혼합 발광층 및 계면 구조를 이용한 유기발광소자의 동작 특성 연구

Abstract

현재까지도 유기발광소자(organic light-emitting devices)에서 가장 해결 해야 할 문제점은 소자의 효율과 수명을 향상시키는 것이다. 본 논문에서는 소자의 효율과 수명을 향상시키기 위하여 유기발광소자의 발광층에 혼합발광 구조를 적용하고, 유기물 계면 사이에 버퍼층을 도입하거나 혼합 계면층을 적용하였다. 실험은 세가지 방향으로 진행되었으며, 이후 전산시뮬레이션을 수행하여 실험결과를 검증하였다. 먼저, 유기발광소자의 발광층으로 사용되는 주재료(host)에 색소(dye)를 도핑한 구조와 도핑하지 않은 구조로 구분하여 소자의 특성을 분석하였다. 색소를 도핑하지 않은 구조에서는 발광층의 주재료로 Alq3와 MADN을 사용하였으며, 주재료 물질에 따른 열화 차이를 실험을 수행하여 검증하였다. 발광층에 색소를 도핑한 구조의 경우 단일도핑 구조와 이중도핑 구조의 두 가지 방식으로 실험을 수행하였다. 단일도핑 구조의 경우 동일한 주재료에 색소의 농도를 변화시켜가며 그 차이를 관찰하였다. 색소의 농도가 일정 비율이상 증가할 경우 농도 소멸(concentration quenching) 현상으로 인하여 발광효율이 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 다음으로, 동일한 색소에 발광층의 주재료로 Alq3와 MADN을 사용하였을 경우 특성의 차이를 관찰하였다. 수명 측정 결과 Alq3에 비하여 MADN이 좀더 안정적인 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었으며, 각각의 소자에 대하여 경사도핑 구조를 적용하였을 경우 소자 내부에서의 전하이동 및 발광에 기여하는 방식의 차이를 설명할 수 있었다. 이중도핑 구조의 경우 청색과 적색의 두 가지 발광층이 순차적으로 적층된 이중적층발광 구조의 기본소자를 제작하였다. 이후 청색발광층에 Alq3를 동시에 도핑한 이중도핑 구조를 적용하여 소자의 효율을 두 배 가까이 향상시켰으며, 표준 광원에 가까운 색좌표를 나타내는 백색 유기발광소자를 구현할 수 있었다. 둘째, 유기발광소자의 수명 및 효율을 향상시키기 위한 다른 접근 방법으로 성질이 다른 두 가지 물질을 혼합하여 발광층을 형성시킨 후 소자의 특성을 관찰하였다. 색소가 도핑되지않는 구조의 경우 전자의 이동도가 우수한 Alq3 와 정공의 이동도가 우수한 NPB를 일정한 비율로 혼합하여 발광층으로 사용하였다. 그 결과 단일 주재료로 이루어진 발광층에 비하여 두 가지 주재료가 혼합된 소자의 발광효율이 더 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. 색소가 도핑된 구조는 적색 유기발광소자의 발광층으로 혼합 발광층을 사용하여 특성을 관찰하여 보았다. 혼합 발광층에 사용되는 주재료로 Alq3와 Rubrene을 사용하였을 경우와 Alq3와 MADN을 사용하였을 경우 소자의 특성을 비교하여 보았다. MADN이 적용된 소자의 경우 Rubrene을 사용하였을 경우와 비교하여 전류 밀도가 증가하더라도 소자의 효율이 거의 일정하게 유지될 뿐만 아니라 소자의 수명도 두 배 가까이 향상 시킬 수 있었다. 셋째, 유기발광소자의 유기물 사이에 두 가지 물질이 일정한 비율로 혼합된 구조를 가지거나, 유기물 사이에 버퍼층을 도입할 경우 특성을 관찰하였다. 단층발광 구조의 경우 정공수송층과 발광층 또는 발광층과 전자수송층 사이에 혼합계면 구조 및 경사계면 구조를 적용하였을 경우 효율의 차이는 크지 않았으나 계면 영역에서의 소자의 열화가 느리게 진행되어 수명이 크게 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 다층발광소자의 경우 청색발광층 위에 녹색발광층과 적색발광층이 순차적으로 적층된 BGR 구조의 유기발광소자를 기본소자로 제작하였으며, 두 가지 방향으로 실험을 진행하였다. 먼저, 기본소자의 구조에서 발광층들 사이에 각 발광층들의 주재료를 동일한 비율로 혼합한 계면층이 삽입된 소자를 제작하였다. 혼합계면층(mixed interface layer)이 삽입된 구조의 경우 기본소자와 비교하여 발광효율이 50% 향상되었으며, 소자의 수명은 3배 이상 증가 하였다. 다음으로, BGR이 순차적으로 적층된 기본소자의 구조에서 정공수송층(hole transport layer) 두께를 변화시켜가며 소자의 특성을 분석하였다. 또한, 전자와 정공의 균형을 맞추기 위하여 녹색발광층과 적색발광층 사이에 버퍼층으로 NPB를 삽입하여 그 효과를 관찰하였다. 버퍼층이 삽입된 소자의 경우 기본소자와 비교하여 발광효율이 37% 가량 향상된 결과를 얻을 수 있었으며, 색좌표는 표준백색광과 유사하고 전압이 증가하더라도 색좌표의 변화가 거의 없는 우수한 특성을 확보할 수 있었다 마지막으로, 본 논문에서는 실험을 통하여 수행된 결과를 검증하기 위한 방법으로 전산 시뮬레이션을 수행하였다. 전산 시뮬레이션은 두 가지 방향으로 진해되었다. 먼저, 소자의 두께에 따른 광학적인 특성의 변화는 이중적층 구조와 BGR 적층구조에 적용하여 살펴보았다. 제작된 소자의 전기적 특성에는 영향을 미치지 않는 범위 내에서 외부발광 효율을 향상시키기 위하여 정공의 이동도가 우수한 PEDOT:PSS 및 NPB의 두께를 최적화하여 소자의 휘도를 향상시키고 우수한 색좌표를 가지는 백색 유기발광소자를 제작할 수 있는 방안을 제시하였다. 다음으로 BGR 적층구조를 가지는 소자들의 발광 특성 차이를 전산시뮬레이션을 수행하여 검증한 결과 효율 및 색좌표의 변화는 각 소자들 내부에서의 재결합 영역의 변화 및 두께에 따른 광학적 효과에 기인한다는 것을 알 수 있었다. 이상의 연구 결과를 토대로 향후 실제 실험을 통하여 소자를 제작하지 않더라도 시뮬레이션을 수행하여 원하는 발광 스펙트럼을 얻기 위한 소자 설계에 활용할 수 있으리라 본다. 마지막으로 소자 내부에서 일어나는 물리적인 현상을 이해하기 위하여 물질에 따른 소자의 특성차이뿐만 아니라 적층 구조 및 두가지 물질을 혼합하였을 때의 소자의 물리적인 현상을 분석하였다. 이러한 시뮬레이션을 수행하여 소자내부에서 전기장 분포, 전하이동도 변화 및 전하분포를 토대로 재결합 확률을 계산할 수 있었으며, 이러한 결과를 토대로 실제 실험에서 소자의 효율이 향상되기 위한 조건들에 대하여 이해할 수 있었다. 향후 전산시뮬레이션의 영역을 확장하여 색소가 도핑된 구조 및 적층방식의 소자에 적용할 경우 좀더 많은 결과를 얻을 수 있으리라 확신한다.