. poly-Alq₃와 NPB 혼합물의 광물리 및 발광 특성 = 45
C. 정공을 발광층에 가두기 위해 Bebq₂층을 삽입한 소자 = 56
V. 결론 = 62
참고문헌 = 63
영문요약 = 65
부록 = 66
